مبانی تریستور

بازدید: 1140

از بسیاری جهات، یکسوکننده کنترل‌شده سیلیکونی (SCR) که بیشتر به عنوان تریستور شناخته می‌شود، شبیه به ترانزیستور است

یکسوکننده کنترل‌شده سیلیکونی یک المان نیمه هادی چند لایه است، از این رو “سیلیکون” قسمتی از نام آن است. برای روشن شدن به یک سیگنال گیت نیاز دارد تا آن را “روشن” کند، بخش “کنترل‌شده” نام آن، و زمانی که “روشن” شود مانند یک دیود یکسوکننده، قسمت “یکسو کننده” نام آن، رفتار می‌کند. در واقع نماد مداری برای تریستور نشان می‌دهد که این دستگاه مانند یک دیود یکسوکننده کنترل‌شده عمل می‌کند.

با این حال، بر خلاف دیود پیوندی (junction diode) که یک المان نیمه هادی دو لایه (P-N) است، یا ترانزیستور دوقطبی رایج که یک المان سوئیچینگ سه لایه (P-N-P، یا N-P-N) است، تریستور یک قطعه نیمه‌هادی چهار لایه (P-N-P-N) است که شامل سه اتصال PN به صورت سری است و با نماد نشان داده شده، نمایش داده می‌شود.

مانند دیود، تریستور هم یک طرفه است، یعنی فقط جریان را در یک جهت هدایت می‌کند ‌. اما برخلاف دیود، تریستور می‌تواند بسته به نحوه عملکرد به عنوان یک سوییچ مدار باز یا به عنوان یک دیود یکسوکننده، بسته به اینکه گیت تریستور چگونه تحریک شود، عمل کند. به عبارت دیگر، تریستورها فقط در حالت سوئیچینگ می‌توانند کار کنند و نمی‌توان از آنها برای تقویت استفاده کرد.

یکسوکننده کنترل‌شده سیلیکونی SCR، یکی از چندین المان نیمه‌هادی قدرت به همراه تریاک‌ها (Triacs) یا همان سه‌پایه AC (Triode AC’s)، دیاک‌ها (Diacs) یا همان دیودهای AC (Diode AC’s) و UJT یا ترانزیستور تک پیوندی (Unijunction Transistor) هستند که همگی قادرند مانند کلیدهای AC حالت جامد (solid state) بسیار سریع برای کنترل ولتاژها و جریانات AC بزرگ عمل کنند. بنابراین برای دانشجوهای الکترونیک، این قطعات حالت جامد برای کنترل موتورهای AC، لامپ‌ها و کنترل فاز بسیار کاربردی هستند.

تریستور یک قطعه سه ترمینالی است که دارای برچسب‌های آند، کاتد و گیت است و از سه اتصال PN تشکیل شده است که می‌توان آن را با سرعتی بسیار سریع روشن و خاموش کرد و یا می‌توان آن را برای مدت زمان متغیر در نیم سیکل برای رساندن مقدار انتخابی توان به یک بار، روشن کرد. عملکرد تریستور را می‌توان با فرض اینکه از دو ترانزیستور تشکیل شده که پشت به پشت به عنوان یک جفت کلیدهای احیاکننده (regenerative) مکمل تشکیل شده‌اند، توضیح داد.

مقایسه دو ترانزیستوری تریستورها

مدار معادل دو ترانزیستوری نشان می‌دهد که جریان کلکتور ترانزیستور NPN، TR2، مستقیماً بیس ترانزیستور PNP، TR1، را تغذیه می‌کند، در حالی که جریان کلکتور TR1 بیس TR2 را تغذیه می‌کند. این دو ترانزیستور متصل، برای رسانایی به یکدیگر متکی هستند زیرا هر ترانزیستور جریان بیس-امیتر خود را از جریان کلکتور-امیتر دیگری دریافت می‌کند. بنابراین، تا زمانی که به یکی از ترانزیستورها مقداری جریان بیس داده نشود، هیچ اتفاقی نمی‌افتد حتی اگر ولتاژ آند به کاتد وجود داشته باشد.

