مبانی تریستور

از بسیاری جهات، یکسوکننده کنترل­‌شده سیلیکونی (SCR) که بیشتر به عنوان تریستور  شناخته می­‌شود، شبیه به ترانزیستور است

یکسوکننده کنترل­‌شده سیلیکونی یک المان نیمه هادی چند لایه است، از این رو “سیلیکون” قسمتی از نام آن است. برای روشن شدن به یک سیگنال گیت نیاز دارد تا آن را “روشن” کند، بخش “کنترل‌­شده” نام آن، و زمانی که “روشن” شود مانند یک دیود یکسوکننده، قسمت “یکسو کننده” نام آن، رفتار می‌­کند. در واقع نماد مداری برای تریستور نشان می­‌دهد که این دستگاه مانند یک دیود یکسوکننده کنترل­‌شده عمل می­‌کند.

۱. تریستور یک المان نیمه هادی چهار لایه

با این حال، بر خلاف دیود پیوندی (junction diode) که یک المان نیمه هادی دو لایه (P-N) است، یا ترانزیستور دوقطبی رایج که یک المان سوئیچینگ سه لایه (P-N-P، یا N-P-N) است، تریستور یک قطعه نیمه‌هادی چهار لایه (P-N-P-N) است که شامل سه اتصال PN به صورت سری است و با نماد نشان داده شده، نمایش داده می­‌شود.

مانند دیود، تریستور هم یک طرفه است، یعنی فقط جریان را در یک جهت هدایت می‌کند ‌. اما برخلاف دیود، تریستور می­‌تواند بسته به نحوه عملکرد به عنوان یک سوییچ مدار باز یا به عنوان یک دیود یکسوکننده، بسته به اینکه گیت تریستور چگونه تحریک شود، عمل کند. به عبارت دیگر، تریستورها فقط در حالت سوئیچینگ می‌­توانند کار کنند و نمی‌­توان از آنها برای تقویت استفاده کرد.

یکسوکننده کنترل­‌شده سیلیکونی SCR، یکی از چندین المان نیمه‌هادی قدرت به همراه تریاک‌­ها (Triacs) یا همان سه­‌پایه AC (Triode AC’s)، دیاک‌­ها (Diacs) یا همان دیودهای AC (Diode AC’s) و UJT یا ترانزیستور تک پیوندی (Unijunction Transistor) هستند که همگی قادرند مانند کلیدهای AC حالت جامد (solid state) بسیار سریع برای کنترل ولتاژها و جریانات AC بزرگ عمل کنند. بنابراین برای دانشجوهای الکترونیک، این قطعات حالت جامد برای کنترل موتورهای AC، لامپ‌ها و کنترل فاز بسیار کاربردی هستند.

تریستور یک قطعه سه ترمینالی است که دارای برچسب‌های آند، کاتد و گیت است و از سه اتصال PN تشکیل شده است که می‌توان آن را با سرعتی بسیار سریع روشن و خاموش کرد و یا می‌توان آن را برای مدت زمان متغیر در نیم سیکل برای رساندن مقدار انتخابی توان به یک بار، روشن کرد. عملکرد تریستور را می­‌توان با فرض اینکه از دو ترانزیستور تشکیل شده که پشت به پشت به عنوان یک جفت کلیدهای احیا­کننده (regenerative) مکمل تشکیل شده‌­اند، توضیح داد.

مقایسه دو ترانزیستوری تریستورها

۲. مقایسه دو ترانزیستوری تریستورها

مدار معادل دو ترانزیستوری نشان می‌­دهد که جریان کلکتور ترانزیستور NPN، TR2، مستقیماً بیس ترانزیستور PNP، TR1، را تغذیه می­‌کند، در حالی که جریان کلکتور TR1 بیس TR2 را تغذیه می­‌کند. این دو ترانزیستور متصل، برای رسانایی به یکدیگر متکی هستند زیرا هر ترانزیستور جریان بیس-امیتر خود را از جریان کلکتور-امیتر دیگری دریافت می‌­کند. بنابراین، تا زمانی که به یکی از ترانزیستورها مقداری جریان بیس داده نشود، هیچ اتفاقی نمی‌­افتد حتی اگر ولتاژ آند به کاتد وجود داشته باشد.

