Funzionamento Tiristore

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Categoria: Elettronica

Pubblicato Domenica, 11 Maggio 2014 14:28

Scritto da Super User

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Ora che abbiamo appreso come si svolge l'effetto di innesco di un tiristore nelle sue singole fasi, torniamo alla nota costruzione stratificata (vedi figura sotto).

Dobbiamo constatare che ogni giunzione PN del tiristore svolge una particolare funzione.

Iniziamo con la giunzione PN3. Abbiamo visto la sua funzione nell'innesco. Essa nell'innesco si assume il compito di giunzione Emettitore-Base del transistore , ed essendo molto conduttiva possiede una bassa resistenza.

PN2 è la giunzione che determina la capacità di bloccare il tiristore

PN1 è responsabile dell'azione di interdizione del tiristore . In realtà anche PN3 è polarizzata come PN1, ma a causa della sua bassa resistenza non contribuisce all'interdizione. Con l’usuale polarizzazione di un tiristore, lo stato di interdizione ricade sulla giunzione PN1 dove si crea interamente la tensione di interdizione.

Le considerazioni fatte sulle varie funzioni delle singole giunzioni, devono servirci per esaminare le capacità massime di interdizione e di blocco di un tiristore.

Rammentiamo brevemente da cosa è caratterizzata la possibilità di interdizione di una giunzione PN, visto che ci siamo già occupati di ciò esaminando i raddrizzatori. Una giunzione PN non può sopportare, nel senso dell'interdizione, una tensione qualsiasi, alta quanto si vuole. Con l’aumento della tensione di interdizione, o meglio di diffusione, cresce anche l’intensità di campo nella giunzione. Quando questa raggiunge un certo livello critico, appunto l’intensità critica, si instaura una rottura della tensione di diffusione; in altre parole la corrente nel senso dell'interdizione inizia a scorrere e cresce a valanga, mentre la tensione di diffusione non aumenta più. 

Questo comportamento di una giunzione PN nel senso dell'interdizione può essere senz'altro riportata allo stato di interdizione di un tiristore (quindi a PN1) e vale alla stessa maniera.

Per il caso del “blocco” (PN2) le condizioni sono alquanto diverse. In un primo istante avviene come nel caso dell'interdizione. Aumentando però la tensione di blocco, cresce l’intensità di campo in PN2 sino a che raggiunge l’intensità critica, si instaura a questo punto la rottura della tensione di blocco e quindi scorre a valanga la corrente nel senso del blocco, ma in questo caso essa funge da corrente di innesco del tiristore. Ciò significa che il tiristore si innesca quando si giunge alla rottura della tensione di blocco. Questa tensione in PN2, (al contrario di PN1) quasi si annulla. Il tiristore passa nello stato di conduzione anche senza pilotaggio; questo effetto si chiama: innesco spontaneo del tiristore.

Ora dobbiamo vedere come si può ottenere l’effetto opposto, cioè disinnescarlo, annullando la corrente di conduzione.

Annullare la corrente di conduzione significa: limitare così fortemente la diffusione dei portatori di cariche all'interno del tiristore, da provocarne l’interdizione. Allora il tiristore sarà nuovamente in grado di sopportare una tensione. Ciò però solo se si riesce a riportarlo dallo stato di conduzione a quello di blocco o di interdizione.

Il disinnesco può solo avvenire tramite un intervento nel circuito principale di corrente.

Per far ciò si hanno due possibilità: la prima consiste nel porlo in stato di “non passaggio di corrente” cioè di blocco, interrompendo il circuito principale. I portatori di cariche all'interno del tiristore scompaiono ricombinandosi, cioè ogni due cariche contrarie si annullano reciprocamente. Si ottiene così uno stato di blocco o di “non corrente”.

La seconda possibilità consiste nell'interdire il tiristore invertendo la polarità del circuito principale. Allora la maggior parte dei portatori di cariche viene risucchiata dall'interno del tiristore e la rimanenza scompare per ricombinazione. Esso viene come “svuotato”. Anche la conduzione viene così interrotta.

In nessun caso il tiristore può essere disinnescato interrompendo la corrente di pilotaggio, poiché questa nello stato di conduzione si autoalimenta. Dal che si deduce: in stato di conduzione la corrente di pilotaggio è perfino superflua.

Con gli usuali tiristori di potenza si può ottenere lo stato di conduzione con il circuito di pilotaggio, e lo si interrompe intervenendo sul circuito di corrente principale.

Ripetiamo: interrompendo la corrente di pilotaggio NON si può interrompere il suo stato di conduzione.

Se noi consideriamo attentamente la fase di innesco, osserviamo che già durante il procedere del processo di innesco la corrente di pilotaggio diventa superflua.

