8. DISPOZITIVE MULTI JONCŢIUNEDispozitivele multijoncţiune sunt dispozitive semiconductoare cu mai mult de două

joncţiuni.Tehnologia actuală permite realizarea unor dispozitive compuse având mai multe

joncţiuni. În cadrul capitolului vor fi prezentate dispozitivele clasice care pot constitui structuri de sine stătătoare şi anume:

– dioda PNPN;– diacul;– tiristorul;– triacul;– tranzistorul unijoncţiune – realizat aşa cum spune numele şi realizat cu structuri

multijoncţiuneAceste dispozitive multijoncţiune sunt folosite în circuite de impulsuri, în circuite pentru

conversia energiei electrice, circuite de comutaţie.

8.1. Dioda PNPN.Dioda PNPN este o structura de siliciu cu patru zone alternativ dopate cu impurităţi

acceptoare şi donoare. În Fig.8.1 este prezentat schematic modelul unidimensional al acestui dispozitiv cu trei joncţiuni (J1,J2,J3). Zonele extreme mai puternic dopate se numesc anod ( ),

respectiv catod . Joncţiunile se află la distante mici între ele. Dioda PNPN se mai numeşte şi dioda Shockley sau dioda cu patru straturi. Simbolul grafic al acestui dispozitiv, precum şi sensurile pozitive pentru curent şi tensiune sunt prezentate în Fig.8.1.

Fig.8.1. Structura şi simbolul diodei PNPN.

Ca şi în cazul diodei semiconductoare, dacă tensiunea dintre anod şi catod este pozitivă atunci dioda este polarizată direct, iar dacă este negativă dioda este polarizată invers.

La nivel mic al tensiunii la bornele diodei, oricare ar fi polaritatea acesteia, dioda are cel puţin o joncţiune polarizată invers şi curentul este practic zero. Dioda este blocată şi este echivalentă cu un contact deschis.

Dacă dioda este polarizată direct joncţiunea centrală este polarizată invers iar, cele două joncţiuni laterale sunt polarizate direct. Joncţiunea centrală se străpunge dacă tensiunea depăşeşte o valoare maximă directă şi dioda intră în conducţie. Tensiunea la bornele diodei scade la o valoare mică, în jurul a 1,5V. Tensiunea pe dioda în conducţie este neglijabilă în majoritatea situaţiilor şi dioda este echivalentă cu un contact închis.

Dacă dioda este polarizată invers cele două joncţiuni laterale sunt polarizate invers. Dioda

este blocată. Joncţiunile acestea se străpung dacă tensiunea atinge o valoare maximă inversă, dar tensiunea la bornele diodei nu se micşorează şi dioda se distruge prin supraîncălzire.

Din cele prezentate mai sus se poate obţine caracteristica grafică a diodei PNPN prezentată în Fig.8.2.

Fig.8.2. Caracteristica grafică a diodei PNPN.

Dioda are trei zone de funcţionare:1. Polarizata direct, blocată, zona în care tensiunea de alimentare a diodei este pozitivă dar nu depăşeşte tensiunea directă maximă sau pragul de deschidere (UDM). În această situaţie curentul este neglijabil.2. Polarizată direct, în conducţie, zonă în care dioda ajunge dacă se depăşeşte tensiunea directă maximă. Tensiunea pe diodă scade brusc la o valoare mică, neglijabilă, iar curentul este mai mare decât un curent minim numit curent de menţinere (iH). Dioda este echivalentă cu un contact închis şi valoarea curentului depinde doar de circuitul în care este legată diodă.3. Polarizată invers, blocată, zonă în care tensiunea pe diodă este negativă dar nu depăşeşte tensiunea inversă maximă (UIM) şi curentul este neglijabil.

Trecerea în starea de conducţie se face prin depăşirea tensiunii directe maxime. Trecerea inversă, din starea de conducţie în starea de blocare are loc atunci când curentul prin diodă scade sub curentul de menţinere, iH. În practică, pentru blocarea diodei se inversează tensiunea la borne.

8.2. Diacul.Diacul (DIode Alternating Current) este un dispozitiv multijoncţiune care are proprietăţile

diodei PNPN în ambele sensuri de conducţie. Dispozitivul are cinci straturi şi patru joncţiuni, poate fi considerat ca fiind realizat din două structuri PNPN aşezate antiparalel în acelaşi monocristal de siliciu. Diacul are conductibilitate bidirecţională, cei doi electrozi notându-se cu T1 şi T2. Schema şi simbolul diacului sunt prezentate în Fig.8.3.

Fig.8.3. Structura şi simbolul diacului.

La aplicarea unei tensiuni pozitive, structura PNPN din dreapta schemei echivalente din Fig.8.4 este polarizată direct, iar amorsarea se face la tensiune de amorsare naturală (UDM) şi are caracteristica din cadranul I.

