TRIAC - Tiristore a doppio effetto

Quando, come in figura 7, la parte inferiore di un triac è collegata ad una tensione positiva, questa tensione si abbassa particolarmente nella zona tratteggiata, cioè nella giunzione PN al di sopra dello strato N intermedio. Il Il tiristore normale è in stato di blocco (cioè di non conduzione) o di sbarramento in avanti (vedi la prima figura), ma pronto per essere innescato, mentre l'antitiristore è in stato di interdizione (cioè di sbarramento) o di non conduzione nella direzione inversa, ed impossibilitato ad innescarsi. L’innesco del tiristore normale può allora avvenire nel modo usuale, cioè inviando una corrente positiva di pilotaggio a mezzo del contatto di accensione (vedi figura 1). 

A questo punto scorre anche contemporaneamente una corrente collaterale di pilotaggio al contatto P dell'antitiristore. Questa corrente, di per sé inutile, può tuttavia essere persino desiderata, quando si desidera evitare un’accensione troppo facile del tiristore normale: in effetti è come se la corrente I_ST di pilotaggio si incrementasse del valore I_ST*, cioè divenisse I_ST+ I_ST*. Nelle figure che seguiranno questa corrente I_ST* verrà trascurata.

Figura 7

La figura 8 che segue mostra il caso in cui la parte inferiore del triac sia polarizzata negativamente, in modo tale che l'anritiristore è pronto per l’innesco. La tensione di sbarramento si trova ora all'altezza della giunzione PN, sono allo strato N intermedio.

Secondo le disposizioni della viste prima si potrebbe ad esempio innescare l'antitiristore con l’aiuto del contatto d’innesco qui rappresentato. Non sarebbe però possibile inserire questo contatto d’innesco nello stesso circuito d’innesco del contatto d’innesco della figura7 ; ciò perché altrimenti il circuito della corrente di pilotaggio, in caso di polarizzazione positiva della parte inferiore, dovrebbe scavalcare la tensione di sbarramento. 

Per ragioni analoghe non è possibile l’innesco dell'antitiristore a mezzo di un contatto allo strato P inferiore. Pertanto, come vedrete fra poco, anche l'antitiristore può essere innescato solo a mezzo di un contatto d’innesco portato allo strato P superiore.

Figura 8

Il tiristore normale, secondo quanto detto nella lezione 8, viene innescato con un impulso di pilotaggio al contatto d’innesco indicato, cioè con una corrente positiva di pilotaggio I_ST.

Ad innesco avvenuto la tensione di sbarramento (figura 7) crolla, ed una corrente di carico I_L fluisce attraverso il tiristore normale.

L’antitiristore si troverà ancora in stato d’interdizione, ma la sua tensione di sbarramento, dopo l’innesco del tiristore normale, non sarà maggiore della tensione di conduzione di quest'ultimo.

Nella figura sono indicati esempi numerici di tensioni che si possono riscontrare.

Figura 9

Come si può però ora innescare l'antitiristore, se il contatto d’innesco si può portare solo alla parte superiore del triac? Questo può avvenire solo con l’inserimento di uno strato-N aggiuntivo, posto sotto questo contatto (vedi figura 10). Questo strato forma pressoché l’emettitore-N di un transistore NPN (figura 10 a sinistra); lo si deve indicare come transistore ausiliario. In caso di tensione di pilotaggio negativa, la base del transistore ausiliario è positiva rispetto all'emettitore; scorre perciò una corrente di pilotaggio positiva I_{ST Trans}. del transistore ausiliario, che provoca una corrente di collettore in portata da elettroni.

Poiché la parte superiore del triac, in questo caso, è più positiva della parte inferiore, il campo elettrico finisce per condurre ancora questi elettroni verso la parte superiore. Una parte di essi fluisce così attraverso l'antitiristore, ed agisce come una corrente di pilotaggio negativa, come visto in figura 2 a destra. Quindi anche l'antitiristore si innesca.

Figura 10

La disposizione del contatto d’innesco indicata in figura 10, fa si che non solo si possa innescare un triac in entrambe le direzioni di corrente, ma come vedrete fra poco - anche che ognuna di esse possa ottenersi con impulsi di pilotaggio di entrambi i segni, positivo o negativo. Cioè quattro diverse possibilità di innesco distinte.

Parleremo di innesco diretta od inverso, a seconda che venga innescato il tiristore normale o l'antitiristore (figura 6); ciò dipenderà dal segno della tensione della parte inferiore.

Parleremo anche di innesco positivo o negativa, a seconda che il contatto d’innesco venga polarizzato positivamente o negativamente.

Con questo sistema di denominazione il caso d’innesco illustrato nella figura 9 sarà un innesco diretto positivo, e quello della figura 10 un innesco inverso negativo. Poiché l'inverso negativo avviene come se si inviasse una corrente di pilotaggio negativa allo strato-N intermedio, attraverso un contatto d’innesco, entrambi i casi “diretto positivo” ed “inverso negativo” corrispondono nel principio alla figura 2.

Gli inneschi di cui non abbiamo ancora parlato, e cioè “diretto negativo” e “inverso positivo”, sono invece piuttosto complicati.

La struttura del triac deve dunque ora essere completata con uno strato-N aggiuntivo, sino ad ora non necessario, posto inferiormente, e precisamente sotto al contatto d’innesco come in figura 11. Troviamo quindi ora, anche al di sotto del contatto d’innesco, due strutture di tiristori PNPN e NPNP collegate in antiparallelo. Dovremo designarli come antitiristore ausiliario o tiristore normale ausiliario. Quelli chiamati sin’ora tiristore normale ed antitiristore, verranno denominati per migliore differenziazione “tiristore normale di carico” ed “antitiristore di carico”.

