تریستور چیست؟ چگونه کار میکند و چه انواعی دارد؟

تریستورها مانند قطعات تولید شده دیگر از سیلیکون مانند دیود و ترانزیستور، شباهت های بسیاری دارد و برای استفاده صحیح از آن در طراحی مدار، بهتر است با انواع و طرز کارکرد آن بهتر آشنا شوید. پس در ادامه با ما همراه باشید.

تریستور قطعه ای نیمه هادی با چهار لایه متناوب از P و N است(P-N-P-N). در معمولی ترین حالت ۳ ترمینال دارد: آنود (ترمینال مثبت)، کاتود (ترمینال منفی) و گِیت (ترمینال کنترل).

گردش جریان بین کاتود و آنود را گیت کنترل می کند. نقش اصلی تریستور کنترل جریان و قدرت و استفاده به عنوان سوئیچ است. برای قطعه ای کوچک و سبک وزن، کنترل ولتاژ و جریان بالایی را در مدار به عهده می گیرد که قابل توجه است (تا ۶۰۰۰ ولت و ۴۵۰۰ آمپر) .

همچنین این قطعه به عنوان یکسوساز نیز می تواند مورد استفاده قرار گیرد و اگر در شرایط محیطی مناسب به کارگیری شود، عمر طولانی و خطای کمی خواهد داشت که هزینه تعمیر و نگهداری را کاهش می دهد.

تریستور چهار لایه با چینش P-N-P-N، سه نقطه اتصال دارد:  PN،NP   و  PN. اگر آنود را نسبت به کاتود ترمینال مثبت در نظر بگیریم، نقطه اتصال PN به PN بایاس رو به جلو و اتصال مرکزی NP بایاس معکوس دارد. بنابراین اتصال NP گردش جریان مثبت از آنود به کاتود را مسدود می کند. وقتی که تریستور جریان مثبت را مسدود کند به آن حالت مسدود رو به جلو گویند و مانند آن اگر جریان منفی توسط اتصال PN بیرونی مسدود شود، تریستور در حالت مسدود شوندگی معکوس قرار می گیرد.

حالت دیگری که تریستور می‌تواند داشته باشد، حالت اتصال رو به جلو است که اگر سیگنال کافی برای روشن شدن دریافت کند، اتصال را برقرار می کند.

به صورت کلی تریستورها را بر اساس کاربرد می توان به ۳ دسته تقسیم بندی کرد:

• تریستور روشن شونده (کنترل یکطرفه)
• تریستور خاموش شونده (کنترل یکطرفه)
• تریستور هدایت شونده (کنترل دوطرفه)

در قسمت زیر به بررسی تریستورهای روشن شونده می پردازیم.

این نوع از تریستورها حتی وقتی که جریان گِیت قطع شود، روشن می مانند. برای خاموش شدن آنها باید جریان آنود به کاتود حذف شود یا آنود به وسیله ولتاژ منفی مرتبط با کاتود، ریست شود. این قابلیت برای کنترل فاز بسیار مناسب است. وقتی که جریان آنود به صفر برسد، SCR  اتصال را متوقف کرده و ولتاژ معکوس را مسدود می کند.

از SCR ها در مدارهای سوئیچ کننده، موتور درایو های DC، سوئیچ های استاتیک AC/DC و مدارهای اینورت کننده استفاده می شود.

معمولاً تریستورها به جریان اجازه جلو رفتن می‌دهند، در حالی که جریان معکوس را مسدود می‌کند. اما RCT از یک SCR تشکیل شده است که با دیود معکوس یکپارچه شده و انتقال جریان الکتریکی در جهت معکوس را امکان پذیر می سازد.

از RCT ها در مبدل ها و درایوهای DC پر قدرت استفاده می شود.

این قطعات با نام تریستورهای فعال شونده با نور (LTT) نیز شناخته می‌شوند. در این نوع تریستورها، ذرات نوری به نقطه اتصال بایاس معکوس برخورد کرده و تعداد زوج های الکترون/حفره(نبود الکترون) را در تریستور افزایش می دهد. اگر شدت نور از حد مشخص شده بیشتر باشه، تریستور روشن می شود. LASCR ها ایزوله سازی الکتریکی کاملی بین منبع نوری و قطعه سوییچ کننده در مبدل برقی انجام می دهند.

از این مدل تریستورها در تجهیزات انتقال ولتاژ زیاد DC، متعادل کننده برق و ژنراتورهای پالس های پرقدرت استفاده می شود.

در تریستورهای قدیمی تر مانند SCR، هنگامی که پالس کافی به گِیت وارد شود، تریستور روشن می شود و برای خاموش کردنش باید جریان اصلی متوقف شود. این حالت کمی نامتعارف است، زیرا در مدارهای AC به DC یا برعکس جریان بطور طبیعی، کامل صفر نمی شود. در ادامه به بررسی انواع تریستورهای خاموش شونده می پردازیم.

این نوع از تریستورهای خاموش شونده با تریستورهای استاندارد دیگر متفاوت است، زیرا با اعمال کردن جریان منفی (ولتاژ) به گیت خاموش می شود، حتی اگر جریان بین آنود و کاتود حذف نشود. این یعنی GTO ها می توانند با سیگنال منفی گِیت خاموش شوند، که آنها را  به سوییچی  کاملا کنترل شونده تبدیل می کند. این نوع تریستورها را سوییچ شونده با گیت (GCS) نیز می نامند. در ضمن زمان مورد نیاز برای خاموش شدن GTO ها تقریبا ۱۰ برابر سریعتر از SCR معادل آنهاست.

