Fonctionnement des thyristors (SCR) - Tutoriel

Fondamentalement, un SCR (Silicon Controlled Rectifier) ​​qui est également connu sous le nom de Thyristor fonctionne tout à fait comme un transistor.

Ce que signifie SCR

L'appareil tire son nom (SCR) en raison de sa structure interne semi-conductrice multicouche qui fait référence au mot «silicium» au début de son nom.

La deuxième partie du nom «Contrôlé» se réfère à la borne de porte de l'appareil, qui est commutée avec un signal externe afin de contrôler l'activation de l'appareil, et donc le mot «Contrôlé».

Et le terme «redresseur» signifie la propriété de redressement du SCR lorsque sa grille est déclenchée et que l'alimentation est autorisée à circuler à travers son anode vers les bornes de la cathode, cela peut être similaire au redressement avec une diode de redressement.

L'explication ci-dessus montre clairement comment l'appareil fonctionne comme un «redresseur contrôlé par silicium».

Bien qu'un SCR se redresse comme une diode et imite un transistor en raison de sa fonction de déclenchement avec un signal externe, une configuration interne SCR consiste en un agencement à semiconducteur à quatre couches (PNPN) composé de 3 jonctions PN série, contrairement à une diode qui a un transistor à 2 couches (PN) ou un transistor qui comprend une configuration à semi-conducteur à trois couches (PNP / NPN).

Vous pouvez vous référer à l'image suivante pour comprendre la disposition interne des jonctions semi-conductrices expliquées et comment fonctionnent les thyristors (SCR).

Une autre propriété SCR qui correspond distinctement à une diode est ses caractéristiques unidirectionnelles qui permettent au courant de ne circuler que dans une direction à travers elle, et de bloquer de l'autre côté lorsqu'il est allumé, cela dit que les SCR ont une autre nature spécialisée qui leur permet de fonctionner. comme interrupteur ouvert en mode OFF.

Ces deux modes de commutation extrêmes dans les SCR empêchent ces dispositifs d'amplifier les signaux et ceux-ci ne peuvent pas être utilisés comme des transistors pour amplifier un signal pulsé.

Les redresseurs commandés au silicium ou les SCR, tout comme les triacs, les diacs ou les UJT, ont tous la propriété de fonctionner comme des commutateurs CA à semi-conducteurs à commutation rapide tout en régulant un potentiel ou un courant CA donné.

Ainsi, pour les ingénieurs et les amateurs, ces appareils deviennent une excellente option de commutateur à semi-conducteurs lorsqu'il s'agit de réguler les appareils de commutation CA tels que lampes, moteurs, variateurs avec une efficacité maximale.

Un SCR est un dispositif semi-conducteur à 3 bornes qui sont attribués comme anode, cathode et porte, qui à leur tour sont constitués en interne de 3 jonctions P-N, ayant la propriété de commuter à une vitesse très élevée.

Ainsi, le dispositif peut être commuté à n'importe quelle vitesse souhaitée et des périodes ON / OFF réglées discrètement, pour mettre en œuvre un temps de commutation ou de désactivation moyen particulier sur une charge.

Techniquement, la disposition d'un SCR ou d'un thyristor peut être comprise en la comparant à un couple de transistors (BJT) connectés dans l'ordre inverse, de manière à former comme une paire de commutateurs régénératifs complémentaires, comme le montre l'image suivante :

Analogie des thyristors à deux transistors

Le circuit équivalent à deux transistors montre que le courant de collecteur du transistor NPN TR2 alimente directement la base du transistor PNP TR1, tandis que le courant de collecteur de TR1 alimente la base de TR2.

Ces deux transistors interconnectés dépendent l'un de l'autre pour la conduction, car chaque transistor obtient son courant base-émetteur du courant collecteur-émetteur de l'autre. Ainsi, tant que l'un des transistors ne reçoit pas de courant de base, rien ne peut se produire même si une tension anode-cathode est présente.

La simulation de la topologie SCR avec une intégration à deux transistors révèle que la formation est telle que le courant de collecteur du transistor NPN alimente directement la base du transistor PNP TR1, tandis que le courant de collecteur de TR1 relie l'alimentation au base de TR2.

