Thyristors: IL TRIAC E IL DIAC


Il Triac è uno dei componenti di maggior interesse della famiglia dei thyristors; potendo controllare il passaggio della corrente in entrambi i sensi, esso rappresenta una delle soluzioni più efficienti ed economiche per il controllo della potenza assorbita dagli utilizzatori funzionanti con tensioni alternate.

IL TRIAC

Il triac può essere considerato come due diodi SCR collegati in antiparallelo, ovvero affiancati, ma con direzioni opposte (schema a) della figura 1). Gli anodi dei due SCR diventano i terminali principali del triac, ed assumono il nome di MT2 e MT1 (Main Terminal 1 e Main Terminal 2). I gate dei due SCR vengono collegati insieme, e diventano il gate del triac
In b) si vede la costruzione a blocchi di un triac, mentre in c) è riportato il suo simbolo schematico.

figura 1

Come si è detto, il TRIAC può essere attraversato dalla corrente in entrambi i sensi; occorre notare, inoltre, che il suo passagio allo stato "on", e cioè di conduzione, può avvenire applicando al gate una tensione sia positiva che negativa. Queste molteplici possibilità di funzionamento possono meglio essere illustrate facendo riferimento ad un grafico come quello di figura 2, detto "a quattro quadranti". Ciascun quadrante rappresenta una diversa condizione di funzionamento del triac; le polarità e quindi le tensioni sono sempre riferite al terminale MT1.

figura 2
1° quadrante: Il terminale MT2 è postivo rispetto al terminale MT1; la corrente che attraversa il triac scorre infatti dall'alto verso il basso. Il gate, a sua volta, è positivo rispetto ad MT1, ed infatti la corrente di gate risulta "entrante"
2° quadrante: MT2 è sempre positivo rispetto ad MT1, mentre il gate è negativo; la corrente di gate è una corrente che "esce"
3° quadrante: MT2 è negativo rispetto ad MT1, ed infatti la corrente attraversa il triac dal basso verso l'alto; la tensione applicata al gate è negativa rispetto ad MT1
4° quadrante: MT2 è negativo rispetto ad MT1, mentre al gate viene applicata una tensione positiva.


La scelta di far lavorare il Triac in un quadrante piuttosto che un altro, ovvero di scegliere una tensione di gating positiva o negativa, modifica in modo più o meno importante le prestazioni del dispositivo. In seguito alla disposizione fisica degli strati di semiconduttore che compongono il triac, i valori della "latching current" (IL), della "holding current" (IH) e della "gate trigger current" (IGT), variano da un quadrante all'altro.
Il funzionamento più utilizzato è quello corrispondente ai quadranti 1° e 3°, ovvero quando la tensione applicata al gate ha la stessa polarità di quella applicata al terminale MT2; in tali quadranti si ottiene un'ottima sensibilità di gate. Quando non sia possibile lavorare in detti quadranti, la migliore alternativa è quella di utilizzare la coppia di quadranti 2° e 3°.
E' difficile per un triac lavorare nel 2° quadrante quando la corrente dei terminali principali è molto bassa.
Il 4° quadrante presenta, fra tutti, la più bassa sensibilità di gate.

Per comodità e chiarezza, segue una tabella che riepiloga le principali grandezze caratteristiche dei thyristors, col nome inglese ed il corrispondente significato in italiano:

