Redresseur à thyristor

Les thyristors, également appelés redresseurs contrôlés au silicium, ou SCR, sont des dispositifs électroniques utilisés dans les gradateurs de lumière, les régulateurs de vitesse de moteur et les régulateurs de tension. Comme une diode, un thyristor a une anode et une cathode, et conduit dans une seule direction. En fait, le symbole schématique d’un thyristor ressemble à une diode, mais avec une troisième borne représentant la porte, qui contrôle le flux de courant. Contrairement à une diode, cependant, une petite impulsion de courant dans la porte est nécessaire pour allumer le thyristor afin que le courant direct puisse circuler de l’anode à la cathode. Le thyristor s’éteint si ce courant direct descend en dessous d’un seuil de verrouillage. À l’état éteint, un thyristor bloque la conduction dans les deux sens. La possibilité d’allumer et d’éteindre permet au thyristor de rectifier, c’est-à-dire de laisser passer le courant d’une seule polarité et de réguler la quantité de puissance AC à allouer. Cette vidéo montrera comment contrôler un thyristor en déclenchant la porte à différents points au cours d’un cycle de climatisation.

Les thyristors sont composés de quatre couches alternées de semi-conducteurs de type P et N, qui forment une structure PNPN. Le fil d’anode est relié au matériau de type P à une extrémité. Le fil de la cathode est connecté au matériau de type N à l’autre extrémité. Et le fil de grille est connecté à la couche de type P à côté de la cathode. Dans ce circuit simple, avec une source d’alimentation CA en série avec le thyristoror et une charge, l’entrée CA par elle-même ne peut pas conduire le thyristor en conduction directe. Le courant ne peut circuler de l’anode à la cathode qu’après qu’une impulsion de courant vers la grille déclenche l’état de marche. Cette impulsion doit se produire lorsque la tension de la source est positive. Sinon, le thyristor reste éteint et bloque le courant. Les thyristors sont bistables, ce qui signifie qu’ils peuvent reposer dans deux états différents. Ainsi, le mode de conduction directe persiste tant que la tension de la source est positive et que le courant est supérieur au seuil de verrouillage. Si le courant tombe en dessous de ce seuil, le thyristor passe en mode de blocage et reste dans cet état jusqu’à ce qu’il soit déclenché à nouveau. La différence de phase entre l’impulsion de grille et le passage à zéro d’une source CA sinusoïdale est l’angle de tir. Par exemple, une impulsion de déclenchement en même temps que le passage initial du zéro a un angle de tir de zéro degré, ce qui entraîne un redressement complet de la demi-onde, comme une diode. Dans ce cas, le thyristor transmet toute l’énergie de la partie positive du cycle à la charge. Si l’impulsion coïncide avec le pic de la tension alternative, l’angle d’allumage est de 90 degrés et la charge ne reçoit de l’énergie que de la moitié du cycle positif. Enfin, une impulsion en même temps que le passage à zéro négatif donne un angle de tir de 180 degrés, sans courant conduit et sans transfert d’énergie du tout. L’objectif de cette expérience est d’étudier un circuit redresseur à thyristors déclenché à différents angles de déclenchement, et de comparer les tensions de sortie moyennes résultantes.

Étant donné que ces expériences utilisent une alimentation de 120 volts CA, évitez tout contact avec des fils exposés, qui pourraient provoquer une électrocution et des blessures ou la mort. Ne touchez aucune partie du circuit lorsqu’il est sous tension et ne mettez pas à la terre le VARIAC. Pour plus d’informations sur la sécurité électrique, veuillez regarder la vidéo de Jove Science Education « Précautions de sécurité et équipement de base ». Tout d’abord, configurez l’oscilloscope en connectant la sonde standard à un canal et la sonde différentielle à un deuxième canal. Configurez la sonde différentielle sur une atténuation supérieure à 20. Réglez l’amplification dans le menu de l’oscilloscope pour le canal de la sonde différentielle. Utilisez-le 20x s’il est disponible pour la sonde différentielle. Sinon, utilisez 10x et doublez toutes les mesures de l’oscilloscope. Annulez tout décalage d’oscilloscope en clipsant les bornes de la sonde différentielle ensemble et en ajustant la position verticale des pistes à zéro volt. Au cours de cette expérience, le VARIAC fournit une tension alternative avec une fréquence de ligne de 60 hertz. Avant de régler le VARIAC, assurez-vous qu’il est éteint et que rien n’est connecté à la sortie. Tournez ensuite le bouton de commande à 15 % de sortie. Connectez le câble de sortie au VARIAC et connectez les bornes de la sonde différentielle aux fiches bananes du câble. Allumez le VARIAC, observez la forme d’onde sur l’oscilloscope et ajustez le VARIAC de sorte que l’amplitude de sa sortie V0 soit de 35 volts. Modifiez la base de temps, c’est-à-dire l’intervalle de temps par division horizontale de l’oscilloscope pour afficher deux à cinq cycles de tension. Capturez et enregistrez une copie de cette forme d’onde, enregistrez cette base de temps et désignez-la TB0 pour une utilisation ultérieure. Enfin, éteignez le VARIAC et ne modifiez pas ses paramètres.

