تریستور یا SCR چیست؟ – آنچه باید درباره تریستور بدانیم!
تریستور یا SCR یک نیمه رسانای قدرت است و به صورت یک قطعه چهار لایه*ای P-N-P-N ساخته می*شود 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 3 پایانه آند، کاتد و گیت دارند. پایه آند با A، کاتد با K و گیت (دروازه) با G نمایش داده می*شوند؛ 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:
تاریخچه
ایده تریستور برای اولین بار در سال 1950 میلادی توسط شاکلی ( Shockley ) ارائه شد، که به صورت یک ترانزیستور دو قطبی با یک کنترل کننده ی P-N بیان شد. مکانیسم عملکرد در سال 1952 توسط ایبرز ( Ebers ) بیشتر تجزیه و تحلیل شد. سپس در سال 1956 مول ( Moll ) مکانیزم سوئیچینگ تریستور را توسعه داد.توسعه و پیشرفت ادامه یافت و مسائل بیشتری در مورد این قطعه آموزش داده شد به طوری که اولین یکسو سازهای کنترل شده سیلیکونی در اوایل دهه ی 1960 در دسترس قرار گرفتند و محبوبیت قابل ملاحظه ای به عنوان سوئیچ های قدرت به دست آوردند.مشخصه های عمومی تریستور
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:
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
مبانی تریستور
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:
همان طور که در شکل مشخص است، می توان تصور نمود که این قطعه یک قطعه ی “یک طرفه” می باشد. بنابراین وقتی از این قطعه در حالت AC استفاده می شود، حداکثر یک نیم سیکل را می تواند عبور دهد.در شکلهای زیر نحوه عملکرد تریستور در مدار DC و AC نمایش داده شده است:
عملکرد تریستور در جریان DC
عملکرد تریستور در جریان AC – در جریان AC از تریستور برای کنترل فاز استفاده می شود.
تریستور یا SCR یک نیمه رسانای قدرت است و به صورت یک قطعه چهار لایه*ای P-N-P-N ساخته می*شود 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.
- تحمل ولتاژ معکوس زیاد
- سرعت کموتاسیون ( سرعت روشن و خاموش شدن)
- تحمل عبور جریان های قوی
تاریخچه
ایده تریستور برای اولین بار در سال 1950 میلادی توسط شاکلی ( Shockley ) ارائه شد، که به صورت یک ترانزیستور دو قطبی با یک کنترل کننده ی P-N بیان شد. مکانیسم عملکرد در سال 1952 توسط ایبرز ( Ebers ) بیشتر تجزیه و تحلیل شد. سپس در سال 1956 مول ( Moll ) مکانیزم سوئیچینگ تریستور را توسعه داد.توسعه و پیشرفت ادامه یافت و مسائل بیشتری در مورد این قطعه آموزش داده شد به طوری که اولین یکسو سازهای کنترل شده سیلیکونی در اوایل دهه ی 1960 در دسترس قرار گرفتند و محبوبیت قابل ملاحظه ای به عنوان سوئیچ های قدرت به دست آوردند.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 و …)
- 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
مبانی تریستور
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:
همان طور که در شکل مشخص است، می توان تصور نمود که این قطعه یک قطعه ی “یک طرفه” می باشد. بنابراین وقتی از این قطعه در حالت AC استفاده می شود، حداکثر یک نیم سیکل را می تواند عبور دهد.در شکلهای زیر نحوه عملکرد تریستور در مدار DC و AC نمایش داده شده است:
عملکرد تریستور در جریان DC
عملکرد تریستور در جریان AC – در جریان AC از تریستور برای کنترل فاز استفاده می شود.