BREAKOVER POINTpunto della caratteristica tensione-corrente in cui la resistenza differenziale assume valore zero
OFF-Statecondizione del tiristor caratterizzata da alta resistenza differenziale e passaggio di corrente quasi nullo
ON-Statecondizione del tiristor caratterizzata da bassa resistenza differenziale e passaggio della corrente principale fra i "main terminals"
Critical Rate-of-Rise of Commutation Voltage of a Triac (Commutating dv/dt)il minimo valore della velocità di salita della tensione principale, che provoca la commutazione del tiristore dallo stato OFF allo stato ON
Critical Rate-of-Rise of On-State Current (di/dt)la massima velocità di crescita della corrente principale che il tiristor può sopportare senza deteriorarsi
IGTGATE TRIGGER CURRENTla minima corrente richiesta dal gate per far commutare il tiristor dallo stato OFF allo stato ON
VGTGATE TRIGGER VOLTAGEla tensione da applicare sul gate per ottenere la commutazione
ILLATCHING CURRENTil valore minimo di corrente tra anodo e catodo richiesto per mantenere il tiristor in stato di conduzione, immediatamente dopo la commutazione da OFF a ON e la rimozione della tensione di gate
IHHOLDING CURRENTil valore minimo di corrente tra anodo e catodo richiesto per mantenere il tiristor nello stato di conduzione


La tabella che segue fornisce un esempio dei valori che assumono le correnti caratteristiche nei vari quadranti, per un triac da 4 A.

TIPICO TRIAC DA 4 A
1°quadrante2°quadrante3°quadrante4°quadrante
IGT (mA)10162527
IL (mA)12481513
IH (mA)10101111
Come si vede, la corrente di gate risulta di soli 10 mA quando il triac viene fatto lavorare nelle condizioni corrispondenti al 1° quadrante, confermando con tale valore la migliore sensibilità; la stessa corrente passa a 27 mA per il 4° quadrante, quello che presenta la minore sensibilità.
Il valore elevato (48 mA) della "latching current" nel 2° quadrante, coincide con una certa difficoltà di innesco del triac.




IL DIAC

Il DIAC si ottiene diffondendo impurità di tipo N in entrambi i lati di un wafer di tipo P, in modo da ottenere un dispositivo a due terminali con carateristiche elettriche simmetriche. La struttura di un DIAC è simile a quella di un transistor NPN con base aperta. Si tratta di una struttura bidirezionale, che presenta un'alta impedenza (e quindi non lascia passare corrente) fino a quando la tensione applicata ai due terminali non supera un certo valore, detto "breakover voltage". Al di sopra di tale valore, il Diac entra in una zona a resistenza negativa, dove si manifesta l'effetto di conduzione a valanga.

figura 3figura 4


Essendo un dispositivo bidirezionale, il diac costituisce un valido ed economico sistema di innesco per i triac nei circuiti a controllo di fase come i regolatori di luce, i sistemi di controllo di velocità dei motori, ecc. In effetti, questa è l'unica applicazione importante dei diac.
figura 5
Come si è accennato, il passaggio in conduzione del diac può avvenire soltanto superando la tensione di breakover; il diac infatti è dotato di due soli terminali, detti anodo 1 e anodo 2, e quindi non possiede un gate.
L'innesco ottenuto applicando ai suoi terminali una tensione superiore a quella di breakover è utilmente praticabile solo con i diac; anche gli SCR ed i Triac potrebbero essere portati in conduzione in modo analogo, ma per questi ultimi il metodo è sconsigliabile, in quanto il ripetuto superamento della tensione di breakover potrebbe causare danni ai dispositivi stessi. I Diac utilizzati nei circuiti a controllo di fase sono sufficientemente protetti contro una eccessiva corrente al breakover, e quindi possono lavorare in sicurezza quando il condensatore che essi scaricano non è di capacità eccessiva.
In figura 5 si vede la caratteristica statica del Diac, che appare simmetrica rispetto alle due polarità della tensione applicata ai terminali. Sia in un senso che nell'altro, la corrente che attravresa il diac è minima fino ad un certo valore di tensione, VB0; superato tale valore, la tensione ai capi del diac scende bruscamente ad un valore più basso, V0, detto "breakback voltage", mentre la corrente assume il valore massimo consentito dal circuito. La corrente IB0, corrispondente al breakover, viene detta appunto "breakover current".
figura 6

Per un diac come quello che si vede in figura 6 (è il BR100 della Philips), le grandezze caratteristiche hanno i seguenti valori:

- Breakover voltage VB0: da 27 a 36 V
- Output voltage V0: 7 V
- Picco di corrente diretta ripetitivo: 2 A






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