تریستور چیست؟

 

این قطعه (تریستور) به عنوان کلید به کار میرود. کلیدی که حرکت مکانیکی ندارد درنتیجه عمر آن طولانی تر است.

تریستور دارای سه پایه به نامهای (آندa) (کاتدk) و (گیتg) میباشد.

پایه های آند وکاتد در واقع دو سر یک کلید هستند و پایه ی گیت هم نقش شستی کلید را دارد که با زدن آن جریان الکتریکی قطع و وصل می شود.  تریستور فقط از یک سو میتواند جریان الکتریکی را هدایت کند. یعنی آند همیشه باید به طرف مثبت وکاتد به طرف منفی باشد.

باید به این نکته توجه کرد که اگر تریستور در ولتاژ AC به کار برده شود فقط نیم سیکل را عبور میدهد.  این قطعه در واقع کلیدی است که فقط در جریان DC دقیقآ مثل کلید معمولی عمل میکند و در جریان های AC مثل کلید معمولی عمل نمیکند.

طرز کار تریستور:

اگر پایه ی گیت را با یک مقا ومت یک لحظه به پایه ی آند وصل کنیم تریستور مثل کلید بسته عمل میکند (روشن می شود)،  و بعد از جدا کردن پایه ی گیت از مقا ومتی که طرف دیگر آن به آند خورده بود تریستور همچنان روشن خواهد ماند.

تریستور یک قطعه چهار لایه P-N-P-N است که مطابق شکل دارای پایه سومی به نام گیت میباشد. یک تریستور ????V‌، ???A بطور نمونه دارای یک برش سیلیکونی به قطر mm 30 و ضخامت ???mm است

تریستور را در این شرایط 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 کاتود ، مثبت است ، 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 .

چون در حالت انسداد معکوس تقریباً همه ولتاژ روی پیوند P-N آنود ظاهر می شود ،  پیوند P-N کاتود در ولتاژی حدود??V‌می شکند . هنگامی در جهت مستقیم شکست اتفاق می افتد ،‌ جریان لایه مرکزی P توسط الکترون های کاتود خنثی می شود و قطعه مانند یک دیود در حال رسانایی عمل میکند که دارای دو پیوند با افت ولتاژ ستقیم دو برابر یک دیود است . برای این که تریستور به حالت روشن رفته و در آن حالت باقی بماند ،‌  جریان آنود باید به سطح جریان تثبیت کننده برسد و از جریان نگهدارنده کمتر نشود . معمولاً جریان نگهدارنده است ،‌اما هر دو جریان نگهدارنده کمتر نشود . معمولاً جریان تثبیت کننده دو برابر جریان نگهدارنده است، اما هر دو جریان مقدار کمی دارند و کمتر از یک درصد مقدار نامی در بار کامل می باشند .

مشخصه بایاس معکوس تریستور:

مشخصه معکوس یعنی حالتی که کاتود ، مثبت است ، 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 . چون در حالت انسداد معکوس تقریباً همه ولتاژ روی پیوند P-N آنود ظاهر میشود ، پیوند P-N کاتود در ولتاژی حدود??V‌می شکند .  هنگامی در جهت مستقیم شکست اتفاق می افتد ،‌  جریان لایه مرکزی P توسط الکترون های کاتود خنثی می شود و قطعه مانند یک دیود در حال رسانایی عمل می کند که دارای دو پیوند با افت ولتاژ مستقیم دو برابر یک دیود است .
برای این که تریستور به حالت روشن رفته و در آن حالت باقی بماند ،‌  جریان آنود باید به سطح جریان تثبیت کننده برسد و از جریان نگهدارنده کمتر نشود .

معمولاً جریان تثبیت کننده دو برابر جریان نگهدارنده است ، اما هر دو جریان مقدار کمی دارند و کمتر از یک درصد مقدار نامی در بار کامل می باشند .

مشخصه بایاس مستقیم تریستور:

در حالت بایاس مستقیم ( هنگامی آنود مثبت است )  تریستور را می توان با تزریق جریان به گیت نسبت به کاتود منفی به حالت روشن برد .

خاموش کردن تریستور:

اگر پایه ی گیت منفی شود تریستور خاموش می شود. برای این کار میتوانیم یک پالس منفی به آن بدهیم.  اگر پایه ی گیت را با یک مقا ومت به پایه ی کاتد وصل کنیم تریستور خاموش خواهد شد.  در ضمن تریستور حداقل جریانی دارد و اگر جریان از آن حداقل کمتر شود آنگاه نیز تریستور خاموش میشود.

