تریستور چیست؟ نحوه عملکرد، کاربرد و انواع آن

تریستور چیست و چه کاربردی در الکترونیک صنعتی دارد؟ Thyristor یک قطعه الکترونیک نیمه هادی است که ساختاری از جنس سیلیکون و متشکل از چهار لایه P  و  N دارد. این قطعه در طراحی بردها و مونتاژ قطعات الکترونیکی کاربرد جهت تنظیم و کنترل قدرت مورد استفاده قرار می گیرند.

تریستور قطعه ای تک جهته است و قابلیت هدایت جریان را فقط در یک جهت دارد. به همین دلیل به آن یکسو کننده نیز اطلاق می شود. تریستورها در مدارهای الکتریکی به عنوان سوئیچینگ (کلید زنی) عمل می کنند و نقش تقویت کنندگی مدار را ندارند. کاربرد اصلی این قطعات کنترل قدرت و جریان الکتریکی با عملکرد سوئیچ است.  

تریستور چیست؟

تریستور یا SCR یک قطعه نیمه رسانای قدرت است که به عنوان سوئیچ در مدارهای الکترونیک پرتوان کاربرد گسترده ای دارد. تریستورها به عنوان کنترل کننده جریان و قدرت عمل می کنند. کاربرد آنها به عنوان یکسوساز نیز تعریف می شود. این قطعات قدرتی شبیه به دیودها دارند؛ با این تفاوت که در مقایسه با دیودها قابل کنترل هستند. تریستورها به دلیل عدم وجود بخش متحرک جایگزین مناسبی برای رله های الکترومکانیکی در مدارها هستند.

این قطعه از چهار لایه N و P به طور متناوب تشکیل شده و دارای سه پایه آند، کاتد و گیت یا کنترل گر است. SCR با سرعت بالایی روشن و خاموش می شود و مقدار معینی توان را بر اساس متغیرهای زمانی در نیم تناوب ها به بار تحویل می دهد.

کاربرد تریستور

کاربرد کلی این قطعات کنترل جریان متناوب در مدارهای الکترونیک با جریان و ولتاژ بالاست. علاوه بر این، در موارد دیگری هم مورد استفاده قرار می گیرند:

• کنترل کننده مدارهای پر قدرت: تریستورها در سیستم های کنترل قدرت چون کنترل روشنایی، گرمایش و سرعت موتور به طور گسترده استفاده می شوند. قابلیت این قطعات در کنترل یا مدیریت سطوح بالای ولتاژ و جریان، کاربرد آنها را در این زمینه مناسب ساخته است.
• اینورترها: تریستورها جهت تبدیل برق DC به AC در مدارهای اینورتر کاربرد دارند که از آن جمله می توان به سیستم های انرژی تجدید پذیر، موتور خودروهای الکتریکی و USB (منابع تغذیه بدون وقفه) اشاره کرد.
• نظیم ولتاژ: تریستورها قابلیت تشخیص شرایط اضافه بار را دارند. از این رو در مدارهای تنظیم ولتاژ جهت حفظ میزان ولتاژ پایدار استفاده می شوند. این قطعات با انجام اقدامات حفاظتی از آسیب تجهیزات الکتریکی جلوگیری می کنند.
• تبدیل برق DC/AC: تریستورها به عنوان یکسوساز نیز عمل می کنند. در مدارهای یکسو کننده جهت تبدیل جریان AC به DC کاربرد دارند. قابلیت کنترل مناسب آنها در تبدیل ولتاژ استفاده از این قطعات را در کاربردهایی چون انتقال جریان های مستقیم با ولتاژ بالا و شارژ باتری مناسب می سازد.

مزایا و معایب استفاده از THYRISTOR

از مهم ترین مزایای این قطعات می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• توان بالایی برای تحمل سطوح بالای جریان و ولتاژ دارند.
• از استحکام بالایی در برابر شرایط محیطی مختلف برخوردارند.
• بازدهی آنها در کاربری های تبدیل توان بالاست و تلفات توان کمی در این زمینه دارند.

و معایب این قطعات عبارت است از:

• این قطعات به دلیل افت ولتاژ بالا در پایانه های خود هنگام عبور جریان، انرژی زیادی را تلف می کنند.
• کنترل پذیری محدودی دارند؛ به این مفهوم که تا زمان به صفر رسیدن جریان یا معکوس شدن ولتاژ روی این قطعات، در حالت روشن باقی می مانند. با توجه به این ویژگی کاربرد آنها در مدارهایی با نیاز کنترل دقیق سوئیچینگ محدود می شود.
• تریستورها قابلیت هدایت جریان های یک طرفه را دارند. کاربرد آنها جهت هدایت جریان های دو طرفه بدون مدار اضافی امکان پذیر نیست.