Con ciò un triac viene a consistere di due paia di tiristori a semplice effetto collegati in antiparallelo, ognuno collegato superiormente ad un contatto comune (rispettivamente contatto d’innesco o terra). La parte ampiamente superiore della sezione viene assegnata ai tiristori di carico. A parte ciò entrambi i paia di tiristori a semplice effetto collegati in antiparallelo, sono uguali.

Figura 11

Quando la polarità del contatto d’innesco si inverte, si inverte anche la tensione fra le parti superiori dei paia di tiristori “di carico" ed “ausiliari" (vedi figura 11).

La fondamentale uguaglianza nella struttura di questi paia di tiristori porta alle seguenti conseguenze.

Come nel caso di innesco “diretto positivo” viene innescato il tiristore normale di carico, nel caso di innesco “diretto negativo” si innesca il tiristore normale ausiliario.

Ugualmente come nel caso di innesco “inverso negativo” si innesca l’antitiristore di carico, nel caso di innesco “inverso positivo” si innesca l’antitiristore ausiliario.

Questo semplice scambio tra tiristore di carico ed ausiliario è possibile per il fatto che per quanto riguarda il processo d’innesco, la loro sezione non ha nessuna influenza; quindi per quanto riguarda il processo d’innesco i tiristori di carico e quelli ausiliari sono equiparabili.

Non" sono però equiparabili per contro nel condurre correnti di carico per tempi lunghi (maggiori di alcuni microsecondi). Bisogna perciò che si sia provveduto che in casi di inneschi “diretti negativi” e “inversi positivi”, oltre al corrispondente tiristore ausiliario, si inneschi subito anche il relativo tiristore di carico.

Prima che venga chiarito il processo d’innesco di ogni tiristore ausiliario e del corrispondente tiristore di carico, nei casi d’innesco “diretto negativo” ed “inverso positivo”, presentiamo qui raggruppate le quattro diverse possibilità d’innesco.

Figura 12

Deve ancora essere chiarito come nei casi di innesco “diretto negativo” ed “inverso positivo”, l'innesco passi da ognuno dei tiristori ausiliari ai corrispondenti tiristori di carico.

Dal tiristore ausiliario innescato la corrente di carico IL scorre anche nel circuito di pilotaggio. Sia nel caso “diretto negativo” che in quello “inverso positivo”, la corrente di carico ha un senso tale che la caduta di tensione di essa provocata nel circuito di pilotaggio è di segno contrario alla tensione di pilotaggio applicata dall'esterno, e quindi la contrasta.

Allora quando il prodotto della resistenza del circuito di pilotaggio R_ST. per la corrente di carico I_L. è abbastanza grande (nell'esempio descritto 4 V), il segno della tensione di pilotaggio si inverte. Con ciò l’innesco “diretto negativo” diviene “diretto positivo” e quello “inverso positivo” diviene “inverso negativo”. Cioé ogni tiristore di carico può perciò innescarsi come descritto nelle figure 9 10.

Figura 13

L’inversione di polarità della tensione di pilotaggio descritta precedentemente, che trasforma il caso di innesco “diretto negativo” in “diretto positivo”, oppure quello “inverso positivo” in quello “inverso negativo”, può avvenire anche con una resistenza molto piccola del circuito di pilotaggio.

In realtà una caduta di tensione può occasionalmente accadere anche a causa dell'induttanza del circuito di pilotaggio; ed è tanto più grande quanto maggiore è la velocità di crescita della corrente di carico. Questo aumento dipende anche dalla resistenza e dall'induttanza nel circuito di carico dell'utenza; spesso esistono le condizioni per cui subentra una sufficiente caduta di tensione induttiva nel circuito di pilotaggio, per cui si inverte il segno della tensione di pilotaggio al contatto d’innesco.

Molte particolarità del processo d’innesco dipendono comprensibilmente dalle esatte dimensioni, dalla concentrazione del drogaggio e da altre proprietà locali del triac, oltreché dal circuito di pilotaggio. I sistemi di innesco qui descritti non sono gli unici possibili, ma quelli particolarmente evidenti ed anche facilmente realizzabili.

Può anche essere richiesto che il triac non sì inneschi in tutti i quattro casi descritti, ma ad esempio solo nel caso di innesco “diretto positivo” ed “inverso negativo”.

Alla fine imparerete un caso simile. Tali richieste particolari vanno previste con una adatta costruzione del triac. Inoltre non ci si è posta affatto la domanda di che aspetto abbia la struttura di un triac visto da sopra (in pianta). Le proprietà di un triac vengono fortemente influenzate dal modo di suddividere i singoli strati differentemente drogati nel senso trasversale.

Con una corrente di pilotaggio sufficientemente grande si può forzare un tiristore semplice od uno doppio in antiparallelo (triac), a passare dallo stato di interdizione a quello di conduzione, cioé ad innescarlo. Per un tiristore semplice esiste però anche un’altra possibilità, quella dell'auto innesco (in tedesco letteralmente: innesco-sopra-la-testa): si aumenta la tensione inversa sino a che la tensione di blocco viene superata, cioè si innesca senza che intervenga una corrente di pilotaggio.

Lo stesso sistema d’innesco è possibile in entrambi i sensi in un triac. Quando per alcune applicazioni si desidera questo sistema d’innesco, si può tralasciare il contatto d’innesco. Questi dispositivi elettronici vengono chiamati diac (diodi a doppia direzione). Nella figura 14 è rappresentato un diac accanto ad un triac.

Figura14