Circuite El

DCE - Cap. 9. DISPOZITIVE SEMICONDUCTOARE DIVERSE

79

Cap. 9. DISPOZITIVE SEMICONDUCTOARE DIVERSE 9.1. TIRISTOARE 9.1.1. Structură, schema echivalentă, caracteristicile statice Denumirea de tiristoare a fost dată unui grup de dispozitive semiconductoare a căror structură conţine trei sau mai multe joncţiuni şi care au caracteristici asemănătoare tubului cu gaz numit tiratron. Termenul a rezultat prin contractarea cuvintelor tiratron-tranzistor. Structura de tiristor a fost propusă de Shockley în 1950, dar primul tiristor a fost realizat în 1956 de Moll şi colaboratorii săi. În principiu, structura constă din 4 regiuni de conductibilitate alternată, într-un monocristal de siliciu (fig. 9.1.a).

Fig. 9.1 Tiristorul are trei terminale numite anod, catod şi poartă (grilă). În figura 9.1.c se prezintă schema echivalentă a tiristorului, la care se ajunge cu ajutorul figurii 9.1.b. Se observă că J 1 , J3 sunt joncţiuni emitoare şi J2 joncţiune de colector pentru T1 ,T2. T2 este amplificator în conexiune EC, având ca sarcină în colector rezistenţa JBET2. Semnalul de la ieşirea unui etaj de amplificare se aplică la intrarea celuilalt; avem de-a face cu un circuit de amplificare cu reacţie pozitivă. Simbolul este prezentat în figura 9.1.d, iar caracteristicile statice în figura 9.2.

Fig. 9.2 Aplicând tiristorului o tensiune directă, cu (+) pe anod şi (-) pe catod, fără I P , IA este mic (10-8A), iar RAC ≈ 0-8; aceasta este starea blocată. Mărind tensiunea, punctul de funcţionare se deplasează pe ramura OA. Când se atinge tensiunea de străpungere directă (UA=Ustrd), tensiunea UA se reduce brusc (UA=1...2V), iar I creşte mult fiind limitat numai de rezistenţa din circuitul anodic (se parcurge ramura de rezistenţă negativă AB, apoi ramura BC). Această străpungere nu este distructivă pentru tiristor. Dacă nu se depăşeşte I max admis. Ea se numeşte comutaţie prin străpungere directă. Prin comutaţie sau comutare directă se înţelege trecerea tiristorului polarizat direct din starea de blocare în stare de conducţie. Nu se foloseşte în practică comutarea directă prin depăşirea U strd, deoarece nu se poate controla starea tiristorului. În prezenţa unui curent de poartă, tensiunea anodică la care

DCE - Cap. 9. DISPOZITIVE SEMICONDUCTOARE DIVERSE

80

apare comutaţia directă a tiristorului scade. Uzual comutarea directă se face prin aplicarea unui curent de poartă. Fiind comutat direct, tiristorul se menţine la conducţie chiar după anularea curentului de poartă. Dacă I A depăşeşte o anumită valoare I H (hold, hipostatic, de menţinere). Tiristorul polarizat invers prezintă o rezistenţă foarte mare. Atunci când -UA=-Ustri, IA începe să crească datorită multiplicării în avalanşă a purtătorilor de sarcină. Apare străpungerea inversă care duce la străpungerea tiristorului datorită puterii mari disipate de acesta Ustri este cam cu 100V mai mare decât Ustrd. Trecerea tiristorului din stare de conducţie în starea de blocare (comutaţie inversă) se poate face prin reducerea UA astfel încât IA să scadă sub limita de menţinere (comutaţie naturală) fie aplicând tiristorului o tensiune inversă, cu (+) pe catod şi (-) pe anod, tensiune ce trebuie menţinută un timp suficient (comutaţie forţată).

