تیریستور

تيريستور (يا يكسو كننده قابل كنترل p-n-p-n )
تيريستور يك وسيله نيمه هادي چهار لايه سه اتصالي با سه خروجي است و از لايه هاي نوع p و n سيليكوني كه به طور متناوب قرار گرفته اند ساخته شده اند .. ناحيه p انتهايي آند ، ناحيه n انتهاي كاتد و ناحيه p داخلي دريچه يا گيت است . آند از طريق مدار به طور سري به كاتد وصل مي شود . اين وسيله اساساً يك كليد است و همواره تا زماني كه به پايانه هاي آند و دريچه ولتاژ مثبت مناسبي به كاتد اعمال نشده است در حالت قطع (حالت ولتاژ مسدود كننده ) باقي مي

ماند و امپدانس بينهايتي از خود نشان خواهد داد . در حالت وصل و عبور جريان بدون احتياج به علامت (يا ولتاژ) بيشتري روي دريچه به عبور جريان ادامه خواهد داد . در اين حالت به طور ايده آل هيچ امپدانسي در مسير جريان از خود نشان نمي دهد . براي قطع كليد و يا برگرداندن تيريستور به حالت خاموشي بايستي روي دريچه علامت و يا ولتاژي نباشد و جريان در مسير آند به كاتد به صفر تقليل يابد . تيريستور عبور جريان را فقط در يك جهت امكان پذير مي سازد .

اگر به پايانه هاي تيريستور ولتاژ باياس خارجي اعمال نشود ، حاملهاي اكثريت در هر لايه تا زماني كه ولتاژ الكتروستاتيكي داخلي به وجود آمده از انتشار بيشتر حاملها جلوگيري كند ، منتشر مي شوند . اما بعضي از حاملهاي اكثريت انرژي كافي جهت عبور از سد توليد شده توسط ميدان الكتريكي ترمزكن هر اتصال را دارد . اين حاملها پس از عبور ، تبديل به حاملهاي اقليت مي شوند و مي توانند با حاملهاي اكثريت تركيب شوند . حاملهاي اقليت هر لايه نيز مي توانند توسط ميدان الكتريكي ثابتي در هر يك از اتصالها شتابدار شوند ، ولي چون در اين حالت (از خارج ولتاژي اعمال نمي شود) مدار خارجي وجود ندارد مجموع جريانهاي حاملهاي اقليت و اكثريت بايستي صفر شود .

حال اگر يك ولتاژ باياس با يك مدار خارجي براي حمل جريانهاي داخلي منظور شود ، اين جريان ها شامل قسمتهاي زير خواهند
بود.
جريان ناشي از :
۱-عبور حاملهاي اكثريت (حفره ها ) از اتصال

۲-عبور حاملهاي اقليت از اتصال
۳-حفره هاي تزريق شده به اتصال كه از طريق ناحيه n اشاعه
مي يابند اتصال را قطع مي كند .
۴-حاملهاي اقليت از اتصال كه از طريق ناحيه n اشاعه يافته و از اتصال عبور كرده است . عيناً نيز از شش قسمت و از چهار قسمت تشكيل خواهد يافت .
براي تشريح اصول كار تيريستور از دو روش متشابه مدلهاي ديودي و يا دو ترانزيستوري مي توان استفاده كرد .

(الف) مدلهاي ديودي تيريستور
تيريستور كه يك نيمه هادي سه اتصالي ، شبيه سه ديودي است كه به طور سري اتصال يافته اند . اگر دريچه باياس نشود ولي به دو سر آند و كاتد ولتاژ باياسي اعمال شود اين ولتاژ هر قطبيتي كه داشته باشد همواره حداقل يك اتصال معكوس باياس شده ، وجود خواهد داشت تا از هدايت تيريستور جلوگيري كند .
اگر كاتد توسط ولتاژ منبع تغذيه (نسبت به آند ) منفي شود و دريچه نسبت به كاتد به طور مثبت باياس شود لايه p دريچه توسط كاتد از الكترون لبريز مي شود و خاصيت خودش را به عنوان لايه p از دست مي دهد . در نتيجه تيريستور به ديود هدايتي معادلي تبديل مي شود .

