TIRISTORUL

1. STRUCTURA pnpnUn tiristor este realizat dintr-o plăcuţă de siliciu monocristalin, în care se formează patru

regiuni dopate succesiv cu impurităţi donoare şi acceptoare.

Fig. 1. Structura de bază a dispozitivelor cu mai mult de două joncţiuniRegiunile dinspre exterior se numesc anod (p1) şi catod (n2).Regiunile dinspre interior sunt denumite baze, deosebindu-se o bază groasă (regiunea n1) şi

o bază subţire (regiunea p2) aceste denumiri fiind justificate de dimensiunile uzuale întâlnite în realizarea tehnologică a acestor dispozitive.

Dacă pe anod se aplică o tensiune pozitivă în raport cu catodul (Uac>0) tensiunea se distribuie pe cele trei joncţiuni cu polarităţile din fig.2.

Regiunile p1 şi n2 joacă rolul unor emitoare care injectează purtători minoritari în cele două baze: emitorul injectează goluri în baza groasă (n1); emitorul n2 injectează electroni în baza subţire (p2).Prin structură circulă două fluxuri de purtători: un flux de goluri ce pleacă din emitorul p1 (prin baza n1) spre baza p2 şi un flux de electroni ce pleacă din emitorul n2 (prin baza p2) spre baza n1.

O parte din goluri şi din electroni se recombină în cele două baze, restul purtătorilor ajungând la joncţiunea centrală (J2) care funcţionează astfel ca o joncţiune de colector. Existenţa celor doi curenţi de purtători de semn diferit a condus la ideea înlocuirii structurii pnpn printr-o combinaţie de două tranzistoare complementare. Tranzistorul T1 (pnp) este echivalent regiunilor p1n1p2, iar tranzistorul T2 (npn) este echivalent regiunilor n2p2n1.

Fig. 2. Înlocuirea structurii pnpn cu două tranzistoare complementareÎn cazul în care tensiunea anodică este pozitivă cele două tranzistoare sunt polarizate

normal.

TH - 1

Fig. 3. Distribuţia curenţilor prin tranzistoarele echivalente tiristoruluiDacă electrodul de poartă este în gol (iG=0) sunt valabile următoarele ecuaţii:

Bi 1= (1- 1) Ai - CI 01

Ci 2 = 2 ki + cI 02 = 2 Ai + cI 02

Întrucât iB2 = iC2 rezultă: Ai = 1 Ai + 2 Ai + CI 0 1- factorul de amplificare în curent al tranzistorului T1;2- factorul de amplificare în curent al tranzistorului T2;1Ia- curentul datorat golurilor (injectate de emitorul p1) care ajung la joncţiunea de

colector;2Ia- curentul datorat electronilor (injectaţi de emitorul n2) care ajung la joncţiunea de

colector.Ico- curentul rezidual al joncţiunii centrale (curent care ar trece prin joncţiune în absenţa

celorlalte două joncţiuni).Relaţia finală:

(1)

Dacă se injectează un curent iG prin electrodul de comandă atunci:Ci 2 = 2 ki + CI 02 = 2 ( Ai + Gi )

de unde rezultă relaţia: Ai = CI 0+ Gi

1- 1- 2 (2)

Amorsarea structurii pnpn are loc atunci când curentul anodic dat de ecuaţiile (1) sau (2) tinde să crească la infinit, adică: 1+ 2 = 0 (3)

Fig. 4. Variaţia amplificării în curent în funcţie de valoarea curentului de emitorFactorii de amplificare 1, 2 depind de intensitatea curentului care străbate structura, iar

variaţia neliniară a acestora stă la baza procesului de amorsare a structurii pnpn.

TH - 2

2. AMORSAREA STRUCTURII pnpn2.1. AMORSAREA PRIN CREŞTEREA TENSIUNIICând tensiunea anodică este mică, curentul din circuitul exterior este determinat de curentul

rezidual al joncţiunii centrale (polarizată invers) şi tensiunea uA este suportată practic de această joncţiune. Dacă tensiunea uA creşte, creşte puţin şi tensiunea preluată de joncţiunea J2 astfel că se măresc Ico şi iA şi odată cu iA cresc amplificările în curent 1, 2 .

