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Thyristor est un nom général pour un certain nombre de dispositifs de commutation à grande vitesse fréquemment utilisés dans le contrôle de l'alimentation en courant alternatif et la commutation CA / CC, y compris les triacs et les SCR (redresseurs à commande de silicium). Le SCR est un type très courant de thyristor et la Figure 6.0.1 présente plusieurs exemples de packages SCR courants. De nombreux types sont disponibles, capables de passer de quelques watts à des dizaines de kilowatts. Le symbole de circuit pour un SCR est illustré à la Figure 6.0.2 et suggère que le SCR agit essentiellement comme une diode SILICON RECTIFIER, avec les connexions anodiques et cathodiques habituelles, mais avec une borne supplémentaire CONTROL, appelée GATE, d'où le nom Silicon Controlled. Redresseur. Une tension de déclenchement appliquée à la grille alors que l'anode est plus positive que la cathode activera le SCR pour permettre au courant de circuler entre l'anode et la cathode. Ce courant continuera de circuler, même si la tension de déclenchement est supprimée, jusqu’à ce que le courant anode à cathode tombe à près de zéro en raison d’influences extérieures telles que la mise hors tension du circuit ou la forme d’onde du courant alternatif traversant zéro volt dans le cadre de son fonctionnement. cycle.

Le redresseur contrôlé au silicium (SCR)

Les SCR, contrairement aux redresseurs de jonction PN à deux couches normaux, sont constitués de quatre couches de silicium dans une structure P-N-P-N, comme le montre la vue en coupe d'un SCR dans la figure 6.0.2. L'ajout de la connexion de grille à cette structure permet de faire passer le redresseur d'un état "blocage direct" non conducteur à un état "conductivité directe" à faible résistance (voir aussi la figure 6.0.3). Ainsi, un faible courant appliqué à la porte peut commuter sur un courant beaucoup plus important (également à une tension beaucoup plus élevée) appliqué entre anode et cathode. Une fois que le SCR est conducteur, il se comporte comme un redresseur au silicium normal; le courant de porte peut être supprimé et le dispositif restera dans un état conducteur.

Le SCR est conçu pour conduire en appliquant l'impulsion de déclenchement à la borne de grille tandis que les bornes d'anode principale et de cathode sont polarisées en direct. Lorsque le dispositif est polarisé en inverse, une impulsion de déclenchement n'a aucun effet. Pour désactiver le SCR, le courant anode par cathode doit être réduit en dessous d'une certaine valeur critique de "courant de maintien" (proche de zéro). Une application courante des SCR est la commutation de charges de forte puissance. Ils constituent l’élément de commutation de nombreux variateurs de lumière domestiques et servent également d’éléments de commande dans les alimentations variables ou régulées.

Caractéristiques SCR

La figure 6.0.3 montre une courbe caractéristique typique d'un SCR. On peut voir que dans la région de blocage inverse, il se comporte de la même manière qu'une diode; tout courant, à l'exception d'un faible courant de fuite, est bloqué jusqu'à atteindre la zone de claquage inverse, point auquel l'isolation due aux couches d'appauvrissement au niveau des jonctions se brise. Dans la plupart des cas, le courant inversé circulant dans la région de dégradation détruirait le SCR. Cependant, lorsque le SCR est polarisé en direct, contrairement à une diode normale, plutôt qu’un courant qui commence à circuler quand un peu plus de 0,6V est appliqué, aucun courant, sauf un faible courant de fuite ne circule.



C'est ce qu'on appelle le mode de blocage direct, qui s'étend à une tension relativement élevée appelée «tension de coupure directe». Le SCR est normalement exploité à des tensions considérablement inférieures à la tension de rupture directe, car toute tension supérieure à la tension de rupture directe provoque une conduite incontrôlée du SCR; le thyristor présente alors soudainement une très faible résistance directe, ce qui permet à un courant important de circuler. Ce courant est «verrouillé» et continuera de circuler jusqu'à ce que la tension aux bornes de l'anode et de la cathode soit réduite à zéro ou que le courant direct soit réduit à une valeur très faible, inférieure au «courant de maintien» illustré à la Fig. 6.0.3. . Toutefois, la conduction de coupure directe peut se produire si le SCR est utilisé pour contrôler une tension alternative (par exemple, du secteur ou du secteur) et qu'un pic de tension soudain se produit, en particulier s'il coïncide avec (ou est proche de) la valeur de crête du courant alternatif.