(ب)مدل دو ترانزيستوري تيريستور
پولك p-n-p-n را مي توان به صورت دو ترانزيستور با دو ناحيه پايه در نظر گرفت . كلكتور ترانزيستور n-p-n ، جريان محركي براي پايه ترانزيستور p-n-p كه جريان كلكتورش اضافه جريان دريچه به مثابه جريان محرك پايه ترانزيستور n-p-n است ، مهيا كند .

براي روشن كردن تريستور جريان دريچه به جزء خيلي حساس ترانزيستور n-p-n از اتصال p-n-p-n اعمال مي شود . اولين ده درصد افزايش جريان آند ، در اصل جريان كلكتور ترانزيستور n-p-n است . پايه n ترانزيستور p-n-p توسط جريان كلكتور ترانزيستور n-p-n باردار مي شود . در نتيجه فيدبك مثبتي توسط جريان كلكتور ترانزيستور p-n-p به منظور افزايش بارهاي ايجاد شده در پايه p ترانزيستور n-p-n داير مي شود . به اين ترتيب جريان تيريستور شروع به افزايش مي كند ، به سرعت به مقدار اشباع مي رسد و جريان تيريستور فقط توسط امپدانس بار محدود
مي شود .

بهتر است به منظور تشريح مشخصه و خواص تيريستور حالتهاي مختلف آن را (از نظر باياس ) مورد بررسي قرار دهيم .

۱-۲-مشخصات تيريستور
براي اينكه بتوان وسيله هاي الكترونيكي را با كيفيت كافي مورد استفاده قرار داد و از آنها محافظت كرد بايستي مشخصات و خواص آنها كاملا معلوم شوند . مشخصات تيريستور را مي توان با ملاحظه سه حالت مختلف اصلي اين وسيله تعيين كرد :
۱- شرايط باياس معكوس

۲- باياس مستقيم و مسدود
۳- باياس مستقيم و هدايت
۱-۲-۱-باياس معكوس تيريستور (كاتد نسبت به آند مثبت)
در اين حالت اتصالات اول و سوم به طور معكوس اتصال دوم به طور مستقيم باياس مي شوند و درست مثل يك اتصال p-n مقدار كمي جريان نشتي از كاتد به آند عبور خواهد كرد .

اعمال ولتاژ محرك مثبتي به دريچه تيريستور در حالي كه آند هنوز منفي است سبب مي شود كه تيريستور رفتاري شبيه ترانزيستور داشته باشد و جريان معكوس نشتي آند تا مقدار قابل ملاحظه مقايسه اي با جريان دريچه افزايش يابد ، از اين رهگذر اتلاف قدرت قابل ملاحظه اي در تيريستور وقوع خواهد يافت . زياد گرم شدن اتصال مي تواند سبب افسار گسيختگي حرارتي شود .

جريان آند با جريان اشباع معكوس اتصال اول به اضافه كسري از
جريان دريچه برابر است . جريان اشباع بستگي به درجه حرارت دارد . بنابراين بالا رفتن درجه حرارت اتصال باعث افزايش جريان اشباع مي شود كه آن نيز موجب گرم شدن بيشتر اتصال مي شود . ولتاژ بيشينه دريچه در شرايط باياس معكوس غالباً توسط سازندگان براي محدود كردن اثر حرارت معين مي شود .
افزايش ولتاژ باياس معكوس باعث پهن شدن لايه هاي تهي اتصالات اول و سوم مي شود . اتصال اول معمولاً بخش اعظم ولتاژ آند به كاتد را مسدود مي كند ، لذا منطقه تهي اين اتصال غالباً پهن است . به خاطر اينكه ولتاژ مسير سوراخ كني توسط تماس لايه هاي تهي اتصالات و به وجود نيايد لايه n وسطي را كمي پهن مي سازند .

 

۱-۳-۲-تيريستور باياس مستقيم و مسدود (آند نسبت به كاتد مثبت)
اتصالات اول و سوم باياس مستقيم و اتصال دوم باياس معكوس
مي شود . جريان آند در خلال مدتي كه يك اتصال p-n باياس معكوس وجود دارد ، خيلي كم است و مقدارش برابر با جريان اشباع اتصال دوم به اضافه قسمتي از جريان دريچه است . جريان دريچه در طول اين شيوه عمل با اين كه خودش بايستي كوچك باشد جريان آند را افزايش مي دهد .

