Diacul

Diacul

Reprezentarea echivalenta si simbol

Si diodele Shockley sunt dispozitive unidirectionale, la fel ca toate diodele: acestea conduc curentul doar intr-o singura directie. Daca dorim in schimb functionarea bidirectionala (c.a.), putem folosi doua diode Shockley, conectate in paralel si avand directii opuse pentru a forma un nou tip de dispozitiv multijonctiune, si anume, diacul.

Modul de functionare

Diacul se comporta asemeni unei diode Shockley atunci cand tensiunea la bornele sale este o tensiune de curent continuu. Cu o tensiune de curent alternativ insa, comportamentul este putin diferit. Datorita inversarii periodice a directiei curentului alternativ, diacul nu se va agata intr-una din starile pornit/oprit mai mult de o semi-perioada. Daca diacul va intra in starea de conductie, acesta va continua sa conduca curent atata timp cat tensiunea disponibila este suficienta pentru sustinerea unui curent suficient de mare in acea directie. La inversarea polaritatii tensiunii de c.a., diacul va intra in starea de blocare datorita unui curent insuficient pentru mentinerea acestuia in starea de conductie, necesitand o noua strapungere inainte de a putea conduce din nou. Rezultatul este o forma de unda asemanatoarea cu cea din figura alaturata.

DIAC-ul nu este aproape niciodata folosit singur ci combinat cu alte dispozitive multijonctiune.

Tiristorul

Diodele Shockley sunt dispozitive interesante, dar aplicatiile lor sunt limitate. Utilitatea lor poate fi extinsa prin echiparea lor cu o alta modalitate de agatare. Dispozitivele astfel rezultate sunt dispozitive de amplificare in adevaratul sens al cuvantului, chiar daca singurele stari existente sunt pornit si oprit. Aceste dispozitive poarta numele de tiristoare.

Reprezentare echivalenta si simbol

Trecerea de la dioda Shockley la tiristor se realizeaza cu o singura modificare, si anume, adaugarea unui al treilea contact structurii PNPN existente.

Aprinderea tiristorului

Daca poarta unui tiristor nu este conectata in circuit, dispozitivul se comporta exact ca o dioda Shockley. Totusi, datorita faptului ca poarta este conectata direct la baza tranzistorului inferior, aceasta poate fi folosita ca si alternativa la pornirea dispozitivului. Prin aplicarea unei tensiuni reduse intre poarta si catod, tranzistorul inferior va fi fortat sa intre in starea de conductie datorita curentului de baza rezultat, ceea ce va duce la intrarea in conductie si a tranzistorului superior ce va furniza la randul lui un curent de baza catre tranzistorul inferior, curent suficient de mare astfel incat tensiunea pe poarta sa nu mai fie necesara pentru ramanerea dispozitivului in starea de conductie. Curentul necesar pentru pornirea dispozitivului va fi desigur mult mai mic decat curentul prin tiristor dinspre catod spre anod, astfel incat exista un anumit nivel de amplificare existent in circuit.

Aceasta metoda de intrare a tiristorului in conductie poarta numele de aprindere, si este cea mai folosita metoda de "agatare" a dispozitivului in practica. De fapt, tiristoarele sunt de obicei astfel alese incat tensiunea de strapungere este mult mai mare decat cea mai mare valoare a tensiunii existente in circuit, astfel incat acestea sa nu poate fi pornite decat printr-o aprindere intentionata.

Stingerea tiristorului

Trebuie mentionat ca in unele cazuri, stingerea tiristorului se poate realiza prin conectarea directa dintre poarta si catod, sau prin "aprinderea inversa" a porti cu o tensiune negativa (fata de catod), astfel incat tranzistorul inferior este fortat sa intre in starea blocata. Acest lucru este posibil doar in unele cazuri deoarece implica suntarea intregului curent de colector al tranzistorului superior fata de baza tranzistorului inferior. Acest curent poate sa fie substantial, implicand o stingere dificila a tiristorului.

Tiristorul GTO

O variatie a tiristorului simplu o constituie tiristorul cu stingere pe poarta, sau tiristorul GTO. Dar chiar si in acest caz, curentul pe poarta necesar stingerii dispozitivului poate urca pana la o valoare de 20% din curentul sarcinii. Simbolul tiristorului GTO este prezentat in figura alaturata.

Singura diferenta dintre cele doua tipuri de tiristoare sunt detaliile proiectarii acestora. In cazul GTO-ului, tranzistorul NPN poseda un factor de amplificare in curent β mai mare decat tranzistorul PNP. Acest lucru permite unui curent pe poarta mult mai mic (direct sau invers) sa exercite un grad de control mult mai mare asupra conductiei dintre catod si anod, agatarea tranzistorului PNP fiind mult mai dependenta de tranzistorul NPN si invers.

