تریستور یا SCR چیست؟

امید دلفانی

02 خرداد 1402

زمان مطالعه را وارد کنید دقیقه زمان برای مطالعه

امتیاز بدهید

تریستور | Silicon Controlled Rectifier

تریستور از بسیاری جهات از نظر ساختاری مشابه ترانزیستور است. این یک دستگاه نیمه هادی چند لایه است، از این رو نام قسمتی از آن “سیلیکون” است. برای روشن کردن آن به یک سیگنال دروازه نیاز دارد تا آن را “روشن” کند و هنگامی که “روشن” شود مانند یک دیود یکسو کننده رفتار می کند. در واقع نماد مدار برای تریستور نشان می دهد که این دستگاه مانند یک دیود یکسو کننده کنترل شده (Silicon Controlled Rectifier) عمل می کند.

با این حال، بر خلاف دیود اتصال که یک دستگاه نیمه هادی دو لایه (P-N) است، یا ترانزیستور دوقطبی رایج که یک دستگاه سوئیچینگ سه لایه (P-N-P یا N-P-N) است، تریستور یک دستگاه نیمه هادی چهار لایه (P-N-P-N) است که شامل سه اتصال PN به صورت سری، و با نمادی که نشان داده شده است نشان داده می شود.

مانند دیود، تریستور یک دستگاه یک جهته است، یعنی فقط جریان را در یک جهت هدایت می کند، اما بر خلاف دیود، تریستور را می توان به عنوان یک کلید مدار باز یا به عنوان یک دیود یکسو کننده، بسته به نحوه عملکرد، ساخت. دروازه تریستورها فعال می شود. به عبارت دیگر تریستورها فقط در حالت سوئیچینگ می توانند کار کنند و نمی توان از آنها برای تقویت استفاده کرد.

.

یکسو کننده کنترل شده سیلیکونی SCR، یکی از چندین دستگاه نیمه هادی قدرت همراه با Triacs (Triode AC)، Diacs (Diode AC) و UJT (ترانزیستور Unijunction) است که همگی قادرند مانند کلیدهای AC حالت جامد بسیار سریع برای کنترل ولتاژهای AC بزرگ عمل کنند. و جریانات بنابراین برای دانش‌آموز الکترونیک، این دستگاه‌های حالت جامد بسیار مفید را برای کنترل موتورهای AC، لامپ‌ها و برای کنترل فاز می‌سازد.

تریستور یک دستگاه سه ترمینال است که دارای برچسب‌های آند، کاتد و گیت است و از سه اتصال PN تشکیل شده است که می‌توان آن را با سرعت بسیار سریع روشن و خاموش کرد یا می‌توان آن را روشن کرد. ON» برای مدت زمان متغیر در نیم سیکل برای رساندن مقدار انتخابی توان به یک بار. عملکرد تریستور را می‌توان با این فرض که از دو ترانزیستور تشکیل شده است که به صورت یک جفت کلیدهای احیاکننده مکمل تشکیل شده است، توضیح داد.

مقایسه یک تریستور با دو ترانزیستور

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

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

این یک ویژگی منفی مهم تریستور است، زیرا تریستورها می توانند به طور ناخواسته توسط ولتاژ اضافه معکوس و همچنین دمای بالا یا افزایش سریع ولتاژ dv/dt مانند یک سنبله به سمت هدایت هدایت شوند.

اگر ترمینال آند نسبت به کاتد مثبت شود، دو اتصال P-N بیرونی اکنون بایاس رو به جلو هستند اما اتصال مرکز N-P بایاس معکوس است. بنابراین جریان رو به جلو نیز مسدود است. اگر جریان مثبتی به پایه ترانزیستور NPN TR2 تزریق شود، جریان جمع کننده حاصل در پایه ترانزیستور TR1 جریان می یابد. این به نوبه خود باعث می شود که یک جریان کلکتور در ترانزیستور PNP جریان یابد، TR1 که جریان پایه TR2 و غیره را افزایش می دهد.

.

به سرعت دو ترانزیستور یکدیگر را وادار می کنند تا به حالت اشباع هدایت شوند زیرا در یک حلقه بازخورد احیا کننده متصل می شوند که نمی تواند متوقف شود. پس از راه اندازی، جریان عبوری از دستگاه بین آند و کاتد تنها با مقاومت مدار خارجی محدود می شود زیرا مقاومت رو به جلوی دستگاه در هنگام هدایت می تواند در کمتر از 1Ω بسیار کم باشد، بنابراین افت ولتاژ در سراسر آن. و تلفات برق نیز کم است.

سپس می بینیم که یک تریستور جریان را در هر دو جهت منبع AC در حالت “خاموش” مسدود می کند و می تواند “روشن” شود و با اعمال جریان مثبت به پایه ترانزیستور مانند یک دیود یکسو کننده معمولی عمل کند. ، TR2 که برای یک یکسوساز کنترل شده سیلیکونی ترمینال “Gate” نامیده می شود.

