Funzionamento Tiristore
- Dettagli
- Categoria: Elettronica
- Pubblicato Domenica, 11 Maggio 2014 14:28
- Scritto da Super User
- Visite: 68259
Il diodo è un componente elettrico che possiede la caratteristica di permettere il passaggio di corrente elettrica sempre in una sola direzione, quando lo si pone sotto una tensione. Nella figura «A» è visibile questo modo di funzionare: nel circuito elettrico indicate, in cui si trovano un diodo ed una lampadina, collegato alla rate a corrente alternata, passa continuamente corrente.
In realtà passa corrente solo nei periodi dell'alternata in cui la corrente scorre nel senso ammesso dal diodo, ma poiché ciò avviene almeno 50 volte al secondo, la lampadina appare accesa in permanenza. Se il diodo viene sostituito da un tiristore (figura «B»), dapprima non scorre alcuna corrente. Solo dopo aver provocato un processo d’innesco del tiristore, - vedremo come - (rappresentato nella figura «C»), inizia a passare la corrente e la lampadina si accende. A questo punto il tiristore non è diverso da un transistors non pilotato. L’intensità di corrente è uguale in entrambi i casi.
Da ciò si ricava: Il tiristore si comporta come un diodo. Però la corrente passante è pilotabile. Perciò il tiristore viene anche definito: “diodo semiconduttore pilotabile”.
Caratteristica del tiristore è: la corrente che lo attraversa è pilotabile. Ora dobbiamo conoscere il simbolo elettrico schematico e la denominazione delle connessioni elettriche di questo componente.
Un diodo ha due terminali od elettrodi. L’elettrodo positivo denominato Anodo, e l’elettrodo negativo denominato Catodo. La corrente “scorre” da l’anodo verso il catodo (figura a sinistra).
Il tiristore ha tre terminali od elettrodi. Di questi i due esterni coincidono con quelli del diodo: l’anodo ed il catodo (figura a destra).
Anche la direzione della corrente è la stessa. Quale terzo elettrodo si aggiunge nel tiristore l'elettrodo di controllo.
Per comprendere le condizioni di lavoro del tiristore, dobbiamo, prima rammentare quelle del diodo: questo ha la proprietà di lasciar passare la corrente in una direzione e di bloccarla nella direzione inversa.
Le due diverse polarità, o direzioni, vengono definite: condizioni di lavoro del diodo.
- Condizione "stato di interdizione": Catodo positivo ed anodo negativo.
- Condizione "stato di conduzione": Catodo negativo ed anodo positivo.
Nella figura a sinistra ed a destra si vedono rappresentate le due condizioni con una piccola lampadina (accesa o spenta) ed una batteria.
Paragonato al diodo, il tiristore ha una condizione di lavoro in più.Delle tre, due sono coincidenti con quelle del diodo: lo stato di interdizione e lo stato di conduzione.
Per meglio comprendere, questi due stati sono rappresentati nella figura di sinistra e di centro con la solita lampadina ed una batteria.
(In queste due rappresentazioni l’elettrodo di controllo va trascurato).
Quale terzo stato, o condizione di lavoro del tiristore esiste quello del “blocco” (figura a destra). Malgrado l’esatta polarizzazione (anodo positivo e catodo negativo) il tiristore può rimanere “bloccato”, cioè non permettere il passaggio della corrente.
Come si può passare dallo stato di blocco allo stato di conduzione, verrà spiegato studiando il processo di “innesco” del tiristore.
Sinora abbiamo esaminato il tiristore solo dal suo lato elettrico verso l’esterno. Ora dobbiamo esaminare la sua costituzione interna.
Il tiristore consiste di un cristallo di silicio, composto di quattro zone di differenti proprietà conduttrici, cioè quattro zone di silicio drogate parte N e parte P (1), affiancate in modo alternato.
Nella figura la zona esterna P è collegata con un elettrodo: questo è l’anodo del tiristore, l’altra zona esterna, che è zona N, è collegata ad un altro elettrodo, il catodo del tiristore, La zona P, immediatamente sotto alla zona N collegata al catodo, è collegata con un elettrodo laterale: l’elettrodo di controllo.
Nella figura, accanto alle zone con l’indicazione del tipo di zona, vi è anche l’indicazione simbolica, che già conoscete.
Già nelle prime parole avete appreso che il tiristore nel suo comportamento ha molti punti simili al diodo.
Consideriamo ora la struttura a zone di un diodo che chiameremo PSN, consistente di una zona P e di una zona N che includono una zona di minor conduttività S, che chiameremo zona S nel nostro esempio (figura a sinistra).