Cette première expérience déclenche un redresseur à thyristors avec un angle d’allumage de zéro degré. Assemblez le circuit comme indiqué sur une proto-carte. Utilisez le VARIAC pour la source AC d’entrée V in. Et un cavalier de fil à la place de la résistance R2. Connectez la sonde standard aux bornes de la tension d’entrée V in, puis connectez la sonde différentielle aux bornes de la résistance de charge R pour observer la tension de sortie V out. Allumez le VARAC et définissez l’étendue sur la base de temps TB0, qui a été enregistrée précédemment. Parce que l’angle de tir est de zéro degré, le thyristor agit comme une diode et la tension de sortie est une onde sinusoïdale semi-rectifiée. Utilisez la fonction mathématique intégrée de l’oscilloscope pour mesurer la tension de sortie moyenne. Ajustez la base de temps pour zoomer entre les points où le thyristor s’éteint, puis se rallume. Utilisez les curseurs de l’oscilloscope pour mesurer ce décalage horaire. Éteignez le VARIAC et ne modifiez pas le réglage de la tension. Gardez toutes les connexions VARIAC et de portée identiques pour la prochaine expérience.

Pour comparer les résultats avec deux angles de tir différents non nuls, l’expérience suivante déclenchera le thyristor, avec une petite, puis une grande résistance pour R2. Les résistances sont, dans ce cas, de 300 ohms et 620 ohms. Utilisez la résistance plus petite pour déclencher le thyristor, à un petit angle de tir. Retirez le cavalier qui a court-circuité R2. Insérez ensuite la résistance de 300 ohms à sa place. Allumez le VARIAC et définissez l’oscilloscope sur la base de temps TB0. L’angle de tir est maintenant supérieur à zéro degré et, par conséquent, le thyristor est déclenché plus tard dans la partie positive du cycle AC. Mesurez la tension de sortie moyenne comme décrit précédemment. Ensuite, zoomez et mesurez l’intervalle de temps entre le moment où le thyristor s’éteint et se rallume. Éteignez le VARIAC. Sans modifier le réglage VARIAC ou d’autres connexions, remplacez R2 par la résistance plus grande et répétez le test. Une fois les expériences terminées, éteignez le VARIAC, mettez-le à zéro et démontez le circuit.

La tension de sortie du circuit redresseur à thyristors est nulle jusqu’à ce qu’une impulsion de grille déclenche le thyristor. Après le déclenchement, la tension de sortie est la partie restante d’une onde semi-redressée. Au fur et à mesure que l’angle de tir augmente, la tension de sortie est plus hachée par rapport à l’entrée, et donc la tension de sortie moyenne diminue. Par conséquent, l’angle d’allumage détermine la quantité de puissance qu’un thyristor transmet à la charge.

Les thyristors peuvent contrôler la quantité d’énergie transférée à une charge, et étaient courants dans les anciennes alimentations CC réglables. Ils sont encore utilisés dans de nombreuses applications de contrôle de l’alimentation CA moyenne à haute tension. Tout d’abord, les gradateurs de lumière courants utilisés dans les maisons et les bureaux ont un bouton ou un curseur qui contrôle un potentiomètre, qui est une résistance variable. La modification de la résistance modifie l’angle de tir d’un thyristor et augmente ou diminue en conséquence la puissance qui éclaire une ampoule. La décharge à l’arc anodique est un moyen pratique et efficace de synthétiser des nanotubes de carbone et du graphène. Les recherches ont utilisé un champ magnétique pour améliorer la contrôlabilité et la flexibilité du processus. La décharge électrique dans cette application est similaire à celle du soudage à l’arc. Et les deux utilisent des thyristors à haute tension pour contrôler la puissance qui crée l’arc.

Vous venez de regarder l’introduction de Jupiter aux redresseurs à thyristors. Vous devriez maintenant comprendre comment fonctionnent les thyristors et comment ils permettent de contrôler l’alimentation CA des appareils électriques. Merci d’avoir regardé.