I tiristori costituiscono una famiglia di dispositivi a semiconduttore comprendente numerosi componenti, caratterizzati da una struttura a quattro zone pnpn e da un funzionamento in commutazione. A loro è tuttora riservato il campo del controllo delle altissime correnti e delle altissime tensioni; sono tuttavia utilizzati anche in applicazioni per potenze medie e basse.

SCR o diodo controllato

In ura a lato sono riportati rispettivamente il simbolo e la struttura interna dell'SCR: sono presenti tre terminali: anodo, catodo e gate di controllo. Si notano quattro zone pnpn; una zona di anodo, di tipo p, è adiacente ad una zona spessa e poco drogata di tipo n chiamata zona di blocco. Segue una zona nuovamente di tipo p, piuttosto sottile, detta zona di comando, ed infine una quarta zona, detta di catodo, molto drogata e sottile.

Funzionamento

Per comprendere il funzionamento del dispositivo risulta comodo far riferimento agli schemi di ura, in quest'ultimo le tre giunzioni J , J₂ e J sono rappresentate mediante diodi.

Come si può comprendere facilmente il triristore è normalmente non conduttivo per qualsiasi tensione fornita tra i terminali A e K dato che esiste sempre un diodo polarizzato inversamente (cioè una giunzione polarizzata inversamente).

Per comprendere come possa condurre in talune situazioni conviene pensare l'SCR sezionato in modo da dare origine a due BJT, uno di tipo pnp e l'altro npn, connessi fra di loro come indicato in ura.

La caratteristica che lega la corrente di ingresso I_B e di uscita I_C di un transistore a connessione ad emettitore comune si ricava facilmente dalla caratteristica di collettore ed è riportatta a lato. In essa sono evidenziate le tre zone di finzionamento. Per la particolare connessione dei due BJT nel SCR si nota che I_C1 = I_B2 e I_B1 = I_C2.

La caratteristica complessiva si può pertanto ottenere dalla precedente aggiungendo una seconda caratteristica facente riferimento agli stessi assi ma scambiati.

All'accensione del dispositivo le correnti I_C e I_B partono dal valore nullo e si stabilizzano pertanto nel punto di equilibrio stabile P1.

Conduzione per aumento di I_G: se la corrente di base I_B1 aumenta grazie ad un contributo esterno I_G il punto di lavoro si sposta verso il punto P2 di equilibrio instabile oltre il quale la corrente sale rapidamente verso il punto P3 che corrisponde alla saturazione dei due transistori. In tale caso la tensione VAK è la somma della tensione base-emettitore di T1 e di collettore-emettitore di saturazione di T2, pari quindi a VAK = 0.7+0.3 1V.

Conduzione per aumento di V_AK: Questo non è l'unico modo per innescare la conduzione dei due BJT. Infatti se la tensione V_AK aumenta (sia per il momento I_G = 0) è noto che aumenta la corrente I_CEO di fuga tra collettore ed emettitore di ciascun transistor. Pertanto le due caratteristiche si allontanano reciprocamente; l'SCR permane in interdizione anche se con lievi aumenti della corrente I_AK. Il processo evolve infine nella saturazione dei due BJT allorquando i punti P2 e P1 collassano in un solo punto per poi sparire al successivo lieve aumento. Nel momento in cui P3 rimane l'unico punto di lavoro il triristore è in conduzione. La corrente di collettore corrispondente prende il nome di corrente di aggancio I_L (latching current).

La tensione per cui questo fenomeno avviene è chiamata Tensione di BreakOver V_BO.

Chiaramente se all'aumento della tensione V_AK si associa la presenza della corrente di Gate si ottiene una diminuzione della tensione Anodo-Catodo per cui avviene l'innesco.

Spegnimeto del SCR: la conduzione dei due BJT permane anche in assenza della corrente I_G dato che i due transistori si sostengono reciprocamente lo stato di saturazione. Il punto di lavoro P3 è infatti un punto di equilibrio stabile L'unico modo allora è di spegnere completamente il sistema dei due BJT per riportarsi alla situazione iniziale I_B 0A, I_C 0A. In particolare per spegnere l'SCR è necessario che la corrente di anodo venga fatta scendere al di sotto della_ corrente di mantenimento I_H (holding current) (qualche mA), ad esempio aprendo il circuito d'uscita o, più comunemente, invertendo la polarizzazione fra anodo e catodo.

