Les Thyristors - Les Triacs - Les Diacs - La Diode Shockley :
Au cours de cette leçon nous allons étudier trois nouveaux types de semi-conducteurs,
spécialement utilisés dans le domaine de la commutation. Il s'agit du
THYRISTOR,
du DIAC et du
TRIAC.
Qu'est-ce que le THYRISTOR ?
C'est un commutateur presque parfait, à la fois redresseur unidirectionnel et amplificateur.
Quant au DIAC,
il s'agit d'un dispositif bidirectionnel, devenant conducteur lorsque la tension appliquée dépasse un certain seuil.
Enfin le TRIAC, de la même famille que le thyristor, diffère
de ce dernier par le fait qu'il est bidirectionnel.
Après avoir vu ces trois nouveaux éléments, nous terminerons cette dernière leçon du cours de
BASE D'ÉLECTRONIQUE FONDAMENTALE, par l'examen
des nouvelles leçons d'électroniques digitales mais avant, nous terminerons également certains montages fondamentaux tels que la triode et les multivibrateurs à tubles électroniques et à base transistors que l'on verra après cette leçon.
Le thyristor est une diode particulière au silicium, possédant un CIRCUIT DE COMMANDE.
Cet élément peut passer de l'état d'INTERDICTION à l'état de CONDUCTION mais dès que celui-ci est atteint, l'électrode de commande n'a plus la possibilité de
commander le débit du courant.
La structure de ce composant est assez complexe. En effet, un THYRISTOR comprend TROIS JONCTIONS, constituées de deux zones N
et deux zones P (figure 1).
La zone P la plus basse, constitue l'ANODE de la diode,
alors que la CATHODE est formée par la zone N la plus haute.
La zone P se trouvant sous la cathode, constitue la Gâchette
et comporte donc le contact nécessaire, pour la liaison au circuit extérieur.
L'ensemble de ces différentes zones, formées par les procédés décrits dans les leçons précédentes, est renforcé par
deux disques de tungstène, comme on peut le voir figure 2.
L'un de ces disques porte un câble tressé de connexion, correspondant à la CATHODE. Cet
ensemble est enfermé dans un étui hermétique, dont la base se termine par un filetage correspondant à l'ANODE.
Celui-ci permet en outre de fixer une plaquette métallique, servant de radiateur, afin de dissiper la chaleur pouvant endommager le
composant.
Voyons maintenant le fonctionnement du THYRISTOR.
Considérons à cet effet la figure 3-a, représentant
le thyristor de la figure 1, sous une autre forme.
Supposons que l'on coupe les deux blocs centraux, de façon à pouvoir décomposer le thyristor en deux parties. Relions celles-ci
entre elles, au moyen de connexion, comme sur la figure 3-b.
L'une des deux parties ainsi obtenue est formée d'un bloc P, se trouvant entre deux blocs N,
constituant un transistor du type N.P.N. (TR1 sur la figure 3-b).
L'autre partie est formée d'un bloc de silicium N, se trouvant entre deux blocs P, constituant
un transistor du type P.N.P. (TR2 sur la figure 3-b).
En représentant ces deux transistors et en les reliant comme sur la figure 3-b, on obtient la représentation de la figure 3-c.
Chaque transistor a sa base branché directement au collecteur de l'autre et l'ensemble comporte trois liaisons de sortie (A,
C et P), correspondant à l'anode,la cathode et la gâchette (on dit aussi la PORTE).
Alimentons le circuit au moyen de deux batteries, montées comme sur la figure 4-a.
Dans ces conditions, l'émetteur de TR2 (correspondant à l'ANODE du thyristor), est
positif par rapport à l'émetteur de TR1 (correspondant à la CATHODE de ce thyristor). Bien que ce composant ait son anode positive par rapport à sa cathode, aucun
courant ne peut circuler lorsque l'interrupteur (I) est ouvert. En effet, le courant de base de TR1 étant nul, le courant de collecteur est également nul.
La base de TR1 étant branchée directement sur la base de TR2,
ce qui est vrai pour le premier transistor est également valable pour le second.
En fermant l'interrupteur I, la jonction base-émetteur de TR1
est polarisée dans le sens direct, dans la mesure où la base est positive par rapport à l'émetteur. Par conséquent, cette jonction est traversée par un
courant IB direct, dans le sens indiqué par les flèches (figure 4-b). Ce courant détermine le passage d'un courant de
collecteur IC dans TR1, et traverse également la jonction émetteur-base de TR2.
Étant donné que le courant IC, traverse la jonction émetteur-base de TR2, il détermine
le passage d'un nouveau courant I'C dans ce dernier transistor. Ce courant parcourt le circuit dans le sens indiqué par les flèches (figure 4-c), c'est-à-dire qu'il traverse la jonction
base-émetteur de TR1, dans le même sens que le courant IB (figure 4-b).
Le courant qui traverse la jonction base-émetteur de TR1 a donc augmenté, le courant I'C
s'ajoutant à IB. Il en résulte que le courant IC de TR1 augmente aussi, et, en traversant la jonction émetteur-base de TR2,
produit à son tour, un accroissement de IC.
