Danijel Langus, dipl. inž. Železarna Jesenice DK: 621.315.5 ASM/SLA: U le Delovanje štirislojnih polprevodniskih elementov V članku so opisane elektriške lastnosti štirislojnih polprevodniških elementov — dinistorja in tiristorja. Ta dva elementa sta se pojavila na tržišču v ZDA po letu 1959. Od tedaj naprej je njihova proizvodnja dosegla velik napredek, izboljšale so se lastnosti elementov, povečal se je izbor, zaradi masovne proizvodnje se je njihova cena znižala. To velja zlasti za ZDA. V tem času so tudi nekatere evropske države začele s proizvodnjo teh elementov (Sovjetska zveza, Zahodna Nemčija, češkoslovaška, itd.), tako da bodo štiri-slojni polprevodniški elementi verjetno v prihodnosti v celoti nadomestili ustrezne plinske elemente (tiratron, Hg ventil z mrežico, itd.), saj imajo v primerjavi z njimi same dobre lastnosti (majhne dimenzije, majhna krmilna moč, veliki tokovi v prevodni smeri ter sorazmerno velike napetosti v zaporni smeri, itd.). Članek je napisan z namenom, da bi te elemente spoznali, kajti v železarni Jesenice so dobili nekaj novih naprav, ki imajo vgrajene te elemente. To so predvsem nove naprave v valjarni Bela ter žičarski stroji v HVž- Upam, da bo članek pripomogel k boljšemu razumevanju in vdrževanju teh naprav. Polprevodniški elementi s štirislojno strukturo p-n-p-n predstavljajo eno izmed oblik izvedb elementov, kateri pri določeni smeri toka prevajajo, pri spremembi smeri toka pa zapirajo — so ne-prevodni. Lastnosti, ki določujejo tak način prevajanja, obstojijo v gostoti primesi v slojih polprevodnika, ki sestavljajo element. Različne primesi čistemu polprevodniku lahko različno vplivajo na tip njegove prevodnosti. Razlikujemo n tip prevodnosti (presežek elektronov) in p tip prevodnosti, kjer imamo pomanjkanje elektronov in se prevajanje vrši z vrzelmi. štirislojen polprevodniški element se sestoji iz obeh tipov prevodnosti, to je iz štirih slojev tipa p in n, ki se izmenično vrste. (Glej sliko 1.) Element lahko predstavimo tudi v obliki dveh transistorjev (p-n-p in n-p-n), katera imata zvezana kolektorja (prehod P2). Transistorja sta vezana v pozitivni povratni zvezi, kot kaže slika 2. Kot je razvidno iz slike 2 sta baza in kolektor transistorja Tr 1 odgovarjajoče zvezana s kolektor-jem in bazo transistorja Tr 2. Razvidno je, da ko-lektorski tok enega transistorja prehaja čez bazo drugega ter s tem naredi notranjo povratno zvezo. Ako priključimo na elektrodi A in K napetosti U0 (polariteta je prikazana na sliki »a«), bosta oba emitorska prehoda prevajala (Pi in Pj), a ko- Slika 1 Shematični prikaz štirislojnega prevodniškega elementa A. Km n k, R. £ n k, P b4 n e* K Slika 2 a Shematična slika strukturni prikaz lektorski prehod P2 ne bo prevajal, temveč bo zapiral. Napetost vira U0 se bo praktično porabila na prehodu P2. Tok Ip2, ki teče skozi prehod P2, predstavlja vsoto kolektorskih tokov obeh transistorjev in toka v zaporni smeri, to je tok kolek-torskega prehoda P2, ki je polariziran v zaporni smeri. Ako označimo z ai in a2 koeficiente ojačanja emitorskih tokov transistorjev Tr 1 (p-n-p) in Tr2 (n-p-n) dobimo tok preko prehoda P2: Ip2 = ai. Iei + a2. Ie2 + Iiz kjer pomeni: Iei in Ic2 . . . emitorski toki transistorja Tr 1 in Tr 2 Km e Tr.1- pnp —^ Tr.2-npn e, K Slika 2 b Vezava z dvema tranzistorjema Iiz . . . izgubni tok (tok v zaporni smeri kolektor-skega prehoda P2) Razvidno je, da morajo toki Iei, Ie2 in Ip2 biti po velikosti enaki, kot tok v zunanjem tokokrogu I: Ip2 ~ Iel = Ie2 = I Zaradi tega velja: 1 — (a.i + a2) Enačba nam pove, da je tok I odvisen od velikosti koeficientov ojačanja ai in a2. Tok I zelo naglo naraste, če se vsota (ai + a2> približa 1. Dokler je napetost U0 med elektrodami A in K majhna, so koeficienti ojačanja ai in a.2 prav tako majhi, njihova suma je znatno manjša od 1, tok I je majhen (I = Iiz). Oba transistorja se nahajata v neprevodnem stanju in upornost med elektrodami je velika (nekaj 100 kohm). Opisano stanje odgovarja neprevodnemu stanju elementa, ki ga običajno imenujemo stanje nizke prevodnosti (visoke upornosti). če hočemo, da začne element prevajati, moramo povečati koeficiente ojačanja ai in a2. Obstajata dva načina povečanja teh koeficientov. Znano je, da koeficient ojačanja emiterskega toka plastnega transistorja raste približno tako, kot raste napetost med kolektorjem in emitorjem. Zaradi tega moramo povečati napetost U0, da bosta tudi koeficienta ojačanja ai in a2 rastla, a odgovarjajoče z njima bo rasel tudi tok I. Pri neki vrednosti napetosti U„ = Uvž, kjer je Uvž napetost preklopa (to je napetost, ki povzroči, da element preide iz neprevodnega stanja v prevodno), eden od tran-sistorjev, npr. Tr 1, začne prehajati v nasičeno stanje. Kolektorski tok tega transistorja