La configuration simulée à deux transistors semble s'imbriquer et se compléter la conduction en recevant le lecteur de base du courant émetteur de collecteur de l'autre, cela rend la tension de grille très cruciale et garantit que la configuration représentée ne peut jamais conduire jusqu'à ce qu'un potentiel de grille soit appliqué, même en présence du potentiel anode-cathode, le potentiel peut être persistant.

Dans une situation où le fil d'anode du dispositif est plus négatif que sa cathode, permet à la jonction N-P de rester polarisée en direct, mais en veillant à ce que les jonctions P-N extérieures soient polarisées en inverse de sorte qu'elle agisse comme une diode de redressement standard.

Cette propriété d'un SCR lui permet de bloquer un flux de courant inverse, jusqu'à ce qu'une tension significativement élevée qui peut être au-delà de ses spécifications de bec vers le bas soit infligée à travers les fils mentionnés, ce qui oblige le SCR à conduire même en l'absence d'un entraînement de grille .

Ce qui précède fait référence à des caractéristiques critiques des thyristors qui peuvent provoquer le déclenchement indésirable du dispositif par une pointe de haute tension inverse et / ou une température élevée, ou un transitoire de tension dv / dt de plus en plus rapidement.

Supposons maintenant que dans une situation où le terminal Anode éprouve plus de positif en ce qui concerne son fil de cathode, cela aide la jonction P-N externe à devenir polarisée en direct, bien que la jonction N-P centrale continue à rester polarisée en inverse. Cela garantit par conséquent que le courant direct est également bloqué.

Par conséquent, dans le cas où un signal positif induit à travers la base du transistor NPN TR2 se traduit par le passage du courant de collecteur vers la base f TR1, qui en trun oblige le courant de collecteur à passer vers le transistor PNP TR1 augmentant la commande de base de TR2 et le processus se renforce.

La condition ci-dessus permet aux deux transistors d'améliorer leur conduction jusqu'au point de saturation en raison de leur boucle de rétroaction de configuration régénérative représentée qui maintient la situation verrouillée et verrouillée.

Ainsi, dès que le SCR est déclenché, il permet à un courant de circuler de son anode à la cathode avec seulement une résistance directe minimale de contournement venant sur le chemin, assurant une conduction et un fonctionnement efficaces de l'appareil.

Lorsqu'il est soumis à un courant alternatif, le SCR peut bloquer les deux cycles du courant alternatif jusqu'à ce que le SCR soit offert avec une tension de déclenchement à travers sa grille et sa cathode, ce qui permet instantanément au demi-cycle positif du courant alternatif de passer à travers les conducteurs de cathode d'anode, et l'appareil commence à imiter une diode de redressement standard, mais seulement tant que la gâchette de porte reste allumée, la conduction se rompt, la gâchette de porte moment est supprimée.

Les courbes de caractéristiques tension-courant ou I-V appliquées pour l'activation d'un redresseur commandé au silicium peuvent être observées dans l'image suivante:

Courbes des caractéristiques du thyristor I-V

Cependant, pour une entrée CC, dès que le thyristor est déclenché sur ON, en raison de la conduction régénérative expliquée, il subit une action de verrouillage de telle sorte que la conduction anode à cathode se maintient et reste conductrice même si le déclencheur de grille est supprimé.

Ainsi, pour une alimentation continue, la grille perd complètement son influence une fois que la première impulsion de déclenchement est appliquée à travers la grille du dispositif assurant un courant verrouillé de son anode à la cathode. Il peut être interrompu en coupant momentanément la source de courant anode / cathode alors que la grille est complètement inactive.

SCR ne peut pas fonctionner comme les BJT

Les SCR ne sont pas conçus pour être parfaitement analogiques comme les homologues à transistors, et ne peuvent donc pas être conduits à une région active intermédiaire pour une charge qui peut être quelque part entre la conduction complète et la mise hors tension.

Cela est également vrai parce que le déclencheur de grille n'a aucune influence sur la mesure dans laquelle l'anode à la cathode peut être conduite ou saturée, ainsi même une petite impulsion de grille momentanée suffit pour faire basculer la conduction anode à cathode en un interrupteur complet.