Mărind mai mult tensiunea anodică, la o anumită valoare uA=uB0 în structură apare un proces de multiplicare în avalanşă a purtătorilor care atrage după sine o creştere puternică a curentului în circuitul exterior şi condiţia de amorsare (3) este îndeplinită cu uşurinţă. În acest moment u J2 îşi schimbă semnul şi joncţiunea centrală se polarizează în sens direct.

Căderea de tensiune pe structură devine Ua=uJ1-uJ2+uJ3 şi este mai mică decât suma căderilor de tensiune pe joncţiunile J1 şi J3, fiind cu puţin mai mare decât căderea de tensiune pe o diodă semiconductoare. Se disting trei regiuni diferite: regiunea OA, în care structura este blocată; regiunea AB, care corespunde procesului de comutare a dispozitivului, regiune caracterizată de

o rezistenţă diferenţială negativă; regiunea BC, în care structura este în conducţie.

2.2. AMORSAREA PRIN CURENT DE COMANDĂEfectul principal al curentului iG este creşterea curentului joncţiunii de emitor J3 deci şi a

curentului de electroni ce traversează joncţiunea J2 care are ca urmare creşterea imediată a factorului de amplificare în curent . Mai departe procesele se desfăşoară ca în cazul precedent (fără curent de grilă) dar tensiunea anodică la care este realizată condiţia de amorsare este mai mică decât uB0. Întoarcerea are loc la o tensiune cu atât mai mică cu cât iG este mai mare.

Fig. 5. Caracteristica tensiune-curent a structurii pnpn fără curent de comandă

Fig. 6. Caracteristica anodică a tiristoruluiDupă amorsare, electrodul de comandă nu mai poate influenţa curentul prin structură pentru

că iG < iA şi variaţiile factorului 2 cu iG devin neglijabile.Structura pnpn se mai poate amorsa şi prin efect dU/dt (când variaţia tensiunii anodice este

foarte rapidă) şi prin efect fotoelectric.

TH - 3

3. BLOCAREA STRUCTURII pnpn Structura pnpn se menţine în conducţie datorită reacţiei pozitive între bazele şi colectoarele

celor două tranzistoare complementare din schema echivalentă (vezi fig.3).Pentru a bloca structura trebuie ca tranzistoarele să revină în zona de funcţionare activă, iar

suma 1+2 să atingă o valoare subunitară.Există două posibilităţi de blocare a unei structuri pnpn obişnuite, aflată în stare de conducţie:

prin micşorarea curentului anodic sub o anumită valoare denumită valoare de menţinere (IH); prin aplicarea unei tensiuni de polarizare inversă între anod şi catod.

4. CARACTERISTICILE TIRISTORULUI4.1. CARACTERISTICA ANODICATiristorul convenţional sau RSC (redresorul cu siliciu controlat - Silicon Controlled

Rectifier) este un dispozitiv care are la bază structura pnpn cu electrod de poartă la baza de tip p (poartă de catod, poartă catodică) şi care conduce curentul într-un singur sens.

Tiristorul poate fi alimentat în circuitul său anodic cu tensiune anodică sau cu tensiune alternativă. În ambele cazuri el se conectează în serie cu o rezistenţă de limitare a curentului direct.

În polarizare directă (anodul pozitiv, catodul negativ) există două stări stabile de funcţionare: starea de blocare în sens direct (porţiunea OA) şi starea de conducţie (porţiunea BC).

Cele două stări sunt separate de o porţiune cu rezistenţa negativă (AB). Această regiune este foarte abruptă şi nu poate fi parcursă punct cu punct.