هنگامی که ترمینال آند تریستور نسبت به کاتد منفی است، اتصال N-P مرکزی بایاس مستقیم است، اما دو اتصال P-N بیرونی بایاس معکوس هستند و بسیار شبیه یک دیود معمولی عمل می‌کند. بنابراین یک تریستور جریان معکوس را مسدود می‌کند تا زمانی که سطح ولتاژ از نقطه ولتاژ شکست دو اتصال بیرونی فراتر رود و تریستور بدون اعمال سیگنال گیت هدایت کند.

این یک ویژگی منفی مهم تریستور است، زیرا تریستورها می‌توانند به طور ناخواسته توسط یک اضافه ولتاژ معکوس و همچنین دمای بالا یا افزایش سریع ولتاژ dv/dt، مانند یک میخ هدایت کنند.

اگر ترمینال آند نسبت به کاتد مثبت شود، دو اتصال P-N بیرونی اکنون بایاس مستقیم هستند اما اتصال N-P مرکزی بایاس معکوس است. بنابراین جریان مستقیم نیز مسدود می‌شود. اگر جریان مثبتی به بیس ترانزیستور NPN، TR2، تزریق شود، جریان کلکتور حاصل در بیس ترانزیستور TR1 جریان می‌یابد. این به نوبه خود باعث می‌شود که یک جریان کلکتور در ترانزیستور PNP، TR1، جریان یابد که جریان بیس TR2 را افزایش می‌دهد.

دو ترانزیستور به سرعت یکدیگر را وادار می‌کنند تا به حالت اشباع بروند زیرا در یک حلقه فیدبک سازنده متصل می‌شوند که نمی‌تواند متوقف شود. هنگامی که به حالت هدایت رفت، جریانی که از طریق دستگاه بین آند و کاتد عبور می‌کند تنها با مقاومت مدار خارجی محدود می‌شود، زیرا مقاومت حالت مستقیم دستگاه در هنگام هدایت می‌تواند به اندازه 1 اهم کم باشد، بنابراین افت ولتاژ و تلفات توان نیز کم است.

بنابراین می‌بینیم که یک تریستور جریان را در هر دو جهت منبع AC در حالت “خاموش” مسدود می‎کند و می‌تواند “روشن” شده و با اعمال جریان مثبت به بیس ترانزیستور TR2، که برای یک یکسوساز کنترل‌شده سیلیکونی ترمینال “گیت” نامیده می‌شود، مانند یک دیود یکسوکننده معمولی عمل کند.

منحنی‌های مشخصه‌های ولتاژ-جریان I-V برای عملکرد یکسوساز کنترل‌شده سیلیکونی به شرح زیر است:

منحنی های مشخصه‌های I-V تریستور ‌

هنگامی که تریستور “روشن” شده و جریان را در جهت مستقیم (آند مثبت) می‌گذراند، سیگنال گیت به دلیل عمل قفل احیاکننده (regenerative latching action) دو ترانزیستور داخلی، کنترل خود را از دست می‌دهد. اعمال هرگونه سیگنال گیت یا پالس پس از شروع احیا، هیچ تاثیری نخواهد داشت زیرا تریستور از قبل رسانا و کاملاً روشن است.

برخلاف ترانزیستور، SCR نمی‌تواند به گونه‌ای بایاس شود تا در یک منطقه فعال در امتداد یک خط بار بین حالت‌های مسدود (blocking) و اشباع باقی بماند. دامنه و مدت پالس «روشن» گیت تأثیر کمی بر عملکرد دستگاه دارد زیرا هدایت به صورت داخلی کنترل می‌شود. بنابراین اعمال یک پالس گیت لحظه‌ای به دستگاه برای هدایت آن کافی است و حتی اگر سیگنال گیت به طور کامل حذف شود، برای همیشه روشن باقی می‌ماند.

بنابراین تریستور را می‌توان به‌عنوان یک قفل بایستبل (Bistable) با دو حالت پایدار «خاموش» یا «روشن» در نظر گرفت. به این دلیل که بدون اعمال سیگنال گیت، یکسوکننده کنترل شده سیلیکونی جریان را در هر دو جهت شکل موج AC مسدود می‌کند و هنگامی که به حالت رسانایی رفت، عمل قفل احیاکننده به این معنی است که فقط با استفاده از گیت نمی‌توان آن را دوباره خاموش کرد.

