În multe moduri, redresorul controlat cu siliciu, SCR sau doar tiristorul, așa cum este cunoscut mai des, este similar în construcție cu tranzistorul.

Este un dispozitiv semiconductor cu mai multe straturi, deci partea cu "siliciu" din numele său. El necesită un semnal de poartă pentru a-l activa "ON", partea "controlată" a numelui și odată "ON" se comportă ca o diodă redresoare, partea "redresor" a numelui. De fapt, simbolul circuitului pentru tiristor sugerează că acest dispozitiv acționează ca o diodă de redresare controlată.

Redresorul SCR este unul dintre dispozitivele semiconductoare de putere, împreună cu Triacul (Triode AC's), Diacul (Diode AC's) și TUJ-ul (Tranzistor UniJoncțiune) care sunt capabile să acționeze ca niște comutatoare de curent alternativ (AC) solid-state foarte rapide pentru a controla tensiuni și curenți mari AC. Deci, pentru studenții de la Electronică, aceste dispozitive sunt extrem de la îndemână pentru controlul motoarelor de curent alternativ, a lămpilor și pentru controlul fazei.

Tiristorul este un dispozitiv cu trei terminale etichetate: "Anod", "Catod" și "Poartă" și constă din trei joncțiuni PN care pot fi comutate "ON" și "OFF" la o viteză extrem de rapidă sau pot fi comutate "ON" pentru perioade variabile de timp pe parcursul unei alternanțe pentru a furniza o cantitate selectată de energie la o sarcină. Funcționarea tiristorului poate fi cel mai bine explicată presupunând că acesta este alcătuit din două tranzistoare conectate spate-în-spate, ca o pereche de comutatoare regenerative complementare, așa cum se arată.

Analogia a două tranzistoare cu tiristorul

Circuitul echivalent a două tranzistoare arată cum curentul de colector al tranzistorului NPN TR2 merge direct în baza tranzistorului PNP TR1, în timp ce curentul de colector al TR1 merge în baza TR2. Aceste două tranzistoare interconectate se bazează unul pe celălalt pentru conducție, fiecare tranzistor primind curentul său de bază-emitor de la curentul colector-emitor al celuilalt. Deci, până când unul dintre tranzistori dă un curent de bază nimic nu se poate întâmpla, chiar dacă este prezentă o tensiune anod-catod.

Când terminalul anod al tiristorului este negativ în raport cu catodul, joncțiunea centrală N-P este polarizată direct, dar cele două joncțiuni P-N din exterior sunt polarizate invers și se comportă foarte mult ca o diodă obișnuită. Prin urmare, un tiristor blochează curgerea curentului invers până când, la un nivel ridicat de tensiune, punctul tensiunii de străpungere al celor două joncțiuni exterioare este depășit și tiristorul conduce fără aplicarea unui semnal pe Gate.

Aceasta este o caracteristică negativă importantă a tiristorului, deoarece tiristoarele pot fi declanșate neintenționat în conducție printr-o supratensiune inversă, precum și o temperatură ridicată sau o tensiune dv/dt în creștere rapidă, cum ar fi un spike.

Dacă terminalul anod este pozitiv față de catod, cele două joncțiuni P-N exterioare sunt acum polarizate direct, dar joncțiunea centrală N-P este polarizată invers. Prin urmare, curentul direct este de asemenea blocat. Dacă un curent pozitiv este injectat în baza tranzistorului NPN TR2, curentul de colector rezultat curge în baza tranzistorului TR1. Aceasta, la rândul său, determină curgerea unui curent de colector în tranzistorul PNP, TR1 care mărește curentul de bază al TR2 și așa mai departe.

Atunci, putem vedea că un tiristor blochează curentul în ambele direcții ale unei surse AC în starea "OFF" și poate fi comutat "ON" și făcut să acționeze ca o diodă de redresare normală prin aplicarea unui curent pozitiv la baza tranzistorului TR2, care pentru un redresor controlat cu siliciu se numește terminalul "Gate".

Curbele caracteristice I-V (curent-tensiune) pentru funcționarea unui redresor controlat cu siliciu sunt date de:

Curbele caracteristice I-V ale tiristorului

Odată ce tiristorul a fost comutat "ON" și trece curent în direcția înainte (anod pozitiv), semnalul porții pierde tot controlul datorat acțiunii de blocare regenerativă a celor două tranzistoare interne. Aplicarea oricăror semnale de poartă sau impulsuri după inițierea regenerării nu va avea niciun efect, deoarece tiristorul deja conduce și este complet-ON.

