Come funzionano i tiristori (SCR) - Tutorial

Fondamentalmente un SCR (Silicon Controlled Rectifier) ​​che è anche conosciuto con il nome Thyristor funziona abbastanza come un transistor.

Cosa significa SCR

Il dispositivo prende il nome (SCR) dalla sua struttura interna a semiconduttore multistrato che si riferisce alla parola 'silicio' all'inizio del suo nome.

La seconda parte del nome 'Controllato' si riferisce al terminale di gate del dispositivo, che viene commutato con un segnale esterno per controllare l'attivazione del dispositivo, e da qui la parola 'Controllato'.

E il termine 'Rectifier' indica la proprietà di rettifica dell'SCR quando il suo gate viene attivato e l'alimentazione è autorizzata a fluire attraverso il suo anodo ai terminali del catodo, ciò può essere simile alla rettifica con un diodo raddrizzatore.

La spiegazione sopra chiarisce come funziona il dispositivo come un 'raddrizzatore controllato al silicio'.

Sebbene un SCR si raddrizzi come un diodo e imiti un transistor a causa della sua funzione di attivazione con un segnale esterno, una configurazione interna SCR consiste in una disposizione di semiconduttori a quattro strati (PNPN) che sono costituiti da 3 giunzioni PN in serie, a differenza di un diodo che ha un 2 strati (PN) o un transistor che include una configurazione a semiconduttore a tre strati (PNP / NPN).

È possibile fare riferimento alla seguente immagine per comprendere il layout interno delle giunzioni dei semiconduttori spiegate e come funzionano i tiristori (SCR).

Un'altra proprietà SCR che si abbina distintamente a un diodo è la sua caratteristica unidirezionale che consente alla corrente di fluire solo in una direzione attraverso di esso e bloccarsi dall'altro lato mentre è acceso, avendo detto che gli SCR hanno un'altra natura specializzata che consente loro di essere azionati come un interruttore aperto mentre si è in modalità OFF.

Queste due modalità di commutazione estreme negli SCR limitano a questi dispositivi l'amplificazione dei segnali e quindi non possono essere utilizzati come transistor per amplificare un segnale pulsante.

I raddrizzatori controllati al silicio o gli SCR come i Triac, i Diac o gli UJT che hanno tutti la proprietà di funzionare come interruttori CA a stato solido a commutazione rapida mentre regolano un dato potenziale o corrente CA.

Quindi per ingegneri e hobbisti questi dispositivi diventano un'eccellente opzione di interruttore a stato solido quando si tratta di regolare dispositivi di commutazione CA come lampade, motori, interruttori dimmer con la massima efficienza.

Un SCR è un dispositivo semiconduttore a 3 terminali che vengono assegnati come Anodo, Catodo e Gate, che a loro volta sono realizzati internamente con 3 giunzioni P-N, aventi la proprietà di commutare ad altissima velocità.

Pertanto il dispositivo può essere commutato a qualsiasi velocità desiderata e impostare discretamente periodi ON / OFF, per implementare un particolare tempo medio di accensione o spegnimento su un carico.

Tecnicamente, il layout di un SCR o di un tiristore può essere compreso confrontandolo con una coppia di transistor (BJT) collegati in ordine back to back, in modo da formare come una coppia di interruttori rigenerativi complementari, come mostrato nell'immagine seguente :

Tiristori a due transistor analogia

Il circuito equivalente a due transistor mostra che la corrente di collettore del transistor NPN TR2 si alimenta direttamente nella base del transistor PNP TR1, mentre la corrente di collettore di TR1 si alimenta nella base di TR2.

Questi due transistor interconnessi si basano l'uno sull'altro per la conduzione poiché ogni transistor riceve la sua corrente base-emettitore dalla corrente del collettore-emettitore dell'altro. Quindi, fino a quando uno dei transistor non riceve una corrente di base, non può accadere nulla anche se è presente una tensione da anodo a catodo.

La simulazione della topologia SCR con un'integrazione a due transistor rivela che la formazione è tale che la corrente di collettore del transistor NPN sta fornendo direttamente alla base del transistor PNP TR1, mentre la corrente di collettore di TR1 sta collegando l'alimentazione con il base di TR2.