Verificarea tiristorului cu ohmmetrul

Un test rudimentar prin care se poate verifica un tiristor poate fi realizat cu ajutorul unui ohmmetru. Datorita faptului ca intern, conexiunea dintre poarta si catod reprezinta o singura jonctiune PN, un aparat de masura ar trebui sa indice o continuitate intre aceste terminale, atunci cand sonda rosie este conectata pe poarta iar sonda neagra pe catod.

Toate celelalte masuratori de continuitate vor indica un circuit deschis ("OL" pe afisajul multimetrului). Trebuie inteles ca acesta este un test foarte crud al tiristorului. Este posibil ca indicatia ohmmetrului sa fie buna dar tiristorul sa fie totusi defect. Pana la urma, singura modalitate de testare a unui tiristor este supunerea acestuia unui curent de sarcina.

Rezistorul intern dintre poarta si catod

Daca folositi un multimetru echipat cu functia "verificare dioda", tensiunea jonctiunii poarta-catod s-ar putea sa nu corespunda celei prevazute de o jonctiune PN de siliciu (aproximativ 0,7 V), fiind mult mai mica. Acest lucru se datoreaza rezistorului intern conectat in cazul unor tiristoare intre poarta si catod . Acest rezistor este introdus pentru a preveni aprinderea accidentala datorata cresterii bruste si de scurta durata a tensiunii din cauza zgomotului prezent in circuit sau datorita descarcarii sarcinilor electrice statice. Cu alte cuvinte, avand un rezistor conectat intre jonctiunea poarta-catod, necesita un semnal de aprindere mult mai mare (curent substantial) pentru a porni tiristorul. Aceasta caracteristica se regaseste in cazul tiristoarelor mari si nu in cazul celor mici. Trebuie mentionat faptul ca un tiristor echipat cu un rezistor intern intre poarta si catod va indica o continuitate in ambele directii ale acestor terminale.

Tiristoarele "normale", fara rezistor intern, poarta cateodata numele de tiristoare cu poarta sensibila, datorita faptului ca acestea pot fi foarte usor aprinse printr-un semnal pozitiv mic pe poarta.

Verificare tiristorului cu ajutorul unui circuit de test

Circuitul de test al tiristorului reprezinta atat un instrument de diagnosticare al tiristoarelor suspecte cat si o modalitate excelenta de intelegere a functionarii de baza ale acestora. Se utilizeaza o sursa de tensiune de c.c. si doua intrerupatoare folosite pentru aprinderea si stingerea tiristorului.

Actionarea intrerupatorului normal-deschis duce la conectarea portii la anod, permitand trecerea curentului dinspre terminalul negativ al bateriei, prin jonctiunea PN catod-poarta, prin intrerupator, prin rezistorul de sarcina si inapoi la baterie. Acest curent prin poarta ar trebui sa forteze aprinderea tiristorului, permitand trecerea curentului dinspre catod direct spre anod fara a mai fi nevoie de un curent prin poarta. Cand intrerupatorul normal-deschis revine la pozitia sa initiala (deschisa), sarcina va ramane energizata.

Actionarea intrerupatorului normal-inchis duce la deschiderea circuitului, fortand incetarea curentului prin tiristor si implicit stingerea acestuia.

Daca aprinderea tiristorului nu are loc, se poate ca problema sa fie sarcina si nu tiristorul. Pentru mentinerea tiristorului in stare de conductie este necesara o anumita valoare minima a curentului prin acesta. Aceasta valoare minima poarta numele de curent de mentinere. O sarcina cu o rezistenta mult prea mare nu va putea permite existenta unui curent suficient de mare pentru mentinerea tiristorului in stare de conductie la incetarea curentului pe poarta, dand impresia unui tiristor stricat in circuitul de test. Valorile curentilor de mentinere pentru diferite tiristoare sunt disponibile de la producatori. Valorile tipice se situeaza in jurul a 1 mA-50 mA, sau mai mult pentru tiristoarele mai mari.

Limita directa a tensiunii de strapungere

Testul nu este insa complet daca nu se verifica si limita tensiunii de strapungere directe a tiristorului prin cresterea tensiunii sursei de c.c. (fara actionarea intrerupatorului normal-deschis) pana in momentul in care tiristorul intra in conductie fara existenta unui curent pe poarta. Atentie insa, un astfel de test s-ar putea sa necesite o tensiune extrem de mare: majoritatea tiristoarelor de putere au o tensiune de strapungere de 600 V sau chiar mai mult !

In aceasta forma simpla, circuitul de test al tiristorului poate fi folosit pe post de circuit de control al pornirii/opririi unui motor, lampa sau orice alta sarcina practica.