۱-۲-۳-تيريستور باياس مستقيم و هدايت
چهار روش براي روشن كردن تيريستور وجود دارد و به محض اينكه هدايت شروع شد امپدانس صفر در مسير عبور جريان از خود نشان مي دهد . همان طوري كه از مشخصه كلي ولتاژ جريان يك تريستور ، در طول زماني كه تريستور هدايت مي كند افت ولتاژ بين آند و كاتد در حدود ۱ تا ۵/۱ ولت است و اصولاً مستقل از جريان آند است . چهار روش راه اندازي تيريستور وجود دارد : ۱) فعال سازي نوري ۲) علائم الكتريكي ۳)ولتاژ باياس مستقيم با دامنه زياد و ۴)ولتاژ باياس مستقيم با ميزان صعود سريع وجود دارد . روش دوم ، يعني راه اندازي توسط علائم الكتريكي مهمترين و معمول ترين روش است ، در حالي كه آخرين روش به علت طبيعت مزاحمي كه دارد قابل اجتناب است .

(الف) روشن كردن توسط نور
يك شعاع نوري كه از دريچه به سوي اتصال كاتد ، جهت داده
مي شود ، مي تواند انرژي كافي براي شكستن پيوندهاي الكترونيكي در نيمه هادي را توليد و حاملهاي اقليت اضافي لازم جهت وصل كليد يا روشن كردن تريستور را مهيا كند .

 

(ب) روشن كردن توسط علائم الكتريكي اعمال شده به دريچه :
اگر تريستور در باياس مستقيم قرار داشته باشد ، تزريق جريان به دريچه منجر به روشن شدن تريستور مي گردد . اين كار با اعمال پالس مثبت مناسب بين گيت و كاتد عملي خواهد شد . ، با افزايش جريان دريچه ، ولتاژ سد كنندگي مستقيم كاهش پيدا مي كند .

تاخير زماني بين لحظه اعمال سيگنال به دريچه و لحظه هدايت تيريستور را زمان روشن شدن ton مي ناميم . ton بنا به تعريف برابر است با فاصله زماني بين لحظه اي كه جريان دريچه ۱۰% جربان حالت پايدار دريچه ( ) و جريان تيريستور ۹۰% جريان حالت پايدار روشن شدن خود ( ) مي رسد .

ton مجموع زمان تاخير td و زمان صعود tr مي باشد . td بنا به تعريف فاصله زماني بين لحظاتي است كه جريان دريچه به ۱۰% مقدار نهايي خود و جريان حالت روشن تيريستور به ۱۰ مقدار نهايي خود ( ) مي رسد . ti نيز فاصله زماني مورد نياز است تا جريان آند از ۱۰% جريان حالت روشن به ۹۰% جريان حالت روشن برسد .

در طراحي مدار كنترل دريچه بايد نكات زير را رعايت كرد :
۱-پس از روشن شدن تيريستور بايد سيگنال دريچه را از روي دريچه برداريم ادامه اعمال سيگنال ، تلفات توان را در پيوند دريچه افزايش مي دهد .
۲-پهناي پالس دريچه tg بايد طولاني تر از زمان رسيدن جريان آند به جريان نگهدارنده باشد . در عمل پهناي پالس دريچه را بيشتر از زمان روشن شدن تيريستور ton در نظر مي گيرند .