هنگامی که ترمینال آند تریستور نسبت به کاتد منفی است، اتصال N-P مرکزی بایاس مستقیم است، اما دو اتصال P-N بیرونی بایاس معکوس هستند و بسیار شبیه یک دیود معمولی عمل می‌­کند. بنابراین یک تریستور جریان معکوس را مسدود می­‌کند تا زمانی که سطح ولتاژ از نقطه ولتاژ شکست دو اتصال بیرونی فراتر رود و تریستور بدون اعمال سیگنال گیت هدایت کند.

این یک ویژگی منفی مهم تریستور است، زیرا تریستورها می­‌توانند به طور ناخواسته توسط یک اضافه ولتاژ معکوس و همچنین دمای بالا یا افزایش سریع ولتاژ dv/dt، مانند یک میخ هدایت کنند.

اگر ترمینال آند نسبت به کاتد مثبت شود، دو اتصال P-N بیرونی اکنون بایاس مستقیم هستند اما اتصال N-P مرکزی بایاس معکوس است. بنابراین جریان مستقیم نیز مسدود می­‌شود. اگر جریان مثبتی به بیس ترانزیستور NPN، TR2، تزریق شود، جریان کلکتور حاصل در بیس ترانزیستور TR1 جریان می­‌یابد. این به نوبه خود باعث می­‌شود که یک جریان کلکتور در ترانزیستور PNP، TR1، جریان یابد که جریان بیس TR2 را افزایش می‌­دهد.

۳. تریستور معمولی

دو ترانزیستور به سرعت یکدیگر را وادار می­‌کنند تا به حالت اشباع بروند زیرا در یک حلقه فیدبک سازنده متصل می­‌شوند که نمی­‌تواند متوقف شود. هنگامی که به حالت هدایت رفت، جریانی که از طریق دستگاه بین آند و کاتد عبور می‌کند تنها با مقاومت مدار خارجی محدود می‌شود، زیرا مقاومت حالت مستقیم دستگاه در هنگام هدایت می‌تواند به اندازه ۱ اهم کم باشد، بنابراین افت ولتاژ و تلفات توان نیز کم است.

بنابراین می‌­بینیم که یک تریستور جریان را در هر دو جهت منبع AC در حالت “خاموش” مسدود می‎­کند و می­‌تواند “روشن” شده و با اعمال جریان مثبت به بیس ترانزیستور TR2، که برای یک یکسوساز کنترل­‌شده سیلیکونی ترمینال “گیت” نامیده می­‌شود، مانند یک دیود یکسو­کننده معمولی عمل کند.

منحنی‌های مشخصه‌های ولتاژ-جریان I-V برای عملکرد یکسوساز کنترل‌شده سیلیکونی به شرح زیر است:

منحنی های مشخصه‌های I-V تریستور ‌

۴. منحنی جریان ولتاژ تریستور

هنگامی که تریستور “روشن” شده و جریان را در جهت مستقیم (آند مثبت) می­‌گذراند، سیگنال گیت به دلیل عمل قفل احیا­کننده (regenerative latching action) دو ترانزیستور داخلی، کنترل خود را از دست می‌­دهد. اعمال هرگونه سیگنال گیت یا پالس پس از شروع احیا، هیچ تاثیری نخواهد داشت زیرا تریستور از قبل رسانا و کاملاً روشن است.

برخلاف ترانزیستور، SCR نمی­‌تواند به گونه‌­ای بایاس شود تا در یک منطقه فعال در امتداد یک خط بار بین حالت‌­های مسدود (blocking) و اشباع باقی بماند. دامنه و مدت پالس «روشن» گیت تأثیر کمی بر عملکرد دستگاه دارد زیرا هدایت به صورت داخلی کنترل می­‌شود. بنابراین اعمال یک پالس گیت لحظه‌­ای به دستگاه برای هدایت آن کافی است و حتی اگر سیگنال گیت به طور کامل حذف شود، برای همیشه روشن باقی می­‌ماند.

بنابراین تریستور را می‌توان به‌عنوان یک قفل بایستبل (Bistable) با دو حالت پایدار «خاموش» یا «روشن» در نظر گرفت. به این دلیل که بدون اعمال سیگنال گیت، یکسوکننده کنترل شده سیلیکونی جریان را در هر دو جهت شکل موج AC مسدود می­‌کند و هنگامی که به حالت رسانایی رفت، عمل قفل احیا­کننده به این معنی است که فقط با استفاده از گیت نمی­‌توان آن را دوباره خاموش کرد.

