3.5-dispozitive-multijonctiune.pdf
TRANSCRIPT
-
120
05 - Dispozitive multijonciune
1 - Histereza
Dispozitivele multijonciune sunt o clas de componente semiconductoare cu histerez, o proprietate prin
care un sistem nu se rentoarce la starea sa iniial dup ce aciunea perturbatoare este ndeprtat. Un exemplu
foarte simplu de histerez l constituie un ntreruptor mecanic: atunci cnd braul este acionat, acesta se va
poziiona pe una din cele dou poziii extreme i va rmne n acest poziie chiar i dup ce fora exterioar este
ndeprtat.
Tranzistoarele bipolare cu jonciune, cele cu efect de cmp i cele cu efect de cmp cu poart izolat sunt
toate dispozitive fr histerez. Acest lucru nseamn c ele nu se aga ntr-o anumit stare dup ce aplicarea
tensiunii sau a curentului exterior nceteaz. Oricare ar fi semnalul de intrare al acestor dispozitive ntr-un anumit
moment, acestea vor prezenta un rspuns de ieire previzibil, aa cum este el definit de curbele lor caracteristice.
Dispozitivele multijonciune, pe de alt parte, sunt dispozitive semiconductoare ce tind s rmn pornite odat ce
au fost pornite i invers, oprite odat ce au fost oprite. O aciune momentan poate duce la trecerea dispozitivelor
dintr-o stare n alta, stare n care vor rmne i dup ce aciunea extern nceteaz. Prin urmare, aceste dispozitive
sunt folositoare doar ca i ntreruptoare i nu pot fi folosite pe post de amplificatoare.
Dispozitivele multijonciune sunt construite folosind aceeai tehnologie precum a tranzistoarelor bipolare,
i pot fi de fapt analizate ca i circuite compuse din perechi de tranzistoare. Cum poate atunci un dispozitiv cu
histerez s fie construit din dispozitive ce nu prezint aceast proprietate? Rspunsul este de data de reacia
pozitiv. Acest reacie tinde s satureze dispozitivul.
2 - Tuburi electronice cu descrcare n gaze
nainte de a studia ns dispozitivele multijonciune, este indicat s lum n considerare i predecesorul
tehnologic al acestora, i anume, tuburile electronice cu descrcare n gaze.
Fulgerele i histereza
Putem observa histereza electric pe viu n cazul fulgerelor. Aciunea vntului puternic i a ploii duce la
acumularea de sarcini electrice imense ntre nori i ntre nori i pmnt. Dezechilibrul de sarcin electric se
manifest sub form de diferen de potenial, sau tensiune electric, iar cnd rezistena electric a aerului nu mai
-
121
poate face fa acestor tensiuni nalte, vor aprea cantiti mari i de scurt durat de curent electric ntre polii opui
ai sarcinilor electrice, fenomen ce poart numele de fulger.
Acumularea tensiunilor nalte sub aciunea vntului i a ploii este un proces aproximativ continuu, rata
acumulrilor de sarcin crescnd atunci cnd condiiile atmosferice sunt prielnice. Cu toate acestea, fulgerele nu
sunt un fenomen continuu: acestea exist sub forma curenilor mari i de scurt durat. De ce se ntmpl acest
lucru? De ce nu vedem arcuri electrice de lung durat dar de o intensitate mai redus? Rspunsul se regsete n
rezistena neliniar a aerului.
Formarea plasmei
n condiii normale, aerul posed o rezistena electric extrem de mare, att de mare nct o considerm de
obicei ca fiind infinit iar conductivitatea prin aer aproape neglijabil. Prezena apei i a prafului scade rezistena
acestuia, dar practic, acesta rmne tot un dielectric. Atunci cnd se aplic o tensiune suficient de mare ntre dou
puncte separate de aer, proprietile electrice ale acestuia sufer unele modificri: electronii sunt smuli de pe
poziiile lor normale i de pe atomii lor respectivi, eliberarea lor constituind un curent. n aceast stare, aerul este
considerat ca fiind ionizat i poart numele de plasm i nu de gaz, a patra stare a materiei, pe lng cea solid,
lichid i gazoas. Plasma este un conductor relativ bun de electricitate, rezistivitatea acesteia fiind mult mai mic
dect cea a aceleiai substane sub form gazoas.
Meninerea plasmei i revenirea la forma gazoas
Pe msur ce curentul trece prin plasm, va exista o energie disipat prin plasm sub form de cldur, la
fel ca i n cazul curentului printr-un rezistor solid. n cazul fulgerelor, temperaturile sunt extrem de mari. Aceste
temperaturi ridicate sunt la rndul lor suficiente pentru transformarea aerului din forma gazoas n plasm sau
pentru meninerea plasmei n acea stare fr prezena tensiunilor nalte. Pe msur ce diferena de potenial dintre
nori sau dintre nor i pmnt scade datorit echilibrrii sarcinilor electrice, cldura degajat de fulger menine
drumul dintre cele dou acumulri de sarcin n stare de plasm, iar rezistena este prin urmare sczut. Fulgerul
rmne sub form de plasm pn n momentul n care tensiunea scade suficient de mult nct s nu mai poat
susine un curent necesar disiprii unei clduri suficient de mari. n final, aerul se rentoarce n starea sa gazoas iar
curentul nceteaz; din acest moment, va rencepe acumularea sarcinilor.
Histereza aerului
Putem observa c n acest caz, aerul prezint histerez. Atunci cnd nu conduce electricitate, tinde s
rmn un dielectric pn n momentul n care acumularea de sarcini (tensiunea) trece de un anumit prag critic.
