تریستورها المان‌هایی حالت جامد (solid-state) با سرعت بالا هستند که می‌توانند برای کنترل موتورها، هیترها و لامپ‌ها استفاده شوند.
در مقاله قبلی به ساخت و عملکرد اولیه یکسوکننده کنترل‌شده سیلیکونی که بیشتر به عنوان تریستور شناخته میشود، پرداختیم. در این مقاله به این موضوع خواهیم پرداخت که چگونه می‌توانیم از تریستور و مدارهای سوییچینگ تریستور برای کنترل بارهای بسیار بزرگتر مانند لامپ‌ها، موتورها یا هیترها استفاده کنیم.
۱. تریستور معمولی
قبلاً گفتیم که برای روشن کردن تریستور باید یک پالس تحریک کوچک جریان (نه جریان پیوسته) را به ترمینال گیت (G) تزریق کنیم، زمانی که تریستور در بایاس مستقیم بوده که آند (A) نسبت به کاتد (K) مثبت است، برای اینکه قفل احیاکننده (regenerative latching) رخ دهد.
به طور کلی، این پالس تحریک تنها باید چند میکروثانیه طول بکشد، اما هرچه پالس گیت طولانی‌تر اعمال شود، شکست بهمنی داخلی سریع‌تر رخ میدهد و زمان روشن شدن تریستور سریع‌تر است، اما از حداکثر جریان گیت نباید تجاوز کرد. پس از راه‌اندازی و هدایت کامل، افت ولتاژ در تریستور، آند به کاتد، تقریباً در حدود ۱.۰ ولت برای تمام مقادیر جریان آند تا مقدار نامی آن ثابت است.
اما به یاد داشته باشید که هنگامی که یک تریستور شروع به هدایت میکند، حتی بدون سیگنال گیت به هدایت خود ادامه میدهد تا زمانی که جریان آند از جریان نگهدارنده دستگاه (IH) کمتر شود و زیر این مقدار به طور خودکار خاموش شود. بر خلاف ترانزیستورهای دوقطبی و FET، تریستورها را نمی‌توان برای تقویت یا سوئیچینگ کنترل‌شده استفاده کرد.
تریستورها قطعاتی نیمه‌هادی هستند که به طور خاص برای استفاده در کاربردهای سوییچینگ با توان بالا طراحی شده‌اند و توانایی یک تقویت‌کننده را ندارند. تریستورها فقط می‌توانند در حالت سوئیچینگ، مانند یک کلید باز یا بسته عمل کنند. هنگامی که تریستور توسط ترمینال گیت خود وارد رسانایی شود، همیشه رسانا (عبور دهنده جریان) باقی می‌ماند. بنابراین در مدارهای DC و برخی مدارهای AC بسیار القایی، جریان باید به طور مصنوعی توسط یک کلید جداگانه کاهش یابد یا مدار خاموش شود.
مدار تریستور DC
هنگامی که به منبع جریان مستقیم DC متصل میشود، تریستور می‌تواند به عنوان یک کلید DC برای کنترل جریان‌ها و بارهای DC بزرگ استفاده شود. تریستور در هنگام استفاده به عنوان سوئیچ، مانند یک قفل الکترونیکی عمل میکند زیرا پس از فعال شدن، در حالت “روشن” باقی می‌ماند تا زمانی که به صورت دستی تنظیم شود. مدار تریستور DC را در زیر در نظر بگیرید.
مدار سوئیچینگ تریستور DC
2. مدار سوئیچینگ تریستور DC
این مدار روشن و خاموش تریستوری ساده، از تریستور به عنوان کلیدی برای کنترل لامپ استفاده میکند، اما می‌تواند به عنوان مدار کنترل روشن و خاموش برای موتور، گرم‌کننده یا سایر بارهای DC دیگر نیز استفاده شود. تریستور بایاس مستقیم است و با بستن کوتاه دکمه فشاری «روشن»S۱ معمولاً باز، که ترمینال گیت را از طریق مقاومت گیت RG به منبع DC متصل کرده و بنابراین جریان در گیت جریان می‌یابد، هدایت میشود. اگر مقدار RG نسبت به ولتاژ تغذیه بیش از حد بالا باشد، تریستور ممکن است راه‌اندازی نشود.
