TIRISTOARE

Tiristorul este un dispozitiv semiconductor format din patru straturi dopate p si n, dispuse alternativ, alcatuind trei jonctiuni, ca in figura 14.1. El prezinta trei electrozi: anot, catod si poarta. Simbolul sau este prezentat in figura 14.1.

I. Tiristoare

Ø Parametrii electrici ai tiristorului

Ø Parametrul IH

Ø Parametrul IL

Ø Viteza de crestere a curentului anodic

Ø Viteza de crestere a tensiunii

Ø Aplicatii

Ø Amorsarea

Ø Dezamorsarea

II. Triacul

Ø Definitie si simbol grafic

Ø Caracteristica curent-tensiune a triacului

Ø Circuite de comanda pentru triace

III. Diacul

Ø Definitie si simbol grafic

Ø Caracteristica curent-tensiune a diacului

Ø Aplicatii ale diacelor

IV. Bibliografie

Modul de functionare al tiristorului este ilustrat de caracteristica tensiune anodica-curent anodic (fig. 14.2). Daca se aplica o tensiune continua intre anod si catod, tiristorul ramane blocat, indiferent de sensul acesteia. Marind tensiunea aplicata, atat in polarizare directa (anodul pozitiv), cat si in polarizare inversa (catodul pozitiv), tiristorul ramane blocat la o anumita valoare la care se strapunge, curentul prin el crescand foarte mult. Valoarea tensiunii anodice la care tiristorul se strapungre atunci cand este blocat invers se numeste tensiune inversa continua.

Valoarea tensiunii anodice la care tiristorul se strapunge in polarizare directa (cu + pe anod si - pe catod) se numeste tensiune de strapungere in direct sau tensiune de intoarcere.

Aplicand un impuls pe poarta atunci cand tiristorul este polarizat direct, deschiderea acestuia are loc la o valoare mai mica a tensiunii anodice. Acest fenomen este reprezentat printr-o detlasare a caracteristicii I-U spre stanga (fig.14.3).

Din punct de vedere al functionarii , tiristorul poate fi schivalat cu doua tranzistoare, pnp si npn, dispuse cain figura 14.4. Aplicand un impuls pozitiv pe baza tranzistorului npn (T1), acesta se deschide, de asemenea se deschide si T2 a carui baza e conectata la colectorul lui T1. Ca urmare, colectorul lui T2, legat la baza lui T1, va furniza un curent care il mentine deschis pe T1 chiar in absenta semnalului initial.

Deschiderea tiristorului se numeste amorsare.

1. PARAMETRII ELECTRICI AI TIRISTORULUI

1.1. Principalii parametri electrici ai tiristorului sunt

- tensiunea de strapungere in direct, VBR[V]

- tensiunea de poarta, de amorsare, VGT[V]

- tensiunea inversa continua, VR[V]

- curentul continuu direct de poareta, de amorsare, IGT[A]

- curentul anodic direct mediu, IFAV

1.2. Pentru aplicatii sunt importanti si urmatorii parametri:

curentul continuu direct de mentinere, IH(IHOLD)[A]

curentul de acrosaj, IL (ILATCH)[A]

viteza critica de crestere a curentului anodic, dI/dt [A/µs]

viteza de crestere a tensiunii anodice, dV/dt [V/µs]

timp de dezamorsare prin comitarea circuitului, tq [s]

1.3. Parametrul IH caracterizeaza trecerea tiristorului din starea de conductia in starea de blocare. Daca se micsoreaza curentul anodic printr-un tiristor amorsat, exista o valoare critica a acestuia pentru care tiristorul iese din conductie si se blocheaza. Valoarea critica a curentului anodic pentru care tiristorul dezamorseaza se numeste curent de mentinere.

Daca tensiunea aplicata intre anod si catod este alternativa, iar poarta este atacata in impulsuri sincrone cu frecventa tensiunii anodice, atunci tiristorul amorseaza pentru fiecare semialternanta pozitiva a tensiunii anod-catod si dezamorseaza pentru semialternantele negative. Cunoscand IH se poate determina momentul de tip din semialternanta pozitiva in care tiristorul dezamorseaza.

