Il dispositivo General Electric che ha rivoluzionato le macchine elettriche è ora una pietra miliare IEEE

Nov 10, 2023

Due C501, un tipo di raddrizzatore controllato al silicio, montati in parallelo in uno scambiatore di calore G-7Foto: GE

L'ISTITUTOOltre 60 anni dopo che General Electric ha introdotto il raddrizzatore controllato al silicio, è ancora un dispositivo di controllo dominante nel settore energetico grazie alla sua efficienza. L'SCR, noto anche come tiristore, è un dispositivo pnpn a tre terminali dotato di un anodo, un catodo e un gate. È stato introdotto nel 1957 e sviluppato in uno stabilimento GE a Clyde, New York

L'invenzione dell'SCR portò a miglioramenti nel controllo della rettifica, o conversione, della tensione di linea da CA a CC e divenne la base del moderno controllo della velocità sia nei motori CA che CC. Secondo l'Engineering and Technology History Wiki, l'applicazione del dispositivo al controllo dei motori ha reso possibile la sostituzione dei motori DC con motori AC più efficienti e affidabili, in particolare nei treni. Gli SCR consentivano anche la trasmissione elettrica CC a tensioni e livelli di potenza molto più elevati rispetto a quelli ottenibili in precedenza, afferma Sreeram Dhurjaty, membro senior della IEEE Life, presidente della sezione di Rochester della IEEE Power Electronics Society.

L'SCR è stato dedicato come traguardo IEEE il 14 giugno. Amministrato dall'IEEE History Center e sostenuto dai donatori, il programma Milestone riconosce gli sviluppi tecnici eccezionali in tutto il mondo. Lo sponsor era il capitolo della Power Electronics Society della sezione di Rochester.

I rappresentanti della IEEE Power Electronics Society svelano la targa Milestone per il raddrizzatore controllato al silicio il 14 giugno 2019. Da sinistra: Sreeram Dhurjaty, John Kassakian, Ahmed Elasser, James Mazzarella, José Moura, Frede Blaabjerg e Gerard HurleyFoto: IEEE

Prima del 1955, per il controllo delle macchine venivano utilizzati tubi a vuoto a triodo, che controllano il flusso di corrente elettrica tra gli elettrodi. Erano difficili da utilizzare e spesso si guastavano nelle macchine di grandi dimensioni.

Per risolvere questi problemi, nel 1947, il membro dell'IEEE John Bardeen e Walter H. Brattain dei Bell Laboratories svilupparono il transistor a punto di contatto,un'interconnessione tra due transistor.

Secondo Edward Owen, membro della IEEE Life Fellow, che ha scritto l'articolo "SCR Is 50 Years Old" sulla tecnologia nell'IEEE Industry Applications Magazine, la complessità dei circuiti dei transistor a punto di contatto e la natura fragile della tecnologia ha spinto gli ingegneri di GE Frank a "Bill" Gutzwiller e Gordon Hall per sviluppare una nuova tecnologia nel 1956 che avrebbe migliorato il dispositivo di Bardeen e Brattain. Ma, come ha spiegato durante la cerimonia Milestone, Gerard Hurley, presidente della IEEE Power Electronics Society, IEEE Life Fellow, i due ingegneri hanno riscontrato diversi problemi.

Hurley ha detto che Gutzwiller e Hall si sono resi conto solo più tardi nella loro ricerca che il silicio, e non il germanio, era il materiale semiconduttore appropriato da utilizzare per l'SCR. Il germanio ha un gap di banda più piccolo, il che significa che è necessaria meno energia per portare gli elettroni in conduzione. Ciò rende più facile il riscaldamento e il degrado del materiale.

Anche Gutzwiller e Hall hanno riscontrato problemi con i falsi attivamenti. Il solo calore potrebbe causare l'accensione del dispositivo. Il dispositivo potrebbe anche essere attivato dalla corrente indotta, quando le tensioni da anodo a catodo aumentano troppo velocemente. Entrambi i casi potrebbero causare perdite, che potrebbero aumentare il consumo energetico o provocare un guasto completo del circuito.

I primi SCR costruiti da Gutzwiller e Hall potevano tollerare solo basse tensioni, ma i miglioramenti apportati al processo di produzione alla fine hanno prodotto dispositivi in ​​grado di gestire tensioni superiori a 10 kilovolt. Gutzwiller e Hall hanno inoltre progettato un processo di collegamento dei wafer di silicio in grado di adattarsi meglio alle sollecitazioni indotte termicamente.

I moderni SCR vengono utilizzati per il controllo dell'alimentazione CA per luci e motori, circuiti di commutazione dell'alimentazione CA e flash fotografici.

Secondo John Kassakian, membro della IEEE Life Fellow e presidente fondatore della IEEE Power Electronics Society, l'SCR ha avuto un impatto anche sulla produzione.