Dup acest punct, aerul tinde s rmn un conductor (sub form de plasm) pn cnd tensiune scade sub un
anumit prag critic minim. Acest histerezis, combinat cu acumularea de tensiune datorit efectelor electrostatice ale
vntului i ploii, explic n mare comportamentul de scurt durat i intensitate mare a fulgerelor.
-
122
Circuite oscilatoare
Din punct de vedere electronic, avem de a face cu un oscilator dinte de fierstru. Oscilatoarele sunt
circuite electronice ce produc o tensiune alternativ dintr-o surs de tensiune continu. Un oscilator dinte de
fierstru funcioneaz pe principiul ncrcrii unui condensator i descrcrii brute ale acestuia de fiecare dat
cnd tensiunea atinge un prag critic.
Printre cele mai simple astfel de oscilatoare se numr un oscilator compus din trei componente (fr a
include sursa de putere de c.c): un rezistor, un condensator i o lamp cu neon.
Lmpile cu neon
Tiratronul
nu sunt altceva dect doi electrozi metalici ntr-
un tub de sticl etan, separai de neonul din interior. La
temperatura camerei, fr existena niciunei tensiuni aplicate pe cei
doi electrozi, lampa prezint o rezisten infinit. Totui, dac se
depete o anumit tensiune de prag (aceast tensiune depinznd
de presiunea gazului i de geometria tubului), neonul se va ioniza
(transforma n plasm) iar rezistena sa va scdea brusc. n
principiu, lampa cu neon prezint aceleai caracteristici precum aerul n cazul fulgerelor.
Condensatorul din circuitul de mai sus se ncarc cu o rat exponenial invers, rat determinat de
mrimea rezistorului. Atunci cnd tensiunea atinge pragul critic de tensiune al lmpii, lampa se va aprinde brusc
i va duce la descrcarea rapid a condensatorului spre o tensiune mic. Odat descrcat, lampa se va stinge i va
permite rencrcarea condensatorului. Rezultatul este o serie de fulgere de scurt durat pe lamp, rata acestora
fiind determinat de tensiunea bateriei, rezistena rezistorului, capacitatea condensatorului i pragul critic de
tensiune al lmpii.
Dei lmpile cu descrcri n gaze,
de genul celei de mai sus, sunt
folosite de obicei ca i surse de
iluminat, proprietile lor de
histerez pot fi folosite sub
variante mult mai sofisticate, i
anume tuburile tiratron. Fiind de
fapt o triod, tiratronul poate fi
pornit cu ajutorul unei tensiuni de control mici aplicate ntre gril i catod, i poate fi oprit prin reducerea tensiunii
dintre anod i catod.
-
123
n principiu, tiratroanele erau versiuni controlate ale lmpilor cu neon, proiectate special pentru comutarea
curentului pe sarcin. Punctul din interiorul simbolului indic faptul c acest dispozitiv este umplut cu gaz, spre
deosebire de celelalte tuburi cu vid. n circuitul de sus tiratronul permite trecerea curentului prin sarcin ntr-o
singur direcie (observai polaritatea rezistorului) atunci cnd este pornit de ctre o tensiune de comand de c.c.
dintre gril i catod. Sursa de putere a sarcinii este n c.a., indicnd modul n care dispozitivul este oprit: din
moment ce tensiunea de c.a. trece periodic printr-o condiie de 0 V, curentul prin sarcina alimentat n c.a. va atinge
periodic o valoarea de 0 A. Aceast pauz scurt dintre semi-perioade permite tubului s se rceasc i s se
rentoarc n starea oprit. Conducia va rencepe doar dac va exista o tensiune suficient de mare aplicat de sursa
de putere n c.a. i dac sursa de c.c. o va permite.
Tensiunea de sarcin ntr-un astfel de circuit va arta aproximativ precum n figura alturat.
Pe msur ce tensiunea de c.a. crete de la zero voli spre primul vrf, tensiunea pe sarcin rmne de zero
voli (curent de sarcin zero) pn cnd este atins valoarea tensiunii de prag. n acel moment, tubul trece n starea
pornit i ncepe s conduc, tensiunea de sarcin fiind aceeai cu tensiunea sursei de alimentare n c.a. pentru
restul perioadei. Chiar i dup ce forma de und de c.a. scade sub valoarea tensiunii de prag, va mai exista tensiune
pe sarcin, i prin urmare i curent. Acest lucru se datoreaz histerezei: dispozitivul rmne n starea de conducie
(pornit) dincolo de punctul de pornire iniial, continund s conduc pn n momentul n care tensiunea de
alimentare scade spre aproximativ zero voli. Datorit faptului c tiratroanele sunt dispozitive uni-direcionale
(precum diodele), cderea de tensiune pe sarcin n cazul semi-perioadei negative a semnalului de c.a. este zero. n
circuitele practice, se vor folosi mai multe dispozitive aranjate sub forma unei puni redresoare pentru a permite
trecerea ntregii forme de und spre sarcin.
Tuburile tiratron au fost nlocuite complet de ctre componentele semiconductoare moderne, exceptnd
cteva aplicaii speciale. Dispozitivele multijonciune moderne realizeaz ns acelai lucru precum dispozitivul
prezentat mai sus: pornirea i oprirea curenilor prin intermediul histerezei.
