Le redresseur contrôlé au silicium (SCR)

Diodes Shockley et redresseurs contrôlés au silicium (SCR)

Les diodes Shockley sont des dispositifs curieux, mais plutôt limités dans leur application. Leur utilité peut cependant être élargie en les équipant d'un autre moyen de verrouillage. Ce faisant, chacun devient de véritables dispositifs d'amplification (ne serait-ce que dans un mode marche/arrêt), et nous les appelons redresseurs contrôlés au silicium ou SCR.

La progression de la diode Shockley au SCR est réalisée avec un petit ajout, en fait rien de plus qu'une troisième connexion filaire à la structure PNPN existante :(Figure ci-dessous)

Le redresseur contrôlé au silicium (SCR)

Conduction SCR

Si la grille d'un SCR est laissée flottante (déconnectée), elle se comporte exactement comme une diode Shockley. Il peut être verrouillé par une tension de coupure ou en dépassant le taux critique d'élévation de tension entre l'anode et la cathode, tout comme avec la diode Shockley. L'abandon est accompli en réduisant le courant jusqu'à ce qu'un ou les deux transistors internes tombent en mode de coupure, également comme la diode Shockley. Cependant, étant donné que la borne de grille se connecte directement à la base du transistor inférieur, elle peut être utilisée comme moyen alternatif pour verrouiller le SCR. En appliquant une petite tension entre la grille et la cathode, le transistor inférieur sera forcé par le courant de base résultant, ce qui entraînera la conduction du transistor supérieur, qui alimente ensuite la base du transistor inférieur en courant de sorte qu'il n'a plus besoin d'être activé par une tension de grille. Le courant de grille nécessaire pour initier le verrouillage, bien sûr, sera bien inférieur au courant traversant le SCR de la cathode à l'anode, de sorte que le SCR réalise une mesure d'amplification.

Déclenchement/Tir

Cette méthode de sécurisation de la conduction SCR est appelée déclenchement ou déclenchement, et c'est de loin la manière la plus courante de verrouiller les SCR dans la pratique. En fait, les SCR sont généralement choisis de manière à ce que leur tension de rupture soit bien au-delà de la tension la plus élevée attendue de la source d'alimentation, de sorte qu'elle ne puisse être activée que par une impulsion de tension intentionnelle appliquée à la grille.

Déclenchement inversé

Il convient de mentionner que les SCR peuvent parfois être désactivés en court-circuitant directement leurs bornes de grille et de cathode ensemble, ou en "déclenchant en sens inverse" la grille avec une tension négative (en référence à la cathode), de sorte que le transistor inférieur est forcé en couper. Je dis que c'est "parfois" possible car cela implique de dériver tout le courant de collecteur du transistor supérieur au-delà de la base du transistor inférieur. Ce courant peut être important, rendant au mieux difficile l'arrêt déclenché d'un SCR. Une variante du SCR, appelée thyristor Gate-Turn-Off, ou GTO, facilite cette tâche. Mais même avec un GTO, le courant de grille requis pour l'éteindre peut atteindre 20 % du courant d'anode (charge) ! Le symbole schématique d'un GTO est présenté dans l'illustration suivante :(Figure ci-dessous)

Le thyristor Gate Turn-Off (GTO)

SCR vs GTO

Les SCR et les GTO partagent les mêmes schémas équivalents (deux transistors connectés de manière positive), les seules différences étant des détails de construction conçus pour accorder au transistor NPN un supérieur au PNP. Cela permet à un courant de grille plus petit (avant ou arrière) d'exercer un plus grand degré de contrôle sur la conduction de la cathode à l'anode, l'état verrouillé du transistor PNP étant plus dépendant du NPN que l'inverse. Le thyristor Gate-Turn-Off est également connu sous le nom de Gate-Controlled Switch, ou GCS.

Test de la fonctionnalité SCR avec un ohmmètre

Un test rudimentaire de la fonction SCR, ou au moins une identification terminale, peut être effectué avec un ohmmètre. Étant donné que la connexion interne entre la grille et la cathode est une jonction PN unique, un compteur doit indiquer la continuité entre ces bornes avec le fil de test rouge sur la grille et le fil de test noir sur la cathode comme ceci :(Figure ci-dessous)

Test rudimentaire du SCR

Toutes les autres mesures de continuité effectuées sur un SCR afficheront « ouvert » (« OL » sur certains écrans de multimètre numérique). Il faut comprendre que ce test est très grossier et ne constitue pas une évaluation complète du SCR. Il est possible qu'un SCR donne de bonnes indications d'ohmmètre et soit toujours défectueux. En fin de compte, la seule façon de tester un SCR est de le soumettre à un courant de charge.