پس چگونه تریستور را خاموش کنیم؟ هنگامی که تریستور به حالت “روشن” خود قفل شد و جریانی را عبور داد، تنها با حذف کامل ولتاژ تغذیه و در نتیجه جریان آند (IA) یا با کاهش جریان آند به کاتد به وسیله برخی ابزارهای خارجی (مثلاً باز شدن یک کلید) تا کمتر از مقداری که معمولاً “حداقل جریان نگهدارنده” IH نامیده می‌­شود، می­‌توان دوباره آن را خاموش کرد.

بنابراین، جریان آند باید به اندازه کافی برای اتصالات pn قفل شده داخلی تریستورها، کمتر از این حداقل سطح نگه داشته شود تا حالت مسدود خود را قبل از اینکه یک ولتاژ مستقیم مجدداً به دستگاه اعمال شود بازیابد، بدون اینکه خود رسانا شود. بدیهی است برای اینکه تریستور در وهله اول جریان آند خود را که جریان بار  ILآن نیز می­‌باشد، هدایت کند، باید از مقدار جریان نگهدارنده آن بیشتر باشد، یعنی IL > IH.

از آنجایی که تریستور این توانایی را دارد که هر زمان که جریان آند کمتر از این مقدار نگهدارنده شد، “خاموش” شود، بنابراین وقتی در منبع AC سینوسی استفاده می‌­شود، SCR به طور خودکار در مقداری نزدیک به نقطه تقاطع هر نیم سیکل، خود را خاموش می­‌کند و همانطور که اکنون می­‌دانیم، تا زمانی که پالس تحریک گیت بعدی اعمال شود، “خاموش” باقی می‌­ماند.

از آنجایی که یک ولتاژ سینوسی AC به طور پیوسته در قطبیت از مثبت به منفی در هر نیم چرخه تغییر می‌­کند، به تریستور اجازه می­‌دهد تا در نقطه 180 درجه شکل موج مثبت، “خاموش” شود. این اثر به عنوان “تغییر طبیعی” (natural commutation) شناخته می‌­شود و یک ویژگی بسیار مهم یکسو­کننده کنترل‌­شده سیلیکونی است.

برای تریستورهای مورد استفاده در مدارهایی که از منابع DC تغذیه می­‌شوند، این شرایط تغییر طبیعی نمی‌­تواند رخ دهد زیرا ولتاژ تغذیه DC پیوسته است، بنابراین راه دیگری برای خاموش کردن تریستور باید در زمان مناسب ارائه شود چون پس از فعال شدن، رسانا باقی می‌­ماند.

با این حال در مدارهای سینوسی AC تغییر طبیعی هر نیم سیکل اتفاق می­‌افتد. بنابراین، در طول نیم سیکل مثبت یک شکل موج سینوسی AC، تریستور بایاس مستقیم (آند مثبت) می­‌شود و آن را می­‌توان با استفاده از سیگنال یا پالس گیت روشن کرد. در طول نیم سیکل منفی، آند منفی می‌­شود در حالی که کاتد مثبت است. تریستور توسط این ولتاژ، بایاس معکوس می­‌شود و حتی در صورت وجود سیگنال گیت نمی‌­تواند هدایت کند.

بنابراین، با اعمال سیگنال گیت در زمان مناسب در طول نیمه مثبت شکل موج AC، تریستور را می­‌توان تا پایان نیم سیکل مثبت به حالت رسانا برد. در نتیجه، کنترل فاز (همانطور که نامیده می­‌شود) می­‌تواند برای راه‌اندازی تریستور در هر نقطه در امتداد نیمه مثبت شکل موج AC استفاده شود و یکی از کاربردهای فراوان یکسوساز کنترل­‌شده سیلیکونی در کنترل توان سیستم‌­های AC همانطور که نشان داده شده است.

کنترل فاز تریستور

۵. کنترل فاز تریستور

در شروع هر نیم چرخه مثبت، SCR خاموش است. با استفاده از پالس گیت، SCR به حالت هدایت می­‌رود و در طول چرخه مثبت کاملاً قفل‌­شده “روشن” می­‌ماند. اگر تریستور در ابتدای نیم چرخه (θ = 0o) راه­‌اندازی شود، بار (لامپ) برای تمام سیکل مثبت شکل موج AC (AC یکسو­شده نیم موج) با میانگین ولتاژ بالای 0.318 × Vp، “روشن” خواهد بود.

همانطور که استفاده از پالس تحریک گیت در طول نیم چرخه افزایش می­‌یابد (θ = ۰o تا ۹۰o)، لامپ برای مدت زمان کمتری روشن می­‌شود و متوسط ولتاژ تحویلی به لامپ نیز کمتر خواهد بود و به نسبت روشنایی آن را نیز کاهش می­‌یابد.