teče v tokokrog baze drugega transistorja Tr 2, ta se odpre ter povzroči, da se pojavi tok v tokokrogu baze prvega transistorja Tr 1. Kolektorska tokova obeh transistorjev sedaj lavinsko naraščata, koeficienta ojačanja ai in a2 se naglo povečujeta in oba transistorja preideta v nasičeno stanje (polno prevajata). Upornost med sponkama A in K se zniža do nekaj desetink ohma. Za to stanje velja, da je ai + a.2 = 1 in tok I omejuje le upornost zunanjega tokokroga. Takemu stanju štirislojnega polprevod-niškega elementa pravimo stanje visoke prevodnosti (nizke upornosti). Čas prehoda iz enega stanja v drugo stanje traja nekaj [xs, ob pogoju da napetost U„ trenutno povečamo. V prevodnem stanju vsi trije prehodi štiriplastnega polprevod-niškega elementa izkazujejo prevajanje v prevodni smeri. Padec napetosti na elementu je le nekoliko voltov, kar je npr. enako padcu napetosti pri običajni silicijevi diodi, ako se ta napaja v nasičenem stanju (to je padec napetosti na diodi pri maksimalnem toku v prevodni smeri). To je bil eden izmed načinov povečanja koeficientov ojačanja ai in a2. Drugi način povečanja teh koeficientov je osnovan na temu, da je v silicijevih transistorjih koeficient ojačanja a v veliki meri odvisen od toka emitorja, koeficient zelo hitro naraste pri povečanju tega toka. Zaradi tega štirislojne polprevodniške elemente lahko prevedemo v prevodno stanje, ako »izpustimo« tok v tokokrogu baze enega od transistorjev. Običajno ima element narejen izvod iz srednjega p področja (baza transistorja Tr 2). V tem slučaju moramo za preklop štiriplastnega polprevodniškega elementa pustiti teči tok pozitivne polaritete čez bazo in emitor transistorja Tr 2. V slučaju, da je izvod narejen iz srednjega n področja, pa pustimo teči tok negativne polaritete čez bazo in emitor transistorja Tr 1. Oba obravnavana načina povečanja koeficientov ojačanja a izkoriščamo za preklop štirislojnih polprevodniških elementov. p področje ob strani, na katerega je priključen pozitivni pol vira napetosti U0, bomo imenovali anoda z oznako A, n področje na drugi strani, h kateremu je priključen negativni pol vira napetosti U„, pa bomo imenovali katoda z označbo K. Izvod iz srednjega p področja pa glede na namen uporabe imenujemo krmilna elektroda z oznako Km. Taka označba štirislojnih polprevodniških elementov je pripravna zaradi lažjega razumevanja delovanja vezav s temi elementi. Terminologija, ki je povezana z elementi tipa p-n-p-n je zelo različna. V literaturi je mogoče zaslediti nazive kot: štirislojna dioda, preklopna dioda, dinistor, silicijev krmiljeni ventil, krmilna dioda, stromtor, thyristor, SCR (silicon controled Rectifier), itd. Mi bomo dvoelektrodne štirislojne polprevodniške elemente imenovali dinistor ji (D), a trielektrodne tiristorji (T). Na naslednji sliki 3 vidimo stikalno oznako omenjenih polprevodniških elementov: ® ® Km K K Slika 3 Stikalna oznaka za dinistor in tiristor Štirislojni polprevodniški elementi so izdelani iz silicija, kar je pogojeno s: prvič: silicijev element ima zelo močno odvisnost ojačanja (a) od toka, ki teče skozi njega in drugič: silicijev element prenese večje napetosti kot npr. germanijev element. Element je vgrajen v hermetično zaprtem metalnem ohišju, ki ga ščiti od zunanjih vplivov in poškodb, obenem pa to ohišje odvaja toploto pri obratovanju elementa, kajti vsak element ima zaradi Joulovega zakona notranje izgube (zaradi notranje upornosti). To toplotno energijo moramo odvajati, če hočemo da nam bo element pravilno deloval. Elementi, ki obratujejo s srednjimi tokovi (nad 100 mA) je anodni izvod običajno izveden v obliki vijaka, ki je spojen z ohišjem. VA karakteristika, dinistorja Režim obratovanja štirislojnih polprevodniških elementov zelo dobro ilustrira njihova VA karakteristika, ki je prikazana na sliki 4. 'pm ,pmx. Slika 4 VA karakteristika dinistorja Na horizontalno os je nanešena napetost u (med anodo in katodo dinistorja), a na vertikalno os tok i, ki teče čez dinistor. Del karakteristike pri pozitivnih napetostih imenujemo prevodni (desni zgorjni del), a pri negativnih zaporni del karakteristike (levi spodnji del). Odsek AB karakteristike odgovarja izklopljenemu stanju dinistorja (pri prevodni smeri). Pri napetosti up < Uvž teče preko dinistorja le majhen izgubni tok Iiz, ta je tudi merilo za višino napetosti, ki je na element priklopljena v prevodni smeri (uP). Povišanje te napetosti ne povzroči v enaki meri povečanja toka, dokler napetost ne doseže točko Uvž. V tej točki karakteristike (točka B) dinistor preklopi in preide iz izklopljenega stanja v vklopljeno, pod pogojem, da lahko tok v tokokrogu naravnamo višje od neke minimalne vrednosti, ki se imenuje tok izklopitve IiziK.. Napeti,-v prevodni smeri, odgovarjajoča