Spre deosebire de tranzistor, SCR nu poate fi polarizat să rămână în interiorul unei regiuni active de-a lungul unei linii de sarcină între stările sale de blocare și de saturație. Mărimea și durata impulsului "pornirii" porții au un efect redus asupra funcționării dispozitivului, deoarece conducția este controlată intern. Aplicarea unui impuls de poartă temporar la dispozitiv este suficientă pentru a produce conducția și a rămâne permanent "ON", chiar dacă semnalul porții este complet eliminat.

Prin urmare, tiristorul poate fi gândit ca un Blitz Bistabil având două stări stabile "OFF" sau "ON". Acest lucru se datorează faptului că, fără un semnal de poartă aplicat, un redresor controlat cu siliciu blochează curentul în ambele direcții ale unei forme de undă AC și odată declanșat în conducție, acțiunea de blocare regenerativă înseamnă că el nu poate fi comutat OFF din nou doar prin utilizarea porții sale.

Deci, cum vom comuta OFF tiristorul?. Odată ce tiristorul s-a auto-blocat pe starea „ON“ și trece un curent, acesta poate fi comutat „OFF“, din nou, fie prin eliminarea tensiunii de alimentare și, deci, a curentului de anod (IA) complet, sau prin reducerea curentului său anod-catod prin niște mijloace externe (deschiderea unui comutator de exemplu) sub o valoare numită în mod obișnuit „curentul minim de menținere“ IH.

Curentul de anod trebuie să fie redus sub acest nivel minim de menținere, suficient de mult, pentru ca tiristoarele să blocheze intern joncțiunile-PN, pentru a-și recupera starea de blocare, înainte ca tensiunea directă să fie din nou aplicată dispozitivului, fără auto-conducție automată. Evident, atunci pentru ca un tiristor să conducă, în primul rând, curentul său de Anod, care este și curentul său de sarcină IL, trebuie să fie mai mare decât valoarea curentului de menținere. Adică IL > IH.

Deoarece tiristorul are abilitatea de a comuta "OFF" ori de câte ori curentul anodic este redus sub această valoare minimă de menținere, atunci când este utilizat pe o sursă sinusoidală de curent alternativ, SCR se va comuta automat "OFF" la o valoare apropiată de punctul de trecere prin zero a fiecărei alternanțe pozitive și, așa cum știm acum, va rămâne "OFF" până la aplicarea următorului impuls de declanșare pe poartă.

Întrucât o tensiune sinusoidală AC inversează continuu în polaritate de la pozitiv la negativ pe fiecare alternanță, asta permite tiristorului să comute OFF la punctul zero de la 180° al formei de undă pozitive. Acest efect este cunoscut drept "comutație naturală" și este o caracteristică foarte importantă a redresorului controlat cu siliciu.

La tiristoarele utilizate în circuite alimentate de la surse DC, această condiție de comutație naturală nu poate apărea, deoarece tensiunea de alimentare DC este continuă, astfel încât trebuie să fie prevăzută o altă modalitate de a comuta OFF tiristorul la timpul corespunzător, deoarece o dată declanșat el va rămâne în conducție.

Dar, în circuitele sinusoidale AC, comutarea naturală are loc la fiecare alternanță. Deci, pe durata alternanței pozitive a unei forme de undă sinusoidală AC, tiristorul este polarizat direct (anod pozitiv) și poate fi declanșat "ON" folosind un semnal sau un impuls Gate. Pe durata alternanței negative, anodul devine negativ în timp ce catodul este pozitiv. Tiristorul este polarizat invers de această tensiune și nu poate conduce chiar dacă este prezent un semnal Gate.

Astfel, prin aplicarea unui semnal Gate la momentul corespunzător în timpul alternanței pozitive a unei forme de undă AC, tiristorul poate fi declanșat în conducție până la sfârșitul alternanței pozitive. Prin urmare, controlul fazei (așa cum se numește) poate fi utilizat pentru a declanșa tiristorul în orice punct de-a lungul alternanței pozitive a formei de undă AC și una dintre multele utilizări ale unui redresor comandat cu siliciu este controlul puterii sistemelor AC, ca mai jos.

