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QdA dimenticati. Tiristori: SCR parte 1

Indice

Premessa

Gli appunti che avevo iniziato a trascrivere, proseguono il discorso con raddrizzatori e alimentatori, ma visto che sono stati esaminati (e bene) sia da lillo che da marco438 abbastanza di recente, abbandono la strada e mi soffermo su una richiesta fatta qualche tempo fa sul forum. Anche se qua c'è già qualche riga scritta da admin.
L'intento all'inizio, era la trascrizione pari pari, ma una rilettura, dopo (più o meno) un ventennio, mi lasciava alcuni dubbi, per cui ho provato un po' a perfezionare gli appunti.
Ovviamente saranno ancora gradite eventuali segnalazioni di possibili errori o suggerimenti per migliorare passaggi non chiari.

Tiristori

Dal greco thyra ( = porta)

Sono diodi multigiunzione al silicio. Si tratta in generale di diodi controllati, ossia vengono portati in conduzione mediante impulsi di controllo. In pratica i tiristori sono dispositivi che possono funzionare come interruttori con stadio stabile ON (cioè acceso), od OFF (cioè spento). I tiristori possono avere due, tre o quattro terminali e possono essere unidirezionali oppure bidirezionali.

Ci sono:

  • SCR
  • Diodo Shockley
  • Triac - Triodo AC
  • Diac - Diodo AC
  • GTO
  • SCS

Utilizzo dei tiristori

Possono essere utilizzati per regolare la quantità di potenza erogata da un carico. Per es. per regolare l'intensità luminosa di una lampada o nella regolazione di velocità dei motori. I tiristori trovano largo impiego nei circuiti di potenza, cioè nei circuiti in cui sono in gioco correnti e tensioni molto elevate.

SCR o diodo di controllo

(Silicon Controlled Rectifier = raddrizzatore controllato al silicio)
È il tiristore più noto, spesso si usa indicare con tiristore proprio l'SCR.
Nell'SCR le correnti in gioco possono assumere valori di migliaia di ampere e analogamente possono fare i valori di tensione; così come si può arrivare a frequenze di 50 kHz.


Quando la tensione \,V_\text{AK} ai capi del dispositivo è positiva, cioè \,V_\text{AK}>0 , ovvero quando l'anodo è a potenziale più alto del catodo, le giunzioni J1 e J3 sono polarizzate direttamente, mentre la giunzione J2 lo è inversamente.

In assenza di corrente di gate (\,I_\text{G}=0)

L'andamento della corrente anodica \,I_\text{A} in funzione della tensione anodo-catodo \,V_\text{AK} mostra che:

  • A partire da \,V_\text{AK}=0 , quando la tensione aumenta, J1 e J3 sono polarizzate direttamente, mentre la J2 inversamente polarizzata, lascia passare la sola corrente inversa, che si può considerare trascurabile.

 \rightarrow Il dispositivo è perciò interdetto, cioè in stato di bloccaggio.

  • Allorché \,V_\text{AK} raggiunge un certo valore, pari a \,V_\text{BO} (tensione di breakover); la \,I_\text{A} comincia repentinamente ad aumentare, innescando un processo a valanga; che in breve neutralizza la barriera di potenziale ai capi di J2

 \rightarrow Il dispositivo lo si può vedere come due giunzioni polarizzate direttamente, di conseguenza la caduta ai suoi capi si riduce a 1÷1,5V
L'intensità di corrente che causa il fenomeno, prende il nome di corrente di aggancio o latching \,I_\text{L} .
Da questo valore in poi, la corrente anodica sale rapidamente, per piccoli aumenti di \,V_\text{AK} , come avviene per un normale diodo.

  • Per disinnescare l'SCR è necessario che \,I_\text{A} scenda al di sotto del valore di mantenimento, o di holding \,I_\text{H} ; per esempio aprendo il circuito di uscita, o invertendo la polarizzazione fra anodo e catodo.
  • Per tensioni \,V_\text{AK} negative, ovvero \,V_\text{AK}<0 , l'SCR rimane bloccato, finché non viene raggiunta la \,V_\text{BD} , tensione di rottura o breakdown.

 \rightarrow L'SCR si comporta come un normale diodo in zona di rottura.

In presenza di corrente di gate (\,I_\text{G}>0)

Iniettando una corrente \,I_\text{G}>0 , nell'elettrodo G, si provoca un'abbassamento della barriera di potenziale ai capi di J2, sicché è sufficiente una tensione \,V_\text{AK} più bassa, per provocare l'innesco dell'SCR.

  • Più elevata è la \,I_\text{G} , più bassa è la tensione di innesco.
  • Per valori sufficientemente elevati di \,I_\text{G} , l'SCR non presenta più la regione di bloccaggio diretto, ma commuta nella regione di conduzione non appena l'anodo va a positivo rispetto al catodo.