-
124
3 - Dioda Shockley
Dioda Shockley este un dispozitiv semiconductor format din patru straturi PNPN. Aceste straturi se
comport precum o pereche de tranzistori PNP i NPN interconectai
La fel ca toate dispozitivele multijonciune, diodele Shockley tind s rmn n starea de conducie odat
pornite i n starea blocat odat oprite
Pentru trecerea unei diode Shockley n starea de conducie, este necesar depirea tensiunii de strpungere
anod-catod
Pentru blocarea unei diode Shockley, este necesar reducerea curentului prin aceasta sub un anumit prag
critic
Reprezentarea echivalent i simbol
Primul dispozitiv din seria dispozitivele multijonciune pe care l vom studia este o diod cu patru straturi,
cunoscut sub numele de diod PNPN, sau dioda Shockley, dup cel care a inventat-o, William Shockley. Acest
dispozitiv nu trebuie confundat cu dioda Schottky, dispozitivul metal-semiconductor cunoscut pentru viteza mare
de comutaie.
O reprezentare brut a diodei Shockely, reprezentare ntlnit adesea n manuale, const din patru
straturi de material semiconductor P-N-P-N, unul peste altul.
Din pcate, aceast reprezentare nu explic deloc modul de funcionare al acestui dispozitiv. S
considerm aadar o reprezentare alternativ a construciei dispozitivului n figura alturat.
Sub aceast reprezentare, dispozitivul pare a fi un set
de tranzistori bipolari interconectai, unul de tip PNP
iar cellalt de tip NPN. Utiliznd simbolurile standard
i respectnd concentraiile doprilor, dioda Shockley
arat conform figurii alturate.
-
125
Modul de funcionare
S conectm un astfel de dispozitiv la o surs variabil de tensiune pentru a
observa comportamentul acestuia.
Desigur, fr nicio tensiune aplicat, nu va exista niciun curent. O cretere
iniial a tensiunii nu va duce la apariia niciunui curent datorit faptului c
ambii tranzistori se vor afla n stare blocat. Pentru a nelege motivul unui
astfel de comportament, trebuie s nelegem ce anume este necesar pentru
trecerea unui tranzistor n faza de conducie, i anume, existena unui curent
prin jonciunea baz-emitor. Dar, dup cum putem observa din diagram, curentul de baz prin tranzistorul de jos
este controlat de ctre tranzistorul de sus, iar curentul de baz al tranzistorului de sus este controlat de ctre
tranzistorul de jos. Cu alte cuvinte, niciunul dintre tranzistori nu poate intra n starea de conducie pn cnd
cellalt nu se afl i el n starea de conducie.
Pornirea diodei Shockley
Prin urmare, cum poate o diod Shockley s conduc curent, dac tranzistorii si constitueni se afl tot
timpul n stare blocat? Rspunsul este dat de comportamentul tranzistorilor reali, spre deosebire de tranzistorii
ideali. Un tranzistor bipolar real nu va conduce niciodat curent prin colector fr existena unui curent de baz,
indiferent de valoarea tensiunii aplicate ntre colector i emitor. Tranzistorii reali pe de alt parte, posed limite
finite ale valorilor tensiunii colector-emitor pe care acetia le pot susine nainte de a intra n starea de conducie.
Cu alte cuvinte, peste o anumit valoare a tensiunii colector-emitor, tranzistorul va intra n starea de conducie,
indiferent de curentul de baz. Dac doi tranzistori sunt conectai n acest mod pentru formarea unei diode
Shockley, fiecare dintre ei va conduce dac se va aplica o tensiune suficient de mare prin intermediul bateriei dintre
anod i catod. Odat ce unul dintre tranzistori intr n starea de conducie, acesta va duce la apariia unui curent de
baz prin cellalt tranzistor, ducnd la funcionarea normal a acelui tranzistor, ceea ce duce la apariia unui curent
de baz prin tranzistorul iniial. Rezultatul final este c ambii tranzistori se vor satura, meninndu-se unul pe
cellalt n conducie.
Oprirea diodei Shockley
Prin urmare, putem for intrarea n conducie a unei diode Shockley prin aplicarea unei tensiuni suficient
de mari ntre anod i catod. Dup cum am vzut, acest lucru va duce inevitabil la pornirea unuia dintre tranzistori,
ceea ce duce la rndul su i la pornirea celuilalt tranzistor i agarea ambilor tranzistori n starea de conducie,
acolo unde vor i rmne. Dar cum putem opri cei doi tranzistori acum? Chiar dac tensiunea aplicat este redus
cu mult sub punctul necesar intrrii n conducie a diodei, aceasta va rmne n starea de conducie datorit faptului
-
126
c prin ambii tranzistori exist acum un curent de baz suficient pentru meninerea conduciei controlate. Rspunsul
este reducerea tensiunii aplicate sub un nivel mult mai mic, astfel nct valoarea curentului s fie mai mic dect
valoarea necesar polarizrii directe a tranzistorilor, punct n care unul dintre tranzistori va intra n starea de
blocare, ducnd la oprirea curentului prin baza celuilalt tranzistor i intrarea ambilor n starea de blocare iniial.
Vizualizarea histerezei pe grafic
Dac trecem aceast serie de evenimente pe un grafic curent-tensiune, histerezisul este evident. Iniial,
observm circuitul atunci cnd sursa de tensiune de c.c. (bateria) este de zero voli.
Urmtorul pas este creterea treptat a tensiunii de c.c. aplicate. Curentul prin circuit este zero sau foarte
apropiat de aceast valoare, datorit faptului c limita de intrare n conducie a tranzistorului nu a fost nc atins
pentru niciunul din cele dou dispozitive.
-
127
Atunci cnd limita de strpungere a unuia dintre tranzistori este atins, acest lucru va duce la apariia unui
curent prin colector chiar i fr existena unui curent de baz prin acesta. n mod normal, un astfel de scenariu ar
distruge un tranzistor bipolar cu jonciune, dar jonciunile PNP ale unei diode Shockley sunt proiectate s suporte
acest tip de abuz, ntr-un mod similar diodelor Zener, ce suporta tensiuni de strpungere inverse fr a se distruge.