Si le SCR est accidentellement poussé dans la condition de basculement vers l'avant, cela peut produire une augmentation subite mais de courte durée du courant maximum, ce qui pourrait s'avérer désastreux pour les autres composants du circuit. Pour cette raison, il est courant de constater que les SCR intègrent une méthode de suppression des pointes, soit dans la construction du SCR, soit en tant que composants externes généralement appelés "circuit amortisseur". La manière correcte de déclencher l’activation du SCR consiste à appliquer un courant à la porte du SCR alors qu’elle fonctionne dans la «région de blocage avant», le SCR est alors «déclenché» et sa résistance directe chute à un niveau très bas. valeur. Cela produit un "courant de verrouillage" qui, en raison de la faible résistance directe du thyristor dans ce mode, permet à de très grands courants (plusieurs ampères) de circuler dans la "région conductrice directe" sans pratiquement aucune modification de la tension directe (remarque). une fois que le SCR est déclenché, la courbe caractéristique est pratiquement verticale). Dans cette région, le courant circule et peut varier, mais si le courant direct tombe en dessous de la valeur du «courant de maintien» ou si la tension anode à cathode est réduite à très proche de 0 V, le dispositif retournera dans sa région de blocage avant, faisant tourner le redresseur. jusqu'à ce qu'il soit déclenché une fois de plus. L'utilisation de la porte pour déclencher la conduction de cette manière permet de contrôler la conduction, ce qui permet d'utiliser le SCR dans de nombreux systèmes de contrôle AC et DC.

Comment fonctionne le SCR

Le modèle à deux transistors SCR

Le fonctionnement réel du SCR peut être décrit en consultant les Fig. 6.0.4 (a) et (b), qui montrent des schémas simplifiés de la structure du SCR avec les couches et jonctions P et N étiquetées. Pour comprendre le fonctionnement d'un SCR, les quatre couches du SCR peuvent théoriquement être considérées comme un petit circuit comprenant deux transistors (un PNP et un NPN), comme le montre la figure 6.0.4 (b). Notez que la couche P2 constitue à la fois l'émetteur de Tr1 et la base de Tr2, tandis que la couche N1 constitue la base de Tr1 et le collecteur de Tr2.

La condition 'off'

En vous référant à la Fig. 6.0.4 (c), sans signal de grille appliqué et la grille (g) au même potentiel que la cathode (k), toute tension (inférieure à la tension de rupture en avant) appliquée entre l'anode (a ) et la cathode (k) de sorte que l'anode soit positive par rapport à la cathode ne produira pas de courant à travers le thyristor. Tr2 (le transistor NPN) a 0v appliqué entre la base et l'émetteur, il ne sera donc pas conducteur et, comme sa tension de collecteur fournit le lecteur de base pour Tr1 (le transistor PNP), sa jonction base / émetteur sera polarisée en inverse. Les deux transistors sont donc désactivés et aucun courant (hormis un très faible courant de fuite inverse) ne circulera entre l'anode SCR et la cathode, et il fonctionne dans sa région de blocage en aval.



Déclencher le SCR

Lorsque le SCR fonctionne dans la région de blocage avant (voir les caractéristiques du SCR sur la figure 6.0.3), si la porte et donc la base de Tr2, voir la figure 6.0.4 (c) est rendue positive par rapport à la cathode ( également émetteur Tr2) en appliquant une impulsion de déclenchement de telle sorte qu’un faible courant, typiquement quelques µA à plusieurs mA en fonction du type de SCR, soit injecté dans la base Tr2, Tr2 s’allumera et la tension de son collecteur baissera. Cela entraînera un courant dans le transistor PNP Tr1 et une montée rapide de la tension au collecteur Tr1 et donc à la base Tr2. La jonction émetteur base Tr2 deviendra encore plus polarisée en avant, tournant rapidement sur Tr1. Cela augmente la tension appliquée à la base Tr2 et maintient les liaisons Tr2 et Tr1, même si l'impulsion ou la tension de déclenchement d'origine qui a démarré le processus de mise sous tension est maintenant supprimée. Un courant important circulera maintenant entre les couches d'anode P1 et de cathode N2 (k). La résistance entre l'anode et la cathode tombe à près de zéro ohm, de sorte que le courant SCR n'est plus limité que par la résistance de tout circuit de charge. L'action décrite se produit très rapidement, car l'activation de Tr2 par Tr1 est une forme de réaction positive, chaque collecteur à transistor fournissant d'importants changements de courant à la base de l'autre. Comme le collecteur Tr1 est connecté à la base Tr2, l’action de commutation sur Tr1 connecte virtuellement la base Tr2 (la borne de grille) à la tension positive élevée de l’anode (a). Cela garantit que Tr2 et donc Tr1 restent conducteurs, même lorsque l'impulsion de déclenchement est supprimée. Pour éteindre les transistors, il faut inverser la polarité de la tension aux bornes de l'anode (a) et de la cathode (k), comme cela se produirait dans un circuit alternatif au moment où le demi-cycle positif de l'onde alternative atteindrait 0V avant de devenir négatif. pendant la seconde moitié de son cycle ou, dans un circuit continu, le courant circulant dans le thyristor est coupé. Dans l'un ou l'autre de ces cas, le courant circulant dans le SCR sera réduit à un niveau très bas, inférieur au niveau du courant de maintien (illustré à la Fig. 6.0.3), de sorte que les jonctions d'émetteur de base ne présentent plus une tension directe suffisante pour maintenir la conduction.>



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