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Cours d’électronique PARTIE N°5 : LE THYRISTOR LA THEORIE SUR L’ELECTRONIQUE LE

Cours d’électronique PARTIE N°5 : LE THYRISTOR LA THEORIE SUR L’ELECTRONIQUE LES COMPOSANTS DE BASE La théorie sur l’électronique - les composants de base - Le thyristor Cours d’électronique Page n° 5-1 1. Description ......................................................................................................................... 2 2. Fonctionnement.................................................................................................................. 3 2.1. Sous une tension positive........................................................................................... 3 2.2. Sous une tension négative .......................................................................................... 5 3. Propriétés pratiques............................................................................................................ 6 3.1. Données du fabricant.................................................................................................. 6 3.2. Le courant de gâchette................................................................................................ 6 3.3. Durée de l’amorçage .................................................................................................. 6 3.4. Durée de blocage........................................................................................................ 6 4. Angle de retard................................................................................................................... 7 5. Modes de fonctionnement du thyristor............................................................................... 8 5.1. L’amorçage................................................................................................................. 8 5.2. Le blocage .................................................................................................................. 9 6. Application pratique......................................................................................................... 10 6.1. Redressement commandé avec 1 thyristor............................................................... 10 6.2. Redressement commandé avec 2 thyristors.............................................................. 13 6.3. Fonctionnement en onduleur.................................................................................... 16 7. Page technique.................................................................................................................. 17 TABLE DES MATIERES La théorie sur l’électricité - les composants de base - Le thyristor Cours d’électronique Page n° 5- 2 1. Description Le thyristor n’est rien d’autre qu’une diode commandée. Elle constituée d’un monocristal de silicium comprenant quatre couches alternativement de types P et N. Trois électrodes métalliques réalisent les liaisons vers l’extérieur. Il s’agit de l’anode « A », en contact avec une couche P, de la cathode « K », en contact avec une couche N et de la gâchette « G », en contact avec une couche P. Ayant quatre couches, nous pouvons déduire qu’il y a trois jonctions. Une jonction d’anode, JA, une jonction de cathode JK et une jonction de commande ou centrale JC. Je peux encore dire que JA et JK sera passant de A vers K et que JC sera passant de K vers A. Les différentes couches formant le thyristor ont leur particularité : • couche N (entre JA et JC) est épaisse et peu dopée • couche P (gâchette) est très mince • couche N (côté cathode) est très dopée En regard au dessin ci-dessus, les couches portent les noms suivant de gauche à droite • couche d’anode (type P) • couche de blocage (type N) • couche de commande (type P) • couche de cathode (type N) La théorie sur l’électricité - les composants de base - Le thyristor Cours d’électronique Page n° 5- 3 2. Fonctionnement 2.1. Sous une tension positive Réalisons notre étude à l’aide du schéma de câblage suivant : 1° Thyristor bloqué Lorsque VAK > 0, les jonctions JA et JK sont polarisées dans le sens direct et ne supportent que des tensions faibles du essentiellement au caractéristiques du monocristal : Je peux donc dire que la tension VAK est pratiquement appliquée à la jonction JC polarisée en inverse. Le courant IA est donc le courant inverse de cette jonction, il est très faible. Je peux donc conclure que le thyristor est bloqué. V V Ia R V Ia AK ≈ + − = ⇒ ≈ . 