1.4. Parametrul IL caracterizeaza trecerea tiristorului din starea de blocare in starea de conductie. La aplicarea unui impuls pozitiv pre poarta, curentul anodic incepe sa creasca de la 0 la valoarea maxima pe care i-o ingaduie rezistenta circuitului exterior.

Daca impulsul pe poarta se intrerupe ininte de a ajunge curentul anodic la o valoare critica, atunci tiristorul nu amorseaza.

Valoarea critica a curentului anodic pentru care tiristorul amorseaza chiar daca se intrerupe semnalul pe poarta se numeste curent de acrosaj.

Observatie: Cunoasterea lui IL este necesara pentru determinarea duratei minime a impulsului pe poarta.

1.5. Viteza critica de crestere a curentului anodic(d/dt). La amorsarea unui tiristor, tensiunea la bornele sale nu cade instantaneu la zero si curentul creste dupa o lege care depinde de impedanta circuitului exterior. Puterea disipata de tiristor este cu atat mai mare cu cat curentul anodic creste mai repede. In momentul amorsarii, conductia se face intr-o zona mica in jurul portii. Ca urmare, densitatea de curent e mare. Daca puterea necesara a fi disipata depaseste puterea disipata maxima a dispozitivului, acesta se distruge.

1.6. Viteza de crestere a tensiunii (dV/dt). O viteza excesiva de crestere a tensiunii anodice poate duce la deschiderea tiristorului in absenta semnalului de poarta la o valoare mai mica decat VBO. Acest fenomen se datoreaza capacitatii interne a tiristorului, care se incarca la un curent i=c dV/dt. Acest curent poate fi suficient, daca dV/dt e mare, pentru a declansa amorsarea.

Daca viteza de variatie a tensiunii anodice este mare (de exemplu cea data de bobina de inductie de la automobile pentru un circuit de aprindere electronica cu tiristor), atunci tiristorul se deschide prin efect dV/dt si se poate distruge prin efect dI/dt.

Valoare curentului de acrosaj, IL, este mai mare decat valoarea curentului de mentinere, IH, pentru un tiristor dat.

In tabelul 14.I sunt prezentate cateva tipuri de tiristoare:

Cod Analiza: ZINCUL - metabolismul zincului - rolul biochimic al zincului Proiect: Hidrogen, oxigen, sulf, carbon - elemente chimice	VR [V]	IFAV [A]	P [W]	VGT [V]	IGT [mA]	tq [µs]	dV/dt [V/µs]	dI/dt [A/µs]
T1N-05 . 8		1	0,1	3	10	N=50	50	10
T3N-05 . 8	-	3	0,6	3	N=40 R=50	N=50 R=10	50	20
T6N-05P . 6P	-	6	1	2	30	N=50 R=20	50	20
T10N-05 . 8	-	10	1	3	N=50 R=100	N=200 R=20	50	20 20

2. APLICATII

2.1. Amorsare

Circuitul din figura 14.5 reprezinta un montaj clasic, elementar, pentru declansarea tiristorului in curent continuu.

In figura 14.6 este prezentat un montaj pentru declansarea tiristorului in curent alternativ. Dioda D are rolul de a limita excursia inversa a tensiunii de poarta sub valoarea maxima admisibila pentru tiristor.

Tiristorul poate fi amorsat si cu un semnal pe poarta de forma unor impulsuri, acest semnal prezentand urmatoarele avantaje:

permite o putere de varf superioara puterii medii admisibile pe poarta;

reduce intarzierea dintre semnalul pe poarta si cresterea curentului anodic;

disiparea datorata cresterii curentului rezidual este redusa.

Pentru a obtine rezultate bune in amorsarea unui tiristor este bine sa se tina seama de urmatoarel:

poarta sa fie atacata in curent cu ajutorul unui generator;

curentul de comanda sa fie de 3-5 ori valoarea IGT specificat pentru acel tip de tiristor;

durata impulsului trebuie astfel calculata incat curentul comanda sa ramana mai mare decat IGT pana cand curentul de anod depaseste IL.

In figura 14.7 este prezentata un circuit de comanda cu intarziere. Temporizarea este data de:

constanta RC;

panta tensiunii anodice;

Dioda D1 are rolul de a descarca capacitorul pe alternanta negativa.

