یه مطلب را جع به تریستور


تریستور

تریستور (SCR)چيست؟
اين قطعه (تریستور)  به عنوان كليد به كار ميرود. كليدي كه حركت مكانيكي ندارد درنتيجه عمر آن طولاني تر است.
تريستور داراي سه پايه به نامهاي (آندa) (كاتدk) و (گيتg) ميباشد.
پايه هاي آند وكاتد در واقع دو سر يك كليد هستند و پايه ي گيت هم نقش شستي كليد را دارد كه با زدن آن جريان الكتريكي قطع و وصل مي شود.تريستور فقط از يك سو ميتواند جريان الكتريكي را هدايت كند. يعني آند هميشه بايد به طرف مثبت وكاتد به طرف منفي باشد.
بايد به اين نكته توجه كرد كه اگر تريستور در ولتاژ AC به كار برده شود فقط نيم سيكل را عبور ميدهد.اين قطعه در واقع كليدي است كه فقط در جريان DC دقيقآ مثل كليد معمولي عمل ميكند و در جريان هاي AC مثل كليد معمولي عمل نميكند.
اگر پايه ي گيت را با يك مقا ومت يك لحظه به پايه ي آند وصل كنيم تريستور مثل كليد بسته عمل ميكند (روشن مي شود) و بعد از جدا كردن پايه ي گيت از مقاومتي كه طرف ديگر آن به آند خورده بود تريستور همچنان روشن خواهد ماند.
تریستور یک قطعه چهار لایه P-N-P-N است که مطابق شکل دارای پایه سومی به نام گیت
می باشد. يك تريستور 2000V‌ ، 300A بطور نمونه داراي يك برش سيليكوني به قطر mm 30
و ضخامت 0.7mm است
تريستور را در اين شرايط مي توان به صورت اتصال سري سه ديود در نظر گرفت كه مانع هدايت جريان در هر دو جهت مي شوند . مشخصه معكوس يعني حالتي كه كاتود ، مثبت است ، تا زماني كه ولتاژ اعمال شده از ولتاژ شكست پيوند كنترل مركزي بيشتر نشود ، فقط جريان نشتي عبور خواهد كرد . ولتاژهاي شكست مستقيم و معكوس از نظر اندازه مساوي هستند . چون در حالت انسداد معكوس تقريباً همه ولتاژ روي پيوند P-N آنود ظاهر مي شود ، پيوند P-N كاتود در ولتاژي حدود10V‌مي شكند . هنگامي در جهت مستقيم شكست اتفاق مي افتد ،‌ جريان لايه مركزي P توسط الكترون هاي كاتود خنثي مي شود و قطعه مانند يك ديود در حال رسانايي عمل مي كند كه داراي دو پيوند با افت ولتاژ مستقيم دو برابر يك ديود است . براي اين كه تريستور به حالت روشن رفته و در آن حالت باقي بماند ،‌ جريان آنود بايد به سطح جريان تثبيت كننده برسد و از جريان نگهدارنده كمتر نشود . معمولاً جريان نگهدارنده است ،‌اما هر دو جريان نگهدارنده كمتر نشود . معمولاً جريان تثبيت كننده دو برابر جريان نگهدارنده است ، اما هر دو جريان مقدار كمي دارند و كمتر از يك درصد مقدار نامي در بار كامل مي باشند  .

مشخصه بایاس معکوس تریستور:
مشخصه معكوس يعني حالتي كه كاتود ، مثبت است ، تا زماني كه ولتاژ اعمال شده از ولتاژ شكست پيوند كنترل مركزي بيشتر نشود ، فقط جريان نشتي عبور خواهد كرد . ولتاژهاي شكست مستقيم و معكوس از نظر اندازه مساوي هستند . چون در حالت انسداد معكوس تقريباً همه ولتاژ روي پيوند P-N آنود ظاهر مي شود ، پيوند P-N كاتود در ولتاژي حدود10V‌مي شكند . هنگامي در جهت مستقيم شكست اتفاق مي افتد ،‌ جريان لايه مركزي P توسط الكترون هاي كاتود خنثي مي شود و قطعه مانند يك ديود در حال رسانايي عمل مي كند كه داراي دو پيوند با افت ولتاژ مستقيم دو برابر يك ديود است . براي اين كه تريستور به حالت روشن رفته و در آن حالت باقي بماند ،‌ جريان آنود بايد به سطح جريان تثبيت كننده برسد و از جريان نگهدارنده كمتر نشود .
معمولاً جريان تثبيت كننده دو برابر جريان نگهدارنده است ، اما هر دو جريان مقدار كمي دارند و كمتر از يك درصد مقدار نامي در بار كامل مي باشند  .

مشخصه باياس مستقيم تریستور:
در حالت باياس مستقيم ( هنگامي آنود مثبت است ) تريستور را مي توان با تزريق جريان به گيت نسبت به كاتود منفي به حالت روشن برد .  