Polarizzazione inversa Per tensioni VAK negative l'SCR rimane bloccato (le due giunzioni J1 e J3 sono polarizzate inversamente) finché non viene raggiunta la tensione di rottura o di breakdown V_BD. A questo punto la corrente aumenta ma le barriere di potenziale sulle due giunzioni non vengono neutralizzate; in altre parole l'SCR si comporta come un normale diodo in zona di rottura. Si noti che l'SCR, per ragioni di sicurezza di funzionamento, non deve essere fatto lavorare vicino a V_BO o a V_BD.

Caratteristiche anodiche o di uscita

In conclusione: l'SCR è sostanzialmente un diodo e quindi può condurre solo se polarizzato direttamente. Perché conduca è però necessario iniettare una corrente, anche impulsiva, nel gate. Una volta innescato, la conduzione si autosostiene finché la corrente di anodo non scende al di sotto di I_H.

Caratteristiche di gate o di ingresso. Di norma sui fogli tecnici non vengono date le caratteristiche anodiche. Sono invece fornite, per dispositivi di elevata potenza, le caratteristiche di gate o di controllo. Fra gate e catodo l'SCR presenta una giunzione; pertanto la caratteristica di gate è analoga alla caratteristica di un diodo. A causa però della forte dispersione dei parametri, il costruttore fornisce le due curve limite (curve a e b di ura), valide per tutti i componenti aventi la stessa sigla.

Viene inoltre indicata l'area di sicuro innesco, all'interno della quale deve venire a trovarsi il punto di funzionamento affinché l'innesco del triristore sia certo. Quest'area é delimitata, oltre che dalle due curve limite a e b, dalle rette I_G(max) e V_G(max) e dall'iperbole di massima potenza dissipabile P_G(max) sul gate. Viene però esclusa una zona, per bassi valori di I_G e V_G, in cui l'innesco non è garantito. Quest'ultima zona, detta zona di innesco incerto, è indicata a tratteggio in ura e varia con la temperatura, restringendosi alle temperature più elevate. Nel disegno è stata tracciata anche una retta di carico corretta, che taglia cioè le caratteristiche nella zona di innesco sicuro.

I parametri caratteristici dell'SCR sono in parte gli stessi visti per il diodo sono illustrati più avanti.

Parametri dei Tiristori.

dV/dt max. Rappresenta il valore limite della pendenza che può possedere la tensione (positiva) applicata ai capi dei morsetti A e K quando l'SCR non è in conduzione affinché esso rimanga in tale stato con I_G = 0. Se tale limite è superato (sebbene il gate non sia comandato) il diodo controllato può commutare in stato di ON. Questa commutazione è detta indesiderata.

Quando l'SCR è OFF infatti, con V_AK positiva, la giunzione J₂, come si è detto, risulta polarizzata inversamente. Ai suoi capi si forma allora una zona di svuotamento, caratterizzata dalla relativa capacità di transizione (vedi ura). Una brusca variazione di V_AK provoca allora il passaggio di una corrente di gate:

che, se sufficientemente elevata, provoca l'innesco del dispositivo, indipendentemente dal circuito pilota. Il costruttore stabilisce allora il valore massimo ammissibile della variazione di V_AK e lo indica con dv/dt (i valori vanno dalle decine alle centinaia di V/µs). Il rischio di variazioni eccessivamente veloci della V_AK è particolarmente presente nel caso di carichi induttivi. Per rientrare nei limiti del dv/dt ammesso, si fa uso di circuiti smorzatori (snubber) RC posti in parallelo all'SCR, come si vedrà più avanti.

Tempi di commutazione. Con t_off o t_q, tempo di spegnimento (turn-off time), si intende l'intervallo fra l'istante in cui I_A giunge da valori di piena conduzione (90% I_AKmax) a zero e l'istante in cui può nuovamente essere applicata una V_AK diretta, senza che l'SCR esca dallo stato di blocco in cui è stato portato. È il tempo di commutazione più lungo (da qualche µs alle decine di µs negli SCR normali) e dipende dalla ricombinazione delle cariche minoritarie ai capi delle giunzioni, in particolare di J₂. Esistono SCR veloci (fast SCR) in cui t_q è stato ridotto a valori inferiori al µs.