Se al posto della zona S inseriamo una zona P ed una zona N, abbiamo costituito un tiristore (figura a destra). Spesso questa costruzione a zone viene detta struttura.
Se esaminiamo il comportamento elettrico nella struttura del tiristore, constatiamo che sono di importanza particolare le superfici di contatto fra zone P e zone N. Queste superfici di passaggio da conduzione di tipo P a conduzione di tipo N (o viceversa), vengono chiamate genericamente:“giunzioni PN”. In entrambe le figure le posizioni delle giunzioni PN sono indicate da frecce. Ad es: potete vedere a sinistra che il diodo PSN ha solo “una” giunzione PN.
Vedremo come si diffondono i portatori di cariche elettriche nelle singole zone P ed N, quando si applica una tensione. Prima però dovremo analizzare la condizione delle zone in assenza di corrente.
Per comprendere meglio, nella figura si sono rappresentati i portatori di cariche P ed N come piccoli cerchi (2): quelli rossi indicano la mancanza di elettroni e vengono chiamati “cavità” (portatori P), e quelli verdi indicano gli elettroni (portatori N).
Nel nostro esempio non vi è alcuna tensione ai capi del tiristore, infatti anodo e catodo sono collegati a terra, cioè a potenziale zero.
I portatori di cariche sono equamente distribuiti nelle zone. Sebbene essi siano mobili nelle zone, nella condizione di assenza di un potenziale, e quindi senza passaggio di corrente, non avviene nessuna diffusione dei differenti portatori di cariche.
Questo è dovuto ad una lieve carica spaziale che si forma nella giunzione PN e che provoca una tensione di diffusione, la quale a sua volta impedisce il diffondersi dei diversi portatori di cariche.
Quando l’anodo ed il catodo di un tiristore vengono collegati rispettivamente al negativo (l’anodo) ed al positivo (il catodo) di una batteria, ha luogo una diffusione dei portatori di cariche.
In effetti le cavità, cariche positivamente, vengono attirate dagli elettroni negativi, e perciò si spostano verso l’anodo che è collegato al negativo. Invece gli elettroni negativi vengono respinti dall'anodo e si spostano verso il catodo che è collegato al positivo.
Vengono così a formarsi alle giunzioni PN delle quattro zone delle differenti distribuzioni di cariche. In particolare per le tre giunzioni PN ciò significa (le giunzioni sono state numerate da 1 a 3) - (vedi figura):
- PN1 viene impoverita di portatori di cariche, cioè viene isolata. Perciò PN1 interdice.
- PN2 viene arricchita di portatori di cariche, cioè conduce.
- PN3 come PN1.
Se ora colleghiamo l’anodo del tiristore al positivo ed il catodo al negativo di una batteria, si ottengono le seguenti distribuzioni di cariche elettriche (vedi figura sotto):
(Le cavità sono respinte dall'anodo positivo, e gli elettroni al contrario ne vengono attirati).
- PN1 viene invasa da portatori di cariche. Quindi PN1 conduce.
- PN2 viene impoverita di cariche, cioè interdice.
- PN3 come PN1.
Poiché solo PN2, con l’anodo positivo, non permette alla corrente di attraversare il tiristore, questo stato viene chiamato di “blocco”.
In questo caso non si usa la dizione interdizione, perché questa viene riservata solo al caso di anodo collegata al negativo.
In base a ciò che avviene nella struttura a zone del tiristore, abbiamo visto come si creano le condizioni di blocco e di interdizione. Ora manca ancora la condizione di conduzione, perché il quadro del funzionamento del tiristore sia ben chiaro, proprio in ragione della struttura a zone del tiristore.
Partiamo prima dallo stato di blocco . Si può constatare che le giunzioni PN1 e PN3 sono polarizzate nel senso della conduzione. Solo la giunzione PN2 interdice, o meglio blocca. Se si riesce ad arricchire di portatori di cariche questa giunzione, con la sua attuale polarizzazione, anche questa si troverebbe in stato di conduzione; si avrebbero cioè 3 stati di conduzione.
Questo stato di cose però, mentre non si può ottenere variando la polarità degli elettrodi esterni catodo ed anodo, si può invece ottenere con l’aiuto dell'elettrodo di controllo e col circuito di controllo.
Il passaggio dallo stato di blocco a quello di conduzione viene chiamato: innesco del tiristore. Per innescare il tiristore bisogna fornire una tensione all'elettrodo di controllo, e questa tensione di controllo o tensione d’innesco viene fornita dal circuito di controllo del tiristore.