Le courant traversant la jonction base-émetteur de TR1 s'élève donc, de même que le
courant IC et que le courant I'C, et ainsi de suite.
On comprend ainsi comment, par l'action de chaque transistor l'un sur l'autre, le courant qui passe entre le point A
et le point C, c'est-à-dire entre l'anode et la cathode augmente jusqu'à une valeur limite, déterminée uniquement par la résistance R, se trouvant en série dans le
circuit.
Lorsque cette valeur limite est atteinte, on peut ouvrir l'interrupteur I, comme le montre la
figure 4-c. Les transistors sont en effet désormais capables de se maintenir l'un et l'autre en état de conduction.
On voit donc que le THYRISTOR PEUT PASSER DE L'ÉTAT D'INTERDICTION A L'ÉTAT DE CONDUCTION, en
appliquant un court instant un courant approprié sur le circuit de GÂCHETTE.
Le fait que le courant continue de circuler après l'ouverture de l'interrupteur I,
signifie que la GÂCHETTE ne peut plus influer sur la valeur de celui-ci. Pour
remettre le thyristor à l'état d'interdiction le plus rapidement possible, il suffit d'appliquer une tension négative à l'anode.
Pour comprendre ce qui arrive dans ce cas, il faut se référer à la structure du thyristor et examiner la polarisation,
lorsque celui-ci est en état de conduction (figure 5).
Dans ce cas, les trois jonctions sont polarisées dans le sens direct et à proximité de chacune d'elles, il y a un grand nombre
de trous ou d'électrons libres.
En appliquant la tension négative à l'anode, on interrompt le courant traversant la diode et on constate la circulation d'un
courant inverse, dû au fait que les charges libres sont éloignées des jonctions repérées par G1 et G3
sur la figure 5.
Après déplacement de ces charges, le courant inverse cesse et les jonctions G1 et G3
sont polarisées en sens inverse. Le thyristor ne se trouve pourtant pas en condition d'interdiction, car il subsiste encore un nombre considérable de
trous et d'électrons libres, à proximité de G2. Ces dernières charges libres s'éliminent réciproquement par recombinaison
dans la mesure où les jonctions G1 et G3 sont polarisées en sens inverse.
Quand cette recombinaison est terminée, on peut appliquer une tension positive à l'anode, sans remettre le thyristor en état
de conduction. A ce moment, la gâchette a donc repris la possibilité de contrôler le thyristor.
Le temps qui s'écoule entre l'instant où cesse le passage du courant et l'instant où on peut ré-appliquer une tension
positive sur l'anode, sans que le thyristor revienne à la conduction, est dit TEMPS DE RETOUR A L'ÉTAT D'INTERDICTION; il est normalement
compris entre 10 µ secondes et 15 µ secondes.
Il faut préciser que sur la figure 4-a, pour simplifier l'explication, on a supposé que lorsque le THYRISTOR
se trouve à l'interdiction, il n'est pas traversé par un courant, mais cela n'est pas rigoureusement exact.
En réalité, chacun des deux transistors composant le THYRISTOR est traversé par un courant
résiduel, comme on l'a vu dans les leçons précédentes concernant les transistors. Ce courant circule, même lorsque le circuit de base est
ouvert.
Ainsi, le courant résiduel des deux transistors représentant le thyristor, circule dans le sens indiqué figure 4 pour les
courants de collecteur, mais étant donné sa petite intensité, il n'est pas suffisant pour porter la diode, en condition normale de fonctionnement, à l'état
de conduction.
Cependant la présence de ce courant résiduel, fait que la diode peut passer de l'interdiction à la conduction, même si le
courant de gâchette est nul.
On peut vérifier ce fait en appliquant à l'anode du thyristor, une tension continue de valeur appropriée. Cette tension
donne aux porteurs constituant le courant résiduel, une énergie suffisante pour libérer d'autres porteurs en plus grand nombre, ceux-ci, à leur tour libérant
d'autres charges et ainsi de suite.
Il se produit alors
l'EFFET d'AVALANCHE. Par conséquent, le courant augmente très rapidement et
le thyristor passe ainsi de l'état d'interdiction à celui de conduction.
Il est bon d'insister sur ce phénomène, ayant une certaine influence, lors du relevé des caractéristiques.
Pour déterminer celles-ci, permettant de connaître comment varie le courant anodique (Ia)
en fonction de la tension anodique (Va), pour différentes valeurs du courant de gâchette (Ip), on a recours au circuit représenté figure 6.
Sur cette figure, on peut voir le symbole graphique du thyristor, semblable à celui d'une diode, avec en plus, du côté
de la cathode, une électrode correspondant à la PORTE.
Au moyen de P1, on peut faire varier la tension anodique (Va), indiquée par l'instrument de mesure V,
alors que l'appareil (I) indique les valeurs du courant, correspondant aux différentes tensions.
Quant à P2, il sert à régler la tension appliquée entre la porte et la cathode, c'est-à-dire,
en pratique, à doser le courant du circuit de PORTE.
Lorsque ce courant a une valeur nulle, en faisant varier la tension anodique, on peut déterminer la caractéristique relative à Ip
= 0 V.
