PRINCIPES D'UTll.ISATION DES THYRISTORS

---~...:--

_ _ _ _ _ _ ...o_ _ _ _

E ' T DES TR.IACS ___

...0- _ _ ...0- _ _ _ ...:--_...:--...0-_ _

GENERALITES

U

N thyristor est un élément à 4 couches de silicium, conduisant dans un sens seulement, tel un redresseur (Fig.

1).

La tension à partir de laquelle le thyristor devient conducteur est contrôlée par une électrOde de commande (gate).

Pour G

=

1, la condition

« d'avalanche» est remplie e: le thyristor se verrouille dans l'état conducteur. L'une des méthOdes destinées à augmenter le gain d'un des transistors équivalents consiste à accroitre le courant de base, ce qui revient à envoyer llQ.e impul-sion de courant dans l'électrode de commande du thyristor.

Une fois que celui-ci est ver-rolliUé dans 1 état conducteur, 1 électrode de commande peut être déconnectée sans provoquer un nouveau changement d'état.. Le re-tour à 1 état bloqué peut être ob-tenu en réduisant le courant d'anode jusqu'à ce que la condition G

=

1 soit remplie.

Le courant d'anode peut être calculé d'aprés le schéma éqlliva-lent figure 2.

lA

=

ICi + IC2 + _{ICx (ICx} est un courant de fuite).

ICi

=

al IC2•

IC2

=

a2 IC,.

lA . ICx

=

ICx

Hal + (2) l-G (G étant la somme des gains des transistors).

Lorsque G est très voisin de 1, lA augmente très rapidement.

Le ^fi Triac» : Contrairement au Thyristor qui ne peut conduire que dans un sens, le Triac est un èis-positif bidirectionnel et peut être imaginé comme étant l'équivalent de deux thyristors connectés en parallèle, tête-bêche.

Les thyristors et les triacs ap-partiennent à la même famille de semi-conducteurs.

D'autres membres de cette fa-mille peuvent être cités :

Fig. 1 Page 118

*

N' 1 330

- Les thyristors G.T.O. (Gate turn off). Normalement, il y a deux façons de bloquer un thyristor : 1° En annulant la tension d'anode.

2° En réduisant le courant d'anode jusqu'à une valeur infé-rieure à celle du courant de main-tien IH.

A

leI

K Fig. 2

Ces deux méthodes ne sont pas toujours très commodes. C'est pourquoi 1 on préfére utiliser pour certaines applications des éléments spéciaux pouvant facilement pas-ser de 1 état conducteur à 1 état

bloqué au moyen d'une impulsion de tension négative appliquée sur la gâchette. Ces dispositifs sont appelés thyristors G.T.O. (gate tum off).

- Thyristors photo-sensibles (L.A.S.C.R. : light activated sili-con controlled rectifiers).

Ces types sont déclenchés par un flux d'énergie lumineuse.

- Thyristors ^fi shorted émit-ter» :

Pour quelques applications, la grande sensibilité inhérente à la technologie des thyristors peut être considérée comme un inconvénient.

On remédie aisément à ce défaut en connectant une résistance entre la gâchette et la cathode, ce qui améliore les caractéristiques de bruit et la tenue en température.

Les thyristors ^(l shorted emit-ter » sont obtenus en diffusant une résistance entre gâchette et cathode au cours du processus, de fabrica-tion, ce qui évite l'usage d'une résistance extérieure en améliorant d'autre part la stabilité.

- Diacs :

n

est parfois difficile de déclencher correctement un thy-ristor. Par exemple dans le cas des basses fréquences, la tension de déclenchement est atteinte len-tement. C'est pourquoi, il est sou-vent recommandé d'utiliser un diac de façon à fournir des impulsions de commande convenablement di-mensionnées.

Le diac est une diode à déclen-chement bidirectionnel, qui permet d'isoler la gâchette du circuit de commande, jusqu'à ce que la ten-sion à ses bornes soit supérieure à la tension de déclenchement VBO.

Le diac est d'un emploi très courant dans les montages équipés de triacs.

CHOIX DU COMPOSANT SPECIFICATIONS Le choix entre un thyristor et un triac est relativement simple : le premier contrôle la moitié de la puissance disponible, le second contrôle toute la puissance dispo-nible.

Les paramètres les plus impor-tants sont:

VBO et IT (AV)

A

K

Fig, 3

VBO est la tension maximale que peut supporter le composant en restant maint.enu dans l'état blo-qué. Si cette tension est dépassée, le thyristor s'amorce et devient conducteur.

IT(AV) est le courant continu direct pour lequel le thyristor est dimensionné.

Mn

Fig. 4

Les valeurs maximales à ne pas dépasser 'sont spécifiées de la fa-çon suivante (tableau ci-dessous).

