TRIAC - Tiristore a doppio effetto

Per spiegare il processo d'innesco di un tiristore a semplice effetto (detto brevemente tiristore) si suppone mentalmente un tiristore-NPNP (sotto figura a sinistra), come formato da un transistore-NPN e da un transistore PNP (figura a destra).

Per l’innesco il tiristore deve essere polarizzato in avanti. (cioè con l’emettitore P positivo, e con l'emettitore N negativo). Alla base P del transistore NPN viene portata una corrente di pilotaggio I_ST. Essa provoca una corrente di collettore i_N del transistore NPN, che viene portata da elettroni; questa a sua volta entra come corrente di pilotaggio negativa nella base N del transistore PNP. Anche questa provoca una corrente di collettore i_P del transistore PNP che viene portata da cavità e che rinforza la corrente di pilotaggio iniziale del transistore NPN.

Così entrambi i transistori si influenzano vicendevolmente fino a che si ha nella zona della base un'inondazione di portatori di cariche (elettroni e cavità). A questo punto il tiristore è innescato, e può portare una corrente di carico fra gli emettitori del tiristore contrassegnati con + e -.

Figura 1

Come principio è indifferente se la corrente di pilotaggio iniziale I_ST viene fornita al transistore NPN 0 a quello PNP, cioè se il contatto d’innesco del tiristore viene dato alla base P (figura a sinistra) o alla base N (figura a destra). Solo che il contatto d’innesco dovrà essere positivo per la base P, e negativo per la base N, esattamente come IN nella figura 1
Ciò vi aiuterà più tardi a comprendere il funzionamento del tiristore a doppio effetto o triac.

Figura 2

Un tiristore semplice, che venga collegato ad una tensione alternata, può essere reso conduttore per una delle due possibili direzioni di corrente. Con adatti impulsi della corrente di pilotaggio nella fase appropriata si può influire sul valore medio istantaneo della corrente raddrizzata. (I particolari relativi si possono apprendere dalla lettura relativa al funzionamento del tiristore).

Qui occorre solo osservare che il tiristore può svolgere due diverse ed importanti funzioni: raddrizzamento della corrente e regolazione del valore medio della corrente. Per molti utilizzatori di corrente è indifferente che essi vengano percorsi da corrente continua o da corrente alternata. Ed anche per questi si può regolare il valore medio della corrente a mezzo di tiristori.

Però l’effetto raddrizzante del tiristore in questi casi è inutile, e perfino indesiderato. Perciò si collegano spesso due tiristori, come qui sotto in figura, in collegamento antiparallelo. Gli impulsi di pilotaggio possono ad es. essere forniti da due avvolgimenti secondari S₁ ed S₂ di un trasformatore. In tal modo vengono utilizzate entrambe le direzioni di corrente.

Figura 3

Forse vi domanderete se per l’impiego indicato precedentemente, siano proprio necessari due tiristori semplici con i relativi costosi contenitori e due circuiti di corrente di pilotaggio. Non si potrebbe risolvere con un solo elemento costruttivo, cioè con un tiristore a doppio effetto (triac)? A condizione però che questo elemento costruttivo potesse essere innescato con un solo circuito di pilotaggio. Vedrete che ciò è possibile.

Resta la domanda: quando un triac è più economico di due tiristori‘? A ciò non si può rispondere in modo generale.

Con un determinato componente semiconduttore, avente una determinata sezione, non si può condurre una corrente di carico di qualsiasi intensità, poiché è ammesso solo un determinato riscaldamento. Pertanto un triac deve avere una sezione almeno doppia del corrispondente tiristore, anche di più, perché la dispersione del calore con grandi sezioni è più difficile.
La produzione di tiristori di grande sezione porta a costi sproporzionati, e la produzione di triac implica complicazioni aggiuntive.

D’altra parte ci sono degli impieghi in cui il costo del componente di controllo non è determinante, ma è invece più importante quello dei restanti circuiti interessati.
Si deve quindi esaminare caso per caso, quale sia il componente più adatto per grandi potenze elettriche, cioè se convenga inserire un triac o due tiristori in antiparallelo. ‘

Se si riflette a come si possono unire in un’unica unità le due strutture quadrigiunzione, cioè i due tiristori semplici visti prima, si trovano due semplici possibilità, che qui sono indicate in figura 3. Le due figure superiori indicano l'abbinamento in una struttura NPNPN. le due inferiori quello in una struttura PNPNP.

Figura 4

Come possibilità, entrambe le soluzioni della figura 4 sono equivalenti. Differenze si manifestano solo allorquando si sceglie un metodo più o meno comodo di produzione.

Nello stato attuale dei metodi di costruzione viene spesso data la preferenza alla prima soluzione, cioè alla struttura NPNPN. Essa nella pratica viene variata come in figura 5 a destra, in modo da ottenere un disco semiconduttore di uniforme spessore. Si parte da un materiale semiconduttore di tipo N (per lo più silicio). Questo forma lo strato N centrale del triac, relativamente spesso a causa della sua capacità d’interdizione.

Gli strati P e quelli N esterni vengono ottenuti coi normali sistemi di drogaggio (per diffusione o per lega).

Il tiristore parziale sinistro, la cui parte superiore è uno strato N, vien detto tiristore normale, quello destro, la cui parte inferiore è anche uno strato N, vien chiamato antitiristore.

Figura 5

Vi preghiamo di notare che le dimensioni di spessore del disco semiconduttore, cioè l’altezza delle rappresentazioni di esso in tutte le figure, è fortemente ingrandita. Le doppie freccie nella figura sottostante possono dare una reale rappresentazione delle dimensioni fisiche nel caso di un triac, nel caso di uno relativamente grosso.

