یکسوساز کنترل شدۀ سیلیکونی یا تریستور

این قطعه یک نیمه‌هادی چندلایه است، به همین دلیل از کلمۀ “سیلیکون” درنام‌گذاری‌اش استفاده شده است. تریستور برای روشن شدن نیاز به اعمال یک سیگنال به گیت دارد. بعد از روشن شدن، بخش “کنترل شده” شبیه یک دیود یکسوساز عمل می‌کند که دلیل استفاده از کلمۀ “یکسوساز” در نامش نیز همین است. در واقع نماد الکترونیکی تریستور نشان می‌دهد که این قطعه، مثل یک دیود یکسوساز کنترل شده عمل می‌کند. پس اگر می خواهید در این باره اطلاعات کسب کنید، با شرکت سنابرق توان که فروشنده درایو آسانسور ایرانی می باشد، همراه باشید.

نماد تریستور

گرچه، برخلاف دیود پیوندی که یک قطعۀ نیمه‌هادی دولایه (P-N) است،تریستور یک قطعۀ نیمه‌هادی چهارلایه است    (P-N-P-N) که از سه پیوند PN متوالی تشکیل شده است و با نماد بالا نشان داده می‌شود.

تریستور همانند دیود یک قطعۀ یک‌طرفه است، به این معنی که تنها در یک جهت جریان را هدایت می‌کند، اما بر خلاف دیود، می‌توان از تریستور بسته به چگونگی تحریک گیتش، به عنوان سوئیچ مدارباز یا دیود یکسوساز استفاده کرد. به عبارت دیگر، تنها می‌توان از تریستور در کارهای سوئیچینگ استفاده کرد و کاربردی در زمینۀ تقویتی ندارد.

یکسوساز سیلیکونی کنترل‌شده یا SCR هم یکی از چندین قطعۀ نیمه‌هادی قدرتی است. سایر این قطعات  تریاک‌ها (تریودهای AC)، دیاک‌ها (دیودهای(AC ، و UJTها (ترانزیستورهای تک‌پیوندی) هستند، که همه قادرند مانند سوییچ‌های حالت جامد بسیار سریع AC در کنترل ولتاژها و جریانات AC بالا عمل کنند. به همین دلیل برای دانشجویان الکترونیک، قطعات حالت جامد در زمینۀ کنترل موتورهای AC، لامپ‌ها و کنترل فاز بسیار کاربردی به شمار می‌روند.

مقایسۀ تریستور و دو ترانزیستور

مدار معادل دو ترانزیستوری تریستور، نشان می‌دهد که جریان کلکتور ترانزیستور NPN TR₂  ، مستقیما بیس ترانزیستور PNP   TR₁را تغذیه می‌کند، در حالی که جریان کلکتور TR₁ بیس ₂TR را تغذیه می‌کند. این دو ترانزیستور متصل به هم، برای هدایت به یکدیگر وابسته‌اند، چون هرکدام از آن‌ها جریان بیس-امیترش را از جریان کلکتور-امیتر دیگری می‌گیرد. بنابراین تا زمانی که به یکی از ترانزیستورها جریان بیس وارد می‌شود، حتی اگر ولتاژ آند به کاندی هم وجود داشته باشد، هیچ اتفاق خاصی نخواهد افتاد.

وقتی پایۀ آند تریستور نسبت به پایۀ کاتدش منفی‌تر است، پیوند N_P مرکزی بایاس مستقیم دارد، اما دو پیوند P_N بیرونی‌تر بایاس معکوس شده‌اند و تریستور بسیار شبیه به یک دیود معمولی کار می‌کند. بنابراین تریستور جلوی جریان معکوس را ،تا زمانی که ولتاژ آنقدر بالا برود که از ولتاژ نقطه شکست دو پیوند بیرونی بیشتر شود و تریستور بدون نیاز به اعمال سیگنال به گیت هدایت جریان را انجام دهد، سد می‌کند.

این ویژگی، یکی از ویژگی‌های منفی مهم تریستور است. زیرا ممکن است تریستورها بدون این که ما بخواهیم، با یک ولتاژ معکوس بالا، یابالارفتن دما یا بالارفتن سریع ولتاژ dv/dt  مثل یک پالس ناگهانی، شروع به هدایت جریان کنند.

