SCR - TIRISTORE
L‘SCR (Silicon Controller Rectifier) o tiristore, il cui simbolo
grafico è rappresentato in figura, è un componente elettronico basato
su semiconduttori che ha un comportamento simile al diodo, con la
differenza di poter controllare, tramite corrente, il passaggio dallo
stato di polarizzazione inversa a quella di polarizzazione diretta.
Esso è costituito da tre giunzioni e oltre ai morsetti di Anodo e Catodo
è presente il morsetto di gate (porta), la cui funzione è quella di far
passare l’SCR dallo stato OFF allo stato ON.
Possiamo quindi dire che l’SCR si può comportare, come il BJT, da interruttore ideale, come del
resto il diodo, ma il controllo ON-OFF è regolato dalla
corrente di gate IG.
Fisicamente l’SCR è formato da quattro strati di
semiconduttore e tre terminali, come riportato in figura.
L’SCR potrebbe essere visto come tre diodi in serie, dovuti
alle tre giunzioni presenti nel componente.
Applicando una tensione continua positiva tra anodo e catodo, si nota che
due dei tre diodi sono polarizzati direttamente, mentre il diodo (giunzione
G2), è inversamente polarizzato e quindi impedisce il passaggio della
corrente, o meglio risulta di valore molto basso (corrente di saturazione
inversa di un diodo).
Se invece applichiamo una tensione continua negativa tra anodo e catodo, solo il diodo (giunzione
G2) è polarizzato direttamente, mentre le due giunzioni estreme sono polarizzate entrambe
inversamente, quindi anche in questo caso viene impedito il passaggio di corrente.
Per capire il funzionamento dell’SCR, possiamo pensare lo stesso come la connessione di due
transistor complementari, PNP e NPN.
CASO IG=0
Con la corrente di gate IG = 0, la corrente di base del
transistor T2 coincide con la corrente di collettore del
transistor T1, mentre la corrente di base del transistor T1
coincide con la corrente di collettore del transistor T2:
Nei due transistor, le correnti di collettore sono date rispettivamente da:
∙
∙
Dove
e
sono le frazioni di correnti di emettitore raccolte dai collettori mentre
sono le correnti inverse delle giunzioni base-collettore.
Indicando con
la corrente anodica, avremo che:
Sostituendo le due espressioni di
si trova
∙
Essendo
,
∙
e ponendo
si trova
∙
1
Da questa equazione, possiamo dedurre che, essendo
corrente anodica assume un valore elevato.
molto piccola, se
tende a 1, la
Poiché aumenta con Vce o con Ic, aumentando la tensione tra anodo catodo, fino a raggiungere la
tensione di BreakOver, nella giunzione G2 si innesca un processo a valanga che neutralizza la
barriera di potenziale ai suoi capi, l'SCR si riduce quindi alle
due giunzioni G1 e G3 polarizzate direttamente e la tensione
ai suoi capi si riduce a 1-1.5 Volt, la corrente anodica
assume valori elevati, sufficienti a mantenere l’innesco fino
a quando permane la tensione stabilita ai suoi capi a seguito
dell’innesco.
In pratica, raggiunta la tensione di BreakOver, nasce
l’innesco e la tensione si stabilizza al valore di soglia delle
due giunzioni polarizzate direttamente, in quanto quella
intermedia è neutralizzata dal processo a valanga.
In figura è riportata la caratteristica IA-VAK dell’SCR.
CASO
Se tramite un apposito circuito si inietta una
corrente IG nell'elettrodo di gate, aumenta la
corrente sull’emettitore di T2, diminuisce la
barriera di potenziale ai capi della giunzione G2
ed il valore di VAK necessario a provocare
l’innesco si abbassa.
Praticamente, basta un impulso di corrente per
portare l’SCR in conduzione; una volta in
0
conduzione, la corrente anodica lo automantiene e Ig può tornare a zero.
Si definisce:
corrente di aggancio IL (corrente di latching) la minima corrente anodica in grado di mantenere il
tiristore allo stato ON, immediatamente dopo che è avvenuta la commutazione OFF-ON, ed il
segnale di gate è stato rimosso.
corrente di mantenimento IH (corrente di holding) la minima corrente anodica in grado di
mantenere il tiristore ON.
Applicazioni
Gli SCR vengono utilizzati nel campo del controllo delle altissime correnti e delle altissime tensioni
e nella regolazione di potenza.
Nel controllo di regolazione della potenza, l’SCR viene collegato in
serie al carico, il tutto alimentato in corrente alternata. L’innesco
necessario ad abbassare la tensione di BreakOver, avviene attraverso
un segnale di trigger, applicato al morsetto di gate, mediante un
circuito che introduce un angolo , definito angolo di trigger. Dal
momento dell’innesco, l’SCR rimane innescato per tutto il semiciclo
dell’onda positiva per un angolo detto angolo di conduzione, e si
spegne non appena la tensione di alimentazione del circuito serie
scende a zero per tutto il semiciclo negativo.
Variando l’angolo di innesco possiamo regolare la potenza sul carico.
L’impulso di corrente su gate può essere ottenuto con un generatore di impulsi di tensione Vg in
quanto la corrente e tensione sul gate sono legati dalla caratteristica di innesco.
