طرز کار تریستور چگونه است؟

تریستور یا SCR چیست؟

تریستور یا SCR یک نیمه رسانای قدرت است و به صورت یک قطعهٔ چهار لایه‌ای P-N-P-N ساخته می‌شود که بطور گسترده در مدارهای الکترونیک پرتوان بکار می رود. تریستورها با کلید زنی از حالت نارسانایی به رسانایی در نقش کلیدهای دو حالته عمل می کنند. در بسیاری از کاربردها می توان به عنوان کلیدهای ایده آل در نظر گرفت، اما در عمل دارای مشخصه های معین و محدودیتهایی هستند.

در تریستورها ۳ پایانه آند، کاتد و گیت دارند. پایه آند با A ، کاتد با K و گیت (دروازه) با G نمایش داده می‌شوند؛ که از این میان آند و کاتد به مدار قدرت متصل شده و گیت که به جریان کمتری نیاز دارد به مدار کنترل یا درایور تریستور متصل می شود.

تریستورها در دو حالت پایدار روشن و خاموش مورد بهره برداری قرار می گیرند. تریستور را می توان به صورت اتصال سری سه دیود در نظر گرفت که مانع هدایت جریان در هر دو جهت می شوند . مشخصه معکوس یعنی حالتی که کاتد ، مثبت است و تا زمانی که ولتاژ اعمال شده از ولتاژ شکست پیوند کنترل مرکزی بیشتر نشود ، فقط جریان نشتی عبور خواهد کرد . ولتاژهای شکست مستقیم و معکوس از نظر اندازه مساوی هستند.   

مسایل اصلی در تریستور که همواره در حال تکمیل و توسعه بوده است، عبارتند از:

• تحمل ولتاژ معکوس زیاد
• سرعت کموتاسیون ( سرعت روشن و خاموش شدن)
• تحمل عبور جریان های قوی

مشخصه های عمومی تریستور

• تریستورها عناصر نیمه هادی و حالتی هستند که فقط در یکی از دو حالت قطع و وصل می توانند قرار گیرند.
• تریستور یا SCR در مقایسه با ترانزیستور عملکرد کلیدزنی بهتری دارد و تلفات کلید زنی آن کمتر است.
• تریستور فقط از یک سو می تواند جریان الکتریکی را هدایت کند. یعنی آند همیشه باید به طرف مثبت و کاتد به طرف منفی باشد.

کاربردهای تریستور

تریستورها، یا یکسو سازهای کنترل شده سیلیکونی در بخش های مختلفی از صنایع الکترونیکی استفاده می شوند. برخی از کاربردهای متداول آن ها به شرح زیر است:

• کنترل توان AC مانند لامپ ها، موتورها
• اهرم حفاظتی اضافه ولتاژ در منابع تغذیه
• سوئیچ های قدرت AC
• عناصر کنترلی در کنترل کننده های فاز
• درون ساختمان فلش های عکاسی که به عنوان سوئیچی برای دشارژ ولتاژ ذخیره شده درون فلش لامپ، استفاده می شوند و در زمان لازم آن را قطع می کند.

تریستورها قادر هستند ولتاژهای بالا را سوئیچ کنند و می توانند در مقابل ولتاژهای معکوس مقاومت کنند که این مسئله آن ها را برای کاربردهای سوئیچینگ مخصوصاً سناریوهای AC مناسب می سازد.

طرز کار تریستور یا SCR   

تریستور یا SCR دارای تعدادی ویژگی های غیر معمول است. این قطعه دارای سه ترمینال می باشد : آند، کاتد و گیت که یاد آور تکنولوژی لوله ی گرمایونی است (لوله ی الکترونی که در آن الکترون به وسیله ی حرارت دادن به الکترود منتشر می شود). همان طور که انتظار می رود گیت ترمینال کنترل کننده است در حالی که جریان اصلی بین ترمینال های آند و کاتد جاری می شود. نماد مداری (شماتیک) تریستور یا SCR در شکل زیر مشخص شده است:

اگر تریستور در ولتاژ AC به کار برده شود حداکثر یک نیم سیکل را می تواند عبور دهد

تفاوت تریستور و رله

تریستورها مشابه رله عمل می کنند، همانگونه که در رله ها با اعمال ولتاژ به بوبین، کنتاکت باز رله بسته می شود، در تریستور نیز با اعمال ولتاژ به پایه های کاتد و گیت (Gate)، جریان بین پایه های آند و کاتد برقرار می شود که به آن جریان آند می گویند.