Circuit de protectie crowbar

O alta utilizare practica a unui tiristor intr-un circuit de c.c. o reprezinta un dispozitiv crowbar pentru protectia la supratensiune. Un circuit crowbar este compus dintr-un tiristor conectat in paralel cu iesirea unei surse de tensiune de c.c.; scopul este plasarea unui scurt-circuit pe iesirea sursei de tensiune pentru prevenirea unei tensiuni excesive pe sarcina. Distrugerea tiristorului si a sursei de tensiune se poate preveni prin amplasarea unei sigurante fuzibile sau a unei rezistente serie considerabile inaintea tiristorului pentru limitarea curentului de scurt-circuit. In figura alaturata, circuitul de aprindere al tiristorului este omis pentru simplitate.

Se poate utiliza un dispozitiv sau un circuit de detectare a tensiunii de iesire pe poarta tiristorului, astfel incat, in momentul aparitiei unei supra-tensiuni, se va aplica o tensiune intre poarta si catod, tensiune ce duce la aprinderea tiristorului si arderea sigurantei fuzibile. Efectul este aproximativ similar cu asezarea unei rangi solide de fier (din engl. crowbar) direct intre terminalele de iesire ale sursei de tensiune, de aici si denumirea circuitului.

Comanda circuitelor de putere

Majoritatea aplicatiilor tiristoarelor insa sunt pentru comanda circuitelor de putere in c.a., chiar daca aceste dispozitive sunt uni-directionale (dispozitive de c.c.). In cazul curentilor bidirectionali, se pot utiliza mai multe tiristoare in acelasi circuit. Principalul motiv pentru care tiristoarele sunt folosite pentru circuitele de putere in c.a. este raspunsul unic al acestora fata de curentul alternativ. Dupa cum am vazut si in cazul tiratronului si al diacului, aceste dispozitive intra in starea de conductie peste un anumita valoare a formei de unda alternative si ramane in aceasta stare pentru tot restul semi-perioadei, pana in momentul in care curentul scade la zero. Cu putin inainte de trecerea prin zero a formei de unda de curent, tiristorul va intra in starea blocata datorita curentului prea mic (acest comportament mai poarta numele si de comutatie naturala) si va trebui re-pornit (re-aprins) in urmatoarea semi-perioada. Rezultatul este o forma de unda a curentului echivalenta cu o unda sinusoidala "taiata".

Graficul formei de unda al diacului ca si raspuns la o tensiune de c.a a carei varf depaseste tensiunea de strapungere este reluat in figura alaturata.

In cazul diacului, acea tensiune de strapungere are o valoare fixa. In cazul tiristoarelor, putem controla exact momentul in care dispozitivul intra in starea de conductie prin aprinderea portii in orice moment de-a lungul formei de unda. Prin conectarea unui circuit de control adecvat pe poarta tiristorului, putem "taia" unda sinusoidala in orice punct; rezultatul este un tiristor comandat in timp.

Exemplu de utilizare

Sa consideram circuitul alaturat, de exemplu. In acest caz, un tiristor este conectat intr-un circuit ce controleaza puterea pe o sarcina de la o sursa de curent alternativ.

Fiind un dispozitiv uni-directional, tot ceea ce poata sa realizeze este sa transmita doar o semi-perioada spre sarcina. Totusi, pentru a putea demonstra conceptul de comanda a tiristorului, acest circuit simplu este mai bun decat un circuit folosind doua tiristoare pentru comanda intregii forme de unda.

Fara existenta unui semnal pe poarta si cu valoarea tensiunii c.a. mult sub tensiunea de strapungere a tiristorului, dispozitivul nu va intra niciodata in starea de conductie. Conectand poarta tiristorului la anod prin intermediul unei diode redresoare standard (pentru prevenirea curentului invers prin poarta in cazul in care tiristorul poseda un rezistor intern intre poarta si catod), pornirea tiristorului va fi posibila aproape instant la inceputul fiecarei semi-perioade pozitive.

Putem intarzia pornirea tiristorului prin introducerea unei rezistente in circuitul portii, rezistenta ce creste valoarea caderii de tensiune necesara pe poarta. Cu alte cuvinte, daca marim rezistenta la care sunt supusi electronii in drumul lor catre poarta, tensiunea de c.a. va trebui sa atinga un punct mai mare in cadrul semi-alternantei pentru a crea un curent suficient de mare necesar aprinderii tiristorului.

Odata cu taierea alternantei pozitive a undei sinusoidale la un nivel mai mare decat in cazul precedent prin intarzierea intrarii in conductie a tiristorului, puterea medie pe sarcina este mai mica. Daca inlocuim rezistorul fix din circuitul portii cu un rezistor variabil, putem controla puterea pe sarcina in timp. Cresterea rezistentei duce la cresterea pragului de aprindere, ducand la o putere mai mica pe sarcina si invers.