Fig. 9.3 Funcţionarea tiristorului în regim static se poate explica cu ajutorul schemei echivalente. Pentru IP=0 se pot scrie relaţiile: IC1  α1 IE1  ICB01 IC2  α 2 IE2  ICB02

Notam I0  ICB01  ICB02 (curentul invers al jonctiunii) IJ2  IC1  IC2  α1 IE1  α 2 IE2  I0 Dar IE1  IE2  IJ2  IA  IA  (α1  α 2 )  IA  I0  IA 

I0 1  (α 1  α 2 )

Se reprezintă dependenţa (1   2 ) funcţie de IA; pentru IA  IH , suma (α 1  α 2 )  1 datorită fenomenelor de recombinare în regiunea de tranziţie a joncţiunilor emitor.

Fig. 9.4

Pentru un tiristor blocat (1   2 )  1  IA  I0 . La tensiuni directe mari, notând prin M factorul de multiplicare în avalanşă a purtătorilor la joncţiunea J2, rezultă că: M  I0 IA  1  M  (1   2 ) Atunci când Ua=Ustrd, deşi IA este mic, se îndeplineşte condiţia de comutaţie M(α 1  α 2 )  1 , deoarece M<<1. IA creşte, tiristorul comutând prin străpungere directă.

După comutare:

U A  1...2V, M = 1, dar IA ramane mare, caci (α 1  α 2 )  1.

Pentru IP  0  IE2  IA  IP

IC1  M(α 1  IE1  ICB01)  M(α 1  IA  ICB01)

M( I0  α 2 IP ) 1  M(α 1  α 2 ) În acest caz comutaţia directă a tiristorului apare la o UA directă mult mai mică, deoarece acţiunea Ip constă în creşterea lui  2 şi îndeplinirea condiţiei de comutaţie M (1   2 )  1 la o U mai mică. IC2  M(α 2  IE2  ICB02)  M[α 2 ( IA  IP )  ICB02]  IA 

DCE - Cap. 9. DISPOZITIVE SEMICONDUCTOARE DIVERSE

81

Dacă IP este suficient de mare, amorsarea tiristorului se poate produce şi la o tensiune U A egală cu căderea de tensiune pe tiristor în condiţia directă (1...2V), deci M=1. Caracteristica circuitului de poartă a tiristorului IP(UP) este asemănătoare unei diode, având o cădere de tensiune mai mare (2… 3V – figura 9.5), datorită rezistenţei serie a regiunilor neutre. IP şi UP, necesare pentru a realiza comutaţia directă, scad cu temperatura şi prezintă o anumită dispersie tehnologică. În cataloage se indică U continuă maximă ce poate fi aplicată porţii fără să provoace comutaţia la nici un exemplar, precum şi tensiunea minimă care asigură comutaţia tuturor exemplarelor.

Fig. 9.5 9.1.2. Procese tranzitorii la comutaţia tiristoarelor Comutaţia directă normală Dacă un tiristor este conectat ca în figura 9.6 şi se aplică circuitului de poartă o treaptă de curent, IA se va stabili la valoarea de regim staţionar cu o anumită întârziere (fig. 9.7).

Fig. 9.6 Fig. 9.7 Timpul de comutaţie directă t cd, reprezintă intervalul de timp măsurat din momentul aplicării treptei de curent iP şi până când ia atinge 90% din valoarea de regim staţionar. t cd = tI + tr; ti = timp de întârziere (0...0,1I A); tr = timp de ridicare (0,1...0,9I A) în general t cd = 1...10 sec. Timpul t i este determinat de durata compensării sarcinii spaţiale a joncţiunii J2, în vederea polarizării directe a acesteia, precum şi de durata necesară deplasării purtătorilor de sarcină ai tranzistoarelor T1, T2 pentru realizarea reacţiei pozitive. Timpul de ridicare tr, este determinat de necesitatea acumulării unor sarcini de purtători minoritari în exces în bazele T1, T2, pentru a se asigura trecerea curentului prin dispozitiv. Iniţial amorsarea tiristorului se petrece într-o zonă din imediata vecinătate a electrodului de comandă, numită zonă de conducţie primară, având forma unui canal îngust. Apoi această zonă se va propaga în restul dispozitivului cu o viteză de cca. 100 m / sec. Dacă pe durata t r, circuitul în care este conectat tiristorul permite o creştere rapidă a I A, densitatea de curent în zona de conducţie poate deveni foarte mare, în acelaşi timp, descreşterea tensiunii la bornele tiristorului nu se petrece instantaneu. Ca urmare, puterea instantanee disipată pe tiristor este mare. Deoarece puterea instantanee se disipă numai în zona redusă de conducţie, această zonă se poate topi ducând la

