تریستور چیست و چگونه کار میکند؟ آموزش تریستور

سلام. تریستور چیست و چگونه کار میکند؟ Thyristor آشنایی کامل را آماده کردیم.

تریستور چیست ؟

مانند تریستورها از ترانزیستور ها هم برای سوئیچینگ استفاده می شود. ترانزیستور ها اجزای ریز الکترونیکی هستند که جهان را تغییر داده اند. آن ها را در هر دستگاهی از جمله تلویزیون ، تلفن همراه ، لپ تاب ، ماشین حساب ، هدفون و غیره می توان پیدا کرد. با اینکه آن ها سازگار و متنوع اند اما نمیتوانیم از آن ها به عنوان تقویت کننده و سوئیچینگ استفاده کنیم. همچنین یک ترانزیستور نیاز به تعویض جریان (سوئیچینگ) مداوم دارد. بنابراین برای همه ی این مسائل و برای غلبه بر این مشکلات از تریستورها استفاده می کنیم. به طور کلی از SCR و تریستور به عنوان سوئیچینگ (دستگاه تعویض) استفاده می شود.  تریستور شامل انواعی از دستگاه های سوئیچینگ می شود که بعضی از آن ها عبارتند از : SCR (یکسو کننده ی کنترل شده ی سلیکونی) و GTO (خاموش کننده از گیت) و ترانزیستور IGBT که به معنی ترانزیستور کنترل کننده ی گیت-عایق است. اما به دلیل اینکه میزان کاربرد SCR بیشتر است به عنوان مترادف تریستور به کار می رود در حالی که SCR خود نوعی تریستور است.

SCR یک نیمه رسانای قدرت با چهار لایه و سه پیوند یا نقطه اتصال است. تریستور دارای سه پایه ی آند، کاتد و گیت است. همچنین تریستور یک وسیله یک طرفه مانند دیود است به این معنی که تنها در یک جهت جریان را انتقال می دهد.

پایانه گیت، scr را به وسیله ی ولتاژ کم تحریک می کند که آن را روش تحریک گیت برای روشن کردن SCR می نامیم.

مقایسه تریستور و ترانزیستور

مدار معادل دو ترانزیستور نشان می دهد که پایه ترانزیستور pnp t1  توسط جریان جمع کننده ی ترانزیستور npn t2 تغذیه می شود و جریان جمع کننده ترانزیستور t1 پایه ترانزیستور t2 را تغذیه می کند. هدایت و انتقال در دو ترانزیستور به هر دوی آن ها بستگی دارد. در نتیجه حتی اگر ولتاژ در آند و کاتد وجود داشته باشد تا زمانی که یکی از پایه های هر ترانزیستور جریان را به دست آورد انتقال جریان وجود نخواهد داشت.

عمده ترین تفاوت بین تریستور و ترانزیستور این است که ترانزیستور با قطع جریان پایه خاموش می شود در حالی که تریستور فقط با یک بار تحریک کردن روشن باقی می ماند.

برای برنامه های کاربردی مانند مدار زنگ که نیاز به یک بار روشن کردن و باقی ماندن برای همیشه دارند نمی توانیم از ترانزیستور استفاده کنیم . پس برای غلبه بر این مشکلات از تریستور استفاده می کنیم.

تفاوت تریستور و ماسفت

تریستور و ماسفت هر دو سوئیچ الکتریکی هستند و بسیار مورد استفاده قرار می گیرند. سوئیچ های ماسفت دستگاه کنترل ولتاژ هستند و فقط می توانند جریان dcرا تغییر دهند در حالی که سوئیچ های تریستور دستگاه کنترل شده فعالی هستند و می توانند جریان dc و جریان ac را تغییر دهند.

تفاوت های دیگری نیز بین تریستور و ماسفت هست که در زیر مشاهده می کنید:

تفاوت تریستور و ترانزیستور

تریستور و ترانزیستور هر دو سوئیچ های الکتریکی هستند اما ظرفیت انتقال قدرت تریستورها به مراتب بهتر از ترانزیستور است. تریستور دارای رتبه بالایی در کیلو وات است در حالی که قدرت ترانزیستور در وات متغییر است. در تجزیه و تحلیل،یک تریستور به عنوان جفت ترانزیستور در نظر گرفته می شود. تفاوت عمده بین تریستور و ترانزیستور این است که ترانزیستور برای ادامه کار به سوئیچینگ مداوم نیاز دارد اما در مقابل تریستور با یک بار فعال شدن روشن باقی می ماند. برای برنامه های کاربردی مانند مدار زنگ که به یک بار روشن کردن و باقی ماندن برای همیشه نیاز دارند نمی توانیم از ترانزیستور استفاده کنیم. پس برای از بین بردن این مشکلات از تریستور استفاده می کنیم.