Din pacate, acest circuit are un neajuns destul de mare. Folosind semnale de curent alternativ pentru aprinderea tiristorului, controlul asupra dispozitivului este limitat pe prima jumatate a alternantei pozitive. Cu alte cuvinte, nu putem amana pornirea tiristorului pana dupa atingerea varfului formei de unda. Astfel ca putem opri puterea pe sarcina doar pana in punctul maxim in care tiristorul intra in conductie, punct situat spre varful formei de unda. In figura alaturata circuitul este setat la puterea minima la care sarcina poate fi alimentata in aceasta configuratie.

Daca in aceasta situatie vom continua sa marim pragul de aprindere, tiristorul nu va mai intra deloc in conductie, din moment ce nici macar varful formei de unda de c.a. nu va mai fi necesar pentru aprinderea tiristorului. Rezultatul este lipsa totala a puterii pe sarcina.

O solutie ingenioasa la aceasta problema consta in introducerea in circuit a unui condensator pentru modificarea fazei.

Forma de unda de amplitudine mai mica reprezinta caderea de tensiune la bornele condensatorului. Pentru simplitatea exemplificarii, presupunem o rezistenta de comanda maxima, adica tiristorul nu va intra deloc in conductie iar curentul pe sarcina va fi zero exceptand un curent foarte mic ce trece prin rezistorul de comanda si prin condensator. Caderea de tensiune pe acest condensator va fi defazata cu un unghi intre 0^o si 90^o in urma undei de c.a. Atunci cand aceasta tensiune defazata va atinge un nivel suficient de mare, tiristorul va intra in conductie.

Cu o cadere de tensiune suficient de mare la bornele condensatorului pentru aprinderea periodica a tiristorului, rezultatul formei de unda a sarcinii va fi aproximativ cel alaturat.

Datorita faptului ca forma de unda a condensatorului se afla in crestere chiar si dupa ce forma de unda a c.a. si-a depasit varful si este in scadere, aprinderea tiristorului este posibila la un prag ce se situeaza dincolo de acest varf, reusindu-se taierea formei de unda dincolo de limita maxima admisa de configuratia precedenta. In realitate, forma de unda a tensiunii condensatorului este putin mai complexa cea prezentata aici, forma sa sinusoidala fiind distorsionata de fiecare data cand tiristorul intra in conductie.

Utilizarea transformatoarelor de impulsuri

Tiristoarele pot fi aprinse cu ajutorul unor circuite mult mai complexe. Chiar daca circuitul precedent este suficient pentru o aplicatie simpla precum comanda unei lampi, comanda motoarelor electrice industriale necesita metode mult mai sofisticate de aprindere. Cateodata se pot folosi transformatoare de impulsuri pentru cuplarea unui circuit de aprindere pe poarta si catodul tiristorului pentru asigurarea izolatiei electrice dintre aprindere si circuitele de putere.

Redresor comandat in punte cu tiristoare

Atunci cand se folosesc mai multe tiristoare pentru comanda puterii pe sarcina, adesea catozii nu sunt comuni din punct de vedere electric, facand dificila conectarea unui singur circuit de aprindere pentru toate tiristoarele. Un astfel de exemplu il reprezinta un redresor in punte comandat cu tiristoare.

In oricare circuit redresor in punte, diodele redresoare (in acest caz, tiristoarele) trebuie sa conduca in perechi opuse: T₁ si T₃ trebuie aprinse simultan; acelasi lucru este valabil si pentru perechea T₂ - T₄. Dupa cum putem vedea insa, aceste perechi de tiristoare nu poseda aceleasi conexiuni ale catozilor, ceea ce inseamna ca nu putem pur si simplu sa utilizam o singura sursa de tensiune pentru aprinderea ambelor dispozitive, precum in figura alaturata.

Desi sursa de impulsuri de tensiune prezentata mai sus va produce aprinderea tiristorului T₄, tiristorul T₂ nu se va aprinde corespunzator datorita faptului ca cele doua tiristoare nu au o conexiune comuna a catozilor, conexiune utilizata ca si punct de referinta a tensiunii de aprindere. Folosind transformatoare de impulsuri pentru conectarea portilor celor doua tiristoare la o sursa de impulsuri de tensiune continua, vom obtine rezultatul asteptat, aprinderea simultana a celor doua dispozitive.

Trebuie mentionat faptul ca acest circuit prezinta doar conexiunile portilor tiristoarelor T₂ si T₄. Transformatoarele de impulsuri si sursele de tensiune pentru tiristoarele T₁ si T₃, la fel si detaliile surselor de impulsuri de tensiune, au fost omise pentru simplitatea prezentarii.

Redresoare comandate trifazate

Redresoarele comandate in punte cu tiristoare pot fi folosite si pentru redresarea tensiunilor trifazate. Un astfel de redresor este prezentat in figura alaturata, fara a include si transformatoarele de impulsuri si circuitele de aprindere.