capitolo 11 tiristori

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CAPITOLO 11
TIRISTORI
I tiristori costituiscono una famiglia di dispositivi a semiconduttore comprendente numerosi
componenti, caratterizzati da una struttura a quattro zone pnpn e da un funzionamento in
commutazione. A loro è tuttora riservato il campo del controllo delle altissime correnti e delle
altissime tensioni: la loro principale funzione è di pilotare le alte correnti dei motori, dei
riscaldatori, dei sistemi d’illuminazione e di altri dispositivi simili. Sono tuttavia utilizzati anche in
applicazioni per potenze medie e basse.
Il termine “tiristore” viene dal greco e significa “porta”.
I più diffusi tiristori sono il diodo controllato o SCR (silicon controlled rectifier), in grado di
controllare correnti di qualche migliaio di ampere e tensioni di qualche kV, il triac (triode AC), il
cui funzionamento, è bidirezionale, il GTO (gate turn-off), in grado di essere spento mediante un
impulso negativo. In questo capitolo verrà trattato anche il diac (diode AC) che viene impiegato
normalmente per l’innesco dei tiristori di potenza.
11.1
SCR (o diodo controllato)
In Fig. 11.1a e b sono riportati rispettivamente il simbolo e la struttura interna dell’SCR: sono
presenti tre terminali: anodo, catodo e gate di controllo.
a)
b)
Fig. 11.1 – SCR: a) simbolo circuitale; b) struttura interna
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Nella Fig. 11.1b si notano quattro zone pnpn; una zona di anodo, di tipo p, è adiacente ad una zona
spessa e poco drogata di tipo n, chiamata zona di blocco. Segue una zona nuovamente di tipo p,
piuttosto sottile, detta zona di comando, ed infine una quarta zona, detta di catodo, molto drogata e
sottile.
Per comprendere il funzionamento del dispositivo risulta comodo far riferimento agli schemi di
Fig. 11.2a e b: nel primo è indicata la posizione dei tre terminali rispetto alle varie regioni del
diodo; nel secondo è rappresentato uno schema equivalente dell’SCR nel quale le tre giunzioni J1,
J2 e J3 sono rappresentate mediante diodi.
a)
b)
Fig. 11.2 – SCR: a) posizione dei tre terminali; b) modello equivalente
Nel diagramma di Fìg. 11.3 è illustrato l’andamento della corrente anodica IA in funzione della
tensione VAK, con IG, corrente di gate, come parametro. Mantenendo IG nulla, si aumenti VAK: le
giunzioni J1 e J3 risulteranno polarizzate direttamente, mentre J2, polarizzata inversamente, lascerà
fluire la sola corrente inversa, di valore trascurabile. L’SCR è pertanto interdetto (OFF). Non
appena VAK arriva alla tensione di breakover VBO (dell’ordine delle centinaia di volt), la corrente
inizia ad aumentare e s’innesca un processo a valanga che in brevissimo tempo porta a neutralizzare
la barriera di potenziale ai capi di J2. In pratica, la tensione inversa applicata ai capi di J2 è tale da
favorire la collisione delle (poche) cariche libere in banda di conduzione (quelle generate
termicamente) con gli atomi del reticolo, generando così nuove cariche mobili disponibili per la
conduzione.
Il diodo controllato si riduce alle due giunzioni polarizzate direttamente J1 e J3 e di conseguenza
la caduta di tensione ai suoi capi si porta a 1 ÷ 1,5 V. La corrente corrispondente prende il nome di
corrente di aggancio IL (latching current). Da questo momento in poi, la corrente sale rapidamente
per piccole variazioni della VAK, come in un normale diodo.
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Fig. 11.3 – Caratteristiche anodiche o d’uscita dell’SCR
Viceversa, iniettando corrente nel gate (IG > 0), si provoca un abbassamento della barriera di
potenziale ai capi di J2, sicché è sufficiente una tensione VAK inferiore per provocare l’innesco.
Ovviamente più elevata è IG, più bassa è la tensione d’innesco. Si noti che nel processo di
neutralizzazione della barriera di potenziale la corrente di gate agisce localmente, abbassando la
barriera in prossimità del gate stesso. Ciò è sufficiente però a far scorrere la corrente di anodo che,
se sufficientemente intensa (≥ IL), provvede ad eliminare del tutto la barriera con un meccanismo di
reazione positiva (che qui non spieghiamo) tipico delle strutture pnpn. A questo punto, anche se IG
viene soppressa (è ciò che si fa nelle applicazioni pratiche, dove IG, per ridurre la potenza di
pilotaggio, normalmente non è continua ma impulsiva), la conduzione si autosostiene: il diodo è
ON.
Tornando alle caratteristiche di uscita, si noti che per spegnere l’SCR è necessario che la
corrente di anodo venga fatta scendere al di sotto della corrente di mantenimento IH (holding
current) (qualche mA), ad esempio aprendo il circuito d’uscita o, più comunemente, invertendo la
polarizzazione fra anodo e catodo.
