I dispositivi elettronici sono progettati per funzionare a determinate tensioni massime. Una tensione superiore a quella massima consentita può causare seri danni tra cui fusione di cavi, guasto dei dispositivi, rigonfiamento delle confezioni, fori, fessure o anche l'incendio dei dispositivi quando il circuito è sottoposto a sovratensione.
Una tensione superiore alle limitazioni specificate per un dispositivo è la causa di guasto più comune. Quando la tensione supera il limite di progettazione, si verifica una sovratensione. I sovraccarichi, l'alimentazione di ingresso errata, la temperatura in eccesso, gli urti meccanici, le scariche elettrostatiche, una resistenza bassa tra l'alimentazione e i pin di terra, il cortocircuito di un pin, i guasti del dispositivo e altro ancora possono provocare una situazione di sovratensione. A seconda della durata, l'evento è detto transiente, picco di tensione o sovraccarico.
Sono disponibili dispositivi di sicurezza, ad esempio i fusibili, che proteggono i componenti elettronici dai danni da sovracorrente. Questi possono tuttavia rivelarsi inefficaci se si verificano transienti e picchi di alta tensione negli alimentatori. Anche i transistor possono offrire protezione e fungere da interruttori e amplificatori allo stesso tempo. In genere, tuttavia, gestiscono piccole correnti elettroniche nella gamma dei milliampere.
Figura 1: I tiristori sono dispositivi semplici, ma in grado di offrire una considerevole protezione nelle situazioni di sovratensione. (fonte: BBC)
I tiristori, al confronto, gestiscono correnti elettroniche di diverse centinaia di volt e una gamma fino a 10 ampere e sono particolarmente utili in situazioni di corrente fluttuante e sovracorrente. Sono utilizzati negli interruttori di potenza di fabbrica, nell'accensione delle auto, nei protettori da sovraccarico, nei termostati, nei controlli della velocità dei motori elettrici e nei relè stato solido e sono generalmente presenti nelle apparecchiature per le telecomunicazioni. In una situazione di sovracorrente, il tiristore si accende e rimane in tale stato fino al ripristino del circuito.
Un esempio di famiglia di tiristori include i protettori da sovracorrente con tiristore della serie NP di ON Semiconductor NP1800SAT3G, dispositivi di protezione da sovracorrente (TSPD, Thyristor Surge Protector Devices) bidirezionali ad alta tensione utilizzati nei circuiti per le telecomunicazioni, tra cui apparecchiature per ufficio centrale, accesso e abitazioni dei clienti, per la protezione da condizioni di sovratensione.
Essendo dispositivi bidirezionali, offrono le funzionalità di due dispositivi in una sola confezione, permettendo di risparmiare prezioso spazio su scheda. I dispositivi funzionano come un palanchino quando si verifica una sovratensione, deviando l'energia da un circuito o dispositivo che viene protetto. L'uso della serie NP di ON Semiconductor permette ai produttori di soddisfare una varietà di requisiti normativi.
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I tiristori Bourns TISP400H1BJR-S sono progettati per limitare la sovratensione sulle linee di telecomunicazione digitale, in genere causata da sistemi di alimentazione CA o da disturbi dovuti a fulmini indotti o condotti su una linea telefonica. Un unico dispositivo offre una protezione a due punti per avvolgimenti di trasformatori e componenti elettronici a bassa tensione.
Il dispositivo di protezione è costituito da un tiristore bidirezionale simmetrico attivato dalla tensione. Durante il funzionamento, la sovratensione viene inizialmente tagliata interrompendo il bloccaggio, finché la tensione non arriva a un livello che causa il passaggio forzato del dispositivo a una condizione di stato on a bassa tensione. Lo stato on a bassa tensione causa la deviazione sicura della corrente derivante dalla sovratensione attraverso il dispositivo. Il dispositivo si spegne quando la corrente deviata cala al di sotto del valore di tenuta.