\rightarrow Il metodo normale di innesco è fornire il sufficiente valore di \,I_\text{G} al desiderato istante di tempo.

A commutazione avvenuta

La corrente \,I_\text{A} si automantiene e la corrente \,I_\text{G} può essere rimossa.
 \rightarrow L'elettrodo di controllo non ha più alcuna influenza sulla conduzione del tiristore.

Motivo per cui \,I_\text{G} può essere impulsiva

(Ovvero può essere rimossa ad innesco avvenuto)
Si può immaginare l'SCR sezionato, in modo che si possa dare origine a due BJT, uno di tipo PNP e l'altro NPN, connessi in maniera che la base di uno costituisca il collettore dell'altro e viceversa.

Se l'impulso iniziale applicato al gate basta a provocare correnti di intensità \,I_{\text{B1}}h_{\text{FE}1} h_{\text{FE}2}, allora tra i due BJT, si innesca una reazione positiva, grazie alla quale, anche se viene a cessare la \,I_\text{G} , le correnti diventano sempre più elevate fino a mandare in saturazione i due BJT, cioè a mandare in stato di ON l'SCR.

COME AVVIENE:

Si innietta una corrente \,I_{\text{G}} nell'elettrodo di gate
Si crea una corrente \,I_{\text{B1}} che pone in conduzione \,T_1


\,I_{\text{B1}}=I_{\text{G}}
La conduzione permette il passaggio di \,I_{\text{C1}} \,I_{\text{C1}}= I_{\text{B}1} h_{\text{FE}1}
Poiché \,I_{\text{C1}}=I_{\text{B2}} si pone in conduzione anche \,T_2



\,I_{\text{B2}}\equiv I_{\text{C1}}

\,T_2 fa circolare quindi una \,I_{\text{C}2}


\,I_{\text{C}2}=I_{\text{B}2} h_{\text{FE}2}\equiv I_{\text{B}1}h_{\text{FE}1} h_{\text{FE}2}
\,I_{\text{C}2} allora fluisce attraverso la base di \,T_1 realizzando una reazione positiva, che manda in saturazione i due transistor A questo punto la conduzione si automantiene.


Questo normalmente avviene in 0,1÷1 µs; tuttavia per gli SCR ad alta potenza, siamo nell'ordine di 10÷25 µs.

QUINDI

Detto semplicemente, l'SCR può essere visto come un diodo che può essere controllato dall'esterno.
Infatti nel caso di segnale alternato sinusoidale (come avviene per un raddrizzatore a semionda) lascia passare solo la semionda positiva, ma solo quando riceve un impulso di comando da un circuito di controllo.
Per quanto si è visto possiamo allora dire che l'SCR è un dispositivo

  • bistabile, in quanto presenta praticamente due stati (on e off);
  • unidirezionale, in quanto lascia passare solo la corrente di segno positivo.

Applicazioni

Sfruttando semplicemente il fatto che siano dispositivi bistabili, gli SCR possono essere adoperati per attivare o disattivare completamente un circuito.
\rightarrow interruttore di potenza
Oppure per il cosidetto controllo in fase.

INTERRUTTORE DI POTENZA

Per avere l'innesco vi sono diverse soluzioni, ma sostanzialmente sfruttano il principio di quella seguente.


Innesco con comando ad interruttore

L'innesco attraverso R1 viene dato dall'interruttore al gate dell'SCR.
Il diodo D serve ad impedire una forte corrente inversa.
La resistenza R2 evita l’innesco in presenza di spurie con int. aperto

Ad interruttore chiuso

  • SCR conduce nei semiperiodi positivi, mentre in quelli negativi rimane interdetto.

\rightarrow Nel semiperiodo positivo, successivo ad uno negativo, sarà posto nuovamente in conduzione.

Ad interruttore aperto

  • SCR rimane interdetto

DISINNESCO

Quanto detto, vale nel caso di corrente alternata, mentre per quel che concerne la corrente continua, una volta innescata la conduzione, è necessario un ulteriore dispositivo di disinnesco.
Vi possono essere problemi anche nel caso di tensioni alternate, quando c'è un carico induttivo, che provoca uno sfasamento tensione/corrente, che può causare dei reinneschi indesiderati dell'SCR.


Disinnesco in AC con carico induttivo

Valori tipici del circuito di smorzamento di tipo RC
R = centinaia di Ω
C = decine di μF

Disinnesco in DC con interruttore

Il principio di funzionamento è molto semplice e consiste banalmente nell’interruzione della corrente che fluisce attraverso il diodo, cortocircuitando anodo e catodo.