عملکرد تریستورها چگونه است؟

برای قرار گرفتن SCR  در وضعیت هدایت یا روشن، باید شرایط زیر فراهم شود:

• مثبت بودن ولتاژ آند نسبت به کاتد
• دریافت یک پالس مثبت توسط گیت؛ ولتاژ دریافتی باید بیش از ولتاژ کاتد باشد.
• بالاتر بودن جریان آند از جریان نگهدارنده جهت ماندن تریستور در شرایط هدایت

تریستور یا SCR با عبور مقدار معینی جریان در گیت خود روشن می شود. پس از عبور جریان و روشن شدن، این قطعه تا زمانی که ولتاژ دو سر آند و کاتد حذف شود در حالت هدایت (روشن) باقی می ماند. در پایان نیم تناوبی که تریستور هدایت می کند این ولتاژ حذف می شود. نیم سیکل بعدی به دلیل عملکرد یکسو کننده بلوک می شود. روشن شدن مجدد این قطعه مستلزم عبور جریان لازم در گیت آن است.

خاموش شدن این قطعه در شرایط زیر اتفاق می افتد:

• منفی شدن ولتاژ آند به کاتد
• کمتر بودن میزان ولتاژ ورودی به آند از ولتاژ بحرانی

چند ویژگی شاخص در عملکرد این قطعات عبارت است از

• SCR ها فقط در حالت سوئیچینگ کار می کنند.
• عملکرد آنها منوط به کنترل شدن یک جریان آند بزرگتر توسط یک جریان گیت کوچک است.
• با تحریک شدن تریستور در حالت ON، عملکردی شبیه یک دیود یکسو کننده نشان می دهد. در این وضعیت حتی اگر جریان گیت به آن اعمال نشود در این حالت باقی می ماند.
• در حالت بایاس معکوس، تریستور بدون توجه به اعمال جریان، ترمینال جریان را قطع می کند.
• تنها در حالت بایاس مستقیم و اعمال جریان به گیت جریان را عبور می دهند.

 انواع SCR در الکترونیک صنعتی

بس از دریافت پاسخ این پرسش که تریستور چیست و نحوه عملکرد آن چگونه است، شناخت انواع آن جهت انتخاب قطعه ای مناسب در مدارهای الکترونیک مهم تلقی می شود. این قطعات بر اساس کاربرد در سه دسته کلی روشن شونده، خاموش شونده و هدایت شونده تقسیم بندی می شوند.

LASCR (تریستورهای فعال شونده با نور)

این قطعات با عنوان تریستورهای یکسو ساز سیلیکونی کنترل شونده با نور نیز شناخته می شوند. روشن شدن این قطعات بر اساس ذرات نوری و شدت آنها انجام می شود. با برخورد این ذرات به نقطه اتصال بایاس معکوس، تعداد زوج های الکترون در تریستور افزایش پیدا می کند. چنانچه شدت نور برخورد کرده بیشتر از حد مشخصی باشد، روشن شدن قطعه اتفاق می افتد. کاربرد اصلی این قطعات در ژنراتورهای پالس های قدرت و دستگاه های انتقال ولتاژ زیاد DC تعریف می شود.

SCR (یکسوساز کنترل شونده با سیلیکون)

این قطعات از انواع روشن شونده تریستورها هستند. با عبور مقدار معینی جریان در گیت روشن می شوند و با قطع شدن جریان نیز همچنان روشن باقی می مانند. خاموش شدن آنها منوط به ریست شدن آند از طریق ولتاژ منفی مرتبط با کاتد یا حذف شدن جریان آند به کاتد است. در این تریستورها با صفر شدن جریان آند، اتصال توسط تریستور متوقف شده و ولتاژ معکوس مسدود می شود. از موارد کاربرد این نوع از تریستورها می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• موتور درایوهای DC
• مدارهای اینورت کننده
• مدارهای سوئیچ کننده

RTC (تریستور اتصال معکوس یا نامتقارن)

RTC قطعه ای است که در نتیجه یکپارچه شدن با دیود معکوس امکان انتقال جریان الکتریکی را در جهت معکوس فراهم می کند. کاربرد اصلی این نوع از تریستورهای روشن شونده در مبدل ها و درایوهای DC پرقدرت است.