Controlul fazei cu tiristor

La începutul fiecărei alternanțe pozitive SCR este "OFF". La aplicarea impulsului pe poartă, se declanșează SCR în conducție și rămâne blocat complet "ON" pe durata alternanței pozitive. Dacă tiristorul este declanșat la începutul alternanței (θ = 0°), sarcina (o lampă) va fi "ON" pentru toată alternanța pozitivă a formei de undă AC (redresare monoalternanță) la o tensiunea medie ridicată de 0,318 x Vp.

Dacă aplicarea impulsului de declanșare pe poartă crește de-a lungul alternanței (θ = 0° la 90°), lampa este aprinsă pentru mai puțin timp și tensiunea medie livrată lămpii va fi proporțional mai mică, reducând luminozitatea.

Deci, putem utiliza un redresor controlat cu siliciu ca dimmer de lumină AC, precum și într-o varietate de alte aplicații de putere AC, cum ar fi: controlul turației motorului AC, sisteme de control al temperaturii și circuite de reglare a puterii etc.

Până acum am văzut că un tiristor este în esență un dispozitiv monoalternanță care conduce numai în alternanța pozitivă a ciclului, atunci când Anodul este pozitiv și blochează curentul, ca o diodă, atunci când Anodul este negativ, indiferent de semnalul Porții.

Dar există mai multe dispozitive semiconductoare disponibile care se află sub banner-ul "Tiristorului" care pot conduce în ambele direcții, dispozitive bialternanță sau pot fi comutate OFF prin semnalul Gate.

Printre aceste dispozitive se numără "tiristoare de oprire a porții" (GTO), "tiristoare de inducție statică" (SITH), "tiristoare controlate MOS" (MCT), "comutator controlat cu siliciu" (SCS), "Triode Thyristors" (TRIAC) "Light Thyristors Activated"(LASCR) pentru a numi câteva, toate aceste dispozitive fiind disponibile într-o varietate de tensiuni și curenți, făcându-le atractive pentru utilizare în aplicații la nivele foarte mari de putere.

Rezumat Tiristorul

Redresoarele controlate cu siliciu cunoscute în mod obișnuit ca tiristoare sunt dispozitive semiconductoare PNPN cu trei joncțiuni, care pot fi considerate ca fiind două tranzistoare interconectate care pot fi utilizate în comutarea sarcinilor electrice mari. Acestea pot fi blocate-"ON" de un singur impuls de curent pozitiv aplicat la terminalul lor Gate și vor rămâne "ON" pe termen nedefinit până când curentul anod-catod va cădea sub nivelul minim de tăiere.

Caracteristicile statice ale unui tiristor

• Tiristoarele sunt dispozitive semiconductoare care pot funcționa numai în mod de comutare.

• Tiristorul este dispozitiv acționat în curent, un mic curent de poartă controlează un curent anodic mai mare.

• Conduc curent numai la polarizare directă și curent de declanșare aplicat pe Poartă.

• Tiristorul acționează ca o diodă redresoare odată ce este declanșat "ON".

• Curentul de anod trebuie să fie mai mare decât curentul de menținere pentru a permite conducția.

• Blochează circulația de curent atunci când este polarizat invers, indiferent dacă se aplică curent la Poartă.

• Odată declanșat "ON", va fi blocat "ON" conducând chiar și atunci când un curent de poartă nu mai este aplicat, dar curentul de anod este mai mare decât curentul de menținere.

Tiristoarele sunt comutatoare de mare viteză care pot fi folosite pentru a înlocui relee electromecanice în multe circuite, deoarece acestea nu au componente în mișcare, nu au arc de contact sau nu suferă coroziune sau murdărie. În plus, pe lângă simpla comutare a curenților mari "ON" și "OFF", se pot face tiristoare pentru a controla valoarea medie a unui curent de sarcină AC fără a disipa cantități mari de energie. Un bun exemplu de control al puterii cu tiristor este controlul iluminării electrice, încălzitoarelor și vitezei motorului.

În următorul tutorial vom examina câteva circuite de bază cu tiristor și aplicații care utilizează atât surse AC, cât și DC.