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'un THYRISTOR, il est également nécessaire de connaître la caractéristique de commande, c'est-à-dire la caractéristique montrant comment varie le courant de gâchette Ip, 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.

1. - PRINCIPE DE L'AMORÇAGE PAR LA GÂCHETTE

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 et 1 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 1 2 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 2donne une valeur tendant vers l'unité, c'est-à-dire 1 2 -------> 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.

2. - AUTRES POSSIBILITÉS D'AMORÇAGE

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 deIE, 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.

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.

4 - EMPLOI DU THYRISTOR

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.