TIRISTORI. SCR (Silicon Controlled Rectifier: raddrizzatore controllato al silicio)

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1 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 (I G = 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). 1

2 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 (I G =0) la corrente di base del transistor NPN T 2, I B2, sarà costituita dalla corrente di collettore del PNP T 1, I C1, e la corrente di collettore del transistor NPN T 2, I C2, sarà costituita dalla corrente di base del PNP T 1, I B1 (cfr.fig.3b) I B2 = I C1 (1) I C2 = I B1 (2) per cui si ha I C1 = I E1 + I CB01 (3) 2

3 I C2 = I E2 + I CB02 (4) dove e sono rispettivamente le frazioni di portatori che dall'emettitore passano al collettore e I CB01 e I CB02 le correnti inverse delle giunzioni Collettore-Base. Indicando con I la corrente anodica dell'scr, si ha: inoltre: per cui: I = I E1 = I E2 I E2 = I C2 + I B2 la corrente che entra deve essere uguale alla corrente che esce (buona efficienza) I = I E2 = I C2 + I B2 = I C2 + I C1 (5) Ora dalla (3) e dalla (4) si ottiene: I C1 = I + I CB01 (6) I C2 = I + I CB02 (7) Sostituendo ora nella (5): I = I C2 + I C1 = I + I CB01 + I + I CB02 = I ( + I CB01 + I CB02 I - I ( + = I CB01 + I CB02 I [1- ( + )] = I CB01 + I CB02 I CB01 + I CB02 I = 1- ( + ) Posto I C0 = I CB01 + I CB02 si ottiene: I C0 I = (8) 1- ( + ) La corrente anodica quindi dipende da e, cioè dall'efficienza dei due transistor; a sua volta poi, l'efficienza di un transistor dipende dalla V CE. In particolare, aumenta con V CE. Ora, se si applica all'scr una tensione tra A e K V AK, in senso diretto, con l'elettrodo di controllo aperto (I G = 0), finchè la tensione applicata non supera certi limiti, i valori di saranno piccoli e + sarà minore di 1. 3

4 In tali condizioni la corrente che scorre nel componente è molto modesta, dell'ordine di I C0 (qualche ma per SCR che in conduzione hanno correnti dell'ordine di diverse decine di A). All'aumentare della V AK, aumenta finchè si raggiunge la V BO (tensione di breakover), dell'ordine di alcune centinaia di volt, per la quale si ha + ) 1, quindi la (8) diventa: I C0 I C0 I = = = 1- ( + ) lim 0 A questo punto la corrente tende a valori elevatissimi e risulta limitata solo dal circuito esterno in serie all'scr. In pratica quando V AK arriva a V BO si innesca un processo a valanga nella J 2 polarizzata inversamente, che neutralizza la barriera di potenziale ai suoi capi. L'SCR si riduce quindi alle due giunzioni J 1 J 3 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 I G nell'elettrodo di gate, tramite un apposito circuito, il parametro viene aumentato (aumenta la corrente in E 2 ). Si provoca un abbassamento della barriera di potenziale ai capi di J 2, il valore della tensione V AK necessaria a provocare l'innesco si abbassa, la commutazione allo stato di conduzione diretta avviene con una V AK < V BO. Basta un guizzo di corrente I G anche di durata molto breve (qualche sec) per portare il tiristore in conduzione (cfr. fig.4). fig.4 4

5 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 I G. I L (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 I H (holding) dell'ordine di qualche decina di ma (cfr. fig.1) o la V AK al di sotto della corrispondente V H. Se l'anodo viene reso negativo rispetto al catodo, l'scr commuta nello stato OFF sulla caratteristica inversa. I H (corrente di holding): corrente di mantenimento. E' la minima corrente anodica in grado di mantenere il tiristore ON. Studiamo ora la situazione per V AK negative (cfr.fig4): l'scr rimane bloccato, le due giunzioni J 1 e J 3 sono polarizzate inversamente, finche non si raggiunge la tensione di breakdown V BD. 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 V BO e V BD. 5

6 Controllo della potenza mediante SCR IMPIEGHI dell'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 6

7 Valori massimi consentiti: dv/dt dv/dt = massima variazione ammessa per V AK 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 I cj =C J* 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 J 3 quando l'scr è in funzionamento dinamico, mentre non ha alcun effetto lavorando in continua (cfr.fig.6b). La C ext offre infatti un'impedenza bassa in dinamica per cui la I Cj non arriva al G, ma viene bypassata sulla C ext, mentre offre impedenza molto elevata in continua permettendo il regolare funzionamento dell'scr. 7

8 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 SiO 2 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 8

9 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 9

10 Funzionamento e caratteristiche I-V TRIAC (Triode AC) 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 V BO, 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 V MT >0 e I MT >0, ma anche nel III quadrante, con V MT <0 e I MT <0. La tensione di innesco V G può presentare la stessa polarità o polarità invertita rispetto a V MT. La sensibilità all'innesco è però maggiore nel I quadrante con V G positiva e nel III quadrante con V G negativa, leggermente inferiore nel I quadrante con V G negativa, ancora più bassa nel III quadrante con V G positiva. Nella fig.9 è rappresentata la caratteristica statica corrente-tensione di un TRIAC per I G =0 10

11 fig.9 11

12 Controllo di fase mediante TRIAC IMPIEGHI del 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 (V L =V A ). Il TRIAC si spegne quando la sua corrente I scende sotto il valore di I H, 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 12

13 Valori massimi consentiti: dv/dt dv/dt = massima variazione ammessa per V MT 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 t 0 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 I H, il tiristore rimane ON. All'istante t=t 1 I<I H e il tiristore si porta in OFF. La tensione ai suoi terminali coincide con quella di rete V AC =V M* sen t. dv/dt = V M, tale valore deve essere < dv/dt consentita. fig.11 13

14 Controllo di fase con carico induttivo (motori) Fino all'istante t 0 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 = t 0 il comando di trigger viene tolto. Quando, all'istante t = t 1 I<I H 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 V M ) 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 14