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.