خاموش كردن تريستور:
اگر پايه ي گيت منفي شود تريستور خاموش مي شود. براي اين كار ميتوانيم يك پالس منفي به آن بدهيم. اگر پايه ي گيت را با يك مقا ومت به پايه ي كاتد وصل كنيم تريستور خاموش خواهد شد. در ضمن تريستور حداقل جرياني دارد و اگر جريان از آن حداقل كمتر شود آنگاه نيز تريستور خاموش ميشود.
پس اگر تريستور را با دادن پالس مثبت به گيت آن روشن كرديم و سپس پايه ي گيت را جدا كرديم (به هيچ جا وصل نبود) تا زماني كه گيت را منفي نكرديم يا جريان عبوري از
تريستور (آند_ كاتد تريستور) از حداقل كمتر نشده تريستور خاموش نميشود.{7}

هشدار:

1- هيچگاه نبايد ولتاژي كه تريستور در آن كار ميكند بيش از ولتاژ تعريف شده ي( آند- كاتد) باشد.
2- نبايد بيش از جريان تعريف شده ي تريستور از آن جريان عبور داد.
3- جريان گيت نبايد از حد مجاز بيشتر شود.{7}

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 .{3}

 

انواع تریستورها در الکترونیک صنعتی:
هنوز هم در الكترونيك صنعتي در كاربردهاي ولتاژ بالا و جريان بالا از تريستورها استفاده ميكنيم.انواع جديدي از تريستورها ساخته شده كه عبارتند از:{4}

1-Phase Control Thyristors (SCR)
2-Fast Switching Thyristors (SCR)
3-Gate Turn-off Thyristors (GTO)
4-Bidirectional Triode Thyristors (TRIAC)
5-Reverse Conducting Thyristors (RCT)
6-Static Induction Thyristors (SITH)
7-Light Activated Silicon Controlled Rectifiers (LASCR)
8-FET Controlled Thyristors (FET-CTH)
9-MOS Controlled Thyristors (MCT)

   1 – تریستورهای کنترل فاز(SCR)

این نوع تریستورها عموما درفرکانس خط کار میکنند و به وسیله کموتاسیون طبیعی خاموش می شوند.زمان خاموش شدن ،درمحدوده 50تا100 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.{2}

2- تریستورهای کلید زنی سریع(SCR)

در اين نوع از تريستورها سرعت سوئيچ از 5 تا 50 ميكرو ثانيه است و كموتاسيون اجباري دارند.هرجايي كه نياز به سرعت بالا در قطع و وصل باشد مثل اينورترها و يكسوكننده هاي دو جهته ميتوان از آنها استفاده كرد . 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 .

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

تريستور معمولي كه بررسي شد ، در سال هاي اخير تكامل يافته و امروزه دو قطعه جديد از خانواده تريستورها يعني تريستور نا متقارن و تريستور خاموش شونده با گيت در دسترس مي باشد .

تريستور معمولي داراي دو پيوند P-N است كه مي تواند ولتاژ زياد را در يك جهت يا جهت مقابل ، سد نمايد . اين نكته لازمه اساسي براي كاربرد در مدارهاي يكسو ساز است . البته در مدارهاي متناوب ساز به قابليت سد كردن معكوس نيازي نيست ، نيز استفاده مي شوند .

براي كاهش زمان بازيابي حالت سد كردن تريستور پس از خاموش شدن ، سيليكون مي تواند نازكتر ساخته شود ، اما در اين صورت قابليت سد كردن ولتاژ معكوس آن از بين مي رود . اين قطعه را با نام تريستور نا متقارن مي شناسد . در مدارهاي متناوب ساز يك ديود بصورت موازي با تريستور متصل
مي شود بنابراين از دست رفتن توانايي سد كردن ولتاژ معكوس اهميتي ندارد ، اما زمان كليدزني در قياس با چند ده ميكرو ثانيه در مورد تريستور معمولي به چند ميكرو ثانيه كاهش مي يابد .

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 .

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 .

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 نتیجه

تلفات رسانایی کمی بیشتر از حد معمول است . 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 10V – 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 . {6}


4- 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 MT2نسبت به ترمینال MT1مثبت 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 .

- 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 به30 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 400 تا 2000 ولت تغییر کرده وجریان میتواند تا 500 آمپر افزایش یابد .مقدار ولتاژ ممانعت کننده معکوس معمولا بین 30 تا 40 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 .  

6-  تریستورهای القا  استاتیک

اين المان جديد كه SITH نام دارد با اعمال يك پالس مثبت به گيتش روشن شده و با اعمال يك پالس مثبت به گيتش خاموش ميشود.
سرعت اين المان در حد 1 تا 5 ميكرو ثانيه است كه از بقيه انواع تريستورها سريعتر است.همچنين داراي dv/dt‌و di/dt قابل توجهي است.
7-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 تا4کیلو ولت در 1500آمپر در شرایطی که توان منبع تریگر نوری کمتر از 100میلی وات باشد ،بالا رود .  

8- 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 (معمولا3ولت)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

- 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 اين المان عبارتند از:
سرعت سوئيچ بالا،تلفات توان كم،مقدار افت ولتاژ كم در حين هدايت و امپدانس ورودي بالااست .{4}