|
|
|
Daca o structura de tip "pn" are un comportament de dioda, daca o structura de tip "pnp" sau "npn" (care respecta anumite conditii) pune in evidenta asa numitul efect de tranzistor, atunci pare naturala intrebarea: oare cum se comporta o structura mai coplexa? Prezentul capitol isi propune sa raspunda unei asemenea intrebari. Astfel, se va arata, ca structurile de acest tip au o comportare bistabila si anume:
1. starea de conductie caracterizata prin valori mici ale rezistentelor dintre divese terminale; dispozitivul se comporta ca un scurtcircuit;
2. starea de blocare caracterizata prin valori mari ale rezistentelor dintre divese terminale; dispozitivul se comporta ca un circuit intrerupt.
Analiza se va focaliza pe tiristor si va fi extinsa ulterior asupra altor dispozitive. Ca atare structura capitolului este:
Subcapitolul unu este dedicat notiunilor generale referitoare la tiristor;
Subcapitolul doi prezinta comportarea tiristorului in regim cvasistatic de semnal mare. Sunt prezentate principalele caracteristici statice precum si modele uzuale;
Subcapitolul trei prezinta o aplicatie uzuala.
Subcapitolul patru este dedicat altor dispozitive multijonctiune.
1 Preliminarii
Tiristorul este un dispozitiv electronic multijonctiune care are comportamentul unei diode careia i s-a atasat un terminal suplimentar (poarta sau grila). Acest terminal are capacitatea de controla momentul comutarii directe (din blocare in conductie). Trebuie totusi subliniat, ca tiristorul este din punct de vedere functional diferit de dioda intrucat el, chiar in conditiile unei polarizari directe, nu conduce (nu comuta) daca nu exista comanda pe poarta. Prezentul subcapitol isi propune sa prezinte:
1. Structura, simbol, notatii;
2. Principiul de functionare;
1.1 Structura, simbol, notatii
Structura este prezenta in figura 1 iar simbolul in figura 2
|
Figura 1 Figura 2 |
unde:
A anod;
C catod;
G grila sau poarta;
vA valoarea instantanee totala a caderii de tensiune pe tiristor;
iA valoarea instantanee totala a curentului din anod (curentul principal);
vG valoarea instantanee totala a tensiunii de comanda;
iA valoarea instantanee totala a curentului deomanda;
n concentratia de electroni;
p concentratia de goluri.
Atat pentru tensiuni cat si pentru curenti s-au prezentat sensurile fizice.
1.2 Principiul de functionare
Dupa cum a fost mentionat, in functionare normala, tiristorul prezinta doua stari:
1. stare de conductie, stare in care tiristorul se comporta ca un scurtcircuit, si;
2. starea de blocare stare in care tiristorul se comporta ca un circuit intrerupt.
Prezenta sectiune isi propune sa prezinte conditiile in care tiristorul poate bascula dintr-o stare in alta.
1. Amorsarea tiristorului. Cunoscut de asemenea sub denumirea de comutare directa, procesul de amorsare reprezinta tranzitia de la starea de blocare la starea de conductie. Pentru a se realiza aceasta tranzitie este necesar sa fie indeplinite simultan doua conditii:
a) Polarizare directa a tiristorului (plus pe anod si minus pe catod, vezi figura 3) si
b) Comanda pe poarta.
|
Figura 3 Figura 4 |
Explicatia fenomenului are la baza observatia ca tiristorul poate fi conceput avand in structura sa doua tranzistoare ca in figura 6. Figura 5 explica modul de conectare al celor doua tranzistoare. Analizand figura 6 se poate constata ca modul de conectare al celor doua tranzistoare permite declansarea unui proces regenerativ in structura in conditiile mentionate anterior. Astfel polarizarea directa a tiristorului permite plasarea celor doua tranzistoare in regiunea activa normala.
|
Figura 5 Figura 6 |
Aplicarea unui curent pe grila tiristorului reprezinta practic injectarea unui curent in baza lui T1. Efectul imediat consta in initierea procesului regenerativ - amintit - prezentat in figura 7
|
Figura 7 |
Procesul se opreste atunci cand cele doua tranzistoare se satureaza ceea ce echivaleaza cu comutarea structurii.