اگر علامت دريچه قبل از اينكه جريان صعودي آند به جريان قفلي (به حداقل جريان لازم براي ادامه هدايت ) برسد به صفر تنزل يابد ، تيريستور دوباره خاموش خواهد شد . بلافاصله پس از آنكه جريان در آند از جريان قفلي تجاوز كرد تريستور تا زماني كه جريان آند از جريان نگهدارنده ، كه كمتر از جريان قفلي است ، كمتر نشده است روشن خواهد ماند (اين مساله پس زني الكتريكي است) . در جريانهاي بار كم ، به منظور اينكه در طول روشن بودن تيريستور متجاوز بودن جريان آن از جريان نگهدارنده تضمين شود ، ممكن است از يك مدار تخليه خازني يا مقاومت سالم ساز استفاده شود . جريان قفلي با جريانهاي دريچه بزرگتر به آهستگي اضافه مي شود .
در فاصله اولين روشن شدن تيريستور فقط سطح كوچكي در نزديكي الكترود دريچه جريان آند را هدايت مي كند به همين علت افزايش قابل ملاحظه اي جريان آند در مدتي كوتاه ، يعني بزرگ ، قبل از گسترش هدايت در بين اتصال ممكن است سبب بالا رفتن حرارت موضعي به اندازه اي كه كافي براي خسارت ديدن تيريستور است ، شود . اين گرم شدگي بيشينه تغييرات را در طول روشن شدن بين ۳ تا ۳۰ آمپر بر ميكروثانيه محدود مي كند ، گرچه تيريستورهاي مخصوص سريع ممكن است قابليت تغييرات جرياني تا آمپر بر ميكرو ثانيه را هم داشته باشند .يك سلف سري شده با آند تغييرات را كاهش مي دهد و پس از انكه تريستور به هدايت كامل رسيد ممكن است كاري كرد تا سلف به حد اشباع برسد و مقدار بيشتري تا جريان بار كامل داشته باشد . اين سلف همچنين باعث كاهش تلفات روشن و خاموش شدن مي شود . ولي قادر است سبب صعود ولتاژ گذاري معكوس ، كه به نوبه خود مخرب است ، نيز شود . جريان دريچه بالاتر نيز به افزايش قابليت ايستادگي آند در مقابل منجر مي شود .

زمان ، شروع روشن شدن تريستور توسط ولتاژ پله اي اعمال شده به دريچه را معين مي كند . دوره تاخير زماني بين پيشاني پالس دريچه و شروع افزايش سريع جريان آند است . بنابراين پالس دريچه بايستي حداقل داراي دوره ثانيه باشد . اتلاف قدرت در تيريستور در دوره ، به علت افزايش سريع جريان در روي يك سطح كوچك در حالي كه افت ولتاژ هنوز قابل ملاحظه است بيشرين مقدار را خواهد داشت . دوره زمان گسترش رسانندگي است و نيز مدت زماني است كه افت ولتاژ در تيريستور به حالت پايدار مي رسد .

 

(پ) روشن كردن با ولتاژ شكست
افزايش ولتاژ مستقيم آند به كاتد باعث افزايش پهناي منطقه تهي اتصال ۲ و همچنين ازدياد ولتاژ شتاب دهنده حاملهاي اقليت همان اتصال مي شود . اين حاملها با اتمهاي ثابت برخورد مي كنند و حاملهاي اقليت بيشتري را تا رسيدن به شكست بهمني در اتصال به جلو مي رانند . اين شكست اتصل ۲ رادر جهت مستقيم باياس مي كند ، و در اين حالت جريان آند تنها توسط امپدانس بار مدار خارجي محدود مي شود .
در ولتاژ شكست تيريستور از وضعيت ولتاژ زياد در دو سر خود با جريان نشتي خيلي كم به وضعيت ولتاژ خيلي كم با جريان مستقيم زياد تغيير مشخصه مي دهد ، يعني ، با ولتاژ تيريستور روشن
مي شود .
اثرات سطحي پولك سيليكوني احتمالاً لايه بار فضا را به طور موضعي
فشرده مي سازد و ولتاژ قطع را كاهش مي دهد . اين پديده معمولاً در اطراف سطح بروني پيوندگاه به طور غيريكنواخت اتفاق مي افتد . در نتيجه ممكن است كل جريان بهمني از طريق سطح كوچكي عبور كند و اتصال p-n در اثر گرمازدگي از بين برود . در ساختمان تيريستورهاي ولتاژ بالا اين نقيصه محيطي رايج است . كناره مناسب يا پخ بودن لبه پولكي جايي كه انتشار اتصال سطح را قطع مي كند ، ساخت و توليد تيريستورهاي ولتاژ بالا و قابل اعتمادي را ممكن مي سازد .
ولتاژ شكست از ولتاژ معكوس اسمي بيشتر است ، و اين روش روشن كردن فقط براي ديودهاي چهارلايه p-n-p-n مورد استفاده قرار مي گيرد .