točki B na karakteristiki, se imenuje napetost vžiga (preklopa) Uvž . Ob preklopu se delovna točka zelo hitro prenese na odsek CD karakteristike, kateri opisuje vklopljeno stanje dinistorja. Da dinistor obdržimo v tem stanju, moramo preko njega pošiljati tok i > Iizik!. Padec napetosti (preostala napetost na elementu) Up pri vklopljenem dinistorju običajno ne preseže 1,5 — 2 V. Ako tok v prevodni smeri zmanjšamo do vrednosti i < Iizikl dinistor preide v izklopljeno stanje. Odseka AB in CD karakteristike opisujeta stabilno, a del BC nestabilno področje delovanja dinistorja. Z drugimi besedami povedano, pri določenih napetostih in tokovih se delovna točka lahko neskončno dolgo časa nahaja na delih AB in CD, medtem ko je statično stanje dinistorja, pri katerem bi delovna točka ležala na odseku BC, nemogoče. Ako na dinistor pritisnemo napetost, z obratno polariteto kot kaže slika 1, tedaj sta oba stranska prehoda dinistorja neprevodna, tok v zaporni smeri je zelo majhen, dinistor se nahaja v zaporni smeri. Kadar ta napetost postane višja od prebojne napetosti Uzp nastopi preboj, kateri ob majhni aktivni upornosti zunanjega tokokroga dovede do poškodbe elementa. Nevarno je celo, ako le za kratek čas povišamo napetost v zaporni smeri do velikosti prebojne napetosti ali malo manj. VA karakteristika tiristorja Nedostatek dinistorja je v tem, ker pri njem ne moremo spreminjati napetosti vžiga. To lahko obvladamo s tiristorjem. Na sliki 5 je prikazana VA karakteristika tiristorja pri raznih tokovih lkm v tokokrogu krmilne elektrode. Krivulja pri tokokrogu Ikm ~ 0 je analogna obravnavani karakteristiki dinistorja, torej odgovarja stanju, ako je krmilna elektroda izklopljena. Ako povečujemo tok krmilne elektrode se odsek AB karakteristike krajša in napetost vžiga (pre- 4tr B = 4C Uvž 4¥ ',km=max B'= u ''km B'= u;ž '!km B = uvž ''krr^O Slika 5 VA karakteristika tiristorja klopa) se znižuje. Pri zadostno velikih krmilnih tokovih npr. pri toku Ikm, del karakteristike, ki opisuje izklopljeno stanje elementa izgine in VA karakteristika tiristorja preide v karakteristiko normalnega silicijevega ventila (dioda). Krmilna elektroda igra vlogo vžigne elektrode, kot je npr. vloga mrežice pri tiratronu. Ko tiristor s pomočjo toka krmilne elektrode vklopimo, izgubi on svoje krmilne lastnosti, ter da bi ga izklopili je potrebno, da zmanjšamo tok v prevodni smeri in sicer nižje od velikosti IizkI. Tiristor lahko vklopimo s pomočjo tokovnih impulzov v tokokrogu krmilne elektrode, ki trajajo nekaj mikro-sekund. (ob pravilni polariteti napetosti na elementu). Obravnavani način preklopa tiristorja s pomočjo toka v krmilnem tokokrogu ima velike prednosti. Z njim popolnoma poljubno krmilimo tiristor s tem, da s krmilnim tokom nastavimo napetost vžiga, poleg tega pa nam da možnost krmiljenja velikih moči z malimi močmi krmilnih impulzov. Zelo važna lastnost tiristorja je ta, da lahko obratuje z impulzi z amplitudo Ipm, kateri so lahko večji od največjega dopustnega stalnega toka v prevodni smeri Ipmaks. Torej s takimi elementi lahko preklapljamo tudi velike impulzne moči. Običajno ne nastavljamo višino vžigne napetosti s konstantnim tokom v krmilnem tokokrogu. Iz zgornjih izvajanj smo videli, da nam impulz z amplitudo, ki odgovarja največjemu dopustnemu krmilnemu toku, preklopi tiristor v vklopljeno stanje v nekaj s. Ako hočemo npr. krmiliti višino usmerjene napetosti, bomo to storili z večjo ali manjšo časovno zakasnitvijo impulzov in ne z morebitno spremembo konstantnega krmilnega toka, ker je to neekonomično. VKLOP IN IZKLOP ELEMENTOV V večini vezav, kjer uporabljamo štirislojne polprevodniške elemente, se uporabljajo za vklop ali izklop elementa impulzi. Z impulzi torej element preklopimo iz enega stanja v drugega. Ti impulzi se imenujejo startni impulzi, uporabljamo pa jih v tokokrogu krmilne elektrode pri tiristorju, medtem ko pri dinistorju uporabljamo tak impulz v tokokrogu anoda-katoda. Osnovna zahteva, ki se postavlja pri vezavah s temi elementi je v zanesljivosti ohranitve vklopljenega ali izklopljenega stanja ter v hitrem prehodu iz enega stanja v drugo pri delovanju impulza. Za zanesljivo ohranitev izklopljenega stanja je neobhodno potrebno, da je napetost na elementu v prevodni smeri le: Up < (0,7—0,8) Uvž in ne več. Proizvajalci garantirajo za določen tip štirislojnega polprevodniškega elementa napetost s tem pogojem. Dinistor preide iz izklopljenega stanja v vklopljeno stanje, če je na njega pritisnjena v prevodni smeri nekoliko višja napetost od napetosti vklopa, to je: Uo > Uvž Pri napetosti vira Uo < Uvž se preklop lahko doseže s pomočjo startnega napetostnega impulza Ust odgovarjajoče polaritete, katera se prišteva napetosti med elektrodama (v tem primeru moramo zadostiti pogoj): Uo + | Ust. | > Uvž S tem dinistor preklopimo iz izklopljenega stanja v vklopljeno. Ako hočemo dinistor zopet spraviti v izklopljeno stanje, moramo zmanjšati tok skozi dinistor in sicer na vrednost: I < Iizkl. Slika 6 kaže primera, kako lahko dosežemo vklopitev dinistorja H U. 