تریستور یا SCR چیست؟

تریستور (Thyristor) یک قطعه نیمه‌رسانای چند لایه است که در مدارهای الکترونیک قدرت و الکترونیک صنعتی از آن استفاده می‌شود. گاهی تریستور را «یکسوساز کنترل شده با سیلیکون» (Silicon Controlled Rectifier) یا SCR نیز می‌نامند. برای روشن (ON) شدن این قطعه پسیو، باید به پایه گیت آن (بخش کنترل شده) یک سیگنال اعمال کرد. در حقیقت، با اعمال سیگنال گیت یک دیود یکسو خواهیم داشت و این متناظر با کلمه یکسوساز در SCR است. در حقیقت، نماد مداری تریستور یک دیود قابل کنترل است. شکل زیر، نماد تریستور را نشان می‌دهد.

برخلاف دیود پیوندی که یک قطعه نیمه‌رسانای دو لایه (P-N) است، یا ترانزیستور دوقطبی متداول که سه لایه دارد (P-N-P یا N-P-N)، تریستور یک قطعه نیمه‌هادی چهار لایه (P-N-P-N) است که سه پیوند PN دارد.

مشابه یک دیود، تریستور قطعه‌ای تک‌جهته است و جریان را فقط در یک جهت هدایت می‌کند. اما برخلاف دیود، تریستور بسته به چگونگی سیگنال اعمالی به گیتش می‌تواند به عنوان یک کلید مدار باز یا یک دیود یکسوکننده عمل کند. به عبارت دیگر، تریستورها فقط می‌توانند در حالت کلیدزنی عمل کنند و برای تقویت‌کنندگی به کار نمی‌روند.

یکسوساز کنترل شده با سیلیکون یا SCR، در کنار تریاک (Triac)، دیاک (Diac) و ترانزیستور تک‌پیوندی (UJT)، یکی از چندین قطعه نیمه‌رسانای قدرت است که می‌تواند مانند کلید‌های AC حالت جامد بسیار سریع، برای کنترل ولتاژها و جریان‌های AC بزرگ، عمل کند.

تریستور، یک قطعه سه سر یا سه پایه با پایه‌های «آند» (Anode)، کاتد (Cathode) و «گیت» (Gate) است که از سه پیوند PN تشکیل شده و می‌تواند با سرعت بسیار بالا روشن و خاموش شود یا می‌تواند مقدار مشخصی توان را برای متغیرهای زمانی در نیم تناوب‌ها به بار تحویل دهد.

بهترین راه برای توصیف عملکرد تریستور این است که فرض کنیم مشابه شکل زیر، از دو ترانزیستور ساخته شده که مانند یک جفت کلید احیاگر، پشت به پشت به هم متصل هستند.

شکل بالا، مدار معادل دو ترانزیستور نشان می‌دهد که جریان کلکتور ترانزیستور NPN یا $${TR}_{\mathrm{۲}}$$ مستقیماً بیس ترانزیستور PNP یا $${TR}_{\mathrm{۱}}$$ را تغذیه می‌کند.

این دو ترانزیستور متصل، برای هدایت به یکدیگر وابسته هستند؛ به گونه‌ای که هر ترانزیستور، جریان بیس-امیتر خود را از جریان کلکتور-امیتر ترانزیستور دیگر می‌گیرد. بنابراین، تا زمانی که یکی از ترانزیستورها جریان بیس نداشته باشد، اتفاقی رخ نخواهد داد؛ حتی اگر ولتاژ آند-کاتد وجود داشته باشد.

وقتی پایه آند تریستورها نسبت به کاتد آن‌ها منفی باشد، پیوند N-P میانی بایاس مستقیم می‌شود، اما دو پیوند P-N بیرونی بایاس معکوس خواهند بود و تریستور بسیار شبیه به یک دیود معمولی عمل می‌کند. بنابراین، اگر به ازای مقادیر بالایی از ولتاژ، از نقطه شکست پیوندهای بیرونی فراتر رود، تریستور بدون اعمال سیگنال گیت هدایت می‌کند.

این موضوع، یک ویژگی منفی قابل توجه است، زیرا ممکن است تریستورها به طور ناخواسته توسط اضافه ولتاژ یا دمای بالا یا افزایش سریع $$dv/dt$$ به حالت هدایت تحریک شوند.

