1 TIRISTORI I tiristori sono dispositivi a semiconduttore caratterizzati

TIRISTORI
I tiristori sono dispositivi a semiconduttore caratterizzati da una struttura PNPN e da un
funzionamento in commutazione. Vengono utilizzati nel campo del controllo delle altissime correnti e
delle altissime tensioni.
Qui tratteremo il diodo controllato o SCR, in grado di controllare migliaia di ampere e tensioni
di qualche KV, e il TRIAC, tiristore bidirezionale.
SCR (Silicon Controlled Rectifier: raddrizzatore controllato al silicio)
Funzionamento e caratteristiche I-V
L'SCR è un normale raddrizzatore controllato in silicio modificato in modo da bloccare la
corrente nel senso normale di conduzione finchè un piccolo segnale (guizzo di corrente) applicato ad un
terzo elettrodo (gate), dà inizio alla conduzione, come un normale raddrizzatore.
Una volta iniziata la conduzione, l'elettrodo di controllo non ha più alcuna influenza e la
corrente può essere interrotta solo applicando una tensione inversa o aprendo il circuito anodico.
fig.1
In assenza di segnale all'elettrodo di controllo (IG= 0), il dispositivo blocca la corrente in
entrambe le direzioni, perchè, qualsiasi sia la tensione applicata c'è almeno una giunzione che è
polarizzata inversamente (cfr. fig.2).
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fig.2
Per comprendere il funzionamento dell'SCR si può ricorrere all'analogia con i transistor,
scomponendolo appunto in due di essi , un PNP (T1) e un NPN (T2), aventi in comune la giunzione
Base Collettore.
fig.3
Con l'elettrodo di controllo aperto (IG=0) la corrente di base del transistor NPN T2, IB2, sarà
costituita dalla corrente di collettore del PNP T1, IC1, e la corrente di collettore del transistor NPN T2,
IC2, sarà costituita dalla corrente di base del PNP T1, IB1 (cfr.fig.3b)
IB2 = IC1
(1)
IC2 = IB1
(2)
per cui si ha
IC1 =
IE1 + ICB01
(3)
2
IC2 =
IE2 + ICB02
(4)
dove e sono rispettivamente le frazioni di portatori che dall'emettitore passano al collettore e ICB01
e ICB02 le correnti inverse delle giunzioni Collettore-Base.
Indicando con I la corrente anodica dell'SCR, si ha:
I = IE1 = IE2
la corrente che entra deve essere uguale alla corrente che esce (buona efficienza)
inoltre:
IE2 = IC2 + IB2
per cui:
I = IE2 = IC2 + IB2 = IC2 + IC1
(5)
Ora dalla (3) e dalla (4) si ottiene:
IC1 =
I + ICB01
(6)
IC2 =
I + ICB02
(7)
Sostituendo ora nella (5):
I = IC2 + IC1 =
I + ICB01 +
I-I( +
= ICB01 + ICB02
I [1- ( +
)] = ICB01 + ICB02
I + ICB02 = I ( +
ICB01 + ICB02
ICB01 + ICB02
I=
_____________
1- ( +
)
Posto IC0 = ICB01 + ICB02 si ottiene:
I
I=
C0
_____________
1- ( +
(8)
)
La corrente anodica quindi dipende da
e , cioè dall'efficienza dei due transistor; a sua volta poi,
l'efficienza di un transistor dipende dalla VCE. In particolare, aumenta con VCE.
Ora, se si applica all'SCR una tensione tra A e K VAK, in senso diretto, con l'elettrodo di
controllo aperto (IG= 0), finchè la tensione applicata non supera certi limiti, i valori di
e
+
sarà minore di 1.
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saranno piccoli
In tali condizioni la corrente che scorre nel componente è molto modesta, dell'ordine di IC0
(qualche mA per SCR che in conduzione hanno correnti dell'ordine di diverse decine di A).
All'aumentare della VAK,
aumenta finchè si raggiunge la VBO (tensione di breakover),
dell'ordine di alcune centinaia di volt, per la quale si ha
IC0
IC0
I=
_____________
1- ( +
)
=
_________
lim
+
)
1, quindi la (8) diventa:
=
0
A questo punto la corrente tende a valori elevatissimi e risulta limitata solo dal circuito esterno
in serie all'SCR.
In pratica quando VAK arriva a VBOsi innesca un processo a valanga nella J2 polarizzata
inversamente, che neutralizza la barriera di potenziale ai suoi capi. L'SCR si riduce quindi alle due
giunzioni J1 J3 polarizzate direttamente e la tensione ai suoi capi si riduce a 1
V.
Dopo che l'innesco è avvenuto, la corrente che scorre nei due emettitori di T1 e T2 mantiene
elevato il valore di e quindi sostiene la conduzione; il tiristore è nello stato di conduzione diretta, con
le tre giunzioni PN, NP, PN polarizzate direttamente.
Se si inietta una corrente IG nell'elettrodo di gate, tramite un apposito circuito, il parametro
viene aumentato (aumenta la corrente in E2).
