تریستور (Thyristor) یا (SCR) چیست؟

تریستور (SCR) چیست؟

در این آموزش قصد داریم تا شما را با تریستور( Thyristor ) آشنا کنیم. تریستور یک قطعه نیمه هادی است که دارای 4 لایه مواد N و P با توالی P, N, P, N است. اولین تریستور در سال 1950 توسط ویلیام شاکلی فیزیکدان آمریکا یی اختراع شد. اما برای اولین بار در سال 1956 به دلیل توانایی بسیار زیاد جریان و ولتاژ مورد استفاده قرار گرفت. با توجه به این ویژگی، معمولاً در مدارهای مختلف کنترل قدرت، دیمرهای فن و کنترل سرعت موتورهای مختلف استفاده می شد. 2 نوع طراحی وجود دارد که در آنها این ماژول موجود است و هر دو مطابق با الزامات مدار مورد استفاده قرار می گیرند، اولی دارای دو لید و دومی دارای سه لید در ساختار خود است. این قطعه الکترونیکی بیشتر در مدارهای سوئیچینگ، نوسانگرها، مدارهای تشخیص سطح و غیره استفاده می شود. این ماژول شبیه ترانزیستور نیست زیرا ترانزیستور می تواند در شرایط روشن و خاموش کار کند اما تریستور فقط در حالت تک حالت روشن یا خاموش کار می کند. در این مقاله، نگاهی به عملکرد، ساختار، پایه ها، کاربردها و برخی پارامترهای مرتبط خواهیم داشت. 

تریستور چیست؟

تریستور همچنین به عنوان SCR (یکسو کننده های کنترل شده سیلیکونی) silicon controlled rectifiers  شناخته می شود که در مدارهای سوئیچینگ مختلف مانند ترانزیستور و در مدارهای کنترل توان استفاده می شود.

ساختار فیزیکی این نیمه هادی با مواد نیمه هادی دیگر متفاوت است. ترانزیستور دارای سه لایه است در حالیکه در تریستور 4 لایه از عناصر مختلف ساخته شده است.

در یک ترانزیستور معمولی، 3 لایه P، N، P یا N ، P، N وجود دارد در حالی که در تریستور چهار لایه مانند P، N، P، N وجود دارد.

'P' ابتدایی آن به عنوان آند و 'N' انتهایی آن به عنوان کاتد شناخته می شود. همانطور که در ترانزیستور معمولی بیس پایه کنترلی است در این قطعه، ترمینال کنترلی به صورت گیت شناخته می شود که در مجاورت کاتد قرار دارد.

این ماژول را می توان با مواد نیمه هادی مختلف ایجاد کرد اما معمولا با سیلیکون ساخته می شود.

از آنجایی که سیلیکون توانایی تحمل جریان و ولتاژ آمپرهای بزرگتر را به راحتی دارد و همچنین توانایی تحمل دمای بالا را دارد، بنابراین بیشتر برای ساخت تریستور ترجیح داده می شود.

عملکرد تریستور

عملکرد این ماژول با سایر دستگاه های نیمه هادی متفاوت است، برای درک کارکرد این قطعه، مدار معادل را ترسیم می کنیم.

در شکل داده شده می بینید که دو ترانزیستور به یکدیگر متصل شده اند، ترانزیستور اول NPN است که مانند آند عمل می کند و ترانزیستور دوم PNP است که مانند کاتد عمل می کند.

اگر منبع ورودی را در ترمینال های تریستور ارائه کنیم، هیچ جریانی به عنوان هر دو حالت بی طرف ترانزیستور وجود نخواهد داشت.

اگر منبع ورودی را در گیت وصل کنیم، جریان از پایه ای که ترانزیستور TR2 را کار می کند، عبور می کند.

وقتی TR2 کار خود را شروع می کند، بیس اولین ترانزیستور از این ترانزیستور انرژی می گیرد و شروع به کار می کند، باعث می شود TR2 در حالت کار قرار گیرد حتی اگر منبع ورودی را جدا کنیم TR2 روشن خواهد ماند.

نماد الکترونیکی تریستور

شکل انواع تریستورهای قدرت

مشخصه تریستور

در جدول زیر برخی از مشخصات تریستور آمده است که در اینجا با جزئیات توضیح داده شده است.

انواع تریستور

انواع مختلفی از تریستورها با توجه به کاربرد و ساختار آنها وجود دارد.

RCT:

یکی از ویژگی های مهم تریستور این است که در جهت معکوس جریان را متوقف می کند، بنابراین اگر دیود را اضافه کنیم، جریان در جهت مخالف شروع به جریان می کند. این نوع آرایش با نام RCT یا تریستور رسانای معکوس شناخته می شود.

در حین کار معکوس، تریستور و دیود به طور همزمان کار نمی کنند.

این نوع تریستور در مدارهای اینورتر و تنظیم کننده فرکانس استفاده می شود.

GATT:

این نوع تریستور در کاربردهایی که نیاز به سوئیچینگ سریع دارد استفاده می شود. برای این فرآیند در موارد خاص، ولتاژ منفی نیز به گیت اعمال می شود.