Trebuie totusi amintit ca exista posibilitatea aparitiei asa numitelor amorsari parazite, amorsari ce trebuie evitate in practica, intrucat pot duce in anumite situatii la distrugerea dispozitivului. Exista in principal doi factori care pot da nastere acestor amorsari:
temperatura; cresterea temperaturii duce a cresterea curentului rezidual al celor doua tranzistoare; la un anumit moment se poate declansa procesul amintis anterior.
efectul 
; Variatia foarte pronuntata a tensiunii
anodice poate induce in structura - datorita capacitatilor
parazite - la inducerea unui curent de deplasare; acest curent poate duce la
amorsarea procesului prezentat in figura 7
2. Dezamorsarea tiristorului. Cunoscut de asemenea sub denumirea de comutare inversa, procesul de amorsare reprezinta tranzitia de la starea de conductie la starea de blocare. Pentru a se realiza aceasta tranzitie este necesar ca iA, curentul principal din tranzistor sa scada sub o anumita valoare iH.
(1)
iH poarta numele de curent de mentinere (vezi figura 8). Acest lucru se realizeaza practic prin doua metode:
a) Polarizarea inversa a tiristorului, sau
b) Proiectarea unui circuit special de stingere, circuit care are sarcina de scurtcircuita tiristorul, preluand astfel curentul care trece prin acesta.
Observatie: Dupa amorsare grila isi pierde rolul.
2 Comportare tiristorului in regim cvasistatic de semnal mare
In ciuda faptului ca tiristorul nu este folosit in acest regim, analiza lui este instructiva intrucat se pot trage concluzii legate de limitarile in functionare ale dispozitivului. Ca atare structura subcapitolului este:
1. Caracteristici statice;
2. Modele de semnal mare pentru tiristor;
3. Limitari in functionare.
2.1 Caracteristici statice ale tiristorului
Caracteristicile statice utilizate in mod frecvent sunt:
a) Caracteristica de iesire
(2)
b) Caracteristica de comanda
(3)
Prezenta sectiune se va ocupa numai de relatia (2). Reprezentarea acestei functii este prezentata in figura S-au folost notatiile:
VBR tensiune de strapungere;
VBDi tensiune de blocare la polarizare directa (i=1,2.3)
IH curent de mentinere;
VH tensiune de mentinere;
Figura 8 pune in evidenta urmatoarelor regiuni:
|
Figura 8 |
1. Regiune de strapungere; regiune nefolosita in functionare normala intrucat tiristorul se distruge daca punctul de functionare ajunge in aceasta regiune.
2. Regiune de blocare la polarizare inversa; impreuna cu regiunea de blocare la polarizare directa constituie una dintre cele doua stari stabile ale tiristorului
3. Regiune de blocare la polarizare directa; ; impreuna cu regiunea de blocare la polarizare invesa constituie una dintre cele doua stari stabile ale tiristorului
4. Regiune de rezistenta negativa; stare instabila; neutilizata in mod normal.
5. Regiune de conductie; constituie una dintre cele doua stari stabile ale tiristorului
2.2 Modele liniare pentru tiristor
Se va prezenta un model simplificat numai pentru partea de forta.
a.) Tiristor blocat; se modeleaza ca in figura 9; se constata ca tiristorul se comporta practic ca un circuit intrerupt.
|
Figura 9 Figura 10 |
b.) Tiristor in conductie; se modeleaza ca in figura 10. se constata ca tiristorul se comporta practic ca un circuit intrerupt.
3 Aplicatie. Redresor monoalternanta comandat
Tiristorul este unul dintre elementele cele mai folosite in electronica de putere, in principal, in circuitele in care este utilizat curentul alternativ, intrucat schimbarea polaritatii duce in mod automat la blocare lui. Literatura de specialitate prezinta numeroase aplicatii insa in capitolul de fata se va prezenta numai o sigura aplicatie si anume un redresor monoalternanta construit cu un tiristor. Aceasta aplicatie are meritul de a pune in evidenta intr-un mod relativ simplu modul in care functioneaza in practica un tiristor.
a.) Schema este prezentata in figura 11.
Figura 11 Figura 12
b.) Rol elemente; notatii folosite
Tr transformator de alimentare;
RL sarcina rezistiva;
T tiristor;
vS tensiune din secundarul transformatorului (valoare instantanee);
vA cadere de tensiune pe tiristor (valoare instantanee);
vL cadere de tensiune sarcina (valoare instantanee);
iG curent de comanda (impuls).