La parte di sotto della figura deve essere sotto anche in realtà; deve cioè far contatto col corpo del contenitore. Il contatto d’innesco dovrà quindi essere portato sopra. Di ciò si è tenuto conto nella figura indicando il contatto a tutta superficie della parte inferiore.

Qui il potenziale di terra, in altre parole il potenziale zero, è stato associato alla parte superiore. Ciò è vantaggioso in quanto poi il segno della corrente di pilotaggio nel proseguimento dell'articolo avrà un semplice significato fisico. Infatti il punto zero del potenziale può essere stabilito a volontà, poiché esso è solo una semplice questione di indicazione.

Figura 6

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

Come esempio d'impiego eccovi ora un comando di luminosità per lampadine. Il triac ZWT viene innescato attraverso un diac ZSD. Variando la resistenza R si può regolare la luminosità della lampadina L tra il valore zero ed il suo valore massimo. La forte corrente per la lampada fluisce lungo la linea disegnata grossa, mentre la linea sottile rappresenta il circuito di pilotaggio.

Il disegno indica solo le parti essenziali del circuito. Il modo di funzionare verrà descritto nel proseguo dell'articolo.

Figura 15

L'interruttore S nella figura 15 in realtà non è necessario. Esso serve qui solo per facilitare la spiegazione. Quando questo interruttore è aperto si possono facilmente trascurare le relazioni fra le tensioni alternate u₀ e u₁. Allora non scorre corrente di pilotaggio per ZWT e lungo la linea grossa non scorre corrente di carico. Di conseguenza il punto A è praticamente a potenziale di terra, e u₁ è la tensione al condensatore C.

Quando la resistenza R è piccola si ha che u₁ = u₀. L’ampiezza e la fase di entrambe le tensioni è uguale, vedi figura 16 a sinistra. Se invece si da ad R un grande valore, allora la corrente provocata dalla tensione u0 attraverso R e C, dipende ora solo da R ma non più da C. La corrente è inoltre in fase con u₀, poiché R è una resistenza ohmica (figura 16 a destra). Poiché in ogni condensatore la corrente è in anticipo di 90° rispetto alla tensione (vedi anche figura 16 a sinistra), nella figura a destra u₁, è in ritardo rispetto alla corrente e quindi anche in ritardo di 90° rispetto ad u₀. L’ampiezza di u₁. è molto piccola.

Figura16

Le relazioni fra u_1. e u₀ ad interruttore S aperto, nella figura 15, e che sono state rappresentate in figura 16 con diagrammi vettoriali, vengono qui rappresentate in diagramma cartesiano in funzione dell'andamento delle tensioni nel tempo. In realtà l'interruttore S non è necessario; sino a quando il diac ZSD è in blocco, u1 si comporta come ad interruttore aperto.

Poiché a ZWT disinnescato il punto A è a potenziale di terra e poiché la resistenza nel ZWT fra A e B è molto piccola, la tensione u₁, è praticamente applicata a ZSD. Poniamo ora che la tensione di blocco di ZSD sia u_K.

Quando il valore di u₁ raggiunge il valore di u_K, il ZSD si innesca da solo (figura 14) e conduce quindi una corrente di pilotaggio per ZWT.

Figura 17

Dopo ogni innesco (vedi figura 17) scorre corrente di carico nel triac e attraverso la lampada, sino a che u₀ ripassa per il valore 0, e pertanto il ZWT si disinnesca. Tanto più piccola la R tanto prima si anticipa l’innesco e più lungo diventa il tempo di flusso della corrente e di conseguenza della luminosità della lampadina. Per oscurare L si dovrà portare la R ad alti valori.

Nei punti di accensione indicati in figura 17 si hanno u₀ ed u₁ positivi o negativi. E quindi secondo le figure 9 e 10 si hanno i casi d’innesco “diretto positivo” o “inverso negativo”. Per quanto riguarda la nota posta in calce alla figura: “nessun innesco è richiesto”.

Nel triac sorge però un problema che non si pone con il collegamento in antiparallelo di due tiristori semplici. Nella figura 17 inferiore si può vedere che subito dopo i 180" la tensione u₁ è sempre ancora maggiore di u_K. Ora quando u₀ raggiunge il valore di alcuni volt in senso negativo, e prima che u₁ sia diventata minora di u_K, può avvenire un innesco all'inizio della semionda. Secondo le indicazioni date nella figura 17 sarebbe il caso di innesco “inverso positivo”. Corrispondentemente subito i 360° e 0° potrebbe avvenire l’innesco “diretto negativo”. Questi inneschi non desiderati sono indicati con linea tratteggiata nella figura 17 inferiore.

Questo significherebbe che la lampada proprio allora potrebbe maggiormente illuminarsi, quando si vorrebbe oscurarla. Per diminuire questo pericolo si potrebbe diminuire il valore di u₁ od aumentare quello di u_K, od anche variare il circuito RC ed usare un diac con diverse caratteristiche. Ma rimarrebbe sempre il pericolo che malgrado ciò subentrassero degli inneschi indesiderati, e precisamente a causa di caratteristiche dinamiche dei tiristori, delle quali qui non possiamo ora parlare.

Di conseguenza la cosa migliore è di costruire un triac che non si adatti assolutamente ai casi di innesco “diretto negativo” e “inverso positivo”. 

Questa possibilità è già stata accennata precedentemente. Per altri impieghi invece potrebbe essere desiderato che uno dei due casi “diretto negativo” ed “inverso positivo” siano a disposizione.

Per questa ragione in questo articolo abbiamo discusso di tutte e quattro le possibilità di innesco.