پس چگونه تریستور را خاموش کنیم؟ هنگامی که تریستور به حالت “روشن” خود قفل شد و جریانی را عبور داد، تنها با حذف کامل ولتاژ تغذیه و در نتیجه جریان آند (I_A) یا با کاهش جریان آند به کاتد به وسیله برخی ابزارهای خارجی (مثلاً باز شدن یک کلید) تا کمتر از مقداری که معمولاً “حداقل جریان نگهدارنده” I_H نامیده می‌شود، می‌توان دوباره آن را خاموش کرد.

بنابراین، جریان آند باید به اندازه کافی برای اتصالات pn قفل شده داخلی تریستورها، کمتر از این حداقل سطح نگه داشته شود تا حالت مسدود خود را قبل از اینکه یک ولتاژ مستقیم مجدداً به دستگاه اعمال شود بازیابد، بدون اینکه خود رسانا شود. بدیهی است برای اینکه تریستور در وهله اول جریان آند خود را که جریان بار I_Lآن نیز می‌باشد، هدایت کند، باید از مقدار جریان نگهدارنده آن بیشتر باشد، یعنی I_L > I_H.

از آنجایی که تریستور این توانایی را دارد که هر زمان که جریان آند کمتر از این مقدار نگهدارنده شد، “خاموش” شود، بنابراین وقتی در منبع AC سینوسی استفاده می‌شود، SCR به طور خودکار در مقداری نزدیک به نقطه تقاطع هر نیم سیکل، خود را خاموش می‌کند و همانطور که اکنون می‌دانیم، تا زمانی که پالس تحریک گیت بعدی اعمال شود، “خاموش” باقی می‌ماند.

از آنجایی که یک ولتاژ سینوسی AC به طور پیوسته در قطبیت از مثبت به منفی در هر نیم چرخه تغییر می‌کند، به تریستور اجازه می‌دهد تا در نقطه 180 درجه شکل موج مثبت، “خاموش” شود. این اثر به عنوان “تغییر طبیعی” (natural commutation) شناخته می‌شود و یک ویژگی بسیار مهم یکسوکننده کنترل‌شده سیلیکونی است.

برای تریستورهای مورد استفاده در مدارهایی که از منابع DC تغذیه می‌شوند، این شرایط تغییر طبیعی نمی‌تواند رخ دهد زیرا ولتاژ تغذیه DC پیوسته است، بنابراین راه دیگری برای خاموش کردن تریستور باید در زمان مناسب ارائه شود چون پس از فعال شدن، رسانا باقی می‌ماند.

با این حال در مدارهای سینوسی AC تغییر طبیعی هر نیم سیکل اتفاق می‌افتد. بنابراین، در طول نیم سیکل مثبت یک شکل موج سینوسی AC، تریستور بایاس مستقیم (آند مثبت) می‌شود و آن را می‌توان با استفاده از سیگنال یا پالس گیت روشن کرد. در طول نیم سیکل منفی، آند منفی می‌شود در حالی که کاتد مثبت است. تریستور توسط این ولتاژ، بایاس معکوس می‌شود و حتی در صورت وجود سیگنال گیت نمی‌تواند هدایت کند.

بنابراین، با اعمال سیگنال گیت در زمان مناسب در طول نیمه مثبت شکل موج AC، تریستور را می‌توان تا پایان نیم سیکل مثبت به حالت رسانا برد. در نتیجه، کنترل فاز (همانطور که نامیده می‌شود) می‌تواند برای راه‌اندازی تریستور در هر نقطه در امتداد نیمه مثبت شکل موج AC استفاده شود و یکی از کاربردهای فراوان یکسوساز کنترل‌شده سیلیکونی در کنترل توان سیستم‌های AC همانطور که نشان داده شده است.

کنترل فاز تریستور

در شروع هر نیم چرخه مثبت، SCR خاموش است. با استفاده از پالس گیت، SCR به حالت هدایت می‌رود و در طول چرخه مثبت کاملاً قفل‌شده “روشن” می‌ماند. اگر تریستور در ابتدای نیم چرخه (θ = 0^o) راه‌اندازی شود، بار (لامپ) برای تمام سیکل مثبت شکل موج AC (AC یکسوشده نیم موج) با میانگین ولتاژ بالای 0.318 × Vp، “روشن” خواهد بود.

همانطور که استفاده از پالس تحریک گیت در طول نیم چرخه افزایش می‌یابد (θ = 0^o تا 90^o)، لامپ برای مدت زمان کمتری روشن می‌شود و متوسط ولتاژ تحویلی به لامپ نیز کمتر خواهد بود و به نسبت روشنایی آن را نیز کاهش می‌یابد.