'st SE) D "TJ •u, 1st Slika 6 Vklop dinistorja s startnimi impulzi I ako damo v tokokrog krmiljne elektrode tokovni impulz. Slika 7 nam podaja časovno karakteristiko preklopa tiristorja. ©D Prva nam prikazuje vklop dinistorja s pomočjo pozitivnega startnega impulza, druga pa s pomočjo negativnega startnega impulza. Tiristorji delajo v režimu pri katerem vladajo pogoji: Uo < Uvž in preklopijo iz izklopljenega stanja v vklopljeno, seveda pri polariteti za prevodno stanje tiristorja, Slika 7 časovna karakteristika preklopa tiristorja Slika nam prikazuje, da lahko čas preklopa tiristorja iz izklopljenega stanja v vklopljeno -tvkl. razdelimo na dva intervala in sicer: — čas zadrževanja -cz — čas stabilizacije t s Čas zadrževanja je potreben zato, da se v okolici krmilne elektrode nabere zadosti velik naboj, ki povzroči proces lavine in s tem prevajanje tiristorja. čas stabilizacije pa je potreben za stabiliziranje stanja visoke prevodnosti. Po izvršitvi procesa preklopa ostane na tiristorju le še minimalen padec napetosti. Za zanesljiv preklop tiristorja je potreben startni impulz, ki traja: TSt > TZ Pri večjih tokovih v tokokrogu krmiljne elektrode Ikm, se lahko čas nekoliko skrajša in s tem je lahko čas trajanja startnega impulza krajši. Po eksperimentalnih podatkih za tiristorje sovjetske proizvodnje tipa D 235 in D 238 mora biti pri maksimalnem toku krmiljne elektrode Ikmmaks čas trajanja startnega impulza 1,5—3ps in ne krajši. Generator startnih impulzov mora imeti dovolj nizko impedanco, da lahko dobimo dovolj velik krmiljni tok. Navajam nekatere parametre za tiristorje iz sovjetske proizvodnje. Tiristorji tipa VKDUV: — moč krmiljnega toka.....20 W — dopustna amplitudna vrednost napetosti startnega impulza .... 20 V — dopustna amplitudna vrednost toka startnega impulza .... 1A — čas trajanja amplitudne vrednosti toka startnega impulza (minimalno) ............2.10-5 s — delovni tok, srednja vrednost (A) . do 200 A — padec napetosti, srednja vrednost (V)............do 0,9 V — maksimalna napetost preklopa (v prevodni smeri, amplitudna vrednost) ...........do 1000 V — maksimalna zaporna napetost (amplitudna vrednost).....do 1000 V — temperatura pnpn strukture . . . do-M 10° C — čas vklopa -rvkl........do 10 ns — čas izklopa tizkl........do 25 [is — frekvenca komutacije..... 500 Hz — načini hlajenja: vodno, prisilno z ohlajevalcem, množina vode 30 1/ min., temperatura vode + 30° C . — teža tiristorja z radiatorjem . . . 1150 gr — brez radiatorja....... 450 gr Že iz teh podatkov, ki so seveda mejni, lahko izračunamo močnostno ojačanje: g 1000.200 Am = ------- = — — = 10000 Pkm 1 .20 Ta faktor je zelo visok. Torej resnično drži trditev, da lahko z malim tokom v tokokrogu kr-miljne elektrode krmilimo glavni bremenski tok. Na sliki 8 sta prikazana dva načina vklopa tiristorja s startnimi impulzi. Tr Rom II P Rb +U0 Kapacitivnost ločilnega kondenzatorja C mora biti tolikšna, da bi ob koncu delovanja startnega impulza v krmiljnem tokokrogu vzdrževal tok: Ikm ..... Ikmmin Običajno se kapacitivnost kondenzatorja izbira v mejah med 0,03 do 0,1 piF. Dioda D preprečuje pojavo negativnega impulza v krmiljnem tokokrogu pri praznenju kondenzatorja. Kondenzator ni potreben tam, kjer nimamo enosmerne napetosti v pavzah med impulzi (npr. shema s transformatorjem). Da prilagodimo impedanco vira startnih impulzov k tiristorskemu tokokrogu, večkrat uporabljamo transformator. Pri tem stiku seveda odpade tudi kondenzator. Za omejitev toka do te meje, da ni nič več nevaren tiristorju, je priporočljivo v krmiljni tokokrog vezati upor Rom z upornostjo nekaj deset ohmov. Upor Rkm z upornostjo 0,5—3 kohm preskrbi galvansko zvezo krmiljne elektrode s katodo tiristorja. Pri preklopu štirislojnih polprevodniških elementov vseh tipov iz vklopljenega v izklopljeno stanje je nujno, da je tok skozi tiristor: Ip < Iizkl (za tiristorje mora biti v tem primeru Ikm = 0). Praktična izvedba izklopa je izvedena sledeče: — prekinitev anodnega tokokroga —• povečanje upornosti upora, ki je priklopljen zaporedno z elementom — ako uporabimo izmenično napetost (tok preneha, ko gre napetost preko 0) — ako damo na anodo napetost, ki je kratkotrajna in obratne polaritete Zadnji način izklopitve elementa ilustrira vezava na sliki 9. + Uo Slika 8 Vklop tiristorja s startnimi impulzi Slika 9 Izklop tiristorja Pri vklopu tiristorja T se polni tudi kondenzator C in čez določen čas: ~ 3 t, kjer pomeni: -c = R . C to je