- fi One cycle surge» : courant de crête pour un cycle :

C'est le courant de crête max.

que le dispositif peut supporter pendant un cycle alternatif sinu-, soidal de 50 Hz ou 60 Hz.

Soit 1 le courant de crête max.

mesuré au cours d'un cycle alter-natif sinusoidal.

ELECTRICAL SPECIFICATIONS MAXIMUM RA TINGS On-state RMS Current lt (RMS) Tc

=

75 C One cycle Surge 60 c.p.s. al ⁷⁵ C

Peak gate current at ⁷⁵ C Peak gate power at 75 C Average gate power 75 C Operating temperature range Storage ternperature range

..

Soit i²t le paramètre proportion-nel à la valeur maximale de l'éner-gie pouvant être dissipée au cours d'une période t. La relation entre 1 et i²t s'exprime comme suit :

Pt =Pt 2 - «Peak gate current JI :

C'est le courant maximal admis-sible dans la gâchette.

- «Peak gate power JI :

C'est la puissance maximale dis-sipable sur la gâchette.

- «Average gate power JI :

C'est la puissance moyenne qui peut être dissipée dans la gâchette au cours d'une période quelconque.

- Température de stockage.

- Température de fonctionne-ment.

Les caractéristiques électriques en fonctionnement normal sont les suivantes :

di/dt: Taux de croissance maxi-mal du courant d'anode pouvant être supporté par le dispositif sans entrainer sa destruction.

dv/dt : Taux de croissance maxi-mal de la tension d'anode pouvant être supporté par le dispositif sans entraîner des amorçages intempes-tifs. Ce paramètre dépend des conditions d'excitation de l'élec-trode de commande.

Tous les paramètres énumérés ci-dessus dépendent de la tempé-rature et sont spécifiés dans dés conditions de test très précises.

APPLICATIONS POUR LESQUELLES L'EMPLOI DES THYRISTORS ET TRIACS

EST CONSEILLE - Contrôle de moteur : Scie électrique, perçeuse, machirie à coudre, aspirateur, machine à la-ver, air conditionné, mixer, sèche-cheveux.

ELECTRICAL CHARACTERISTICS

PARAMETER SYMBOL

Peak on state voltage max. (either direction _{OfIAA) •}••••

Off-state bloc king current either direction max. . ... . Gate trigger current all quadrants (max.) ... . Gate trigger voltage all quadrants (max.) ... . Holding current either direction (max.) ... . Rate ofrise-turn on current di/dt limit (typ) ... . Limiting dv/dt to switch typ . . . .'. V_TM :

chute de dispositif

«(

^{on »).}

Valeur maximale de la tension aux bornes du à l'état conducteur

IDR~ : Courant de fuite à l'état bloque.

I_GT : Courant minimal néces-saire pour provoquer l'amorçage.

La valeur de ce courant varie in-versement proportionnellement avec la tension anode-cathode.

Lorsque cette dernière atteint la valeur V_{,IO '} le dispositif s'amorce de lui-meme sans aucune excita-tion sur la gâchette.

V GT : Tension minimale entre

gâchette et cathode nécessaire pour provoquer l'amorçage.

I_H : Courant d'anode minimal compatible avec le maintien en conduction.

1 +

- Electronique médicale: Cœur artificiel, poumon artificiel, rein ar-tificiel.

- Calculateurs : Indicateur lu-mineux circuit logique, marteau d'imprimante (périphérique), pro-tection-sécurité contrôle de mo-teur.

- Industrie automobile : Indi-cateur de direction, essuie-glace, allumage électronique, inverseur-commutateur.

- Grand public : Chargeur de batterie,· contrôle d'humidité, contrôle de température allume-gaz, allumage de chaudière à allume-gaz, système de balayage TV.

- Eclairage : Variateur de lu-mière, minuterie, éclairage d'am-biance (salles de spectacle,

res-I1V

V (BO) +

220 V 50 Hz

Charge

TRIAC

Fig. 6

taurants, etc.), éclairage public, alarme, flash électronique.

- Divers : « Machine à sous ll,

j~ke-box, contrôle de fabrication, machine à souder, relais.

EXEMPLES D'APPLICATIONS DES TRIACS

Figure 6. Schéma de base : Ce schéma est fréquemment

uti-Charge 600IN

nov

50Hz

On élimine l'effet d'hystérésis en faisant en sorte que les conditions initiales au début de chaque alter-nance demeurent les mêmes grâce à un réseau de diodes supplémen-taires. D'autre part à l'aide d un filtrage efficllce, on peut éviter que le système engendre des parasites dans les gammes de frequences réservées aux èmissions radioélec-triques.