هنگامی که مدار “روشن” شد، خود به خود قفل شده و “روشن” می‌ماند حتی زمانی که دکمه فشاری رها میشود به شرط اینکه جریان بار بیشتر از جریان قفل‌کننده تریستور باشد. عملیات اضافی دکمه فشاری S1 هیچ تاثیری بر وضعیت مدار نخواهد داشت زیرا پس از “قفل‌شدن”، گیت تمام کنترل خود را از دست میدهد. اکنون تریستور کاملاً روشن است (رسانا) و اجازه میدهد جریان مدار بار کامل از دستگاه در جهت مستقیم عبور کرده و به منبع باتری برگشت کند.
یکی از مزایای اصلی استفاده از تریستور به عنوان کلید در مدار DC این است که دارای بهره جریان بسیار بالایی است. تریستور دستگاهی است که با جریان کار می کند زیرا یک جریان گیت کوچک می‌تواند جریان آند بسیار بزرگتری را کنترل کند.
مقاومت گیت-کاتد RGK به طور کلی برای کاهش حساسیت گیت و افزایش قابلیت dv/dt آن در نظر گرفته شده است و در نتیجه از تحریک کاذب دستگاه جلوگیری میکند.
از آنجایی که تریستور به حالت “روشن” قفل شده است، مدار فقط با قطع منبع تغذیه و کاهش جریان آند به کمتر از مقدار حداقل جریان نگهدارنده تریستور (IH)، قابل تنظیم مجدد است.
باز کردن دکمه فشاری “خاموش” S2 که معمولاً بسته است، مدار را می‌شکند و جریان مدار را که از تریستور می‌گذرد به صفر می‌رساند، بنابراین آن را مجبور میکند تا زمانی که سیگنال گیت دیگری اعمال شود، “خاموش” کند.
با این حال، یکی از معایب این طراحی مدار تریستور DC این است که کلید مکانیکی معمولا خاموش S2 باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا بتواند توان مدار را که از تریستور و لامپ در هنگام باز شدن کنتاکت‌ها عبور میکند، کنترل کند. در این صورت می‌توانیم تریستور را با یک کلید مکانیکی بزرگ جایگزین کنیم. یکی از راه‌های غلبه بر این مشکل و کاهش نیاز به کلید «خاموش» قوی‌تر، اتصال سوئیچ به صورت موازی با تریستور مطابق شکل است.
مدار تریستور DC جایگزین
3. مدار تریستور DC جایگزین
در اینجا سوئیچ تریستور ولتاژ ترمینال و سیگنال پالس گیت مورد نیاز را مانند قبل دریافت میکند، اما کلید معمولا بسته بزرگ مدار قبلی با یک کلید معمولا باز کوچکتر به موازات تریستور جایگزین شده است. فعال سازی کلید S2 به صورت لحظه‌ای یک اتصال کوتاه بین تریستورهای آند و کاتد ایجاد میکند و با کاهش جریان نگهدارنده به کمتر از مقدار آن، هدایت دستگاه را متوقف میکند.
مدار تریستور AC
هنگامی که به منبع AC جریان متناوب متصل میشود، تریستور رفتار متفاوتی با مدار قبلی اتصال DC دارد. به این دلیل که برق AC قطبیت را به صورت دورهای معکوس میکند و بنابراین هر تریستور مورد استفاده در مدار AC به طور خودکار بایاس معکوس شده و باعث میشود در نیمی از هر چرخه خاموش شود. مدار تریستور AC را در زیر در نظر بگیرید.
4. مدار تریستور AC
مدار تریستور فوق از نظر طراحی شبیه به مدار DC SCR است به جز حذف کلید “خاموش” اضافی و گنجاندن دیود D۱ که از اعمال بایاس معکوس به گیت جلوگیری میکند. در طول نیم سیکل مثبت شکل موج سینوسی، دستگاه بایاس مستقیم است اما با باز بودن کلید S1، جریان گیت صفر به تریستور اعمال میشود و “خاموش” باقی می‌ماند. در نیم سیکل منفی، قطعه بایاس معکوس است و بدون توجه به وضعیت سوئیچ S1، “خاموش” باقی می‌ماند.
اگر کلید S1 بسته باشد، در ابتدای هر نیم سیکل مثبت تریستور کاملاً خاموش است اما مدت کوتاهی پس از آن، ولتاژ تحریک مثبت و در نتیجه جریان کافی در گیت وجود خواهد داشت تا تریستور و لامپ را روشن کند.