Disinnesco in DC a commutazione forzata


Il principio di funzionamento è il seguente:
 \rightarrow impulso di gate
 \rightarrow SCR innescato
 \rightarrow anodo di SCR si trova pressoché a massa
 \rightarrow perciò C si carica attraverso R come in figura

Per disinnescare l’SCR si agisce su int.
In questo modo si chiude il circuito formato da C e SCR, così facendo viene a circolare una corrente generata da C che si oppone a \,V_\text{AK}, il che finisce per interdire l'SCR.

Lo stesso circuito si può realizzare con un altro SCR, che funge da interruttore.

CONTROLLO IN FASE

Un altro utilizzo che sfrutta il comportamento bistabile, mediante controllo in funzione della corrente alternata posta in ingresso, è il controllo continuo della tensione o della corrente di un'apparecchiatura che funge da carico.
Il tipo di controllo continuo, realizzato dall'SCR, viene detto controllo in fase.



Data la corrente sinusoidale erogata dal generatore, presente all'ingresso del circuito SCR, questi fa scorrere sul carico solo una porzione della semionda positiva della corrente d'ingresso.
L'entità di questa porzione di semionda può essere regolata fissando l'istante in cui viene applicato all'SCR l'impulso di comando che lo pone in conduzione.
Scegliendo opportunamente l'istante d'innesco dell'SCR, automaticamente si regola la tensione efficace sul carico.

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Commenti e note

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Grazie Attilio ..e ben tornato ;)

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Vedo solo ora questo articolo, complimenti! Ben fatto!

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Ringrazio ancora sia Lele che ovviamente admin (hai colto "giusto"). Lo scambio, comunque, è per me già fonte di appagamento, sia per quel che riguarda i contributi dei blogger, che quelli dei forumisti. Come ho già detto, secondo me, EY dovrebbe essere considerato uno dei perni dove i professionisti del settore (nel senso più ampio del termine) ma non solo, possono sviscerare e/o chiedere lumi o conferme. Io mi sono approcciato così qui dentro, ed ho avuto in cambio sempre qualcosa di buono, che mi è stato d'aiuto in campo professionale. Prima di conoscere EY, mi sono sentito spesso un marziano, e quasi mai ho trovato disponibilità a confrontarsi sulle tematiche importanti del mio mestiere. Ora che ho trovato un luogo dove incontro dei "colleghi" che condividono questo spirito di scambio, nel mio piccolo, cerco di contribuire per quello che posso :)

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Meticoloso e curato nella formattazione e nella grafica, quindi gradevole oltre che utile, l'articolo è un evidente esempio di quanto importante, ed insieme piacevole, sia una conoscenza corretta dei componenti che fanno parte delle apparecchiature che un elettrotecnico inevitabilmente incontra nel suo lavoro quotidiano.
Rivedere i propri appunti e risistemarli al meglio con i nuovi strumenti di editazione e comunicazione, alla luce delle eperienze fatte, dei progressi tecnologici, nonché dello scambio di conoscenza che avviene per mezzo di questa community, è un'attività gratificante per sé e stimolante per gli altri. Questo almeno è la sensazione che io provo nello svolgere questa attività divulgativa, e che mi pare di poter cogliere nei tuoi lavori, elettrodomus. Quindi aggiungo i miei complimenti a quelli degli altri, oltre ad un personale ringraziamento per i tuoi contributi.

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Bel lavoro, complimenti!

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Grazie Marco ;)

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Ben fatto, come sempre d'altronde. Bravo!

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Grazie davvero a tutti.. ma non chiamatemi professore, ché proprio non mi ci sento e in più, mi fate arrossire :) @rusty: temevo di aver sbagliato a scrivere, ma vedo che il nome è (quasi) corretto (adesso tolgo una "c" di troppo :P); sempre che non sia una battuta, forse lo conosci come diodo a quattro strati: ha la struttura dell'SCR, a cui però non viene collegato l'elettrodo di gate; viene (forse veniva) usato tipicamente per il circuito di trigger degli SCR. Ciao :)

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Grazie per questo articolo :) Ha spiegato davvero bene il funzionamento degli SCR, penso di aver capito persino io XD

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di ,

Ciao elettrodomus, mi accodo ai complimenti per l'articolo, ma ti chiedo: come mai hai inserito nella lista dei tiristori anche il "povero" diodo Schottky? ;) Ciao bel lavoro

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è un onore che il mio nome sia stato nominato in un articolo così :) professor elettrodomus, spero che i tuoi quaderni dimenticati escao sempre più spesso a galla ;)!

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Veramente interessante! Tanti complimenti, -carlo.

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di ,

Articolo molto interessante :) Complimenti

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di ,

Veramente ben fatto. Mi è piaciuta soprattutto la sequenza "COME AVVIENE:" .... leggerò con piacere anche le parti successive che pubblicherai. Grazie.

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