SCR

Gli SCR

Gli SCR (Silicon Controlled Rectifier) sono componenti allo stato solido che hanno trovato larga applicazione nei dispositivi di potenza in cui sono richieste forti correnti e tensioni che i normali transistor non sarebbero in grado di controllare.

Essi si possono ritenere equivalenti a degli interruttori quasi ideali, caratterizzati da cadute di tensione di modesta entità che limitano al massimo la produzione di calore.

La struttura di base di un SCR è riportata in fig. 1 insieme al suo simbolo elettrico.

Fig. 1: Struttura fisica e simbolo elettrico di un SCR.

Si tratta di un dispositivo formato da quattro zone di Silicio drogate di tipo p ed n che danno luogo a 3 giunzioni rettificanti contrapposte.

La tensione da controllare viene applicata tra gli elettrodi estremi, denominati Anodo (A) e Catodo (K), mentre l’elettrodo Gate (G) posto in prossimità del catodo, funge da comando per la commutazione dallo stato di non conduzione a quella di conduzione.

Caratteristiche elettriche degli SCR

Allo scopo di caratterizzare il funzionamento di un SCR, nelle varie condizioni di alimentazione cui è normalmente sottoposto in una applicazione pratica, si supponga di alimentare l’elettrodo di Gate con una corrente costante di modesta entità e contemporaneamente applicare tra anodo e catodo una tensione crescente come è indicato in fig. 2.

Fig. 2: Rilevamento della caratteristica statica di un SCR.

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Supposto che la tensione sia positiva, delle tre giunzioni che compongono l’SCR due V_AK sono polarizzate direttamente mentre quella centrale è bloccata: pertanto il dispositivo complessivo si comporta come un diodo polarizzato inversamente attraverso il quale fluisce la sola corrente di saturazione di origine termica.

All’aumentare della tensione applicata il campo elettrico assume valori sempre più elevati e tali da ionizzare gli atomi di semiconduttore, provocando così un piccolo aumento di corrente anodica (tratto 2 di fig. 2).

Le cariche elettriche (elettroni) liberate vengono accelerate dal campo assumendo così una elevata energia cinetica.

Esse colpiscono gli atomi del reticolo liberando altre cariche per urto e provocando quindi una moltiplicazione a valanga di cariche libere, con conseguente formazione di una miscela di elettroni e lacune denominata plasma.

Quest’ultimo fenomeno (tratto 3 di fig. 2) è molto veloce e porta a lavorare il dispositivo nel tratto 4 di fig. 2 in cui la corrente è limitata solo dal valore della resistenza R di carico.

A questo punto se si diminuisce il valore della tensione applicata, la corrente diminuisce fino al valore I hold al di sotto del quale il plasma non si può più mantenere.

L’SCR disinnesca e il punto di funzionamento si riporta nel tratto 1 di fig. 2.

Fig. 3: Caratteristica statica di un SCR.

Da quanto detto finora si intuisce che al variare della corrente di Gate varia anche la posizione del tratto 2 di fig. 2 che precede l’innesco: al crescere di tale tratto si sposta IG verso sinistra, come è mostrato in fig. 3.

Una importante limitazione all’uso degli SCR è legata al modo con cui il fenomeno dell’innesco si propaga attraverso la sua struttura geometrica.

Supposto infatti di provocare l’innesco del dispositivo a mezzo di un opportuno impulso di comando sul Gate, la corrente anodica, se il carico è puramente resistivo, raggiunge pressoché istantaneamente il suo valore di regime.

Tuttavia nei primi istanti di conduzione il fenomeno non interessa l’intera area delle giunzioni ma solo parte di essa (si veda ad esempio la struttura realizzativa di fig. 4 nella quale, causa la sua inevitabile disimmetria, l’innesco interessa prima le zone di giunzione a destra in prossimità del Gate e poi si propaga a tutto il resto solo le zone laterali). 1

Fig. 4: Struttura realizzativa di un SCR.

È ovvio allora che la densità di corrente può raggiungere valori così elevati nella zona limitata di primo innesco (frecce rosse), che nei grossi SCR può essere anche inferiore all’1% dell’intera zona utile, da portare al danneggiamento permanente del dispositivo.

Occorre quindi impedire che la corrente anodica aumenti troppo velocemente in modo da dare sempre il tempo alle giunzioni di portarsi a regime.

In altre parole la di/dt all’innesco va limitata (di solito con una piccola induttanza posta in serie all’anodo) e deve essere in ogni caso inferiore al valore massimo prescritto dal costruttore.

Spegnimento dell’SCR

Da quanto visto finora è chiaro che un SCR viene spento, cioè portato a funzionare dal tratto 4 al tratto 1 della caratteristica, solo rimovendo il plasma che ne cortocircuita la struttura.

Questo si può ottenere abbassando la tensione anodica fino a che la corrente scende al di sotto della I hold ovvero ancor meglio invertendo il segno della tensione stessa.

Invertendo infatti la tensione la corrente cambia verso di percorrenza e penetrando V_AK, nelle giunzioni contribuisce all’annullamento delle cariche che si erano accumulate durante la fase di conduzione.

Tuttavia finché tale processo di annullamento delle cariche immagazzinate, che dura un tempo non trascurabile, non si è completato l’SCR rimane ancora in conduzione.