Tyristor — schéma, zapojení, funkce, princip a diagram

Tyristor je polovodičová součástka ze skupiny řízených usměrňovačů. Na rozdíl od diody nebo tranzistoru slouží primárně jako řízený spínač pro vyšší výkony — regulace světelných stmívačů, motorových regulátorů, svařovací techniky, UPS záložních zdrojů nebo silových měničů.

Princip je jednoduchý: tyristor se zapne řídícím signálem na elektrodě Gate, ale — a to je klíčový rozdíl oproti tranzistoru — Gate signálem ho vypnout nelze. Jednou sepnutý tyristor drží vodivý stav tak dlouho, dokud proud neklesne pod určitou minimální hodnotu (tzv. holding current) nebo dokud se nezmění polarita napájení.

Vnitřní struktura

Tyristor je polovodičová součástka se třemi PN přechody (J1, J2, J3) a čtyřvrstvou strukturou P-N-P-N.

Má tři elektrody:

• Anoda (A) — kladný pól, přívod proudu
• Katoda (K) — záporný pól, odvod proudu
• Gate (G) — řïdící elektroda, spouštěcí impuls

Tři stavy tyristoru

1. Blokovací stav — tyristor je v propustném zapojení, ale na elektrodě G je napětí 0 V. Přechod J2 blokuje průchod proudu. Tyristor nevede.

2. Vodivý stav — na elektrodu G přivedeme dostatečné napětí (řïdící impuls). Všechny tři přechody J1, J2, J3 jsou propustné, tyristor vede proud. Tento stav se udržuje i po odeznění Gate impulsu — tyristor se „zasekne“ v sepnutém stavu.

3. Nevodivý stav — tyristor je zapojen v závěrném směru (záporné napětí na anodě). Přechody J1 a J3 blokují průchod proudu v obou stavech Gate.

Závěrný směr

Přechody J1 a J3 jsou v závěrném směru, J2 v propustném. Proud neprojde bez ohledu na napětí na Gate.

Propustný směr

Bez řïdícího signálu (G = 0 V): J1 a J3 jsou propustné, J2 závěrný — tyristor je v blokovacím stavu, proud neprojde.

S řïdícím signálem (G = U_G): Dostatečný Gate impuls překoná závěrný přechod J2. Všechny tři přechody J1, J2, J3 přejdou do propustného stavu — tyristor sepne a drží vodivý stav i po odeznění impulsu.

Voltampérová charakteristika

Z VA charakteristiky jsou patrné tři oblasti:

• Závěrná oblast (záporné napětí na anodě) — tyristor nevede, pouze malý závěrný proud
• Blokovací oblast (kladné napětí, G = 0) — tyristor nevede až do průrazného napětí U_BO
• Vodivá oblast — po sepnutí Gate impulsem proud teče s malým úbytem napětí (~1–2 V)

Tyristor jako regulátor výkonu

Typické použití tyristoru je řízení střídavého výkonu — tzv. fázové řízení. Gate impuls se přivede vždy v určitou část sinusové periody, čímž se reguluje, jak velká část každé půlvlny projde do zátěže.

• U_G — napětí na elektrodě G (řïdící signál)
• U_R — napětí na odporu (zátěži)

Jak tyristor vypnout

Zde se tyristor zásadně liší od tranzistoru nebo MOSFETu. Gate elektrodou tyristor vypnout nelze — Gate slouží pouze pro zapnutí. Vypnutí nastává jednou ze dvou cest:

1. Změna polarity napájení — při střídavém napájení (AC) tyristor automaticky vypne na začátku záporné půlvlny, kdy proud klesne na nulu
2. Přerušení pracovního obvodu — pokles proudu pod hodnotu holding current (typicky jednotky až desítky mA podle typu tyristoru)

U stejnosměrných (DC) obvodů je vypnutí složitější a vyžaduje komutační obvod nebo záměrné přerušení proudu.

Praktické zapojení — tyristor jako spínač

Jednoduchý příklad: tyristor spíná zátěž (R_L) při příchodu řïdícího impulsu.

• Gate rezistor R_G: typicky 470 Ω – 1 kΩ pro omezení Gate proudu
• Spouštěcí impuls: 5–10 V / délka alespoň 10 µs (záleží na typu tyristoru)
• Po sepnutí tyristor drží zátěž sepnutou bez dalšího Gate signálu

Příbuzné součástky

TRIAC je obousměrný tyristor — vede proud v obou polaritách, takže je přímo použitelný ve střídavých obvodech bez nutnosti fázování. Nejběžněji ho najdete ve světelných stmívačích a regulátorech otáček.

DIAC je dvoustavová součástka bez řïdící elektrody, která se používá většinou jako spouštěč TRIACu — přivede Gate impuls ve správnou fázi periody.