La fonction ci-dessus permet à un SCR d'être comparé et considéré comme un verrou bistable possédant les deux états stables, soit un ON complet soit un OFF complet. Ceci est dû aux deux caractéristiques spéciales du SCR en réponse à une entrée CA ou CC comme expliqué dans les sections ci-dessus.

Comment utiliser la porte d'un SCR pour contrôler sa commutation

Comme indiqué précédemment, une fois qu'un SCR est déclenché avec une entrée CC et que sa cathode anodique est auto-verrouillée, cela peut être déverrouillé ou éteint soit en supprimant momentanément la source d'alimentation d'anode (courant d'anode Ia), soit en réduisant la même niveau significativement bas en dessous du courant de maintien spécifié de l'appareil ou du «courant de maintien minimum» Ih.

Cela implique que le courant de maintien minimum anode à cathode devrait être réduit jusqu'à ce que la liaison de verrouillage P-N interne des thyristors soit capable de restaurer sa fonction de blocage naturelle en action.

Par conséquent, cela signifie également que pour faire fonctionner un SCR ou le conduire avec un déclencheur de porte, il est impératif que le courant de charge anode à cathode dépasse le `` courant de maintien minimum '' spécifié Ih, sinon le SCR pourrait ne pas mettre en œuvre la conduction de charge, par conséquent si IL est le courant de charge, il doit être comme IL> IH.

Cependant, comme déjà discuté dans les sections précédentes, lorsqu'un courant alternatif est utilisé sur les broches SCR Anode.Cathode, garantit que le SCR n'est pas autorisé à exécuter l'effet de verrouillage lorsque le lecteur de porte est retiré.

Ceci est dû au fait que le signal CA est activé et désactivé dans sa ligne de passage à zéro, ce qui maintient le courant anode SCR à cathode pour s'éteindre à chaque décalage de 180 degrés du demi-cycle positif de la forme d'onde CA.

Ce phénomène est appelé «commutation naturelle» et impose une caractéristique cruciale à une conduction SCR. Contrairement à cela avec les alimentations DC, cette fonction devient sans importance avec les SCR.

Mais comme un SCR est conçu pour se comporter comme une diode de redressement, il ne répond efficacement qu'aux demi-cycles positifs d'un courant alternatif et reste polarisé inversé et ne répond pas du tout à l'autre demi-cycle du courant alternatif, même en présence d'un signal de grille.

Cela implique qu'en présence d'un déclencheur de grille, le SCR ne conduit à travers son anode vers la cathode que pour les demi-cycles AC positifs respectifs et reste muet pendant les autres demi-cycles.

En raison de la fonction de verrouillage expliquée ci-dessus et également de la coupure pendant l'autre demi-cycle d'une forme d'onde CA, le SCR peut être utilisé efficacement pour couper les cycles CA de phase de sorte que la charge puisse être commutée à n'importe quel niveau de puissance inférieur souhaité (réglable). .

Également connue sous le nom de contrôle de phase, cette fonction peut être mise en œuvre via un signal temporisé externe appliqué à travers la porte du SCR. Ce signal décide après combien de temps le SCR peut être déclenché une fois que la phase CA a commencé son demi-cycle positif.

Cela permet donc de ne commuter que la partie de l'onde alternative qui passe après le déclenchement de la grille. Cette commande de phase fait partie des principales caractéristiques d'un thyristor commandé au silicium.

Le fonctionnement des thyristors (SCR) en contrôle de phase peut être compris en regardant les images ci-dessous.

Le premier diagramme montre un SCR dont la porte est déclenchée en permanence, comme on peut le voir dans le premier diagramme, cela permet à la forme d'onde positive complète d'être initiée du début à la fin, cela de l'autre côté de la ligne centrale de passage à zéro.

Contrôle de phase des thyristors

Au début de chaque demi-cycle positif, le SCR est «OFF». Sur l'induction de la tension de grille active le SCR en conduction et lui permet d'être entièrement verrouillé «ON» pendant tout le demi-cycle positif. Lorsque le thyristor est allumé au début du demi-cycle (θ = 0o), la charge connectée (une lampe ou autre) serait «ON» pendant tout le cycle positif de la forme d'onde CA (CA redressé demi-onde) ) à une tension moyenne élevée de 0,318 x Vp.