Si vous utilisez un multimètre avec une fonction de « contrôle de diode », l'indication de tension de jonction porte-cathode que vous obtenez peut ou non correspondre à ce que l'on attend d'une jonction PN en silicium (environ 0,7 volt). Dans certains cas, vous lirez une tension de jonction beaucoup plus faible :à peine quelques centièmes de volt. Cela est dû à une résistance interne connectée entre la grille et la cathode incorporée dans certains SCR. Cette résistance est ajoutée pour rendre le SCR moins sensible aux faux déclenchements par des pointes de tension parasites, du « bruit » du circuit ou d'une décharge électrique statique. En d'autres termes, avoir une résistance connectée à travers la jonction grille-cathode nécessite qu'un signal de déclenchement fort (courant substantiel) soit appliqué pour verrouiller le SCR. Cette fonctionnalité se trouve souvent dans les plus grands SCR, pas sur les petits SCR. Gardez à l'esprit qu'un SCR avec une résistance interne connectée entre la grille et la cathode indiquera la continuité dans les deux sens entre ces deux bornes :(Figure ci-dessous)

Les plus grands SCR ont une résistance porte-cathode.

SCR à porte sensible

Les SCR «normaux», dépourvus de cette résistance interne, sont parfois appelés SCR à grille sensible en raison de leur capacité à être déclenchés par le moindre signal de grille positif.

Le circuit de test pour un SCR est à la fois pratique en tant qu'outil de diagnostic pour vérifier les SCR suspectés et également une excellente aide pour comprendre le fonctionnement de base du SCR. Une source de tension continue est utilisée pour alimenter le circuit, et deux interrupteurs à bouton-poussoir sont utilisés pour verrouiller et déverrouiller le SCR, respectivement :(Figure ci-dessous)

Circuit de test SCR

L'actionnement du bouton-poussoir « on » normalement ouvert connecte la grille à l'anode, permettant au courant de la borne positive de la batterie, à travers la résistance de charge, à travers l'interrupteur, à travers la jonction PN cathode-grille, et de nouveau à la batterie. Ce courant de grille devrait forcer le SCR à se verrouiller, permettant au courant de passer directement de l'anode à la cathode sans se déclencher davantage à travers la grille. Lorsque le bouton-poussoir « marche » est relâché, la charge doit rester sous tension.

Le fait d'appuyer sur le bouton-poussoir « off » normalement fermé interrompt le circuit, forçant le courant à travers le SCR à s'arrêter, le forçant ainsi à s'éteindre (coupure de courant faible).

Maintien du courant

Si le SCR ne se verrouille pas, le problème peut provenir de la charge et non du SCR. Une certaine quantité minimale de courant de charge est nécessaire pour maintenir le SCR verrouillé dans l'état « on ». Ce niveau de courant minimum est appelé courant de maintien. Une charge avec une valeur de résistance trop élevée peut ne pas tirer assez de courant pour maintenir un SCR verrouillé lorsque le courant de grille cesse, donnant ainsi la fausse impression d'un mauvais SCR (non verrouillable) dans le circuit de test. Les valeurs de courant de maintien pour les différents SCR doivent être disponibles auprès des fabricants. Les valeurs de courant de maintien typiques vont de 1 milliampère à 50 milliampères ou plus pour les unités plus grandes.

Pour que le test soit entièrement complet, il faut tester plus que l'action déclenchante. La limite de tension de rupture directe du SCR peut être testée en augmentant l'alimentation en tension continue (sans interrupteur à bouton-poussoir actionné) jusqu'à ce que le SCR se verrouille tout seul. Attention, un test de rupture peut nécessiter une très haute tension :de nombreux thyristors de puissance ont une tension de rupture de 600 volts ou plus ! De plus, si un générateur de tension d'impulsion est disponible, le taux critique d'augmentation de tension pour le SCR pourrait être testé de la même manière :soumettez-le à des tensions d'alimentation pulsées de différents taux V/temps sans interrupteur à bouton-poussoir actionné et voyez quand il se verrouille.