DCE - Cap. 9. DISPOZITIVE SEMICONDUCTOARE DIVERSE

82

distrugerea tiristorului prin efect di / dt. O secţiune printr-un tiristor distrus prin efect di / dt pune în evidenţă un crater, în apropierea porţii, pe toată grosimea pastilei de Si. Protejarea tiristorului împotriva distrugerii prin efect di / dt se realizează introducând o inductanţă în serie cu acesta care să limiteze viteza de creştere a curentului. Totodată I de poartă trebuie sa aibă un front foarte bun pentru a mări zona de conducţie primară a tiristorului. În cataloage se indică di / dt max. al tiristorului (uzual 50...100 A/s) . Comutaţia inversă Presupunem tiristorul din figura 9.6 în conducţie. Vom realiza trecerea sa în stare de blocare prin inversarea polarităţii sursei EA. În figura 9.8 sunt date variaţiile în timp ale IA şi UA. Imediat după momentul t0, în care s-a inversat polaritatea sursei EA, joncţiunile tiristorului rămân polarizate direct deoarece la marginile regiunilor de tranziţie ale joncţiunilor concentraţiile purtătorilor minoritari sunt mai mari ca la echilibru. Prin tiristor va circula un curent de sens invers E I  A , eliminându-se purtătorii minoritari. În R

RS

momentul t1 dispare excesul de purtători minoritari în joncţiunea J3. Tensiunea pe tiristor îşi schimbă semnul, iar rezistenţa acestuia creşte. Va scade curentul invers prin tiristor. În momentul t 2 se polarizează invers şi J1, iar în t3 IA=0. Dacă imediat după t3 s-ar aplica tiristorului o tensiune directă acesta ar comuta, deoarece concentraţia purtătorilor de sarcină în J2 este mai mare ca la echilibru. Abia după t4, tiristorul se consideră Fig. 9.8 blocat. Se numeşte timp de comutaţie inversă t q (timp de revenire) durata dintre momentul aplicării unei tensiuni inverse pe tiristor şi momentul în care acesta poate bloca o tensiune directă. Cunoaşterea tq este importantă pentru proiectarea circuitelor de comutaţie forţată. În funcţie de valoarea sa tiristoarele se împart în 4 categorii: - ultrarapide - tq =5...10s; - rapide - tq =10...30s; - normale - tq =30...100s; - lente - de regulă în catalog nu se indică t q (sunt folosite în circuite cu comutaţie naturală; ex.: redresoarele comandate). Comutaţia directă anormală prin efect du / dt Se aplică unui tiristor o tensiune directă, cu o anumită viteză de creştere în timp şi care se menţine sub Ustrd. Mărind progresiv viteza de creştere se constată că la un moment dat, tiristorul amorsează (curba 2 din fig. 9.9). UA scade la 1...2V. Se spune că s-a atins viteza de creştere critică, notată (du / dt) critic sau că tiristorul a amorsat prin efect du / dt. Explicaţia fenomenului se poate da considerând capacitatea prezentată de joncţiunea J2 a tiristorului, care depinde de tensiunea de la extremităţile joncţiunii. CJ2 apare conectată ca în figura 9.10 în schema echivalentă, I CJ2 poate să atingă o valoare importantă dacă viteza de creştere a tensiunii duA / dt este suficient de mare.