Il tempo di innesco (turn-on time), indicato con t_on o t_gt indica l'intervallo di tempo necessario affinché l'SCR entri in conduzione (90% I_AKmax) a partire dall'applicazione dell'impulso di gate. Si compone di un tempo t_d (delay time, tempo dall'applicazione dell'impulso fino al 10% I_AKmax) e di un tempo t_r (rise time tempo dal 10% al 90% I_AKmax). Aumentando l'ampiezza del comando di gate, si riduce il tempo di commutazione. Si tenga presente che durante la commutazione viene dissipata notevole potenza, per la contemporanea presenza durante il transitorio di correnti e tensioni anodiche elevate.

TRIAC

L'SCR è un tiristore unidirezionale poiché in esso la corrente scorre in un solo verso. Il triac al contrario è bidirezionale ed assolve quindi alla funzione di due SCR collegati in antiparallelo con il vantaggio di una semplificazione del circuito di comando del Gate che è ovviamente unico. In ura è riportato il simbolo grafico e si distinguono due terminali principali MT1 e MT2 e la conformazione interna. Si possono riconoscere le strutture pnpn di due SCR in antiparallelo: con le linee tratteggiate è indicato il flusso della corrente dell'SCR che ha il suo anodo in MT2 ed il catodo in MT1 con le linee continue la corrente dell'SCR con anodo in MT1 e catodo in MT2.

Il funzionamento del triac è analogo a quello del diodo controllato con la differenza che può lavorare non solo nel I quadrante, cioè con V_MT > 0 e I_MT > 0, ma anche nel III quadrante, con V_MT < 0 e I_MT < 0 La tensione di innesco può presentare la stessa polarità o polarità invertita rispetto a V_MT In altre parole con V_MT >,0 è possibile l'innesco sia con V_G positiva che negativa analogamente con V_MT <O. La sensibilità all'innesco, a causa della struttura non simmetrica, è pero maggiore nel I quadrante con V_G positiva e nel III quadrante con V_G negativa, leggermente inferiore nel I quadrante con V_G negativa e decisamente più bassa nel III quadrante con V_G positiva.

DIAC

La caratteristica I-V del DIAC si ricava facilmente dalla caratteristica del TRIAC poiché ha la stessa struttura interna ma è privo del terminale di Gate. La caratteristica corisponde pertanto alla caratteristica del TRIAC per IG = 0. Questo componente, diversamente dal TRIAC è previsto che funzioni con tensioni superiori alla sua tensione di breakover V_BO in modo che si comporti come una connessione a bassa resistenza quando la tensione ai suoi capi T2 e T1 supera la tensione di scarica.

GTO (gate turn-off)

Un inconveniente degli SCR e dei TRIAC è costituito dalla complessità dei circuiti necessari per il loro spegnimento quando lavorano con tensioni continue. Il GTO (gate turn-off) è viceversa un tiristore di potenza (correnti anche di 2000A, tensioni fino a 2 kV e più) unidirezionale in grado di essere spento mediante un comando di gate.

Presenta una struttura simile a quella dell'SCR; tuttavia per consentire al gate di influire fortemente sul catodo, le zone di gate e di catodo vengono costruite secondo una struttura a stella o a pettine fortemente interdigitata, in modo che risultino affacciate fra di loro lungo un perimetro il più esteso possibile.

L'innesco avviene iniettando una corrente nel gate, analogamente all'SCR. Per lo spegnimento o si procede come per gli altri tiristori, abbassando cioè la corrente anodica al di sotto del valore di mantenimento, oppure si applica al gate una tensione negativa di una decina di volt. Polarizzando negativamente la giunzione gate-catodo, parte della corrente di anodo viene deviata nel gate, interrompendo così il processo rigenerativo che autosostiene la conduzione. L'impulso negativo di corrente che fuoriesce dal gate nella commutazione in OFF è molto elevato (può in certi casi arrivare a 1/3 della corrente anodica) per cui è necessario dimensionare opportunamente il circuito di comando.

In ura sono illustrati due simboli del GTO e lo schema di principio per il suo comando.