La configurazione simulata a due transistor sembra interbloccarsi e completarsi a vicenda la conduzione ricevendo l'azionamento di base dalla corrente dell'emettitore del collettore dell'altro, questo rende la tensione di gate molto cruciale e garantisce che la configurazione mostrata non possa mai condurre fino a quando non viene applicato un potenziale di gate, anche in presenza del potenziale anodo-catodo può essere persistente.

In una situazione in cui il conduttore dell'anodo del dispositivo è più negativo del suo catodo, consente alla giunzione N-P di rimanere polarizzata in avanti, ma garantendo che le giunzioni P-N esterne siano polarizzate inversamente in modo tale da agire come un diodo raddrizzatore standard.

Questa proprietà di un SCR gli consente di bloccare un flusso di corrente inverso, fino a quando un'intensità di tensione significativamente elevata che può essere oltre le sue specifiche a becco basso viene inflitta ai cavi menzionati, il che costringe l'SCR a condurre anche in assenza di un gate drive .

Quanto sopra si riferisce ad una caratteristica critica dei tiristori che può causare un innesco indesiderato del dispositivo attraverso un picco di alta tensione inverso e / o una temperatura elevata, o un transitorio di tensione dv / dt rapidamente crescente.

Supponiamo ora che in una situazione in cui il terminale anodico sia più positivo per quanto riguarda il suo conduttore catodico, questo aiuta la giunzione P-N esterna a diventare polarizzata in avanti, sebbene la giunzione N-P centrale continui a rimanere polarizzata inversa. In questo modo si garantisce il blocco anche della corrente diretta.

Pertanto nel caso in cui un segnale positivo indotto attraverso la base del transistor NPN TR2 risulta il passaggio della corrente di collettore verso la base f TR1, che in trun costringe la corrente di collettore a passare verso il transistor PNP TR1 amplificando l'azionamento di base di TR2 e il il processo viene rafforzato.

La condizione di cui sopra consente ai due transistor di aumentare la loro conduzione fino al punto di saturazione grazie alla loro configurazione rigenerativa mostrata ad anello di retroazione che mantiene la situazione bloccata e bloccata.

Pertanto, non appena l'SCR viene attivato, consente a una corrente di fluire dal suo anodo al catodo con solo una minima resistenza diretta intorno al percorso, garantendo una conduzione e un funzionamento efficienti del dispositivo.

Quando sottoposto a una corrente alternata, l'SCR può bloccare entrambi i cicli dell'AC fino a quando l'SCR viene offerto con una tensione di attivazione attraverso il suo gate e il suo catodo, che consente istantaneamente al semiciclo positivo dell'AC di passare attraverso i conduttori del catodo anodico, e il dispositivo inizia ad imitare un diodo raddrizzatore standard, ma solo fintanto che il grilletto del gate rimane acceso, la conduzione si interrompe nel momento in cui il grilletto del gate viene rimosso.

Le curve delle caratteristiche tensione-corrente o I-V forzate per l'attivazione di un raddrizzatore controllato al silicio possono essere osservate nell'immagine seguente:

Curve caratteristiche I-V del tiristore

Tuttavia, per un ingresso CC, non appena il tiristore viene attivato, a causa della conduzione rigenerativa spiegata, subisce un'azione di blocco in modo tale che la conduzione anodo-catodo tenga e continui a condurre anche se il grilletto del gate viene rimosso.

Pertanto, per un'alimentazione CC, il gate perde completamente la sua influenza una volta che il primo impulso di attivazione viene applicato attraverso il gate del dispositivo garantendo una corrente bloccata dal suo anodo al catodo. Può essere interrotto interrompendo momentaneamente la sorgente di corrente anodo / catodo mentre il gate è completamente inattivo.

L'SCR non può funzionare come i BJT

Gli SCR non sono progettati per essere perfettamente analogici come le controparti a transistor, e quindi non possono essere fatti condurre in una regione attiva intermedia per un carico che può essere da qualche parte tra la conduzione completa e lo spegnimento completo.

Questo è vero anche perché il grilletto del gate non ha alcuna influenza su quanto l'anodo al catodo può essere fatto per condurre o saturare, quindi anche un piccolo impulso di gate momentaneo è sufficiente per far oscillare la conduzione dall'anodo al catodo in un interruttore completo.