L'allure de celle-ci est montrée figure 7. On voit que, lorsque la tension anodique passe d'une valeur nulle à une tension
positive (+Va), le courant anodique, constitué par le courant résiduel, augmente d'abord progressivement en raison
de l'EFFET D'AVALANCHE.
Ce courant atteint ainsi le POINT DE COMMUTATION, correspondant à une valeur suffisante, pour porter
le thyristor de l'état d'interdiction à l'état de conduction.
On parle alors de COURANT DE COMMUTATION.
Dès que le thyristor est passé à l'état de
conduction, il faut réduire la tension anodique pour éviter que le courant anodique prenne des valeurs excessives.
On voit en effet que la caractéristique est presque verticale.
On peut en déduire qu'il suffit de basses tensions anodiques, pour obtenir des courants anodiques élevés.
Le thyristor reste à l'état de conduction, même si la tension anodique tombe à des valeurs assez basses, pourvu que l'on ne
descende pas au-dessous d'une valeur, dite VALEUR DE TENUE.
Au-dessous de celle-ci, le thyristor revient à l'état d'interdiction. D'autre part, lorsque la tension anodique augmente vers
des valeurs négatives (-Va), la caractéristique prend une allure très semblable à celle d'une diode normale, polarisée en
sens inverse (figure 7).
Sur la figure 8-a, on peut voir au contraire, la modification de la caractéristique anodique, lorsque le courant de GÂCHETTE,
prend des valeurs supérieures à zéro.
On peut noter la diminution de la tension anodique, en fonction de laquelle se situe le courant de commutation.
Si le courant de gâchette est très supérieur à zéro, la caractéristique prend l'allure illustrée figure 8-b. Cette
allure est très semblable à celle de la caractéristique d'une jonction P.N.
Pour l'emploi d'unTHYRISTOR, il est également nécessaire de connaître la caractéristique de commande,
c'est-à-direla caractéristique montrant comment varie le courant de gâchetteIp, lorsque la
tension Vp,appliquée entre la gâchette et la cathode, est modifiée.
On peut trouver les valeurs de ces grandeurs, au moyen du circuit de la figure 9.
En reportant sur un diagramme les valeurs de la tension et du courant ainsi déterminées, on peut tracer la caractéristique de
commande du thyristor considéré.
En refaisant ce tracé avec un autre thyristor du même type, on trouverait une caractéristique qui pourrait être très différente.
Ce fait est dû aux inévitables différences de construction que l'on rencontre dans ces composants.
Pour cette raison, les caractéristiques de commande des thyristors, fournies par les constructeurs, comprennent deux
courbes, délimitant une zone dans laquelle peut se trouver la caractéristique, pour un type de thyristor donné.
Il faut se souvenir qu'en augmentant la tension de la gâchette Vp, on atteint une valeur, en
correspondance de laquelle le courant de gâchette Ip, s'avère suffisant pour provoquer la conduction du thyristor.
En raison des différences de construction, ces valeurs varient d'un thyristor à un autre pour un même type de composant.
La surface hachurée de la figure 10-b, indique les points possibles de commutation. Elle est délimitée par les valeurs Vpmin.
et Ipmin.
Cette surface représente donc la zone,
dans laquelle la commutation est possible, mais
non certaine, alors que la zone supérieure indique les valeurs où la commutation est certaine, dans tous les cas.
Il faut encore noter que toutes les valeurs comprises dans la zone supérieure ne peuvent pas être adoptées pour la
commande d'un thyristor. En effet, pour certaines de ces valeurs la puissance dissipée dans la jonction gâchette-cathode, dépasserait les possibilités du
thyristor. En conséquence, la puissance maximale dissipable sans risque, est indiquée par la courbe en pointillé.
La caractéristique de commande, dans son aspect définitif, est représentée sur la figure 10-c.
L'amorçage du thyristor par sa gâchette ou porte, est le système d'amorçage le plus courant.
Le thyristor est monté sur le circuit, de façon à être polarisé dans le sens direct (voir figure 11).
On applique une IMPULSION POSITIVE sur la gâchette (IG).
Le transistor TR1 reçoit donc IG comme courant de base. De ce
fait son courant de collecteur passe IG 1,
(où 1
= gain en courant de TR1). Ce courant est à son tour injecté dans
la base de TR2, qui débite alors un courant
IG 1 2
(où 2
= gain en courant de TR2).
Ce même courant IG 1 2
de collecteur de TR2 est réinjecté
sur la base de TR1.
Deux cas doivent alors être considérés.
1°) Le produit
1 2
est plus petit que 1:LE DISPOSITIF NE S'AMORCE PAS.
2°) Le produit
1 2
est proche de l'unité :le processus de l'amplification se manifeste et le thyristor passe à l'état conducteur.
Ces deux conditions (1 2
< 1 et1
2
proche de 1) caractérisent l'état du thyristor en fonction du courant.
Le gain
d'un transistor au silicium croît en effet généralement avec le courant (plus exactement le gain en courant croît avec le courant d'émetteur).
