Construction et fonctionnement du Thyristor

Dans de nombreux aspects, le thyristor est similaire à la construction d’un transistor. C’est un dispositif à semi-conducteurs multi-couches, d’où le terme «silicium» dans son nom. Il nécessite un signal de commande pour être activé («contrôlé»), et une fois activé, il se comporte comme un diode de redressement, le terme «redresseur» dans son nom. En fait, le symbole de circuit pour le thyristor suggère que ce dispositif agit comme un diode redresseur contrôlé.

Symbole de Thyristor

Cependant, contrairement à la diode de jonction, qui est un dispositif semi-conducteur à deux couches (P-N), ou au transistor bipolaire couramment utilisé qui est un dispositif de commutation à trois couches (P-N-P ou N-P-N), le Thyristor est un dispositif semi-conducteur à quatre couches (P-N-P-N) contenant trois jonctions PN en série, représenté par le symbole montré.

Comme la diode, le thyristor est un dispositif unidirectionnel, cela signifie qu’il ne conduira le courant que dans une seule direction, mais contrairement à une diode, le thyristor peut être utilisé soit comme un interrupteur circuit ouvert, soit comme une diode redresseuse, selon comment le gate du thyristor est déclenché. Autrement dit, les thyristors ne peuvent opérer qu’en mode de commutation et ne peuvent pas être utilisés pour l’amplification.

Le redresseur silicium commandé SCR fait partie des divers dispositifs de puissance à semi-conducteurs comme les Triacs (Triode AC), Diacs (Diode AC) et UJT (Transistor à Jonction Unique) qui agissent comme des interrupteurs solides à courant alternatif très rapides pour contrôler de grandes tensions et courants AC. Pour l’étudiant en électronique, cela rend ces dispositifs solides très pratiques pour contrôler des moteurs AC, des lampes et pour le contrôle de phase.

Le thyristor est un dispositif à trois terminaux étiquetés : «Anode», «Cathode» et «Gate», composé de trois jonctions PN pouvant être commutées «ON» et «OFF» à une vitesse extrêmement rapide, ou il peut être commuté «ON» pour des durées variables pendant les demi-cycles afin de fournir une puissance sélective à une charge. Le fonctionnement du thyristor peut être mieux expliqué en supposant qu’il est constitué de deux transistors connectés dos à dos comme une paire d’interrupteurs régénérateurs complémentaires, comme indiqué.

Analogie des deux Transistors du Thyristor

Le circuit équivalent des deux transistors montre que le courant du collecteur du transistor NPN TR₂ alimente directement la base du transistor PNP TR₁, tandis que le courant collecté de TR₁ alimente la base de TR₂. Ces deux transistors interconnectés dépendent l’un de l’autre pour la conduction, car chaque transistor reçoit son courant base-émetteur du courant collecteur-émetteur de l’autre. Donc, tant qu’aucun courant de base n’est fourni à l’un des transistors, rien ne peut se passer même si une tension Anode-Cathode est présente.

Lorsque la borne Anode du thyristor est négative par rapport à la Cathode, la jonction centrale N-P est polarisée en direct, tandis que les deux jonctions extérieures P-N sont polarisées inverses et se comporte beaucoup comme une diode ordinaire. Par conséquent, un thyristor bloque le flux de courant inverse jusqu’à ce qu’à un certain niveau de tension élevé, le point de tension de rupture des deux jonctions extérieures soit dépassé et le thyristor conduise sans l’application d’un signal Gate.

Ceci est une caractéristique négative importante du thyristor, car les Thyristors peuvent être déclenchés de manière non intentionnelle par un survoltage inverse ainsi que par des températures élevées ou une tension dv/dt en rapide augmentation, telle qu’une impulsion.

Si la borne Anode est rendue positive par rapport à la Cathode, les deux jonctions P-N extérieures sont alors polarisées en direct, mais la jonction centrale N-P est polarisée en inverse. Par conséquent, le courant direct est également bloqué. Si un courant positif est injecté dans la base du transistor NPN TR₂, le courant collecté résultant s’écoule dans la base du transistor TR₁. Cela provoque à son tour un courant collecté dans le transistor PNP, TR₁, ce qui augmente le courant de base de TR₂ et ainsi de suite.

Tyipique Thyristor

Très rapidement, les deux transistors se forcent à conduire jusqu’à saturation car ils sont connectés dans une boucle de rétroaction régénérative qui ne peut pas s’arrêter. Une fois déclenché en conduction, le courant circulant à travers le dispositif entre l’Anode et la Cathode est limité uniquement par la résistance du circuit externe, car la résistance directe du dispositif en conduction peut être très faible, inférieure à 1Ω, ainsi la chute de tension et la perte d’énergie sont également faibles.