La caratteristica di cui sopra consente di confrontare un SCR e di considerarlo come un Latch bistabile che possiede i due stati stabili, un completo ON o un completo OFF. Ciò è dovuto alle due caratteristiche speciali dell'SCR in risposta a un ingresso CA o CC come spiegato nelle sezioni precedenti.

Come utilizzare il gate di un SCR per controllarne la commutazione

Come discusso in precedenza, una volta che un SCR viene attivato con un ingresso CC e il suo catodo anodico è autobloccato, questo può essere sbloccato o spento rimuovendo momentaneamente completamente la sorgente di alimentazione dell'anodo (corrente anodica Ia) o riducendo la stessa ad alcuni livello significativamente basso al di sotto della corrente di mantenimento specificata del dispositivo o della 'corrente di mantenimento minima' Ih.

Ciò implica che la corrente di mantenimento minima da anodo a catodo deve essere ridotta fino a quando il collegamento a scatto interno P-N dei tiristori non è in grado di ripristinare la sua naturale caratteristica di blocco in azione.

Pertanto, ciò significa anche che per far funzionare o condurre un SCR con un trigger di gate è imperativo che la corrente di carico anodo-catodo sia superiore alla 'corrente di mantenimento minima' Ih specificata, altrimenti l'SCR potrebbe non riuscire a implementare la conduzione del carico, quindi se IL è la corrente di carico, deve essere IL> IH.

Tuttavia, come già discusso nelle sezioni precedenti, quando un AC viene utilizzato attraverso i pin SCR Anode.Cathode, garantisce che l'SCR non sia autorizzato a eseguire l'effetto latch quando viene rimosso il gate drive.

Questo perché il segnale CA si accende e si spegne entro la sua linea di attraversamento dello zero che mantiene la corrente tra anodo SCR e catodo a spegnersi ad ogni spostamento di 180 gradi del semiciclo positivo della forma d'onda CA.

Questo fenomeno è definito come 'commutazione naturale' e impone una caratteristica cruciale alla conduzione SCR. Contrariamente a ciò con gli alimentatori DC, questa caratteristica diventa irrilevante con gli SCR.

Ma poiché un SCR è progettato per comportarsi come un diodo raddrizzatore, risponde efficacemente solo ai semicicli positivi di un CA e rimane polarizzato inverso e del tutto non risponde all'altro semiciclo dell'AC anche in presenza di un segnale di gate.

Ciò implica che in presenza di un trigger di gate, l'SCR conduce attraverso il suo anodo al catodo solo per i rispettivi semicicli CA positivi e rimane silenziato per gli altri semicicli.

A causa della funzione di blocco sopra spiegata e anche dell'interruzione durante l'altra metà del ciclo di una forma d'onda CA, l'SCR può essere utilizzato efficacemente per i cicli CA in fase di taglio in modo tale che il carico possa essere commutato a qualsiasi livello di potenza inferiore (regolabile) desiderato .

Conosciuto anche come controllo di fase, questa funzione può essere implementata tramite un segnale temporizzato esterno applicato attraverso il gate dell'SCR. Questo segnale decide dopo quanto ritardo può essere attivato l'SCR una volta che la fase AC ha iniziato il suo semiciclo positivo.

Quindi questo consente di commutare solo quella parte dell'onda CA che viene fatta passare dopo il trigger del gate. Questo controllo di fase è tra le caratteristiche principali di un tiristore controllato al silicio.

Il funzionamento dei tiristori (SCR) nel controllo di fase può essere compreso guardando le immagini sottostanti.

Il primo diagramma mostra un SCR il cui gate è permanentemente attivato, come si può vedere nel primo diagramma questo consente di avviare la forma d'onda positiva completa dall'inizio alla fine, cioè attraverso la linea centrale di zero crossing.

Controllo di fase del tiristore

All'inizio di ogni semiciclo positivo l'SCR è 'OFF'. All'induzione della tensione di gate si attiva l'SCR in conduzione e ne permette il completo “latch” “ON” per tutto il semiciclo positivo. Quando il tiristore viene acceso all'inizio del semiciclo (θ = 0o), il carico collegato (una lampada o simile) sarebbe 'ON' per l'intero ciclo positivo della forma d'onda AC (semionda raddrizzata AC ) ad una tensione media elevata di 0,318 x Vp.

