Les Thyristors (SCR) Silicon Controled Rectifier

Les Thyristors (SCR) Silicon Controled Rectifier :

Analogie «2 transistors» de la structure PNPN
Les structures PN des diodes et NPN ou PNP des transistors bipolaires nous sont déjà familières. Il existe toutefois des éléments semiconducteurs à structure PNPN, qu’on appelle thyristors. Le plus connu de ceux-ci est le SCR, Silicon Controled Rectifier, dont la configuration apparaît à la Figure 3-1 a).

Pour en comprendre le fonctionnement, on brise symboliquement le cristal semiconducteur tel que le schéma équivalent à 2 transistors (Figure 3-1 c).

Figure 3-1 analogie « 2 transistors »

À la Figure 3-2, on rappelle les équations du transistor bipolaire en tenant compte du ICBO. On note aussi la présence de la capacité de jonction CCBO dont on verra l’importance un peu plus loin.

Pour trouver le courant d’anode du SCR équivalent de la Figure 3-3, il suffit d’effectuer la somme des courants suivants:

D’après la Figure 3-3, on note que: 

À l’aide des équations (3.2), (3.5) et (3.6), on effectue les substitutions appropriées pour obtenir l’expression du courant d’anode.

Amorçage du SCR :

Supposons initialement un courant de gâchette IG=0 et appliquons une tension d’anode UA positive. Le courant de base des deux transistors est la somme des courants de fuite ICBO1+ICBO2.

La courbe typique b vs IC de la Figure 3-4 montre que si IC est très faible, b peut être plus petit que 1, c’est ce qui se produit à température ambiante lorsque le courant de base n’est constitué que des courants de fuite.

L’équation (3.7) devient donc:   (3.8)

Le SCR est dans un état non-conducteur, même en polarisation directe.

Amorçage par courant de gâchette :

Si on fournit un courant de gâchette au SCR, c’est-à-dire un courant de base au transistor Q2, ce dernier l’amplifie. IC2 ayant augmenté, b2 augmente aussi. Ce courant de collecteur sert de courant de base pour Q1, qui à son tour l’amplifie tout en voyant son b1 augmenter. Le courant de collecteur de Q1 est retourné à la base de Q2 pour être amplifié de nouveau.

Nous sommes donc en présence d’une boucle de contre-réaction positive car le phénomène qui vient d’être décrit est cumulatif et une fois amorcé, il peut s’entretenir de lui-même.

Le gain de la boucle est b1b2 et apparaît au dénominateur de l’équation (3.7). Si sa valeur approche de 1, le courant d’anode à tendance à augmenter considérablement.

Le SCR devient donc conducteur. On dit qu’il a été amorcé. Si une résistance de charge externe ne vient pas limiter son courant d’anode, il pourra être détruit.

Cette façon d’amorcer le SCR est la bonne car nous avons le contrôle de IG.

Méthodes d’amorçage :

D’une façon générale, la méthode d’amorçage des SCR et TRIAC consiste à faire en sorte que le courant de gâchette IG devienne supérieur au IGT, le courant d’amorçage garanti.

On peut y arriver par:

> un courant continu de gâchette,

> une impulsion de courant de gâchette,

> un train d’impulsions de courant de gâchette.

Rôle de la résistance gâchette-cathode ;

Les manufacturiers recommandent presque toujours de placer une résistance RGK, entre la gâchette et la cathode, pour simuler la résistance RS des SCR «Shorted Emitter». 

Le rôle de cette résistance est de désensibiliser le SCR en dérivant une partie du courant du collecteur du PNP interne autour de la jonction base-émetteur du NPN.

Amorçage par tension d’avalanche :

Une deuxième façon de faire conduire un SCR est d’augmenter sa tension d’anode UA jusqu’à ce qu’un des deux transistors entre en avalanche. Le courant résultant sera suffisant pour que b1b2 tendent vers 1 et que l’effet cumulatif d’amplification se réalise.

Cette technique est indésirable car il existe des tolérances incontrôlables pour les tensions d’avalanche des SCR d’une même famille.

Amorçage par augmentation de tension du / dt :

Si UA augmente rapidement, la capacité totale CCBO1 + CCBO2 peut agir comme un court-circuit entre les deux bases pour fournir un chemin de conduction facile à travers les jonctions base-emetteur des deux transistors.

Le courant de base à l’origine du phénomène régénératif d’amorçage du SCR est:

En pratique, ce type d’amorçage, appelé « amorçage par du / dt », se produit au moment où on commande au SCR de bloquer. À cet instant, IA s’annule de même que la tension de la charge RL et UA augmente rapidement à la valeur de la tension d’alimentation.

On verra plus loin une méthode pour réduire le du/dt et empêcher cet amorçage indésirable.

Amorçage par température :

Une élévation de la température du SCR fait augmenter ICBO1 et ICBO2 Il est possible que la somme de ces deux courants soit suffisant pour que débute le phénomène de contre-réaction positive. Le SCR amorce donc sans que nous en ayons le contrôle.

Amorçage par énergie lumineuse :

Il existe sur le marché un photothyristor appelé LASCR (Light Activated SCR) qui s’amorce par un flux lumineux dirigé vers sa région de gâchette (base de Q2) à travers une fenêtre incorporée au boîtier.

L’énergie des photons est convertie en paires électron-trou qui servent de courant de gâchette.

Blocage du SCR :

Un SCR cesse de conduire si son courant d’anode est réduit à une valeur inférieure à son « courant de maintient IH » (Holding Current). Dans cette condition, le gain de la boucle b1b2 devient inférieur à 1 et le SCR retourne à l’état bloqué en polarisation directe.

On peut aussi polariser momentanément en inverse le SCR pour que IA devienne plus petit que IH. Lorsqu’on le repolarise en direct, il bloque le courant.

Courbe caractéristique IA-UA et symbole du SCR :

À la Figure 3-6, on trouve le symbole ainsi que la courbe IA-UA d’un SCR. De plus, les caractéristiques pertinentes du C106 sont fournies.

Avec un courant de gâchette nul, le SCR peut bloquer une tension aussi élevée que le UBo. Passé ce point, l’amorçage par tension se produit et le SCR passe à l’état de conduction. Son courant devient élevé et sa tension devient faible car il sature. Si IA devient inférieur à IH, le SCR retourne à l’état bloqué.

En inverse, le SCR peut bloquer une tension aussi élevée que le U(BR)R puis entre en avalanche comme une diode de redressement.

En fait, le synonyme de SCR est « redresseur commandé » car, plus le courant de gâchette augmente, plus le UBo diminue jusqu’à devenir, à toutes fins pratique, nul. C’est de cette façon que se réalise l’amorçage par la gâchette.

Caractéristiques du SCR C106:

Région de conduction:

Courant direct max.: ITM=5amp.

Tension directe max.: UTM=1.7V

Courant de maintien: IH=5mA max.

Région de blocage en inverse:

Courant d’avalanche: I(BR)R > 1mA 

Tension d’avalanche: U(BR)R    > 100V C106 A

                                                > 200V C106 B

                                                > 300V C106 C

                                                > 400V C106 D

Région de blocage en direct:

Courant de retournement: IBo > 400mA

Tension de retournement: UBo  > 100V C106 A

                                                 > 200V C106 B

                                                 > 300V C106 C

                                                 > 400V C106 D

Amorçage:

Courant d’amorçage: IGT=200mA max.

Tension d’amorçage: UGT=1V max.