تريستور (Tryristor)
تریستور یک قطعه چهار لایه P-N-P-N است که دارای پایه سومی به نام گیت می باشد. يك تريستور 2000V‌ ، 300A بطور نمونه داراي يك برش سيليكوني به قطر mm 30 و ضخامت 0.7mm است مشخصه قطعه P-N-P-N بدون هر گونه اتصال خارجي به گيت در شكل (2) به نمايش درآمده است . تريستور را در اين شرايط مي توان به صورت اتصال سري سه ديود در نظر گرفت كه مانع هدايت جريان در هر دو جهت مي شوند . مشخصه معكوس يعني حالتي كه كاتود ، مثبت است ، تا زماني كه ولتاژ اعمال شده از ولتاژ شكست پيوند كنترل مركزي بيشتر نشود ، فقط جريان نشتي عبور خواهد كرد . ولتاژهاي شكست مستقيم و معكوس از نظر اندازه مساوي هستند . چون در حالت انسداد معكوس تقريباً همه ولتاژ روي پيوند P-N آنود ظاهر مي شود ، پيوند P-N كاتود در ولتاژي حدود10V‌مي شكند . هنگامي در جهت مستقيم شكست اتفاق مي افتد ،‌ جريان لايه مركزي P توسط الكترون هاي كاتود خنثي مي شود و قطعه مانند يك ديود در حال رسانايي عمل مي كند كه داراي دو پيوند با افت ولتاژ مستقيم دو برابر يك ديود است . براي اين كه تريستور به حالت روشن رفته و در آن حالت باقي بماند ،‌ جريان آنود بايد به سطح جريان تثبيت كننده برسد و مطابق شكل (2) از جريان نگهدارنده كمتر نشود . معمولاً جريان نگهدارنده است ،‌اما هر دو جريان نگهدارنده كمتر نشود . معمولاً جريان تثبيت كننده دو برابر جريان نگهدارنده است ، اما هر دو جريان مقدار كمي دارند و كمتر از يك درصد مقدار نامي در بار كامل مي باشند .در حالت باياس مستقيم ( هنگامي آنود مثبت است ) تريستور را مي توان با تزريق جريان به گيت نسبت به كاتود منفي به حالت روشن برد . وظيفه جريان گيت تزريق حفره ها به لايه P‌ داخلي است كه به همراه الكترون هاي لايه N‌ كاتود ، پيوند كنترل مركزي را مي شكنند و تريستور به حالت روشن مي برند . پس از اين كه جريان آنود از سطح جريان تثبيت كننده فراتر رفت ، مي توان جريان گيت را قطع كرد و تريستور بدون توجه به شرايط مدار گيت در حالت روشن باقي مي ماند . براي خاموش شدن تريستور جريان آنود بايد از جريان نگهدارنده كمتر شود ، و پيش از آنكه بتوانيم دوباره ولتاژ مستقيمي را بدون روشن شدن تريستور به آن اعمال كنيم ، زمان نسبتاً طولاني براي رسيدن پيوند كنترل تريستور به حالت انسداد ، بايد سپري شود . در بيشتر موارد براي خاموش كردن تريستور ، بوسيله مدار خارجي جريان آنود را مكوس مي كنند . عبور جريان معكوس در يك فاصله زمان كوتاهي مطابق شكل (4) به بارها اجازه عبور در لايه هاي P-N‌ را مي دهد و باعث مي شود دو پيوند بيروني هر نوع جريان معكوس ديگري را پس از بازيابي بار ذخيره شده سد كنند . بار ذخيره شده ، ناشي از حضور حامل ها در اين پيوند ، مانع عبور جريان در اثر اعمال مجدد ولتاژ مستقيم نخواهد داشت و معمولاً اين زمان براي اعمال مجدد ولتاژ ، بدون شكست ، 10 تا 100 ميكرو ثانيه است . بار ذخيره شده براي يك تريستور 20A ، در حدود 20uc مي باشد.