Figure 8. Contrôle de vitesse pour moteur universel :

Ce montage convient parfaite-ment pour la stabilisation et le contrôle de la vitesse d'un moteur universel du type série. Par exem-ple, si la charge du moteur vient à augmenter, sa vitesse décroît ainsi que la force contre-électromotrice de l'induit Il en résulte un

accrois-BTIN 10400

Fig. 7. - Les 4 diodes sont des IN4004

BTIN 10400

Fig. 8

lisé dans les systèmes variateurs de tension et variateurs de lumière.

Au cours de la première alter-nance, le condensateur se charge à travers la chaîne de résistance jus-qu'à ce que la tension d'amorçage du diac soit attemte. Ensuite, il se décharge à travers ce diac en four-nissant ainsi la quantité d'électri-cité nécessaire au déclenchement du triac. 11 ne peut cependant pas se decharger entièrement, si bien qu'au cours de 1 alternance suivante d'autre.s conditions initiales entre-ront en jeu et la puissance fournie à la charge ne pourra pas être réglée sans un effet d'hystéresis qui peut être parfois indésirable.

Figure 7. Contrôle sans hysté-résis avec· antiparasitage

40 IN

sement simultané de la tensIOn aux bornes du condensateur d'amor-çage, ce qui conduit à augmenter l'angle de conduction du triac et par suite la puissance fournie au inoteur qui tend ainsi à conserver la vitesse de rotation qu'il avait avant l'accroissement de sa charge.

Figure 9. Clignotant : La fréquence des éclairs engen-drés par ce système de clignotant peut varier à raison de 2 à 10 par seconde. Cette cadence dépend de la position du curseur du poten-tiomètre.

Figure 10. Système d'éclairage automatique par cellule photoré-sistante :

Le principe de ce schéma peut être appliqué à tous les systémes automatiques d'éclairage public

BTIN 11400

Fig. 9. - La diode est une 1 N4004

N° 1330

*

^{Page 119}

220 V 50Hz

Photo_

diode

BTIN 11400

Fig. ID

(immeubles, rues, etc.). La résis-tance de la photo diode accroît au fur et à mesure que la lumière du jour s'atténue jusqu'à ce que la tension alternative aux bornes du condensateur atteigne une va-leur suffisante. pour déclencher le diac.

Figure 11. Régulation .. tandem»

pour le couplage de deux appareils de projection :

Ce montage est conçu de sorte que la somme des intensités lu-min!;uses émises par les deux

pro-220V 50Hz

Ces trois schémas proposent dif-férents types de multivibrateurs réalises au moyen de thyristors.

Ces montages sont extrêmement simples et permettent de réaliser des générateurs d'impulsion à faible impédance, des circuits de com-mutation, etc.

Les trois types de multivibra-teurs présentés ici exploitent· le même principe de base : ~ thyris-tors en parallèle dont,les anodes sont reliées par un condensateur.

Ces deux élements ne conduisent

Fig. II +30V

Fig. 12. - Les 2 diodes sont des IN4001

jecteurs soit constante. Si on aug-mente l'intensité émise par l'un d'eux, l'autre s'assombrit dans une proportion équivalente et récipro-quement. Le dosage est obtenu par le réglage d'un seul potentiomètre.

EXEMPLES D'APPLICATIONS DES THYRISTORS MaltMbrate.... • tb)'rilton F'JIURI 12-13-14. MuItmbra-teun • tbyri.~n

. .30 V

jamais simultanément. Lorsque l'un devient conducteur, il éteint l'autre par la capacité de commutation et réciproquement.

Les circuits se différencient, se-lon le type de multivibrateur et par là méthode d'allumage.

FIpre 15. Re1uateur...:

Les thyristors de faible puis-sance sont souvent utilisés dans les oscillateurs de relaxation très basse fréquence destinés aux dé-clenchements des thyristors de

+----::II---+-... -+--...

..f1f1..

RTD 0406

2,4KO

Fig. 13. - La diode est une IN4001 Page 120

*

^{N- 1 330}

1670 _~ 167 o ^(15W)

O,1f'F

·.i

Il

SUl...

~ RTD 0405 ^~ 'RT

/ 1

D 0405

n.Jl

~

1KO 1 KO ~

;;

Fig. 14

puissance. Le schéma ci-contre peut également être employé comme temporisateur à temps de retard très long sans· nécessiter l'emploi d'un condensateur de grosse capacité.

F'lJUle 16. Contrôle de la vitesse d'un moteur universel.

F'tpU'e 17. Alimentation stabi-lisée simple :

Dans les équipements bon mar-ché qui ont besoin d'une alimen-tation stabilisée, on peut utiliser

+30V

Ce circuit est essentiellement composé d'un multivibrateur as-table à dellx thyristors excités par des circuits RC qui fixent la fré-quence d'oscillation.