Per tensioni VAK negative l’SCR rimane bloccato (le due giunzioni J1 e J3 sono polarizzate
inversamente) finché non viene raggiunta la tensione di rottura o di breakdown VBD. A questo punto
la corrente aumenta e l’SCR si comporta come un normale diodo in zona di rottura. Si noti che
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l’SCR, per ragioni di sicurezza di funzionamento, non deve essere fatto lavorare vicino a VBO o a
VBD.
In conclusione, l’SCR è sostanzialmente un diodo e quindi può condurre solo se polarizzato
direttamente. Affinché conduca è però necessario iniettare una corrente, anche impulsiva, nel gate.
Una volta innescato, la conduzione si autosostiene finché la corrente di anodo non scende al di sotto
di IH.
L’SCR si presta molto bene al controllo in corrente alternata. In Fig. 11.4a è illustrato lo schema
di principio di un controllo ad SCR, detto controllo di fase. Il dispositivo, lavorando da interruttore,
viene inserito in serie al carico ed alimentato dalla tensione alternata va (di solito la tensione di rete).
Sino a quando sul gate non arriva l’impulso di comando prodotto dal circuito di trigger CT, l’SCR
rimane interdetto e vL = 0, come indicato in Fig. 11.4b. All’arrivo dell’impulso di comando, l’SCR
commuta in ON, la sua VAK si abbassa rapidamente a circa 1,5 V e sul carico viene a cadere
sostanzialmente tutta la tensione di alimentazione (vL ≈ va). Lo stato di conduzione permane finché
IA non scende al di sotto della corrente di mantenimento IH, cioè praticamente per tutta la semionda
positiva. In seguito nella semionda negativa l’SCR rimane interdetto, anche se eventuali impulsi di
comando giungono sul suo gate.
a)
b)
Fig. 11.4 – Controllo di fase a SCR: a) schema di principio; b) forme d’onda parzializzate
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Nella forma d’onda parzializzata di Fig. 11.4b presente sul carico vengono individuati un
angolo d’innesco ϕ ed un angolo di conduzione α, complementare al primo. Variando l’angolo
d’innesco, varia la porzione di tensione, e quindi la potenza, fornita al carico: per ϕ ≈ 0 la potenza è
massima, per ϕ ≈ 180° la potenza risulta evidentemente nulla.
11.2
TRIAC
L’SCR è un tiristore unidirezionale, poiché in esso la corrente scorre in un solo verso. Il triac al
contrario è bidirezionale ed assolve quindi la funzione di due SCR collegati in antiparallelo, con il
vantaggio di una semplificazione del circuito di comando del gate, che è ovviamente unico. In
Fig. 11.5a è riportato il simbolo grafico: si distinguono due terminali principali MT1 e MT2 (main
terminal) ed il terminale di gate G; la conformazione interna è illustrata in Fig. 11.5b. Si possono
riconoscere le strutture pnpn di due SCR in antiparallelo: con le linee tratteggiate è indicato il flusso
della corrente dell’SCR che ha il suo anodo in MT2 ed il catodo in MT1; con le linee continue la
corrente dell’SCR con anodo in MT1 e catodo in MT2.
a)
b)
Fig. 11.5 – Triac: a) simbolo circuitale; b) struttura interna
Il funzionamento del triac è analogo a quello del diodo controllato con la differenza che può
lavorare non solo nel I quadrante, cioè con VMT > 0 e IMT > 0, ma anche nel III quadrante, con
VMT < 0 e IMT < 0 (cfr. Fìg. 11.6). La tensione VG d’innesco può presentare la stessa polarità o
polarità invertita rispetto a VMT. In altre parole con VMT > 0 è possibile l’innesco sia con VG positiva
che negativa; analogamente con VMT < 0.
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Fig. 11.6 – Caratteristiche d’uscita del triac
In Fig. 11.7a è illustrato il circuito di principio per il controllo di fase ad onda intera mediante
triac ed in Fig. 11.7b sono riportate le forme d’onda relative.
a)
b)
Fig. 11.7 – Controllo di fase a triac: a) schema di principio; b) forme d’onda parzializzate
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All’arrivo dell’impulso di trigger il triac passa in conduzione sicché la tensione di alimentazione va
viene a cadere sul carico (vL ≈ va). Il triac si spegne quando la sua corrente IMT scende sotto il valore
di mantenimento IH, in pratica al termine della semionda. Occorre allora un altro impulso di gate per
portarlo in conduzione fino al termine della semionda negativa(♥).
In questo caso, regolando l’angolo di innesco ϕ, è possibile fornire al carico una potenza
variabile da 0 ad un massimo, che corrisponde alla potenza associata all’intera onda sinusoidale.