Fig. 7. Polarizarea tiristorului în circuitÎn polarizare inversă (anod negativ, catod pozitiv) tiristorul este blocat (blocare în sens

invers) atât timp cât nu se depăşeşte o tensiune inversă maximă Ubr. Depăşirea acestei tensiuni conduce la distrugerea dispozitivului. Aplicarea unui curent pe poartă are ca efect creşterea curentului invers ce traversează structura, deci şi creşterea puterii disipate în dispozitiv, în polarizare inversă.

Căderea de tensiune la bornele tiristorului în conducţie are o valoare cuprinsă între 0.7..2.0V şi depinde de intensitatea curentului direct iT, de tipul structurii şi de temperatură. Curba iT=f(uT) are o formă asemănătoare cu caracteristica anodică a unei diode semiconductoare.

S-a precizat că tensiunea de amorsare Ubo poate fi micşorată prin aplicarea unei tensiuni de comandă între catod şi grilă. Caracteristica de comandă a unui tiristor arată dependenţa tensiunii anodice de amorsare în funcţie de curentul de grilă.

5. APARATE NECESARE- panoul experimental de la lucrarea ''tiristorul'', reostate;- voltmetru de curent continuu, ampermetru şi miliampermetru de curent continuu;- sursă de tensiune continuă 0…+10V, sursă de tensiune continuă 0…+25V (dacă panoul

experimental nu are surse incluse).

TH - 4

Fig. 8. Caracteristicile anodice ale tiristorului

Fig. 9. Caracteristica tiristorului in conducţie directă

Fig. 10. Caracteristica de comandă a tiristorului

Fig. 11. Schema electrică pentru determinarea caracteristicilor anodice ale tiristorului

TH - 5

6. DESFĂŞURAREA LUCRĂRII6.1. Se identifică elementele din schema de montaj pe panou, realizând conexiunile cu aparatele de măsură şi sursele de alimentare.6.2. Se efectuează măsurătorile pentru determinarea a două caracteristici statice, considerând două tensiuni de amorsare diferite: Uam1=5V ; Uam2=25V. Valorile datelor experimentale vor fi trecute in tabelul nr.1.

Tabelul 1.Ubo(V) 0 1 2 3 4 5 10 15 20 25iG(mA)Ug(V)6.3. Cu datele din tabelul 1 se trasează (în acelaşi grafic) cele două caracteristici IA=f(UA)- corespunzătoare curenţilor de grilă iG1 şi iG2.6.4. Se fac măsurătorile pentru determinarea caracteristicii de comandă a tiristorului. Rezultatele măsurătorilor se trec în tabelul nr.2.

Tabelul 2.Uam (V)IG (mA)

Pentru a determina o pereche de valori (Uam ; iG) se procedează astfel: - se alimentează circuitul A-C cu o anumita tensiune, apoi prin potenţiometrul P se reglează curentul de grilă (plecând de la valoarea zero) până când tiristorul intră în conducţie (în acest moment voltmetru indică trecerea la zero, practic 0.7..2.0V). Se notează valoarea curentului iG

corespunzătoare valorii Uam la momentul anterior amorsării.6.5. Se reprezintă grafic caracteristica de comandă Uam=g(iG).6.6. Se stabilesc concluziile privind rolul curentului de grilă la amorsarea şi blocarea tiristorului.

Fig. 12. Determinarea caracteristicilor tiristorului

Se măsoară: IG pentru amorsare; IH de menţinere; UAK în stare amorsată; UGK în stare amorsată;UAK în stare blocată (=EA=20V); IA în conducţie (pentru EA=20V).

7. BIBLIOGRAFIE7.1. Ceangă E., ş.a.- Electronică industrială. E.D.P. Bucureşti, 1981.7.2. Ceangă E., ş.a.- Îndrumar de laborator pentru electronică. Universitatea din Galaţi, 1978.7.3. Aiordăchioaie D., ş.a. – Electronică. Îndrumar de laborator. Universitatea din Galaţi, 1994.7.4. Iliev Mircea, Popa Rustem, Iliev Voichiţa-Marcela - Dispozitive şi circuite electronice – partea I-a. Editura Fundaţiei Universitare “Dunărea de Jos”, Galaţi, 2001.

TH - 6