S.C.R.

Il tiristore, o SCR. (detto anche diodo controllato), è un dispositivo con struttura PNPN a tre terminali: in Fig. 3 è riportata la schematizzazione fisica e il simbolo circuitale.

Sinteticamente si può affermare che l'SCR è un diodo abilitato al funzionamento dalla corrente di gate: con una polarizzazione diretta tra anodo e catodo il diodo controllato conduce solo in presenza della corrente di gate; con una polarizzazione inversa tra anodo e catodo non conduce mai. Una volta entrato in conduzione l'SCR rimane tale, anche se la corrente di comando applicata al gate viene tolta, fino a quando la corrente tra anodo e catodo non scende al di sotto del valore minimo.
Quanto appena detto è facilmente comprensibile osservando la Fig. 4 che si riferisce al caso di una tensione continua e la Fig. 5 con una alternata.

In particolare si vede che in dc il componente entra in conduzione a partire dall'istante d’applicazione dell'impulso d'innesco e poi rimane tale.

In ac invece la conduzione si interrompe nell’istante in cui la corrente i_A va a zero (in realtà si spegne con un valore di poco superiore).
Per giustificare il funzionamento di questo componente si può supporre lo stesso come se fosse realizzato con due BJT collegati come in Fig. 6.

In assenza di corrente di gate tra anodo e catodo scorre solo una piccola corrente di fuga che si può ritenere trascurabile: se si applica una corrente I_G che corrisponde a I_B2 si ottiene:

I_C2 = h_FE2 I_B2 = I_B1

Se ora si supponga che venga tolta la I_G base di T₂ viene mantenuta in conduzione, infatti:

I_C1 = I_B2 = h_FE1 I_B1 = h_FE1 h_FE2 I_B2

Se pertanto h_FE1 . h_FE2 > 1, una volta fornita una corrente iniziale I_B2, tramite un impulso di corrente I_G anche se quest'ultimo viene tolto, si innesca una reazione positiva che crea un ciclo di corrente sempre più grande tra i due BJT fino a portarli in saturazione, portando l'SCR in piena conduzione.
Si tenga presente che anche in assenza di impulso di gate è possibile innescare la conduzione del diodo controllato. Infatti se si applica una tensione V_AK sufficientemente grande è possibile portare l'intensità delle correnti di fuga a valori sufficienti all'autoinnesco. Questa tensione è detta tensione di rottura diretta (V_BO = breakover votage).
Con una V_AK inversa l'SCR, invece, non conduce, in quanto siamo in presenza di due giunzioni PN polarizzate inversamente, fino al raggiungimento della tensione di rottura inversa (V_BD=breakdown voltage).

Caratteristiche di ingresso: è la caratteristica tra gate e catodo. Di questa caratteristica non viene normalmente riportato il grafico, ma solo alcuni dati particolarmente significativi. Si tratta comunque di un grafico simile alla caratteristica di una giunzione PN con gli assi rovesciati (fig. 7).

L'intersezione della caratteristica con la retta di carico del generatore individua il punto di funzionamento. Date le ampie tolleranze in gioco il costruttore si limita a indicare il limite minimo dell'ampiezza dell'impulso di gate (V_GT> 1,5 V a 25 °C) necessario all'innesco, con una certa tensione tra anodo e catodo, prima dall'entrata in conduzione dell'SCR (V_D = off-state voltage = 12 V). Inoltre viene indicato il valore massimo della tensione di gate che sicuramente non produce innesco (V_GD = 250 mV) e il valore minimo della corrente di gate per avere l'innesco (I_GT=200 µA nelle stesse condizioni di V_GT). Tra i dati limite si può ricavare la potenza media dissipabile dal gate in un periodo di 20 ms, ovvero alla frequenza di 50 Hz, (P_G(AV) = 0,5 W) e la potenza di picco (P_GM = 5 W). La fig. 8 chiarisce questi concetti.

Il componente, per le tolleranze costruttive, presenta un ventaglio di curve caratteristiche compreso entro due curve limite. L'intersezione di queste curve con le rette che individuano la V_GTmin e la I_GTmin forma un'area di innesco incerto: per essere sicuri che l'SCR inneschi si deve evitare questa zona. La zona di innesco certo è superiormente limitata dalle rette V_GTMAX e I_GTMAX e dall'iperbole della massima potenza dissipabile.
Caratteristica di uscita: facendo riferimento alla fig. 9 si vede che in conduzione diretta si ha la curva tipica di un diodo, purché la I_G, assuma un valore sufficiente; se invece la I_G è più piccola si ottiene comunque l'innesco ma con una V_AK più grande: una volta innescato l'SCR entra in conduzione completa (si ricordi che tra i dati di ingresso il costruttore indica infatti il valore di tensione V_AK, indicata con V_D, che con il valore di I_GT indicato provoca l'innesco). Al limite con I_G = 0 l'innesco avviene con V_AK = V_BO.