De dragul exemplificrii, vom presupune c tranzistorul inferior este cel care va intra prima dat n conducie,
ducnd la apariia unui curent de baz prin tranzistorul superior.
Dup ce tranzistorul de sus primete un curent de baz, i acesta va intra n conducie. Acest fapt duce la
intrarea n conducie normal (existena curentului de baz) i a tranzistorului de jos, ambii tranzistori rmnnd n
starea de conducie. Curentul prin circuit trece rapid la valoarea maxim.
Reacia pozitiv este evident n aceast situaie. Atunci cnd are loc strpungerea unuia dintre tranzistori,
acest lucru duce la existena unui curent prin ntreaga structur. Acest curent poate fi considerat semnalul de ieire
al dispozitivului. Odat ce s-a stabilit un curent de ieire, acesta tinde s menin ambii tranzistori n saturaie,
asigurnd continuitatea unui curent de ieire substanial. Cu alte cuvinte, curentul de ieire este reintrodus la intrare
(curentul de baz al tranzistorului) pentru meninerea ambilor tranzistori n starea de conducie.
-
128
Cu ambii tranzistori meninui ntr-o stare de saturaie prin prezena unui curent de baz substanial, fiecare
va continua s conduc chiar i atunci cnd tensiunea aplicat este redus mult sub nivelul de strpungere iniial.
Efectul reaciei pozitive este de meninere a ambilor tranzistori ntr-o stare de saturaie n ciuda pierderii semnalului
de intrare iniial (tensiunea necesar strpungerii unuia dintre tranzistori).
Dac tensiunea sursei de alimentare n c.c. scade la o valoare mult prea mic, circuitul va atinge eventual
un punct n care curentul nu va fi suficient pentru meninerea ambilor tranzistori n starea de conducie. Pe msur
ce curentul de colector al unuia dintre tranzistori scade tot mai mult, va duce la scderea curentului de baz prin
cellalt tranzistor, fapt ce duce la reducerea curentului de baz prin primul tranzistor. Acest cerc vicios continu
rapid pn n momentul n care ambii tranzistori intr n starea de blocare.
Din nou putem observa efectele reaciei pozitive: faptul c ciclul cauz-efect dintre cei doi tranzistori este
vicios (o descretere a curentului prin unul dintre ei duce la descreterea curentului prin cellalt, ceea ce duce la
rndul su la o nou descretere a curentului prin primul tranzistor) indic o relaie pozitiv dintre ieire (curent
controlat) i intrare (curent de control prin baza tranzistorilor).
-
129
Curba graficului rezultat este un exemplu clasic de histerez: pe msur ce semnalul de intrare (tensiune)
crete i descrete, ieirea (curent) nu urmrete aceeai cale la creterea i descreterea acesteia.
Pe scurt, dioda Shockley tinde s rmn n stare de conducie odat ce a fost pornit i n stare blocat o
dat ce a fost oprit. Nu exist un mod de operare ntre aceste dou extreme i nu exist o zon activ de
funcionare precum n cazul tranzistoarelor bipolare de exemplu: acesta este un dispozitiv pur oprit-pornit,
asemenea tuturor dispozitivelor semiconductoare multijonciune.
4 - Diacul
Din punct de vedere funcional, diacul reprezint dou diode Shockley conectate n paralel i avnd direcii
opuse
Reprezentarea echivalent i simbol
i diodele Shockley sunt dispozitive unidirecionale, la fel ca toate diodele:
acestea conduc curentul doar ntr-o singur direcie. Dac dorim n schimb
funcionarea bidirecional (c.a.), putem folosi dou diode Shockley,
conectate n paralel i avnd direcii opuse pentru a forma un nou tip de
dispozitiv multijonciune, i anume, diacul.
Modul de funcionare
-
130
Diacul se comport asemeni unei diode Shockley atunci cnd tensiunea la bornele sale este o tensiune de
curent continuu. Cu o tensiune de curent alternativ ns, comportamentul este puin diferit. Datorit inversrii
periodice a direciei curentului alternativ, diacul nu se va ag ntr-una din strile pornit/oprit mai mult de o semi-
perioad. Dac diacul va intra n starea de conducie, acesta va continua s conduc curent atta timp ct tensiunea
disponibil este suficient pentru susinerea unui curent suficient de mare n acea direcie. La inversarea polaritii
tensiunii de c.a., diacul va intra n starea de blocare datorit unui curent insuficient pentru meninerea acestuia n
starea de conducie, necesitnd o nou strpungere nainte de a putea conduce din nou. Rezultatul este o form de
und asemntoarea cu cea din figura alturat.
DIAC-ul nu este aproape niciodat folosit singur ci combinat cu alte dispozitive multijonciune.
5 - Tiristorul
Tiristorul este practic o diod Shockley cu un terminal n plus, terminal denumit poart i folosit pentru
aprinderea dispozitivului folosind o tensiune mic
Pentru aprinderea tiristorului, tensiunea trebuie aplicat ntre poart i catod, pozitiv pe poart i negativ
pe catod
Diodele Shockley sunt dispozitive interesante, dar aplicaiile lor sunt limitate. Utilitatea lor poate fi extins
prin echiparea lor cu o alt modalitate de agare. Dispozitivele astfel rezultate sunt dispozitive de amplificare n
adevratul sens al cuvntului, chiar dac singurele stri existente sunt pornit i oprit. Aceste dispozitive poart
numele de tiristoare.
Reprezentare echivalent i simbol
-
131
Trecerea de la dioda Shockley la tiristor se realizeaz cu o singur modificare, i anume, adugarea unui al
treilea contact structurii PNPN existente.