Nel caso più semplice questo circuito è formato da una batteria collegata fra catodo ed elettrodo di controllo. Collegando il polo positivo della batteria all'elettrodo di controllo ed il polo negativo al catodo del tiristore si instaura l’innesco. Così però si è solo chiarito l’aspetto esterno dell'effetto di innesco.
Vogliamo ora esaminare perché con una tensione positiva all'elettrodo di controllo, 10 stato di blocco si tramuta in stato di conduzione.
A tale scopo dobbiamo ancora considerare la struttura in zone con i relativi portatori di cariche elettriche.
Poiché questo processo è piuttosto complicato, conviene suddividere la struttura del tiristore per comprendere meglio i processi interni, e precisamente supponiamo la struttura del tiristore come suddivisa in due transistori. Dalla struttura del tiristore (figura sotto a sinistra) si arriva in tal modo alla rappresentazione transìstorizzata del tiristore (figura sotto a destra).
Abbiamo allora un transistore PNP (Tr1) ed un transistore NPN (Tr2).Dalla figura si vede che ognuna delle basi B dei transistori è collegata al collettore C dell'altro transistore. Inoltre vediamo che l'emettitore E di Tr1 coincide con anodo del tiristore, ed ancora che l’emettitore E di Tr2 è anche il catodo del tiristore. L’elettrodo di controllo è collegato alla base di Tr2. Il circuito principale di corrente è polarizzato nel senso del blocco del tiristore.
Ora, prima di chiudere l’interruttore S nel circuito di controllo e provocare l’innesco, vediamo ancora una volta di richiamare il modo con cui si controlla un transistore.
Il transistore, così come il tiristore, è un componente elettronico controllabile. Esso ha una struttura a 3 zone. La sua controllabilità dipende dall'effetto-transistor, che possiamo spiegare in modo semplificato. Esaminiamo ancora la struttura a zone con i relativi portatori di cariche per poter esaminare i processi interni.
Nelle figure a destra ed a sinistra si possono osservare l’alternarsi delle zone di un transistore NPN e di uno PNP, e si possono individuare i loro circuiti elettrici principali. La descrizione che segue vale per entrambi i transistori (Trl e Tr2).
Entrambi sono polarizzati in modo che la giunzione Base-Collettore interdice, e la giunzione Emettitore-Base conduce. A causa dell'interdizione Base-Collettore, nel circuito principale non passa corrente. Se ora dal circuito di controllo si immette una corrente IB nella base, i portatori di cariche fluiscono verso l’emettitore E, provocando lo sblocco della corrente nel circuito principale, nel quale ora scorrerà una corrente di cavità nella struttura PNP, ed una di elettroni nella struttura NPN (rappresentate da frecce rispettivamente rosse e verdi nelle figure).
Queste correnti superano le giunzioni Base-Collettore di interdizione e ne causano la conduzione. Scorre così la corrente principale IC. Se si interrompe la corrente in di controllo, cessa anche la corrente principale.
La corrente di controllo IST (piccola freccia rossa) entra nella base di Tr2 e sbocca dall'emettitore una corrente maggiore (freccia verde), che arriva al collettore; ora questo è collegato alla base di Tr1, cosicché la corrente di collettore di Tr2 diviene corrente di base di Tr1.
Questa corrente di base del Tr1 provoca nel suo emettitore una corrente di collettore (frecce rosse ) ancora più forte. Ma il collettore di Tr1 è a sua volta collegato con la base di Tr2, e quindi la sua corrente scorre nuovamente nella base di Tr2, ma molto rinforzata, dando luogo ad un nuovo ciclo. Il processo si ripete sino a che le giunzioni PN (Base-Collettore) di entrambi i transistori, che erano in stato di blocco, vengono invase da portatori di cariche e diventano conduttrici. Il tiristore si è ora innescato, e passa nello stato di conduzione.
Ora che abbiamo appreso come si svolge l'effetto di innesco di un tiristore nelle sue singole fasi, torniamo alla nota costruzione stratificata (vedi figura sotto).
Dobbiamo constatare che ogni giunzione PN del tiristore svolge una particolare funzione.
Iniziamo con la giunzione PN3. Abbiamo visto la sua funzione nell'innesco. Essa nell'innesco si assume il compito di giunzione Emettitore-Base del transistore , ed essendo molto conduttiva possiede una bassa resistenza.
