Diak môžeme zopnúť prekročením blokovacieho napätia U_B0 (Break - Over Voltage) a keďže ide o protismerné zapojenie diód, môžeme spínať ako kladné, tak aj záporné polarity. Štruktúra diaku môže byť trojvrstvová, alebo päťvrstvová. V prvom prípade je vždy jeden PN priechod polarizovaný priepustne a druhy záverne. Po dosiahnutí hodnoty UB0 dochádza k nárazovej onizácii lavínový jav, čo znamená nárast prúdu na záverne polarizovanom prechode. Prierazné napätie sa pohybuje medzi 20 - 40 V, pričom stratový výkon je maximálne 300 mW. Z týchto hodnôt vyplýva, že sa jedná o súčiastku pre malé výkonové obvody.Oblasť záporného diferenciálneho odporu po prekročení U_B0 existuje pretože s narastajúcim prúdom nosiče viac a viac zaplavujú záverne polarizovaný prechode, čím dochádza k zníženiu celkového odporu diaku, na ktorom poklesne aj úbytok napätia. Na obr. 8.2 máme znázornenú päťvrstvovú štruktúru a jedná sa o antiparalelelné zapojenie dvoch tyristorov bez riadiacich elektród realizované ako jedná súčiastka. K zopnutiu dochádza po prekročení blokovacieho napätia rovnako ako u tyristorov. Preto nastáva latch-up viditeľný z V-A charakteristík. V tomto prípade je typická hodnota U_B0 30V - 50V.

8.2 Triak

Triak je viacvrstvová spínacia súčiastka, ktorá dokáže efektívnejšie ovládať obidve polvlny pri striedavom napätí. Základnej štruktúry je vidno, že je tvorená dvoma antiparalelne zapojenými tyristormi so spoločnou riadiacou elektródou G. Preto je táto súčiastka schopná spínať pri oboch polaritách anódového (U_A2A1) aj riadiaceho napätia (U_GA1), a z tohto dôvodu existujú štyri možné kombinácie U_A2A1 a U_GA1, pri ktorých triak zopne prúdom do riadiacej elektródy.

Obr.8.2 Rez šruktúrov triaka

Pre dané polarity medzi anódami je za podmienok:

(8.1)

Vždy jeden z tyristorov je v závernom a druhý v blokovacom režime. Všetky kombinácie využívajú injekciu elektrónov do strednej oblasti N, ktorá potom spôsobí zopnutie tyristora, ktorý je v blokovacom režime (je to dané polaritou U_A2A1). Pre lepšie pochopenie napr. ak U_GA1 > 0 a zároveň U_A2A1 > 0 (svorka A₁ má potenciál 0 V a A₂ má kladný potenciál) môžeme triak zopnúť principiálne ako tyristor a to zopnutím oblasti triaku zodpovedajúceho tyristoru Ty₁. Elektróny injektované prechodom G - A₁ (prechod P - N⁺ hore vľavo) prejdú do strednej oblasti N (červená šípka, obr. 8.5), čím spôsobia injekciu dier z anódy vedúcu na latch-up.

Obr.8.3 Injekcia elekrónov do strednej oblasti N, V - A charakteristika

Triak vypíname prirodzenou komutáciou ako tyristor. K obnoveniu blokovacej schopnosti preto dôjde, až keď náboj uložený v štruktúre zanikne. Ak by sme triak používali pri vysokých frekvenciách , tak náboj uložený napríklad v Ty₁ by sa dostal do Ty₂ a pri komutácii napätí by spôsobil nežiaduce zopnutie Ty₂ dokonca aj pri I_G = 0. Preto je frekvenčná oblasť triakov omnoho menšia ako u tyristorov a obmedzuje sa prakticky na 50 Hz. V praxi sa požíva ako náhrada mechanického relé. Aplikačne výhodné je aj použitie triaku s optickým spínaním v jednom puzdre (Triac Photocoupler) za účelom galvanického oddelenia riadiacich obvodov [1].