Aprinderea tiristorului
Dac poart unui tiristor nu este conectat n circuit, dispozitivul se comport exact ca o diod Shockley.
Totui, datorit faptului c poarta este conectat direct la baza tranzistorului inferior, aceasta poate fi folosit ca i
alternativ la pornirea dispozitivului. Prin aplicarea unei tensiuni reduse ntre poart i catod, tranzistorul inferior va
fi forat s intre n starea de conducie datorit curentului de baz rezultat, ceea ce va duce la intrarea n conducie i
a tranzistorului superior ce va furniza la rndul lui un curent de baz ctre tranzistorul inferior, curent suficient de
mare astfel nct tensiunea pe poart s nu mai fie necesar pentru rmnerea dispozitivului n starea de conducie.
Curentul necesar pentru pornirea dispozitivului va fi desigur mult mai mic dect curentul prin tiristor dinspre catod
spre anod, astfel nct exist un anumit nivel de amplificare existent n circuit.
Aceast metod de intrare a tiristorului n conducie poart numele de aprindere, i este cea mai folosit
metod de agare a dispozitivului n practic. De fapt, tiristoarele sunt de obicei astfel alese nct tensiunea de
strpungere este mult mai mare dect cea mai mare valoare a tensiunii existente n circuit, astfel nct acestea s nu
poate fi pornite dect printr-o aprindere intenionat.
Stingerea tiristorului
Trebuie menionat c n unele cazuri, stingerea tiristorului se poate realiza prin conectarea direct dintre
poart i catod, sau prin aprinderea invers a pori cu o tensiune negativ (fa de catod), astfel nct tranzistorul
inferior este forat s intre n starea blocat. Acest lucru este posibil doar n unele cazuri deoarece implic untarea
ntregului curent de colector al tranzistorului superior fa de baza tranzistorului inferior. Acest curent poate s fie
substanial, implicnd o stingere dificil a tiristorului.
Tiristorul GTO
-
132
O variaie a tiristorului simplu o constituie tiristorul cu stingere pe poart, sau tiristorul GTO.
Dar chiar i n acest caz, curentul pe poart necesar stingerii dispozitivului poate urca pn la o
valoare de 20% din curentul sarcinii. Simbolul tiristorului GTO este prezentat n figura
alturat.
Singura diferena dintre cele dou tipuri de tiristoare sunt detaliile proiectrii acestora. n cazul GTO-ului,
tranzistorul NPN posed un factor de amplificare n curent mai mare dect tra nzistorul PNP. Acest lucru permite
unui curent pe poart mult mai mic (direct sau invers) s exercite un grad de control mult mai mare asupra
conduciei dintre catod i anod, agarea tranzistorului PNP fiind mult mai dependent de tranzistorul NPN i
invers.
Verificarea tiristorului cu ohmmetrul
Un test rudimentar prin care se poate verifica un tiristor poate fi realizat cu
ajutorul unui ohmmetru. Datorit faptului c intern, conexiunea dintre
poart i catod reprezint o singur jonciune PN, un aparat de msur ar
trebui s indice o continuitate ntre aceste terminale, atunci cnd sonda
roie este conectat pe poart iar sonda neagr pe catod.
Toate celelalte msurtori de continuitate vor indica un circuit deschis
(OL pe afiajul multimetrului). Trebuie neles c acesta este un test
foarte crud al tiristorului. Este posibil ca indicaia ohmmetrului s fie bun
dar tiristorul s fie totui defect. Pn la urm, singura modalitate de testare a unui tiristor este supunerea acestuia
unui curent de sarcin.
Rezistorul intern dintre poart i catod
Dac folosii un multimetru echipat cu funcia verificare diod, tensiunea
jonciunii poart-catod s-ar putea s nu corespund celei prevzute de o
jonciune PN de siliciu (aproximativ 0,7 V), fiind mult mai mic. Acest lucru se
datoreaz rezistorului intern conectat n cazul unor tiristoare ntre poart i
catod . Acest rezistor este introdus pentru a preveni aprinderea accidental
datorat creterii brute i de scurt durat a tensiunii din cauza zgomotului
prezent n circuit sau datorit descrcrii sarcinilor electrice statice. Cu alte
cuvinte, avnd un rezistor conectat ntre jonciunea poart-catod, necesit un
semnal de aprindere mult mai mare (curent substanial) pentru a porni tiristorul.
-
133
Aceast caracteristic se regsete n cazul tiristoarelor mari i nu n cazul celor mici. Trebuie menionat faptul c
un tiristor echipat cu un rezistor intern ntre poart i catod va indica o continuitate n ambele direcii ale acestor
terminale.
Tiristoarele normale, fr rezistor intern, poart cteodat numele de tiristoare cu poart sensibil,
datorit faptului c acestea pot fi foarte uor aprinse printr-un semnal pozitiv mic pe poart.
Verificare tiristorului cu ajutorul unui circuit de test
Circuitul de test al tiristorului reprezint att un instrument de
diagnosticare al tiristoarelor suspecte ct i o modalitate excelent de
nelegere a funcionrii de baz ale acestora. Se utilizeaz o surs de
tensiune de c.c. i dou ntreruptoare folosite pentru aprinderea i
stingerea tiristorului.
Acionarea ntreruptorului normal-deschis duce la conectarea porii la anod, permind trecerea curentului
dinspre terminalul negativ al bateriei, prin jonciunea PN catod-poart, prin ntreruptor, prin rezistorul de sarcin i
napoi la baterie. Acest curent prin poart ar trebui s foreze aprinderea tiristorului, permind trecerea curentului
dinspre catod direct spre anod fr a mai fi nevoie de un curent prin poart. Cnd ntreruptorul normal-deschis
revine la poziia sa iniial (deschis), sarcina va rmne energizat.