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Il tiristore SMTPA62 Trisil™ di STMicroelectronics è anche utilizzato per la protezione delle apparecchiature per la telecomunicazioni. Tra le caratteristiche sono incluse la protezione forzata bidirezionale, una gamma di tensione da 62 V a 320 V, una capacità bassa da 12 pF a 20 pF a 50 V, una corrente di dispersione bassa massima di IR= 2 μA e una corrente di tenuta minima di 150 mA.
Le applicazioni del settore delle telecomunicazioni includono schede di linea analogiche e digitali, xDSL, T1/E1, ISDN, terminali (telefono, fax, modem) e apparecchiature per l'ufficio centrale.
La serie Trisil di STMicroelectronics è progettata per proteggere l'apparecchiatura da fulmini e transienti indotti dalle linee di alimentazione CA. Sono disponibili in confezioni SMA, SMB e DO-15. I tiristori della serie Trisil non sono soggetti a invecchiamento e offrono una modalità a prova di errore in cortocircuito per una migliore protezione. Il loro utilizzo permette di avere apparecchiature conformi a vari standard, tra cui UL1950, IEC950/CSA C22.2, UL1459 e FCC parte 68.
Un altro esempio è il dispositivo QFN a 8 pin SIDAC 170 V 30 A con tiristore SDP1800Q38CB di Littelfuse, che offre protezione da sovratensione per VDSL2, ADSL2 e ADSL2+ e ha un effetto minimo sui segnali dati. Il progetto offre una caratteristica di carico capacitivo, compatibile con le applicazioni a elevata ampiezza di banda. Il pacchetto montato su superficie offre una capacità di spunto superiore alla maggior parte degli standard e delle raccomandazioni mondiali per le sovracorrenti da fulmini.
Il dispositivo presenta la protezione da sovratensione equilibrata, distorsione e perdita di inserimento ridotte e un profilo ribassato.
Materiale, funzione e valore dei tiristori
I tiristori sono semiconduttori a stato solido con quattro strati alternati di materiale N e P (P-N-P-N). Il dispositivo fa da conduttore quando il gate riceve un innesco di corrente e continua a fungere da conduttore finché la tensione non viene invertita. Ne esistono vari tipi e i più comuni includono DIAC (CA diodo), Triac (CA triodo) e raddrizzatori controllati da chip. I tiristori sono semplicemente dei componenti elettronici a tre contatti: anodo, catodo e gate.
Quando la tensione sale attraverso un resistore, il tiristore si accende e si crea un cortocircuito dei binari di potenza per alcuni millisecondi prima che si bruci il fusibile. Più è veloce il tiristore, più è rapido il tempo di risposta. La funzione del gate consiste nel controllare il flusso di corrente tra anodo e catodo. Un fusibile è 1.000 volte più lento di un tiristore, che, in confronto, impiega solo pochi microsecondi per attivarsi.
I tiristori sono unidirezionali, ovvero fungono da conduttori di corrente solo in una direzione quando viene applicata una corrente di attivazione al gate. Una corrente di gate piccola controlla una corrente di anodo più grande e la corrente di anodo deve essere maggiore della corrente di tenuta per mantenere la conduzione.
I tiristori fungono da diodi rettificanti una volta attivati. Quando il tiristore viene attivato, viene bloccato e funge da conduttore anche quando non viene più applicata una corrente di gate, purché la corrente di anodo sia superiore a quella di blocco. Quando la corrente non scorre più nel gate, il dispositivo si spegne e la corrente non può scorrere dall'anodo al catodo. I tiristori non hanno parti in movimento, non creano arco al contatto, reagiscono alla corrosione o allo sporco e possono essere configurati per controllare il valore medio di una corrente di carico CA senza dissipare grandi quantità di potenza.
I tiristori sono in genere utilizzati nei circuiti CA in cui la corrente in avanti scende a zero durante ogni ciclo, in modo che sia sempre presente una funzionalità di spegnimento. Ciò significa che il gate deve essere attivato durante ogni ciclo solo per la riaccensione. La funzione più importante del tiristore, tuttavia, è la temporizzazione di queste funzioni per fornire controllo della potenza e protezione sufficienti ai componenti elettronici attuali, talvolta fragili.