آموزش تریستور یا SCR 

تریستور

از بسیاری جهات یکسوکننده کنترل شده سیلیکون SCR ¹، یا تریستور که با این نام بیشتر شناخته شده است، در ساختار با ترانزیستور مشابه است. این یک قطعه نیمه‌هادی چند لایه است، که با توجه به قسمت “سیلیکون” نام آن است. آن نیازمند یک سیگنال گیت برای  “روشن” شدن آن و قسمت “کنترل شده” و “ON”  نام و آن مانند یک دیود یکسوکننده، قسمت “یکسوکننده” از نام رفتار می‌کند. در واقع نماد مدار برای تریستور پیشنهاد می‌کند که این دستگاه مانند یک دیود یکسو کننده کنترل شده عمل ‌کند.

آموزش تریستور

برخلاف دیود پیوندی که یک قطعه نیمه‌هادی (P-N) دو لایه یا ترانزیستور دو قطبی استفاده شده رایج که یک قطعه سوئیچینگ (PNP یا NPN) سه لایه است، تریستور یک قطعه نیمه‌هادی (P-N-P-N) چهار لایه است که شامل سه پیوند PN سری است که بصورت نماد زیر نشان داده شده است.

مانند دیود، تریستور یک قطعه یک طرفه است، یعنی تنها جریان را در یک جهت هدایت می‌کند، اما بر خلاف یک دیود، تریستور می‌تواند برای عمل کردن به عنوان یک سوئیچ مدار باز یا به عنوان یک دیود یکسو کننده با توجه به نحوه تریگر شدن گیت ساخته شود. به عبارت دیگر، تریستورها فقط  می‌توانند در حالت سوئیچینگ کار کنند و نمی توانند برای تقویت استفاده شوند.

یکسوساز کنترل شده سیلیکون SCR²، یکی از چندین قطعه نیمه رسانا توان به همراه تریاک (Triode AC’s)، دیاک (Diode AC’s) و UJT ³ (ترانزیستورهای غیر پیوندی) است که همگی قادر به عملکرد مانند سوئیچ‌های AC حالت جامد بسیار سریع برای کنترل جریان‌ها ولتاژهای بزرگ AC هستند. درنتیجه برای دانش‌آموز الکترونیک، این قطعات حالت جامد دستی برای کنترل موتورهای AC، لامپ‌ها و کنترل فاز را ایجاد کرده است.

تریستور یک دستگاه سه پایه است که دارای برچسب: “آند”، “كاتود” و “گیت” است و از سه پیوند PN تشکیل شده است كه می‌توانند به “روشن” و “خاموش” با سرعت بسیار سریع تغییر کنند، یا آن می‌تواند به “روشن” برای طول زمانی متغیر در طول نیم سیکل برای رساندن مقدار انتخاب شده توان به یک بار تغییر یابد. عملکرد تریستور می‌تواند با فرض آن بصورت دو ترانزیستور متصل پشت به پشت به عنوان یک جفت کلید احیاکننده مکمل به بهترین نحو همانطور که نشان داده شده، توضیح داده شود.

مقایسه دو ترانزیستور تریستور

دو مدار برابر ترانزیستور نشان می‌دهد که جریان کلکتور ترانزیستور  (TR₂ (NPN مستقیماً  از بیس ترانزیستور (TR₁ (PNP تغذیه می‌شود، در حالی که جریان کلکتور TR₁ وارد بیس TR₂ می‌شود. این دو ترانزیستور متصل به یکدیگر بصورت داخلی برای انتقال (هدایت) به یکدیگر متکی هستند زیرا هر ترانزیستور جریان بیس-امیتر پایه خود را از جریان کلکتور-امیتر دیگری دریافت می‌کند. بنابراین تا زمانی که یکی از ترانزیستورها مقداری جریان بیس ارائه ندهد، هیچ اتفاقی نمی‌تواند رخ دهد حتی اگر یک ولتاژ آند به کاتد وجود داشته باشد.

وقتی پایه آند تریستورها با توجه به كاتد منفی باشند، پیوند N-P مرکز بایاس مستقیم است، اما دو پیوند P-N بیرونی بایاس معکوس است و بسیار شبیه یك دیود معمولی رفتار می‌کند. بنابراین یک تریستور، شارش جریان معکوس را تا زمانیکه در برخی از سطح ولتاژ بالا نقطه شکست ولتاژ دو پیوند بیرونی فراتر رود و تریستور بدون استفاده از سیگنال گیت هدایت کند، مسدود می‌کند.