تریستور یا SCR چند تفاوت مهم با رله دارد که در زیر عنوان می گردد:

• رله یک کلید الکترومکانیکی است اما تریستور یک کلید الکترونیکی که صدا و جرقه تولید نمی‌کند.
• تریستور یا SCR یک کلید یک جهته است و جریان در آن همیشه از آند به سمت کاتد برقرار می شود؛ و اگر بخواهیم جریان دوطرفه داشته باشیم باید دو تریستور را به صورت برعکس با هم موازی کنیم.
• بر خلاف رله ها که با قطع ولتاژ بوبین رله خاموش می شود، تریستور با قطع ولتاژ گیتش خاموش نخواهد شد.

روشن و خاموش کردن تریستور یا SCR

روشن کردن تریستور یا SCR

برای اینکه تریستور در وضعیت هدایت قرار بگیرد باید شرایط زیر برقرار باشد:

• ولتاژ آند نسبت به کاتد مثبت باشد
• گیت یک پالس مثبت دریافت کند (ولتاژ گیت بیشتر از ولتاژ کاتد شود)
• برای روشن ماندن تریستور، جریان آند باید به اندازه کافی زیاد باشد

مدار آتش

مداری که پالس جریان گیت را تولید می‌کند مدار آتش می نامند. پس از روشن‌شدن تریستور، ولتاژ آند-کاتد بسیار ناچیز خواهد شد، به طوری که در مقاصد عملی ولتاژ آند-کاتد را تقریبا صفر در نظر می گیرند؛ و می‌توان گفت که تریستور در هنگام هدایت تقریباً مانند یک اتصال‌کوتاه عمل می‌کند. تریستور یا SCR بسیار سریع روشن می‌شود، به مدت‌زمان لازم برای روشن‌سازی تریستور زمان روشن‌سازی می‌گویند که با ton نمایش داده می‌شود و حدود ۱ تا ۳ میکروثانیه است. پهنای پالس اعمالی به جریان گیت که برای روشن‌شدن تریستور استفاده می‌شود حدود ۱۰ تا ۵۰ میکروثانیه است و دامنه ای حدود ۲۰ تا ۲۰۰ میلی آمپر دارد.

زاویه  آتش

برای شکل موج های متناوب ورودی می توان محور افقی را برحسب درجه از صفر تا ۳۶۰ تقسیم بندی کرد (معادل صفر تا ۲ پی رادیان). اگر شرط مثبت بودن آند نسبت به کاتد برقرار باشد، می توان پالس اعمالی به گیت را به گونه‌ای تنظیم کرد که در لحظه ای بخصوص از شکل موج ورودی تریستور روشن شود، که این لحظه معادل زاویه ای معین خواهد بود. به این زاویه، زاویهٔ آتش تریستور می‌گویند.

با تعیین زاویه آتش مناسب می توان مقدار مؤثر ولتاژ خروجی را تغییر داد که از آن در مدارهای کنترل دور موتورهای جریان مستقیم، یکسوکننده های کنترل‌شده و سافت استارترها استفاده می شود.

روشن‌سازی با تغییر ناگهانی ولتاژ

اگر به صورت ناگهانی ولتاژ مستقیم زیادی به تریستور اعمال شود، حتی بدون وجود جریان گیت، تریستور ممکن است روشن شود، این پدیده را روشن‌سازی dv/dt می‌نامند که ممکن است در عملکرد مدارها مشکل ایجاد کند. برای جلوگیری از این اتفاق از یک مدار حفاظتی RC ( اسنابر مقاومتی-خازنی ) به همراه تریستور یا SCR استفاده می شود.

برای خاموش کردن تریستوری که روشن‌شده است باید یکی از شرایط زیر برقرار شود:

• ولتاژ آند نسبت به کاتد منفی شود.
• جریان عبوری از آند قطع شود (به کمتر از مقدار بحرانی برسد)

اگر تریستور روشن شده باشد، با صفر شدن جریان گیت، خاموش نخواهد شد.

در روش اول خاموش کردن تریستور، دو پیوند از سه پیوند آن در گرایش معکوس قرار می گیرند و پیوند سوم گرایش مستقیم خواهد داشت، در این حالت تریستور جریان نشتی کمی از خود نشان می دهد. اگر ولتاژ معکوس بیش از حد زیاد شود و مقدار آن به ولتاژ فروپاشی معکوس برسد، پدیدهٔ بهمنی در تریستور رخ خواهد داد که در صورت محدود نشدن، بر اثر تلفات توان ممکن است به تریستور آسیب برسد.