بنابراین می‌توانیم از یکسوساز کنترل‌شده سیلیکونی به‌عنوان کاهش‌دهنده نور AC و همچنین در انواع کاربردهای برق AC دیگر مانند: کنترل سرعت موتور AC، سیستم‌های کنترل دما و مدارهای تنظیم‌کننده توان استفاده کنیم.

تا اینجا دیدیم که تریستور اساساً یک وسیله نیمه موج است که فقط در نیمه مثبت چرخه زمانی که آند مثبت است هدایت می‌کند و بدون توجه به سیگنال گیت، مانند یک دیود جریان را در زمانی که آند منفی است مسدود می‌کند.

اما دستگاه‌های نیمه‌رسانای بیشتری وجود دارند که تحت عنوان «تریستور» قرار دارند و می‌توانند در هر دو جهت هدایت کنند، دستگاه‌های تمام موج، یا می‌توانند توسط سیگنال گیت «خاموش» شوند.

چنین دستگاه‌­هایی عبارتند از تریستورهای خاموش شونده با گیت (GTO)، تریستورهای القایی استاتیک (SITH)، تریستورهای کنترل­‌شده با MOS (MCT)، سوویچ­‌های کنترل­‌شده با سیلیکون (SCS)، تریستورهای سه‌­پایه (TRIAC) و تریستورهای فعال شده با نور (LASCR)، که همه این دستگاه‌ها در انواع رتبه‌بندی‌های ولتاژ و جریان موجود هستند و آن­ها را برای استفاده در کاربردهایی با سطوح توان بسیار بالا جذاب می‌کند.

خلاصه تریستور

یکسوکننده‌­های کنترل­‌شده سیلیکونی که معمولاً به عنوان تریستور شناخته می­‌شوند، المان‌هایی نیمه هادی PNPN سه اتصالی هستند که می­‌توانند به عنوان دو ترانزیستور متصل به هم در نظر گرفته شوند و در سوییچینگ بارهای الکتریکی سنگین استفاده می‌­شوند. می‌توان آن­ها را با یک پالس جریان مثبت که به ترمینال گیت آنها اعمال می‌شود، «روشن» کرد و تا زمانی که جریان آند به کاتد به زیر حداقل سطح قفل ‌شدنشان نرسد، به‌طور نامحدود «روشن» می‌مانند.

ویژگی­‌های ثابت تریستور

• تریستورها قطعاتی نیمه هادی هستند که فقط در حالت سوییچینگ می‌­توانند کار کنند.
• تریستورها المان‌هایی هستند که با جریان کار می­‌کنند، یک جریان گیت کوچک، جریان آند بزرگتر را کنترل می­‌کند.
• جریان را فقط زمانی هدایت می­‌کند که بایاس مستقیم باشد و جریان راه‌­اندازی به گیت اعمال شود.
• تریستور پس از روشن شدن مانند یک دیود یکسوکننده عمل می‌­کند.
• جریان آند برای حفظ رسانایی باید بیشتر از جریان نگهدارنده باشد.
• در صورت بایاس معکوس، جریان هدایت شده را مسدود می­‌کند، مهم نیست که جریان گیت اعمال شود.
• هنگامی که “روشن” شد، حتی زمانی که جریان گیت دیگر اعمال نشود، به شرط اینکه جریان آند بالاتر از جریان قفل شدن باشد، بر روی حالت “روشن” قفل شده و هدایت می‌­کند.

تریستورها کلیدهای پرسرعتی هستند که می­‌توانند برای جایگزینی رله‌­های الکترومکانیکی در بسیاری از مدارها استفاده شوند، زیرا قطعات متحرک و قوس تماسی (contact arcing) ندارند یا از خوردگی و کثیفی رنج نمی‌­برند. اما علاوه بر روشن کردن و خاموش کردن جریان‌های بزرگ، می‌توان تریستورها را برای کنترل مقدار متوسط جریان بار متناوب بدون اتلاف مقدار زیادی نیرو استفاده کرد. یک مثال خوب از کنترل توان تریستور در کنترل روشنایی الکتریکی، بخاری و سرعت موتور است.

در مقاله بعدی به برخی از مدارها و برنامه­‌های کاربردی تریستور با استفاده از هر دو منبع AC و DC می­‌پردازیم.