11.3
DIAC
Il diac è un tiristore bidirezionale di piccola potenza privo di gate ed usato quasi esclusivamente
per l’innesco del triac. Il simbolo e la struttura interna sono illustrati rispettivamente in Fig. 11.8a e
b.
a)
b)
Fig. 11.8 – Diac: a) simbolo circuitale; b) struttura interna
In Fig. 11.9 è riportata la caratteristica I-V. Per meglio comprendere il funzionamento del
dispositivo si è disegnata la retta di carico in corrispondenza a due diversi valori della tensione di
alimentazione Va. Allorché, aumentando Va, la retta (linea a) supera la tensione di breakover
+
positiva VBO
(circa 30 V), il punto di funzionamento passa bruscamente da A a B, cioè il diac passa
dall’interdizione alla conduzione con un brusco calo di tensione (una decina di volt), che va a
localizzarsi sul carico. Per tornare all’interdizione occorre che Va diminuisca in modo da portare la
retta di carico oltre la posizione di tangenza alla caratteristica (linea b). Un discorso analogo vale
per le tensioni negative.
(♥)
Si noti che nell’esempio di Fig. 11.7 si è inviato un impulso di gate negativo quando VMT è negativo. Si ricordi
tuttavia che l’innesco si ha sia con impulsi di gate VG positivi che negativi, indipendentemente dal segno di VMT.
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Fig. 11.9 – Caratteristica del diac
Un circuito usato per generare gli impulsi necessari per l’innesco del triac è riportato in
Fig. 11.10a. Il diac è inizialmente interdetto ed il condensatore si carica attraverso R. Allorché vC ai
+
capi di C arriva a VBO
, il diac s’innesca lasciando passare corrente. Poiché l’alimentazione, a causa
della presenza di R, non è in grado di fornire al diac la corrente di ON, interviene il condensatore,
che inizia ad erogare corrente scaricandosi. La scarica, a causa del basso valore del carico RL, è
molto rapida. Allorché la corrente, diminuendo, arriva al valore corrispondente al punto di tangenza
D di Fig. 11.9, il diac s’interdice. In definitiva su RL si vengono ad avere impulsi di tensione di
qualche volt, associati a correnti piuttosto elevate (un centinaio di mA e più), mentre vC in
corrispondenza degli inneschi presenta bruschi abbassamenti ∆V, come illustrato in Fig. 11.10b.
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a)
b)
Fig. 11.10 – a) Circuito di utilizzo del diac e b) sue forme d’onda significative
11.4
GTO (gate turn-off)
Un inconveniente degli SCR e dei triac è costituito dalla complessità dei circuiti necessari per il
loro spegnimento quando lavorano con tensioni continue. Il GTO (gate turn-off) è viceversa un
tiristore di potenza (correnti anche di 2000A, tensioni fino a 2 kV e più) unidirezionale in grado di
essere spento mediante un comando di gate.
Presenta una struttura simile a quella dell’SCR; tuttavia per consentire al gate di influire
fortemente sul catodo, le zone di gate e di catodo vengono costruite secondo una struttura a stella o
a pettine fortemente interdigitata, in modo che risultino affacciate fra di loro lungo un perimetro il
più esteso possibile.
L’innesco avviene iniettando una corrente nel gate, analogamente all’SCR. Per lo spegnimento,
o si procede come per gli altri tiristori, abbassando cioè la corrente anodica al di sotto del valore di
mantenimento, oppure si applica al gate una tensione negativa di una decina di volt. Polarizzando
negativamente la giunzione gate-catodo, parte della corrente di anodo viene deviata nel gate,
interrompendo così il processo rigenerativo che autosostiene la conduzione. L’impulso negativo di
corrente che fuoriesce dal gate nella commutazione in OFF è molto elevato (può in certi casi
arrivare a 1/3 della corrente anodica) per cui è necessario dimensionare opportunamente il circuito
di comando.
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In Fig. 11.11a è illustrato il simbolo del GTO; in Fig. 11.11b è riportato lo schema di principio
per il suo comando.
a)
b)
Fig. 11.11 – GTO: a) simboli circuitali; b) schema di principio per il controllo del GTO
11.5
Un’applicazione tipica: variatore di luminosità per lampade ad incandescenza
Lo schema di principio di un variatore di luminosità è illustrato in Fig. 11.12a. Con il
potenziometro posizionato su valori bassi di resistenza, il condensatore si carica rapidamente alla
tensione di breakover del diac; questo, innescandosi, fornisce la corrente di gate al triac, che passa
in conduzione. Poiché l’angolo di conduzione è pressappoco pari a quello massimo, la lampada si
accende praticamente alla sua massima luminosità. Il condensatore, dopo aver fornito l’impulso
d’innesco, prosegue la sua scarica attraverso R1 ed il triac (il diac infatti, dopo l’impulso, torna in
OFF).
a)
b)
Fig. 11.12 – a) Schema di principio del variatore di luminosità. b) Forme d’onda relative
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Man mano che si aumenta R1, il condensatore raggiunge sempre più in ritardo la tensione
d’innesco, l’angolo di conduzione pertanto si riduce, la forma d’onda è sempre più parzializzata
(Fig. 11.12b) e così la luminosità diminuisce sino al completo spegnimento della lampada.