اگر پایه آند نسبت به کاتد مثبت باشد، دو پیوند P-N بیرونی بایاس مستقیم و پیوند N-P میانی بایاس معکوس خواهد شد. بنابراین، جریان مستقیم نیز سد می‌شود. اگر یک جریان مثبت به بیس ترانزیستور $${TR}_{\mathrm{۲}}$$ تزریق شود، جریان کلکتور حاصل، از بیس ترانزیستور $${TR}_{\mathrm{۱}}$$ می‌گذرد. این موضوع، به نوبه خود سبب برقراری جریان کلکتور در ترانزیستور $${TR}_{\mathrm{۱}}$$ می‌شود که خود سبب افزایش جریان بیس $${TR}_{\mathrm{۲}}$$ خواهد شد.

از آن‌جایی که دو ترانزیستور در یک حلقه فیدبک احیاگر متصل شده‌اند، بسیار سریع یکدیگر را به حالت هدایت اشباع می‌برند. همچنین، به دلیل آنکه مقاومت مستقیم تریستور، هنگام هدایت به مقادیر پایین‌تری از یک اهم می‌رسد و در نتیجه ولتاژ و توان اتلافی نیز کم است، هنگامی که فرمان هدایت داده می‌شود، جریان گذرنده از آند به کاتد، تنها با مقاومت مدار خارجی محدود می‌شود.

شکل زیر یک تریستور را نشان می‌دهد.

در حالت خاموش یا OFF، تریستور جریان یک منبع AC را در هر دو جهت سد می‌کند. با روشن یا ON شدن تریستور از طریق اعمال یک جریان مثبت به بیس ترانزیستور $${TR}_{\mathrm{۲}}$$ که در یک SCR، گیت نام دارد، عملکرد تریستور مانند یک دیود یکسوساز معمولی خواهد بود.

منحنی‌های مشخصه ولتاژ-جریان (I-V) مربوط به عملکرد یک تریستور در شکل زیر نشان داده شده است.

وقتی تریستور ON می‌شود و جریان را در جهت مستقیم عبور می‌دهد (آند مثبت)، سیگنال گیت، به دلیل عمل احیاگر دو ترانزیستور داخلی، کنترل را از دست خواهد داد. در این صورت، اعمال هرگونه سیگنال یا پالس به گیت بعد از آرایش اولیه هیچ اثری نخواهد داشت، زیرا تریستور از قبل در حال هدایت بوده و کاملاً روشن است.

برخلاف ترانزیستور، نمی‌توان SCR را به گونه‌ای بایاس کرد که در ناحیه فعال روی خط بار بین حالت‌های سدکنندگی و اشباع باقی بماند. اندازه و زمان پالس فعال‌ساز (Turn-On) گیت، تأثیر اندکی بر عملکرد قطعه دارد، زیرا هدایت به صورت داخلی کنترل شده است. اعمال یک پالس گیت آنی به تریستور، برای شروع به هدایت آن کافی است. در این صورت، تریستور به طور دائم در وضعیت وضعیت ON باقی می‌ماند؛ حتی اگر سیگنال گیت کاملاً حذف شود.

بنابراین، می‌توان تریستور را به عنوان یک لچ دوپایا (Bistable Latch) یا فلیپ‌فلاپ در نظر گرفت که دو حالت پایدار OFF یا ON دارد. به همین دلیل است که بدون اعمال سیگنال گیت، یک SCR، جریان یک شکل موج AC را در دو جهت سد می‌کند و وقتی به حالت هدایت می‌رود، عمل احیاگر به این معنی است که نمی‌توان آن را دوباره با استفاده از گیت به حالت OFF برد.

اما چگونه می‌توانیم تریستور را خاموش یا OFF کنیم؟ وقتی تریستور در حالت ON قفل شده (Self-latched) است و جریان را از خود عبور می‌دهد، فقط در صورتی دوباره خاموش می‌شود که منبع ولتاژ‌ و در نتیجه جریان آند ($$I_A$$) کاملاً حذف شود یا جریان آند به کاتد آن به وسیله یک عمل خارجی (مثلاً باز کردن یک کلید) به پایین‌تر از مقداری که «حداقل جریان نگهدارنده» (Minimum Holding Current) یا $$I_H$$ نامیده می‌شود، کاهش یابد.