Sous cette forme simple, le circuit de test SCR pourrait suffire comme circuit de commande marche/arrêt pour un moteur à courant continu, une lampe ou une autre charge pratique :(Figure ci-dessous)

Circuit de commande de démarrage/arrêt du moteur à courant continu

Le circuit « Pied de biche »

Une autre utilisation pratique du SCR dans un circuit CC est comme dispositif de pied de biche pour la protection contre les surtensions. Un circuit « crowbar » consiste en un thyristor placé en parallèle avec la sortie d'une alimentation en courant continu, pour placer un court-circuit direct sur la sortie de cette alimentation afin d'empêcher une tension excessive d'atteindre la charge. Les dommages au SCR et à l'alimentation sont évités par le placement judicieux d'un fusible ou d'une résistance série substantielle en amont du SCR pour limiter le courant de court-circuit :(Figure ci-dessous)

Circuit de pied de biche utilisé dans l'alimentation CC

Certains dispositifs ou circuits détectant la tension de sortie seront connectés à la grille du SCR, de sorte que lorsqu'une condition de surtension se produit, une tension sera appliquée entre la grille et la cathode, déclenchant le SCR et forçant le fusible à sauter. L'effet sera approximativement le même que de laisser tomber un pied de biche en acier solide directement sur les bornes de sortie de l'alimentation, d'où le nom du circuit.

La plupart des applications du SCR sont destinées au contrôle de l'alimentation CA, malgré le fait que les SCR sont intrinsèquement des dispositifs CC (unidirectionnels). Si un courant de circuit bidirectionnel est requis, plusieurs SCR peuvent être utilisés, un ou plusieurs faisant face à chaque direction pour gérer le courant à travers les deux demi-cycles de l'onde CA. La principale raison pour laquelle les SCR sont utilisés pour les applications de contrôle de l'alimentation CA est la réponse unique d'un thyristor à un courant alternatif. Comme nous l'avons vu, le tube thyratron (la version à tube électronique du SCR) et le DIAC, un dispositif hystérétique déclenché pendant une partie d'un demi-cycle AC se verrouillent et restent allumés pendant le reste du demi-cycle jusqu'à ce que le AC le courant diminue jusqu'à zéro, car il doit commencer le prochain demi-cycle. Juste avant le point de passage par zéro de la forme d'onde de courant, le thyristor se désactive en raison d'un courant insuffisant (ce comportement est également connu sous le nom de commutation naturelle) et doit être réactivé au cours du cycle suivant. Le résultat est un courant de circuit équivalent à une onde sinusoïdale « hachée ». Pour rappel, voici le graphique de la réponse d'un DIAC à une tension alternative dont le pic dépasse la tension de basculement du DIAC :(Figure ci-dessous)

Réponse bidirectionnelle DIAC

Avec le DIAC, cette limite de tension de rupture était une quantité fixe. Avec le SCR, nous contrôlons exactement quand le dispositif est verrouillé en déclenchant la porte à tout moment le long de la forme d'onde. En connectant un circuit de commande approprié à la grille d'un SCR, nous pouvons « couper » l'onde sinusoïdale à tout moment pour permettre un contrôle de la puissance proportionnelle au temps pour une charge.

Prenez le circuit de la figure ci-dessous à titre d'exemple. Ici, un SCR est positionné dans un circuit pour contrôler l'alimentation d'une charge à partir d'une source CA.

Contrôle SCR de l'alimentation CA

Étant un dispositif unidirectionnel (à sens unique), au maximum, nous ne pouvons fournir qu'une puissance demi-onde à la charge, dans le demi-cycle du courant alternatif où la polarité de la tension d'alimentation est positive en haut et négative en bas. Cependant, pour démontrer le concept de base du contrôle proportionnel au temps, ce circuit simple est meilleur qu'un circuit contrôlant la puissance pleine onde (ce qui nécessiterait deux SCR).

En l'absence de déclenchement sur la porte et la tension de la source CA est bien inférieure à la tension nominale de rupture du SCR, le SCR ne s'allumera jamais. La connexion de la grille SCR à l'anode via une diode de redressement standard (pour empêcher le courant inverse à travers la grille dans le cas où le SCR contient une résistance grille-cathode intégrée), permettra au SCR d'être déclenché presque immédiatement au début de chaque demi-cycle positif :(Figure ci-dessous)

Porte connectée directement à l'anode via une diode ; courant demi-onde presque complet à travers la charge.