Unghiul de deschidere al tiristorului se poate regla din rezistenta Rp ca in figura 14.8.

Dioda D2 incarca negativ armatura superioara a capacitorului pe timpul alternantei negative, ceea ce permite ciclului sa se reia de la un nivel de tensiune constant.

Acelasi principiu de declansare poate fi aplicat si la circuitul din figura 14.9, in care sarcina este alimentata pe parcursul ambelor alternante.

Montajul din figura 14.10 prezinta o modalitate de protectie a tiristorului contra efectului dI/dt.

2.2. Dezamorsare

In figura 14.11 sunt prezentate 3 moduri de dezamorsare a unui tiristor.

TRIACUL

1. Definitie si simbol grafic

Triacul este o componenta semiconductoare, care inlocuieste doua tiristoare montate in antifaza in aceeasi pastila semiconductoare si care este prevazuta cu o singura poarta si cu doua borne pentru curentul principal.

Structura interna a unui triac este prezentata in figura 15.1, iar schema echivalenta a acestuia in figura 15.2.

Fata de tiristoare, triacul prezinta avantajul ca poate fi trecut un starea de conductie atat in semiperioada pozitiva, cat si negativa a curentului alternativ.

2. Caracteristica curent-tensiune a triacului

Pentru definirea caracteristicii curent-tensiune a triacului se considera ca referinta borna T1 (fig. 15.1).

Cand terminalul T2 +este pozitiv in raport cu T1, amorseaza tiristorul format din structurile p4,n3,p2,n1 (daca si potentialul portii G este pozitiv in raport cu cel al terminalului T1); cand terminalul T2 devine negativ si terminalul T1 joaca rol de anod, intra in conductie tiristorul p2,n3,p4,n5, care amorseaza atunci cand poarta este negativa in raport cu T1. Caracteristica curent-tensiune a triacului are forma din figura 15.4 (pentru IG2>IG1>0).

Ca si in cazul tiristoarelor, comanda pe poarta triacului se efectueaza prin tensiune continuua, alternativa sau in impulsuri.

In absenta semnalului de poarta, IG=0, se defineste o tensiune de blocare, UBR; aceasta tensiune trebuie sa fie mai mare decat amplitudinea tensiunii alternative aplicate intre cei doi anozi T1 si T2 ai triacului, pentru a putea exista un control prin poarta asupra triacului.

Din caracteristica curent-tensiune a triacului rszulta ca, pe masura ce creste curentul de comanda aplicat pe poarta, triacul poate bascula la tensiuni din ce in ce mai mici. Triacul este blocat in ambele sensuri atat timp cat IG=0 si tensiunea aplicata intre T1 si T2 nu depaseste UBR.

Datorita structurii mai complexe a triacului, functia de comanda a portii se exercita in patru moduri distincte, prezentate in figura 15.5, moduri cunoscute si consacrate in limbajul tehnic de specialitate ca ,,functionarea in patru cadrane''. Sensibilitatea la comanda a triacului este maxima in cadranul I, medie in cadranul III si minima in cadranul IV.

Altfel exprimat, sensibilitatea comenzii este maxima cand ambele tensiuni aferente terminalelor T1 si T2 sunt pozitive, ceva mai mica este atunci cand ambele sunt negative, iar sensibilitatea este cea mai mica atunci cand tensiunea de poarta este pozitiva, iar tensiunea anodica este negativa (T2 negativ fata de T1).

Ca si tiristoarele, triacul amorseaza la depasirea unei anumite tensiuni anodice, dar pentru ambele polaritati ale acestuia. Aceasta proprietate ii asigura o autoprotectie interna fata de tensiunile tranzitorii care pot aparea in circuitul in care se gaseste: la aparitia supratensiunilor, triacul amorseaza de la sine uin loc sa se strapunga.

Daca aceasta amorsare este necontrolata, atunci ea poate fi nedorita pentru sarcina si trebuie luate masuri pentru eliminarea supratensiunilor pe triac care pot produce amorsarea lui.

3. Circuite de comanda pentru triace

Utilizarea triacului in contactoarele statice - dispozitive electronice care servesc pentru inchiderea sau deschiderea circuitelor electrice de curent alternativ sau de curent continuu - impune prezentarea modalitatilor de realizare ale comenzilor poarta cu particularitatile specifice fiecarui tip de comanda.