Acionarea ntreruptorului normal-nchis duce la deschiderea circuitului, fornd ncetarea curentului prin
tiristor i implicit stingerea acestuia.
Dac aprinderea tiristorului nu are loc, se poate ca problema s fie sarcina i nu tiristorul. Pentru
meninerea tiristorului n stare de conducie este necesar o anumit valoare minim a curentului prin acesta.
Aceast valoare minim poart numele de curent de meninere. O sarcin cu o rezistena mult prea mare nu va
putea permite existena unui curent suficient de mare pentru meninerea tiristorului n stare de conducie la
ncetarea curentului pe poart, dnd impresia unui tiristor stricat n circuitul de test. Valorile curenilor de meninere
pentru diferite tiristoare sunt disponibile de la productori. Valorile tipice se situeaz n jurul a 1 mA-50 mA, sau
mai mult pentru tiristoarele mai mari.
Limita direct a tensiunii de strpungere
Testul nu este ns complet dac nu se verific i limita tensiunii de strpungere directe a tiristorului prin
creterea tensiunii sursei de c.c. (fr acionarea ntreruptorului normal-deschis) pn n momentul n care
tiristorul intr n conducie fr existena unui curent pe poart. Atenie ns, un astfel de test s-ar putea s necesite
o tensiune extrem de mare: majoritatea tiristoarelor de putere au o tensiune de strpungere de 600 V sau chiar mai
mult !
-
134
n aceast form simpl, circuitul de test al tiristorului poate fi folosit pe post de
circuit de control al pornirii/opririi unui motor, lamp sau orice alt sarcin
practic.
Circuit de protecie crowbar
O alt utilizare practic a unui tiristor ntr-un circuit de c.c. o reprezint un dispozitiv crowbar pentru
protecia la supratensiune. Un circuit crowbar este compus dintr-un tiristor conectat n paralel cu ieirea unei surse
de tensiune de c.c.; scopul este plasarea unui scurt-circuit pe ieirea sursei de tensiune pentru prevenirea unei
tensiuni excesive pe sarcin. Distrugerea tiristorului i a sursei de tensiune se poate preveni prin amplasarea unei
sigurane fuzibile sau a unei rezistene serie considerabile naintea tiristorului pentru limitarea curentului de scurt-
circuit. n figura alturat, circuitul de aprindere al tiristorului este omis pentru simplitate.
Se poate utiliza un dispozitiv sau un circuit de detectare a tensiunii de ieire pe poarta tiristorului, astfel
nct, n momentul apariiei unei supra-tensiuni, se va aplica o tensiune ntre poart i catod, tensiune ce duce la
aprinderea tiristorului i arderea siguranei fuzibile. Efectul este aproximativ similar cu aezarea unei rngi solide
de fier (din engl. crowbar) direct ntre terminalele de ieire ale sursei de tensiune, de aici i denumirea circuitului.
Comanda circuitelor de putere
Majoritatea aplicaiilor tiristoarelor ns sunt pentru comanda circuitelor de putere n c.a., chiar dac aceste
dispozitive sunt uni-direcionale (dispozitive de c.c.). n cazul curenilor bidirecionali, se pot utiliza mai multe
tiristoare n acelai circuit. Principalul motiv pentru care tiristoarele sunt folosite pentru circuitele de putere n c.a.
este rspunsul unic al acestora fa de curentul alternativ. Dup cum am vzut i n cazul tiratronului i al diacului,
aceste dispozitive intr n starea de conducie peste un anumit valoare a formei de und alternative i rmne n
aceast stare pentru tot restul semi-perioadei, pn n momentul n care curentul scade la zero. Cu puin nainte de
-
135
trecerea prin zero a formei de und de curent, tiristorul va intra n starea blocat datorit curentului prea mic (acest
comportament mai poart numele i de comutaie natural) i va trebui re-pornit (re-aprins) n urmtoarea semi-
perioad. Rezultatul este o form de und a curentului echivalent cu o und sinusoidal tiat.
Graficul formei de und al diacului ca i rspuns la o tensiune de c.a a crei vrf depete tensiunea de
strpungere este reluat n figura alturat.
n cazul diacului, acea tensiune de strpungere are o valoare fix. n cazul tiristoarelor, putem controla
exact momentul n care dispozitivul intr n starea de conducie prin aprinderea porii n orice moment de-a lungul
formei de und. Prin conectarea unui circuit de control adecvat pe poarta tiristorului, putem tia unda sinusoidal
n orice punct; rezultatul este un tiristor comandat n timp.
Exemplu de utilizare
S considerm circuitul alturat, de exemplu. n acest caz, un tiristor este
conectat ntr-un circuit ce controleaz puterea pe o sarcin de la o surs de
curent alternativ.
Fiind un dispozitiv uni-direcional, tot ceea ce poat s realizeze este s transmit doar o semi-perioad spre
sarcin. Totui, pentru a putea demonstra conceptul de comand a tiristorului, acest circuit simplu este mai bun
dect un circuit folosind dou tiristoare pentru comanda ntregii forme de und.
Fr existena unui semnal pe poart i cu valoarea tensiunii c.a. mult sub tensiunea de strpungere a tiristorului,
dispozitivul nu va intra niciodat n starea de conducie.
-
136
Conectnd poarta tiristorului la anod prin
intermediul unei diode redresoare standard
(pentru prevenirea curentului invers prin
poart n cazul n care tiristorul posed un
rezistor intern ntre poart i catod), pornirea
tiristorului va fi posibil aproape instant la
nceputul fiecrei semi-perioade pozitive.