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

.

هنگامی که تریستور “روشن” شد و جریان را در جهت رو به جلو (آند مثبت) می گذراند، سیگنال گیت به دلیل عمل قفل احیا کننده دو ترانزیستور داخلی، کنترل خود را از دست می دهد. اعمال هرگونه سیگنال گیت یا پالس پس از شروع بازسازی، هیچ تاثیری نخواهد داشت زیرا تریستور از قبل رسانا و کاملاً روشن است.

برخلاف ترانزیستور، SCR نمی تواند بایاس شود تا در یک منطقه فعال در امتداد یک خط بار بین حالت های مسدود و اشباع باقی بماند. بزرگی و مدت پالس “روشن” گیت تاثیر کمی بر عملکرد دستگاه دارد زیرا هدایت به صورت داخلی کنترل می شود. سپس اعمال یک پالس گیت لحظه ای به دستگاه برای هدایت آن کافی است و حتی اگر سیگنال گیت به طور کامل حذف شود، برای همیشه روشن باقی می ماند.

بنابراین تریستور را می‌توان به‌عنوان یک لچ دوپایا (Bistable Latch) یا فلیپ‌فلاپ با دو حالت پایدار «OFF» یا «ON» در نظر گرفت. این به این دلیل است که بدون اعمال سیگنال گیت، یکسو کننده کنترل شده سیلیکونی جریان را در هر دو جهت شکل موج AC مسدود می کند و هنگامی که به حالت رسانایی راه اندازی می شود، عمل احیاگر به این معنی است که فقط با استفاده از گیت نمی توان آن را دوباره خاموش کرد.

چگونه تریستور را خاموش کنیم؟

هنگامی که تریستور به حالت “روشن” خود بسته شد و جریانی را عبور داد، تنها با حذف کامل ولتاژ تغذیه و در نتیجه جریان آند (IA) یا با کاهش آند به کاتد، می توان دوباره آن را “خاموش” کرد. جریان توسط برخی ابزارهای خارجی (مثلاً باز شدن یک کلید) تا کمتر از مقداری که معمولاً “حداقل جریان نگهدارنده” نامیده می شود، IH.

بنابراین، جریان آند باید به اندازه کافی کمتر از این حداقل سطح نگهدارنده کاهش یابد تا تریستورها در اتصالات pn چفت شده داخلی، حالت مسدود شدن خود را بازیابند، قبل از اینکه یک ولتاژ رو به جلو دوباره به دستگاه اعمال شود بدون اینکه به طور خودکار خود رسانا شود. بدیهی است که برای اینکه یک تریستور در وهله اول جریان آند خود را که جریان بار آن نیز می باشد، هدایت کند، IL باید از مقدار جریان نگهدارنده آن بیشتر باشد. یعنی IL > IH.

از آنجایی که تریستور این توانایی را دارد که هر زمان که جریان آند کمتر از این مقدار نگهدارنده کاهش می یابد، “OFF” را خاموش کند، بنابراین وقتی در منبع AC سینوسی استفاده می شود، SCR به طور خودکار در مقداری نزدیک به متقاطع، خود را خاموش می کند. بیش از نقطه هر نیم سیکل، و همانطور که اکنون می دانیم، تا زمانی که پالس ماشه Gate بعدی اعمال شود، “OFF” باقی می ماند.

از آنجایی که یک ولتاژ سینوسی AC به طور مداوم در قطبیت از مثبت به منفی در هر نیم سیکل معکوس می شود، این به تریستور اجازه می دهد تا در نقطه صفر 180 درجه شکل موج مثبت خاموش شود. این اثر به عنوان “تغییر طبیعی” شناخته می شود و یک ویژگی بسیار مهم یکسو کننده کنترل شده سیلیکونی است.

.

تریستورهای مورد استفاده در مدارهایی که از منابع DC تغذیه می شوند، این شرایط کموتاسیون طبیعی نمی تواند رخ دهد زیرا ولتاژ تغذیه DC پیوسته است، بنابراین راه دیگری برای خاموش کردن تریستور باید در زمان مناسب ارائه شود زیرا پس از فعال شدن، رسانا باقی می ماند.

با این حال در مدارهای سینوسی AC جابجایی طبیعی هر نیم سیکل اتفاق می افتد. سپس در طول نیم سیکل مثبت یک شکل موج سینوسی AC، تریستور بایاس رو به جلو (آند مثبت) می شود و a را می توان با استفاده از سیگنال گیت یا پالس روشن کرد. در طول نیم سیکل منفی، آند منفی می شود در حالی که کاتد مثبت است. تریستور توسط این ولتاژ بایاس معکوس می شود و حتی در صورت وجود سیگنال گیت نمی تواند هدایت کند.

