211 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. Fig. 11.1 SCR: simbolo circuitale; struttura interna
212 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 J 1, J 2 e J 3 sono rappresentate mediante diodi. Fig. 11.2 SCR: posizione dei tre terminali; modello equivalente Nel diagramma di Fìg. 11.3 è illustrato l andamento della corrente anodica I A in funzione della tensione V AK, con I G, corrente di gate, come parametro. Mantenendo I G nulla, si aumenti V AK : le giunzioni J 1 e J 3 risulteranno polarizzate direttamente, mentre J 2, polarizzata inversamente, lascerà fluire la sola corrente inversa, di valore trascurabile. L SCR è pertanto interdetto (OFF). Non appena V AK arriva alla tensione di breakover V BO (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 J 2. In pratica, la tensione inversa applicata ai capi di J 2 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 J 1 e J 3 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 I L (latching current). Da questo momento in poi, la corrente sale rapidamente per piccole variazioni della V AK, come in un normale diodo.
213 Fig. 11.3 Caratteristiche anodiche o d uscita dell SCR Viceversa, iniettando corrente nel gate (I G > 0), si provoca un abbassamento della barriera di potenziale ai capi di J 2, sicché è sufficiente una tensione V AK inferiore per provocare l innesco. Ovviamente più elevata è I G, 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 ( I L ), 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 I G viene soppressa (è ciò che si fa nelle applicazioni pratiche, dove I G, per ridurre la potenza di pilotaggio, normalmente non è continua ma impulsiv, 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 I H (holding current) (qualche ma), ad esempio aprendo il circuito d uscita o, più comunemente, invertendo la polarizzazione fra anodo e catodo. Per tensioni V AK negative l SCR rimane bloccato (le due giunzioni J 1 e J 3 sono polarizzate inversamente) finché non viene raggiunta la tensione di rottura o di breakdown V BD. A questo punto la corrente aumenta e l SCR si comporta come un normale diodo in zona di rottura. Si noti che
214 l SCR, per ragioni di sicurezza di funzionamento, non deve essere fatto lavorare vicino a V BO o a V BD. 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 I H. 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 v a (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 v L = 0, come indicato in Fig. 11.4b. All arrivo dell impulso di comando, l SCR commuta in ON, la sua V AK si abbassa rapidamente a circa 1,5 V e sul carico viene a cadere sostanzialmente tutta la tensione di alimentazione (v L v a ). Lo stato di conduzione permane finché I A non scende al di sotto della corrente di mantenimento I H, 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. Fig. 11.4 Controllo di fase a SCR: schema di principio; forme d onda parzializzate
215 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. Fig. 11.5 Triac: simbolo circuitale; 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 V MT > 0 e I MT > 0, ma anche nel III quadrante, con V MT < 0 e I MT < 0 (cfr. Fìg. 11.6). La tensione V G d innesco può presentare la stessa polarità o polarità invertita rispetto a V MT. In altre parole con V MT > 0 è possibile l innesco sia con V G positiva che negativa; analogamente con V MT < 0.
216 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. Fig. 11.7 Controllo di fase a triac: schema di principio; forme d onda parzializzate
217 All arrivo dell impulso di trigger il triac passa in conduzione sicché la tensione di alimentazione v a viene a cadere sul carico (v L v a ). Il triac si spegne quando la sua corrente I MT scende sotto il valore di mantenimento I H, 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. Fig. 11.8 Diac: simbolo circuitale; 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 V a. Allorché, aumentando V a, la retta (linea supera la tensione di breakover positiva + V BO (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 V a diminuisca in modo da portare la retta di carico oltre la posizione di tangenza alla caratteristica (linea. 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 V MT è negativo. Si ricordi tuttavia che l innesco si ha sia con impulsi di gate V G positivi che negativi, indipendentemente dal segno di V MT.
218 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 v C ai capi di C arriva a V + BO, 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 R L, 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 R L si vengono ad avere impulsi di tensione di qualche volt, associati a correnti piuttosto elevate (un centinaio di ma e più), mentre v C in corrispondenza degli inneschi presenta bruschi abbassamenti V, come illustrato in Fig. 11.10b.
219 Fig. 11.10 Circuito di utilizzo del diac e 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 anodic per cui è necessario dimensionare opportunamente il circuito di comando.
220 In Fig. 11.11a è illustrato il simbolo del GTO; in Fig. 11.11b è riportato lo schema di principio per il suo comando. Fig. 11.11 GTO: simboli circuitali; 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 R 1 ed il triac (il diac infatti, dopo l impulso, torna in OFF). Fig. 11.12 Schema di principio del variatore di luminosità. Forme d onda relative
221 Man mano che si aumenta R 1, 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. 11.12 e così la luminosità diminuisce sino al completo spegnimento della lampada.