تفاوت های دیگری نیز بین تریستور و ترانزیستور وجود دارد که در زیر مشاهده می کنید:

مشخصه های V_I تریستور (SCR)

مدار اصلی برای به دست آوردن ویژگی های V_I  تریستور در زیر آورده شده است.  آند و کاتد تریستور از طریق بار به منبع اصلی وصل می شوند. به وسیله فراهم کردن جریان از گیت به کاتد، گیت و کاتد تریستور از منبع Es  تغذیه می شوند.

طبق نمودار سه حالت اصلی SCR وجود دارد :

1. حالت مسدود کردن معکوس
2. حالت مسدود کردن رو به جلو
3. حالت انتقال به جلو

1. حالت مسدود کردن معکوس

در این حالت جریان مثبت از کاتد به آند می رود و سوئیچ باز می شود. اتصالات j1  وj3 به سمت معکوس متمایل شده اند و j2 رو به جلو متمایل شده است. هنگامی که ولتاژ معکوس در سراسر تریستور اعمال می شود دستگاه مقاومت بالایی را در جهت معکوس ارائه می دهد. بنابراین تریستور در حالت مسدود کردن معکوس به عنوان سوئیچ باز عمل می کند. Vbr ولتاژ خرابی معکوس است که بهمن در آن رخ می دهد.اگر ولتاژ بیش از vbrباشد ممکن است باعث آسیب به تریستور شود.

2. حالت مسدود کردن رو به جلو

هنگامی که جریان مثبت از آند به کاتد می رود سوئیچ گیت باز می شود که در این حالت گفته می شود تریستور به سمت جلو متمایل است. و اتصالات j1 و j3 به سمت جلو و j2 به سمت معکوس متمایل شده اند. این حالت جریان کوچکی به نام جریان نشتی به جلو را نشان می دهد جریان نشت رو به جلو کوچک است و برای تحریک SCR کافی نیست. از این رو scr حتی در حالت مسدود کردن رو به جلو نیز به عنوان سوئیچ باز عمل میکند.

3. حالت انتقال به جلو

با افزایش ولتاژ رو به جلو به وسیله ی باز شدن مدار گیت بهمن در محل اتصال j2 رخ می دهد و scr وارد حالت رسانایی می شود. ما میتوانیم با دادن پالس گیت مثبت بین گیت و کاتد و یا باز کردن ولتاژ رو به جلو در سراسر آند و کاتد تریستور را روشن کنیم.

روش تحریک تریستور یا scr

روش های مختلفی برای تحریک scr وجود دارند مانند:

1. محرک ولتاژ رو به جلو
2. محرک گیت
3. محرک dv/dt
4. محرک دما
5. محرک نور

محرک ولتاژ رو به جلو

با اعمال ولتاژ رو به جلو بین آند و کاتد به وسیله ی باز نگه داشتن مدار گیت، اتصال j2 به سمت معکوس متمایل می شود. در نتیجه تشکیل لایه تخلیه در سراسر j2 رخ میدهد. با افزایش ولتاژ رو به جلو مرحله ای فرا می رسد که لایه تخلیه از بین می رود و گفته می شود که j2 دارای شکست بهمنی شده است. از این رو تریستور در حالت رسانایی قرار میگیرد. ولتاژی که درآن بهمن رخ می دهد ولتاژ باز کننده ی جلو Vbo  نامیده می شود.