c.) Analiza de semnal mare
Se reduce la explicitarea relatiei:
(4)
unde:
(5)
Analiza porneste cu observatia ca:
(6)
iar
(7)
Pentru explicitarea vA(t) se vor folosi modelele prezentate pentru tiristor in figurile 9 si 10. In concluzie explicitarea relatiei (4) se reduce la determinarea expresiei curentului iL. Ca atare:
I.) Pentru intervalele:
(8)
|
Figura 13 Figura 14 |
unde T este perioada, tiristorul este polarizat direct dar nu exista comanda pe grila. Ca atare el este blocat. Schema din figura 11 se modeleaza ca in figura 13
Prin simpla inspectie se constata:
(9)
Inlocuind (9) in (7) tensiunea pe sarcina devine:
(10)
II.) Pentru:
(11)
tiristorul conduce, intrucat in momentele t1, t4 si t7 cand apare comanda pe poarta el este polarizat direct. Schema din figura 11 se modeleaza ca in figura 14. Se observa ca :
(12)
si deci:
(13)
III.) Pentru:
(14)
tiristorul este blocat intrucat este polarizat invers: Tensiunea pe sarcina este:
(15)
Concluzionand expresia caracteristicii de transfer (4) devine:
(16)
4 Alte dispozitive multijonctiune
Daca tiristorul este considerat dispozitivul cel mai important in gama dispozitivelor multijoctiune, trebuie totusi mentionat ca exista in fapt o gama larga de alte dipozitive. Poate ar trebui spus ca exista chiar si o diversitate de tipuri de tiristoare. Daca tiristorul prezentat este cunoscut si sub denumirea de tiristor "clasic", exista tiristorul cu blocare - tiristor care poate fi blocat prin comanda pe poarta. Chiar si acesta exista in mai multe variante:
Distributed Buffer - Gate Turn-off Thyristor (DB-GTO);
Gate Turn-off Thyristor (GTO thyristor)
Modified Anode - Gate Turn-off Thyristor (MA-GTO);
la care se adauga:
Mosfet Controlled Thyristor (MCT); doua structuri de tranzistoare cu efect de camp pentru controlul comutarii directe si inverse;
Static Induction Thyristor (SIT) sau Field Controlled Thyristor (FCT)
Prezentul subcapitol va prezenta, sumar insa, triacul, diacul si dioda pnpn (sau dioda Shockley) dispozitive multistrat devenite clasice.
4.1 Triacul
Triacul sau tiristorul bidirectional este un dispoziv cu cinci straturi. Structura este prezentata in figura 15 iar simbolul in figura 16.
|
Figura 15 Figura 16 |
Caracteristica statica este prezentata in figura 17. Se pun in evidenta trei tipuri de regiuni:
Regiuni de conductie regiunea 1 si regiunea 6;
Regiuni de blocare regiunea 3 si regiunea 4;
Regiuni instabile regiunea 2 si regiunea 5;
Se poate constata ca triacul poate fi amorsat atat pe alternanta pozitiva cat si pe cea negativa (indiferent de polarizarea terminalelor T1 si T2). Aplicatia prezentata in figura 18 exemplifica acest lucru.
|
Figura 18 Figura 19 |
Se poate constata ca impulsurile de comanda aplicate pe poarta comanda deschiderea triacului, atat pe alternanta pozitiva cat si pe alternanta negativa.
4.2 Dioda Shockley
Este o structura cu patru straturi (fig 20) prevazuta cu doua terminale: anod si catod lipsind grila. Simbolul este prezentat in figura (21). Figura 22 prezinta caracteristica statica.
|
Figura 20 Figura 21 Figura 22 |
Se constata existenta urmatoarelor regiuni:
1. Regiune de strapungere; regiune nefolosita in functionare normala
2. Regiune de blocare la polarizare inversa; impreuna cu regiunea de blocare la polarizare directa constituie una dintre cele doua stari stabile
3. Regiune de blocare la polarizare directa; ; impreuna cu regiunea de blocare la polarizare invesa constituie una dintre cele doua stari
4. Regiune de rezistenta negativa; stare instabila;.
5. Regiune de conductie; constituie una dintre cele doua stari stabile.
Bascularea din starea de blocare in starea de conductie se produce atunci cand tensiunea anodica depaseste valoarea vBD (tensiune de blocare la polarizare directa). Comutarea inversa se produce in conditiile in care valoarea curentului anodic devine mai mica decat IH. (curent de mentinere). Este utilizat in circuite de comanda pentru tiristoare.
4.3 Diacul
Dispozitiv de mica putere utilizat in
comanda circuitelor de forta ce contin tiristoare sau triace.
Simbolul este prezentat in figura 23. Se observa ca spre deosebire de
triac la acest dispozitiv nu exista electrod de comanda. Caracteristica
statica este prezentata in figura 24.
Ca si in cazul triacului si in cazul acestui dispozitiv se pun in evidenta trei tipuri de regiuni:
Regiuni de conductie regiunea 1 si regiunea 6;
Regiuni de blocare regiunea 3 si regiunea 4;
Regiuni instabile regiunea 2 si regiunea 5;
Se poate constata ca diacul poate fi amorsat atat pe alternanta negativa cat si pe cea negativa (indiferent de polarizarea terminalelor T1 si T2).