PARAMETRI DEI TIRISTORI

I simboli adottati nei fogli tecnici per i parametri dei tiristori sono derivati da quelli usati per i diodi. In generale per quanto riguarda il primo pedice, la lettera R indica che il tiristore è polarizzato inversamente; le lettere T e D indicano che il tiristore è polarizzato direttamente e si trova rispettivamente nello stato ON o nello stato OFF. Con il pedice G si intendono le grandezze relative al gate; se questo pedice non è specificato, è sottinteso che le grandezze sono relative ai terminali principali. Per semplicità parleremo di anodo e catodo anche per il triac, anziché di terminale principale 2 e terminale principale 1. I parametri caratterizzanti i tiristori sono:

Tensioni di anodo (vedi

VT tensione continua nello stato ON;

VDWM    (direct working max) massima tensione diretta di lavoro nello stato OFF, escludendo ogni transitorio ricorrente e non ricorrente;

VDRM  (direct repetitive max) massima ten­sione diretta ripetitiva nello stato OFF, compresi i transitori ricorrenti;

V_DSM (direct surge max) massima tensione diretta non ripetitiva nello stato OFF; sono compresi i transitori non ricorrenti, che si verificano ad esempio all'accensione o in situazioni impreviste;

VRWM massima tensione inversa di lavoro;

VRRM  massima tensione inversa ripetitiva;

V_RSM    massima tensione inversa non ripetitiva.

Correnti di anodo:

I_T  corrente continua nello stato oN;

IT(RMS)   (root mean square) valore efficace del la corrente nello stato ON;

IT(AV)  (average) corrente media nello stato ON;

ITSM    corrente di picco non ripetitiva nello stato ON;

IDRM   corrente di picco diretta ripetitiva nello stato OFF;

IRRM   corrente di picco inversa ripetitiva;

I_H   corrente di mantenimento. È la minima corrente anodica in grado di mantenere il tiristore in stato di ON;

I_L   corrente di aggancio (latching current). È la minima corrente anodica in grado di mantenere il tiristore oN immediatamente dopo che è avvenu­ta la commutazione OFF-ON ed il segnale di gate è stato rimosso.

Parametri di gate:

I_GT minima corrente di gate richiesta per la commutazione in ON;

V_GT  tensione di gate richiesta per produrre I_GT.

Altri parametri

dv/dt  massima variazione ammessa per la tensione anodica;

di/dt massima variazione ammessa per la corrente anodica. Superando questo valore, la non uniforme distribuzione della corrente all'innesco può danneggiare irreparabilmente il tiristore. Un rimedio consiste nell'inserire induttanze saturabili in serie ai terminali (ad esempio induttori a perline o bead core). Queste, nella fase iniziale del transitorio, a causa dell'alta induttanza rallentano la variazione della corrente, per poi sostanzialmente autoescludersi una volta che la corrente, aumentando, le ha saturate;

Rt_hJc resistenza termica giunzione contenitore;

Rt_hJa resistenza termica giunzione ambiente;

I²t fornisce una misura della capacità del tiristore di resistere ad una sovracorrente non ripetitiva. Serve per il dimensionamento di eventuali fusibili rapidi, che devono presentare, per essere efficaci, un I²t più basso.

Rete RC di snubber

Si consideri il caso di carico puramente resistivo. Fino all'istante t_o il comando di gate, viene costantemente applicato dal circuito di trigger (C.T.) in modo da avere un angolo di conduzione di ~180°. La forma d'onda di corrente risulta ovviamente in fase con quella di tensione. All'istante t₁, il comando di trigger viene tolto ma il tiristore non si spegne fino all'istante t , allorché la corrente anodica si è portata al di sotto della corrente di mantenimento. A questo punto la tensione anodica viene a coincidere con quella di rete V_M sin ωt. La massima pendenza di questa forma d'onda si ha all'inizio della sinusoide e vale ωV_M (si è calcolata la derivata nell'origine). Per V_M = 220 x √2 = 311 V ed f = 50 Hz, si ottiene una variazione dv/dt = 0,097 V/µs, senz'altro inferiore a quella critica del tiristore. Il funzionamento cambia nel caso di carico induttivo. Come si vede nella relativa ura, la corrente risulta sfasata in ritardo di 90° rispetto alla tensione; allorché, all'istante t₁, il tiristore passa in OFF, la tensione anodica sale bruscamente al valore VM. La sua variazione dv/dt è ora molto elevata e può succedere che il tiristore inneschi spontaneamente. Una soluzione al problema consiste nel porre in parallelo al tiristore la rete smorzatrice (snubber) RC di ura. Allorché, all'istante t1, il tiristore passa in OFF, si viene ad avere un circuito RLC alimentato da VM e la tensione anodica viene ad assumere un andamento oscillante del tipo illustrato nella ura successiva, in cui per chiarezza l'asse dei tempi è stato dilatato. I calcoli per determinare il valore di picco della tensione e per dimensionare correttamente la rete di smorzamento sono piuttosto complessi. Esistono però diagrammi del tipo di quello di ura, valido per tensione di rete di 220 V, che forniscono direttamente i valori di R e C della rete di snubber. Noto il valore efficace della corrente che scorre nel tiristore quando l'angolo di conduzione è 180°, si sale fino ad intersecare la linea a tratto continuo corrispondente al valore di dv/dt desiderato. Il punto di intersezione fornisce il valore della capacità. L'intersezione viceversa con la retta a tratteggio prescelta fornisce il valore della resistenza. Ad esempio, con una corrente efficace di 40 A ed un dv/dt desiderato di 5 V/µs, si ottiene C = 200 nF e R = 350 Ω. I valori ricavati dal diagramma assicurano una variazione dv/dt della tensione anodica non superiore a quella prescelta ed un picco della tensione inferiore a 400 V. In realtà il carico non è mai puramente induttivo sicché il picco di tensione è sempre notevolmente più basso del valore così ricavato.