Avec un courant de gâchette
faible, le produit 12
est inférieur à 1. Le thyristor reste bloqué.
Avec un courant de gâchette de valeur plus élevée, c'est-à-dire avec une impulsion de commande
suffisante, les courants d'émetteurs sont assez élevés pour 1 2
donne une valeur tendant vers l'unité, c'est-à-dire 12
-------> 1.
Dès que l'amorçage est réalisé, la réaction positive (le courant de collecteur de
chaque transistor étant appliqué sur les bases de l'autre transistor) fait conduire TR1 et TR2 à la saturation. Ces deux composants se maintiennent dans cet état, même si le signal de commande
disparaît.
Comme nous venons de le dire la propriété essentielle d'un transistor au silicium est d'avoir un gain de
courant, croissant avec le courant d'émetteur IE. De ce fait, toutes les causes susceptibles de provoquer une augmentation du
courant IE, permettent de déclencher l'amorçage.
On peut donc agir :
1°)SUR LA TENSION: Si la tension
cathode-anode augmente, il arrive un moment où le COURANT
DE FUITE est suffisant pour déclencher une augmentation rapide de
IE, donc de provoquer l'amorçage.
2°)
LA PENTE DE LA TENSION :
La jonction PN présente une certaine CAPACITÉ. Ainsi, en
augmentant brusquement la tension anode-cathode, on charge cette capacité et l'on obtient un courant de :
i = (C V)
/ t
C = valeur de capacité de la jonction
V (delta V) = variation de la tension
t (delta t) =durée de la variation
Lorsque le courant (i)
atteint une certaine valeur, l'amorçage se produit.
3°) LA TEMPÉRATURE : le courant de fuite inverse d'un transistor au
silicium, double approximativement tous les 14°
C (lorsque la température croît).
Là encore, lorsque le courant de fuite est suffisant, le thyristor s'amorce.
Nous n'avons cité ces possibilités qu'à titre d'information, car dans la grande majorité des cas, on provoque LE
DÉCLENCHEMENT DU THYRISTOR en injectant une IMPULSION de commande sur la GÂCHETTE, c'est-à-dire en utilisant l'EFFET TRANSISTOR.
1. 3. -
TENSION DE RETOURNEMENT
Comme nous venons de le dire dans le paragraphe précédent, il est possible d'amorcer un thyristor, en agissant sur
la TENSION CATHODE-ANODE.
La valeur de la tension pour laquelle le thyristor s'amorce, s'appelle tension de
retournement. La valeur de cette tension dépend cependant du signal
de commande, éventuellement appliqué sur la gâchette. La figure 12 met en évidence cette relation.
Lorsque le courant de gâchette
IG est nul (sur la figure 12, IG1 = 0), la tension anode-cathode, doit atteindre la tension de retournement pour que le
thyristor s'amorce. Par contre avec un courant de gâchette croissant, la tension de retournement tombe à des valeurs beaucoup plus faibles.
A la limite, le thyristor se comporte comme une diode (pour IG5, sur la
figure 12). Cela signifie que si le courant de gâchette est assez fort, une petite tension d'anode suffit pour provoquer le déclenchement.
Aussi, pour prévenir des amorçages erratiques, on peur monter une résistance entre la gâchette et la cathode.
Très souvent d'ailleurs les
fabricants intègrent par diffusion, cette résistance dans le thyristor (technique SHORTED EMITTER).
Elle a pour effet de nécessiter un courant de gâchette plus intense, pour l'amorçage du thyristor, mais par la même,
améliore sa tenue à l'état bloqué.
Les thyristors sont de plus en plus utilisés dans les circuits de commande actuels.
Les recherches effectuées dans ce domaine ont permis la réalisation de thyristors capables de passer une intensité de
l'ordre de plusieurs centaines d'ampères, avec une tension inverse de crête de 1200 Volts.
De tels thyristors sont toutefois réservés à
des fin bien spéciales. Dans le domaine courant, on trouve surtout :
THYRISTORS à faible courant < 1 A
THYRISTORS à courant fort 1 à 35 A
THYRISTORS de forte puissance 35 à 150 A
(environ).
Les applications des thyristors sont très vastes et plus particulièrement en électronique industrielle.
On les trouve également dans certains appareils
électroménagers, où ils peuvent en plus d'une fonction spécifique, remplacer un transformateur.
La figure 13 illustre une application courante :LE VARIATEUR DE VITESSE.
Prise directement sur le secteur, la tension a
l'allure sinusoïdale, représentée figure 14-a.
En insérant le circuit de la figure 13, la tension au maximum n'est plus qu'une demi-sinusoïde. Dans ce cas, le thyristor
se comporte comme une diode (figure 14-b).
Ainsi, en insérant le dispositif entre la prise secteur et le moteur, la vitesse du moteur M
diminue ; on utilise en effet que les alternances positives pour l'alimenter.
Pour diminuer encore la vitesse, on agit sur le potentiomètre P1. La tension qui alimente
alors le moteur prend l'allure indiquée figure 14-c. On remarque qu'il ne subsiste qu'une partie de l'alternance positive.