Délai de déclenchement SCR

Cependant, nous pouvons retarder le déclenchement du SCR en insérant une certaine résistance dans le circuit de grille, augmentant ainsi la quantité de chute de tension requise avant qu'un courant de grille suffisant ne déclenche le SCR. En d'autres termes, si nous rendons plus difficile le passage du courant à travers la grille en ajoutant une résistance, la tension alternative devra atteindre un point plus élevé de son cycle avant qu'il y ait suffisamment de courant de grille pour activer le SCR. Le résultat est dans la figure ci-dessous.

Résistance insérée dans le circuit de porte ; courant inférieur à une demi-onde à travers la charge.

Avec la demi-onde sinusoïdale hachée davantage par un déclenchement retardé du SCR, la charge reçoit moins de puissance moyenne (la puissance est délivrée moins longtemps tout au long d'un cycle). En rendant la résistance de grille en série variable, nous pouvons ajuster la puissance proportionnelle au temps :(Figure ci-dessous)

L'augmentation de la résistance augmente le niveau de seuil, ce qui réduit la puissance fournie à la charge. La diminution de la résistance abaisse le niveau de seuil, ce qui permet de fournir plus de puissance à la charge.

Malheureusement, ce schéma de contrôle a une limitation importante. En utilisant la forme d'onde de la source CA pour notre signal de déclenchement SCR, nous limitons le contrôle à la première moitié du demi-cycle de la forme d'onde. En d'autres termes, il ne nous est pas possible d'attendre après le pic de l'onde pour déclencher le SCR. Cela signifie que nous ne pouvons baisser la puissance que jusqu'au point où le SCR s'allume au plus haut de la vague :(Figure ci-dessous)

Circuit au réglage de puissance minimale

Si vous augmentez davantage le seuil de déclenchement, le circuit ne se déclenchera plus du tout, car même le pic de la tension d'alimentation CA ne suffira pas à déclencher le SCR. Le résultat ne sera pas alimenté à la charge.

Une solution ingénieuse à ce dilemme de contrôle réside dans l'ajout d'un condensateur déphaseur au circuit :(Figure ci-dessous)

Ajout d'un condensateur déphaseur au circuit

La plus petite forme d'onde indiquée sur le graphique est la tension aux bornes du condensateur. Pour illustrer le déphasage, je suppose une condition de résistance de contrôle maximale où le SCR ne se déclenche pas du tout sans courant de charge, à l'exception du peu de courant qui traverse la résistance de contrôle et le condensateur. Cette tension de condensateur sera déphasée de 0o à 90o en retard par rapport à la forme d'onde CA de la source d'alimentation. Lorsque cette tension déphasée atteint un niveau suffisamment élevé, le SCR se déclenche.

Avec une tension suffisante aux bornes du condensateur pour déclencher périodiquement le SCR, la forme d'onde du courant de charge résultante ressemblera à la figure ci-dessous)

Le signal déphasé déclenche le SCR en conduction.

Étant donné que la forme d'onde du condensateur continue d'augmenter après que la forme d'onde de l'alimentation CA principale a atteint son pic, il devient possible de déclencher le SCR à un niveau de seuil au-delà de ce pic, coupant ainsi l'onde de courant de charge plus loin qu'il n'était possible avec le circuit plus simple. En réalité, la forme d'onde de la tension du condensateur est un peu plus complexe que ce qui est montré ici, sa forme sinusoïdale se déformant à chaque fois que le SCR s'enclenche. Cependant, ce que j'essaie d'illustrer ici, c'est l'action de déclenchement retardée obtenue avec le réseau RC à déphasage ; ainsi, une forme d'onde simplifiée et non déformée sert bien l'objectif.

Déclenchement du SCR par des circuits complexes

Les SCR peuvent également être déclenchés, ou « déclenchés », par des circuits plus complexes. Alors que le circuit montré précédemment est suffisant pour une application simple comme une commande de lampe, les commandes de grands moteurs industriels reposent souvent sur des méthodes de déclenchement plus sophistiquées. Parfois, des transformateurs d'impulsions sont utilisés pour coupler un circuit de déclenchement à la porte et à la cathode d'un SCR afin de fournir une isolation électrique entre les circuits de déclenchement et d'alimentation.

Le couplage par transformateur du signal de déclenchement fournit une isolation.

Lorsque plusieurs SCR sont utilisés pour contrôler l'alimentation, leurs cathodes ne sont souvent pas électriquement communes, ce qui rend difficile la connexion égale d'un seul circuit de déclenchement à tous les SCR. Un exemple de ceci est le pont redresseur contrôlé illustré à la figure ci-dessous.