تريستوري كه گفته شد ، ابتدايي ترين تريستور توليد شده است و تريستور معمولي ناميده مي شود . اخيراً در اثر پيشرفت هاي انجام شده ، تريستور خاموش شونده با گيت ساخته شده كه بر خلاف تريستور معمولي كه با قطع جريان آنود خاموش مي شود ، مي توان آن را با قطع جريان گيت خاموش كرد ؛ قطعي ديگري كه اخيراً توليد شده است ، تركيبي از يك تريستور و يك ديود رساننده معكوس بر روي يك برش سيليكوني مي باشد . اين قطعه در جهت معكوس ، هميشه هدايت مي كند ، اما در جهت مستقيم ( مانند يك تريستور معمولي ) كنترل پذير است . كاربرد تريستور داراي رسانايي معكوس در مدارهاي متناوب ساز مي باشد كه از اين قطعه مي توان به جاي اتصال موازي يك تريستور و يك ديود استفاده كرد .بخش دوم: GTOتريستور خاموش شونده با گيت (Gate-turn-off tryristor)تريستور معمولي كه بررسي شد ، در سال هاي اخير تكامل يافته و امروزه دو قطعه جديد از خانواده تريستورها يعني تريستور نا متقارن و تريستور خاموش شونده با گيت در دسترس مي باشد . تريستور معمولي داراي دو پيوند P-N است كه مي تواند ولتاژ زياد را در يك جهت يا جهت مقابل ، سد نمايد . اين نكته لازمه اساسي براي كاربرد در مدارهاي يكسو ساز است . البته در مدارهاي متناوب ساز به قابليت سد كردن معكوس نيازي نيست ، نيز استفاده مي شوند . براي كاهش زمان بازيابي حالت سد كردن تريستور پس از خاموش شدن ، سيليكون مي تواند نازكتر ساخته شود ، اما در اين صورت قابليت سد كردن ولتاژ معكوس آن از بين مي رود . اين قطعه را با نام تريستور نا متقارن مي شناسد . در مدارهاي متناوب ساز يك ديود بصورت موازي با تريستور متصل مي شود بنابراين از دست رفتن توانايي سد كردن ولتاژ معكوس اهميتي ندارد ، اما زمان كليدزني در قياس با چند ده ميكرو ثانيه در مورد تريستور معمولي به چند ميكرو ثانيه كاهش مي يابد . تریستور معمولی را فقط می توان با صفر کردن جریان آنود خاموش کرد اما تریستور خاموش شونده با گیت همان طور که نامش پیداست ، با حذف جریان گیت خاموش می شود و مانند تریستور معمولی با تزریق جریان به گیت روشن می شود . ساختار پیچیده تر تریستور خاموش شونده با گیت نسبت تریستور معمولی در نماد مداری تریستور خاموش شونده با گیت ، گسترشی از نماد تریستور معمولی است که نقش دو گانه پایه گیت در آن به نمایش در آمده است . نشان می دهد که در ناحیه آنود تریستور خاموش شونده با گیت در لایه P نقاط N با ناخالصی زیاد وجود دارد که علامت + بیانگر این نکته است . ساختار گیت کاتود بصورت یک در میان است یعنی هر الکترود از تعداد زیادی کانال های نزدیک به هم تشکیل شده است . در تریستور خاموش شونده با گیت ، هنگامی که جریان گیت وجود ندارد ، مانند تریستور معمولی پیوند p - N مرکزی در مقابل ولتاژ مثبت آنود نسبت به کاتود مقاومت می کند اما مثل تریستور نامتقارن با ولتاژ معکوس کم با کاتود مثبت دچار شکست می شود . GTO های سد کننده ولتاژ معکوس نیز در دسترس هستند اما این ویژگی به قیمت از دست دادن مقادیر نامی دیگر تمام می شود . مثالی از کاربرد آن ها ، بار تشدیدی است . در یک بار تشدیدی ، GTO مانند تریستور معمولی اما با سرعت خاموشی بسیار زیاد مورد