تريستور و ساختمان آن

SCR: عناصري هستند كه براي كليد زني توان بالا از آنها استفاده مي‌شود. مهمترين عنصر SCR تريستور مي‌باشد لذا اكثر مواقع نام SCR مترادف با تريستور (Thyristur) مي‌باشد. كه مي‌تواند بعنوان كليد دو جهته همانند ديود از حالت قطع بحالت هدايت برود.

ساختمان تريستور:
تريستور يك المان نيمه هادي چهار لايه با ساختمان PNPN و سه پيوندPN است. كه سه ترمينال آند، كاتد و گيت دارد. شكل زير برش تريستور و علامت مداري آن را نشان مي‌دهد.

۱) اگر (با ياس معكوس) ديودهاي D1 و D3 در باياس معكوس بوده و لذا تريستور بمانند يك ديود در باياس معكوس عمل كرده و تا حد ولتاز شكست بهني جريان نشتي ناچيزي در جهت آند به كاتد جاري مي‌گردد.

۲) در حالتي كه ، ديود D2 در باياس معكوس بوده و ديودهاي D1 و D3 در باياس مستقيم قرار دارند. با افزايش ولتاژ تا حد ولتاژ VBO كه ولتاژ شكست مستقيم نام دارد، شكست بهمني اتفاق مي‌افتد، با وقوع شكست بهمني در ديود D2 لايه P توسط الكترونهايي كه از كاتد مي‌آيند خنثي شده و تريستور همانند يك ديود در حال هدايت عمل مي‌كند. جريان آند بايد از يك مقدار مشخص به نام جريان تثبيت كننده IL بيشتر باشد تا تريستور به هدايت خود ادامه دهد. در غير اين صورت با كاهش ولتاژ VAK، تريستور به حالت قطع خواهد رفت.

۳) بعد از روشن شدن تريستور و هدايت، جريان در تريستور تا زماني كه جريان آند از مقدار IH (جريان نگهدارنده) كمتر نشده ادامه خواهد يافت.
۴) اگر چه تريستور را مي‌توان با بيشتر كردن VAK از VBO روشن كرده ليكن چنين كاري تخريب كننده است. در عمل با**** VAK از VBO با اعمال يك ولتاژ مستقيم بين گيت و كاتد (تزريق جريان از طريق گيت) تريستور را روشن مي‌نمايد.

با توجه به توضيحات فوق منحني مشخصه V-i تريستور به صورت بالا خواهد بود.
افزايش بيشتر جريان گيت باعث كاهش بيشتر ولتاژ شكست مستقيم شده تا جائيكه تريستور بصورت يك ديود معمولي در آيد. با عبور جريان گيت (از ۱۰۰ تا ۱۵۰ ميلي آمپر با ولتاژ VAK ، ۱ تا ۱۰ ولت) SCR بحالت وصل ميرود لذا SCR يكسو كننده است كه عبور جريان آن كنترل شده است يعني

حالت وصل (هدايت ) تريستور:

گفتيم كه تريستور را مي‌توان با افزايش جريان آند روشن كرد كه انجام اين كار به يكي از طرق زير قابل انجام است:
۱) گرمايي:‌ اگر دماي يك ترانزيستور بالا باشد تعداد زوج الكترون و حفره در پيوندها افزايش يافته در نتيجه جريان نشتي زياد گشته، موجب روشن شدن تريستور مي‌گردند. اين نوع روشن شدن موجب اتلاف حرارتي مي‌گردد و از آن پرهيز مي‌گردد.
۲) نور: اگر بطرقي نور به پيوندهاي يك تريستور بتابد تعداد زوج الكترون **‌بيشتر شده و تريستور وصل مي‌شود.
۳) ولتاژ بالا: اگر ولتاژ VAK بزرگتر از ولتاژ شكست مستقيم VBO باشد جريان نشتي گذرنده براي شروع هدايت تريستور كافي خواهد بود. اين نوع هدايت كردن مخرب بوده و لذا از آن دوري مي‌گردد.
۴) زياد : اگر سرعت افزايش ولتاژ آند- كاتد زياد باشد، جريان شارژ كننده پيوندهاي خازني لايه‌ها ممكن است براي روشن تريستور كافي باشد. جريان شارژ كننده بزرگ ممكن است به تريستور صدمه بزند. از اينرو، تريستور بايد در مقابل بزرگ محافظت گردد.
۵) جريان گيت: كه معمولترين روش هدايت كردن تريستور است. اگر تريستور در باياس مستقيم باشد، تزريق جريان گيت از طريق اعمال ولتاژ مثبت گيت بين ترمينالهاي گيت و كاتد موجب روشن شدن تريستور مي‌گردد، شكل زير جريان آند را پس از اعمال سيگنال گيت نشان مي دهد. بين اعمال سيگنال گيت و هدايت تريستور يك تأخير زماني وجود دارد كه به نام زمان وصل ton معروف است.
ton مجموع td و tr است كه در روي شكل مشخص شده‌اند.
t3 را زمان صعود ، td را زمان تأخي مي‌نامند.
ton = tr + td (زمان وصل تريستور)
tr: مدت زمانيكه طول مي‌كشد تا جريان آند تريستور از ۱۰% مقدار نهايي به ۹۰%‌مقدار نهايي برسد.
td: فاصله زماني بين برقراري ۱۰% جريان گيت (IG 1/0 ) و ۱۰% جريان حالتِ‌ وصل (It 1/0 ) مي‌باشد.