8.3 Tyristor

Tyristory sú viacvrstvové bipolárne súčiastky, ktoré vykazujú bistabilné regeneratívne spínacie charakteristiky. To znamená, že prepnutie z vypnutého do zopnutého stavu sa prevádza prúdovým impulzom do riadiacej elektródy, pričom po zopnutí tyristora ostáva v zopnutom stave. To predstavuje zásadný rozdiel oproti bipolárnemu tranzistoru, u ktorého je potrebné pre udržanie v zopnutom stave trvale udržiavať prúd do bázy. Preto majú tyristory schopnosť ovládať veľké výkony relatívne jednoduchým riadiacim obvodom s malým príkonom. Keďže všetko sú to bipolárne súčiastky, ich veľkou prednosťou je veľká výkonová zaťažiteľnosť [1].

Obr.8.4 Štruktúra tyristora, schematická značka

Z obrázku schémy je ľahko rozpoznateľné, že štvorvrstvová štruktúra blokuje elektrický signál obidvoch polarít. Záporné napätie na anóde oproti katóde nachádza sa tyristor v závernom režime. Prechody J₁ a J₃ zapojené do série sú polarizované záverne. Prechod J₂ priepustne. Rovnako ako u tranzistorov je potrebné, aby aj u tyristorov boli všetky prechody vytvorené na jednom monokryštále polovodiča. Ak má byť funkcia tyristora správna, musia byť všetky prechody vzájomne paralelné a v presne definovaných vzdialenostiach od seba. Parametre vrstiev tvoriacich prechod J₁ sú volené tak, aby bolo dosiahnuté požadované prierazné napätie. Prechod J₃ má prierazné napätie do 5 V. Pri prekročení maximálneho záverného opakovateľného napätia U_RRM dochádza k ionizácii (lavínovému javu) prechodu J1 a narastá prúd. Na závernej charakteristike vzniká koleno. Napätie U_RRM je medzní parameter (je obdobne definovaný ako u diódy) a nesmie byť prekročení.

Obr.8.5 Pracovné režimy a energetické modely

Spínanie tyristoru:

Ak je na anóde kladné napätie oproti anóde o hodnote U_A < U_B0 a do riadiacej elektródy netečie prúd (I_G = 0), nachádza sa tyristor v blokovacom režime a anódový prúd I_A je zanedbateľný. Prechody J₁ a J₃ sú polarizované priepustne a prechod J₂ záverne. Z čoho jasne vyplýva, že prúd je blokovaný prechodom J₂, ktorý sa označuje ako aj blokovací prechod. Ak dosiahne anódové napätie Ua hodnotu blokovacieho napätia UB0, dochádza k lavínovému prierazu prechodu J₂ a prúd I_a narastá. Elektróny ktoré vzniknú nárazovou ionizáciou sú následne elektrickým poľom unášané smerom k prechodu J₁, kde sa týmto dôsledkom poruší nábojová polarita. Tá je potom obnovená injekciou kladných dier z anódového emitora do bázy N, ktorá kompenzuje tento záporný náboj elektrónov. Diery, ktoré vznikli narazovou ionizáciou na prechode J₂ sa vplyvom elektrického poľa pohybujú k prechodu J₃, kde spôsobia injekciu elektrónov do bazy P. Tieto elektróny a diery môžu ľahko prekonať blokovací prechod J₂, pretože sa pohybujú v smere poklesu energie obr. 4.8.5 - blokovací režim. Prechod J₂ je takto zaplavený a znižuje sa jeho polarizácia. Spoločné zaplavenie oboch báz spolu s blokovacím prechodom má za následok zvýšenie vodivosti tyristora.

Obr.8.6 Volt - Ampérová charakteristika tyristora

Injekcia elektrónov z katódového emitora podporuje injekcia dier z anódového emitora a naopak. Takto vzniká kladná spätná väzba .Tento postup spínania je zdĺhavý, nepohodlný a čo je hlavnou nevýhodou je veľmi ťažko ovládateľný, pretože hodnota blokovacieho napätia U_B0 (Break - Over Voltage) je veľká a jej hodnotu nepoznáme, taktiež spínanie prekročením hodnoty dU_ac/dt je nežiadúce. Preto môžeme použiť prekročením hodnoty I_G , alebo spínanie svetlom .

Vypnutie tyristora znamená prerušenie kladnej spätnej väzby. Sú tri možnosti ako to realizovať:

a) Prirodzená komutácia v obvodoch striedavého napätia

V obvodoch jednosmerného napájacieho napätia je možné tyristor vypnúť jedine nútenou komutáciou. V praxi sa väčšinou praktizuje tak, že sa paralelne k tyristoru pripája kapacitor s polaritou napätia zaisťujúce závernú polarizáciu tyristora. Kapacitor najprv spôsobí zotavenie tyristora, pričom sa odvádza náboj z okolia prechodov J₁ a J₃, ktoré zaplavil v zopnutom stave. To sa prejaví pretečením záporného prúdu po dobu záverného zotavenia t_rr, ktorá je definovaná ako u diód.