Una volta ottenuto l'innesco questo si mantiene anche senza la I_G fino a quando la I_A non scende sotto un valore minimo, detto di mantenimento, I_H (holding current). La corrente minima I_A oltre la quale avviene l'innesco è detta corrente di aggancio l_L, (latching current). Anche in questo caso il costruttore anziché fornire queste curve, che presentano ampie tolleranze, indica solo alcuni valori limite particolarmente significativi. In particolare tra i dati caratteristici viene indicata la massima cdt. V_AK in conduzione diretta con un determinato valore della corrente anodica (V_T < 1,8 V con I_T = 5 A). Si tenga presente che con la lettera D il costruttore indica tensioni dirette con il dispositivo in OFF, mentre con la lettera T indica tensioni o correnti dirette con il dispositivo in ON. Grandezze inverse vengono indicate con R. Vengono anche indicate la corrente diretta con il dispositivo in OFF e quella inversa (I_D = l_R < 0,5 mA) e i valori di I_L e I_H. La maggioranza dei dati limite dichiarati relativamente alla tensione e alla corrente di uscita non richiede particolari spiegazioni ad esclusione del parametro l²t che è l'integrale per tempi inferiori a 10 ms del quadrato del valore efficace della corrente di un transitorio non ripetitivo con un valore massimo l_TSM. Fornisce una misura della capacità del dispositivo di sopportare sovracorrenti non ripetitive. Un eventuale fusibile rapido di protezione deve presentare un l²t minore.

Caratteristiche dinamiche

Commutazione alla conduzione (torn-on): in fig. 10 sono sintetizzate le principali definizioni relative a questo transitorio.

In particolare sono evidenziati il tempo di ritardo (delay time) t_d che è quello che intercorre tra l'istante di applicazione dell'impulso di gate e l'istante in cui la V_AK è scesa del 10% rispetto al suo valore iniziale. Contemporaneamente la corrente partendo da zero è aumentata del 10% del suo valore finale.
Il tempo di salita della corrente (rise time) t_r è quello che impiega la V_AK per scendere dal 90% al 10% dei suo valore iniziale, inversamente nello stesso tempo la corrente passa dal 10% al 90% del valore finale.
Il tempo di accensione (turn-on time) t_on o t_gt (gate-controlled turn-on time) è la somma di t_r e t_d ed è l'unico riportato nei data sheets considerati (2 ms).
Per rendere più rapida la commutazione si devono usare impulsi di gate di valore elevato e con tempi di salita limitati. La potenza dissipata durante il transitorio a causa della corrente I_A può assumere un valore di picco eccessivo, se la corrente cresce troppo rapidamente, creando dei problemi termici nella dissipazione del calore. Per questa ragione il costruttore indica il valore massimo della variazione di/dt della corrente I_A (50 mA/s nel caso considerato, ma si possono raggiungere anche i 500 mA/s).
Commutazione all'interdizione (turn-off): quando l'S.C.R. è in conduzione può essere inviato in interdizione ,tramite l'inversione della V_AK (come avviene normalmente in ac).
Supposto che l'interdizione sia ottenuta tramite un gradino di tensione inversa V_R il transitorio può essere descritto facendo riferimento alla fig. 11.

A partire dall'istante t₁ si suppone di applicare un gradino di tensione inversa: in t₂ la corrente i_A si annulla e poi assume un valore negativo, fino allo svuotamento delle cariche accumulate nelle giunzioni, durante la conduzione che sì completa in t₃. Dopo l'istante t₃ la conduzione inversa non è più possibile essendo le giunzioni J₁ e J₃ ormai svuotate; se si vuole però che in polarizzazione diretta l’SCR torni in conduzione bisogna aspettare che vengano asportate anche le cariche presenti in J₂, questo, non essendo più possibile un'azione dall'esterno, avviene più lentamente, per ricombinazione. Per quanto detto, il tempo totale per lo svuotamento delle tre giunzioni detto di spegnimento (turn off- time), indicato con t_q o t_off, è maggiore di quello di accensione.
Valori limite del dv/dt: facendo riferimento alla fig. 11 se l’SCR è interdetto, con una V_AK in polarizzazione diretta, le giunzioni J₁ e J₃ sono polarizzate direttamente, mentre la J₂ lo è inversamente: una giunzione PN in polarizzazione inversa si comporta come una piccola capacità e quindi essendo i = C dv / dt se la V_AK subisce una variazione si produce una corrente di gate che, se supera il valore di soglia, manda in conduzione l'SCR. Il costruttore indica pertanto il valore limite del dv/dt (nel caso considerato 5 V/ms), per evitare l'innesco spontaneo, in presenza di brusche variazioni della V_AK.