Tiristorul - SCR (Silicone Controlled Rectifier)

Tiristorul

 

  Tiristoarele sau SCR (Silicon Controlled Rectifiers) au utilizări în electronică în special pentru controlul puterii, este calul de bataie al electronicii de mare putere. 

 

 

 Tiristoarele sunt capabile de a comuta nivele mari de putere, în consecinta sunt folosite într-o mare varietate de aplicatii in electronica de putere, de la variatoare de mica putere la surse de mare putere. 

Denumirea de tiristor provine de la numele unui tub electronic cu gaz numit tiratron (TIRatron transISTOR). Tiristorul este o structură pnpn prevazută cu electrod de comandă prin conectarea zonei p adiacente catodului Tiristorul a fost descris pentru prima dată de Shockley în 1950. Acesta a fost menţionat ca un tranzistor bipolar cu o zonă adiacentă catodului (hook-collector). Mecanismul de funcţionare al tiristorului a fost analizat apoi de catre Ebers în 1952 iar în 1956 Moll a investigat mecanismul de comutare al tiristorului.

Elementele de bază

 

Este un dispozitiv multijoncţiune (trei sau mai multe joncţiuni), ce are la bază structura pnpn, care are patru straturi şi trei joncţiuni şi care, datorită caracteristicii sale statice curent-tensiune cu două stări stabile, se foloseşte în circuitele de comutaţie. Din aceasta categorie cele mai utilizate sunt: tiristorul, diacul, triacul. 

Cele trei joncţiuni sunt notate ca J1, J2, şi J3 (J1 este cel mai apropiat de anod).

Tiristorul are trei terminale: anod, catod şi poartă, este o structură pnpn prevazută cu electrod de comandă prin conectarea zonei p  adiacente catodului, aşa cum se observă în diagrama fizica. Dupa cum se poate imagina din simbolul tiristorului de mai sus, este "un dispozitiv unisens" ,  adică diodă redresoare controlată; atunci când este utilizat în curent alternativ, va conduce doar pentru maximum o jumătate de ciclu. Amorsarea acestuia se realizează prin injectarea unui curent pe poartă.

  Analiza fenomenelor fizice ce au loc la amorsarea tiristorului prin injectarea unui curent de poartă se poate face echivalând structura cu două tranzistoare complementare, dupa cum se vede în schema echivalentă de mai jos.

 

  Din caracteristicile statice curent – tensiune ale tiristorului se observă posibilitatea creşterii nelimitate a curentului prin structură, dacă este îndeplinită condiţia de amorsare, amorsarea poate avea loc la o tensiune anodică mai mică decât tensiunea de autoamorsare. Iniţierea amorsării este provocată prin injectarea unui curent iG prin joncţiunea J3 şi nu prin creşterea tensiunii anodice. Dependenţa factorilor de curent pe poarta de curentul prin dispozitiv stă la baza procesului de amorsare a tiristorului. Se observă ca la curenţii de poartă mai mari tensiunea de amorsare este mica, peste o anumită valoare a curentului de poartă, amorsarea are loc pe curba punctată, ca la o joncţiune pn (tiristorul este de fapt o diodă comandată).   In funcţionare normală, tensiunea anodică trebuie sa fie mai mică decât tensiunea de autoaprindere U_BO. Pentru comutare directă se aplică un curent de poartă caruia îi corespunde o tensiune de aprindere U_A< U_BO. În polarizare inversă, tiristorul se comportă ca o diodă pnpn, prin el trecând un curent mic, iar la tensiunea U_B are loc străpungerea tiristorului. 

  Caracteristica de funcţionare a tiristorului real este:

 

 

Principalii parametrii electrici ai tiristorului sunt:

- Tensiunea directă de străpungere, V_BR[V] (V_DRM [V]); 

- Tensiunea de poartă, de amorsare, V_GT[V];  - Tensiunea inversă continuă: V_R, V_RM sau V_RRM [V];  - Curentul continuu direct de poartă, de amorsare, I_GT[A]; 

- Curentul anodic direct mediu, I_FAV [A]. 

În practică se urmaresc şi următorii parametrii:

- Curentul continuu direct de menţinere, I_H(I_HOLD)[A];

- Curentul de acroşaj, I_L (I_LATCH)[A]; 

- Viteza critică de creştere a curentului anodic, di/dt [A/µs];  -  Viteza de creştere a tensiunii anodice, dv/dt [V/µs];  -  Timp de dezamorsare prin comutarea circuitului, tq [s].   Parametrul I_H caracterizează trecerea tiristorului din starea de conducţie în starea de blocare. Dacă se micşorează curentul anodic printr-un tiristor amorsat, există o valoare critică a acestuia pentru care tiristorul iese din conducţie şi se blochează. Valoarea critică a curentului anodic sub care tiristorul dezamorsează se numeşte curent de menţinere.      Dacă tensiunea aplicată între anod şi catod este alternativă, iar poarta este atacată în impulsuri sincrone cu frecvenţa tensiunii anodice, atunci tiristorul amorsează pentru fiecare semialternanţă pozitivă a tensiunii anod-catod şi dezamorsează pentru semialternantele negative; după amorsare, poarta îşi pierde rolul de electrod de comandă, în sensul că nu poate acţiona şi pentru blocarea tiristorului, totuşi acest rol va fi reluat dar numai după blocarea tiristorului.