In figura 15.6 este prezentat un contactor static cu triac. Intrarea in conductie a triacului se face la cateva microsecunde dupa aplicarea semmalilui de comanda pe poarta. Iesirea din conductie a triacului se produce in momentul anularii naturale a curentului din circuitul principal, in cazul sarcinilor pur rezistive acest moment avand loc in momentul trecerii prin zero a tensiunii alternative.

Comanda triacului se poate face cu ambele polaritati ale semnalului aplicat intre anod si catod ( terminalul T1), pentru ambele polaritati ale tensiunii dintre anod si catod (intre terminalele T2 si T1).

Grupul RC in paralel pe triac actioneaza in sensul eliminarii supratensiunilor care ar putea produce autoamorsarea , acest grup constituind, impreuna cu sarcina, impedanta interna a sursei de supratensiune si impedanta conductoarelor de alimentare un divizor de tensiune. Totodata grupul RC realizeaza si o reducere a vitezei de crestere a tensiunii pe triac. Prezenta grupului RC este indispensabila in cazul sarcinilor inductive, la care iesirea din conductie a triacului se poate produce in apropierea maximului semialternantei urmatoare a tensiunii de alimentare, cand pe triac apare brusc tensiunea sursei de alimentare din acel moment.

Limitarea vitezei de crestere a tensiunii este realizata de capacitatea C, iar rezistenta R reduce curentul de descarcare al capacitatii in momentul amorsarii triacului si totodata realizeaza amortizarea circuitului oscilant alcatuit de inductanta sarcinii si capacitatea C.

Amorsarea unui triac poate fi obtinuta actionand asupra portii in curent continuu, prin curent alternativ, redresat sau prin impulsuri.

In figura 15.7 este prezentat un contactor static cu un triac, cu functionarea de tip inchis-deschis, la care nomanda se face de la o sursa de curent continuu. Daca intrerupatorul I este deschis, pe poarta nu se aplica curent si triacul este blocat. Inchizand intrerupatorul, tensiunea continua de polarizare furnizeaza un curent de poarta prin intermediul rezistentei R. In vederea obtinerii unei sensibilitati de comanda mai mari, tensiunea aplicata portii trebuie sa fie negativa.

In figura 15.8 este prezentata un contactor static in care amorsarea triacului se realizeaza in curent alternativ, prin intermediul unui transformator in scurtcircuit. Contabtul K fiind deschis, impedanta vazuta la bornele primarului este impedanta de mers in gol a transformatorului, de valoare mare, deci tensiunea pe rezistenta R este mica. Prin inchiderea lui K, la bornele primare se vede impedanta de scurtcircuit a transformatorului, de valoare mica, deci pe R apare o tensiune mare, care va comanda triacul.

In figura 15.9 este reprezentata schema unui contactor cu un triac cu o functionare de tip inchis-deschis, a carui amorsare se face cu un semnal alternativ de o frecventa de 2 . 6 kHz. La acasta valoare a frecventei rezulta o sectiune a miezului transformatorului mult mai muca decat la 50 kHz.

Figura 15.10 prezinta o alta schema de amorsare in curent alternativ. Cand intrerupatorul I este deschis, triacul este blocat. La inchiderea intrerupatorului, la inceuputul fiecarei alternante tensiunea intre bornele T2 si T1 creste rapid, astfel ca in momentul cand atinge valori 5-6 V, prin rezistenta R1 este injectat un curent de poarta suficient pentru a amorsa triacul . La amorsare, tensiunea intre bornele T2 si T1 scade la aproximativ 1,5-2 V, blocand curentul de poarta; triacul amorsat va ramane in conductie pana la sfarsitul semialternantei respective, cand triacul se blocheaza. Procesul se rspeta in timpul semialternantei urmatoare, triacul reamorsandu-se imediat la inceputul acesteia. Atat timp cat intrerupatorul I este deschis, triacul este continuu in conductie si toata tensiunea retelei se gaseste practic pe sarcina Zs.

In figura 15.11 este prezentata o schema de comanda a triacului in curent alternativ redresat. In acest caz, deoarece curentul de poarta circula numai in timpul unei semialternante, triacul este amorsat numai in timpul alternantei pozitive si este blocat in timpul alternantei negative. Aceasta schema de comanda confera triacului un mod de functionare similar cu cel al tiristorului.