این یک از ویژگی‌های منفی مهم تریستور است، زیرا تریستورها می‌توانند با یک ولتاژ معکوس و همچنین درجه حرارت بالا یا یک ولتاژ dv/dt به سرعت در حال افزایش مانند قله، به طور ناخواسته به رسانش تریگر (منتقل) شوند.

اگر پایه آند با توجه به كاتد مثبت شود، دو پیوند P-N بیرونی اکنون بایاس مستقیم هستند اما پیوند N-P مرکز بایاس معکوس است. بنابراین جریان مستقیم نیز مسدود شده است. اگر یک جریان مثبت به بیس ترانزیستور TR₂) NPN) تزریق شود، جریان کلکتور حاصل در بیس ترانزیستور TR₁ جریان می‌یابد. این به نوبه خود باعث می‌شود جریان کلکتور در ترانزیستور PNP ) ،TR₁) جریان پیدا کند، که جریان بیس TR₂ را افزایش می‌دهد.

خیلی سریع دو ترانزیستور یکدیگر را مجبور به هدایت به اشباع می‌کنند زیرا در یک حلقه بازخورد احیا کننده که نمی‌توانند متوقف شود متصل شده‌اند. پس از انتقال به رسانایی، جریان شارشی قطعه بین آند و کاتد تنها با مقاومت مدار خارجی محدود می‌شود زیرا مقاومت مستقیم دستگاه هنگامی که هدایت می‌کند می‌تواند کمتر از 1Ω باشد بنابراین ولتاژ دو سر آن افت می‌کند و افت توان نیز کم است.

یک نوع تریستور مرسوم

سپس می‌توانیم ببینیم که یک تریستور، جریان را در دو جهت منبع تغذیه  AC در وضعیت “خاموش” خود مسدود می‌کند و می‌تواند “روشن” شود و آن ساخته شده تا با استفاده از یک جریان مثبت به بیس ترانزیستور TR₂ که برای یک یکسو کننده کنترل شده سیلیکون که پایه “گیت” نامیده می‌شود، مانند یک دیود یکسو کننده معمولی عمل کند. منحنی مشخصات ولتاژ جریان I-V برای کار با یک یکسو کننده کنترل شده سیلیکون به شرح زیر است:

منحنی مشخصات I-V

هنگامی که تریستور “روشن” شد و جریان در جهت مستقیم (آند مثبت) جاری شد، سیگنال  گیت به دلیل عمل قفل  شدن احیا کننده دو ترانزیستور داخلی، تمام کنترل را از دست می‌دهد. استفاده از هرگونه سیگنال گیت یا پالس‌ها پس از شروع احیا، اصلا تأثیری نخواهد داشت زیرا تریستور از قبل هدایت را شروع کرده و کاملاً روشن است.

بر خلاف ترانزیستور، SCR نمی‌تواند برای ماندن در داخل برخی از مناطق فعال در امتداد خط بار بین حالت‌های انسداد و اشباع آن بایاس شود. بزرگی و مدت زمان پالس “روشن شدن” گیت تأثیر کمی در عملکرد قطعه دارد زیرا که هدایت بصورت داخلی کنترل می‌شود. سپس اعمال یک پالس گیت لحظه‌ای روی قطعه برای تحریک آن برای هدایت کافی است و حتی اگر سیگنال گیت كاملاً حذف شود، به طور دائم “روشن” باقی خواهند ماند.

بنابراین، تریستور می‌تواند به عنوان یک قفل دوپا یا که دارای دو حالت پایدار “روشن” یا “خاموش” است، نیز در نظر گرفته شود. این به این دلیل است که بدون سیگنال گیت اعمال شده، یک یکسو کننده کنترل شده سیلیکون جریان را در هر دو جهت از یک موج AC مسدود می‌کند و هنگامی که آن به رسانش منتقل شد، عمل چفت کردن احیا این معنی را می‌دهد که آن فقط با استفاده از گیت خود نمی‌تواند دوباره “خاموش” شود .

خاموش کردن تریستور

هنگامی که تریستور خود را به حالت “ON” خود قفل کرد و جریان را عبور داد، می‌تواند دوباره با حذف کردن ولتاژ منبع تغذیه و در نتیجه جریان آند (I_A) به طور کامل یا با کاهش جریان  آند به کاتد  با استفاده از برخی روش‌های خارجی (باز کردن یک سوئیچ به عنوان مثال) به زیر مقداری که معمولاً  “جریان نگهدارنده حداقل” (I_H) نامیده می‌شود، دوباره “خاموش” شود.