نكات لازم در طراحي مدارهاي تحريك (كنترل )گيت:
۱) سيگنال گيت پس از روشن شدن تريستور قابل حذف است. سيگنال فرمان به گيت، تلف توان در پيوند گيت را افزايش مي‌دهد.
۲) وقتي كه تريستور در باياس معكوس باشد، سيگنال گيت نبايد وجود داشته باشد زيرا بدليل افزايش جريان نشتي ممكن است صدمه ببيند.
۳) عرض پالس گيت tG بايد بيشتر از زمان لازم براي افزايش جريان نگهدارنده باشد در عمل عرض پالس گست tG را معمولاً بيشتر از ‌ton انتخاب مي‌كنند.

مدارهاي فرمان تريستور
براي روشن‌كردن تريستور ولتاژ مثبتب در حدود ۱-۱۰ ولت به گيت آن نسبت به كاتد اعمال مي‌شود تا اين ولتاژ بتواند به نوبه خود جريان ۱۰۰ تا ۱۵۰ ميلي‌آمپر در گيت ـ كاتد تزريق نمايد. مشخصات VG, IG اط رف سازنده در كاتالوگ تريستور داده مي‌شود كه در آن IG, VG داراي مينيممي هستند كه در كمتر از اين مقادير، ديگر تريستور هدايت نمي‌كند و همچنين داراي ماكزيمم مقدراي هستند كه بيشتر از آن باعث خرابي تريستور مي‌گردد.
تريستور هدايت مي‌كند:

۱<VG<10= = > 100Ma < IG<1500Ma = =>
مدار فرمان گيت تريستور بسته به ولتاژي است كه تريستور در آن استفاده مي‌شود. و به دو حالت زير مي‌تواند باشد:
۱٫ ولتاژ متناوب: اگر تريستور با يك ولتاژ متناوب تغذيه شود، هربار كه ولتاژ متناوب از صفر بگذرد، تريستور هدايت خود را قطع مي‌نمايد و براي شروع مجدد هدايت تريستور بايد مدار فرمان مجدداً عمل نمايد.

۲٫ ولتاژ مستقيم: وقتي تريستور با يك ولتاژ مستقيم تغذيه مي‌شود، چنانچه يك مرتبه مدار فرمان عمل نمايد، تريستور هدايت خود را شروع كرده و ديگر هدايت آن قطع نمي‌شود. لذا براي قطع آن بايستي از يك مدار قطع‌كننده جريان استفاده نمود يا اينكه منبع تغذيه را قطع كرد.

بدليل سادگي مدار فرمان مستقيم ابتدا ان را بررسي مي‌كنيم:
اصول كار اين مدار فرمان مطابق شكل بالا است. در اين شكل پس از بسته شدن كليد S كه مي‌تواند يك رله يا ترانزيستور باشد، جريان IG كه بوسيله مقاومت RG محدود مي‌گردد، در گيت تزريق شده و سبب هدايت تريستور مي‌گردد. اين مدار دو اشكال عمده دارد:
۱٫ پس از بسته شده كليد جريان IG بطور دائم از لايه گيت ـ كاتد مي‌گذرد و باعث تلفات اضافي مي‌گردد.
۲٫ بوسيله آن نمي‌توان زاويه آتش شدن تريستور به مبداء موج را سينوسي تغذيه‌كننده‌ آن كنترل نمود.
مدار فرمان بوسيله ولتاژ متناوب

اين نوع مدار كه در شكل زير ديده مي‌شود، نسبت به مدارهاي فرمان ولتاژ مستقيم داراي مزاياي زير است:
۱٫ مدار فرمان تنها نيم‌پريود هدايت مي‌كند و در نتيجه تلفات اضافي در لايه گيت ـ كاتد تقريباً نصف مي‌شود.