časovna konstanta tokokroga polnjenja kondenzatorja, postane napetost na tem kondenzatorju Uc, enaka napetosti napajanja Uo. Pri pritisku tipke Ti tiristor dobi napetost Uc, ki je obrnjene polaritete kot napajalna napetost Uo, kar privede do njegovega izklopa. To velja pod pogojem, če je: Uo < Uvž Popolnoma analogna shema se lahko uporabi tudi za dinistor. Pri takih načinih izklopa sledi, da moramo uporabl jati take štirislojne polprevodniške elemente, ki imajo garantirano napetost v zaporni smeri (Uz). Kapacitivnost komutirajočega kondenzatorja mora biti dovolj velika, da bi se napetost v zaporni smeri na elementu ohranila toliko časa, kolikor je potrebno za njegov izklop. To je podano z: Ip . Tizk C> Ftt (nF) Uo kjer pomeni: Ip — tok v prevodni smeri (tok obremenitve) (A) xizk — čas izklopa elementa ([xs) Uo — napetost napajalnega vira (V) Cas izklopa Tizk štirislojnih polprevodniških elementov se razdeli na dva intervala: 1. čas padca toka v prevodni smeri do 0,1 Ip, -tp 2. čas, ki je potreben za ustavitev krmiljnih lastnosti elementa, TUSt. Čas padca normalno ni večji od 1 [xs, čas -rust pa je odvisen od vrste pogojev, npr. proporcialen je temperaturi pri prehodu, proporcialen je velikosti toka v prevodni smeri, kateri je tekel neposredno pred njegovim izklopom, itd. čas izklopa je kar enak: Tizk = Tp + TUSt ~ TUSt Naveden je v tovarniških podatkih elementa. To smo že navedli predhodno za tiristorje sovjetske proizvodnje. Na element v presledku t < Tizk ne smemo ponovno dati napetost v prevodni smeri. Ako damo napetost v zaporni smeri nam kažejo eksperimentalni podatki, da se zmanjša Tizkl za 20—30 °/o. Podaljšanje procesa izklopa irizh določa minimalni interval med dvema zaporednima vklopoma, to je mejna frekvenca komutacije. Štirislojni polprevodniški elementi delajo do frekvence nekoliko 10 kHz. Če hočemo povečati komutacij sko moč, moramo povečati tok in napetost v prevodni smeri. Vendar gremo lahko samo do Ipmaks. in Upmaks., to je do mejnih vrednosti elementov. Za povečanje komutacij ske moči lahko elemente vežemo zaporedno. Vendar moramo zaradi pravilne razdelitve napetosti na posamezne elemente imeti paralelno k vsakemu elementu še upor. Velja, da se izklopljeno stanje ohrani, če je: Uo < m . Uvž. kjer pomeni: m — število elementov Preklop iz izklopljenega stanja v vklopljeno dosežemo s startnim impulzom in sicer pri dini-storjih tako, da z impulzom vklopimo samo en dinistor. Ko ta vklopi, je s tem sedaj na druge elemente pritisnjena večja napetost od Uvž. in preidejo v vklopljeno stanje. Pri tiristorjih pa vežemo vse krmiljne elektrode preko kondenzatorjev skupaj in uporabimo en startni impulz. Slika 10 nam prikazuje opisane vezave. @ 'Jst ® s t ® R J Slika 10 Zaporedne vezave elementov UPORABA DINISTORJEV Kot smo videli, je dinistor preklopni element in se uporablja tudi v vezjih, kjer je preklop funkcija napetosti. To pa je zelo obširno področje, zato je tudi uporabnost dinistorjev zelo velika. Upam, da se bo iz obravnavanih primerov dovolj jasno videlo, kako vsestransko je element uporabljiv. Slika 11 nam prikazuje generator žagaste napetosti. R< I 1 T5 C Slika 11 Generator žagaste napetosti Ko priključimo napetost Uo, ki mora biti večja od Uvž, se začne korfdenzator C polniti preko Ri. Napetost na kondenzatorju raste tako dolgo, do- kler ne doseže Uvž. V tem momentu dinistor vklopi in začne prevajati ter izprazni kondenzator C. če je upornost Ri izbrana tako, da velja: Uo Ri < I izkl., se po izpraznitvi kondenzatorja dinistor vnovič povrne v izklopljeno stanje in proces se ponovi. Upornost R2, ki je: R2 < < Ri je v tokokrogu zaradi tega, da omeji tok skozi dinistor. Pogoj, da to vezje deluje je: Uo > > Uvž Frekvenca žagaste napetosti je: 1 F = RiC ln 1 kjer je: 1 — r Uvž Uo Istočasno pa ob vsakem vklopu dinistorja dobimo impulz U2, s frekvenco F, kot je frekvenca žagaste napetosti Ui. Slika 12 nam prikazuje delitelj frekvence z dini-storji. ■Un ®D ' ®D T 1 ®D TJU Ust Fst R, p-IZ =rc< Di ri nL T= C, y.Di p* ! '.Di Slika 12 Frekvenčni delitelj Napetost raste na kondenzatorju C eksponen-cialno. Ako je v momentu prihoda sinhronizacij-skega impulza napetost na kondenzatorju Uc taka, da velja: Uc + | Usinhr | < Uvž potem dinistor ne vklopi. Ako povečamo sinhroni-zacijske impulze amplitudno tako, da bo dinistor preklopil v vklopljeno stanje in sicer ne pri prvem impulzu, ampak šele pri drugem, dobimo delitelj frekvence (n = 2). Slika prikazuje trikaskadni delitelj frekvence. Z upori Pi, P2 in P3 pa postavljamo velikost faktorja delitve n. Dioda pa je vgrajena za preprečitev negativnega povratnega impulza, upori Ri, R3 in R5 pa so vstavljeni v vezje zato, da omejijo tok skozi dinistor na dopustno vrednost. Slika 13 nam prikazuje astabilni