  Cunoscând I_H se poate determina momentul din semialternanţa pozitivă în care tiristorul dezamorsează.  Parametrul I_L caracterizează trecerea tiristorului din starea  de blocare în starea de conducţie. La aplicarea unui impuls  pozitiv pe poartă, curentul anodic începe să crească de la 0 la valoarea maximă pe care i-o îngăduie  rezistenţa circuitului exterior. Daca impulsul pe poartă se întrerupe înainte de a ajunge curentul anodic la o valoare critică, atunci tiristorul nu amorsează. Valoarea critica a curentului anodic pentru care tiristorul amorsează chiar dacă se întrerupe semnalul pe poartă se numeşte curent de acroşaj. Cunoaşterea lui IL este necesară pentru determinarea duratei minime a impulsului pe poartă.

Viteza critica de creştere a curentului anodic (di/dt). La amorsarea unui tiristor, tensiunea la bornele sale nu cade instantaneu la zero şi curentul creşte după o lege care depinde de impedanţa circuitului exterior. Puterea disipată de tiristor este cu atât mai mare cu cât curentul anodic creşte mai repede. În momentul amorsării, conducţia se face într-o zonă mică în jurul porţii. Ca urmare, densitatea de curent e mare. Dacă puterea necesară disipată (sarcinii) depaşeşte puterea disipată maxima a dispozitivului, acesta se distruge.

Viteza de creştere a tensiunii (dv/dt). O viteză excesivă de creştere a tensiunii anodice poate duce la deschiderea tiristorului în absenţa semnalului de poartă la o valoare mai mică decât V_BO. Acest fenomen se datorează capacităţii interne a tiristorului, care se încarcă la un curent i=c·dV/dt. Acest curent poate fi suficient pentru a declanşa amorsarea, daca dV/dt e mare.

Aplicaţii pentru tiristoare 

- Controlul puterii în curent alternativ (redresoare comandate, variatoare).

- Element de protectie la supratensiune pentru sursele de alimentare. 

- Comutator de putere în curent alternativ. 

- Element de control comandat în unghi de fază.

  Comanda în fază (Redresor comandat cu tiristoare)   Funcţionarea se bazează pe faptul că, în timpul unui ciclu complet al unei unde în curent alternativ, un tiristor va permite trecerea doar a unei parţi din curent prin sarcină.   Vom lua ca exemplu redresorul comandat monofazat cu punct median cu sarcină rezistivă din figura de mai jos:

Blocul de comandă furnizează tensiunile de comandă Up1 şi Up2 pentru aprinderea tiristoarelor. Unghiul α, cu care este întârziată aprinderea tiristoarelor faţă de trecerea prin 0 a tensiunii, este reglabil şi se numeşte unghi de comandă. 

Sa analizăm urmatoarele forme de undă: 

  Ambele forme de undă de mai sus provin de la acelaşi circuit, singura diferenţa este că la forma de undă din stânga se observă că comanda pe poartă apare la un unghi α mai mic (măsoară unghiul de la punctul zero al formei de undă) decât la cel din dreapta, curentul prin sarcină trecând apoi tot timpul semiperioadei.

O perioadă completă de undă este de 180°(2 π).  Datorită faptului că pe o perioadă completă se trece prin zero de doua ori, α poate lua valori de la 0 ° la 90°(0 - π). Când α=0°, este livrată puterea maximă pe sarcină iar când α = π, tiristorul (triacul) rămâne blocat, nu trece curent prin sarcină. 

 Redresor comandat cu tiristoare 

 În numeroase aplicaţii apare nevoia reglajului nivelului tensiunii redresate. Printre soluţii putem numi: introducerea unor rezistenţe sau reactanţe reglabile în circuitul primar sau secundar, utilizarea unui autotransformator sau a unui regulator de inducţie. Cea mai bună soluţie din punct de vedere al randamentului şi în unele cazuri şi al preţului, este utilizarea redresoarelor comandate. Schemele redresoarelor comandate au configuraţii identice cu cele ale redresoarelor necomandate, cu deosebirea că, în locul diodelor sunt folosite tiristoare. În plus, mai este nevoie de un bloc de comandă pentru tiristoare care, în prezentarea schemelor de forţă, se consideră subînteles şi nu este figurat. 

 

         Redresor comandat.

Blocul de comandă furnizează tensiunile de comandă Up1 şi Up2 pentru aprinderea tiristoarelor. Unghiul α, cu care este întârziată aprinderea tiristoarelor faţă de trecerea prin 0 a tensiunii, este reglabil şi se numeşte unghi de comandă. 

Um

Stingerea tiristoarelor se face atunci când tensiunea pe înfăşurarea corespunzătoare trece la valori negative. Este o stingere naturală, de la reţea. Tensiunea medie U0 poate fi modificată între o valoare maximă corespunzătoare unghiului de comandă=0 şi o valoare minimă egală cu 0 (lipsa comenzii sau unghi de comandă între π şi 2π).  Într-adevăr, unghiul (în curent alternativ), la care poarta este declanşată este cunoscut ca "unghiul de aprindere". Acest circuit va urmări forme de undă a tensiunii de intrare şi va detecta momentul când aceasta formă de undă trece prin punctul 0 şi devine 0 volţi. Sunt utilizate în principal în cazurile în care variatoarele trebuie să fie controlate de un microcontroler. În acest caz, microcontrollerul trebuie să cunoască punctul de zero, detectarea cruce a formei de undă, astfel încât să poată calcula unghiul offset pentru a trimite pulsul de declanşare la poarta triac.  Aici este un exemplu de calcul. Să presupunem că frecventa este de 50 Hz. Aceasta înseamnă că fiecare ciclu va lua 1/50Hz = 20 m să fie finalizată. În timpul acestor 20ms, forma de undă va trece prin punctul de zero de două ori, odată la începutul şi odată în mijlocul ciclului, care va fi dupa 20 / 2 = 10mSec.