(ت) روشن كردن
ميزان افزايش سريع ولتاژ مستقيم آند به كاتد سبب مي شود كه توسط خارنهاي موجود بين آند – دريچه و دريچه – كاتد جريان گذرا در دريچه ايجاد شود . ابن تغيير سريع ولتاژ مي تواند تيريستور را روشن كند ولي بايستي از آن اجتناب ورزيد . تيريستورها محدوديتي از ۲۰ الي ۲۰۰ ولت بر ميكرو ثانيه تغييرات ولتاژ بر حسب زمان در آند دارند ، با اين تيريستور هاي ولتاژ بالاي ۱۶۰۰ ولت با مقدار بيشتر از ۵۰۰ ولت بر ميكروثانيه وجود دارد كه در آنها حساسيت دريچه كمتر است . عملاً مقدار براي كليد زني با استفاده از يك مقاومت خارجي در مسير دريچه به كاتد قابل افزايش است .

۱-۲-۴-خاموش شدن تيريستور
خاموش شدن تيريستور به اين معني است كه هدايت در جهت مستقيم قطع مي شود و اعمال دوباره ولتاژ مثبت در آند بدون وجود علامت دريچه باعث عبور جريان نخواهد شد ، جا به جايي فرآيند خاموش شدن تيريستور است .
سه روش زير براي قطع تيريستور وجود دارد كه عبارتند از : جابجايي طبيعي ، خاموشي با باياس معكوس و خاموشي دريچه .

الف) جابجايي طبيعي
موقعي كه جريان آند به مقدار كمتر از جريان نگهدارنده كاهش يابد تيريستور خاموش يا قطع مي شود . به هر حال لازم به تذكر است كه ميزان اسمي جريان آند معمولاً بيشتر از ۱۰۰۰ برابر جريان نگهدارنده است . از آنجا كه در مدارهاي جريان مستقيم ولتاژ آند نسبت به كاتد همواره مثبت باقي
مي ماند ، جريان آند فقط در موقع كليد خط ، افزايش امپدانس مدار ، و يا انشعاب قسمتي از بار توسط مدار موازي (از طريق موازي كردن مداري) باتيريستور يعني همانا اتصال كوتاه كردن تيريستور مي تواند كاهش
يابد .

ب)خاموش يا باياس معكوس :
به منظور ايجاد ولتاژ باياس معكوس در دو سر تريستوري كه در خط جريان مستقيم قرار دارد ، مي توان از خازنها استفاده كرد . روش تخليه خازن به طور موازي با تيريستور براي خاموشي تيريستور را ، جا به جايي اجباري گويند .

مدارهاي جا به جايي اجباري چون داراي جريان زياد هستند و افت حرارتي در مسائل مربوط به طراحي اولويت زيادي دارد ، بيشتر مورد توجه قرار مي گيرند .
اين عمل را به طرق زيادي مي توان عملي كرد . ساده ترين روش ، جا به جايي فاز است يعني موقعي كه منبع تغذيه متناوب است ، پس از نيم سيكل تيريستور به طور معكوس باياس ، و خاموش خواهد شد . گذشت ۲۰ ميكروثانيه از زمان مثبت شدن كاتد الزاماً موجب خاموشي نمي شود ، بلكه تيريستور

موقعي قطع يا خاموش مي شود كه جريان مستقيم در آن به صفر تنزل كند و اين بستگي به راكتانس بارخواهد داشت . اگر بار خازني باشد جريان قبل از ولتاژ به صفر تقليل مي يابد ، كه اين خود را ، به مثابه جا به جايي اجباري از طريق تشديد و در حالي كه منبع تغذيه مدار از نوع جريان مستقيم است نشان مي دهد . در زير چهار نوع مدار خاموش كننده خازني تشريح شده است . ليكن انتخاب يكي از چهار نوع و يا روش ديگر اغلب به كاربرد تيريستور ارتباط دارد .