In rigura 15.12 sunt indicate doua modalitati de comanda ale triacurilor folosind tranzistoare. In cazul figurii 15.12, a , comanda tranzistorului care amorseaza triacul se face prin curent, iar in cazul figurii 15.12, b, comanda se face prin poarta triacului se injecteaza un curent negativ, ceea ce asigura o sensibilitate marita de comanda. Modul de functionare al contactorului depinde de felul semnalului aplicat pe bazele tranzistoarelor.

Figura 15.13 prezinta un circuit de comanda al triacului utilizand un tranzistor unijonctiune. Montajul se realizeaza astfel incat prin intermediul transformatorului T sa se aplice pe poarta triacului impulsuri negative.

DIACUL

1. Definitie si simbol grafic

Diacul (Diode Alternative Curent switch-DIAC) este o dioda simetrica, prezentand, in ambele sensuri, incepand de la o anumita tensiune UBO (in general cuprinsa intre 10 si 15 V) o rezistenta negativa. Simbolurile de prezentare in scheme a diacului sunt cele din figura 15.14

2. Caracteristica curent-tensiune a diacului

Caracteristica curent- tensiune a diacului este prezentata in figura 15.15. Dupa cum se observa din caracteristica exista un punct de intoarcere (UBO, IBO), unde rezistenta diferentiala este nula si tensiunea atinge valoarea maxima. De asemenea, se defineste o tensiune de salt Us, reprezentand diferenta dintre tensiunea de intoarcere UBO si tensiunea la un curent Is.

3. Aplicatii ale diacelor

Diacul poate fi utilizat intr-o serie de aplicatii practice. In figura 15.16 este prezentata schema unui oscilator de relaxarecu diac. Tensiunea de alimentare UO trebuie sa fie mai mare decat tensiunea UBO. Dupa conectarea alimentarii, capacitorul C incepe sa se incarce prin rezistorul R1; tensiunea pe capacitor va creste pana va ajunge la valoarea tensiunii de basculare a diacului, UBO. In acest moment diacul intra in conductie si capacitorul C1 se descarca prin el. Alegand valoarea rezistorului, R1 astfel incat U0 R1<IBO, diacul va reveni in starea blocat dupa descarcarea capacitorului, ciclul de incarcare -descarcare descris mai inainte reluandu-se. Rezistenta R2<<R1 se conecteaza in circuit pentru limitarea curentului dse descarcare al capacitorului in veterea protejarii diacului. Forma de unda a tensiunii la bornele capacitorului C si cea de la bornele rezistorului R2 (unde se obtine impulsuri scurte pozitive) este prezentata in figura 15.17

Figura 15.18 prezinta schema electrica a unui circuit basculant astabil (multivibrator) realizata cu diacuri. Tensiunea de alimentare se alege astfel incat sa fie indeplinita conditia U0>UBO. La conectarea alimentarii, unul din diacuri este blocat si celalat este in conductie. Pesupunem ca diacul D1 este blocat in conductie si diacul D2 blocat. In situatia capacitorului C incepe ssa se incarce si curentul de incarcare, trecand prin rezistorul R2 coboara tensiunea pe diacul D2, impiedicand si in acest mod sa conduca simultan cu primul.

Cand tensiunea pe capacitor atinge valoarea UBO corespunzatoare diacului D1se blocheaza; in felul acesta multivibratorul isi schimba starea. De data aceasta capacitorul se incarca prin rezistorul R1 si prin diacul D1 intra iarasi in conductie, iar D2 se blocheaza. In continuare ciclul se reia.

In cazul multivibratorilui simetric, R1=R2=R; UBO1=UBO2=UBO, tensiunea la iesire are forma dreptunghiulara simetrica.

Figura 15.19 prezinta una din cele mai importante aplicatii ale diacului si anume comanda triacului. La punerea in functiune a montajului, capacitatea C incepe sa se incarce; cand tensiunea la bornele ei atinge valoarea tensiunii de basculare a diacului, acesta se blocheaza si capacitorul se descarca, furnizand circuitului de poarta un impuls de curent care amorseaza triacul.