Aumentando l'inizializzazione dell'interruttore del cancello ON lungo il semiciclo (θ = da 0o a 90o), la lampada collegata viene accesa per un tempo minore e la tensione netta portata alla lampada ugualmente diminuendone proporzionalmente l'intensità.

Successivamente è facile sfruttare un raddrizzatore controllato al silicio come dimmer della luce CA e in molte diverse applicazioni di alimentazione CA aggiuntive, ad esempio: controllo della velocità del motore CA, dispositivi di controllo del calore e circuiti di regolazione della potenza, e così via.

Fino ad ora abbiamo visto che un tiristore è fondamentalmente un dispositivo a semionda che è in grado di far passare la corrente solo nella metà positiva del ciclo ogni volta che l'anodo è positivo e impedisce il flusso di corrente proprio come un diodo nei casi in cui l'anodo è negativo , anche se la corrente di gate rimane attiva.

Tuttavia è possibile trovare molte più varianti di prodotti a semiconduttori simili tra cui scegliere che hanno origine con il titolo di 'Tiristore' progettati per funzionare in entrambe le direzioni dei semicicli, unità a onda intera o potrebbero essere disattivati ​​dal segnale Gate .

Questo tipo di prodotti comprende 'tiristori con spegnimento del gate' (GTO), 'tiristori a induzione statica' (SITH), 'tiristori controllati da MOS' (MCT), 'interruttore controllato al silicio' (SCS), 'tiristori a triodo' (TRIAC) e 'Light Triggered Thyristors' (LASCR) per identificarne alcuni, con così tanti di questi dispositivi accessibili in molti diversi valori di tensione e corrente che li rende interessanti per essere utilizzati in scopi a livelli di potenza molto elevati.

Panoramica sul funzionamento dei tiristori

I raddrizzatori controllati al silicio noti generalmente come tiristori sono dispositivi semiconduttori PNPN a tre giunzioni che potrebbero essere considerati due transistor interconnessi che è possibile utilizzare nella commutazione di carichi elettrici pesanti azionati dalla rete.

Sono caratterizzati per essere latched 'ON' da un singolo impulso di corrente positiva applicato al loro cavo Gate e possono continuare ad essere 'ON' all'infinito fino a quando la corrente dall'anodo al catodo viene ridotta al di sotto della misura minima di latch specificata o invertita.

Attributi statici di un tiristore

I tiristori sono apparecchiature a semiconduttore configurate per funzionare solo nella funzione di commutazione. I tiristori sono prodotti controllati in corrente, una piccola corrente di Gate è in grado di controllare una corrente anodica più consistente. Abilita la corrente solo una volta polarizzata in avanti e la corrente di attivazione applicata al Gate.

Il tiristore funziona in modo simile a un diodo raddrizzatore ogni volta che viene attivato 'ON'. La corrente anodica deve essere più che sostenere il valore corrente per preservare la conduzione. Inibisce il passaggio di corrente in caso di polarizzazione inversa, indipendentemente dal fatto che la corrente di gate sia inserita o meno.

Non appena impostato su 'ON', viene bloccato su 'ON' che funziona indipendentemente dall'applicazione di una corrente di gate, ma solo nel caso in cui la corrente di anodo è superiore alla corrente di latch.

I tiristori sono interruttori rapidi che è possibile utilizzare per sostituire i relè elettromeccanici in numerosi circuiti poiché semplicemente non hanno parti vibranti, nessun arco di contatto o hanno problemi di deterioramento o sporcizia.

Ma oltre alla semplice commutazione di correnti sostanziali su 'ON' e 'OFF', è possibile realizzare tiristori per gestire il valore RMS di una corrente di carico CA senza dissipare una notevole quantità di potenza. Un eccellente esempio di controllo della potenza a tiristori è il controllo dell'illuminazione elettrica, dei riscaldatori e della velocità del motore.

Nel prossimo tutorial vedremo alcune informazioni di base Circuiti e applicazioni a tiristori utilizzando sia l'alimentazione CA che CC.