پس اگر تریستور را با دادن پالس مثبت به گیت آن روشن کردیم و سپس پایه ی گیت را جدا کردیم (به هیچ جا وصل نبود)،  تا زمانی که گیت را منفی نکردیم یا جریان عبوری از تریستور (آند_ کاتد تریستور) از حداقل کمتر نشده تریستور خاموش نمیشود.

هشدار:

۱- هیچگاه نباید ولتاژی که تریستور در آن کار میکند بیش از ولتاژ تعریف شده ی( آند-کاتد) باشد.

۲- نباید بیش از جریان تعریف شده ی تریستور از آن جریان عبور داد.

۳- جریان گیت نباید از حد مجاز بیشتر شود.{?}

تشخیص پایه های تریستور:

گیت به کاتد در گرایش مستقیم راه می دهد.  ودر 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 استنفاده 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 باقیمانده آند است.

انواع تریستورها در الکترونیک صنعتی:

هنوز هم در الکترونیک صنعتی در کاربردهای ولتاژ بالا و جریان بالا از تریستورها استفاده میکنیم.  انواع جدیدی از تریستورها ساخته شده که عبارتند از:

۱-Phase Control Thyristors – SCR

۲-Fast Switching Thyristors – SCR

۳-Gate Turn-off Thyristors – GTO

۴-Bidirectional Triode Thyristors – TRIAC

۵-Reverse Conducting Thyristors – RCT

۶-Static Induction Thyristors – SITH

۷-Light Activated Silicon Controlled Rectifiers – LASCR

۸-FET Controlled Thyristors – FET-CTH

۹-MOS Controlled Thyristors – MCT

 

۱- تریستورهای کنترل فاز(SCR)

این نوع تریستورها عموما درفرکانس خط کار میکنند و به وسیله کموتاسیون طبیعی خاموش می شوند.  زمان خاموش شدن ،درمحدوده ??تا??? میکرو ثانیه می باشد .  این تریستور بیشتر برای کلید زنی در سرعت های کم مناسب است .  نام دیگر این تریستورها تریستور مبدل میباشد.  از انجا که تریستور اصولا یک وسیله کنترل شده از جنس سیلیکون است ،  این دسته ازر تریستورها با نام یکسو کننده های کنترل شده سیلیکونی نیز شناخته میشوند.

۲- تریستورهای کلید زنی سریع(SCR)

در این نوع از تریستورها سرعت سوئیچ از ? تا ?? میکرو ثانیه است و کموتاسیون اجباری دارند.  هرجایی که نیاز به سرعت بالا در قطع و وصل باشد مثل اینورترها و یکسوکننده های دو جهته میتوان از آنها استفاده کرد .  افت ولتاژ مستقیم تریستور در حالت روشن ،  تقریبا تابع معکوسی از زمان خاموش شدن می باشد.این تریستور را تحت عنوان تریستور اینورتر نیز میشناسند .

۳- تریستور خاموش شونده با گیت (Gate-turn-off tryristor)

تریستور معمولی که بررسی شد ،  در سال های اخیر تکامل یافته و امروزه دو قطعه جدید از خانواده تریستورها،  یعنی تریستور نا متقارن و تریستور خاموش شونده با گیت در دسترس می باشد .

تریستور معمولی دارای دو پیوند P-N است که می تواند ولتاژ زیاد را در یک جهت یا جهت مقابل ، سد نماید .  این نکته لازمه اساسی برای کاربرد در مدارهای یکسو ساز است .  البته در مدارهای متناوب ساز به قابلیت سد کردن معکوس نیازی نیست ، نیز استفاده می شوند .

برای کاهش زمان بازیابی حالت سد کردن تریستور پس از خاموش شدن ،  سیلیکون می تواند نازکتر ساخته شود ، اما در این صورت قابلیت سد کردن ولتاژ معکوس آن از بین می رود. این قطعه را با نام تریستور نا متقارن می شناسد .  در مدارهای متناوب ساز یک دیود بصورت موازی با تریستور متصل میشود بنابراین از دست رفتن توانایی سد کردن ولتاژ معکوس اهمیتی ندارد ،  اما زمان کلیدزنی در قیاس با چند ده میکرو ثانیه در مورد تریستور معمولی به چند میکرو ثانیه کاهش می یابد.

تفاوت تریستور معمولی با تریستور خاموش شونده با گیت:

۱- تریستور معمولی را فقط می توان با صفر کردن جریان آنود خاموش کرد اما تریستور خاموش شونده با گیت همان طور که نامش پیداست ، با حذف جریان گیت خاموش می شود و مانند تریستور معمولی با تزریق جریان به گیت روشن می شود نماد مداری تریستور خاموش شونده با گیت، گسترشی از نماد تریستور معمولی است که نقش دو گانه پایه گیت در آن به نمایش در آمده است.