Fig. 9.9

Fig. 9.10

DCE - Cap. 9. DISPOZITIVE SEMICONDUCTOARE DIVERSE

83

dC J2 du d (C J2 u A )  C J2 A  u A dt dt dt Acest curent se închide prin bazele T 1 T2 şi are acelaşi efect ca şi curentul de poartă, determinând comutarea directă a tiristorului. Intrarea în conducţie a tiristorului prin efect du / dt se face într-o zonă puţin definită a dispozitivului. Apar puncte în care densitatea de curent este inadmisibil de mare numite "puncte fierbinţi", în care materialul îşi pierde proprietăţile. Aşadar, comutarea prin du / dt pe lângă faptul că este necontrolată, putând conecta un circuit într-un moment nepotrivit, duce la distrugerea tiristorului, dacă se repetă de câteva ori. Constructorul indică în cataloage (du / dt) max. care poate fi 20...1000 V / s. Pentru tiristoarele care au du / dt 20...90 V / s, o rezistenţă între P şi C face ca tiristorul să suporte o viteză du / dt mai mare. Viteza critică du / dt la care amorsează un tiristor depinde de următorii factori: - scade cu creşterea tensiunii de palier upr - scade la creşterea temperaturii - creşte prin injecţia IP<0 (fără a depăşi Uinv max. PC) - creşte cu creşterea tensiunii existente pe tiristor în momentul aplicării unei rampe de U Pentru evitarea comutaţiei directe prin efect du / dt se folosesc circuite de protecţie RC (fig. 9.11 a, b, c). I CJ2 

Fig. 9.11

t

La închiderea contactului K, D intră în conducţie şi u A  u C  E A (1  e R SC ) . t du A E  A  e R SC are maximul la t = t 0 = 0 dt R SC

EA E  du A   A  Dacă EA este apropiată de Ustrd  C    , du / dt fiind valoarea R S du  dt  max R S C dt de catalog a tiristorului. Dacă EA < 0.5 Ustrd se poate folosi relaţia C 

0.6E A . R S du dt

R limitează curentul de descărcare a C prin tiristor. Uzual R=10..50 D lipseşte, iar dacă R<
DCE - Cap. 9. DISPOZITIVE SEMICONDUCTOARE DIVERSE

84

- ajută comutarea directă a tiristorului, dacă sarcina acestuia este inductivă, deoarece condensatorul se descarcă prin tiristor, depăşindu-se astfel IH. Pentru sarcini inductive se folosesc impulsuri late pentru comandă. Datorită transformatoarelor de impuls care nu pot transmite impulsuri late, se transmit trenuri de impulsuri. Protecţia tiristoarelor la supracurenţi Monocristalele de Si, având dimensiuni foarte reduse, rezistă foarte puţin la curenţi mai mari decât cei nominali. Dispozitivele de protecţie la supracurenţi pot fi întrerupătoare de putere, siguranţe fuzibile ultrarapide (din Ag) etc., corelându-se timpul de acţionare al dispozitivului de protecţie cu caracteristica de suprasarcină a tiristorului (conform catalog). Exemple de tiristoare produse de IPRS Băneasa: 1A

T1N05...T1N8 T1R05...T1R8, echivalent KY112A (Rusia) 3A T3N05...T3N8 T3F05...T3F8 T3N05P...T3N6P (F) 6A T6N05P...T6N5P T6F05P...T6F5P Fig. 9.12 10A T10N05...T10N8 T10R05...T10R8 Urmează tiristoare de 16A, 22A, 32A, 50A, 63A, 80A, 100A, 150A, 200A, 250A, 320A, 350A, 400A, 450A, 500A, 700A maxim pentru tiristoare normale şi 600A maxim pentru tiristoare rapide (codificate F/R). 9.1.3. Tipuri speciale de tiristoare 1. Dioda pnpn (Shockley) Este un tiristor fără poartă. Se mai numeşte şi tiristor - diodă sau dinistor. Este folosită ca element detector de nivel pentru semnale lent variabile, sau ca generator de relaxare. Uprag = 18..50 V, IH = 1..5 mA 2. Dioda BOD (Break-Over Diode)