بنابراین جریان آند باید به اندازه کافی برای تریستورهایی که بصورت داخلی  پیوندهای PN  راچفت  کردند تا حالت مسدود شدن خود را قبل از اینکه دوباره به  دستگاه اعمال شود بصورت خودکار خودش را هدایت کند، باید زیر این حداقل سطح نگه دارنده کاهش یابد. به طور واضح سپس برای یک تریستور برای هدایت در اولین مکان، جریان آند آن که همان جریان بار I_L آن است، باید بزرگتر از مقدار جریان نگهدارنده باشد که همان است.

از آنجا که تریستور توانایی “خاموش ” کردن را دارد هرگاه جریان آند زیر این حداقل مقدار نگهدارنده کاهش یابد،  پس از آن جریان می‌یابد و بعد هنگامی که در یک منبع تغذیه سینوسی AC استفاده شد، SCR به صورت خودکار خود را در بعضی مقادیر نزدیک نقطه تقاطع هر نیم سیکل  “خاموش” می‌کند و همانطور که اکنون می‌دانیم، تا زمان استفاده از پالس تریگر گیت  بعدی “خاموش” باقی خواهد ماند.

از آنجا که یک ولتاژ سینوسی AC به طور پیوسته در قطبش از مثبت به منفی در هر نیم چرخه معکوس می‌شود، این باعث می‌شود تا تریستور در نقطه صفر 180⁰ شکل موج مثبت “خاموش” شود. این اثر به عنوان “ارتباط طبیعی” شناخته شده است و از ویژگی‌های مهم یکسو کننده کنترل شده سیلیکون است.

تریستورهایی که در مدارها استفاده می‌شوند از منابع DC تغذیه می‌کنند، این شرایط ارتباطات  طبیعی زمانی که  ولتاژ منبع تغذیه DC پیوسته است، نمیتواند اتفاق بیفتد بنابراین بعضی روش‌های دیگر برای خاموش کردن “تریستور” باید در زمان مناسب ارائه شود زیرا پس از اینکه تریگر شد، در حالت هدایت باقی خواهد ماند.

با این حال در مدارهای سینوسی AC ارتباطات طبیعی در هر نیم سیکل رخ می‌دهد. سپس در طول نیم سیکل مثبت یک شکل موج سینوسی AC، تریستور به صورت مستقیم بایاس شده (آند مثبت) و با استفاده از سیگنال یا پالس گیت می‌تواند به  “روشن” تغییر کند. در طول نیم سیکل منفی، آند منفی می‌شود، در حالی که کاتد مثبت است. تریستور با این ولتاژ بایاس معکوس شده است و حتی اگر یک سیگنال گیت وجود داشته باشد نمی‌تواند هدایت کند.

در نتیجه با اعمال یک سیگنال گیت در زمان مناسب در نیمه مثبت یک شکل موج AC، تریستور می‌تواند‌ تا انتهای نیم سیکل مثبت به هدایت (رسانش) تریگر شود.  بنابراین کنترل فاز (همانطور که گفته می‌شود) می‌تواند برای تریگر تریستور در هر نقطه در امتداد نیمه مثبت شکل موج AC و یکی از کاربردهای بسیار یک یکسو کننده کنترل شده سیلیکون استفاده شود.

کنترل فاز

در شروع هر نیم سیکل مثبت، SCR “خاموش” است. با استفاده از گیت، پالس SCR را به سمت هدایت سوق می‌دهد و در طول سیکل مثبت کاملا در “ON” قفل می‌شود. اگر تریستور در آغاز نیم سیکل (θ = 0⁰) تریگر شود، بار (یک لامپ) برای سیکل مثبت کامل شکل موج AC) AC یکسو شده نیم موج) در ولتاژ متوسط بالا  “روشن” خواهد بود.

از آنجا که استفاده از پالس تریگر گیت در طول نیم سیکل افزایش می‌یابد (θ برابر با صفر تا 90 درجه است)، لامپ برای مدت زمان کمتری روشن می‌شود و ولتاژ متوسط رسیده به لامپ نیز نسبتا روشنایی آن را کمتر کاهش می‌دهد. سپس می‌توانیم از یکسو کننده كنترل شده سیلیكونی به عنوان تغییر دهنده روشنایی AC همانند كاربردهای توان AC دیگر مانند: كنترل سرعت موتور AC، سیستم‌های كنترل دما و مدارهای تنظیم‌كننده توان و غیره استفاده كنیم.