Când polaritatea tensiunii se inversează, intră în conducţie structura PNPN din stânga, la care amorsarea se face la tensiunea UIM. În general construcţia diacului se face astfel încât tensiunile de amorsare să fie egale în modul de unde rezultă o caracteristică simetrică.

Fig.8.4. Structura echivalentă şi caracteristica grafică a diacului.

Datorită caracteristicii bidirecţionale, simetrice, diacul se foloseşte în circuitele de curent alternativ, fiind un dispozitiv de putere mică, se utilizează în circuitele de comandă ale tiristoarelor şi dispozitivelor triac.

8.3. Tiristorul.Tiristorul are aceeaşi structură ca dioda PNPN, la care se conectează în plus un electrod

conectat la al doilea stat de tip p, electrod denumit grilă sau poartă. Simbolul şi structura tiristorului sunt prezentate în Fig.8.5.

Fig.8.5. Structura şi simbolul tiristorului.

8.3.1. Funcţionarea tiristorului.Dacă grila este nepolarizată (lăsată în gol) atunci tiristorul se comportă ca şi o simplă

diodă PNPN. Grila este un electrod de comandă iar comanda se face prin polarizarea joncţiunii J 3

dintre grilă şi catod. Grila are rol de comandă doar în situaţia în care tiristorul este polarizat direct şi este blocat.

Dacă grila se polarizează cu o tensiune negativă, atunci joncţiunea grilă-catod va fi polarizată invers şi nu va produce nici un efect asupra funcţionării tiristorului. Prin urmare grila trebuie polarizată pozitiv.

Dacă grila sa polarizează pozitiv atunci joncţiunea grilă-catod va fi polarizată direct şi astfel se va injecta un curent numit curent de grilă. Acest curent va micşora tensiunea la care

tiristorul intră în conducţie. Acest lucru se poate observa pe graficul din Fig.8.6. După aprindere tiristorul se comportă exact ca o diodă PNPN adică tensiunea va scădea în la o valoarea aproximativă de 1,5V, iar în circuit se va obţine un curent în funcţie de sarcina la care este conectat.

Fig.8.6. Caracteristicile grafice ale tiristorului.

8.3.2. Aprinderea şi stingerea tiristorului.În funcţionare normală, tiristorul intră în conducţie (se aprinde) prin comandă pe grilă.

Pentru aceasta trebuie ca tiristorul să fie polarizat direct, şi curentul de grilă sa fie mai mare decât o valoare minimă denumit şi curent de aprindere sigură.

După aprindere, dacă curentul din circuit va fi mai mare decât curentul de menţinere atunci tiristorul rămâne aprins şi în lipsa curentului de comandă. Din acest motiv tensiunea de comandă grilă-catod este, în cazul obişnuit, sub forma de impulsuri scurte, de ordinul microsecundelor.

Pentru ca tiristorul să poată funcţiona corect trebuie evitate unele situaţii în care acesta se poate aprinde accidental.

– Tensiunea anod-catod depăşeşte tensiunea maximă şi tiristorul se aprinde la fel ca dioda PNPN. În general aceste situaţii se întâlnesc în medii în care apar supratensiuni. Prevenirea se face prin utilizarea schemelor de protecţie la supratensiuni;

– Creşterea temperaturii poate duce la mărirea nivelului curenţilor reziduali şi apoi la aprinderea accidentală a tiristorului;

– Tensiunea anod-catod la bornele tiristorului creşte cu viteză prea mare şi tiristorul se aprinde datorită variaţiei rapide a tensiunii şi nu datorită stabilirii curentului de comandă.Trecerea tiristorului din starea de conducţie în starea de blocare se mai numeşte şi

stingerea tiristorului. Stingerea se face ca şi la dioda PNPN în momentul în care curentul anodic scade sub o valoare denumita curent de menţinere, iH. Cea mai folosită metodă pentru scăderea curentului sub valoarea de curentului de menţinere este inversarea polarităţii tensiunii anod-catod sau, cu alte cuvinte, aplicarea la bornele tiristorului a unei tensiuni de polarizare inversă.

Din cele prezentate mai sus rezultă că electrodul de comandă (grila), nu are nici un rol în stingerea tiristorului. Întreruperea curentului de grilă nu conduce la stingerea tiristorului. Nici inversarea tensiunii de comandă şi a sensului curentului de comanda nu provoacă stingerea tiristorului.

Simpla inversare a tensiunii la bornele tiristorului nu provoacă automat şi stingerea acestuia. Pentru stingerea tiristorului tensiunea inversă trebuie menţinută cel puţin un interval de timp care se numeşte timp de revenire.

8.3.3. Clasificare tiristoarelor. După valorile parametrilor principali tiristoarele se clasifică în:

– tiristoare de mică putere, cu IM în plaja 1..10A şi UM de sute de volţi;– tiristoare de putere, cu IM în plaja zeci-sute amperi şi UM de sute - mii de volţi;– tiristoare de mare putere, IM mii-zeci de mii amperi si UM de mii – zeci de mii de volţi.