Si provoca un abbassamento della barriera di potenziale ai capi di J 2, il valore della tensione
VAK necessaria a provocare l'innesco si abbassa, la commutazione allo stato di conduzione diretta
avviene con una VAK < VBO. Basta un guizzo di corrente IG anche di durata molto breve (qualche sec)
per portare il tiristore in conduzione (cfr. fig.4).
fig.4
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Quando la commutazione è avvenuta, la corrente si automantiene e la corrente di gate può essere
rimossa. Il valore di corrente anodica a cui l'SCR commuta da OFF a ON è I L (corrente di latching),
che diminuisce all'aumentare della IG.
IL (corrente di latching): corrente di aggancio. E' la minima corrente anodica in grado di
mantenere il tiristore ON immediatamente dopo che è avvenuta la
commutazione OFF-ON ed il segnale di gate è stato rimosso.
L'SCR viene spento riducendo la corrente al di sotto della IH (holding) dell'ordine di qualche
decina di mA (cfr. fig.1) o la VAKal di sotto della corrispondente VH . Se l'anodo viene reso negativo
rispetto al catodo, l'SCR commuta nello stato OFF sulla caratteristica inversa.
IH (corrente di holding): corrente di mantenimento. E' la minima corrente anodica in grado di
mantenere il tiristore ON.
Studiamo ora la situazione per VAKnegative (cfr.fig4): l'SCR rimane bloccato, le due giunzioni
J1 e J3 sono polarizzate inversamente, finche non si raggiunge la tensione di breakdown VBD. A questo
punto la corrente aumenta come nel caso di un diodo in zona di rottura.
Per ragioni di sicurezza di funzionamento un SCR non viene mai fatto lavorare vicino a VBO e
VBD.
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IMPIEGHI dell'SCR
Controllo della potenza mediante SCR
Nella fig.5 è rappresentato lo schema di principio del circuito di utilizzazione di un SCR per il
controllo della potenza su un carico, supposto resistivo (ad es. una lampada), con alimentazione
mediante tensione alternata.
L'SCR verrà innescato mediante un segnale di trigger applicato al gate e prodotto da un
apposito circuito, l'innesco avviene ad un angolo , chiamato angolo di trigger, nel semiciclo positivo
della tensione di alimentazione. L'SCR rimane conduttore per il resto del semiciclo positivo, per un
angolo detto angolo di conduzione, e si spegne quando la tensione di alimentazione scende a zero e
passa al semiciclo negativo. Rimane non conduttore per una parte più o meno grande del semiciclo
positivo, finchè non viene di nuovo innescato. Pertanto, la corrente del carico è costituita da una serie
di impulsi positivi, un impulso per ogni ciclo dell'alimentazione.
La tensione sul carico viene parzializzata ritardando opportunamente gli impulsi di innesco dell’SCR.
La potenza sul carico può essere controllata variando
fig.5
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Valori massimi consentiti: dV/dt
dV/dt = massima variazione ammessa per VAK nell’unità di tempo (dell’ordine delle decine di
V/ sec).
Un SCR può entrare in conduzione quando la variazione della tensione applicata ai suoi
terminali risulta molto rapida (dv/dt elevato), anche senza comando di gate.
In questo caso la corrente Icj=CJ*dV/dt necessaria a caricare la capacità della giunzione
polarizzata inversamente potrebbe essere interpretata dal tiristore come prodotta da una tensione
all'elettrodo di gate (corrente di gate) (cfr.fig.6a)
fig.6
I tiristori non vengono quindi utilizzati per frequenze molto elevate e comunque viene previsto
un filtro antidisturbo.
Viene quindi inserito un condensatore esterno tra G e K per impedire il passaggio della corrente
attraverso la giunzione J3 quando l'SCR è in funzionamento dinamico, mentre non ha alcun effetto
lavorando in continua (cfr.fig.6b). La Cext offre infatti un'impedenza bassa in dinamica per cui la ICj non
arriva al G, ma viene bypassata sulla Cext, mentre offre impedenza molto elevata in continua
permettendo il regolare funzionamento dell'SCR.
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Costruzione di un SCR
Gli SCR che offrono prestazioni migliori sono quelli ottenuti con tecnologia completamente
diffusa (all-diffused).
Il materiale di partenza è una fetta di Si dello spessore di centinaia di e drogato debolmente in
modo N. Su entrambi i lati viene effettuata una diffusione di tipo P, formando un wafer PNP.
+
Successivamente viene diffuso il boro su entrambi i lati per ottenere un sottile strato P .
fig. 7
Lo stadio successivo è quello di diffusione N (fosforo) per il catodo. Vengono definite le zone in cui far
avvenire la diffusione aprendo finestre su SiO2 accresciuto in un forno di ossidazione, usando la
tecnica fotolitografica. Poi il wafer viene introdotto in un forno per la crescita di vetro fosforosilicato,
+
da cui poi viene diffuso il fosforo che viene introdotto nella zona P , mediante riscaldamento in un
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secondo forno.