تاکنون مشاهده کردیم که یک تریستور ضرورتا یک دستگاه نیم موج است که تنها در نیمی از سیکل هنگامی که آند مثبت است هدایت می‌کند و شارش جریان را مانند یک دیود وقتی که آند منفی باشد، صرف نظر از سیگنال گیت مسدود می‌کند. اما قطعات نیمه هادی بیشتری موجود هستند که زیر پرچم “تریستور” قرار دارند که می‌توانند در هر دو جهت هدایت کنند، قطعات موج کامل یا می‌توانند با سیگنال گیت “خاموش” شوند.

این قبیل دستگاه‌ها شامل “تریستور روشن-خاموش گیت” GTO)⁴ )”، تریستور القاء استاتیک” (SITH)  ” ⁵(MOS) تریستورهای کنترل‌شده با نیمه رسانای اکسید فلز “MCT)⁶ )” کلید کنترل شده سیلیکون “SCS)⁷ )”، تریستورهای تریود “TRIAC)⁸  )” و توریستورهای فعال شده با نور “LASCR)⁹)” هستند، این دستگاه‌ها در تنوع مختلفی از محدوده ولتاژ و جریان موجود هستند که باعث می‌شود آنها برای استفاده در برنامه‌های سطوح توان بسیار بالا جذاب شوند.

خلاصه تریستور یا SCR

یکسو کننده‌های کنترل‌شده سیلیکونی که معمولاً به عنوان تریستورها شناخته می‌شوند، قطعات نیمه هادی PNPN سه پیوندی هستند که می‌توانند به عنوان دو ترانزیستور متصل به هم در نظر گرفته شوند که می‌توانند در تعویض بارهای الکتریکی سنگین مورد استفاده قرار گیرند. آنها می‌توانند در وضعیت “ON” با یک پالس سیگنال جریان مثبت که به پایه گیت آنها اعمال شده قفل شوند، و به طور نامحدود تا زمانی که جریان آند به کاتد از به  پایین‌ترین سطح قفل شدن آنها بیاید، “روشن” باقی خواهند ماند.

ویژگی‌های استاتیک تریستور یا scr

• تریستورها دستگاه های نیمه هادی هستند که تنها در حالت سوئیچینگ می‌توانند کار کنند.
• تریستور دستگاه‌هایی هستند که با جریان کار می‌کنند، یک جریان گیت کوچک، جریان آند بزرگتر را کنترل می‌کند.
• جریان را تنها هنگامی که بایاس مستقیم شده‌اند و جریان اعمالی به گیت را تریگر می‌کنند، هدایت می‌کند.‌
• تریستور هنگامی که “روشن” شد، مانند یک دیود یکسو کننده عمل می‌کند.
• جریان آند برای حفظ شارش باید بیشتر از جریان نگهدارنده باشد.
• جریان را هنگامی که بایاس معکوس شد، حتی اگر جریان گیت اعمال شده باشد نیز مسدود می‌کند.

هنگامی که “روشن” شروع شد، بر روی “روشن” قفل می‌شود حتی اگر جریان گیت اعمال نشده باشد و جریان آند بیش از جریان قفل  است.

تریستورها سوئیچ‌هایی با سرعت بالا هستند که می‌توانند جایگزینی برای رله‌های الکترومکانیکی در بسیاری از مدارها باشند زیرا هیچ قسمت متحرکی ندارند، بدون قوس تماسی هستند  و یا دچار خوردگی نمی‌شوند. اما علاوه بر جریان‌های بزرگ سوئیچینگ “روشن” و “خاموش”، تریستورها می‌توانند برای کنترل مقدار متوسط جریان بار AC بدون از بین بردن مقادیر زیادی از توان، ساخته شوند. نمونه خوب کنترل توان تریستور در کنترل روشنایی الکتریکی، بخاری‌ها و سرعت موتور است.

در آموزش بعدی ما به برخی از مدارهای اصلی تریستورها و برنامه‌های کاربردی با استفاده از منابع AC و DC خواهیم پرداخت.

1. Silicon Controlled Rectifier

2.  Silicon Controlled Rectifier

3.  Unijunction Transistor

4.  Gate Turn-Off Thyristors

5.  Static Induction Thyristors

MOS Controlled Thyristor .6

7.  Silicon Controlled Switch

8.  Triode Thyristors

9.  Light Activated Thyristor