Thyristor

En tyristor är en elektronisk halvledarkomponent inom elektroniken, liknande en diod eller transistor, som huvudsakligen används inom elektroniken. Dess huvuduppgift är att styra eller växla elektriska strömmar och spänningar. En tyristor kan hantera hög elektrisk effekt och används därför ofta i industrianläggningar, styrsystem eller energiförsörjningssystem. I många applikationer arbetar flera tyristorer tillsammans för att utföra komplexa kontrolluppgifter.

Tyristorn är en styrbar halvledare och lämpar sig särskilt väl för högeffektsapplikationer. Den kan växla mellan två tillstånd: ett ledande tillstånd, där ström flyter genom komponenten, och ett blockerande tillstånd, där strömflödet är blockerat. Dessa egenskaper gör tyristorn särskilt lämplig för tillämpningar där hög effekt måste kopplas om eller styras. I sådana tillämpningar fungerar den ofta som en kraftfull elektronisk omkopplare.

Uppbyggnad av en tyristor

Tyristorn består av fyra växelvis dopade halvledarskikt av kisel. Denna struktur är känd som en p-n-p-n-lagerstruktur. Mellan de enskilda skikten eller mellan varje enskilt skikt skapas tre så kallade p-n-övergångar. Dessa övergångar bestämmer i hög grad komponentens elektriska beteende.

En tyristor har tre anslutningar:

• Anod (A)
• Katod (K)
• Grind (G)

Anoden och katoden bildar komponentens huvudströmväg. Strömmen flyter mellan dessa två anslutningar så snart tyristorn slås på. Grinden fungerar som styrelektrod. Via denna anslutning kan tyristorn aktiveras.

Den interna strukturen hos en tyristor kan också ses som en kombination av två transistorer. I en förenklad representation beskrivs strukturen ofta som en kombination av en PNP- och en NPN-transistor. Denna ekvivalenta krets hjälper till att bättre förstå komponentens beteende. I den här representationen har gate-anslutningen en funktion som liknar basen i en transistor.

Funktionalitet

I normaltillståndet blockerar tyristorn strömflödet mellan anod och katod, även om en spänning läggs på. Tyristorn aktiveras endast när en kort styrström tillförs grinden. Denna styrström kallas ofta för en puls. Pulsen gör att strömmen börjar flöda genom komponenten.

En speciell egenskap hos tyristorn, även känd som SCR (Silicon Controlled Rectifier), är dess självhållande beteende. När komponenten väl har blivit ledande bibehålls detta tillstånd även om styrpulsen vid grinden tas bort igen. Tyristorn stängs av igen först när strömmen genom den sjunker under ett visst värde. Detta värde kallas för hållström.

Detta beteende skiljer tyristorn tydligt från andra halvledarkomponenter som t.ex. transistorer. Medan en transistor ständigt behöver en styrsignal förblir en tyristor automatiskt påslagen efter aktivering. Detta beteende förklarar varför tyristorer ofta används inom kraftelektronik.

Jämförelse med andra halvledarkomponenter

Tyristorn har egenskaper som påminner om både en diod och en transistor.

En diod tillåter bara ström i en riktning och börjar leda automatiskt så snart en tillräcklig spänning läggs på. En tyristor däremot kräver en extra styrsignal vid grinden innan den blir ledande.

En transistor kan också användas som en styrbar komponent. Den arbetar dock kontinuerligt med en styrsignal. En tyristor däremot fungerar mer som en elektronisk strömbrytare, som efter aktivering förblir permanent ledande tills strömflödet avbryts.

Dessa egenskaper gör tyristorn särskilt lämplig för högpresterande applikationer.

Typer av tyristorer

Förutom den klassiska tyristorn finns det flera varianter av denna komponent. De skiljer sig främst åt i sitt arbetssätt och sina användningsområden. Många av dessa varianter hör också till gruppen tyristorer.

En välkänd representant är triacen. Denna komponent kan leda ström i båda riktningarna och används ofta i växelströmsapplikationer, t.ex. i ljusdämpare eller motorstyrningar.

En annan komponent är diacen, som ofta används som tändelement för triacen. Diacen genererar en kort puls som aktiverar triacen.

Det finns också specialvarianter som GTO-tyristorn (gate turn-off thyristor). Med denna komponent kan det ledande tillståndet också aktivt avslutas igen via grinden.

En modern vidareutveckling är IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyristor). Denna komponent används i högpresterande applikationer, t.ex. i stora energiöverföringssystem eller industriella drivenheter där hög elektrisk effekt bearbetas.

Tillämpningar

Tyristorer finns inom många områden inom elektroteknik och elektronik. De används särskilt ofta inom kraftelektronik, där stora elektriska effekter måste kopplas om eller regleras. I sådana tillämpningar fungerar tyristorer ofta som elektroniska brytare.

Typiska tillämpningar är

• Kraftomvandlare och likriktare
• Motorstyrning
• Dimmer för belysningssystem
• Reglering av värme
• Industriella styrsystem
• Svetsutrustning
• System för överföring av energi

I dessa applikationer tar tyristorn på sig uppgiften att effektivt styra och reglera elektrisk energi i elektroniska kretsar.

Fördelar och nackdelar

Tyristorn har flera fördelar som gör den attraktiv för många tillämpningar.

Fördelar:

• Hög spännings- och strömresistans
• Robust konstruktion med flera halvledarlager
• Låg effektförlust
• Tillförlitlig drift med hög elektrisk effekt

Nackdelar:

• Standardtyristorer kan inte stängas av direkt via grinden
• Känslig för snabba spänningsändringar
• Mindre flexibilitet än moderna effekttransistorer

Slutsats

Tyristorn är en viktig komponent i modern kraftelektronik och kallas ofta för SCR. Tack vare sin speciella halvledarstruktur som består av flera lager kan den styra och växla hög elektrisk effekt. Dess självhållande beteende möjliggör effektiv styrning av ström och spänning i många tekniska applikationer.

Även om moderna halvledarkomponenter som effekttransistorer används är tyristorer fortfarande en beprövad och mångsidig elektronisk komponent inom många områden.