Mediante attacco chimico selettivo il vetro viene asportato dalle aree su cui far avvenire le
metallizzazioni (nichel+oro) per il gate e per il catodo.
All'anodo e al catodo vengono saldati dischi di supporto di molibdeno per ridurre lo sforzo
termico causato dai diversi coefficienti di dilatazione termica del Si e delle connessioni di rame.
L'elemento viene poi montato a volte su una basetta di rame a forma di vite (stud) per permettere il
montaggio su dissipatori di calore, quando l'SCR deve essere utilizzato per applicazioni industriali.
Quindi viene incapsulato in metallo-ceramica o in plastica stampata
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TRIAC (Triode AC)
Funzionamento e caratteristiche I-V
Il triac, o tiristore bidirezionale, è un dispositivo che può essere utilizzato per condurre o
bloccare la corrente in entrambe le direzioni. Può essere considerato come due SCR opposti in parallelo
e può essere innescato con un impulso di gate sia positivo che negativo.
In figura sono rappresentate in forma semplificata, le sezioni di possibili sezioni del TRIAC e il
suo simbolo circuitale. I terminali sono indicati con MT1 e MT2 (main terminal) e non anodo catodo,
perchè il comportamento del TRIAC è simmetrico per entrambe le polarità della tensione applicata.
fig.8
La conduzione può essere innescata sia se la tensione tra i terminali MT1 e MT2 supera la
tensione di breakover VBO , sia per l'applicazione di un impulso di corrente positivo o negativo
all'elettrodo di gate.
Un TRIAC può lavorare quindi non solo nel I quadrante, con VMT >0 e IMT >0, ma anche nel III
quadrante, con VMT <0 e IMT <0. La tensione di innesco VG può presentare la stessa polarità o polarità
invertita rispetto a VMT. La sensibilità all'innesco è però maggiore nel I quadrante con V G positiva e nel
III quadrante con VG negativa, leggermente inferiore nel I quadrante con VG negativa, ancora più bassa
nel III quadrante con VG positiva.
Nella fig.9 è rappresentata la caratteristica statica corrente-tensione di un TRIAC per IG=0
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fig.9
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IMPIEGHI del TRIAC
Controllo di fase mediante TRIAC
Il TRIAC mediante un unico impulso di innesco positivo o negativo, può lasciare passare nel
carico di un circuito alimentato da una tensione alternata di rete, una porzione più o meno grande delle
due semionde, rispettivamente positiva o negativa, della tensione alternata di rete stessa (cfr. fig.5).
All'arrivo dell'impulso di trigger il TRIAC passa in conduzione e quindi la tensione di alimentazione
viene a cadere sul carico (VL=VA). Il TRIAC si spegne quando la sua corrente I scende sotto il valore di
IH, in pratica al termine della semionda. Occorre allora un altro impulso di gate, negativo, per portarlo
in conduzione fino al termine della semionda negativa.
Funzionamento a controllo di fase di un TRIAC
fig.10
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Valori massimi consentiti: dV/dt
dV/dt = massima variazione ammessa per VMT nell’unità di tempo (dell’ordine delle decine di
V/ sec).
Come l'SCR anche il TRIAC può entrare in conduzione quando la tensione applicata ai suoi
terminali varia molto rapidamente (dv/dt elevato), anche senza comando di gate.
I TRIAC non vengono quindi utilizzati per frequenze molto elevate e comunque viene previsto un
filtro antidisturbo (rete RC di snubber).
Per chiarire meglio quanto detto a proposito della dV/dt, esaminiamo il funzionamento a
controllo di fase di un TRIAC con carico resistivo e induttivo (motori).
Controllo di fase con carico resistivo
Fino all'istante t0 il comando di gate viene applicato costantemente in modo da avere un angolo di
conduzione = 180°: la corrente è in fase con la tensione. Al tempo t = t 0 il comando di trigger viene
tolto, ma finchè la corrente I non si porta al di sotto della IH, il tiristore rimane ON. All'istante t=t1 I<IH
e il tiristore si porta in OFF. La tensione ai suoi terminali coincide con quella di rete VAC=V M*sen t.
dV/dt = V M , tale valore deve essere < dV/dt consentita.
fig.11
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Controllo di fase con carico induttivo (motori)
Fino all'istante t0 il comando di gate viene applicato costantemente in modo da avere un angolo di
conduzione = 180°: la corrente è sfasata in ritardo di 90° rispetto alla tensione. Al tempo t = t0 il
comando di trigger viene tolto. Quando, all'istante t = t1 I<IH e il tiristore si porta in OFF, la tensione fra
i terminali sale bruscamente. La variazione dv/dt sale bruscamente a valori molto alti (da 0 a VM) e di
nuovo il tiristore rischia di innescarsi spontaneamente.
fig.12
Una soluzione consiste nel porre in parallelo al tiristore una rete smorzatrice (snubber) RC.
Quando il tiristore entra in OFF, si viene ad avere un circuito RLC e la tensione anodica viene ad avere
un andamento oscillante, quindi dv/dt si riduce (cfr.fig.13).
Effetto della rete snubber
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