FiJUl'e 19. Protection contre les surcharges et court-circuits en cou-rant continu :

-Dans bien des applications la proteotion classique par fusible est beaucoup trop lente. Les temps de basculement des thyristors (quelques microsecondes) utilisés

2200 Fig. 15. - La diode est une IN4001

RTR 0440 (',6A R.M.S.) TC 106 D (4A R.M.S.)

RTR 0440 (4A R.M.5.)

Fig. 16. - Les 2 diodes sont des IN4004

un thyristor basse tension pour réduire les effets néfastes dus aux variations de la tension secteur ou de la charge, sans être obligé de recourir à J'emploi de transistor ballast généralement beaucoup plus coûteux.

Figure 18. Convertisseur auto-osciOant pour lampe Ouorescente :

Ce convertisseur auto-oscillant est capable d'alimenter à partir d'une batterie de 12 V une lampe fluorescente de 40 W.

dans ce dispositif permettent des protections très rapides.

Ce système de sécurité s'appli-que . à des charges alimentées en courant continu pour des puissan-ces de l'ordre du kilowatt.

CONSEILS PRATIQUES On trouvera dans la suite de ce texte quelques principes d'utilisa-tion qui. doivent toujours rester pré-sents à l'esprit au moment où l'on conçoit des circuits composés des

2 x 1 N 4004 TC 106 F

.--___ t-1--..-._f---.---o+

^12V

1 KO

Fig. 17

10f'F

1

300 il 300 il

RTR

0405 150 il

1 KO

Fig. 18. - Les 2 diodes sont des IN4001 éléments de cette classe de

semi-conducteurs.

- l"r principe: Méfiez-vous des surintensités 1

Dans certaines applications (contrôle à incandescence par exemple) la résistance de charge est beaucoup plus faible qu'en ré-gime permanent, au moment de la mise sous tension.

Ne pas oublier ce facteur im-portant au moment du choix des composants, en utilisant un dispo-sitif capable de supporter les sur-intensités ou en incorporant une inductance au montage.

- 2" principe : Attention aux effets de la température 1

Etant donné que les thyristors et les triacs sont contrôlés par les courants de fuites (voir prin-cipe fondamental) leurs caracté-ristiques varient avec la tempéra-ture.

Une augmentation importante de température entraîne une augmen-tation du courant de fuite et peut provoquer de ce fait des amor-çages intempestifs. On peut éviter aisément cet inconvénient en pré-voyant une résistance shunt entre l'électrode de commande et la ca-thode, calculée dans le cas le plus défavorable d'échauffement, de fa-çon à dériver les courants de fuite importants dus à l'élévation de température. Au besoin, prévoir un radiateur efficace.

+100V

3,9KO

O,5fi

3,9 Kil

- 3" principe : ne jamais dépas-ser le seull d'énergie dissipable 1 (kPT).

Ce paramètre (PT) est souvent défini par T

=

83 ms ou 10 ms.

Ces deux valeurs représentent la durée d'une demi-alternance du réseau 60 Hz ou 50 Hz.

- 4" principe : imposez en permanence le courant de main-tien : (Holding current).

Le courant de maintien est le courant d'anode minimal compa-tible avec les conditions de verrouil-lage d'un thyristor dans l'état conducteur.

S'assurer au préalable que le composant choisi reste conducteur dans les conditions de charge mi-nimale imposées par le circuit. Ne pas oublier que le courant ano-dique d'amorçage (c'est-à-dire le courant de charge minimal que le thyristor peut commuter après la disparition de l'impulsion de com-mande) peut être le double du courant de maintien.

- 5" principe : ne pas dépasser la vitesse critique de croissance de la tension à l'état bloqué

dV dt

Les capacités parasites des jonc-tions d'un thyristor se chargent au cours des variations de la ten-sion anode cathode.

Si la charge est trop rapide (c'est-à-dire~trop grand) il en

.9KO

Charge 10A

Fig. 19

résulte un courant important dé-rivé vers l'électrode de commande à travers la capacité parasite, ce qui risque de provoquer des amor-çages intempestifs.

On peut pallier cet inconvé-nient en diminuant la valeur de la résistance RGK, ou en pré-voyant l'utilisation d'un thyristor

« shorted emitter ».

- 6" principe : ne pas hésiter à surcharger l'électrode de com-mande.

Le temps de mise en conduction augmente exponentiellement,

lors-que le courant de commande (IGT) diminue, ce qui provoque des échauffements localisés sur la pas-tille au cours du régime transitoire exagérément long. Viennent s'ajou-ter à cela des augmentations de courant de fuite dus à l'élévation de température.

C'est pourquoi il ne faut pas hésiter à prévoir des courants de commande très importants com-patibles. avec la puissance maxi-male admissible sur la jonction gâchette cathode.

(Documentation : Transitron électronic.)

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