برای کنترل ولتاژ در پایانه های کاتد و آند، ولتاژ منفی در گیت، حامل های اقلیت را کنترل می کند.

ساختار فیزیکی تریستور مانند تریستور معمولی است، اما تفاوت آن در ناحیه کاتد است که توانایی کنترل گیت را افزایش می دهد.

GTO:

همچنین  بهسوئیچ برای گیت تریستور معروف است. این نوع تریستور معمولاً در مدارها استفاده نمی شود زیرا در ولتاژ معکوس کار نمی کنند.

تریستور نامتقارن:

در مدارهایی که از ولتاژ معکوس استفاده نمی شود و نیازی به مدار یکسو کننده نیست از این نوع تریستور استفاده می شود. اینها معمولاً در مدارهای سوئیچینگ استفاده می شوند.

کاربردهای تریستور

تریستور به طور معمول در مدارها و دستگاه های الکترونیکی مختلف استفاده می شود، برخی از کاربردهای عملی آن در اینجا با جزئیات توضیح داده شده است.

در دستگاه های الکتریکی مختلف برای کنترل جریان متناوب در ورودی مانند موتور، نور و غیره استفاده می شود.

در مدارهای مختلف به عنوان سوئیچ استفاده می شود.

در مدار دیگر برای کنترل اضافه ولتاژ استفاده می شد.

در کنترلرهای مختلف به عنوان یک مدار تحریک استفاده می شود.

همچنین در دوربین برای فلش عکس استفاده می شود.

در مدارهای محافظ سرج (صاعقه) نیز استفاده می شود.

استفاده از SCR برای بارهای AC

در این مدار،در طول نیم سیکل مثبت شکل موج سینوسی، تریستور بایاس مستقیم است اما با سوئیچ S1 باز، جریان گیت صفر به تریستور اعمال می شود و "OFF" باقی می ماند. در نیم سیکل منفی، تریستور بایاس معکوس است و بدون توجه به وضعیت سوئیچ S1 "خاموش" می ماند.

اگر کلید S1 اکنون بسته باشد، در ابتدای هر نیم سیکل مثبت، تریستور کاملاً خاموش است، اما مدت کوتاهی پس از آن افزایش کافی در ولتاژ تحریک مثبت و در نتیجه جریان موجود در گیت وجود خواهد داشت تا تریستور کامل به هدایت گر تبدیل شود. و لامپ را "روشن" کند.

اکنون تریستور برای در طول نیم سیکل مثبت روشن باقی می ماند و تحریک گیت بی تاثیر است. این وضعیت ادامه می یابد تا زمانی که تریستور به طور خودکار دوباره "OFF" می شود و آن هنگامی است که نیم سیکل مثبت به پایان می رسد زیرا شکل موج سینوسی در 180 درجه به صفر ولت می رسد و جریان آند به زیر مقدار جریان نگهدارنده می رسد.

در طول نیم سیکل منفی بعدی، دستگاه به هر حال کاملاً خاموش است تا نیم سیکل مثبت بعدی که فرآیند تکرار می شود و تا زمانی که سوئیچ بسته است تریستور دوباره هدایت می شود.

پس در این شرایط لامپ فقط نیمی از توان موجود را از منبع AC دریافت می کند زیرا تریستور مانند یک دیود یکسو کننده عمل می کند و جریان را فقط در نیم سیکل های مثبت هنگامی که بایاس مستقیم است هدایت می کند. تریستور تا زمانی که سوئیچ باز باشد به تامین نصف توان لامپ ادامه می دهد.

اگر امکان روشن و خاموش کردن سریع کلید S1 وجود داشت، به طوری که تریستور سیگنال گیت خود را در نقطه "پیک" (90 درجه) هر نیم سیکل مثبت دریافت می کرد، دستگاه فقط نیمی از نیمه مثبت را هدایت می کرد. به عبارت دیگر، هدایت تنها در طول نیمی از یک دوم موج سینوسی انجام می شود و این شرایط باعث می شود لامپ "یک چهارم" یا یک چهارم کل توان موجود از منبع AC را دریافت کند.

با تغییر دقیق رابطه زمانی بین پالس گیت و نیم سیکل مثبت، تریستور می تواند هر درصدی از توان مورد نظر را برای بار، بین 0 تا 50 درصد تامین کند. بدیهی است که با استفاده از این پیکربندی مدار نمی‌تواند بیش از 50 درصد برق را به لامپ تامین کند، زیرا نمی‌تواند در طول نیم‌سیکل‌های منفی زمانی که بایاس معکوس است هدایت کند. مدار زیر را در نظر بگیرید.

کنترل فاز رایج ترین شکل کنترل برق AC به کمک تریستور است و می توان مدار کنترل فاز AC اولیه را مطابق شکل بالا ساخت. در اینجا ولتاژ گیت تریستورها از مدار شارژ RC از طریق دیود تحریک، D1 نشات می گیرد.

