SCR (Silicon Controlled Rectifier)

SCR (Silicon Controlled Rectifier)

Gli SCR (Silicon Controlled Rectifiers) sono dispositivi a tre terminali: Gate (G), Anodo (A) e Katodo (K).

Hanno un comportamento simile al diodo,  con  la differenza  di  poter  controllare,  tramite  corrente,  il  passaggio  dallo stato di polarizzazione inversa   a quella di polarizzazione diretta. Anche dal simbolo si deduce che il passaggio di corrente è possibile solo da Anodo a Katodo e non viceversa.

Esso è costituito da tre giunzioni e oltre ai morsetti di Anodo e Catodo è presente il morsetto di gate (porta), la cui funzione è quella di far passare l’SCR dallo stato OFF allo stato ON. Possiamo quindi affermare che l’SCR si può comportare, come il BJT, da interruttore ideale, come del resto  il  diodo,  ma  il  controllo  ON-OFF  è  regolato  dalla corrente di gate IG.

Fisicamente l’SCR è formato da quattro strati di semiconduttore drogati alternativamente PNPN e tre terminali

L’SCR potrebbe essere visto come tre diodi in serie, dovuti alle tre giunzioni presenti nel componente.

Applicando una tensione continua positiva tra anodo e catodo, si nota che due dei tre diodi sono polarizzati direttamente, mentre il diodo (giunzione G2),  è  inversamente  polarizzato  e  quindi  impedisce  il  passaggio  della corrente,  o  meglio  risulta  di  valore  molto  basso (corrente di saturazione inversa di un diodo).

Se invece applichiamo una tensione continua negativa tra anodo e catodo, solo il diodo (giunzione G2)  è  polarizzato  direttamente,  mentre  le  due  giunzioni  estreme  sono  polarizzate  entrambe inversamente, quindi anche in questo caso viene impedito il passaggio di corrente.

L’SCR può essere paragonato anche a due bjt cosi collegati

Applicando tra i terminali A e K una tensione continua come in figura, l’SCR in assenza di impulso sul gate, rimane disinnescato in quanto T2 rimane interdetto.

Fornendo un impulso al gate, T2 entra in conduzione ed avendo il proprio collettore sulla base del PNP T1 pone a sua volta in conduzione questo transistor. Tramite quindi l’impulso sul gate, è possibile controllare l’innesco dell’SCR.

Facendo sempre riferimento alla figura, abbiamo

   Ib1=Ic2=HFE2 * Ib2   (*)

Nel transistor T1 la Ic1 vale:

  Ic1=HFE1*Ib1   (**)

Sostituendo la (*) all’interno della (**), si ha:

Questa corrente, tramite il collegamento reazionato tra i due transistor, fa sì che T2 rimanga sempre in conduzione senza la necessità della costante polarizzazione del gate.

Graficamente si ha

Applichiamo un potenziale positivo ad A rispetto a K (Vak positiva). Se non inviamo alcuna corrente Ig al gate, non si ha conduzione fino a quando Vak non raggiunge un valore pari a Vbo (tensione di break-over). Il comportamento è rappresentato dalla curva “0“.
Applicando un impulso positivo Vgk di ampiezza e durata adeguati, si genera un impulso di corrente Ig che riduce la tensione di innesco.
Ad esempio applicando al gate i valori Ig1Ig2Ig3 (con Ig1 < Ig2 < Ig3), si ottengono rispettivamente le curve “1“, “2“, “3“, con tensioni di innesco  decrescenti.

Qualunque sia stata la tensione di innesco, una volta che è passato in conduzione il comportamento dell’SCR è rappresentato dalla curva “4“.
Una volta innescato l’SCR, si disinnesca se la corrente Ia scende sotto il valore Ih.

Applicando una tensione Vak inversa (negativa), l’SCR si comporta come un normale diodo, ovvero non conduce (salvo una piccola corrente trascurabile – curva “5“) fino al raggiungimento della tensione Vbd (tensione di break-down da non utilizzare), dove la corrente assume valori elevatissimi (curva “6“).

Vengono utilizzati come interruttori unidirezionali per alti valori di corrente e tensione alternate. I punti di forza sono:

  • Possibilità di gestire tensioni e corrente elevate
  • Utilizzo con tensioni e correnti alternate

Gli SCR vengono utilizzati nel campo del controllo delle altissime correnti e delle altissime tensioni e nella regolazione di potenza.  Nel controllo di regolazione della potenza, l’SCR viene collegato in serie al  carico,  il  tutto  alimentato  in  corrente  alternata.

SCR ALIMENTATO IN CORRENTE CONTINUA.

In Figura è rappresentato il comportamento dell’SCR quando questo risulta alimentato agli elettrodi di potenza A e K, in corrente continua.

Premendo il pulsante P1 si consente l’innesco del tiristore e quindi l’accensione della lampada. L’ SCR può tornare nella condizione di spento solo aprendo l’interruttore S1. In effetti in corrente continua la struttura interna del tiristore, fa si che il componente si auto-ritenga innescato tramite la corrente di mantenimento e solo con l’interruzione di questa si ottiene il disinnesco del tiristore.

SCR IN CORRENTE ALTERNATA

Il dispositivo, lavorando da interruttore, viene inserito in serie al carico ed alimentato dalla tensione alternata va (di solito la tensione di rete).

Sino a quando sul gate non arriva l’impulso di comando prodotto dal circuito di trigger CT, l’SCR rimane interdetto e Vl = 0

All’arrivo dell’impulso di comando, l’SCR commuta in ON, la sua Vak si abbassa rapidamente e sul carico viene a cadere sostanzialmente tutta la tensione di alimentazione (Vl ≈ Va).

Lo stato di conduzione permane finché Ia non scende al di sotto della corrente di mantenimento Ih, cioè praticamente per tutta la semionda positiva. In seguito nella semionda negativa l’SCR rimane interdetto, anche se eventuali impulsi di comando giungono sul suo gate.

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