Esaminiamo ancora attentamente questa fase nella rappresentazione transistorizzata (vedi figura sottostante). Si può osservare che la corrente di pilotaggio nel Tr2 provoca una corrente di collettore che agisce contemporaneamente come corrente di base del transistore Trl. La risultante corrente di collettore del Trl torna a passare come corrente di base nel Tr2. Non appena le correnti di collettore di Trl e Tr2 raggiungono una certa intensità (rappresentate nella figura dalle frecce grosse rossa e verde), la corrente di pilotaggio del tiristore può essere interrotta, senza che con ciò si interrompa il processo di innesco. Da questo momento la corrente principale del tiristore si autoalimenta.

Necessitiamo dunque solo di una breve corrente di pilotaggio, di un impulso pilota per iniziare l’innesco.

Abbiamo così appreso una proprietà caratteristica del tiristore: il pilotaggio ad impulsi.

Di conseguenza parlando del tiristore si parlerà oltre che di corrente di pilotaggio, anche di impulso di pilotaggio o di impulso di innesco.

Il pilotaggio ad impulsi è un’importante caratteristica del tiristore. Per dimostrare ancor più chiaramente questa particolarità, paragoniamola al controllo di un transistore.

Richiamiamoci ancora una volta al modo di controllare un transistore. Fornendo alla base di un transistore una certa corrente, si provoca una corrente di collettore, ed è particolare caratteristica del transistore che con l’intensità della corrente di base si determina l’intensità della corrente di collettore. Cioè aumentando la prima aumenta in proporzione la seconda e viceversa. Con corrente di base nulla, lo è anche quella di collettore.

Quindi il transistore è controllato solo in modo continuo a mezzo della corrente di controllo alla base.

Ciò chiarisce totalmente la differenza essenziale tra transistore e tiristore: nel tiristore la corrente principale di conduzione non può essere influenzata dall'intensità di corrente di pilotaggio. Nello stato di innesco la corrente di innesco è sempre la massima.

Come si è visto, il tiristore può essere pilotato ad impulsi, mentre qui abbiamo visto che il transistore deve essere controllato permanentemente.

Il controllo continuo, necessario per il transistore, determina il suo campo di applicazione. Per questa sua proprietà il transistore si adatta particolarmente al controllo di correnti continue. Di conseguenza viene usato come interruttore di correnti continue.

La seguente rappresentazione figurata ce lo può chiarire.

Transistore e circuito di controllo

Rappresentazione della tensione di batteria rispetto al tempo: essa è costante.

Variazione temporanea della corrente di controllo, causata ad esempio da apertura e chiusura dell'interruttore S nel circuito di controllo, ad intervalli regolari

Andamento della corrente principale di collettore, causata dalle periodiche variazioni della corrente di controllo.

Figura A) Transistore e circuito di controllo B) Rappresentazione della tensione di batteria rispetto al tempo: essa è costante. C) Variazione temporanea della corrente di controllo, causata ad esempio da apertura e chiusura dell'interruttore S nel circuito di controllo, ad intervalli regolari D) Andamento della corrente principale di collettore, causata dalle periodiche variazioni della corrente di controllo.

Esaminiamo ora il campo d’impiego del tiristore. Abbiamo visto che esso può essere pilotato ad impulsi. Per interrompere la corrente principale il tiristore deve essere riportato nello stato di blocco o di interdizione. Ciò si può ottenere, senza complicazioni costruttive semplicemente applicando al tiristore una tensione alternata.

Collegando ad es. un tiristore alla normale rete di distribuzione di corrente alternata a 50 Hz, l’inversione di polarità, che interrompe la corrente principale, avverrà 50 volte al secondo. Di conseguenza il tiristore si adatta particolarmente al controllo di correnti alternate, e di conseguenza viene classificato come interruttore per corrente alternata. La seguente rappresentazione schematica ce lo chiarirà.

Figura A)Tiristore con circuito principale e circuito di pilotaggio. B) La tensione V ≈ alternata alimenta il circuito principale. (L’andamento della tensione è sinusoidale). C) Andamento nel tempo degli impulsi di pilotaggio, causati ad es. da brevi aperture e chiusure dell'interruttore S, ad eguali intervalli di tempo. D) Andamento della corrente principale. Dall'istante dell'impulso d’innesco sino al momento in cui la tensione alternata applicata al circuito principale arriva al Valore ZERO, scorre corrente.

Siamo così giunti alla fine delle considerazioni sulle caratteristiche funzionali del tiristore. Si possono ampliare le sue funzioni quale interruttore di corrente alternata, ed esaminiamo come, in base alla rappresentazione schematica qui sotto riportata.

Spostando gli impulsi di pilotaggio lungo l’asse dei tempi, possiamo innescare il tiristore in qualsiasi istante dell'alternanza positiva della tensione.Avremo così una corrente che da quell'istante scorrerà, sino a che la tensione diverrà ZERO (tratteggiata nella figura). Ciò significa: la scelta del punto di innesco determina la grandezza dell'area tratteggiata, e quindi l’intensità della corrente principale T(valore medio della corrente continua raddrizzata).

Questa caratteristica facilita il pilotaggio del tiristore.

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