اگر پایۀ آند تریستور نسبت به پایۀ کاتدش مثبت‌تر شود، دو پیوند بیرونی P_N بایاس مستقیم، و پیوند N_P مرکزی بایاس معکوس می‌شود. بنابراین جلوی جریان مستقیم هم سد می‌شود. اگر یک جریان طمثبت به بیس ترانزیستور NPN TR₂ وارد شود، جریان کلکتور ایجاد شده وارد بیس ترانزیستور TR₁ می‌شود. این اتفاق باعث می‌شود یک جریان کلکتور در ترانزیستور PNP TR₁ایجاد شود که جریان بیس TR₂را افزایشمی‌دهد و این چرخه به همین شکل ادامه دارد.

تریستور معمولی

ترانزیستورها که به شکل حلقۀ فیدبک بازتولیدی غیرقابل توقف به هم متصل شده‌اند، همدیگر را به هدایت تا سر حد اشباع مجبور می‌کنند. وقتی شروع به عبور دادن جریان کنند، جریان عبوری بین آند و کاتد قطعه تنها توسط مقاومت مدار خارجی محدود می‌شود، چرا که هنگام هدایت جریان، مقاومت قطعه در جهت مستقیم بسیار پایین و کمتر از 1 اهم است و به همین دلیل افت ولتاژ و هدر رفت برق هم در این قسمت کم است.

اینجاست که می‌توانیم ببینیم تریستور در حالت خاموشش عبور جریان AC  منبع تغذیه را در هر دو جهت سد می‌کند و در حالت روشنش، با اعمال جریان مثبت به بیس ترانزیستور TR₂ که در مورد یکسوسازهای کنترل‌شدۀ سیلیکونی پایۀ “گیت” نامیده می‌شود، به کار کردن مثل یک دیود یکسوساز عادی واداشته شود.

منحنی مشخصه‌های ولتاژ-جریان I-V عملکرد یکسوساز سیلیکونی کنترل‌شده به این صورت است:

منحنی I_V تریستور

زمانی که تریستور روشن شده است و جریان را در جهت مستقیم (آند مثبت) عبور می‌دهد، عملکرد بازتولیدی و غیرقابل توقف (قفل شده) ترانزیستورهای داخلی باعث می‌شود اعمال کنترل با استفاده از سیگنال گیت از بین برود. بعد از شروع بازتولید، اعمال هرگونه سیگنال یا پالس هیچ تاثیری نخواهد داشت، چرا که تریستور در حال هدایت جریان و کاملا روشن است.

SCR برخلاف ترانزیستور قابلیت بایاس شدن برای ماندن در ناحیۀ فعال در طول خط بار، بین دو حالت اشباع و سد کنندگی را ندارد. دامنه و مدت زمان پالس “روشن کننده” گیت تاثیر کمی بر عملکرد قطعه دارد، زیرا هدایت به شکل داخلی کنترل می‌شود. به همین دلیل اعمال یک پالس گیت لحظه‌ای به قطعه کافیست تا آن را وادار به هدایت کرده و دائما، حتی اگر سیگنال گیت کاملا برداشته شود، روشن نگه دارد.

به همین خاطر می‌توان تریستور را نوعی قطعۀ قفل شوندۀ دوپایا دانست که دو حالت پایدار “روشن” و “خاموش” را دارد. به این علت که یکسوساز کنترل‌شدۀ سیلیکونی وقتی هیچ سیگنال گیتی اعمال نشده، راه جریان را در هر دوجهت موج AC سد کرده، و هنگامی که برای هدایت تحریک شود، عملکرد قفل‌شوندگی بازتولیدی به این معناست که قطعه نمی‌تواند دوباره با استفاده از گیتش “خاموش” شود.

 

مقاله پیشنهادی: پارامتر درایو

 

پس چطور می‌توان تریستور را خاموش کرد؟

زمانی که تریستور در حالت “روشن”‍اش خود-قفل‌شوندگی انجام داده و جریان عبور می‌دهد، تنها به یکی از این دو روش دوباره “خاموش” خواهد شد:یا ولتاژ تغذیه و به تبع آن جریان آندش(I_A)  ‌ کاملا قطع شود، و یا جریان آند به کاتدش با یک ابزار خارجی (مثلا قطع کردن یک کلید) تا کمتر از آنچه معمولا “حداقل جریان نگهدارنده” (I_H)  ‌ خوانده می‌شود، کاهش یابد.