خود جابه جايي توسط مدار تشديد

صفحه X خازن C موقعي كه تيريستور مي خواهد روشن شود و جريان بار را هدايت كند مثبت است ، و به محض روشن شدن تيريستور خازن از طريق تيريستور و سلف L (در مدار تشديد ) تخليه ، و قطبيت صفحاتش عوض مي شود . جريان تشديد پس از نيم سيكل معكوس خواهد شد و اگر مقدارش بزرگتر از مقدار جريان بار باشد تيريستور خاموش مي شود . حال اگر بار اتصال كوتاه شود در آن صورت مدار تشديد نمي تواند جريان زيادي به اندازه كافي براي خاموش كردن تيريستور مهيا سازد . لذا ، بايستي براي كليه بارها رابطه زير برقرار باشد .

كه در آن زمان جابجايي بر حسب ميكرو ثانيه و مقاومت بار است . عملاً مقدار خازن C از اين مقدار به مقدار كمينه اي كه جابجايي قابل اعتمادي ايجاد كند تقليل مي يابد .
مدار مشابهي كه ولتاژ معكوس توسط خاصيت تشديد مدار فراهم
مي كند يعني اينكه وقتي خازن باردار شد مدار تشديد سعي در ايجاد جريان معكوسي براي خاموش كردن تيريستور مي كند. دوره هدايت با مقادير L و C كه مقادير ثابتي هستند تعيين مي شود.

 

(ب) خاموش كردن تيريستور توسط مدار تشديد كمكي
تيريستور بايستي به منظور باردار شدن خازن C قبل از تيريستور اصلي روشن شود تا به محض باردار شدن خازن و افت جريان مدار به مقدار زير جريان نگهدارنده ، تيريستور خاموش شود . اكنون تيريستور مي تواند براي عبور جريان بار و جريان تشديد مدار LC روشن شود . موقعي كه خازن C قطبيت خود را عوض كرد ، يعني موقعي كه صفحه Y نسبت به صفحه X مثبت شد و اختلاف پتانسيل بين دو صفحه به دو برابر ولتاژ منبع تغذيه نزديك شد ، ديود از تغيير بيشتر بار در صفحات خازن جلوگيري مي كند . در اين لحظه اگر تيريستور براي دومين بار روشن شود ولتاژ دو سر خازن تيريستور را باياس معكوس ، و آن را خاموش مي كند . همانند قسمت الف در اين مدار بايستي بين ظرفيت خازن و زمان خاموش شدن و مقاومت بار رابطه زير برقرار باشد .

زمان هدايت تيريستور نبايستي خيلي طولاني شود چون وجود جريان نشتي معكوس در ديود و تيريستور باعث تخليه خازن مي شود و در طول زمان معيني ولتاژ دو سرخازن براي خاموش كردن توام با اطمينان تيريستور كافي نخواهد بود. بنابراين معمولآً از اين مدار در مواقعي كه جريان مستقيم متوسط متغيري مورد لزوم است استفاده مي شود ، با كليد زني سريع تيريستور و تغيير نسبت به زمان وصل به قطع ، به اين منظور نائل مي شوند .

(پ)خاموش كردن تيريستور توسط خازن موازي
طرز كار اين مدار به اين صورت است كه در زير تشريح مي شود : مدار با خاموش بودن تيريستور و هدايت جريان بار توسط تيريستور شروع به كار مي كند . صفحه Y از خازن C تقريباً به علت افت كم ولتاژ در دو سر تيريستور داراي پتانسيل معادل زمين يا صفر است و صفحه X داراي پتانسيل مثبتي معادل پتانسيل منبع تغذيه خواهد بود ، زيرا خازن C از طريق C ، R و باردار مي شود . اگر انرژي ذخيره شده در خازن C موقعي كه روشن مي شود به اندازه كافي زياد باشد خازن C شروع به خالي شدن مي كند و را به مدتي بيش از زمان خاموش شدن (تيريستور) باياس معكوس مي كند . روشن شدن يكي از تيريستورها
باعث خاموش شدن تيريستور ديگر مي شود ، اين سيستم مرتباً تكرار
مي شود .