On peut donc voir qu’un thyristor bloque le courant dans les deux directions d’une alimentation AC dans son état “OFF” et peut être commuté “ON” et agir comme une diode redresseuse normale par l’application d’un courant positif à la base du transistor, TR₂, qui pour un redresseur silicium commandé est appelé la borne “Gate”.

Caractéristiques de fonctionnement I-V

Une fois que le thyristor est passé en “ON” et que le courant circule dans le sens direct (anode positive), le signal de gate perd tout contrôle en raison de l’action de verrouillage régénérative des deux transistors internes. L’application de tout signal ou impulsion de gate après le déclenchement n’aura aucun effet car le thyristor est déjà en conduction et complètement “ON”.

Contrairement au transistor, le SCR ne peut pas être polarisé pour rester dans une région active le long d’une ligne de charge entre ses états de blocage et de saturation. La magnitude et la durée de l’impulsion de gate «turn-on» ont peu d’effet sur le fonctionnement du dispositif, car la conduction est contrôlée en interne. Ainsi, l’application d’une impulsion de gate momentanée au dispositif suffit pour provoquer sa conduction, et il restera «ON» même si le signal de gate est complètement retiré.

Par conséquent, il est également possible de considérer le thyristor comme un Verrou Bistable, ayant deux états stables «OFF» ou «ON». Cela est dû au fait qu’en l’absence de signal de gate appliqué, un redresseur silicium commandé bloque le courant dans les deux directions d’une onde AC, et une fois qu’il est déclenché en conduction, l’action de verrouillage régénérative signifie qu’il ne peut pas être éteint simplement en utilisant sa Gate.

Alors, comment désactiver le thyristor ?

Une fois que le thyristor est verrouillé par lui-même dans son état “ON” et passe un courant, il ne peut être désactivé qu’en supprimant complètement la tension d’alimentation et donc le courant Anode (I_A), ou en réduisant son courant Anode à Cathode par des moyens externes (l’ouverture d’un interrupteur par exemple) à une valeur inférieure à celle communément appelée «courant de maintien minimum», I_H.

Le courant Anode doit donc être réduit en dessous de ce niveau minimal de maintien suffisamment longtemps pour que les jonctions pn du thyristor verrouillées en interne récupèrent leur état de blocage avant qu’une tension directe soit à nouveau appliquée au dispositif sans qu’il ne se déclenche automatiquement. Il est donc évident que pour qu’un thyristor conduise, son courant Anode, qui est aussi son courant de charge, I_L, doit être supérieur à sa valeur de courant de maintien. Donc I_L > I_H.

Étant donné que le thyristor a la capacité de se désactiver chaque fois que le courant Anode est réduit en dessous de cette valeur minimale de maintien, il s’ensuit que lorsqu’il est utilisé sur une alimentation AC sinusoïdale, le SCR s’éteindra automatiquement à une valeur proche du point de croisement de chaque demi-cycle, et comme nous le savons maintenant, restera “OFF” jusqu’à l’application de la prochaine impulsion de déclenchement de la Gate.

Puisqu’une tension sinusoïdale AC inverse continuellement en polarité de positive à négative à chaque demi-cycle, cela permet au thyristor de se désactiver au point zéro de 180^o de l’onde positive. Cet effet est connu sous le nom de «commutation naturelle» et est une caractéristique très importante du redresseur silicium commandé.

Pour les thyristors utilisés dans des circuits alimentés par des sources DC, cette condition de commutation naturelle ne peut pas se produire, car la tension d’alimentation DC est continue, donc un autre moyen de désactiver le thyristor doit être fourni au moment approprié, car une fois déclenché, il continuera à conduire.

Cependant, dans les circuits AC sinusoïdaux, la commutation naturelle se produit à chaque demi-cycle. Ensuite, pendant la moitié positive du cycle d’une onde sinusoïdale AC, le thyristor est polarisé en direct (anode positive) et peut être déclenché “ON” à l’aide d’un signal ou impulsion Gate. Pendant la moitié négative, l’Anode devient négative tandis que la Cathode est positive. Le thyristor est alors polarisé en inverse par cette tension et ne peut pas conduire, même si un signal de Gate est présent.

En appliquant un signal de Gate au moment approprié pendant la moitié positive d’une onde AC, le thyristor peut être déclenché en conduction jusqu’à la fin de la moitié positive du cycle. Ainsi, le contrôle de phase (tel qu’on l’appelle) peut être utilisé pour déclencher le thyristor à n’importe quel point le long de la moitié positive de l’onde AC et l’une des nombreuses utilisations d’un Redresseur Silicium Commandé est dans le contrôle de la puissance des systèmes AC, comme indiqué.