multivibrator z dinistorji. a Fo s=-7r Slika 13 Astabilni multivibrator Pogoj za delovanje tega vezja je: Uo > Uvž. Pri priklopu napetosti Uo eden od obeh dini-storjev mora preklopiti v vklopljeno stanje. Predpostavimo, da dinistor Di vklopi. Steče tok Ip in nastane padec napetosti na Ri. Zato se začne kondenzator C polniti preko upora R2. Dinistor Di se izklopi, čim se na kondenzatorju pojavi napetost Uc = Uvž, kajti ta napetost je za Di negativna napetost. Zaradi tega se zdaj dinistor D2 vklopi, kajti Uc = Uvž je za dinistor D2 pozitivna napetost. Kondenzator se izprazni preko dinistorja D2 in se začne polniti preko upora Ri. Proces se ponavlja in na izhodu dobimo negativne impulze Uiz. Drugi pogoj, da naprava deluje je: Uo — Uvž R > Iizk, sicer bi dinistor sam izklopil, takoj ko bi tok padel pod vrednost Iizk. Ako predpostavimo: Ri = R2 = R Uvži = UvŽ2 = Uvž in ima kondenzator vrednost: Ip . Tizk C > —'--(nF) Uo tedaj dobimo frekvenco: 1 F = - 2 RC ln—— 1—T pri čemer velja: Uvž Ogledali smo si nekaj osnovnih vezav z dini-storji. Mislim, da primeri dovolj jasno ilustrirajo uporabnost teh elementov. UPORABA TIRISTORJEV Tiristorje uporabljamo v najrazličnejše namene, kot: — za krmiljenje izmeničnih tokov — za krmiljeni usmernik — za krmiljeni razsmernik — za stikalo pri enosmernih tokovih — za krmiljenje srednje vrednosti enosmerne napetosti s spreminjanjem razmerja časov vklopa in izklopa — za pretvarjanje enosmernega toka v izmeničnega s prisilno komutacijo Ako ilustriramo nekatere zgornje trditve s primeri, bomo najbolj videli uporabnost tiristorjev. Slika 14 nam prikazuje krmiljenje izmeničnega toka. Slika 14 Krmiljenje izmeničnega toka Če premikamo impulze, ki jih daje posebna krmiljna naprava K za kot a relativno glede na napajalno napetost U, tedaj spreminjamo čas prevajanja posameznega tiristorja in s tem izmenično napetost UR na bremenu R R. Vezje je reverzibilno ter ga uporabljamo od reda mW do reda več 100 kW. Slika 15 nam prikazuje tiristor kot stikalo v enosmernih tokokrogih. Slika 15 Tiristor kot stikalo V vezju na sliki n moramo tiristorja le vklopiti, izklopijo pa se sami (ko gre napetost skozi 0). V enosmernih tokokrogih tega ni in moramo zato uporabljati posebna vezja. Zgornja slika prikazuje tako vezje. Če glavni tiristor Ti prevaja, tedaj se kondenzator C polni čez pomožni upor RP. Ko vklopimo pomožni tiristor T2, se tiristor nenadno negativno polarizira in se tok I skozi glavni tiristor Ti zmanjša pod Iizk., zato tiristor Ti neha prevajati. Tako lahko vidimo, da vezje deluje kot enosmerno stikalo. Eno najvažnejših področij uporabe tiristorjev je krmiljenje enosmernih strojev. Sodobni stroji zahtevajo vse več reguliranih pogonov s srednjimi močmi in tam so tiristorji najbolj uporabni. Zato tudi današnja tehnika vse bolj uporablja tiristor-ska vezja za krmiljenje Ward-Leonardovih agregatov ali pa manjših enosmernih strojev. Tiristorji se odlikujejo zaradi zelo dobrega izkoristka, majhnih dimenzij, zelo hitrega delovanja, majhne teže in sorazmerno velike mehanske neobčutljivosti. Slika 16 nam prikazuje trifazno mostično tiri-storsko usmerniško vezavo. Slika 16 Trifazna mostična tiristorska usmerniška vezava Bistvo te vezave je v tem, da lahko s časovno premaknitvijo impulzov (za kot a relativno glede na vhodno napetost) reguliramo izhodno srednjo vrednost enosmerne napetosti, ta pa lahko napaja npr. tokokrog vzbujanja, ali pa kotvin tokokrog enosmernega stroja. Torej s spremenljivo enosmerno napetostjo lahko spreminjamo število vrtljajev motorja. Slika 17 Shema krmiljenja VAUGHN žičarskih strojev Slika prikazuje tudi zaščito tiristorjev z RC elementi. Ta zaščita je predvsem prenapetostna in sicer proti udarnim prenapetostim. Vrednost elementov je: C = 0,5 nF R « lOohm Kot pretokovno zaščito uporabljamo ultra-rapidne talilne varovalke. Pogosto pa izvedemo za preobremenitve zaščito z »mrežno zaporo«, ki je znana že iz Hg usmerniške tehnike. KRMILJENJE VAUGHN ŽIČARSKIH STROJEV S TIRISTORJI V Železarni Jesenice smo v okviru rekonstrukcije žičarne dobili nove ameriške stroje firme VAUGHN. Po svoji konstrukciji, tako mehanski kot električni, so izvedeni zelo zahtevno. Za nastavljanje brzine pa so uporabljeni najnovejši polpre-vodniški elementi (transistorji, diode, zenner diode in tiristorji). Zagon, nastavljanje željene hitrosti in ustavitev je izvedena električno. Za zagon in nastavljanje brzine je vgrajen poseben enosmerni ojačevalec — generator, kajti značilnost žičarskih strojev je v tem, da stroj začne vleči žico počasi in da po določenem času pride aperiodično do polne, odnosno do željene hitrosti. Podobno je pri menjavi hitrosti (npr.: z manjše hitrosti na večjo). Zaviranje je izvedeno električno in sicer tako, da stroj potroši energijo