بنابراین با اعمال سیگنال گیت در زمان مناسب در طول نیمه مثبت شکل موج AC، تریستور را می توان تا پایان نیمه سیکل مثبت به سمت هدایت هدایت کرد. بنابراین کنترل فاز (همانطور که نامیده می شود) می تواند برای راه اندازی تریستور در هر نقطه در امتداد نیمه مثبت شکل موج AC استفاده شود و یکی از کاربردهای فراوان یکسوساز کنترل شده سیلیکونی در کنترل توان سیستم های AC همانطور که نشان داده شده است.

کنترل فاز

در شروع هر نیم چرخه مثبت SCR “OFF” است. با استفاده از پالس گیت، SCR را به سمت هدایت هدایت می کند و در طول چرخه مثبت کاملاً “روشن” می ماند. اگر تریستور در ابتدای نیم چرخه راه اندازی شود (θ = 0o)، بار (لامپ) برای سیکل مثبت کامل شکل موج AC (AC اصلاح شده با نیم موج) با میانگین بالا “روشن” خواهد بود. ولتاژ 0.318 x Vp.

همانطور که استفاده از پالس ماشه دروازه در طول نیم چرخه افزایش می یابد (θ = 0o تا 90o)، لامپ برای مدت زمان کمتری روشن می شود و متوسط ولتاژ تحویلی به لامپ نیز به نسبت روشنایی آن را کاهش می دهد.

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

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

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 دستگاه هایی عبارتند از

“Tyristors Turn-OFF Gate” (GTO)_ تریستور خاموش‌شونده با گیت
“Static Induction Thyristors” (SITH)_ تریستور القایی استاتیکی
“MOS Controlled Thyristors” (MCT)_ تریستور کنترل‌ شده با نیمه‌رسانای اکسید فلز
“Silicon Controlled Switch” (SCS)_ کلید کنترل‌ شده با سیلیکون
“Triode Thyristors” (TRIAC)_ تریستور سه‌ قطبی
“(LASCR) “Light Activated Thyristor_ تریستورهای فعال شده با نور

برای نام بردن از چند مورد، با همه این دستگاه‌ها در انواع رتبه‌بندی‌های ولتاژ و جریان موجود است که آنها را برای استفاده در برنامه‌هایی با سطوح توان بسیار بالا جذاب می‌کند.

جمع بندی

یکسو کننده های کنترل شده سیلیکونی که معمولاً به عنوان تریستور شناخته می شوند، دستگاه های نیمه هادی PNPN سه اتصالی هستند که می توانند به عنوان دو ترانزیستور متصل به هم در نظر گرفته شوند که می توانند در سوئیچینگ بارهای الکتریکی سنگین استفاده شوند. آنها را می‌توان 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 چفت‌شدنشان نرسد، به‌طور نامحدود «روشن» می‌مانند.

ویژگی های استاتیک یک تریستور

تریستورها دستگاه های نیمه هادی هستند که فقط در حالت سوئیچینگ می توانند کار کنند.
تریستور دستگاه هایی هستند که با جریان کار می کنند، یک جریان گیت کوچک جریان آند بزرگتر را کنترل می کند.
تنها زمانی جریان را هدایت می کند که بایاس رو به جلو باشد و جریان راه انداز به گیت اعمال شود.
تریستور پس از روشن شدن “روشن” مانند یک دیود یکسو کننده عمل می کند.
جریان آند برای حفظ رسانایی باید بیشتر از جریان نگهدارنده باشد.
در صورت بایاس معکوس، جریان جریان را مسدود می کند، مهم نیست که جریان گیت اعمال شود.
هنگامی که “روشن” راه اندازی شد، حتی زمانی که جریان گیت دیگر اعمال نمی شود، به شرطی که جریان آند بالاتر از جریان چفت باشد، “روشن” می شود.

تریستورها کلیدهای پرسرعتی هستند که می توانند برای جایگزینی رله های الکترومکانیکی در بسیاری از مدارها استفاده شوند زیرا فاقد قطعات متحرک هستند، قوس تماسی ندارند یا از خوردگی یا کثیفی رنج می برند. اما علاوه بر روشن کردن و خاموش کردن جریان‌های بزرگ، می‌توان تریستورها را برای کنترل مقدار متوسط جریان بار AC بدون اتلاف مقدار زیادی نیرو ساخت. یک مثال خوب از کنترل قدرت تریستور در کنترل روشنایی الکتریکی، بخاری و سرعت موتور است.

منبع

2 پاسخ به “تریستور یا SCR چیست؟”

ناصر رهبر گفت:

1402-05-27 در 1:35 ب.ظ

سایت خوب با مقالاتی بسیار بی نظیری دارین

پاسخ
- خانم منتجبی گفت:
  
  1402-06-01 در 1:55 ب.ظ
  
  سلام
  ممنون از نظر ارزشمندتون
  
  پاسخ