Introduction aux Thyristors

Dans le tutoriel précédent, nous avons examiné la construction et le fonctionnement de base du redresseur contrôlé en silicium, plus communément connu sous le nom de thyristor. Cette fois-ci, nous allons explorer comment nous pouvons utiliser le thyristor et le circuit de thyristor pour contrôler des charges beaucoup plus importantes telles que des lampes, des moteurs ou des chauffages, etc.

Nous avons précédemment dit que pour activer le thyristor, nous devons injecter une petite impulsion de courant de déclenchement (et non un courant continu) dans la borne de Gate (G) lorsque le thyristor est dans sa direction directe, c’est-à-dire lorsque l’anode (A) est positive par rapport à la cathode (K), pour que le maintien régénératif se produise.

Thyristor typique

En général, cette impulsion de déclenchement n’a besoin de durer que quelques microsecondes, mais plus l’impulsion de Gate est appliquée longtemps, plus la défaillance interne par avalanche se produit rapidement et plus le temps d’activation du thyristor est court, mais le courant maximum de Gate ne doit pas être dépassé. Une fois déclenché et passant entièrement, la chute de tension à travers le thyristor, de l’anode à la cathode, est raisonnablement constante, à environ 1,0 V pour toutes les valeurs de courant d’anode jusqu’à sa valeur nominale.

Mais n’oubliez pas que, une fois qu’un thyristor commence à conduire, il continue de conduire même sans signal de Gate, jusqu’à ce que le courant d’anode diminue en dessous du courant de maintien du dispositif (I_H), et en dessous de cette valeur, il s’éteint automatiquement. Contrairement aux transistors bipolaires et aux FET, les thyristors ne peuvent pas être utilisés pour l’amplification ou le commutateur contrôlé.

Les thyristors sont des dispositifs semiconducteurs spécialement conçus pour être utilisés dans des applications de commutation haute puissance et n’ont pas la capacité d’un amplificateur. Les thyristors ne peuvent fonctionner qu’en mode de commutation, agissant comme un interrupteur ouvert ou fermé.

Une fois déclenché pour conduire par sa borne de Gate, un thyristor restera en conduction (passant du courant) en permanence. Par conséquent, dans les circuits CC et certains circuits CA à haute inductance, le courant doit être réduit artificiellement par un interrupteur séparé ou un circuit d’arrêt.

Circuit Thyristor CC

Lorsqu’il est connecté à une source de courant continu (CC), le thyristor peut être utilisé comme un interrupteur CC pour contrôler des courants et des charges CC plus importants. En utilisant le thyristor comme interrupteur, il se comporte comme un verrou électronique car, une fois activé, il reste dans l’état “ON” jusqu’à ce qu’il soit réinitialisé manuellement. Considérons le circuit thyristor CC ci-dessous.

Circuit de Commutation Thyristor CC

Ce circuit simple de déclenchement de thyristor “ON/OFF” utilise le thyristor comme un interrupteur pour contrôler une lampe, mais il pourrait également être utilisé comme circuit de contrôle ON/OFF pour un moteur, un chauffage ou une autre charge CC. Le thyristor est polarisé en avant et est déclenché pour conduire en fermant brièvement le bouton-poussoir “ON” normalement ouvert, S₁, qui connecte la borne de Gate à la source CC via la résistance de Gate R_G, permettant ainsi au courant de circuler dans la Gate. Si la valeur de R_G est trop élevée par rapport à la tension d’alimentation, le thyristor peut ne pas se déclencher.

Une fois le circuit allumé, il s’accroche de lui-même et reste “ON” même lorsque le bouton-poussoir est relâché, à condition que le courant de charge soit supérieur au courant de maintien du thyristor. Des opérations supplémentaires du bouton-poussoir, S₁, n’auront aucun effet sur l’état du circuit car, une fois “verrouillé”, la Gate perd tout contrôle. Le thyristor est maintenant complètement “ON” (conducteur), permettant à tout le courant du circuit de charge de passer à travers le dispositif dans la direction directe et de revenir à la source de batterie.

Un des principaux avantages de l’utilisation d’un thyristor comme interrupteur dans un circuit CC est qu’il a un très grand gain de courant. Le thyristor est un dispositif à courant commandé car un petit courant de Gate peut contrôler un courant d’anode beaucoup plus important.

La résistance Gate-cathode R_GK est généralement incluse pour réduire la sensibilité de la Gate et augmenter sa capacité dv/dt, empêchant ainsi le déclenchement intempestif du dispositif.

Comme le thyristor s’est verrouillé en état “ON”, le circuit ne peut être réinitialisé qu’en interrompant l’alimentation et en réduisant le courant d’anode en dessous de la valeur minimale du courant de maintien du thyristor (I_H).

Ouvrir le bouton-poussoir “OFF” normalement fermé, S₂, coupe le circuit, réduisant le courant circulant à travers le thyristor à zéro, le forçant ainsi à s’éteindre jusqu’à l’application d’un autre signal de Gate.

Cependant, un des inconvénients de cette conception de circuit thyristor CC est que l’interrupteur mécanique normalement fermé “OFF”, S₂, doit être assez grand pour supporter la puissance du circuit passant à travers à la fois le thyristor et la lampe lorsque les contacts s’ouvrent.

Si tel est le cas, nous pourrions simplement remplacer le thyristor par un gros interrupteur mécanique. Une façon de surmonter ce problème et de réduire la nécessité d’un interrupteur “OFF” plus robuste est de connecter l’interrupteur en parallèle avec le thyristor comme montré.

Circuit Thyristor CC Alternatif

Ici, l’interrupteur thyristor reçoit la tension de terminal requise et le signal d’impulsion de Gate comme avant, mais le plus gros interrupteur normalement fermé du circuit précédent a été remplacé par un plus petit interrupteur normalement ouvert en parallèle avec le thyristor.