magnetnega polja in vztrajnosti, ki še ostane v strojih po izklopitvi, v ohm-skih uporih. S tem dosežemo hitro zaustavitev stroja, kar je za posluževalca stroja življensko važno. Kot sem že omenil, so stroji izvedeni zelo moderno. Skušal bom opisati en tak stroj, princip je tudi pri ostalih strojih te firme enak. Pogon stroja je izveden z enosmernimi motorji, te pa napaja enosmerni generator. Enosmerni generator mehansko žene asinhronski kratkostičen motor, ta pa tudi poganja vzbujevalni generator za vzbujanje enosmernih motorjev. Vidimo, da je uporabljen princip Ward-Leonardovega agregata. Vzbujanje enosmernega generatorja pa je izvedeno s tiristorji. Podrobno vezje nam kaže slika 17. Enosmerni motorji imajo tuje vzbujanje, ki je konstantno, te tokokroge pa napaja vzbujevalni generator. Teh motorjev je več, odvisno seveda od tega, koliko stopenjski je stroj. Mi torej opisujemo večstopenjski stroj za vlečenje žice. Pod pojmom stopnja razumemo eno od reduciranj preseka žice. Da to dosežemo, moramo imeti navijalni boben, ki vleče žico skozi votlico, ki je vgrajena pred njim. Torej za eno stopnjo moramo imeti vlečni boben in votlico. Vsak vlečni boben pa poganja enosmerni motor. Pri vsaki stopnji reduciramo presek za cca 25 °/o, torej je žica po tej stopnji daljša za cca 25 %, zato se mora vlečni boben vrteti za 25 % hitreje od prejšnje stopnje. To povečanje hitrosti je izvedeno mehansko s pomočjo reduktorja. Vsaka stopnja ima torej večjo brzino vrtenja zaradi žice, ki se podaljšuje. Vrtilni reostat, ki je vezan v vzbujevalnem tokokrogu motorja, potrebujemo samo za fino regulacijo števila vrtljajev motorja. Od kota zavrtitve reostata je namreč odvisna vzbujevalna napetost in s tem vrtljaji motorja. Reostat je preko ročice mehansko vezan s kolutom, preko katerega teče žica. Na drugi strani imamo vzmet, ki kolut pritiska nazaj. Bistvo tega je, da se primerjata sila vleka žice in sila odpora vzmeti. Ko sta ti dve sili v ravnotežju, drsnik na reostatu miruje, torej motor se vrti s pravilnim številom vrtljajev (vzbujanje motorja je pravilno). Ako se reostat premakne, je vzrok v temu, da je vlek žice premagal odpor vzmeti, torej se motor vrti prepočasi, zato se bo reostat zavrtel tako, da bo zmanjšal vzbujevalni tok skozi motor in stanje se bo stabiliziralo. Če pa je vlek vzmeti prevelik, se bo reostat tako zavrtel, da bo povečal vzbujevalni tok skozi motor, motor bo začel teči počasneje in stanje se bo prav tako stabiliziralo. Ako se sedaj povrnemo nazaj na sliko 17, vidimo da je vzbujanje generatorja izvedeno s tiristorji. Mi lahko zvezno spreminjamo napetost Uvzb, s tem zvezno spreminjamo napetost Uk in zaradi tega lahko tudi nastavljamo poljubno število vrtljajev, torej hitrost vleka žice. Slika 18 nam prikazuje to odvisnost, seveda pod pogojem, da je napetost Uvzbm konstantna. Ta v našem primeru zelo malo variira, torej karakteristika prikazuje relane razmere. - konsl Uoj Slika 18 Karakteristika enosmernega motorja Slika 17 nam prikazuje tudi celotno krmiljenje tiristorjev, vključno z impulzno napravo. S poten-ciometrom Pi nastavljamo velikost napetosti Uoj, kondenzator C pa je vgrajen zaradi tega, da dobi- Uoj Slika 19 Časovni diagram napetosti Uoj mo pravilno časovno konstanto naraščanja napetosti Uoj. Slika 19 nam kaže, kakšna naj bo ta napetost. Časovna konstanta T naj bo taka, da bo stroj počasi pridobival na hitrosti (reda 5 sek.). To je važno zaradi tega, da stroj ižco ob prehodnih pojavih ne odtrga. Napetost Uoj napaja magnetni ojačevalnik MO. Ta skupno z impulznim transformatorjem Tr2 tvori impulzno napravo za krmiljenje tiristorjev. Naprava deluje takole: sinhronizacija med impulzi in napajalno napetostjo U~ je dosežena tako, da imamo skupni transformator Tri, ki napaja impulzno napravo ter vzbujevalni tokokrog. S tem je problem sinhronizacije odpadel. Napetost Uoj napaja eno od krmiljnih na-vitij MO. Bistvo MO je v tem, da na izhodu dobimo tako veliko izmenično napetost, kolikor je veliko vzbujanje (napetost Uoj). Slika 20 nam prikazuje karakteristiko MO. Slika 20 Karakteristika magnetnega ojačevalca nmax Slika 21 Razmere na sekundarni strani magnetnega ojačevalca Vidimo, da imamo večjo napetost Ud, kadar imamo večje vzbujanje MO, torej večjo napetost Uoj (Ik). Istočasno s tem pa se seveda spreminja kot zakasnitve vklopa tiristorja a. (Slika 21.) Na uporu RB nastane padec napetosti, ki se prenese na primarno stran impulznega transformatorja Tr 2, na izhodu transformatorja pa dobimo v odvisnosti od primarne napetosti sekundarno napetost Uimp. Ta je največja seveda takrat, ko je sprememba primarne napetosti največja, zato v tistem momentu dobimo impulz. Jasno je to razvidno iz slike 22, ki kaže, kakšne impulze dobimo na izhodu impulznega