Fig. 9.13

Este un tiristor fără poartă, de putere mare si tensiune ridicată (U prag = 500…4000V). Intră în conducţie prin autoaprindere (comutare directă prin depăşirea U strd) şi se blochează dacă curentul prin ea scade sub valoarea curentului de menţinere IH. 3. Tiristor cu comanda comutaţiei inverse pe poartă (Gate Turn Off – GTO)

Fig. 9.14

Dispozitivul comută direct ca un tiristor obişnuit, dar poate fi comutat invers printr-un curent de poartă negativ, care duce la eliminarea purtătorilor minoritari în exces. GTO se realizau iniţial numai la curenţi mici (< 2A), iar I P pentru comutaţia inversă putea atinge valoarea -IP=0.5IA (în prezent se ajunge până la 1000A şi 6KV). Se mai foloseşte simbolul obişnuit de tiristor cu iniţialele GTO, precum şi denumirea de tiristor cu revenire cu o poartă, sau tiristor cu blocare pe poartă. Au apărut şi GTO cu poartă MOS având I P = 0.

DCE - Cap. 9. DISPOZITIVE SEMICONDUCTOARE DIVERSE

85

4. Tiristoare cu revenire cu două porţi O poartă este anodică şi alta catodică. Ele comută direct, injectând I P>0 în GC sau IP < 0 în GA. Pentru comutaţie inversă, se schimbă sensul curenţilor. Sunt scumpe.

Fig. 9.15 5. Darlistorul Este un tiristor cu performanţe superioare în ceea ce priveşte di / dt şi du / dt. Pe aceeaşi pastilă de Si se integrează două tiristoare: T1 de comandă şi T2 cel principal. După comutarea directă a lui T2, T1 comută invers. Fig. 9.16 6. Triacul (tiristor-triodă bidirecţional) Este un dispozitiv bidirecţional care poate înlocui două tiristoare montate antiparalel, dar are mai multe posibilităţi (moduri) de comandă: I. II. III. IV.

uT2 > uT1, uG > uT1 (U anodică polarizată direct, iar IP > 0); tiristor obişnuit; uT2 > uT1, uG > uT1 – există un tiristor principal şi unul secundar, tiristor având poarta realizată sub forma unei joncţiuni suplimentare; uT2 < uT1, uG < uT1 – tiristor cu poartă depărtată; uT2 < uT1, uG > uT1 – tiristor cu poartă depărtată (tiristor secundar şi tiristor principal).

Fig. 9.17

În cazurile I şi III triacul are cea mai bună sensibilitate de comandă, iar în IV cea mai redusă. Parametrii du / dt şi di / dt depind de modul de comandă. Dacă pentru I şi II (di / dt) cr = 200 A / sec, atunci pentru III şi IV avem 100 A / sec. Ex.: TB6N2...6, TB10N2...6. 7. Diacul Sub această denumire se întâlnesc două structuri: 1. O structură cu cinci zone (două diode Shockley antiparalele); 2. O structură cu trei zone uniform dopate la care joncţiunea polarizată invers străpunge nedistructiv. Se foloseşte în circuitele de comandă ale triacurilor. Up = 10...50 V, I = 0.2...0.3 A.

Fig. 9.18.a

Ex.: DC32 (Up = 32V), DC 38, DC 44, DC Fig. 9.18.b

50.

DCE - Cap. 9. DISPOZITIVE SEMICONDUCTOARE DIVERSE

86

8. Quadracul Denumire comercială, dispărută actualmente, pentru un triac cu diac încorporat. 9. Contactor static unilateral cu siliciu (Silicon Unilateral Switch – SUS) Este un tiristor cu poartă anodică şi o diodă Zener. Deschiderea diodei asigură IP pentru tiristor.