بنابراین جریان آند باید آنقدر طولانی به کمتر از حداقل جریان نگهدارنده کاهش یابد، که پیوندهای PN تریستور که در داخل قفل‌شده‌اند، قبل از اعمال دوبارۀ ولتاژ مستقیم به قطعه بدون خود-هدایتگری اتوماتیکش، از حالت سدکنندگی خارج شوند. واضح است که در این حالت برای هدایت جریان قبل از هرچیز ، جریان آند تریستور که جریان بار (I_L) هم هست، باید از میزان جریان نگهدارنده‌اش بیشتر باشد. یعنی I_L > I_H.

از آنجا که تریستور قابلیت “خاموش” شدن در هر زمانی که جریان آند کمتر از حداقل جریان نگهدارنده شود را دارد، وقتی SCR با یک منبع تغذیۀ سینوسی AC کار می‌کند، خودش در نقطه‌ای نزدیک به محل تقاطع نمودار با منحنی خودش را “خاموش” می‌کند، و همانطور که اکنون می‌دانیم، تا اعمال پالس تریگر بعدی به گیت “خاموش” باقی می‌ماند.

این موضوع که قطبیت ولتاژ سینوسی AC دائما در حال نوسان  بین مثبت و منفی در هر نیم سیکل است، باعث می‌شود تریستور امکان “خاموش” شدن در نقطۀ صفر (محل تلاقی نمودار سینوسی با محور افقی) در فاز 180 قسمت مثبت موج را دارد. این اثر با عنوان “جابجایی طبیعی” شناخته شده و یکی از ویژگی‌های بسیار مهم SCR است.

جابجایی طبیعی در تریستورهایی که در مدارهای با منبع تغذیۀ DC  استفاده می‌شوند اتفاق نمی‌افتد، زیرا ولتاژ تغذیه DC یکنواخت است و باید در زمان مناسب از روش‌های دیگری برای “خاموش” کردن تریستور استفاده شود، چون با یک بار تحریک تریستور دائما به هدایت ادامه خواهد داد.

در مدارهای AC سینوسی جابجایی طبیعی در هر نیم سیکل اتفاق می‌افتد. در طول نیمۀ مثبت سیکل موج سینوسی AC، تریستور بایاس مستقیم شده (آند مثبت) و می‌تواند با اعمال یک سیگنال یا پالس به گیت “روشن” شود. در طول نیمۀ منفی سیکل، آند منفی و کاتد مثبت می‌شود. تریستور با این ولتاژ بایاس معکوس شده و حتی اگر سیگنالی به گیت اعمال شود هم قادر به هدایت جریان نخواهد بود.

بنابراین با اعمال سیگنال به گیت در زمان مناسبی از نیمۀ مثبت موج AC، می‌توان تریستور را به هدایت کردن جریان تا پایان نیم سیکل مثبت واداشت. بنابراین می‌توان از کنترل فاز برای راه‌اندازی  تریستور در هر نقطه از نیمۀ مثبت موج AC استفاده کرد و یکی از کاربردهای بسیار یکسوساز کنترل‌شدۀ سیلیکونی هم همانطور که نشان داده شد، کنترل توان سیستم‌های AC است.

کنترل فاز تریستور

در شروع هر نیم سیکل مثبت SCR “خاموش” است. هنگام اعمال پالس به گیت، SCR تحریک به هدایت جریان می‌شود و تا پایان نیم سیکل مثبت، کاملا در حالت “روشن” قفل می‌ماند. اگر تریستور در شروع نیم سیکل مثبت (θ = 0^o)  راه‌اندازی شود، بار (مثلا یک لامپ) برای کل مدت نیم‌سیکل مثبت، با ولتاژ حداکثرِ متوسطی به اندازۀ  0.318 x Vp روشن خواهد ماند (یکسوساز نیم موج AC).

با افزایش اعمال  پالس تریگر گیت  در طول نیم سیکل (90تا0= θ)، لامپ زمان کوتاه‌تری روشن می‌ماند و ولتاژ متوسط رسیده به لامپ هم همزمان کاهش پیدا کرده و باعث کم نورتر شدن لامپ می‌شود.