En continuant d'agir sur P1, on peut arriver à n'avoir plus qu'une petite partie de l'alternance positive
(figure 14-d) ou même plus rien du tout, c'est-à-dire suppression complète de l'alternance positive.
Il faut remarquer un fait essentiel :
La DIMINUTION DE LA VITESSE s'effectue sans RÉDUIRE LA TENSION APPLIQUÉE AU MOTEUR (sauf à très basse
vitesse) mais uniquement en AGISSANT sur le TEMPS DE CONDUCTION. Cela signifie que le
moteur conserve pratiquement toute sa PUISSANCE, quel que soit son régime.
Dans un circuit de ce type, la tension de commande de la gâchette est obtenue par un pont diviseur R1, R2 et R3,
branché entre l'anode du thyristor et le potentiomètre P1.
Lorsque la tension appliquée sur l'anode du thyristor augmente positivement, celle appliquée sur la gâchette augmente également,
étant donné qu'elle est transmise par D1.
De cette manière, on atteint ainsi la valeur nécessaire pour déclencher la conduction du thyristor. Cette valeur est atteinte en des temps différents,
selon la position du curseur du potentiomètre.
Lorsque le curseur est en A, la tension de déclenchement est atteinte peu de temps après le début de
l'alternance positive (cas illustré figure 14-b).
En déplaçant le curseur de P1 vers B, on diminue la tension de commande
par l'introduction d'une résistance supplémentaire ; la conduction du thyristor ne se produit alors qu'un certain temps après le début de
l'alternance positive (cas illustré figure 14-c).
D'après ce qui a été dit, on pourrait penser qu'il est impossible de laisser le THYRISTOR en état de conduction après le
temps t3 (figure 14), or on voit que ceci est possible (figure 14-d).
On arrive à ce résultat, grâce au condensateur C2,
qui détermine un déphasage entre la tension du secteur présente sur l'anode du thyristor et la tension de gâchette.
Les deux tensions ne varient pas ensemble, la seconde étant en RETARD sur la première. En
effet, la tension de gâchette atteint son maximum positif, alors que la tension d'anode du thyristor a déjà commencé à diminuer.
Le temps de conduction entre t4 et t5 est évidemment très court, ce qui veut dire que la vitesse du moteur est alors très faible.
A la fin de toute alternance positive, la tension secteur s'annule, INTERROMPANT la conduction du thyristor.
Pendant les alternances négatives, les diodes D1
et D2 sont polarisées en sens inverse et le système reste bloqué.
La conduction reprend à l'alternance positive suivante, dans les diodes d'abord, dans le thyristor ensuite, lorsque la
tension de déclenchement est atteinte.
Quand la tension d'alimentation du moteur a
l'allure de la figure 14-d (presque impulsionnelle), il se produit des parasites dans les radio-fréquences, pouvant perturber la réception radio. Pour éliminer
cet inconvénient, on a placé un condensateur C1 réduisant en grande partie ces troubles.
Ce montage n'est ici donné que comme exemple d'application des thyristors, que l'on trouve dans de très nombreux circuits en
ÉLECTRONIQUE INDUSTRIELLE.
Le TRIAC est un dispositif semi-conducteur
à trois électrodes (anode 1, anode 2, gâchette) pouvant passer de l'état bloqué à l'état de conduction dans ses deux sens de
polarisation. En d'autres termes, il s'agit d'un composant de la même famille que le thyristor, mais qui est BIDIRECTIONNEL (le thyristor étant
unidirectionnel).
Le TRIAC peut d'ailleurs être comparé à deux thyristors en parallèle, monté tête-bêche (figure 15).
On peut considérer le TRIAC, comme une STRUCTURE P1 N1 P2 N2 de thyristor,
dans lequel A1 est la cathode (reliée à N2), A2 l'anode (reliée à P1)
G, la gâchette (reliée à P2), mais avec en plus :
A1 reliée également à P2
B2 reliée également à une couche supplémentaire N4
G reliée également à une couche supplémentaire N3
La structure P2 N1 P1 N4, constitue ainsi un second thyristor, monté en parallèle
inverse avec le thyristor P1 N1 P2 N2.
La caractéristique tension-courant est symétrique
(figure 16 ci-dessous).
Ce dispositif peut passer d'un état bloqué à un état conducteur dans les deux sens de polarisation (quadrant 1 et 3) et
repasser à l'état bloqué par inversion de tension ou diminution du courant au-dessous de la valeur du courant de maintien IH.
En l'absence de signal sur la gâchette, le dispositif peut être considéré comme deux redresseurs polarisés en sens
inverse. Aucun courant ne circule dans le triac, donc dans la charge (sauf un très léger courant de fuite).
On admet donc que le TRIAC se comporte comme un interrupteur ouvert. Cependant, selon la
polarisation on peut avoir les états suivants :
1°)
Si A2 est à un potentiel positif de 1,5 volt par rapport à A1, une
tension positive ou négative de valeur convenable, appliquée sur la gâchette, provoque l'amorçage : LE TRIAC se met à
conduire.
2°)Si A2 est à un potentiel négatif de 1,5 volt par rapport à A1, une
tension positive ou négative de valeur convenable, appliquée sur la gâchette, provoque l'amorçage :LE TRIAC se met à
conduire.
