Tiristore

Premessa

Dopo molti poster complessi e pieni di cifre (utili senz'altro in un laboratorio elettrico), questo mese facciamo una pausa: ecco un poster esteticamente bello (oltre che tecnicamente valido) destinato forse ad "abbellire" le pareti del laboratorio medesimo. Ma lasciamo da parte ogni preambolo.

Oggetto del postere la struttura interna di un tiristore di atla potenza. Le forti correnti sono sempre inconsuete ed affascinanti per ogni elettronico: il tiristore raffigurato è prodotto dalla Valvo e può controllare correnti fino a 500 A (corrente massima di picco 13 KA), con tensione anodica massima di 1.800 il Niente male, eh? Il diametro di tale dispositivo e ben 85 mm. Illustriamo qui di seguito, semplificandolo, il processo con cui e possibile realizzare dispositivi a semiconduttore di questo genere.

COSA È UN TIRISTORE? Viene denominato anche SCR. , che e l'abbreviazione dell'inglese "Silicon Controlled Rectifier" raddrizzatore controllato al silicio. Esso si comporta in modo analogo ad un normale diodo a giunzione (conduce corrente quando è polarizzato direttamente ed è interdetto quando e polarizzato inversamente), solo che è possibile controllare, agendo su un terzo elettrodo (chiamato "gate"= porta) Lo stato di conduzione quando e polarizzato direttamente. Procediamo con ordine, pero. internamente, un tiristore e costituito dalla sovrapposizione di quattro strati di silicio, alternativamente dei tipo p-n-p-n, come mostrato in figura. L'elettrodo superiore, chiamato anodo, viene in genere polarizzato positivamente rispetto alla regione n inferiore, denominata catodo. La zona p vicina al catodo viene chiamata "porta" o elettrodo di controllo.

La zona n situata fra la "porta" e l'anodo non e accessibile esternamente. Per spiegare il funzionamento di un simile dispositivo, e utile riferirsi al circuito equivalente in figura. Supponendo infatti che le zone n e p intermedie siano suddivise in due, si può notare infatti come in struttura a quattro strati possa essere scissa in due strutture a tre strati, due transistori, appunto. Supponiamo ora di applicare al punto A in figura una tensione positiva rispetto a K. I due transistori sono inizialmente in stato di interdizione, per cui non scorre alcuna corrente fra i punti A e K del circuito. Applichiamo ora all'elettrodo. G una certa corrente. Questa corrente entra nella base del transistore T2 e verrà da questo amplificata apparendo nel suo circuito di collettore con valore di molto superiore. La corrente di collettore di T2 va alla base del transistore Ti, apparendo sul collettore di questo nuovamente amplificata. Il processo si ripete. Rapidamente i due transistori si portano nello stato di saturazione e questo stato viene mantenuto anche se viene tolta la corrente applicata elettrodo G. Dato che entrambi i transistori sono in stato di saturazione,il circuito può essere attraversato da una notevole corrente senza che la caduta di tensione tra A e K oltrepassi circa 1 V. Riassumendo.

Il tiristore e un dispositivo a semiconduttore a quattro strati avente tre elettrodi: un catodo, un anodo ed un elettrodo di controllo (gate). Se la tensione applicata anodo è positivo rispetto al catodo e se nello stesso tempo e applicata una corrente entrante nell'elettrodo di controllo, il tiristore condurrà in senso diretto come un normale diodo. Una volta entrato in conduzione, il tiristore continua a condurre anche dopo che è stata tolta la corrente applicata al terminale di gate e che è servita esclusivamente a portarlo in conduzione. In queste condizioni, si dice che il tiristore conduce in senso diretto (o che il tiristore è innescato).

Esso persiste in tale stato fino a quando la corrente in esso circolante risulta superiore ad un dato valore chiamato "corrente di mantenimento? Viceversa, se non è applicata corrente al terminale di gate, o se la corrente applicata è insufficiente, il tiristore non viene innescato e di conseguenza (a differenza di un normale diodo) risulta bloccato (interdetto) anche in senso diretto. Due osservazioni. Innanzittutto che, a differenza di un transistore, la corrente in uscita (nel circuito anodo-catodo) la corrente in uscita (nel circuito anodo catodo) viene controllata in modo digitale e lo stesso tiristore e pilotato in modo digitale. In secondo luogo, che la corrente applicata al gate e necessaria per il corretto innesco del dispositivo, e in genere da cento a diecimila volte stesso; quindi correnti di comando deboli possono controllare forti correnti di lavoro.

Ciò spiega l'applicazione industriale su larga scala di un simile dispositivo. In pratica, per portare un tiristore in conduzione è sufficiente un impulso di corrente di debole intensità e di breve durata applicato all'elettrodo di controllo. Si deve tenere presente pero che l'impulso applicato al gate deve avere durata sufficiente a portare la corrente anodica ad un valore minimo chiamato "di aggancio" dopo di che l'impulso può essere rimosso. A sua volta, il tiristore può essere bloccato soltanto mediante riduzione della sua corrente anodica al di sotto del livello cosiddetto "di mantenimento", la qual cosa solitamente si realizza riducendo a zero la tensione tra anodo e catodo. Questo particolare comportamento del tiristore lo predispone all' impiego in circuiti percorsi da correnti alternate; infatti, al termine di ogni semiciclo, la corrente scende a zero, bloccando il tiristore e predisponendolo per un nuovo innesco. Poiché l'istante di innesco può essere ritardato rispetto all'inizio del semiciclo, il tiristore può essere mandato in conduzione in un punto qualsivoglia della semionda di corrente alternata. È cosi possibile applicare al carico controllato solo una parte della potenza nominale. Siffatti regolatori di potenza vengono chiamati "a taglio di fase"; il loro pregio e che la potenza dispersa nel regolatore stesso è solo una parte trascurabile della potenza controllata. Altri membri di questa "famiglia" (semiconduttori a quattro strati) sono: il diodo bidirezionale o diac, diodo bidirezionale controllato o triac, l'interruttore controllato al silicio o SCS (SILICON CONTROLLED SWITCH). Ma ne riparleremo in altra occasione.