PN2 è la giunzione che determina la capacità di bloccare il tiristore
PN1 è responsabile dell'azione di interdizione del tiristore . In realtà anche PN3 è polarizzata come PN1, ma a causa della sua bassa resistenza non contribuisce all'interdizione. Con l’usuale polarizzazione di un tiristore, lo stato di interdizione ricade sulla giunzione PN1 dove si crea interamente la tensione di interdizione.
Le considerazioni fatte sulle varie funzioni delle singole giunzioni, devono servirci per esaminare le capacità massime di interdizione e di blocco di un tiristore.
Rammentiamo brevemente da cosa è caratterizzata la possibilità di interdizione di una giunzione PN, visto che ci siamo già occupati di ciò esaminando i raddrizzatori. Una giunzione PN non può sopportare, nel senso dell'interdizione, una tensione qualsiasi, alta quanto si vuole. Con l’aumento della tensione di interdizione, o meglio di diffusione, cresce anche l’intensità di campo nella giunzione. Quando questa raggiunge un certo livello critico, appunto l’intensità critica, si instaura una rottura della tensione di diffusione; in altre parole la corrente nel senso dell'interdizione inizia a scorrere e cresce a valanga, mentre la tensione di diffusione non aumenta più.
Questo comportamento di una giunzione PN nel senso dell'interdizione può essere senz'altro riportata allo stato di interdizione di un tiristore (quindi a PN1) e vale alla stessa maniera.
Per il caso del “blocco” (PN2) le condizioni sono alquanto diverse. In un primo istante avviene come nel caso dell'interdizione. Aumentando però la tensione di blocco, cresce l’intensità di campo in PN2 sino a che raggiunge l’intensità critica, si instaura a questo punto la rottura della tensione di blocco e quindi scorre a valanga la corrente nel senso del blocco, ma in questo caso essa funge da corrente di innesco del tiristore. Ciò significa che il tiristore si innesca quando si giunge alla rottura della tensione di blocco. Questa tensione in PN2, (al contrario di PN1) quasi si annulla. Il tiristore passa nello stato di conduzione anche senza pilotaggio; questo effetto si chiama: innesco spontaneo del tiristore.
Annullare la corrente di conduzione significa: limitare così fortemente la diffusione dei portatori di cariche all'interno del tiristore, da provocarne l’interdizione. Allora il tiristore sarà nuovamente in grado di sopportare una tensione. Ciò però solo se si riesce a riportarlo dallo stato di conduzione a quello di blocco o di interdizione.
Il disinnesco può solo avvenire tramite un intervento nel circuito principale di corrente.
Per far ciò si hanno due possibilità: la prima consiste nel porlo in stato di “non passaggio di corrente” cioè di blocco, interrompendo il circuito principale. I portatori di cariche all'interno del tiristore scompaiono ricombinandosi, cioè ogni due cariche contrarie si annullano reciprocamente. Si ottiene così uno stato di blocco o di “non corrente”.
La seconda possibilità consiste nell'interdire il tiristore invertendo la polarità del circuito principale. Allora la maggior parte dei portatori di cariche viene risucchiata dall'interno del tiristore e la rimanenza scompare per ricombinazione. Esso viene come “svuotato”. Anche la conduzione viene così interrotta.
In nessun caso il tiristore può essere disinnescato interrompendo la corrente di pilotaggio, poiché questa nello stato di conduzione si autoalimenta. Dal che si deduce: in stato di conduzione la corrente di pilotaggio è perfino superflua.
Con gli usuali tiristori di potenza si può ottenere lo stato di conduzione con il circuito di pilotaggio, e lo si interrompe intervenendo sul circuito di corrente principale.
Se noi consideriamo attentamente la fase di innesco, osserviamo che già durante il procedere del processo di innesco la corrente di pilotaggio diventa superflua.
Esaminiamo ancora attentamente questa fase nella rappresentazione transistorizzata (vedi figura sottostante). Si può osservare che la corrente di pilotaggio nel Tr2 provoca una corrente di collettore che agisce contemporaneamente come corrente di base del transistore Trl. La risultante corrente di collettore del Trl torna a passare come corrente di base nel Tr2. Non appena le correnti di collettore di Trl e Tr2 raggiungono una certa intensità (rappresentate nella figura dalle frecce grosse rossa e verde), la corrente di pilotaggio del tiristore può essere interrotta, senza che con ciò si interrompa il processo di innesco. Da questo momento la corrente principale del tiristore si autoalimenta.