در روش دوم، به جریان بحرانی آند که اگر از آن عبور کنیم تریستور خاموش می شود جریان نگهدارنده می گویند و آن را با Ih نمایش می دهند؛ در این حالت تریستور به حالت سدکنندهٔ مستقیم بازمی‌گردد.

مدار کموتاسیون

در روش اول خاموش کردن تریستور، دو پیوند از سه پیوند آن در گرایش معکوس قرار می گیرند و پیوند سوم گرایش مستقیم خواهد داشت، در این حالت تریستور جریان نشتی کمی از خود نشان می دهد. اگر ولتاژ معکوس بیش از حد زیاد شود و مقدار آن به ولتاژ فروپاشی معکوس برسد، پدیدهٔ بهمنی در تریستور رخ خواهد داد که در صورت محدود نشدن، بر اثر تلفات توان ممکن است به تریستور آسیب برسد.

در روش دوم، به جریان بحرانی آند که اگر از آن عبور کنیم تریستور خاموش می شود جریان نگهدارنده می گویند و آن را با Ih نمایش می دهند؛ در این حالت تریستور به حالت سدکنندهٔ مستقیم بازمی‌گردد.

مدتی طول می کشد تا تریستور بتواند دوباره ولتاژ مستقیم را سد کند. مدت زمان بین صف شدن جریان آند تا لحظهٔ آماده شدن تریستور برای سد ولتاژ مستقیم را زمان خاموش سازی تریستور می گویند.

زمان خاموش سازی

اگر بلافاصله پس از صفر شدن جریان آند تریستور، ولتاژ گرایش مستقیم به آن اعمال شود، حتی با وجود صفر بودن جریان گیت، تریستور ممکن است دوباره هدایت را آغاز کند. برای آنکه تریستور بتواند ولتاژ گرایش مستقیم را سد کند، باید برای مدت زمانی معین تریستور را در حالت گرایش معکوس قرار داد. این مدت‌زمان را که با toff نمایش می دهند، زمان خاموش سازی تریستور می گویند. به عبارت دیگر زمان خاموش سازی تریستور، حداقل زمانی است که از لحظهٔ صفر شدن جریان آند تا آمادگی تریستور برای سد ولتاژ مستقیم طول می کشد.

اگر زمان خاموش سازی تریستور بین ۵۰us تا ۱۰۰us باشد، تریستور در دستهٔ کلیدهای کند و اگر بین ۱۰us تا ۵۰us باشد تریستور در دستهٔ کلیدهای سریع قرار می گیرد.

زمان قطع مدار

به فاصلهٔ زمانی بین لحظهٔ صفر شدن جریان آند تا لحظهٔ اعمال دوبارهٔ ولتاژ مستقیم به دو آند و کاتد، زمان قطع مدار می گویند و آن را با tq نمایش می دهند. در مدارهای عملی باید طراحی به گونه ای انجام شود که زمان قطع مدار از زمان خاموش‌سازی دیود بیشتر باشد، یعنی tq>toff باشد؛ در غیر این صورت تریستور به صورت ناخواسته روشن خواهد شد که به این حالت کموتاسیون ناموفق می گویند.

تشخیص پایه های تریستور یا SCR

گیت به کاتد در گرایش مستقیم راه می دهد.  و در گرایش معکوس راه نمی دهد و در حالت معمولی، آند به کاتد راه نمی دهد.  از همین روش برای تشخیص پایه های آن می توان استفاده کرد.

یعنی دنبال پایه ای می گردیم که مانند یک دیود در حالت گرایش مستقیم عمل کند.  در این حالت ترمینال قرمز مولتی متر کاتد و ترمینال مشکی G را نشان می دهد.  و پایه باقی مانده آند است.

نکات ایمنی بکارگیری تریستور یا SCR

• هیچگاه نباید ولتاژی که تریستور در آن کار میکند بیش از ولتاژ تعریف شده ی( آند-کاتد) باشد.
• نباید بیش از جریان تعریف شده ی تریستور از آن جریان عبور داد.
• جریان گیت نباید از حد مجاز بیشتر شود

عملکرد سنسور در ربات

ترانزیستور چگونه کار می کند

روشهای مختلف تهیه فیبر مدار چاپی

خازن چیست؟

سرعت حرکت برق در سیم چقدر است؟