I thyristors rappesentano una famiglia di semiconduttori piuttosto particolari, caratterizzati dal funzionamento tipo "switch" (ovvero "interruttore"), e formati dalla sovrapposizione di quattro strati p-n-p-n disposti a sandwich. I tiristori sono utilizzati nei circuiti di commutazione e controllo della potenza, sia con tensioni continue che con tensioni alternate. In questa sede parleremo dei componenti più comuni, ovvero il diodo SCR, il TRIAC, il DIAC ed il transistor unigiunzione (UJT).
IL DIODO SCR
figura 1
Confrontando la composizione di un SCR col comune diodo visto nelle lezioni precedenti, si osserva che il diodo SCR è costituito da tre giunzioni (figura 1, parte sinistra): - una giunzione PN (indicata con g1) - una giunzione NP (g2) - una seconda giunzione PN (g3)
Sempre in figura 1, a destra, vediamo la rappresentazione simbolica di un SCR, con un anodo, un catodo ed un elettrodo in più: il gate.
Se colleghiamo all'anodo una tensione positiva rispetto al catodo, a differenza del diodo comune, il diodo SCR non lascia passare corrente; succede infatti che, mentre le giunzioni g1 e g3 sono polarizzate nel giusto verso, la giunzione g2 risulta polarizzata inversamente, e quindi blocca il passaggio della corrente. Se tuttavia si applica sull'elettrodo gate, che è collegato alla giunzione g2, una tensione positiva rispetto al catodo, tale da causare l'effetto valanga nella giunzione stessa, questa passa in conduzione e la corrente fluisce nel diodo.
Il funzionamento del diodo SCR può essere compreso immaginandolo come composto da due transistor collegati nel modo che si vede in figura 2.
figura 2
Applicando all'anodo una tensione posistiva rispetto al catodo, non passa alcuna corrente, poichè sia il transistor PNP che quello NPN, mancando una tensione di base, risultano interdetti. Se tuttavia si applica al gate (e quindi alla base del transistor NPN) una tensione Vi, positiva rispetto al catodo, tale da provocare la conduzione del transistor, si innesca un processo che è autorigenerante.
Il transistor NPN, infatti, cominciando a condurre, fa passare corrente nella base del PNP; questo a sua volta inizia a condurre, e la corrente che lo attraversa entra sulla base del transistor NPN, mandandolo in conduzione ancora più spinta. A questo punto, non ha alcuna importanza se la tensione Vi sul gate è sempre presente o meno: innescata la conduzione, il diodo SCR continua a condurre in maniera autonoma, finchè non si toglie alimentazione al circuito.
Osserviamo due importanti differenze fra il transistor, anch'esso dotato di tre terminali, ed il diodo SCR:
1- la corrente che passa nel circuito di collettore di un transistor è proporzionale alla corrente di base; la corrente in un diodo SCR non può assumere valori intermedi: o passa o non passa
2- Se nel transistor rimuoviamo la tensione di base, il transistor non conduce più; il diodo SCR, una volta
portato in conduzione, non è più comandabile dall'elettrodo di controllo: continua a condurre anche rimuovendo la tensione dal GATE.
figura 3
figura 4
La figura 3 mostra la caratteristica del diodo SCR. Nel quadrante destro in alto si vede che il diodo non conduce finchè non si raggiunge una tensione detta di "breakover"; superata tale tensione, la curva torna indietro e diventa quella di un normale diodo rettificatore. Lo stesso effetto, ovvero il passaggio alla conduzione, può essere raggiunto applicando al gate una piccola tensione positiva
(siamo nella regione dello stato "ON", ovvero della conduzione diretta). IL è la "latching current" (corrente di scatto), ovvero la corrente necessaria per innescare la conduzione, mentre IH è la "holding current" (corrente di mantenimento), ovvero
la minima corrente sufficiente a mantenere il diodo in conduzione;
il grafico di figura 4 mostra,
figura 5
figura 6
per un determinato tipo di SCR, il valore di tali correnti in funzione della temperatura.
Dal lato opposto è tracciata la caratteristica inversa, che risulta uguale a quella di un comune diodo raddrizzatore, con il passaggio di corrente dovuto all'effetto valanga che si produce quando si supera la massima tensione inversa.
I principali valori che caratterizzano un diodo SCR sono:
1- Peak forward and reverse breakdown voltages (tensione di picco di breakdown diretta e inversa)
2- Maximum forward current (massima corrente diretta)
3- Gate trigger voltage and current (tensione e corrente di gate)
4- Minimum holding current, Ih (valore minimo della corrente di mantenimento)
5- Power dissipation (potenza dissipabile)
6- Maximum dV/dt (massima velocità di variazione della tensione in funzione del tempo)
(quest'ultimo valore si riferisce ad un limite caratteristico degli SCR: se la tensione applicata sale troppo rapidamente, il diodo SCR può andare in conduzione da solo; diventa quindi importante conoscere il massimo valore di dv/dt consentito affinchè non avvenga l'innesco spontaneo).
In figura 5 è rappresentato un SCR di potenza, prodotto dalla IR (International Rectifier): si tratta del diodo 10TTS08; è
fornito in contenitore TO-220, e può lavorare con correnti fino a 6,5 A e tensioni fino ad 800 V. Le lettere indicano i tre elettrodi: K(catodo), A(anodo) e G(gate). Come si vede, l'aspetto non differisce da quello di un qualsiasi transistor di potenza.
Un semplice circuito per provare il funzionamento di un SCR è riportato in figura 6. Collegato il circuito all'alimentazione, non passa alcuna corrente; basta tuttavia premere anche per un attimo il pulsante P perchè il diodo SCR passi in conduzione, facendo accendere il Led.
Una volta che il led è acceso, l'unico modo per interrompere il passaggio di corrente è quello di staccare l'alimentazione al circuito.
Nelle lezioni che seguono, dopo aver parlato degli altri tiristori, ne vedremo qualche applicazione pratica.