3°)
Si le courant allant de A2 à A1 ou de A1 à A2 est établi, le TRIAC est VERROUILLÉet la tension de gâchette peut être supprimée, qu'elle soit POSITIVE ou NÉGATIVE
: LE TRIAC reste en état de conduction.
4°)Lorsque
le courant dans le TRIAC est établi (dans un sens ou dans l'autre),
il est nécessaire pour le bloquer, de réduire l'intensité de ce courant, à une
valeur proche de zéro.
L'intensité minimum pour laquelle le
TRIAC reste conducteur est appelée
intensité minimale de maintien (IH).
La condition ci-dessus (courant proche de zéro),
existe évidemment chaque fois que la tension alternative du réseau, passe par zéro, c'est-à-dire à chaque demi-alternance.
Comme nous venons de le voir, le TRIAC peut être déclenché par une impulsion POSITIVE ou NÉGATIVE sur la
GÂCHETTE, quelque que soit la polarité de A2 par rapport à A1. Toutefois, il
existe un SENS PRÉFÉRENTIEL, illustré figure 17.
Lorsque le déclenchement a eu lieu, la résistance interne du triac est faible ; de ce fait, la chute de tension entre
A2 et A1 a une valeur également faible (de l'ordre de 1,2 volt). Cela signifie que la puissance dissipée en pure perte dans le TRIAC est très faible par rapport à
la puissance de la charge.
Mentionnons encore qu'un TRIAC peut supporter sans inconvénient des surcharges brèves, assez intenses. Ainsi,
un TRIAC de 6 ampères par exemple peut supporter pendant quelques alternances, un courant de l'ordre de 100 ampères.
Cette caractéristique est très intéressante,
car au démarrage d'un moteur par exemple, l'intensité instantanée demandée, est beaucoup plus importante que l'intensité de fonctionnement du moteur en régime
normal.
En appliquant une tension
V1 à A1, V2 à A2 et VG à la GÂCHETTE, en prenant V1 comme référence, c'est-à-dire V1 = 0, on
peut définir les quatre quadrants de polarisation de la figure 17.
Comment se produit l'amorçage dans les 4 cas possibles ?
a)AMORÇAGE QUADRANT 1 (+ +)
Dans ce cas nous avons V2 > V1.
On applique une impulsion positive sur la gâchette
entre G et A1 (+ sur G).
En appelantT le thyristor P1 N1 P2 N2 ayant A2 comme anode et A1 comme cathode (voir
figure 15) et T' le thyristor P2 N1 P1 N4 avec A1 comme anode et A2 comme cathode, nous avons :
T est sous tension directe ; le courant positif de gâchette provoque l'amorçage de
T comme un transistor normal.
b) AMORÇAGE QUADRANT 3 ( - - )
Dans ce cas nous avons V2 < V1
On applique une impulsion négative sur la gâchette
entre G et A1 (-sur G).
Le courant de gâchette
IG entre par A1, traverse la diode P2 N3 dans le sens direct et entraîne ainsi l'affaissement de la barrière de potentiel P1 N1. En effet, la diode P2
N3 est traversée par des TROUS de P2 vers N3 et par des électrons de N3 vers P2.
Ces électrons diffusent à travers P2
jusqu'à la jonction P2 N1, qui les dirigent dans N1 (action de la jonction sur les porteurs minoritaires qui l'atteignent) ; il en résulte une diminution
de la barrière de potentiel P2 N1 et par suite une augmentation du courant des TROUS de P2 vers N1
Ces trous sont absorbés par la jonction P1 N1 dont le courant inverse augmente, avec pour effet d'amorcer T'.
c) AMORÇAGE QUADRANT 2 ( + - )
Dans ce cas nous avons
V2 < V1
On applique une impulsion négative sur la gâchette
entre G et A1 (- sur G).
Le courant de déclenchement circule de P2 vers N3 et amorce T',
comme précédemment.
d)AMORÇAGE QUADRANT 4 ( - + )
Dans ce cas nous avons
V2 < V1
On applique une impulsion positive sur la gâchette
entre G et A1 (+ sur G).
Le processus de déclenchement peut se comparer à celui du premier quadrant, donc T conducteur.
En réalité le phénomène est plus complexe, car pour une étude détaillée et par ailleurs hypothétique, il conviendrait
de considérer la zone de conduction N3 P2 N1 P1, d'où il ressort que dans le quatrième quadrant, la sensibilité au déclenchement
est plus réduite que dans les autres cas.
Les deux méthodes
d'amorçage les plus utilisées sont celles décrites en a) et en b),
c'est-à-dire celle du premier et du 3ème quadrant. En effet, lorsque A2 et G ont la même polarité, le courant de gâchette
nécessaire pour provoquer l'amorçage est beaucoup plus faible que lorsque ces polarités sont opposées.