GTO هایی که قابلیت مسدودکردن معکوس دارند، به GTO های متقارن نیز معروف اند و GTO های نامتقارن آن هایی هستند که توانایی مسدود کردن ولتاژ معکوس چندان موثری ندارند.

در بازار انواع مختلفی از GTO های نامتقارن وجود دارد وکه تنوع بهتری نسبت به نوع متقارن خود دارند. GTO ها بطور کلی در موتور درایورهای AC و DC ، معکوس کننده های توان بالا و استابیلایزرهای AC کاربرد دارد.

MTO ها ترکیبی از یک GTO و یک ماسفِت (MOSFET) هستند تا قابلیت خاموش شوندگی GTO ها را بهبود ببخشد. MTO 2 ترمینال کنترل دارد: گِیت روشن شدن، و گِیت خاموش شدن که به آن گیت ماسفِت نیز می گویند.

برای روشن شدن MTO ها، باید پالس ولتاژی به گِیت ماسفِت وارد شود. با روشن شدن ماسفِت، که اتصال نزدکی بین امیتر و پایه ترانزیستور NPN را برقرار کند، خاموش شدن اتفاق نمی افتد. این فرآیند بسیار سریعتر از GTO است که پالس منفی بزرگ به گیت GTO برسد. علاوه بر زمان سریعتر، MTO اتلاف انتقال جریان را نیز حذف می کند. فرستنده های خطی منعطف AC (FACT)، موتور درایوها و اینورترهای منبع ولتاژی در توان بالا تا MVa 20 از کاربردهای MTO  هاست.

ETO ها هم مانند MTO ها، ۲ ترمینال دارند که یکی معمولی و دیگری به حالت سری به یک ماسفِت متصل شده است. برای روشن کردن ETO ، ولتاژ مثبت باید به هر ۲ گِیت وارد شود که در نتیجه NMOS روشن شده و PMOS خاموش می شود.

وقتی جریان مثبت به گِیت معمولی تزریق شود، ETOروشن می شود. برای خاموش کردن آن هم با وارد شدن سیگنال ولتاژ منفی به گِیت ماسفِت، NMOS خاموش شده و تمام جریان را از کاتود خارج می سازد. در نتیجه این فرآیند اتصال متوقف شده وETO  خاموش می شود.

از ETO  ها می توان در اینورترهای منبع ولتاژ با توان بالا، فرستنده های خطی منعطف AC (FACT) و متعادل کننده استاتیک هماهنگ (STATCOM) استفاده کرد.

تمام تریستورهایی که در قسمت بالا بررسی کردیم یک طرفه بودند و به عنوان یکسوکننده، مبدل های DC به DC و اینورتر استفاده می شدند. برای اینکه بتوانید این تریستورها در کنترل ولتاژ AC هم استفاده کنید، به ۲ تریستور نیاز دارید که بصورت غیرموازی بهم متصل شوند. در نتیجه این اتصالات اضافه به سیم کشی و فضای بیشتری در مدار نیاز دارد و فرآیند کار را پیچیده تر می کند. اما اگر از تریستورهای کنترل ۲ طرفه استفاده کنید که بطور خاص برای این منظور طراحی شده اند، می توانید به راحتی و بدون دردسر جریان را در هر ۲ جهت مدیریت کنید.

در قسمت زیر به بررسی مدل های مختلف تریستورهای کنترل ۲ طرفه می پردازیم.

TRIAC ها بعد از SCR ها پر استفاده ترین نوع تریستورها هستند. این نوع تریستور می تواند هر ۲ نیمه امواج جریان متناوب را کنترل کند و از انرژی  الکتریکی موجود بهترین بهره را داشته باشد. اما TRIAC ها معمولا برای کاربردهای توان پایین استفاده می شوند، چون ساختار نامتقارنی دارند.

TRIAC برای کاربردهای توان بالا در هر نیم چرخه سوییچ کردن ولتاژ گیت، اختلال و معایبی از خود نشان می دهد که در سیستم عدم تعادل ایجاد می کند و بر عملکرد EMC (سازگاری الکترو مغناطیسی) دستگاه تاثیر منفی می گذارد.

TRIAC های توان پایین را عموما به عنوان دیمرهای نوری، کنترل کننده سرعت فن های برقی و کنترل مدارهای محاسباتی لوازم خانگی به کار می برند.

DIAC ها قطعاتی مناسب برای توان های پایین هستند و بطور کلی بصورت ترکیبی با TRIAC ها به کار می روند (با گِت ترمینال TRIAC بصورت سری قرار می گیرند). چون TRIAC ها ذاتا نامتقارن هستند، با استفاده از DIAC می توان از هرگونه گردش جریان از گِیت TRIAC جلوگیری کرد تا DIAC به ولتاژ موردنظر در جهت دلخواه برسد.

این فرآیند که توسط DIAC انجام می پذیرد، باعث می شود تا TRIAC ها بتوانند در سوییچ های AC بطور متعادل در هر ۲ جهت بکار گرفته شوند. DIAC ها را علاوه بر استفاده های مشترک با TRIAC، به عنوان دیمر در چراغ و منبع های نوری نیز استفاده می شوند.