Putem ntrzia pornirea tiristorului prin introducerea unei rezistene n circuitul porii, rezisten ce crete valoarea
cderii de tensiune necesar pe poart. Cu alte cuvinte, dac mrim rezistena la care sunt supui electronii n
drumul lor ctre poart, tensiunea de c.a. va trebui s ating un punct mai mare n cadrul semi-alternanei pentru a
crea un curent suficient de mare necesar aprinderii tiristorului.
Odat cu tierea alternanei pozitive a undei
sinusoidale la un nivel mai mare dect n
cazul precedent prin ntrzierea intrrii n
conducie a tiristorului, puterea medie pe
sarcin este mai mic. Dac nlocuim
rezistorul fix din circuitul porii cu un
rezistor variabil, putem controla puterea pe
sarcin n timp. Creterea rezistenei duce la
creterea pragului de aprindere, ducnd la o
putere mai mic pe sarcin i invers.
Din pcate, acest circuit are un neajuns
destul de mare. Folosind semnale de curent
alternativ pentru aprinderea tiristorului,
controlul asupra dispozitivului este limitat pe
prima jumtate a alternanei pozitive. Cu alte
cuvinte, nu putem amna pornirea tiristorului
pn dup atingerea vrfului formei de und.
Astfel c putem opri puterea pe sarcin doar
-
137
pn n punctul maxim n care tiristorul intr n conducie, punct situat spre vrful formei de und. n figura
alturat circuitul este setat la puterea minim la care sarcina poate fi alimentat n aceast configuraie.
Dac n aceast situaie vom continua s mrim pragul de aprindere, tiristorul nu va mai intra deloc n
conducie, din moment ce nici mcar vrful formei de und de c.a. nu va mai fi necesar pentru aprinderea
tiristorului. Rezultatul este lipsa total a puterii pe sarcin.
O soluie ingenioas la aceast problem
const n introducerea n circuit a unui
condensator pentru modificarea fazei.
Forma de und de amplitudine mai mic
reprezint cderea de tensiune la bornele
condensatorului.
Pentru simplitatea exemplificrii,
presupunem o rezisten de comand
maxim, adic tiristorul nu va intra deloc n
conducie iar curentul pe sarcin va fi zero
exceptnd un curent foarte mic ce trece prin rezistorul de comand i prin condensator. Cderea de tensiune pe
acest condensator va fi defazat cu un unghi ntre 0o i 90o
Cu o cdere de tensiune suficient de mare la
bornele condensatorului pentru aprinderea
periodic a tiristorului, rezultatul formei de
und a sarcinii va fi aproximativ cel alturat.
n urma undei de c.a. Atunci cnd aceast tensiune
defazat va atinge un nivel suficient de mare, tiristorul va intra n conducie.
Datorit faptului c forma de und a
condensatorului se afl n cretere chiar i
dup ce forma de und a c.a. i-a depit
vrful i este n scdere, aprinderea
tiristorului este posibil la un prag ce se
situeaz dincolo de acest vrf, reuindu-se tierea formei de und dincolo de limita maxim admis de configuraia
precedent. n realitate, forma de und a tensiunii condensatorului este puin mai complex cea prezentat aici,
forma sa sinusoidal fiind distorsionat de fiecare dat cnd tiristorul intr n conducie.
-
138
Utilizarea transformatoarelor de impulsuri
Tiristoarele pot fi aprinse cu ajutorul unor
circuite mult mai complexe. Chiar dac circuitul
precedent este suficient pentru o aplicaie
simpl precum comanda unei lmpi, comanda
motoarelor electrice industriale necesit metode
mult mai sofisticate de aprindere. Cteodat se
pot folosi transformatoare de impulsuri pentru cuplarea unui circuit de aprindere pe poarta i catodul tiristorului
pentru asigurarea izolaiei electrice dintre aprindere i circuitele de putere.
Redresor comandat n punte cu tiristoare
Atunci cnd se folosesc mai multe tiristoare pentru comanda
puterii pe sarcin, adesea catozii nu sunt comuni din punct de
vedere electric, fcnd dificil conectarea unui singur circuit
de aprindere pentru toate tiristoarele. Un astfel de exemplu l
reprezint un redresor n punte comandat cu tiristoare.
n oricare circuit redresor n punte, diodele redresoare
(n acest caz, tiristoarele) trebuie s conduc n
perechi opuse: T1 i T3 trebuie aprinse simultan;
acelai lucru este valabil i pentru perechea T2 - T4.
Dup cum putem vedea ns, aceste perechi de
tiristoare nu posed aceleai conexiuni ale catozilor,
ceea ce nseamn c nu putem pur i simplu s
utilizm o singur surs de tensiune pentru aprinderea
ambelor dispozitive, precum n figura alturat.
-
139
Dei sursa de impulsuri de tensiune prezentat
mai sus va produce aprinderea tiristorului T4,
tiristorul T2 nu se va aprinde corespunztor
datorit faptului c cele dou tiristoare nu au o
conexiune comun a catozilor, conexiune
utilizat ca i punct de referin a tensiunii de
aprindere. Folosind transformatoare de
impulsuri pentru conectarea porilor celor dou
tiristoare la o surs de impulsuri de tensiune continu, vom obine rezultatul ateptat, aprinderea simultan a celor
dou dispozitive.
Trebuie menionat faptul c acest circuit prezint doar conexiunile porilor tiristoarelor T2 i T4.
Transformatoarele de impulsuri i sursele de tensiune pentru tiristoarele T1 i T3, la fel i detaliile surselor de
impulsuri de tensiune, au fost omise pentru simplitatea prezentrii.
