photothyristor

Un photothyristor est un dispositif semi-conducteur au silicium à quatre couches qui conduit le courant lorsqu'il est exposé à une lumière d'intensité suffisante, plutôt que de nécessiter un signal de gâchette comme un thyristor conventionnel. Il combine la vitesse de commutation et la capacité de gestion du courant d'un thyristor avec la photosensibilité, ce qui le rend utile dans les circuits d'attaque de gâchette isolés et les applications de contrôle de puissance déclenchées par la lumière où l'isolation électrique entre la commande et la charge est essentielle.

Le dispositif se compose d'une région de photodiode intégrée directement dans la structure du thyristor. Lorsque des photons frappent la jonction, ils génèrent des paires électron-trou; ces porteurs circulent dans la région de la gâchette du thyristor et déclenchent la rétroaction régénérative qui verrouille le dispositif en conduction. L'intensité lumineuse nécessaire pour déclencher le dispositif varie généralement de quelques microwatts à des dizaines de microwatts par centimètre carré, selon le profil de dopage du silicium et la géométrie. Une fois déclenché, le photothyristor reste conducteur même si la lumière est retirée, jusqu'à ce que le courant direct tombe en dessous du seuil de courant de maintien pendant la demi-cycle négative d'une alimentation CA ou par la conception du circuit externe.

Les photothyristors se présentent sous deux configurations principales: le thyristor déclenché par la lumière (LTT) et le pilote de gâchette de triac à isolation optique, qui utilise un photothyristor à l'intérieur d'un boîtier d'optocoupleur. Ce dernier domine l'utilisation industrielle car il fournit une isolation galvanique; un signal de commande délivré par la lumière à travers une fibre ou une LED intégrée ne produit aucune connexion électrique entre l'entrée et le circuit de commutation de puissance. Cette isolation empêche les boucles de masse et le couplage transitoire dans les environnements à fort bruit tels que les entraînements de moteur et les alimentations industrielles.

Contraintes pratiques et modes de défaillance

Les photothyristors sont plus lents que les thyristors à gâchette électrique en raison du temps nécessaire à l'accumulation des porteurs générés par les photons dans la région de la gâchette; les retards de commutation varient généralement de 5 à 50 microsecondes. Ils sont également sensibles à la température; le courant de fuite à l'obscurité augmente avec la chaleur, rendant les dispositifs plus sujets aux faux déclenchements à des températures de jonction élevées. La réponse spectrale culmine dans la région du proche infrarouge autour de 900 nanomètres, de sorte que la source lumineuse utilisée (généralement une LED à l'arséniure de gallium) doit correspondre à la sensibilité en longueur d'onde du dispositif. L'emballement thermique est un risque si la tension de blocage dépasse les limites nominales et que le courant d'obscurité augmente de manière incontrôlée.

Dans les systèmes d'alimentation publics et industriels, les photothyristors apparaissent principalement dans les commutateurs de transfert statiques, les circuits d'attaque de gâchette de redresseur et les relais statiques où l'isolation est obligatoire. Leur utilisation a diminué dans les applications à grand volume en raison de l'avantage de coût et du délai de commutation plus faible des optocoupleurs intégrés avec des sorties MOSFET ou BJT conventionnelles, mais ils restent précieux pour les circuits qui exigent l'action de verrouillage inhérente à la logique thyristor et une isolation robuste dans des environnements électromagnétiques difficiles.