Fig. 9.19 10. Contactor bilateral cu siliciu (SBS) Este folosit în circuitele de comandă ale triacurilor. Fig. 9.20 9.2. TRANZISTORUL UNIJONCŢIUNE (TUJ) Prima structură de TUJ conţinea o bară de siliciu uniform dopată de tip n, având la mijloc o mică regiune p, numită emitor. Capetele barei se numesc baze. Bara este slab dopată. RBB = 1..10 K

Emitorul formează cu fiecare dintre Fig. baze9.21 diode obişnuite. Funcţionarea se bazează pe controlul conductivităţii regiunii EB1 cu ajutorul tensiunii UEB1. Uzual B1 este electrod de referinţă şi UBB 10 V. R B1 R  B1  0.4...0.8 . Dacă UEB1 < Se numeşte factor de divizare intrinsec   R B1  R B 2 R BB UBB, atunci EB1 este polarizată invers, iar IE0. Când UEB1 = UBB + UD UBB, atunci TUJ-ul amorsează. Dioda EB1 devine polarizată direct, emitorul injectează goluri în zona EB1, rezistenţa zonei EB1 scade şi apare o zonă PV cu rezistenţă negativă în caracteristica TUJ-ului. Dacă U EB1 creşte, atunci caracteristica devine cea a unei diode obişnuite. Parametrii de catalog:  UP (pisc), UV (vale), RB1B2, IE max. Este folosit ca oscilator de relaxare pentru comanda tiristoarelor; în circuitele de relaxare, de memorie, la releele electromagnetice. În figura următoare se prezintă un oscilator de relaxare cu TUJ, precum şi formele de undă.

Fig. 9.22

DCE - Cap. 9. DISPOZITIVE SEMICONDUCTOARE DIVERSE

87

Condensatorul C se încarcă prin R către EA. Atunci când uC(t) = EA, TUJ-ul comută şi C se descarcă pe R1. Variaţia tensiunii la bornele condensatorului este descrisă de relaţia: t

u C (t)  u F  (u I  u F )e RC - uI = uV - uF = uFinala = lim uC(t) = EA

– tensiunea iniţială (la t = 0) – tensiunea spre care se încarcă condensatorul (t ). t

Rezultă u (t)  E  (u  E )e RC . C A V A Durata de încărcare a condensatorului (t 1) se determină din condiţia uC(t1) = EA   t1

ηE A  E A  (u V  E A )e RC

u

1  EVA uF  uI  t 1  RC ln  RC ln u F  ηE A 1 η

Durata de descărcare a condensatorului (t 2) este proporţională cu R1 care va avea 50..200  1

t2 << t1; uV << EA  T  t 1  RC ln 1  η R2 este introdus pentru a realiza o compensare termică şi se dimensionează cu relaţia u 1  R 2  R1  R B1B 2 D .  E A Montajul funcţionează ca oscilator de relaxare doar dacă dreapta de sarcină corespunzătoare rezistorului R intersectează caracteristica TUJ-ului în zona de rezistenţă negativă. Rezultă condiţia: EA  uV 1   R  EA . IV IP Perioada oscilatorului poate fi modificată variind R sau C. Variaţia perioadei se mai poate obţine prin modificarea tensiunii iniţiale pe C, sau folosind un TB introdus în serie sau în paralel cu condensatorul. Ex. (în ţară): ROS11, 12, 2N1671, 2160, 2646, 3479...3484. Rusia: KT117A.

Fig. 9.23

TUJ programabil (TUP) R1 R1  R 2 Se urmăreşte ca I pe rezistenţa R să fie mai mic decât curentul de menţinere pentru blocarea tiristorului după ce se descarcă condensatorul.

Este similar cu tiristorul cu poarta anodică.  

Fig. 9.24

Fig. 9.25

88

DCE - Cap. 9. DISPOZITIVE SEMICONDUCTOARE DIVERSE

Temă: să se proiecteze un oscilator cu un tiristor normal în loc de TUJ, folosind o diodă Zener, trei rezistenţe şi un condensator.