استفاده قرار می گیرد . شرایط روشن شدن تریستور خاموش شونده با گیت مانند تریستور معمولی است اما بعلت تفاوت ساختمان ، جریان تثبت کننده آن بیشتر است . حالت یک در میان گیت منجر به رسانایی سریع در سیلیکون می شود ، اما لازم است که جریان گیت مدت طولانی تری در سطح بالا نگه داشته شود تا عمل تثبت بطور اطمینان بخش انجام شود . برای پایین نگه داشتن افت ولتاژ آنود کاتود هنگام رسانایی ، کمینه کردن جریان گیت مفید است . در غیر این صورت ولتاژ حالت روشن و در نتیجه تلفاترسانایی کمی بیشتر از حد معمول است . بعلت سازوکار داخلی تکثیر حامل ها که خود نگهدار است و جریان آنود را در سطحی بالاتر از جریان تثبت کننده نگه می دارد ، تریستور پس از قطع جریان گیت در حالت روشن باقی می ماند . در تریستور خاموش شونده با گیت امکان متوقف کردن تکثیر حامل ها با برداشتن حفره ها از ناحیه P وجود دارد . این کار باعث می شود که ناحیه رسانایی بطرف نقاط آنود N در زیر ناحیه ای که الکترود کاتود در دورترین فاصله از الکترود گیت قرار دارد فشرده شود ، تا این که تمام مسیرهای رسانایی قطع شوند . هنگامی که جریان کاتود قطع شد ، جریان گیت آنود برای مدت کوتاهی برقرار می شود تا قطعه حالت انسداد خود را به دست آورد . میزان جریان لازم گیت برای خاموش شدن در حدود یک پنجم تا یک سوم جریان آنود است که به مقدار چشمگیری بیشتر از جریان روشن شدن است . زمان قطع در مقایسه با سایر تریستور ها کوتاه تر است . خلاصه ای از لازمه های مدار گیت تریستور خاموش شونده با گیت در شکل (الف 10) نشان داده شده است . هنگام روشن شدن ، جریانی به گیت تزریق می شود و هنگام خاموش شدن ، یک ولتاژ منفی در حدود 10V روی گیت کاتود می افتد که باعث حذف جریان گیت می شود . این ولتاژ باید کمتر از ولتاژ شکست معکوس گیت کاتود باشد و در ضمن به اندازه ای باشد که بار لازم برای خاموش شدن را بیرون بکشد . خاموش شدن قطعه از نظر فیزیکی پیچیده است ، اما اساس کار بر خارج کردن سریع بارها به وسیله یک جریان گیت بالا ، نزدیک به جریان آنود ، استوار است . این جریان در زمانی کمتر از یک میکرو ثانیه برقرار می شود . برای محدود کردن آهنگ افزایش ولتاژ آنود هنگام خاموش شدن یک خازن اسنابر با تریستور موازی می شود . یک مدار ساده کنترل گیت اعمال جریان مثبت به بیس ترانزیستور T1 برقراری جریان در گیت از طریق R1 و C1 را با مقدار اولیه ای که توسط R1 تنظیم می شود ، امکان پذیر می کند . دیود زنر D1 هنگام رسیدن به ولتاژ رسانا می شود بنابراین بار روی C1 در سطح (مثلا) 12V باقی می ماند و عبور جریان پیوسته کوچکی از منبع 10V به گیت که در شرایط ایده آل لازم است ، ممکن می شود. معکوس کردن جریان باعث روشن شدن T2 و خاموش شدن T1 می شود. هنگامی که T2 روشن است ، خازن C1 از طریق T2 تخلیه شده ، جریان گیت حذف و تریستور خاموش می شود . خازن C2 که با تریستور موازی است ولتاژ آنود کاتود را محدود می کند . بخش سوم : یک نمونه از کاربرد GTO در الکترونیک صنعتی معرفی یك تغییردهنده ولتاژ الكترونیكی تحت بار جدیدتغييردهنده‌هاي‌ ولتاژ ترانسها يكي‌ ازتجهيزات‌ هزينه‌ بر سيستمهاي‌ قدرت‌ است‌.