اکنون تریستور برای مدت نیم سیکل مثبت در حالت “روشن” قفل شده و هنگامی که نیم سیکل مثبت به پایان می‌رسد و جریان آند به زیر مقدار جریان نگهدارنده می‌رسد، به طور خودکار دوباره “خاموش” میشود.
در طول نیم سیکل منفی بعدی، دستگاه در هر صورت کاملاً خاموش است تا نیم سیکل مثبت بعدی که فرآیند تکرار میشود و تا زمانی که سوئیچ بسته است، تریستور دوباره هدایت میکند.
بنابراین، در این شرایط لامپ تنها نیمی از توان موجود را از منبع AC دریافت میکند زیرا تریستور مانند یک دیود یکسوکننده عمل میکند و جریان را فقط در نیم سیکل‌های مثبت هنگامی که بایاس مستقیم است هدایت میکند. تریستور تا زمانی که سوئیچ باز شود به تامین نیمی از توان لامپ ادامه میدهد.
اگر امکان روشن و خاموش کردن سریع کلید S1 وجود داشت، به طوری که تریستور سیگنال گیت خود را در نقطه “پیک” (90 درجه) هر نیم سیکل مثبت دریافت می‌کرد، دستگاه فقط نیمی از نیم چرخه مثبت را هدایت می‌کرد. به عبارت دیگر، هدایت فقط در طول نیمی از نصف موج سینوسی انجام می‌شد و این شرایط باعث می‌شد لامپ “یک چهارم” کل توان موجود از منبع AC را دریافت کند.
با تغییر دقیق رابطه زمانی بین پالس گیت و نیم سیکل مثبت، تریستور می‌تواند هر درصدی، بین ۰ تا ۵۰ درصد، از توان مورد نظر را برای بارتامین کند. بدیهی است که با استفاده از این پیکربندی مدار، نمی‌توان بیش از ۵۰ درصد توان را به لامپ منتقل کرد، زیرا در نیمه‌سیکل‌های منفی زمانی که بایاس معکوس است، هدایت نمی‌کند. مدار زیر را در نظر بگیرید.
کنترل فاز نیمه موج با تریستور
۵. کنترل فاز نیمه موج با تریستور
کنترل فاز رایج‌ترین شکل کنترل برق AC تریستور است و یک مدار کنترل فاز AC اولیه را می‌توان مطابق شکل بالا ساخت. در اینجا، ولتاژ گیت تریستورها از مدار شارژ RC و از طریق دیود تحریک D۱، گرفته شده است.
در طول نیم سیکل مثبت زمانی که تریستور بایاس مستقیم است، خازن C از طریق مقاومت R۱ و ولتاژ تغذیه AC شارژ میشود. گیت تنها زمانی فعال میشود که ولتاژ در نقطه A به اندازه‌ای افزایش یابد که باعث هدایت دیود تحریک D۱ شود و خازن در گیت تریستور تخلیه شده و آن را “روشن” کند. مدت زمان در نیمه مثبت چرخه‌ای که در آن هدایت شروع میشود، توسط ثابت زمانی RC تنظیم شده توسط مقاومت متغیر R۱ کنترل میشود.
افزایش مقدار R۱ باعث تأخیر در ولتاژ راه‌اندازی و جریان وارد شده به گیت تریستور میشود که به نوبه خود باعث تاخیر در زمان هدایت دستگاه میشود. در نتیجه، کسری از نیم چرخه‌ای که دستگاه طی آن هدایت میکند را می‌توان بین ۰ تا ۱۸۰ درجه کنترل کرد، بدین معنی که میانگین توان تلف شده توسط لامپ را می‌توان تنظیم کرد. با این حال، تریستور یک دستگاه یک جهته است، بنابراین تنها حداکثر ۵۰٪ توان را می‌توان در طول هر نیم چرخه مثبت تامین کرد.
راه‌های مختلفی برای دستیابی به کنترل AC تمام موج 100٪ با استفاده از “تریستور” وجود دارد. یک راه این است که یک تریستور را در مدار یکسوکننده پل دیودی قرار دهیم که جریان متناوب را از طریق تریستور به یک جریان یک طرفه تبدیل میکند، در حالی که روش رایج‌تر استفاده از دو تریستور است که به صورت موازی معکوس متصل شده‌اند. یک رویکرد عملی‌تر استفاده از یک ترایاک (Triac) است زیرا این قطعه می‌تواند در هر دو جهت فعال شود، بنابراین آن را برای برنامه‌های سوئیچینگ AC مناسب میکند.
دیدگاه خود را بنویسید