L'intersezione della caratteristica con la retta di carico del
generatore individua il punto di funzionamento. Date le
ampie tolleranze in gioco il costruttore si limita a indicare
il limite minimo dell'ampiezza dell'impulso di gate (VGT>
1,5 V a 25 °C) necessario all'innesco, con una certa
tensione tra anodo e catodo VD, prima dall'entrata in conduzione dell'SCR (VD = off-state voltage =
12 V). Inoltre viene indicato il valore massimo della tensione di gate che sicuramente non produce
innesco (VGD = 250 mV) e il valore minimo della corrente di gate per avere l'innesco (IGT=200 µA
nelle stesse condizioni di VGT). Tra i dati limite si può ricavare la potenza media dissipabile dal gate
in un periodo di 20 ms, ovvero alla frequenza di 50 Hz, (PG(AV) = 0,5 W) e la potenza di picco (PGM
= 5 W). La seguente figura chiarisce questi concetti.
I costruttori con la lettera D indicano
tensioni dirette con dispositivo OFF,
mentre con la lettera T indicano tensioni
dirette con dispositivo ON.
I valori IGT e VGT sono detti valori di
soglia.
I costruttori forniscono anche le caratteristiche dinamiche degli SCR che si sintetizzano nel grafico
seguente:
td (delay time) è il tempo di ritardo ovvero il tempo che
intercorre tra l’istante di applicazione dell’impulso di gate
e l’istante in cui VAK è raggiunge il 90% rispetto al valore
iniziale, e corrispondentemente la corrente da 0 è
aumentata del 10% rispetto al valore finale.
tr (rise time) è il tempo di salita ovvero il tempo che
impiega VAK per scendere dal 90% al 10% dei suo valore
iniziale, e corrispondentemente la corrente è aumentata dal
10% al 90% del valore finale
Il tempo di accensione (turn-on time) ton o tgt (gate-controlled turn-on time) è la somma di tr e td ed è
l'unico riportato nei data sheets dei costruttori.
A causa della corrente anodica, la potenza dissipata durante il transitorio, può assumere valori
elevati, tali da richiedere un dissipatore di calore per evitare di danneggiare l’SCR, a tal proposito il
costruttore indica il valore massimo della variazione dIA/dt.
Occorre evidenziare il fatto che una variazione troppo rapida di VAK (V/us), può provocare
l’innesco dell’SCR anche senza impulso di corrente sul gate in quanto la corrente necessaria a
caricare la capacità della giunzione intermedia può essere interpretata dall’SCR come provocata da
una tensione applicata al gate; per questo motivo gli SCR non si fanno lavorare ad alte frequenze,
ed inoltre viene inserito tra il morsetto di gate e il catodo un
condensatore esterno che impedisce il passaggio di corrente
attraverso la giunzione G3 nel transitorio, mentre non ha nessun
effetto nel funzionamento in continua. Di fatto il condensatore
esterno nel funzionamento in continua ha un impedenza elevata,
consentendo il regolare funzionamento dell’SCR, mentre nel
transitorio offre un impedenza bassa che consente alla corrente
sulla capacità della giunzione G2 di non entrare nel morsetto di gate.
TRIAC - TIRISTORE
Il TRIAC o tiristore bidirezionale è un dispositivo utilizzato per condurre o bloccare
la corrente nelle due direzioni; può essere pensato come due SCR collegati in
antiparallelo con in comune il morsetto di gate. In questo caso i terminali non
possono essere definiti come in un normale diodo raddrizzatore (Anodo e Catodo)
ma vengono indicati con T1 e T2, o con A1 e A2, ecc..
La caratteristica del TRIAC è quella riportata in figura
La conduzione può essere innescata sia se la tensione tra i terminali A1 e A2 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 tensioni e correnti positive, ma anche
nel III quadrante, con tensioni e correnti negative. Anche la tensione di innesco VG può presentare
la stessa polarità o polarità invertita rispetto a quella applicata ai morsetti A1 e A2 del TRIAC.
Mediante un impulso di innesco positivo o
negativo il TRIAC fa passare nel carico, una
porzione di tensione sia nel semiciclo
positivo che nel semiciclo negativo.
In questo caso, però, occorrono due impulsi
di corrente sul gate, uno per innescare il
TRIAC durante la semionda positiva e uno
per innescarlo durante la semionda negativa.
Nel primo caso l’impulso di corrente sul gate deve essere positivo, mentre nel secondo caso deve
essere negativo.
DIAC
Il DIAC è un dispositivo bidirezionale come il TRIAC ma privo del morsetto di gate. Questo
comporta che l’innesco del DIAC può avvenire solo quando la tensione ai suoi morsetti raggiunge
la tensione di BreakOver. In genere vengono utilizzati come dispositivi di innesco dei TRIAC.
In figura è rappresenta la caratteristica e il simbolo circuitale di un DIAC, nonché un esempio
circuitale.
La serie RC si comporta come un generatore di impulsi positivi e negativi, infatti durante la
semionda positiva il condensatore si carica secondo una polarità al valore Vc entrando in
conduzione e quindi generano un impulso sul gate del TRIAC, quest’ultimo entra in conduzione
facendo circolare una corrente sul carico fino a quando la tensione non passa per lo zero, per cui si
ha lo spegnimento e la scarica del condensatore sulle resistenze serie; superato lo zero, durante
l’onda negativa il condensatore si carica al valore Vc invertendo la polarità, quindi rimanda un
impulso (negativo) al morsetto di gate del TRIAC che si mette nuovamente in conduzione.