۲- در تریستور خاموش شونده با گیت ، هنگامی که جریان گیت وجود ندارد ،  مانند تریستور معمولی پیوند p – N مرکزی در مقابل ولتاژ مثبت آنود نسبت به کاتود مقاومت می کند اما مثل تریستور نامتقارن با ولتاژ معکوس کم با کاتود مثبت دچار شکست می شود .  GTO های سد کننده ولتاژ معکوس نیز در دسترس هستند اما این ویژگی به قیمت از دست دادن مقادیر نامی دیگر تمام می شود.  مثالی از کاربرد آن ها ، بار تشدیدی است . در یک بار تشدیدی ، GTO مانند تریستور معمولی اما با سرعت خاموشی بسیار زیاد مورد استفاده قرار می گیرد .

۳- شرایط روشن شدن تریستور خاموش شونده با گیت مانند تریستور معمولی است اما بعلت تفاوت ساختمان ، جریان تثبت کننده آن بیشتر است . حالت یک در میان گیت منجر به رسانایی سریع در سیلیکون می شود ، اما لازم است که جریان گیت مدت طولانی تری در سطح بالا نگه داشته شود تا عمل تثبت بطور اطمینان بخش انجام شود . برای پایین نگه داشتن افت ولتاژ آنود – کاتود هنگام رسانایی ، کمینه کردن جریان گیت مفید است . در غیر ایصورت و لتاژ حالت روشن و در نتیجهتلفات رسانایی کمی بیشتر از حد معمول است .

نکته:

بعلت سازوکار داخلی تکثیر حامل ها که خود نگهدار است و جریان آنود را در سطحی بالاتر از جریان تثبت کننده نگه می دارد ، تریستور پس از قطع جریان گیت در حالت روشن باقی می ماند . در تریستور خاموش شونده با گیت امکان متوقف کردن تکثیر حامل ها با برداشتن حفره ها از ناحیه P وجود دارد . این کار باعث می شود که ناحیه رسانایی به طرف نتاط آند N در زیر ناحیه ای که الکترود کاتود در دورترین فاصله از الکترود گیت قرار دارد فشرده شود ، تا این که تمام مسیرهای رسانایی قطع شوند .

هنگامی که جریان کاتود قطع شد، جریان گیت – آنود برای مدت کوتاهی برقرار می شود تا قطعه حالت انسداد خود را به دست آورد.  میزان جریان لازم گیت برای خاموش شدن در حدود یک پنجم تا یک سوم جریان آنود است که به مقدار چشمگیری بیشتر از جریان روشن شدن است.  زمان قطع در مقایسه با سایر تریستور ها کوتاه تر است.

هنگام روشن شدن ، جریانی به گیت تزریق می شود و هنگام خاموش شدن ، یک ولتاژ منفی در حدود ??V – روی گیت – کاتود می افتد که باعث حذف جریان گیت می شود.  این ولتاژ باید کمتر از ولتاژ شکست معکوس گیت – کاتود باشد و در ضمن به اندازه ای باشد که بار لازم برای خاموش شدن را بیرون بکشد.  خاموش شدن قطعه از نظر فیزیکی پیچیده است،  اما اساس کار بر خارج کردن سریع بارها به وسیله یک جریان گیت بالا، نزدیک به جریان آنود، استوار است.  این جریان در زمانی کمتر از یک میکرو ثانیه برقرار می شود.  برای محدود کردن آهنگ افزایش ولتاژ آنود هنگام خاموش شدن یک خازن اسنابر با تریستور موازی می شود.

۴- تریستورهای دوجهته یا تریاک(TRIAC)

تریاک وسیله ای است که میتواند در هر دوجهت هدایت کند وغالبا در کنترل فاز ac استفاده می شود.  هر تریاک را میتوان همانطور که در شکل زیر نمایش داده شده به
صورت اتصال موازی – معکوس دو SCRکه دارای گیت مشترک هستند، در نظر گرفت.  از انجایی که تریاک یک وسیله دوجهته است، پایه های ان نامی تحت عنوان کاتد یا آند ندارنداگر ترمینال MT2 نسبت به ترمینال MT1 مثبت باشد،  می توان با اعمال سیگنال مثبت به گیت بین پایه های گیت Gوتر مینالMT1 تریاک را روشن نمود.  برای رو شن کردن تریاک نیاز نیست که دوسیگنال مثبت و منفی برای گیت داشته باشیم و وجود یک سیگنال مثبت یا منفی کفایت میکند .