Necessitiamo dunque solo di una breve corrente di pilotaggio, di un impulso pilota per iniziare l’innesco.
Abbiamo così appreso una proprietà caratteristica del tiristore: il pilotaggio ad impulsi.
Di conseguenza parlando del tiristore si parlerà oltre che di corrente di pilotaggio, anche di impulso di pilotaggio o di impulso di innesco.
Il pilotaggio ad impulsi è un’importante caratteristica del tiristore. Per dimostrare ancor più chiaramente questa particolarità, paragoniamola al controllo di un transistore.
Richiamiamoci ancora una volta al modo di controllare un transistore. Fornendo alla base di un transistore una certa corrente, si provoca una corrente di collettore, ed è particolare caratteristica del transistore che con l’intensità della corrente di base si determina l’intensità della corrente di collettore. Cioè aumentando la prima aumenta in proporzione la seconda e viceversa. Con corrente di base nulla, lo è anche quella di collettore.
Quindi il transistore è controllato solo in modo continuo a mezzo della corrente di controllo alla base.
Ciò chiarisce totalmente la differenza essenziale tra transistore e tiristore: nel tiristore la corrente principale di conduzione non può essere influenzata dall'intensità di corrente di pilotaggio. Nello stato di innesco la corrente di innesco è sempre la massima.
Come si è visto, il tiristore può essere pilotato ad impulsi, mentre qui abbiamo visto che il transistore deve essere controllato permanentemente.
Il controllo continuo, necessario per il transistore, determina il suo campo di applicazione. Per questa sua proprietà il transistore si adatta particolarmente al controllo di correnti continue. Di conseguenza viene usato come interruttore di correnti continue.
La seguente rappresentazione figurata ce lo può chiarire.
Transistore e circuito di controllo
Rappresentazione della tensione di batteria rispetto al tempo: essa è costante.
Variazione temporanea della corrente di controllo, causata ad esempio da apertura e chiusura dell'interruttore S nel circuito di controllo, ad intervalli regolari
Andamento della corrente principale di collettore, causata dalle periodiche variazioni della corrente di controllo.
Figura A) Transistore e circuito di controllo B) Rappresentazione della tensione di batteria rispetto al tempo: essa è costante. C) Variazione temporanea della corrente di controllo, causata ad esempio da apertura e chiusura dell'interruttore S nel circuito di controllo, ad intervalli regolari D) Andamento della corrente principale di collettore, causata dalle periodiche variazioni della corrente di controllo.
Esaminiamo ora il campo d’impiego del tiristore. Abbiamo visto che esso può essere pilotato ad impulsi. Per interrompere la corrente principale il tiristore deve essere riportato nello stato di blocco o di interdizione. Ciò si può ottenere, senza complicazioni costruttive semplicemente applicando al tiristore una tensione alternata.
Collegando ad es. un tiristore alla normale rete di distribuzione di corrente alternata a 50 Hz, l’inversione di polarità, che interrompe la corrente principale, avverrà 50 volte al secondo. Di conseguenza il tiristore si adatta particolarmente al controllo di correnti alternate, e di conseguenza viene classificato come interruttore per corrente alternata. La seguente rappresentazione schematica ce lo chiarirà.
Figura A)Tiristore con circuito principale e circuito di pilotaggio. B) La tensione V ≈ alternata alimenta il circuito principale. (L’andamento della tensione è sinusoidale). C) Andamento nel tempo degli impulsi di pilotaggio, causati ad es. da brevi aperture e chiusure dell'interruttore S, ad eguali intervalli di tempo. D) Andamento della corrente principale. Dall'istante dell'impulso d’innesco sino al momento in cui la tensione alternata applicata al circuito principale arriva al Valore ZERO, scorre corrente.
Siamo così giunti alla fine delle considerazioni sulle caratteristiche funzionali del tiristore. Si possono ampliare le sue funzioni quale interruttore di corrente alternata, ed esaminiamo come, in base alla rappresentazione schematica qui sotto riportata.
Spostando gli impulsi di pilotaggio lungo l’asse dei tempi, possiamo innescare il tiristore in qualsiasi istante dell'alternanza positiva della tensione.Avremo così una corrente che da quell'istante scorrerà, sino a che la tensione diverrà ZERO (tratteggiata nella figura). Ciò significa: la scelta del punto di innesco determina la grandezza dell'area tratteggiata, e quindi l’intensità della corrente principale T(valore medio della corrente continua raddrizzata).
Questa caratteristica facilita il pilotaggio del tiristore.