Au fur et à mesure que l'initialisation de l'interrupteur de porte ON est augmentée le long du demi-cycle (θ = 0o à 90o), la lampe connectée est allumée pendant une durée plus courte et la tension nette amenée à la lampe diminue proportionnellement moins son intensité.

Par la suite, il est facile d'exploiter un redresseur contrôlé au silicium comme variateur de lumière CA et dans de nombreuses applications d'alimentation CA supplémentaires, par exemple: contrôle de la vitesse du moteur CA, dispositifs de contrôle de la chaleur et circuits de régulation de puissance, etc.

Jusqu'à présent, nous avons été témoins qu'un thyristor est fondamentalement un dispositif demi-onde qui est capable de faire passer le courant uniquement dans la moitié positive du cycle chaque fois que l'anode est positive et empêche le courant de circuler comme une diode dans les cas où l'anode est négative. , même si le courant de grille reste actif.

Néanmoins, vous pouvez trouver de nombreuses autres variantes de produits semi-conducteurs similaires parmi lesquelles choisir, dont l'origine sous le titre de «Thyristor» conçu pour fonctionner dans les deux sens des demi-cycles, des unités pleine onde, ou qui pourraient être désactivées par le signal Gate .

Ce type de produits comprend des «thyristors d'arrêt de porte» (GTO), des «thyristors à induction statique» (SITH), des «thyristors contrôlés par MOS» (MCT), des «commutateurs contrôlés par silicium» (SCS), des «thyristors triodes» (TRIAC) et «Thyristors déclenchés par la lumière» (LASCR) pour en identifier quelques-uns, avec autant de ces dispositifs accessibles dans de nombreuses tensions et courants nominaux différents, ce qui les rend intéressants à utiliser à des niveaux de puissance très élevés.

Présentation du fonctionnement des thyristors

Les redresseurs contrôlés au silicium, généralement connus sous le nom de thyristors, sont des dispositifs à semi-conducteurs PNPN à trois jonctions qui pourraient être considérés comme deux transistors interconnectés que vous pouvez utiliser pour la commutation de charges électriques lourdes alimentées par le secteur.

Ils sont caractérisés pour être verrouillés «ON» par une seule impulsion de courant positif appliquée à leur fil de porte et peuvent continuer à être «ON» indéfiniment jusqu'à ce que le courant anode à cathode soit réduit en dessous de leur mesure de verrouillage minimum spécifiée ou inversé.

Attributs statiques d'un thyristor

Les thyristors sont des équipements semi-conducteurs configurés pour fonctionner uniquement dans la fonction de commutation. Les thyristors sont des produits contrôlés par le courant, un petit courant de porte est capable de contrôler un courant d'anode plus important. Active le courant une seule fois polarisé en direct et le courant de déclenchement appliqué à la porte.

Le thyristor fonctionne de la même manière qu'une diode redresseur chaque fois qu'il est activé sur «ON». Le courant d'anode doit être plus que maintenir la valeur du courant pour préserver la conduction. Inhibe le passage du courant en cas de polarisation inverse, indépendamment du fait que le courant de porte soit activé ou non.

Dès qu'il est mis sur «ON», il est verrouillé sur «ON», même si un courant de porte est appliqué, mais seulement dans le cas où le courant d'anode est supérieur au courant de verrouillage.

Les thyristors sont des commutateurs rapides que vous pouvez utiliser pour remplacer les relais électromécaniques dans un certain nombre de circuits car ils n'ont tout simplement pas de pièces vibrantes, pas d'arc de contact ou ont des problèmes de détérioration ou de saleté.

Mais en plus de simplement commuter des courants importants «ON» et «OFF», les thyristors peuvent être réalisés pour gérer la valeur efficace d'un courant de charge CA sans dissiper une quantité considérable de puissance. Un excellent exemple de contrôle de la puissance des thyristors est le contrôle de l'éclairage électrique, des éléments chauffants et de la vitesse du moteur.

Dans le prochain tutoriel, nous examinerons quelques éléments de base Circuits et applications des thyristors utilisant à la fois des alimentations CA et CC.