محرک گیت

این یکی از رایج ترین،مطمئن ترین و کارامد ترین روش برای روشن کردن تریستور یا scr است. در محرک گیت یک ولتاژ مثبت بین گیت و کاتد اعمال می شود و در این صورت جریان در گیت ایجاد می شود و بار به لایه داخلی تزریق می شود و انتقال نیرو به جلو آغاز می شود. با افزایش جریان ولتاژ، ولتاژ انتقال نیرو به جلو کاهش می یابد. همانطور که در شکل نشان داده شده است سه اتصال در یک scr وجود دارد. اکنون برای روشن کردن scr  اتصال j2  باید شکسته شود. به وسیله استفاده از روش محرک گیت  از انجا که پالس گیت محل اتصال j2  را می شکند اتصالات j1  و j2  به سمت جلو متمایل می شوند و scr  در حالت رسانا قرار می گیرد. این اجازه می دهد تا جریان از آند به کاتد حرکت کند. طبق مدل دو ترانزیستور وقتی آند با توجه به کاتد مثبت می شود تا زمانی که پین گیت تحریک نشود جریان از طریق آند به کاتد نخواهد رفت. هنگامی که جریان وارد پین گیت می شود ترانزیستور پایین تر روشن می شود.این یک باز خورد داخلی است بنابراین با ارائه یک بار پالس در گیت باعث می شود ترانزیستور در حالت روشن باقی بماند. هنگامی که هر دو ترانزیستور روشن می شوند جریان از طریق آند به کاتد شروع می شود. این حالت به عنوان پیشرو شناخته می شود و به این ترتیب است که یک ترانزیستور قفل می شود یا به طور دائمی روشن می ماند. اگر بخواهیم scr را خاموش کنیم نمیتوانیم آن را فقط با جدا کردن جریان گیت خاموش کنیم. در این حالت تریستور از جریان دروازه مستقل است . بنابراین برای خاموش کردن باید مدار را خاموش کنیم.

محرک dv/dt

به دلیل حضور بار در سراسر اتصال بایاس معکوس، محل اتصال j2 ویژگی های یک خازن را به دست می آورد. به این معنی که اتصال j2  مانند یک ظرفیت خازنی عمل می کند. اگر ولتاژ رو به جلو به طور ناگهانی اعمال شود، یک جریان شارژ از طریق اتصال خازن cj  منجر می شود تا SCR  روشن شود.

بار جریان ic به این وسیله داده می شود:

iC = dQ/dt = d(Cj*Va) / dt   // Va جریان رو به جلو است
iC = (Cj * dVa /dt) + (Va* dCj / dt )
// از آنجا که خازن تقریبا ثابت است
// dCj / dt is صفر است
iC = Cj dVa / dt

بنابراین اگر میزان افزایش ولتاژ dv/dt  روبه جلو زیاد باشد جریان شارژ ic بیشتر خواهد بود. در اینجا جریان شارژ نقش جریان گیت را برای روشن کردن SCR بازی می کند حتی اگر سیگنال گیت صفر باشد.

محرک دما

هنگامی که تریستور در حالت مسدود کردن  رو به جلوقرار دارد بیشتر ولتاژ اعمال شده بر روی محل اتصال j2 جمع می شود، این ولتاژ همراه با برخی جریان نشتی است که باعث افزایش دمای اتصال j2 می شود. بنابراین با افزایش دما لایه ی تخلیه شده کاهش می یابد و در برخی از لایه های تخلیه درجه حرارت بالا شکسته می شود و SCR به حالت روشن در می اید.

محرک نور

برای تحریک SCR با نور یک لبه داخلی مانند لایه داخلی ساخته می شود که در شکل زیر نشان داده شده است. پرتو نور از طول موج خاص به وسیله ی الیاف نوری جهت تابش هدایت می شوند. همانطور که شدت نور از مقدار مشخصی فراتر می رود SCR روشن می شود. به این نوع از SCR نور انگیخته ی scr  گفته میشود. گاهی این محرک scr از هر دو منبع نور و سیگنال گیت به صورت ترکیبی استفاده می کند. جریان بالای گیت و شدت نور پایین برای روشن شدن scrنیاز است. LASCR یا نور محرک scr در سیستم انتقال HVDC (جریان مستقیم با ولتاژ بالا) استفاده می شود.

سوالات متداول

تریستور چیست؟

به طور کلی از SCR و تریستور به عنوان سوئیچینگ استفاده می شود. تریستور شامل انواعی از دستگاه های سوئیچینگ می شود که بعضی از آن ها عبارتند از : SCR ،GTO و ترانزیستور IGBT که به معنی ترانزیستور کنترل کننده ی گیت-عایق است.

تریتسور چه پایه هایی دارد؟

تریستور دارای سه پایه ی آند، کاتد و گیت است. همچنین تریستور یک وسیله یک طرفه مانند دیود است به این معنی که تنها در یک جهت جریان را انتقال می دهد.

تفاوت تریستور و ترانزیستور چیست؟

ترانزیستور با قطع جریان پایه خاموش می شود در حالی که تریستور فقط با یک بار تحریک کردن روشن باقی می ماند. برای برنامه های کاربردی مانند مدار زنگ که نیاز به یک بار روشن کردن و باقی ماندن برای همیشه دارند نمی توانیم از ترانزیستور استفاده کنیم.