transformatorja. Ti impulji so seveda premaknjeni za toliko, kolikor je veliko vzbujanje MO z napetostjo Uoj. Vidimo, da čim večja je Uoj, tem manj zakas-njene dobimo impulze za vžig tiristorjev, s tem pa seveda večjo izhodno napetost Uvzb (glej sliko 23). Vidimo, da je MO delno še pri toku Ik = 0 odprt. To pa mi ne želimo, zato na drugo krmil j no navitje vežemo stabilizirano napetost v nasprotni smeri. S tem pomaknemo ordinato iz točke A v točko B. Dobimo željene razmere, s potenciome- Slika 22 Razmere na primarni in sekundarni strani impulznega transformatorja Slika 23 Spreminjanje vrednosti Uvzb pri različnih kotih vklopa tiristorjev trom P2 pa nastavljamo velikost premika ordinate. Na izhodu MO dobimo napetost Ud, katere velikost je odvisna od velikosti napetosti Uoj. Slika v nam to prikazuje. Na sekundarni strani imamo vezano diodo zaradi tega, da dobimo za vsak tiristor pravilen impulz, kajti tiristorja sta vezana z diodama v Gratz spoju, kondenzator C2 je vezan zato, da loči krmiljno elektrodo od katode, upora R pa sta vgrajena zaradi pravilne porazdelitve napetosti na tiristorje. Zaščita tiristorjev je izvedena z RC elementi (prenapetostna) ter talilno varovalko V (pretokov-na). Kondenzator C3 je namenjen za glajenje napetosti. Literatura 1. Rafael Cajhen, Krmiljena silicijeva dioda — tiristor, Elektrotehniški vestnik, Ljubljana, 1964/9-10 — str. 203 do 205 2. Marijan Lorkovič, Tiristori kao sklopni elementi, Elek-trotehničar, Zagreb, 1963/3 — 4 — str. 33—36 3. SA. S. Kublanovskij, Shemi na četirehslojnih poluprevod-nikovih priborah, Energija, Moskva, 1967, str. 1—10 4. Tugomir Šurina, Tranzistorska tehnika, str. 382—393, Teh-nička knjiga, Zagreb 5. Dokumentacija firme Westinghouse USA, za žičarske stroje VAUGHN ZUSAMMENFASSUNG lm Artikel versuchte ich das physikalische Bild der vierschichtigen Halbleiterelemente zu geben. Ein besonde-rer Nachdruck ist auf der Beschreibung der VA-Karakteri-stiken dieser Elemente, vveil eben diese sehr gut die Einwirkung der Elemente darstellen. Es sind die Arten des Ein- und Ausschaltens dargestellt sowie die Faktoren, die auf diese einvvirken. Gegeben sind die Grundschaltun-gen des Dinistors-Tiristors. Am Schluss ist das Shema der Steuerung der VAUGHN-Drahtziehmaschinen mittels der Tiristoren dargestellt. Die Drahtziehmaschinen erfordern eine sehr genaue Regulierung der Umdrehungen des Motors, deswegen ist die Regulierung der Drehzahl so ausgefiihrt, dass wir kon-tinuierlich die Spannung der Gleichstrommotoren andern. Den verschiedenen Spannungswert erreichen wir aber mit der verschiedenen Erregung des Generators, der die Gleichstrommotoren speist. Die kontinuierliche Aenderung der Generatorerregung erreichen wir aber mit der verschiedenen Zeit der Tiristoreinschaltung. Es ist auch die Impuls-einrichtung dargestellt, die die Ausschaltung des Tiristors im bestimmten Punkt besorgt mit Riicksicht darauf, \velche Umdrehungen wir erreichen wol!en. SUMMARY In the paper the physical picture of four-layer semi-conductor is given. These are dinistor and tiristor. Especiallv emphasized is description of VA properties of these elements. The ways of switching in and switching out are shown and factors influencing it. The basic circuitry for dinistor-tiristor are shovvn. At the end regulating sheme of cold dravving vvire machine VAUGHN is shown attained by tiristors. Wire drawing machines need very accurate regulation of motor RPM, therefore it is attained by continuous changing of feed voltage of D. C. motors. Different valve of voltage is attained by different exiting of generator, feeding the D. C. motors. Continuous changing of exciting of generator is attained by different length of time for \vhich the tiristors are switched in. Impuls apparatus which assures switching out of tiristor at certain point regarding the demanded RPM is also shown. 3AKAHDMEHHE A4>Top H3.\araeT i}>H3HHecKHH AaHHbia t AeHCTBHe 3a6mchtob. IIoKa3aHij cnoco6bi BKAjOTemia b BtiKAKmemia a Taicace h ko3ii-UHHTbl BAHaaHHH Ha 3th AeHCTBHa. IlpHBeAeHH OCHOBHbia COHACHCHHa AHHHCTop-TiipHCTop. B KOHue cTaTtH paccMOTpeHa cxeMa ynpaBAeHHa MaUIHH AAa npOH3BOACTBa npOBOAOKH CHCTeMa VAUGHN C TIipHCTO-pomh. MaiuiiHM AAa BtiAeAKH npOBOAOKH Tpe6yiOT TOHHyM peryAHpoBKy BpameHHH MOTopa, n03T0My peryAHpoBKa MHCAa BpameHHH BbinoA-HeHa TaK hio pa3peinaeT HenpeptiBHo H3MCHaTb HanpaaceHHocTb nHTaHHa 0AH0HanpaBAeHHHx ABHraTeAeft. H3MeHeHne HanpaateHiia AOCTHraeM pa3.ui4Hi.iM B036y>KAeHHeM reHepaiopa kotophh nmaei ABiiraTeAiii. HenpeptiBHoe laueHeHne B036yatAeHHe reHepaTopa no-ayyaem H3MeHeHiieM npcMeHii bkajohcheih rapHCTopa. OnacaHa HMnyAbCHoe npHcnocoSAeHHe KOTopoe n03b0aaet bu-KAK«eHHe THpiiCTopa b onpeAeAeHHoe BpeMa b 3aBHCHMOCTii ot Toro KaKoe BpamcHHe »eAaeM no\WHTb.