După valoarea timpului de revenire:– tiristoare lente sau de reţea, cu timp de revenire mai mare de 50 microsecunde, utilizate în

aplicaţii la frecvenţa reţelei, 50 Hz sau puţin peste;– tiristoare rapide, cu timp de revenire în plaja 5-50 microsecunde, utilizate în aplicaţii la

frecvenţe de până la 50 KHz.Tiristorul se utilizează în circuite de redresare, circuite pentru conversia puterii,

invertoare, circuite de control a puterii transmise sarcinii, circuite pentru comanda acţionărilor electrice, circuite pentru îmbunătăţirea factorului de putere.

8.3.4. Scheme simple cu tiristoare.Cu ajutorul tiristorului se poate realiza un circuit de pornire şi oprire a unui motor de

curent continuu (Fig.8.7).

Fig.8.7. Circuit pornire motor de curent continuu.

În starea implicită a schemei prin circuitul motorului nu se stabileşte curent deoarece tiristorul este blocat. În momentul apăsării butonului „on” care este în stare normal deschis, acesta închide circuitul grilei tiristorului care ajunge la potenţialul sursei de alimentare ceea ce conduce la aprinderea tiristorului. La eliberarea butonului „on” circuitul continuă să funcţioneze deoarece tiristorul rămâne în conducţie (curentul la care se stabilizează funcţionarea tiristorului este egal cu curentul motorului care este mai mare decât curentul IH de menţinere a tiristorului).

Când se doreşte oprirea motorului se apasă butonul „off” care este în stare normal închis, operaţie care conduce la deschiderea circuitului motorului şi automat anulării curentului anod-catod al tiristorului. După trecerea timpului de revenire, tiristorul ajunge în stare blocat, iar prin eliberarea butonul „off” circuitul este pregătit pentru o nouă pornire.

O altă aplicaţie este aceea de control al puterii aplicate unui circuit. Se consideră circuitul din Fig.8.8 pentru care în circuitul consumatorului s-a înseriat un tiristor.

Fig.8.8. Circuit de control al puterii furnizate consumatorului.

Tiristorului este comandat din acelaşi circuit prin înserierea pe circuitul grilei a unui rezistor variabil şi a unei diode. Dioda are rol de protecţie la tensiuni inverse.

Pe alternanţa negativă a sursei de alimentare prin consumator nu circulă curent deoarece tiristorul este polarizat invers. În plus grila este protejată de diodă care este de asemenea polarizată invers.

În alternanţa pozitivă tiristorul este polarizat direct şi el poate intra în conducţie comandat pe grilă de curentul ce se stabileşte prin rezistorul variabil şi diodă. Prin urmare rezistorul variabil are rol de a modifica curentul pe grilă şi implicit valoarea tensiunii la care tiristorul aprinde. Astfel prin modificarea valorii rezistenţei variabile se modifică valoarea puterii transmise consumatorului.

8.4. Triacul.Triacul este un dispozitiv cu cinci straturi, echivalent cu două tiristoare aşezate

antiparalel, având un singur electrod de comandă (TRIode Alternating Current).Structura şi simbolul triacului sunt prezentate în Fig.8.9.

Fig.8.9. Structura şi simbolul triacului.

Datorită conductibilităţii bidirecţionale, cei doi electrozi între care circulă curentul principal se notează T1 şi T2. Comanda pe grilă se poate face cu semnale de ambele polarităţi faţă de terminalul T1 pentru fiecare dintre cele două sensuri ale curentului principal. În concluzie este foarte important de reţinut că într-un circuit dacă grila triacului este polarizată de la terminalul vecin acesta nu va aprinde niciodată. Prin urmarea triacul va fi polarizat tot timpul de la terminalul opus grilei (în cazul reprezentării din Fig.8.9 de la terminalul T1).

Fig.8.10. Caracteristicile grafice ale triacului.

Funcţionarea triacului este următoarea: dacă potenţialul terminalului T1 este pozitiv în raport cu T2 şi se aplică pe poartă un impuls pozitiv în raport cu T2, intră în conducţie tiristorul din stânga simbolului din Fig.8.9. Dacă potenţialul terminalului T2 este pozitiv în raport cu T1 şi se aplică pe poartă un impuls negativ în raport cu T2, intră în conducţie tiristorul din dreapta simbolului.

Raportul între puterea din circuitul principal şi puterea de comandă este în favoarea utilizării tiristorilor, cu toate că circuitele de comandă sunt mai complicate. Din acest motiv triacul este utilizat în circuite pentru comanda maşinilor electrice, invertoare, circuite de control a puterii transmise sarcinii, circuite pentru comanda iluminatului, toate de puteri mici sau medii.