پس ما می‌توانیم از یکسوساز کنترل‌شدۀ سیلیکونی به عنوان دیمر نور AC و همچنین در کاربردهای قدرتی AC دیگری مثل: کنترل سرعت موتور AC، سیستم کنترل دما و مدارهای تنظیم‌کنندۀ توان و … استفاده کنیم.

تا اینجا دیدیم که تریستور  در واقع یک قطعۀ نیم موج است که وقتی آندش مثبت است تنها در نیمۀ مثبت سیکل هدایت را انجام می‌دهد و وقتی آندش منفی است، بدون توجه به سیگنال گیت، در برابر عبور جریان سد ایجاد می‌کند.

اما قطعات نیمه‌هادی دیگری هم تحت عنوان “تریستور” در دسترس هستند که توانایی عبور دادن جریان در هر دو جهت را دارند، قطعات تمام موج هستند، یا امکان خاموش شدن با سیگنال گیت را دارند.

اینگونه قطعات شامل “تریستورهای خاموش از گیت” (GTO)، “تریستورهای القای استاتیک” (SITH)، “تریستورهای کنترلی MOS” (MCT)، “سوییچ کنترل‌شونده سیلیکونی” (SCS)، “تریستورهای تریودی” (TRIAC)، و “تریستورهای فعال شونده با نور” (LASCR) به عنوان چند نمونه هستند. این قطعات همه در دسته‌بندی‌های مختلف ولتاژی و جریانی وجود دارند که آن‌ها را برای استفاده در کاربردهای در توان خیلی بالا قابل توجه می‌کند.

خلاصه

یکسوسازهای کنترل‌شدۀ سیلیکونی که با نام تریستور هم شناخته می‌شوند، قطعات نیمه‌هادی سه پیوندی PNPN هستند که می‌توان آن‌ها را به عنوان دو ترانزیستور متصل‌شده به هم که در سوئیچینگ بارهای الکتریکی بالا قابل استفاده هستند نیز در نظر گرفت. این قطعات می‌توانند با اعمال یک پالس جریان مثبت به پایۀ گیتشان در حالت “روشن” قفل شوند و تا هر زمان نامحدودی که جریان آند به کاتد از حداقل جریان قفل‌نگه‌دار کمتر نشده باشد “روشن” بماند.

مشخصه‌های استاتیکی تریستور

• تریستورها قطعاتی نیمه‌هادی هستند که تنها در حالت سوئیچینگ قابل استفاده‌اند.
• تریستورها قطعاتی هستند که بر پایۀ جریان کار می‌کنند، یک جریان گیت کوچک، جریان آند بزرگ‌تری را کنترل می‌کند.
• تنها در حالت بایاس مستقیم و اعمال جریان تریگر به گیت جریان را عبور می‌دهد.
• تریستور هنگامی که “روشن” است مانند یک دیود یکسوساز عمل می‌کند.
• جریان آند باید از جریان نگهدارنده بالاتر باشد تا عبور جریان ادامه پیدا کند.
• فارغ از جریان اعمال شده به گیت، جلوی جریان عبوری را در زمان بایاس معکوس سد می‌کند.
• وقتی “روشن” می‌شود، حتی زمانی که دیگر جریانی به گیت اعمال نمی‌شود تا جریان آند را بالاتر از جریان قفل‌شوندگی نگه‌دارد، در همان حالت “روشن” قفل می‌شود.

تریستورها سوئیچ‌های سرعت بالایی هستند که چون قطعۀ متحرک، قوس الکتریکی هنگام اتصال، و فرسودگی بر اثر پوسیدگی و گرد و خاک ندارند، می‌توانند در بسیاری از مدارها به عنوان جایگزین برای رله‌های الکترومکانیکی به کار روند. اما تریستورها علاوه بر سوئیچینگ راحت بین “روشن” و “خاموش” در جریان‌های بزرگ، می‌توانند برای کنترل مقدار متوسط جریان AC بار، بدون هدر دادن توان زیاد، به کار روند. کنترل روشنایی الکتریکی، هیترها، و سرعت موتور، مثال‌هایی خوب از کنترل توان توسط تریستور هستند.