Contrôle de Phase

Au début de chaque demi-cycle positif, le SCR est “OFF”. À l’application de l’impulsion de gate déclenche le SCR en conduction et reste complètement verrouillé “ON” pendant la durée du cycle positif. Si le thyristor est déclenché au début de la demi-cycle ( θ = 0^o ), la charge (une lampe) sera “ON” pendant tout le cycle positif de l’onde AC (AC redressé en demi-vague) à une tension moyenne élevée de 0.318 x Vp.

À mesure que l’application de l’impulsion de déclenchement de Gate augmente le long de la demi-cycles ( θ = 0^o à 90^o ), la lampe est illuminée moins longtemps et la tension moyenne fournie à la lampe sera également proportionnellement moins élevée, réduisant ainsi sa luminosité.

Nous pouvons donc utiliser un redresseur silicium commandé comme un variateur de lumière AC ainsi que dans une variété d’autres applications de puissance AC telles que : le contrôle de la vitesse des moteurs AC, les systèmes de contrôle de température et les circuits régulateurs de puissance, etc.

Jusque-là, nous avons vu qu’un thyristor est essentiellement un dispositif à demi-vague qui conduit uniquement dans la moitié positive du cycle lorsque l’Anode est positive et bloque le flux de courant comme une diode lorsque l’Anode est négative, peu importe le signal de Gate.

Mais il existe encore d’autres dispositifs semi-conducteurs disponibles qui relèvent du titre «Thyristor» qui peuvent conduire dans les deux directions, des dispositifs à pleine onde ou peuvent être désactivés par le signal de Gate.

Ces dispositifs comprennent «Thyristors Gate Turn-OFF» (GTO), «Thyristors à Induction Statique» (SITH), «Thyristors Contrôlés par MOS» (MCT), «Interrupteur Silicium Commandé» (SCS), «Thyristors Triode» (TRIAC) et «Thyristors Activés par Lumière» (LASCR) pour n’en nommer que quelques-uns, avec tous ces dispositifs disponibles dans une variété de tensions et courants, ce qui les rend attrayants pour une utilisation dans des applications à des niveaux de puissance très élevés.

Résumé du Thyristor

Redresseurs Silicium Commandés, connus communément sous le nom de Thyristors, sont des dispositifs semi-conducteurs PNPN à trois jonctions qui peuvent être considérés comme deux transistors interconnectés pouvant être utilisés dans la commutation de charges électriques lourdes. Ils peuvent être verrouillés «ON» par une seule impulsion de courant positif appliqué à leur borne Gate et resteront «ON» indéfiniment jusqu’à ce que le courant Anode à Cathode tombe en dessous de leur niveau de verrouillage minimum.

Caractéristiques Statiques d’un Thyristor

• Les thyristors sont des dispositifs semi-conducteurs qui ne peuvent fonctionner qu’en mode de commutation.
• Les thyristors sont des dispositifs à courant, un petit courant de Gate contrôle un plus grand courant Anode.
• Conduit le courant uniquement lorsqu’il est polarisé en direct et qu’un courant de déclenchement est appliqué à la Gate.
• Le thyristor agit comme une diode redresseuse une fois qu’il est déclenché “ON”.
• Le courant Anode doit être supérieur au courant de maintien pour maintenir la conduction.
• Bloque le flux de courant lorsqu’il est polarisé en inverse, peu importe si un courant de Gate est appliqué.
• Une fois déclenché “ON”, il sera verrouillé “ON” conduisant même lorsqu’un courant de gate n’est plus appliqué, à condition que le courant Anode soit supérieur au courant de verrouillage.

Les thyristors sont des interrupteurs à haute vitesse pouvant remplacer les relais électromécaniques dans de nombreux circuits car ils n’ont aucune pièce mobile, ne provoquent pas d’arc de contact, ni de corrosion ou de salissure. De plus, au-delà de simplement commuter de gros courants “ON” et “OFF”, les thyristors peuvent être utilisés pour contrôler la valeur moyenne d’un courant de charge AC sans dissiper de grandes quantités d’énergie. Un bon exemple du contrôle de puissance par thyristor est dans le contrôle de l’éclairage électrique, des chauffages et de la vitesse des moteurs.

Dans le prochain tutoriel, nous examinerons quelques Circuits de Thyristor de base et applications utilisant à la fois des alimentations AC et DC.