اين‌ وسيله‌ كاربردهاي متعددي‌ دارد كه‌ ازجمله‌ مي‌توان‌ به‌ ترانسفورماتورهاي‌تنظيم‌ك ننده‌ ولتاژ AC، ترانسفورماتورهاي‌مورد استفاده‌ در يكسوكننده‌ و معكوس‌كننده‌سيستمهاي‌ ولتاژ بالاي‌ مستقيم‌ (HVDC) وتنظيم‌كننده‌هاي‌ زاويه‌ فاز تجهيزات‌ تحت ‌بارهاي‌ مختلف نام‌ برد. در تمام‌ روشهايي‌ كه ‌براي‌ تغيير ولتاژ خروجي‌ ترانسفورماتورها استفاده‌ مي‌شود، مسأله‌ كليدزني‌ مطرح‌ است‌.در يك‌ روش‌ متداول‌ از كنتاكت‌هاي‌ ثابت‌ ومتحرك‌ نسبتا گران‌ قيمت‌ اتفاده‌ مي‌شود،كنتاكت‌هاي‌ متحرك‌ با تغيير وضعيت‌ واتصال‌ به‌ يك‌ سري‌ كنتاكت‌ ثابت‌، تعدادحلقه‌هاي‌ سيم‌پيچ‌ اوليه‌ و به‌ دنبال‌ آن‌ ولتاژ راتغيير مي‌دهند. اين‌ كار در زماني‌ كمتر از 10ميلي‌ثانيه‌ انجام‌ مي‌شود. در روش‌ ديگركليدزني‌، با استفاده‌ از كليدهاي‌ الكترونيكي‌،با استفاده‌ از كليدهاي‌ الكترونيكي‌، تغييرتعداد حلقه‌هاي‌ سيم‌پيچ‌ در زمان‌ كوتاه‌تري‌ انجام‌ مي‌شود، با كنترل‌ گيت‌ كليدهايي‌ نظيرتريستور (SCR) و يا تريستور با قابليت‌ قطع‌توسط گيت‌ (GTO)كه‌ به‌ صورت‌ زوجي‌ و به ‌شكل‌ معكوس‌ به‌ يكديگر متصل‌ شده‌اند، مي‌توان‌ كليدزني‌ سيم‌پيچ‌ها را انجام‌ داد. دراين‌ روش‌ با يك‌ سيستم‌ كنترل‌ از قبل‌ تنظيم ‌شده‌، مي‌توان‌ با روشن‌ كردن‌ مناسب‌ كليدها، تعدادي‌ از سيم‌پيچها را اتصال‌ كوتاه‌ كرده‌ وتعدادي‌ ديگر را در مدار آورد. در صورت‌استفاده‌ از تعداد بيشتري‌ سيم‌پيچ‌ كه‌ نيروي‌محركه‌ القا شده‌ در تعدادي‌ از آنها در جهت‌مخالف‌ ولتاژ اصلي‌ است‌ و نيز استفاده‌ از تعدادبيشتري‌ كليد الكترونيكي‌، مي‌توان‌ محدوده‌وسيعي‌ را براي‌ ولتاژ خروجي‌ ايجاد كرد.تغييردهنده‌هاي‌ ولتاژ مكانيكي‌، همواره‌سمت‌ ولتاژ بالاي‌ ترانسفورماتور كه‌ جريان‌كمتري‌ دارد، نصب‌ مي‌شود. اما در نوع ‌الكترونيكي‌، براي‌ كاهش‌ هزينه‌ و دستيابي‌به‌ محدوده‌ وسيعتر براي‌ ولتاژ خروجي‌،تغيردهنده‌ در سمت‌ اوليه‌ ترانس‌ يا در ثانويه‌و در صورت‌ لزوم‌ در هر دو سمت‌ مي‌توانداستفاده‌ نشود. از سوي‌ ديگر، استفاده‌ از تغييردهنده‌هاي‌ ولتاژ الكترونيكي‌ مشكلات‌ ومحدوديتهايي‌ نيز دارد، هزينه‌ بالاي‌كليدهاي‌ الكترونيك‌ موردنياز كه‌ بايد تحمل‌جريان‌ و ولتاژ زيادي‌ را داشته‌ باشند، تلفات‌اين‌ كليدها درحالت‌ كار كه‌ جريان‌ از آنها عبورمي‌كند و سيم‌پيچ‌هاي‌ خاصي‌ كه‌ براي‌ تأمين‌محدوده‌ مورد نظر به‌ منظور تأمين‌ ولتاژخروجي موردنياز هستند، از جمله‌ اين‌ موارداست‌. بنابراين‌ هدف‌ اصلي‌ كاهش‌ تعدادكليدهاي‌ الكترونيكي‌ موردنياز، پايين‌ آوردن‌ظرفيت‌ آنهاو استفاده‌ از سيم‌پيچهاي‌ كمتر وبا آرايش‌ ساده‌تر است‌. اين‌ مشكلات‌ ا جرايي‌باعث‌ شده‌ تا تغييردهنده‌هاي‌ ولتاژ الكترونيك‌ نتوانند با هزينه‌اي‌ مناسب‌ ساخته‌و به‌ صورت‌ تجاري‌ بكار گرفته‌ شوند. يك‌روش‌ ساده‌ ارايه‌ شده‌ براي‌ اقتصادي‌ كردن‌تغييردهنده‌ ولتاژ الكترونيكي‌، كنترل‌ زاويه‌ فازبراي‌ تغيير مقدار ولتاژ خروجي‌ است‌. اين‌روش‌ درعين‌ سادگي‌ موجب‌ ايجادهارمونيكهاي‌ مزاحم‌ در شبكه‌ شده‌ كه‌ خود به‌صورت‌ مضاعف‌ نياز به‌ هزينه‌اي‌ براي‌استفاده‌ از *****هاي‌ هارمونيكي‌ را مطرح‌ مي‌كند. با توجه‌ به‌ توضيحات‌ فوق‌، به‌ نظرمي‌رسد تا تبديل‌ تنظيم‌كننده‌هاي‌ ولتاژالكترونيكي‌ به‌ نحوي‌ كه‌ بتوانند به‌ صورت‌گسترده‌ و بخصوص‌ براي‌ ترانسفورماتورهاي‌با ظرفيت‌ بالا، بكار گرفته‌ شوند، راهي‌طولاني‌ وجود دارد. منابع و مآخذ الکترونیک صنعتی ; سیریل لندرترجمه مهندس محمدرضا موسوی تقی آبادی ، مهندس حمیدرضا رضایی نیا مهندس مسعود هوشمند ، مهندس نرجس راهنما الکترونیک صنعتی ، هـ . رشید هنوز هم در الكترونيك صنعتي در كاربردهاي ولتاژ بالا و جريان بالا از تريستورها استفاده ميكنيم.انواع جديدي از تريستورها ساخته شده كه عبارتند از:
1-Phase Control Thyristors (SCRs)
2-Fast Switching Thyristors (SCRs)
3-Gate Turn-off Thyristors (GTOs)
4-Bidirectional Triode Thyristors (TRIACs)
5-Reverse Conducting Thyristors (RCTs)
6-Static Induction Thyristos (SITHs)
7-Light Activated Silicon Controlled Rectifiers (LASCRs)
8-FET Controlled Thyristors (FET-CTHs)
9-MOS Controlled Thyristors (MCTs)
1- در اين تريستورها سرعت سوئيچ پايين بوده و در حدود 50 تا 100 ميكرو ثانيه است.اين تريستورها كاربردهاي عمومي مثل كنترل زاويه فاز يا يكسوكننده اي كنترل شده را دارند.2- معمولا هم با كموتاسيون طبيعي خاموش ميشوند.2- در اين نوع از تريستورها سرعت سوئيچ از 5 تا 50 ميكرو ثانيه است و كموتاسيون اجباري دارند.هرجايي كه نياز به سرعت بالا در قطع و وصل باشد مثل اينورترها و يكسوكننده هاي دو جهته ميتوان از آنها استفاده كرد.3- 3- اين نوع از تريستورها با اعمال يك پالس مثبت به گيتشان روشن ميشوند و با اعمال يك پالس منفي به گيتشان خاموش خواهند شد.به دليل به وجود آمدن يك ناحيه خاص در پيوند قطعات pوn اين المان در حين سوئيچ شدن از حالت صفر به يك سرعت سوئيچش كمي كاهش مي يابد.4- بهترين مزيت GTO نداشتن مدار كموتاسيون و در نتيجه حذف نويزهاي اضافي اين مدارات است.45- - همان تراياك است كه در دو جهت ميتواند عمل هدايت را با تحريك گيتش انجام دهد.
5- يك تريستور است كه مانند شكل زير يك ديود به صورت موازي با آن قرار گرفته است.


اين نوع تريستور در مدارهاي چاپر و اينورتر كاربرد دارد زيرا ديود موازي شده تريستور را در برابر جريانهاي برگشتي از المانهاي اندوكتانسي مثل سلف ها و ترانسها محافظت ميكند.
6- 6- اين المان جديد كه SITH نام دارد با اعمال يك پالس مثبت به گيتش روشن شده و با اعمال يك پالس مثبت به گيتش خاموش ميشود.
سرعت اين المان در حد 1 تا 5 ميكرو ثانيه است كه از بقيه انواع تريستورها سريعتر است.همچنين داراي
dv/dt‌و di/dt قابل توجهي است.
7-همان طوري كه از اسمش پيدا است در به وسيله تابش نور به گيتش فعال ميشود و كاربرد آن در سيستمهاي ولتاژ و جريان بالا مثل
HVDC ها است.
8-از موازي شدن يك
MOSFET با يك تريستور تشكيل شده است.خيلي ساده با تحريك گيت MOSFET تريستور روشن ميشود.