Le SENS PRÉFÉRENTIEL
d'amorçage, en se référant à la figure 17
est donc celui où nous avons :
Les ouvrages les plus complets traitant des thyristors et des triacs étant américains (ce qui explique
l'usage de plus en plus fréquent de termes anglo-saxons dans les textes français et confirme que l'évolution technique a une influence certaine sur le langage),
il est bon de donner la signification des symboles utilisés pour donner les caractéristiques de ces composants (figure 18).
Extrait d'un document SILEC
(fabricant de semi-conducteurs), voici comment se présentent les caractéristiques
essentielles d'un TRIAC (type TTAL 220).
*** VALEURS D'UTILISATION ***
ITeff
200 A
= Courant efficace à l'état passant.
ITRM
600 A = Courant de pointe maximum repéré à l'état passant.
ITSM
1600 A à 50 Hz =
Courant de pointe maximum accidentel.
VDWM
200 V =
Tension de crête maximum à l'état bloqué.
VRSM
300 V =
Tension inverse de pointe accidentelle
*** CARACTÉRISTIQUES DE GÂCHETTE ***
IFGM
5 A
= Courant direct de pointe.
VFGM
10 V
= Tension direct de pointe
VRGM
5 V =
Tension inverse de pointe
PG
10 W
= Puissance gâchette (de l'anglais POWER GATE).
Parmi les autres caractéristiques importantes qu'il faut citer, mentionnons :
VBO= Tension maximale que peut supporter le composant en restant maintenu à
l'état bloqué. Si cette tension est dépassée le triac s'amorce.
dv / dt= Taux de croissance maximum de la tension d'anode pouvant être supporté
par le dispositif, sans risque d'amorçage.
di / dt= Taux de croissance maximum du courant d'anode pouvant être supporté
par le dispositif sans entraîner sa destruction.
A l'aide de ces
indications, on peut ainsi compléter le schéma de la figure 16 par les indications suivantes (figure 19).
Le DIAC est un composant à semi-conducteurs,
utilisé pour DÉCLENCHER
les thyristors et les triacs.
C'est un élément SYMÉTRIQUE,
donc un composant BIDIRECTIONNEL, devenant conducteur lorsque la tension dépasse un certain seuil (tension de
retournement).
Sa structure est très simple, puisqu'il s'agit d'une double diffusion d'impuretés de TYPE OPPOSÉ à celle du
substrat (monocristal).
Le symbole, ou plutôt les symboles du DIAC sont représentés figure 20.
Le symbole de la figure 20-b est contestable car il est pratiquement identique à celui du TRIAC.
Le symbole de la figure 20-c est le plus simple et permet le plus facilement de comprendre le fonctionnement de ce
composant.
Voyons à ce sujet le comportement du DIAC. A cet effet, reportons-nous au schéma
de la figure 21.
Réglons le potentiel
P
à sa VALEUR MAXIMALE. La tension
appliquée sur le DIAC et lue sur le voltmètre
V est très faible ; le courant mesuré par l'ampèremètre A est également très
faible et correspond à un très léger courant de fuite.
Manœuvrons P pour augmenter la valeur de la tension V.
Le courant augmente mais très légèrement,
comme on peut le voir figure 22 (IBR +),
puis brusquement, pour une certaine valeur de tension bien déterminée, le courant augmente de façon intense et la résistance dynamique du DIAC
DEVIENT NÉGATIVE. Cela signifie, que cette résistance tout en étant
de valeur peu élevée, augmente en fonction du courant.
La figure 22 illustre ce qui vient d'être dit :
(partie à droite de l'axe I).
Si maintenant, dans une seconde expérience on inverse la batterie de piles, on constate que le même phénomène se produit,
mais de sens opposé.
On obtient ainsi, une courbe pratiquement symétrique,
comme on peut le voir figure 22.
Compte tenu de ce qui vient d'être dit, on peut tirer les deux conclusions suivantes :
1°)
Le DIAC n'est pas un REDRESSEUR.
2°) Il n'est pas possible d'avoir
entre ses bornes une tension supérieure à VBR +
et
VBR -, sans risque de destruction du composant.
Le DIAC est utilisé en association avec le TRIAC, pour la commande de ce dernier.
On peut par exemple réaliser un
GRADATEUR de LUMIÈRE. Dans ce type de montage le
THYRISTOR convient mal, car étant donné qu'il ne conduit que dans un seul
sens, un scintillement de l'ampoule est perceptible, surtout aux faibles intensités lumineuses.
Dans ce cas en effet, le temps de conduction par
rapport à l'alternance complète est très court. Ainsi, entre chaque période de conduction, le filament de l'ampoule se refroidit et il en résulte une
diminution de la lumière émise.
Lorsque le thyristor conduit de nouveau, le filament émet de nouveau une lumière plus intense, à laquelle succède une
diminution et ainsi de suite.
Le TRIAC étant CONDUCTEUR dans les deux sens de la tension
alternative, évite ce scintillement.
Le montage type d'un GRADATEUR de LUMIÈRE est donné figure 23.
Notez à ce sujet que ce même montage peut, sans aucune modification, servir de
VARIATEUR DE VITESSE.
Comment fonctionne ce circuit ?
La partie droite du schéma comprend un dispositif de DÉPHASAGE, constitué par un
condensateur C et un potentiomètre P.