بنابراین می‌توانیم از یکسوساز کنترل‌شده سیلیکونی به‌عنوان کاهش‌دهنده نور AC و همچنین در انواع کاربردهای برق AC دیگر مانند: کنترل سرعت موتور AC، سیستم‌های کنترل دما و مدارهای تنظیم‌کننده توان استفاده کنیم.

تا اینجا دیدیم که تریستور اساساً یک وسیله نیمه موج است که فقط در نیمه مثبت چرخه زمانی که آند مثبت است هدایت می‌کند و بدون توجه به سیگنال گیت، مانند یک دیود جریان را در زمانی که آند منفی است مسدود می‌کند.

اما دستگاه‌های نیمه‌رسانای بیشتری وجود دارند که تحت عنوان «تریستور» قرار دارند و می‌توانند در هر دو جهت هدایت کنند، دستگاه‌های تمام موج، یا می‌توانند توسط سیگنال گیت «خاموش» شوند.

چنین دستگاه‌هایی عبارتند از تریستورهای خاموش شونده با گیت (GTO)، تریستورهای القایی استاتیک (SITH)، تریستورهای کنترل‌شده با MOS (MCT)، سوویچ‌های کنترل‌شده با سیلیکون (SCS)، تریستورهای سه‌پایه (TRIAC) و تریستورهای فعال شده با نور (LASCR)، که همه این دستگاه‌ها در انواع رتبه‌بندی‌های ولتاژ و جریان موجود هستند و آنها را برای استفاده در کاربردهایی با سطوح توان بسیار بالا جذاب می‌کند.

خلاصه تریستور

یکسوکننده‌های کنترل‌شده سیلیکونی که معمولاً به عنوان تریستور شناخته می‌شوند، المان‌هایی نیمه هادی PNPN سه اتصالی هستند که می‌توانند به عنوان دو ترانزیستور متصل به هم در نظر گرفته شوند و در سوییچینگ بارهای الکتریکی سنگین استفاده می‌شوند. می‌توان آنها را با یک پالس جریان مثبت که به ترمینال گیت آنها اعمال می‌شود، «روشن» کرد و تا زمانی که جریان آند به کاتد به زیر حداقل سطح قفل ‌شدنشان نرسد، به‌طور نامحدود «روشن» می‌مانند.

ویژگی‌های ثابت تریستور

تریستورها قطعاتی نیمه هادی هستند که فقط در حالت سوییچینگ می‌توانند کار کنند.
تریستورها المان‌هایی هستند که با جریان کار می‌کنند، یک جریان گیت کوچک، جریان آند بزرگتر را کنترل می‌کند.
جریان را فقط زمانی هدایت می‌کند که بایاس مستقیم باشد و جریان راه‌اندازی به گیت اعمال شود.
تریستور پس از روشن شدن مانند یک دیود یکسوکننده عمل می‌کند.
جریان آند برای حفظ رسانایی باید بیشتر از جریان نگهدارنده باشد.
در صورت بایاس معکوس، جریان هدایت شده را مسدود می‌کند، مهم نیست که جریان گیت اعمال شود.
هنگامی که “روشن” شد، حتی زمانی که جریان گیت دیگر اعمال نشود، به شرط اینکه جریان آند بالاتر از جریان قفل شدن باشد، بر روی حالت “روشن” قفل شده و هدایت می‌کند.

تریستورها کلیدهای پرسرعتی هستند که می‌توانند برای جایگزینی رله‌های الکترومکانیکی در بسیاری از مدارها استفاده شوند، زیرا قطعات متحرک و قوس تماسی (contact arcing) ندارند یا از خوردگی و کثیفی رنج نمی‌برند. اما علاوه بر روشن کردن و خاموش کردن جریان‌های بزرگ، می‌توان تریستورها را برای کنترل مقدار متوسط جریان بار متناوب بدون اتلاف مقدار زیادی نیرو استفاده کرد. یک مثال خوب از کنترل توان تریستور در کنترل روشنایی الکتریکی، بخاری و سرعت موتور است.

در مقاله بعدی به برخی از مدارها و برنامه‌های کاربردی تریستور با استفاده از هر دو منبع AC و DC می‌پردازیم.