در طول نیم سیکل مثبت زمانی که تریستور بایاس مستقیم است، خازن C از طریق مقاومت R1 توسط ولتاژ تغذیه AC شارژ می شود. گیت فقط زمانی فعال می شود که ولتاژ در نقطه A به اندازه کافی افزایش یابد که باعث هدایت دیود تحریک D1 شود و خازن به داخل گیت تریستور تخلیه شود و آن را "روشن" کند. مدت زمان در نیمه مثبت چرخه ای که در آن هدایت شروع می شود توسط ثابت زمانی RC تنظیم شده توسط مقاومت متغیر R1 کنترل می شود.

افزایش مقدار R1 باعث تأخیر در ولتاژ راه اندازی و جریان عرضه شده به گیت تریستور می شود که به نوبه خود باعث تاخیر در زمان هدایت تریستور می شود. در نتیجه، کسری از نیم سیکلی که تریستور طی آن هدایت می کند را می توان بین 0 تا 180 درجه کنترل کرد، که به این معنی است که میانگین توان تلف شده توسط لامپ را می توان تنظیم کرد. با این حال، تریستور یک تجهیز یک سویه است، بنابراین تنها حداکثر 50٪ توان در طول هر نیم سیکل مثبت می تواند تامین شود.

راه های مختلفی برای دستیابی به کنترل 100٪ AC تمام موج با استفاده از "تریستور" وجود دارد. یک راه این است که یک تریستور منفرد را در یک مدار یکسو کننده پل دیودی قرار دهیم که جریان متناوب را از طریق تریستور به یک جریان یک طرفه تبدیل می کند، در حالی که روش رایج تر استفاده از دو تریستور به صورت موازی معکوس است. یک رویکرد عملی تر استفاده از یک  ترایاک Triac است زیرا این قطعه می تواند در هر دو جهت فعال شود، بنابراین آنها را برای کاربردهای سوئیچینگ AC مناسب می کند.

استفاده SCR برای بارهای DC

ساده از تریستور به عنوان سوئیچ برای کنترل روشن و خاموش کردن لامپ استفاده می کند، اما می تواند به عنوان یک مدار کنترل خاموش و روشن برای موتور، بخاری یا سایر بارهای DC دیگر استفاده شود. تریستور به صورت بایاس مستقیم کار می کند و با بسته شدن دکمه فشاری «ON» که معمولاً باز است، (S1 ) که پایه گیت را از طریق مقاومت گیت به منبع DC متصل می‌کند، هدایت می‌شود، بنابراین جریان RG به گیت جاری می شود. اگر مقدار RG نسبت به ولتاژ تغذیه خیلی بالا انتخاب شود، ممکن است تریستور فعال نشود.

هنگامی که مدار "روشن" شد، خود به خود مسیر جریان بسته می شود و "روشن" می ماند حتی زمانی که دکمه فشاری رها می شود به شرط اینکه جریان بار بیشتر از جریان لچ کننده تریستور باشد. باز و بستن دوباره دکمه فشاری S1، هیچ تاثیری بر وضعیت مدار نخواهد داشت، زیرا با "لچ کردن" گیت تمام کنترل خود را از دست می دهد. اکنون تریستور کاملاً روشن است (هدایت) و اجازه می دهد جریان مدار بار کامل از دستگاه به صورت مستقیم عبور کرده و به منبع باتری برگشت کند.

یکی از مزایای اصلی استفاده از تریستور به عنوان کلید در مدار DC این است که دارای بهره جریان بسیار بالایی است. تریستور قطعه ای است که با جریان کار می کند زیرا یک جریان گیت کوچک می تواند جریان آند بسیار بزرگتری را کنترل کند.

مقاومت گیت کاتد RGK به طور کلی برای کاهش حساسیت گیت و افزایش قابلیت dv/dt آن در نظر گرفته شده است و در نتیجه از تحریک کاذب دستگاه جلوگیری می کند.

از آنجایی که اتصال تریستور در حالت "روشن" آرایش بندی شده است، مدار را فقط می توان با قطع منبع تغذیه و کاهش جریان آند به کمتر از مقدار حداقل جریان نگهدارنده تریستور (IH) بازنشانی کرد.

همچنین فعال سازی کلید S2 به صورت لحظه ای یک اتصال کوتاه بین پایه های آند و کاتد تریستور ایجاد می کند و با کاهش جریان نگهدارنده به کمتر از مقدار آن، هدایت تریستور را متوقف می کند.

نحوه تست تریستور به کمک مولتی متر

آند (ترمینال ورودی) تریستور را به سیم مثبت (قرمز) مولتی متر وصل کنید. کاتد (ترمینال خروجی) تریستور را به سیم منفی (سیاه) مولتی متر وصل کنید. مولتی متر را روی حالت تست دیود قرار دهید. مولتی متر در این حالت باید مدار باز را نشان دهد. سپس موقعیت لیدهای مولتی متر را معکوس کنید و دستگاه همچنان باید مدار باز را نشان دهد. این بار پایه گیت تریستور را به لید مثبت مولتی متر اضافه کنید. مولتی متر باید مقاومت کمی را نشان دهد. این مقاومت کم نشان می دهد که SCR در وضعیت روشن است، و این وضعیت باید پس از قطع شدن ترمینال گیت نیز ادامه یابد.اگر تست با مولتی متر این موارد را نشان دهد، یعنی تریستور به درستی کار می کند.