در عمل تریستور یا SCR در ابتدا هدایت نمی کند، بلکه لازم است مقدار معینی جریان درون گیت آن جاری شده تا روشن شود. بعد از روشن شدن تریستور در حالت هدایت باقی می ماند تا ولتاژ دو سر آند و کاتد حذف شود. واضح است این مسئله در پایان نیم سیکلی که در آن تریستور هدایت می کند اتفاق می افتد. نیم سیکل بعدی به دلیل عملکرد یکسو کننده بلوک می شود. برای این که SCR مجددا روشن شود باید جریان لازم در گیت آن جاری شود.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:
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:
مدار آتش
مداری که پالس جریان گیت را تولید می کند مدار آتش می نامند. پس از روشن شدن 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 می توان گفت که تریستور در هنگام هدایت تقریباً مانند یک اتصال کوتاه عمل می کند.تریستور یا SCR بسیار سریع روشن می شود، به مدت زمان لازم برای روشن سازی تریستور زمان روشن سازی می گویند که با ton نمایش داده می شود و حدود 1 تا 3 میکروثانیه است. پهنای پالس اعمالی به جریان گیت که برای روشن شدن تریستور استفاده می شود حدود 10 تا 50 میکروثانیه است و دامنه ای حدود 20 تا 200 میلی آمپر دارد.
زاویه آتش
برای شکل موج های متناوب ورودی می توان محور افقی را برحسب درجه از صفر تا 360 تقسیم بندی کرد (معادل صفر تا 2 پی رادیان). اگر شرط مثبت بودن آند نسبت به کاتد برقرار باشد، می توان پالس اعمالی به گیت را به گونه ای 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، زاویه آتش تریستور می گویند.با تعیین زاویه آتش مناسب می توان مقدار موثر ولتاژ خروجی را تغییر داد که از آن در مدارهای کنترل دور موتورهای جریان مستقیم، یکسوکننده های کنترل شده و سافت استارترها استفاده می شود.روشن سازی 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 روشن سازی dv/dt می نامند 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.خاموش کردن تریستور یا SCR (کموتاسیون)
به روش های خاموش کردن تریستور کموتاسیون می گویند. در مدارهای جریان متناوب به علت تغییر خودکار پلاریته دو سر آند و کاتد تریستور به صورت خودکار خاموش می شود که به این حالت کموتاسیون طبیعی می گویند. در مقابل اگر جریان اجباراً صفر شود کموتاسیون اجباری رخ داده است.برای خاموش کردن تریستوری که روشن شده است باید یکی از شرایط زیر برقرار شود:
اگر بخواهیم به صورت ناگهانی جریان تریستور را در یک لحظه مشخص قطع کنیم، باید آن را در گرایش معکوس قرار دهیم (ولتاژ آند-کاتد منفی شود). برای انجام این کار که به آن کموتاسیون اجباری می گویند، از مدار کموتاسیون استفاده می شود. در بیشتر مدارها کموتاسیون خازنی از پیش شارژ شده وجود دارد که ولتاژ آن به دو سر تریستور اعمال می شود تا در گرایش معکوس قرار بگیرد. پس از اعمال این ولتاژ جریان آند تریستور به سرعت کاهش یافته تا اینکه صفر می شود و برای لحظاتی جریان معکوس نیز برقرار می گردد.
مدتی طول می کشد تا تریستور بتواند دوباره ولتاژ مستقیم را سد کند. مدت زمان بین صف شدن جریان آند تا لحظه 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 مدت زمان 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 لحظه صفر شدن جریان آند تا آمادگی تریستور برای سد ولتاژ مستقیم طول می کشد.اگر زمان خاموش سازی تریستور بین 50us تا 100us باشد، تریستور در دسته کلیدهای کند و اگر بین 10us تا 50us باشد تریستور در دسته کلیدهای سریع قرار می گیرد.زمان قطع مدار
به فاصله زمانی بین لحظه صفر شدن جریان آند تا لحظه اعمال دوباره 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 خاموش سازی 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
تست تریستور یا SCR
در مدار فوق یک تریستور و یک بازربه شکل سری به منبع وصل شدانددر حالت عادی به دلیل خاموش بودن تریستور هیچ جریانی هدایت نمی شود؛ ولی با اتصال دو تکه سیم ولتاژ به دو مقاومت 1K رسیده و پس از آن جریان ضعیفی به گیت رسیده و باعث روشن شدن تریستور می گردد و بازر به صدا در می آید.در هدایت تریستور امپدانس مدار مهم است و نباید بالا باشد و به این دلیل یک مقاومت 1kاهم با بازر موازی شده است.