Obr.8.7 Princíp nútenej komutácie tyristora a k tomu odpovedajúce prúdové a napäťové priebehy

Potom sa kapacitor prebije na opačnú polaritu rýchlosťou danou hodnotou kapacity a vnútorným obvodom. V tejto fáze je tyristor ešte stále zaplavený dostatočne veľkým nábojom v okolí blokovacieho prechodu a svoju blokovaciu schopnosť obnoví až keď je tento náboj odvedený. Do tejto doby naňho nemôžeme priviesť kladné napätie, pretože by sa ešte mohol zopnúť. Nadbytočný náboj zaniká jedine rekombináciou elektrónov a dier bez pomoci vnútorného obvodu, čo sa deje pomaly. Obnovenie blokovacej schopnosti preto nastane v čase vypnutia t_q, ktorý je niekoľkokrát dlhší ako t_rr a v závislosti na veľkosti tyristora a ďalších parametrov čo môže trvať niekoľko s. Parameter t_q je pre daný prúd tyristora v zopnutom stave, teplotu a strmosť komutačného napätia du/dt uvedený v katalógu.

b) Nútená komutácia v obvodoch jednosmerného napätia

Klasický tyristor nemá žiadne vlastné prostriedky k vypnutiu anódového prúdu I_a. V obvodoch, ktoré sú napájané striedavým napätím však môže dôjsť k vypnutiu poklesom prúdu I_a pod hodnotu I_H zmenou polarity vstupného napätia U_a anódového obvodu na konci polperiódy sínusového priebehu napätia. Nastáva tak prirodzená komutácia napätia U_AC. Na obr. 1 a) je tyristor spínaný prúdom do riadiacej elektródy na začiatku každej kladnej polvlny napätie U_a, ako náhle má toto napätie dostatočne veľkú hodnotu (ON).

Obr.8.8 a) Zopnutie tyristoru (ON) na začiatku periódy a prirodzená komutácia (OFF) pri prechode nulou. b) Zopnutie tyristora (ON) vo zvolenom okamihu kladnej polvlny a prirodzená komutácia (OFF) pri prechode nulou.

Spínací prúd pretečie cez rezistorry R_Z ,R_g a diódu D do riadiacej elektródy. Na konci polperiódy poklesne napätie zdroja na nulu a s ním aj prúd I_a (OFF). Tyristor prejde do záverného smeru, v ktorom sa už svojvoľne nezapne. Prechid J₃ je nutné chrániť proti prierazu diódou D s U_RRM > U_a. Na obr.8.8 b) je časový okamih zopnutia tyristora zvolený hodnotou časovej konštanty (R_Z + R_g).C, ktorú môžeme zmeniť pomocou potenciometra R_g. K zopnutiu dôjde až keď bude kapacitor C nabitý na napätie U_GC + U_D. Napätie U_GC je úbytok napätia na dióde D s typickou hodnotou 0,7 V. Pri spínaní dôjde k vybitiu kapacitora. Tyristor je zopnutý až do poklesu I_a pod hodnotu I_H na konci polperiódy (OFF). Pred zopnutím bolo na tyristore plné napätie zdroja U_a. Po zopnutí je toto napätie na záťaži až na úbytok napätia na tyristore, ktoré je 1,7 V až 2,5 V. Zmenou hodnoty odporu potenciometrom R_g čo má za následok zmenu časového okamžiku (fázu) zopnutia a tým aj priemernú hodnotu výkonu na záťaži za periódu. V takomto prípade hovoríme o riadení výkonu.

c) Použitie vypínacieho tyristora GTO (Gate Turn-Off ) namiesto klasického tyristora.

8.4 IGBT

V oblasti do 600 V sa používajú na spínanie klasické tranzistory DMOS. Ich nevýhodou je, že nad 600 V majú DMOS tranzistoru vysoký R_DSON odpor, čo môžeme vyriešiť zapojením niekoľkých tranzistorov paralelne, čo je ale neefektívne (cenovo). Vysoký odpor R_DSON