Pont redresseur contrôlé

Dans tout circuit redresseur en pont, les diodes de redressement (dans cet exemple, les SCR de redressement) doivent conduire en paires opposées. SCR1 et SCR3 doivent être déclenchés simultanément, et SCR2 et SCR4 doivent être déclenchés ensemble par paire. Comme vous le remarquerez, cependant, ces paires de SCR ne partagent pas les mêmes connexions cathodiques, ce qui signifie qu'il ne fonctionnerait pas simplement de mettre en parallèle leurs connexions de grille respectives et de connecter une seule source de tension pour déclencher les deux :(Figure ci-dessous)

Cette stratégie ne fonctionnera pas pour déclencher SCR2 et SCR4 en tant que paire.

Bien que la source de tension de déclenchement illustrée déclenchera SCR4, elle ne déclenchera pas correctement SCR2 car les deux thyristors ne partagent pas une connexion cathodique commune pour référencer cette tension de déclenchement. Les transformateurs d'impulsions connectant les deux gâchettes à thyristors à une source de tension de déclenchement commune fonctionneront cependant :(Figure ci-dessous)

Le couplage par transformateur des portes permet le déclenchement de SCR2 et SCR4.

Gardez à l'esprit que ce circuit ne montre que les connexions de grille pour deux des quatre SCR. Les transformateurs d'impulsions et les sources de déclenchement pour SCR1 et SCR3, ainsi que les détails des sources d'impulsions elles-mêmes, ont été omis par souci de simplicité.

Les ponts redresseurs contrôlés ne sont pas limités aux conceptions monophasées. Dans la plupart des systèmes de contrôle industriels, le courant alternatif est disponible sous forme triphasée pour une efficacité maximale, et les circuits de contrôle à semi-conducteurs sont construits pour en tirer parti. Un circuit redresseur contrôlé triphasé construit avec des SCR, sans transformateurs d'impulsions ni circuits de déclenchement illustrés, ressemblerait à la figure ci-dessous.

Pont triphasé contrôle SCR de la charge

AVIS : Un redresseur contrôlé au silicium, ou SCR, est essentiellement une diode Shockley avec une borne supplémentaire ajoutée. Cette borne supplémentaire est appelée la porte, et elle est utilisée pour déclencher l'appareil en conduction (le verrouiller) par l'application d'une petite tension. Pour déclencher ou déclencher un SCR, une tension doit être appliquée entre la grille et la cathode, positive à la grille et négative à la cathode.

Lors du test d'un SCR, une connexion momentanée entre la porte et l'anode est suffisante en termes de polarité, d'intensité et de durée pour le déclencher. Les SCR peuvent être déclenchés par un déclenchement intentionnel de la borne de grille, une tension excessive (claquage) entre l'anode et la cathode, ou une augmentation excessive de la tension entre l'anode et la cathode. Les SCR peuvent être désactivés par le courant d'anode tombant en dessous de la valeur du courant de maintien (coupure de courant faible) ou par « inversion de tir » de la grille (en appliquant une tension négative à la grille). Le tir inversé n'est que parfois efficace et implique toujours un courant de grille élevé.

Une variante du SCR appelée thyristor Gate-Turn-Off (GTO), est spécifiquement conçue pour être désactivée au moyen d'un déclenchement inversé. Même alors, le déclenchement inverse nécessite un courant assez élevé :typiquement 20 % du courant anodique. Les bornes SCR peuvent être identifiées par un compteur de continuité :les deux seules bornes montrant une continuité entre elles devraient être la grille et la cathode. Les bornes de grille et de cathode se connectent à une jonction PN à l'intérieur du SCR, donc un compteur de continuité devrait obtenir une lecture semblable à une diode entre ces deux bornes avec le fil rouge (+) sur la grille et le fil noir (-) sur la cathode. Attention, cependant, que certains grands SCR ont une résistance interne connectée entre la grille et la cathode, ce qui affectera les lectures de continuité prises par un compteur.

Les SCR sont de vrais redresseurs :ils ne laissent passer le courant que dans un seul sens. Cela signifie qu'ils ne peuvent pas être utilisés seuls pour le contrôle de l'alimentation CA pleine onde. Si les diodes d'un circuit redresseur sont remplacées par des SCR, vous disposez de l'étoffe d'un circuit redresseur contrôlé, grâce auquel l'alimentation CC d'une charge peut être proportionnelle au temps en déclenchant les SCR à différents points le long de la forme d'onde de l'alimentation CA.

FEUILLE DE TRAVAIL CONNEXE :

• Fiche de travail sur les thyristors