0 2° Amorçage sans courant de gâchette Augmentons progressivement la valeur de V. Je peux dire que les jonctions JA et JK ne vont toujours supporter que de faibles tensions et que dès lors la tension appliquée en sens inverse sur la jonction JC croît, si bien que le champ électrique correspondant augmente. Nous pouvons donc comprendre que si nous continuons à augmenter la valeur de V, nous finirons par nous retrouver dans une situation ou le champ électrique sera tel que sous l’action de ce dernier, les minoritaires qui traversent la jonction JC seront capables de faire entrer cette jonction en régime d’avalanche. A ce moment, le potentiel VAK devient très faible. Ia R V V VAK . ≈ ⇒ << Comme on le voit, le courant Ia n’est limité que par la résistance R. En réalisant une analogie avec le transistor en régime de saturation, ce courant constitue à la fois le courant de collecteur et le courant de base. Noter que dans ce type de fonctionnement, la conduction du thyristor est très mal contrôlé. Les pertes sont importante au sein du thyristor et pourraient entraîner la destruction de ce dernier. La théorie sur l’électricité - les composants de base - Le thyristor Cours d’électronique Page n° 5- 4 3° Amorçage par courant de gâchette A l’aide de l’interrupteur K, réalisons la charge du condensateur. Une fois ce dernier chargé, ouvrons K et à l’aide de B appliquons le potentiel de charge du condensateur entre la gâchette et la cathode du thyristor. Il est claire que nous aurons appliqué un potentiel V positif entre l’anode et la cathode afin de polarisé les jonction JA et JK . Nous allons donc avoir circulation d’un courant Ig dans le sens direct de la jonction JK. Si ce courant est suffisant, le thyristor s’amorce. R V Ia V VAK ≈ ⇒ ≈5 , 1 En raison du dopage important de la couche N de cathode, le courant Ig se caractérise par un flux d’électron allant de K vers G. Comme la distance entre la jonction JK et JC est très faible, de nombreux électrons atteigne cette jonction JC. Or sous l’action du champ électrique du à la polarisation inverse de cette jonction face à V, les électrons deviennent très énergétiques et dès que leur nombre est suffisant une avalanche locale s’établit en un point particulier de la jonction JC. Le courant Ia de grande densité s’engouffre dans cette région et si le courant reste supérieur à une valeur dite d’accrochage, les porteurs seront suffisamment nombreux pour que l’avalanche s’étende de proche en proche sur toute le jonction. Je peux encore dire que le courant Ia va continuer à croître durant toute la durée d’avalanche de la jonction et une fois cette dernière terminée, le courant R V Ia≈ . Il va sans dire que cette situation persistera même après la disparition du courant de gâchette et que seul une inversion de polarité de V ou la disparition de V ou une diminution de V tel que le courant Ia devienne trop faible que pour maintenir l’accrochage pourra éteindre le thyristor. 4° Thyristor en régime de conduction Après l’amorçage, l’équation devient : V Ia R VAK + − = . . Si nous faisons varier la tension V, la droite de charge subit une translation horizontale. Le point M décrit la caractéristique quasi verticale du thyristor. La théorie sur l’électricité - les composants de base - Le thyristor Cours d’électronique Page n° 5- 5 Po est le point d’amorçage correspondant une tension V suffisante que pour amorcer le thyristor sans courant de gâchette. La tension correspondante sur l’axe des abscisses est la tension inverse limite au droit de la jonction JC. Lors de l’amorçage, le point passe de la position Po vers la position Mo. La tension inverse diminue puisque la jonction conduit et le courant croît puisque les porteurs traversent la jonctions. Le point M est le point de fonctionnement du thyristor en conduction, on remarque également que si nous augmentons le potentiel V, la courbe va se translater et l’ensemble des points de fonctionnement M formera la droite de fonctionnement du thyristor. Noter encore que le thyristor avant l’impulsion de gâchette se trouve au point P et que dès l’avalanche, ce point se déplace vers M. 2.2. Sous une tension négative Lorsque le thyristor conduit et que l’on réduit la tension V (soit volontairement soit parce que V est une tension alternative), le point M se déplace vers le bas de la caractéristique et le courant Ia diminue. Lorsque ce dernier devient inférieur à Ih appelé courant de maintien le thyristor se bloque. Les porteurs mobiles qui avaient envahi les quatre couches de cristal disparaissent par recombinaison et aussi parce qu’ils sont déplacés par une tension VAK négative. Les jonctions JA et JK deviennent très vite bloquantes et capables de supporter une tension inverse. La jonction JC cesse d’être en régime d’avalanche un peu plus tard, l’évacuation des porteurs y étant plus lente. Le blocage d’un thyristor n’est donc pas instantané. De plus il est réversible, ce qui sous-entend que tant que le blocage n’est terminé, la seule apparition d’une tension VAK positive permet de rétablir un courant d’anode. Lorsque le blocage est terminé, la jonction JC est dans le sens direct alors que les jonctions JA et JK sont dans le sens inverse. Ce sont ces deux dernières qui supportent la tension VAK. Le courant inverse est alors très faible. Si nous envoyons un courant de gâchette dans cette situation, les jonctions JA et JK ne peuvent se mettre en régime d’avalanche et le thyristor ne s’amorce pas. Si la tension V est rendue de plus en plus négative, les jonctions JA et JK se mettent en régime d’avalanche pour une certaine valeur de VAK mais aucun amorçage ne se produit. La tension aux bornes du thyristor reste pratiquement égale à la tension de claquage (très élevée). La théorie sur l’électricité - les composants de base - Le thyristor Cours d’électronique Page n° 5- 6 3. Propriétés pratiques 3.1. Données du fabricant Les données sont dépendantes du type de thyristor et des fonctions que ces derniers devront accomplir. • Intensité moyenne maximale uploads/Litterature/ eloc-base-le-thyristor-pdf.pdf