L’activation de l’interrupteur S₂ applique momentanément un court-circuit entre l’anode et la cathode du thyristor, empêchant l’appareil de conduire en réduisant le courant de maintien en dessous de sa valeur minimale.

Circuit Thyristor CA

Lorsqu’il est connecté à une source de courant alternatif (CA), le thyristor se comporte différemment du circuit de courant continu (CC) précédent. Cela est dû au fait que l’alimentation CA inverse périodiquement la polarité, et donc tout thyristor utilisé dans un circuit CA sera automatiquement polarisé inversement, le forçant à s’éteindre pendant une moitié de chaque cycle. Considérons le circuit thyristor CA ci-dessous.

Circuit de Commutation CA

Le circuit de déclenchement de thyristor ci-dessus est similaire en conception au circuit SCR CC sauf pour l’omission d’un interrupteur “OFF” supplémentaire et l’inclusion de la diode D₁ qui empêche une polarité inverse d’être appliquée à la Gate.

Pendant la demi-période positive du signal sinusoïdal, le dispositif est polarisé en avant, mais avec l’interrupteur S₁ ouvert, aucun courant de Gate n’est appliqué au thyristor et il reste “OFF”. Pendant la demi-période négative, le dispositif est polarisé inversement et restera “OFF” quelle que soit l’état de l’interrupteur S₁.

Si maintenant l’interrupteur S₁ est fermé, au début de chaque demi-période positive, le thyristor est complètement “OFF”, mais peu après, il y aura une augmentation suffisante de la tension de déclenchement positive et donc du courant présente à la Gate pour amener le thyristor à conduire complètement et la lampe à s’allumer.

Le thyristor est maintenant verrouillé “ON” pendant la durée de la demi-période positive, la Gate n’ayant aucun effet et étant effectivement court-circuitée à la cathode. Cette condition se poursuit jusqu’à ce que le thyristor s’éteigne automatiquement lorsque la demi-période positive se termine, alors que la forme d’onde sinusoïdale atteint zéro volt à 180^o et que le courant d’anode tombe en dessous de la valeur du courant de maintien.

Pendant la prochaine demi-période négative, le dispositif sera de toute façon complètement “OFF” jusqu’à la demi-période positive suivante lorsque le processus se répétera et que le thyristor conduira à nouveau tant que l’interrupteur reste fermé.

Dans cette condition, la lampe ne recevra que la moitié de la puissance disponible de la source CA, car le thyristor agit comme une diode redresseuse et ne conduit que pendant les demi-périodes positives lorsqu’il est polarisé en avant. Le thyristor continue de fournir la moitié de l’énergie à la lampe jusqu’à ce que l’interrupteur soit ouvert.

S’il était possible d’allumer et d’éteindre rapidement l’interrupteur S₁, de sorte que le thyristor reçoive son signal de Gate au “pic” (90^o) de chaque demi-période positive, l’appareil ne conduirait que pour une moitié de la demi-période positive. En d’autres termes, la conduction n’aurait lieu que pendant une moitié d’une demi-onde et cette condition entraînerait que la lampe reçoit “un quart” ou un quart de la puissance totale disponible de la source CA.

En variant avec précision la relation temporelle entre l’impulsion de Gate et la demi-période positive, le thyristor pourrait fournir n’importe quel pourcentage de puissance souhaité à la charge, entre 0% et 50%. Évidemment, en utilisant cette configuration de circuit, il ne peut pas fournir plus de 50% de puissance à la lampe, car il ne peut pas conduire pendant les demi-périodes négatives lorsqu’il est polarisé inversement. Considérons le circuit ci-dessous.

Contrôle de Phase à Demi-Onde

Le contrôle de phase est la forme la plus courante de contrôle de puissance CA par thyristor et un circuit de contrôle de phase AC de base peut être construit comme montré ci-dessus. Ici, la tension de Gate du thyristor est dérivée du circuit de charge RC via la diode de déclenchement, D₁.

Pendant la demi-période positive lorsque le thyristor est polarisé en avant, le condensateur C se charge par la résistance R₁ en suivant la tension d’alimentation CA. La Gate est activée uniquement lorsque la tension au point “A” a suffisamment augmenté pour amener la diode de déclenchement D₁ à conduire.

À ce stade, le condensateur se décharge dans la Gate du thyristor, le rendant complètement “ON”. La durée dans la moitié positive du cycle à laquelle commence la conduction est contrôlée par la constante de temps RC du circuit RC. Cette constante de temps peut être réglée par la résistance variable R₁.

Augmenter la valeur de R₁ a pour effet de retarder la tension et le courant de déclenchement fournis à la Gate du thyristor, ce qui entraîne un décalage dans le temps de conduction de l’appareil. En conséquence, la fraction de la demi-période au cours de laquelle le dispositif conduit peut être contrôlée entre 0 et 180^o.

Cela signifie que la puissance moyenne dissipée par la lampe peut être ajustée. Cependant, le thyristor est un dispositif unidirectionnel, donc seulement un maximum de 50% de puissance peut être fourni pendant chaque demi-période positive.

Il existe plusieurs façons d’atteindre un contrôle CA à onde complète de 100% en utilisant des “thyristors”. Un moyen est d’inclure un seul thyristor dans un circuit de redressement à pont diode qui convertit le CA en un courant unidirectionnel à travers le thyristor, tandis que la méthode plus courante consiste à utiliser deux thyristors connectés en inverse parallèles.

Une approche plus pratique est d’utiliser un seul Triac, car ce dispositif peut être déclenché dans les deux directions, ce qui le rend donc adapté aux applications de commutation CA.