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 نمی*کند.
- 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 اندازهٔ کافی زیاد باشد
مدار آتش
مداری که پالس جریان گیت را تولید می کند مدار آتش می نامند. پس از روشن شدن 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 می توان گفت که تریستور در هنگام هدایت تقریباً مانند یک اتصال کوتاه عمل می کند.تریستور یا SCR بسیار سریع روشن می شود، به مدت زمان لازم برای روشن سازی تریستور زمان روشن سازی می گویند که با ton نمایش داده می شود و حدود 1 تا 3 میکروثانیه است. پهنای پالس اعمالی به جریان گیت که برای روشن شدن تریستور استفاده می شود حدود 10 تا 50 میکروثانیه است و دامنه ای حدود 20 تا 200 میلی آمپر دارد.
زاویه آتش
برای شکل موج های متناوب ورودی می توان محور افقی را برحسب درجه از صفر تا 360 تقسیم بندی کرد (معادل صفر تا 2 پی رادیان). اگر شرط مثبت بودن آند نسبت به کاتد برقرار باشد، می توان پالس اعمالی به گیت را به گونه ای 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، زاویه آتش تریستور می گویند.با تعیین زاویه آتش مناسب می توان مقدار موثر ولتاژ خروجی را تغییر داد که از آن در مدارهای کنترل دور موتورهای جریان مستقیم، یکسوکننده های کنترل شده و سافت استارترها استفاده می شود.روشن سازی 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 روشن سازی dv/dt می نامند 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.خاموش کردن تریستور یا SCR (کموتاسیون)
به روش های خاموش کردن تریستور کموتاسیون می گویند. در مدارهای جریان متناوب به علت تغییر خودکار پلاریته دو سر آند و کاتد تریستور به صورت خودکار خاموش می شود که به این حالت کموتاسیون طبیعی می گویند. در مقابل اگر جریان اجباراً صفر شود کموتاسیون اجباری رخ داده است.برای خاموش کردن تریستوری که روشن شده 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، پدیده 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 سدکننده مستقیم بازمی*گردد.مدار کموتاسیوناگر بخواهیم به صورت ناگهانی جریان تریستور را در یک لحظه مشخص قطع کنیم، باید آن را در گرایش معکوس قرار دهیم (ولتاژ آند-کاتد منفی شود). برای انجام این کار که به آن کموتاسیون اجباری می گویند، از مدار کموتاسیون استفاده می شود. در بیشتر مدارها کموتاسیون خازنی از پیش شارژ شده وجود دارد که ولتاژ آن به دو سر تریستور اعمال می شود تا در گرایش معکوس قرار بگیرد. پس از اعمال این ولتاژ جریان آند تریستور به سرعت کاهش یافته تا اینکه صفر می شود و برای لحظاتی جریان معکوس نیز برقرار می گردد.
مدتی طول می کشد تا تریستور بتواند دوباره ولتاژ مستقیم را سد کند. مدت زمان بین صف شدن جریان آند تا لحظه 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 مدت زمان 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 لحظه صفر شدن جریان آند تا آمادگی تریستور برای سد ولتاژ مستقیم طول می کشد.اگر زمان خاموش سازی تریستور بین 50us تا 100us باشد، تریستور در دسته کلیدهای کند و اگر بین 10us تا 50us باشد تریستور در دسته کلیدهای سریع قرار می گیرد.زمان قطع مدار
به فاصله زمانی بین لحظه صفر شدن جریان آند تا لحظه اعمال دوباره 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 خاموش سازی 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.
تست تریستور یا SCR
دیدگاه