Per què els inversors moderns utilitzen transistors, no tiristors

Els tiristors pertanyen a dispositius semiconductors de l'estructura p-n-p-n i, de fet, pertanyen a una classe especial transistors bipolars, dispositius de transició de quatre capes, tres (o més) amb conductivitat alterna.

El dispositiu tiristor li permet funcionar com un díode, és a dir, passar corrent en una sola direcció.

I també com un transistor d'efecte de camp, tiristor hi ha un elèctrode de control. A més, com a díode, el tiristor té una peculiaritat: sense injecció de portadors de càrrega de treball minoritaris a través de l'elèctrode de control, no entrarà en un estat conductor, és a dir, no s'obrirà.

Un model simplificat de tiristor ens permet entendre que l’elèctrode de control és similar a la base d’un transistor bipolar, tot i així, hi ha una limitació que és possible desbloquejar el tiristor mitjançant aquesta base, però no es pot bloquejar.

Un tiristor, com un potent transistor amb efectes de camp, pot, per descomptat, canviar corrents significatives. I a diferència dels transistors amb efecte de camp, les potències commutades amb tiristor es poden mesurar en megavatios a altes tensions de funcionament. Però els tiristors tenen un greu inconvenient: un temps d’apagat important.

Per bloquejar el tiristor, és necessari interrompre o reduir significativament el corrent directe durant un temps suficient, durant el qual els portadors principals de càrrega de treball sense equilibri, parells forat d’electrons, tindrien temps de recombinar o resoldre. Fins que no s’interrompi el corrent, el tiristor romandrà en un estat conductor, és a dir, continuarà comportant-se com díode.

Els circuits de commutació de corrent sinusoïdal alternatiu proporcionen als tiristors un mode de funcionament adequat: la tensió sinusoïdal biaix la transició en sentit contrari i el tiristor es bloqueja automàticament. Però per mantenir el funcionament del dispositiu, cal aplicar un pols de control de desbloqueig a l’elèctrode de control a cada semicicle.

En circuits amb corrent continu recorren a circuits auxiliars addicionals, la funció dels quals és reduir la força del corrent d'ànode del tiristor i tornar-lo a l'estat bloquejat. I ja que els portadors de càrrega es recombinen quan es bloquegen, la velocitat de commutació del tiristor és molt inferior a la d’un transistor d’efecte de camp potent.

Si comparem el temps de tancament complet del tiristor amb el temps de tancament complet del transistor d’efectes de camp, la diferència arriba milers de vegades: un transistor d’efecte de camp necessita diversos nanosegons (10-100 ns) per tancar-se, i el tiristor requereix diversos microsegons (10-100 μs). Sent la diferència.

Per descomptat, hi ha zones d’aplicació de tiristors on els transistors d’efecte de camp no resisteixen la competència amb ells. Per als tiristors, pràcticament no hi ha restriccions a la potència commutada màxima permesa: aquest és el seu avantatge.

Els tiristors controlen megawatts de potència a les grans centrals elèctriques, en les màquines de soldadura industrials canvien corrents de centenars d’amperis i tradicionalment també controlen forns d’inducció de megavat a les fàbriques d’acer. Aquí, els transistors d'efecte de camp no són aplicables de cap manera. En convertidors de potència mitjana impulsats, guanyen transistors amb efecte de camp.

Una apagada llarga del tiristor, com s’ha esmentat anteriorment, s’explica pel fet que, quan s’encén, necessita eliminar la tensió del col·lector i, com un transistor bipolar, el tiristor triga un temps finit per recombinar o eliminar els portadors minoritaris.

Els problemes que provoquen tiristors en relació amb aquesta peculiaritat s’associen principalment a la incapacitat de canviar a gran velocitat, com ho poden fer els transistors amb efecte de camp.I fins i tot abans que s’apliqui la tensió del col·lector al tiristor, el tiristor s’ha de tancar, en cas contrari les pèrdues de potència de commutació són inevitables, el semiconductor es sobreescalfa.

Dit d'una altra manera, la limitació dU / dt limita el rendiment. Una trama de dissipació de potència en funció de l'actualitat i puntual il·lustra aquest problema. L’elevada temperatura dins del cristall de tiristor no només pot provocar una falsa alarma, sinó que també pot interferir amb la commutació.

En els inversors ressonants dels tiristors, el problema de bloqueig es resol per si mateix, on l’onada de polaritat inversa porta a bloquejar el tiristor, sempre que l’exposició sigui bastant llarga.

Això revela l’avantatge principal dels transistors d’efecte de camp sobre els tiristors. Els transistors d’efecte de camp són capaços d’operar a freqüències de centenars de quilohertz, i el control actual no és cap problema.

Els tiristors funcionen de forma fiable en freqüències de fins a 40 quilohertz, més propers a 20 quilohertz. Això significa que si s’utilitzessin tiristors en inversors moderns, els dispositius amb una potència prou elevada, per exemple, de 5 quilowatts, serien molt molestos.

En aquest sentit, els transistors d'efecte de camp fan que els inversors siguin més compactes a causa de la mida i el pes més reduïts dels nuclis dels transformadors de potència i ofegació.

Com més alta sigui la freqüència, més petita és la mida que necessiten els transformadors i els desplaçaments per convertir la mateixa potència, és conegut per a tots els que coneixen els circuits dels convertidors de pols moderns.

Per descomptat, en algunes aplicacions, els tiristors són molt útils, per exemple reguladors per ajustar la brillantor de la llumque funcionen amb una freqüència de xarxa de 50 Hz, en qualsevol cas, és més rendible fabricar en tiristors, són més barats que si s’utilitzessin transistors d’efecte de camp.

I dins inversors de soldaduraPer exemple, és més rendible utilitzar transistors amb efectes de camp, precisament per la facilitat de commutació i la gran velocitat d’aquesta commutació. Per cert, quan es passa d’un tiristor a un circuit de transistor, malgrat l’elevat cost d’aquest, s’exclouen dels dispositius components costosos innecessaris.