Potenza dissipata da un SCR

La potenza assorbita da un SCR ideale è nulla in quanto le sue condizioni di lavoro sono caratterizzate da una tensione nulla o da una corrente nulla. Un, SCR reale si comporta in maniera diversa; infatti, nella fase di transizione da ON a OFF e vice­versa, vi è un intervallo di commutazione in cui la potenza assorbita è diversa da ze­ro. In ura 15 è riportato l'andamento di tale potenza nell'intervallo di commuta­zione da OFF ad ON. Per ogni commutazione si ha un assorbimento di energia E pari all'area racchiusa dalla curva della potenza. Questo valore può essere calcolato approssimativamente con la relazione

Indicando con T l'intervallo di tempo fra due commutazioni, possiamo ricavare la potenza media assorbita utilizzando la relazione

I valori I_M e V_M sono i valori massimi assunti da I_A e VAK

Nel caso che la commutazione avvenga con il doppio della frequenza di rete e quindi con T = ms e tenendo conto che t_r è dell'ordine dei µs (es.. 10 µs) si può ricavare che:

Da ciò si può notare che, per frequenze di commutazione basse, la potenza dissipata dal dispositivo è decisamente insignificante rispetto alla potenza controllata V_M . I_M. Il problema della dissipazione diventa decisamente più impegnativo quando bisogna regolare potenze dell'ordine dei kW con frequenze di commutazione intorno ai kHz. Per esempio, se P_M = 100 kW, t_r = 10 µs ed f = kHz, si ottiene una potenza media dissipata P = 200 W

Punto di lavoro

Un punto di equilibrio si dice stabile se l'effetto di una variazione temporanea del punto in un suo opportuno intorno è lo spostamento stesso del punto di lavoro in una nuova posizione e lì vi rimane fintanto che permane la perturbazione. Il punto di lavoro ritorna autonomamente (a causa delle forze interne al sistema di qualunque genere) alla posizione originaria quando la perturbazione si conclude.

Un punto di equilibrio si dice instabile se l'effetto di una variazione temporanea del punto in un suo qualunque intorno è l'allontanamento progressivo e autonomo del punto di lavoro dalla posizione originaria anche quando la perturbazione si conclude.

Un punto di equilibrio si dice indifferente se l'effetto di una variazione temporanea del punto in un suo opportuno intorno è un nuovo punto di lavoro che permane anche a perturbazione conclusa.

Un esempio fisico delle tre situazioni è il sistema costituito da una sfera e da una superficie di forma convessa, concava e piana rispettivamente

Diagramma I_B-I_C per un BJT

Il diagramma I_B-I_C per un BJT si ricava facilmente dalla caratteristica di uscita a emettitore comune connesso ad un carico come in ura. Tracciata su tale caratteristica la retta di carico (data dall'equazione ottenuta dal 2° principio di Kirchhoff alla maglia di uscita Vcc - Rc x Ic - Vce = 0 ) si nota come per I_B = 0 la corrente I_C sia pari a I_CEO, al crescere di I_B (oltre la zona di interdizione) il legame sia lineare e dato dal rapporto costante I_C / I_B = Hfe, mentre quando il punto di lavoro si sposta in zona interdizione il valore di I_C rimane pressoché costante all'aumentare di I_B.