Redresoare comandate trifazate
Redresoarele comandate n punte cu tiristoare
pot fi folosite i pentru redresarea tensiunilor
trifazate. Un astfel de redresor este prezentat n
figura alturat, fr a include i
transformatoarele de impulsuri i circuitele de
aprindere.
6 - Triacul
Comportamentul triacului este asemntor cu dou tiristoare conectate n paralel i n direcii opuse
Triacele se folosesc adesea n circuitele simple i de puterea joas
Terminalii A1 i A2 nu se pot interschimba! Pentru o aprindere corect a triacului, curentul pe poart trebuie
s treac prin terminalul A2
-
140
Reprezentarea echivalent i simbol
TRIAC-ul nu este altceva dect dou tiristoare n paralel aezate spate n spate.
Circuit dimmer cu triac
Deoarece tiristoarele individuale sunt mult mai flexibile ntr-un sistem de comand, acestea sunt adesea ntlnite n
aplicaiile cu motoare electrice. triacele sunt de obicei folosite n
aplicaii mai simple, de putere mic, precum dimmer-ele. Un astfel
de circuit simplu, pentru controlul unei lmpi, este prezentat n
figura alturat. De observat c acest circuit include i
condensatorul de defazare necesar pentru aprinderea dispozitivului
dincolo de valoarea de vrf a formei de und de c.a.
Triacele sunt recunoscute pentru aprinderea lor nesimetric. Acest lucru nseamn c tensiunea de
strpungere este diferit pentru fiecare din cele dou polariti a formei de und. De obicei, acest lucru nu este de
dorit, datorit faptului c rezultatul aprinderii nesimetrice a dispozitivului nseamn o form de und cu un coninut
armonic mai mare. Formele de und simetrice fa de axa orizontal sunt compuse doar din armonici impare.
Formele de und nesimetrice ns, conin armonici pare, dar care pot fi, n funcie de situaie, nsoite i de armonici
impare.
n interesul reducerii coninutului aromonic al sistemelor de
putere, cu ct numrul armonicilor este mai sczut i mai puin
diversificat, cu att mai bine - un motiv n plus pentru care
tiristoarele sunt preferate triacelor n sistemele de control
complexe de putere mare. O modalitate de aducere a formei de
und de curent a triacului la o form mai simetric este utilizarea unui dispozitiv extern pentru declanarea
impulsurilor pe poart. Acest lucru se poate realiza cu ajutorul unui diac.
Tensiunile de strpungere ale diacurilor tind s fie mult mai simetrice (aceeai valoare pentru ambele
polariti ale formei de und) fa de tensiunile triacelor. Din moment ce diacul mpiedic orice curent pe poarta
triacului pn n momentul n care tensiunea de strpungere a atins un anumit nivel precis, repetabil n ambele
-
141
direcii, punctul de aprindere al triacului de la o semi-alternan la alta tinde s fie mult mai consistent, simetria
formei de und rezultat fiind mult mbuntit fa de axa orizontal.
Aprinderea corect a triacului
Practic, toate caracteristicile tiristoarelor se aplic i triacelor, cu excepia faptului c triacele sunt
dispozitive bidirecionale (pot conduce cureni n ambele direcii). Nu este necesar prin urmare s facem alte
observaii cu privire la acest dispozitiv, cu excepia modului de numerotare al terminalelor.
Din circuitul echivalent prezentat mai sus, s-ar putea nelege faptul c terminalii 1 i 2 se pot interschimba
ntre ei. Acest lucru nu este ns corect! Cu toate c ne putem imagina triacul ca fiind compus din dou tiristoare,
adevrul este c acest dispozitiv este construit dintr-o singur bucat de material semiconductor, cu straturi i
dopaje corespunztoare. Caracteristicele actuale de operare pot s difere uor fa de modelul echivalent format din
dou tiristoare.
Acest lucru poate fi scos n eviden considernd dou circuite simple,
unul funcional, cellalt nefuncional. Circuitele considerate sunt
variante uor modificate ale circuitului cu lamp prezentat mai sus, fr
a lua n considerare condensatorul de defazaj. Cu toate c circuitul
rezultat nu posed acelai grad de control precum versiunea mai
complex (cu condensator i diac), acesta este funcional.
S presupunem acum c inversm terminalii principali ai triacului ntre
ei. Conform circuitului echivalent cu dou tiristoare de mai sus, aceast
modificare nu ar trebui s afecteze n niciun fel funcionarea circuitului.
Presupunerea noastr nu este ns corect! Dac ar fi s construim acest circuit, vom observa c el nu
funcioneaz. Puterea pe sarcin va fi zero, deoarece triacul nu va intra niciodat n starea de conducie, indiferent
de valoarea rezistenei de comand. Aprinderea corect a triacului se realizeaz asigurndu-ne c poarta primete
curentul de comand de la terminalul principal A2. Identificarea terminalilor A1 i A2 se face folosind catalogul
productorului.
-
142
7 - Optotiristorul
Asemenea tranzistorilor bipolari, att tiristoarele ct i triacele se pot construi sub forma dispozitivelor
sensibile la lumin; n acest caz, tensiunea de aprindere a dispozitivelor este nlocuit de aciunea luminii.
Tiristoarele controlate cu ajutorul luminii sunt adesea cunoscute sub acronimul LASCR (Light
Activated Silicon-Controlled Rectifier). Simbolul acestora este prezentat n figura alturat.
Triacele controlate cu ajutorul luminii nu au un acronim al lor, dar sunt cunoscute sub numele de
opto-triace. Simbolul acestora este prezentat n figura alturat.