۵- تریستورها هدایت معکوس(RCT)

در بسیاری از مدارهای چاپر و اینورتر یک دیود بصورت موازی ومعکوس به یک تریستور متصل میشود تا نیاز خاموشی مدار کوتاسیون را بهبود بخشیده وامکان برقراری جریام معکوس ناشی از بار سلفی را فراهم کند.  دیود ، سطح ولتاژ ممانعت کننده معکوس تریستور را به یک تا دو ولت زیر مقدار حالت پایدار می اورد.  گرچه در شرایط گذرا ممکن است ولتاژ معکوس به خاطر ولتاژ القا شده در اندوکتانس پراکندگی مدار در قطعه به?? ولت برسد .

RCTقطعه ای است که مشخصه های عنصر را با نیاز مدار تطبق می دهد ومیتوان انرا همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است،  مشابه یک تریستور با یک دیود موازی معکوس در داخل ان در نظر گرفت . RCTتریستور نا متقارن نیز نامیده میشود. ولتاژ ممانعت کننده مستقیم بین ??? تا ???? ولت تغییر کرده وجریان میتواند تا ??? آمپر افزایش یابد .مقدار ولتاژ ممانعت کننده معکوس معمولا بین ?? تا ?? ولت است . از انجایی که نسبت جریان مستقیم گذرنده از تریستور به جریان معکوس دیود برای
یک قطعه مقدار ثابتی است،کاربردهای انها به طراحی مدار های خاص محدود میشود .

۶- تریستورهای القا استاتیک

این المان جدید که SITH نام دارد با اعمال یک پالس مثبت به گیتش روشن می شود،  و با اعمال یک پالس مثبت به گیتش خاموش میشود.

سرعتاین المان در حد ? تا ? میکرو ثانیه است که از بقیه انواع تریستورها سریعتر است.همچنین دارای dv/dt‌و di/dt قابل توجهی است.

۷-یکسو کننده های کنترل شده سیلیکونی فعال شونده با نور

این تریستور با تابش مستقیم نور به تراشه سیلیکونی روشن میشود . زوجهای حفره الکترونی که در اثر تابش نور ایجاد شده اند ، تحت تاثیر میدان الکتریکی جریان تریگر را تولید می کنند . ساختمان گیت طوری طراحی شده که به حد کافی گیت حساس باشد تا توسط منابع
نور عملی تریگر شود .

LASCR ها در کاربردهای جریان و ولتاژ بالا مورد استفاده قرار میگیرد.  برخی از این کاربردها عبارتند از: خط انتقال ولتاژ بالا وتصحیح توان راکتیو استاتیک در LASCRمیان منبع نوری محرک وقطعه کلید زنی مبدل توان، ایزولاسیون کامل الکتریکی وجود دارد. ولتاژ نامی این تریستورها میتواند تا?کیلو ولت در ????آمپر در شرایطی که توان منبع تریگر نوری کمتر از ???میلی وات باشد ،بالا رود .

۸- تریستورهای کنترل شوندهFET

یک عنصرFET – CTH از ترکیب موازی یک MOSFETویک تریستور همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است ،پدید می اید.  اگر ولتاژ کافی به گیت MOSFETاعمال شود (معمولا?ولت)یک جریان تحریک بطور داخلی برای تریستور تولید می شود .  این عنصر سرعت کلید زنی di/dtوdv/dt بالایی دارد . این عنصر می تواند مانند تریستورهای معمولی روشن گردد ، اما نمی توان آن را با کنترل گیت خاموش کرد .  کاربردهای این وسیله در مواردی است که باید از آتش کردن به وسیلع نور استفاده شود تا عایق سازی الکتریکی بین ورودی یا سیگنال کنترل وعنصر کلید زنی مبدل قدرت فراهم گردد

۹- تریستور کنترل شونده MOS

تریستور کنترل شونده MOS (MCT) خواص تریستور چهار لایه نوزا ویک ساختار گیت MOS راترکیب می کند . شمای یک MCT در شکل زیر نشان داده شده است .  ساختار NPNPرا می توان بایک ترانزیستور NPN،Q1 ویک ترانزیستورPNP،Q2نمایش داد . ساختار گیت MOSرا میتوان با یک MOSFETکانال P،M1 ویک MOSFET کانال n، M2 نمایش داد .

مشخصات خوب این المان عبارتند از:

سرعت سوئیچ بالا،تلفات توان کم،مقدار افت ولتاژ کم در حین هدایت و امپدانس ورودی بالااست .

مرجع:

۱- الکترونیک قدرت – تالیف:دکتر علی مطلبی و مهندس مهرزاد ازقندی

۲- الکترونیک قدرت -تالیف:پروفسورمحمد ه. رشید

بیشتر بخوانید :

اموزش نرم افزار پروتوس

ساخت مینی دریل با آرمیچر

ساختمان قطعات دیجیتال

مخابرات دیجیتال و آنالوگ

تجزیه و تحلیل مدار داخلی تلویزیون