GTO (تریستور گیت خاموش شونده)

تریستورهای GTO عملکرد متفاوت با انواع روشن شونده دارند. در این تریستورها اعمال ولتاژ(جریان منفی) به گیت باعث خاموش آنها می شود. با توجه به این ویژگی تریستورهای GTO نقش سوئیچی کاملا کنترل شونده را دارند. به این مدل تریستورها سوئیچ شونده با گیت یا GCS نیز گفته می شود. کاربرد اصلی این قطعات در موارد زیر خلاصه می شود:

• استابلایزر های AC
• موتور درایورهای AC و DC
• معکوس کننده های توان بالا

ETO (تریستورهای خاموش شونده امیتر)

این تریستورها دارای دو ترمینال (معمولی و سری  متصل شده به ماسفت) هستند. روشن شدن این مدل مستلزم وارد شدن ولتاژ مثبت به هر دو ترمینال است. با تزریق جریان مثبت به ترمینال معمولی، ETO روشن می شود. خاموش شدن آن نیز با سیگنال ولتاژ منفی به ترمینال ماسفت و خروج تمام جریان از کاتد انجام می شود. این فرایند ضمن متوقف کردن اتصال باعث خاموش شدن تریستور می شود.

MOS (تریستورهای خاموش شونده)

در تریستورهای MOS یا MTO در مقایسه با GTO ها قابلیت خاموش شوندگی بهبود یافته است. این قطعات ساختاری متشکل از یک تریستور GTO، یک ماسفت و دو ترمینال کنترل (ترمینال روشن شدن و ترمینال خاموش شدن یا ماسفت) دارند .

روشن شدن MOS ها مستلزم ورود سیگنال ولتاژ به گیت یا ترمینال ماسفت است. با روشن شدن ماسفت، اتصال نزدیکی بین امیتر و پایه ترانزیستور NPN برقرار می شود، اما خاموش شدن تریستور رخ نمی دهد. کاربردهای این نوع تریستورها عبارت است از:

• موتور درایوها
• فرستنده های خطی منعطف AC
• اینورترهای منبع ولتاژی با توان بالا

TRIAC (تریود جریان متناوب)

این نوع تریستورهای هدایت شونده ساختاری نامتقارن دارند.  TRIAC ها این قابلیت را دارند تا با کنترل هر دو نیمه امواج جریان متناوب از انرژی الکتریکی موجود بهترین بهره را داشته باشند. کاربرد این قطعات شامل موارد زیر می شود:

• کنترل مدارهای محاسباتی
• دیمرهای نوری
• کنترل کننده سرعت فن های برقی

SIDAC (دیود سیلیکونی جریان متناوب)

این تریستورها قطعاتی پنج لایه هستند که مستقیما به عنوان سوئیچ کاربرد دارند. اتصال در SIDAC ها با ورود ولتاژی بیش از ولتاژ مثبت ورودی به آند برقرار می شود. این اتصال تا زمانی برقرار است که ولتاژ ورودی از یک حد معین برای جریان نگهداری شده کمتر نشود؛ در غیر اینصورت اتصال قطع می شود.

DIAC (دیود جریان متناوب)

 DIAC عملکردی شبیه به SIDAC ها دارند؛ با این تفاوت که ولتاژ آند ارسال شده در SIDAC جهت اتصال بیشتر است و از توان کنترل انرژی الکتریکی بیشتری نیز برخوردار هستند. این قطعات دارای ساختاری نامتقارن هستند و برای توان پایین کاربرد مناسبی دارند. DIAC ها با جلوگیری از هر گونه گردش جریان از گیت TRIAC، بکارگیری آنها را در سوئیچ های AC به طور متعادل در هر دو جهت میسر می سازند. این نوع تریستورها به عنوان دیمر در منابع نوری کاربرد دارند.

در پایان

تریستور چیست؟ در پاسخ به این سوال می توان SCR ها را قطعاتی نیمه هادی با سه پیوند (P-N-P-N) معرفی کرد که جهت سوئیچینگ جریان های الکتریکی بزرگ به کار می روند. استفاده از این قطعات نقش مهمی در متحول ساختن تکنولوژی تجهیزات مبتنی بر الکترونیک قدرت داشته است. ویژگی هایی چون کنترل سطوح ولتاژ و توان بالا و قابلیت اطمینان، حوزه کاربرد این قطعات را گسترده ساخته است.

به همین دلیل کاربرد تریستور گسترش یافته و از کنترل و تبدیل برق گرفته تا اینورترها، تنظیم ولتاژ و تنظیم برق را در بر می گیرد. برای مطالعه سایر مطالب در حوزه برق و الکترونیک به مرصا الکترونیک مراجعه کنید. در مرصا الکترونیک می توانید از خدمات مونتاژ انواع بردهای الکتریکی برخوردار شوید.