Une partie du courant fourni par le secteur passe
à travers ces deux éléments. Ce courant engendre aux bornes de P,une tension qui est en phase avec celui-ci.
Cette tension est donnée par la loi d'ohm :
Up =RI
Aux bornes du condensateur, une tension prend également
naissance, mais elle est DÉPHASÉE, de p / 2 (90°) par rapport au courant.
La valeur de cette tension est donnée par la
formule :
Uc = 1 / (C x w) x I
La représentation vectorielle est celle de la
figure 24.
Le vecteur U, somme géométrique de Uc et de Up
est déphasé par rapport au courant I. Il est évident que ce déphasage (angle j ), dépend
essentiellement des deux vecteurs Uc et Up, donc de C et de P.
Or P est un potentiomètre ; il suffit donc de manœuvrer le curseur pour modifier le
DÉPHASAGE de
U
par rapport à I.
Mais U est la tension aux bornes de l'ensemble résistance-capacité,
donc la tension du secteur. Le DÉPHASAGE
de Uc
par rapport à
U,
varie donc également en fonction du réglage de P.
En conclusion :
Aux bornes de C on dispose d'une tension dont la phase varie avec la valeur de P.
La figure 25 représente la tension
U (immuable) de la tension Uc, dont le déphasage dans le temps varie suivant la valeur de R.
En général,
le DIAC se déclenche pour une tension voisine de 30 Volts, ce qui
revient à dire que VBR de la figure 22 = 30 Volts.
Si P et C ont été choisis judicieusement, la valeur maximum de Uc
peut être égale à 30 Volts. Cela signifie que chaque fois qu'il y aura une tension de 30 Volts
aux bornes de Uc, ce qui se présente aux temps t1, t2, etc., il y aura déclenchement du DIAC,
et par conséquent du TRIAC.
La figure 26 représente la forme de la tension délivrée
par le TRIAC, c'est-à-dire le TEMPS DE CONDUCTION de cet élément, en fonction de trois réglages différents de P.
1°) L'ampoule électrique est
alimentée presque normalement. Le temps de conduction du TRIAC est presque égal à t.
TEMPS DE CONDUCTION LONG(partie hachurée).
2°) L'ampoule électrique n'est
alimentée que la moitié du temps durant chaque demi-alternance.
TEMPS DE CONDUCTION MOYEN.
3°)
L'ampoule électrique n'est alimentée que pendant une fraction de temps durant chaque demi-alternance.
TEMPS DE CONDUCTION COURT.
Notez bien que dans les VARIATEURS ou
GRADATEURS
à THYRISTORS
ou à TRIACS,
on agit sur le
TEMPS DE CONDUCTION
et non sur la valeur de la tension.
Le DIAC n'est pas le seul composant actuellement utilisé pour la commande des TRIACS.
Il faut en effet mentionner :
1°)
LE COMMUTATEUR UNILATÉRAL (SUS).
Ce composant, destiné uniquement au déclenchement des THYRISTORS est constitué par un THYRISTOR
miniature et une diode ZENER.
La figure 27 représente le symbole de ce composant, son circuit équivalent et sa courbe caractéristique.
On voit qu'approximativement, cet ensemble fonctionne comme un DIAC qui serait Unidirectionnel.
Ce commutateur à l'avantage de déclencher à
TENSION FIXE, déterminée par la DIODE ZENER.
2°)
LE COMMUTATEUR BILATÉRAL (SBS).
Ce composant, dérivé du
SUS précédent, est formé par deux commutateurs BILATÉRAL, monté tête-bêche.
Il fonctionne ainsi dans les deux sens et de ce fait, est surtout utilisé pour la commande des TRIACS.
La figure 28 donne les renseignements essentiels sur cet élément.
3°)LA DIODE SHOCKLEY
La diode SHOCKLEY, aussi appelée DIODE À QUATRE COUCHES ou DIODE
THYRISTOR est un composant BIPOLAIRE UNIDIRECTIONNEL.
De type PN PN, cette diode est comparable à un THYRISTOR
qui ne comporterait que l'ANODE et la CATHODE.
La figure 29 représente la structure, le symbole
et la courbe caractéristique de ce composant.
4°)
LE QUADRAC.
Le QUADRAC
n'est pas à proprement parler un dispositif de déclenchement, car il est formé d'un TRIAC, contenant dans le même boîtier
un DIAC (figure 30).
Il ne s'agit donc là que d'un élément composé,
dont le but est de simplifier les circuits.
Nous
terminons ainsi nos
notions d'électroniques fondamentales qui, nous espérons, vous aiderons à
mieux saisir les autres parties des nouvelles leçons
théoriques et pratiques DIGITALES, auront pour but d'expliquer les
circuits digitaux concernant les ordinateurs y compris les circuits intégrés
pour le moins, à augmenter vos connaissances dans ce domaine mais, nous allons y ajouter d'autres leçons concernant les montages fondamentaux afin de compléter vos connaissances générales, en électronique fondamentale, ensuite, on pourra détailler les autres parties des leçons sus évoquées.
LE THYRISTOR
1,
(où 
V)
/ 
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