بنابراین، برای آنکه پیوندهای PN داخلی تریستور وضعیت سدکنندگی خود را قبل از اعمال دوباره یک ولتاژ مستقیم به قطعه بازیابی کنند، باید جریان آند به پایین‌تر از مقدار حداقل نگهدارنده کاهش پیدا کند. بدیهی است برای آنکه یک تریستور برای بار اول هدایت کند، جریان آند آن که جریان بار $$I_L$$ نیز است، بزرگتر از مقدار جریان نگهدارنده باشد ($$I_L>I_H$$).

از آن‌جایی که تریستور بعد از کاهش جریان آند به پایین‌تر از مقدار حداقل نگهدارنده خاموش می‌شود، اگر یک منبع AC سینوسی به SCR اعمال شود، در مقادیر نزدیک به عبور از صفر در نیم تناوب‌ها، خاموش می‌شود و تا زمانی که یک پالس تریگر گیت اعمال شود، خاموش باقی می‌ماند.

به دلیل آنکه در هر نیم دوره تناوب، پلاریته ولتاژ سینوسی AC تغییر می‌کند، تریستور در زاویه $$\mathrm{۱۸۰}$$ درجه نقطه گذر از صفر شکل موج مثبت خاموش می‌شود. این اثر به عنوان «کموتاسیون طبیعی» (Natural Commutation) شناخته می‌شود و مشخصه بسیار مهمی است.

کموتاسیون طبیعی در تریستورهایی که از منابع DC تغذیه می‌شوند رخ نمی‌دهد، زیرا ولتاژ منبع DC پیوسته و یک‌جهته است و باید از راه‌های دیگر برای خاموش کردن تریستور در زمان مناسب استفاده کرد.

در مدارهای سینوسی AC کموتاسیون طبیعی در هر نیم تناوب رخ می‌دهد. در نیم تناوب مثبت شکل موج سینوسی AC، تریستور بایاس مستقیم (آند مثبت) است و می‌توان آن را با یک سیگنال یا پالس گیت به حالت ON برد. در نیم دوره منفی، آند منفی می‌شود و کاتد مثبت. با این ولتاژها، تریستور بایاس معکوس است و حتی اگر سیگنال گیت نیز وجود داشته باشد، نمی‌تواند هدایت کند.

بنابراین، با اعمال یک سیگنال گیت در نیم موج مثبت و در زمان مناسب، تریستور تا پایان نیم موج مثبت به حالت هدایت می‌رود. با این ولتاژ، تریستور بایاس معکوس شده و حتی زمانی که سیگنال گیت به آن اعمال شود، نمی‌تواند هدایت کند.

بنابراین، می‌توان در هر نقطه‌ای از نیم موج مثبت شکل موج AC، از «کنترل فاز» (Phase Control) برای تحریک تریستور استفاده کرد. یکی از کابردهای مهم تریستورها، کنترل توان در مدارهای AC است. شکل زیر این موضوع را نشان می‌دهد.

در آغاز هر نیم موج مثبت، SCR خاموش می‌شود. با اعمال پاس یا اصطلاحاً آتش به گیت، SCR به حالت هدایت می‌رود و در نیم تناوب مثبت، در حالت ON باقی می‌ماند. در شکل بالا، اگر تریستور در آغاز هر نیم‌ تناوب ($$\theta ={\mathrm{۰}}^{\circ }$$) تحریک شود، بار – که یک لامپ است – در یک تناوب کامل، ولتاژ مثبت خواهد داشت که میانگین آن برابر با $$\mathrm{۰.۳۱۸}\times V_p$$ است.

با اعمال پالس فرمان گیت در نیم تناوب ($$\theta ={\mathrm{۰}}^{\circ }$$ تا $$\theta ={\mathrm{۹۰}}^{\circ }$$)، لامپ مدت زمان کمتری روشن خواهد بود و شدت نور آن با مقدار میانگین ولتاژی که دو سر آن قرار می‌گیرد رابطه مستقیم دارد. زاویه‌ای که پالس به گیت اعمال می‌شود، اصطلاحاً زاویه آتش تریستور نام دارد.

بنابراین، می‌توانیم از تریستور به عنوان یک کاهنده نور استفاده کنیم. البته این قطعه در سایر کاربردهای توان AC مانند کنترل سرعت موتور AC، سیستم‌های کنترل دما و مدارهای تنظیم‌کننده توان به کار می‌روند.

قطعات نیمه‌هادی دیگری نیز وجود دارند که زیرمجموعه تریستور قرار می‌گیرند و می‌توانند در هر دو جهت هدایت کنند. این قطعات را می‌توان با سیگنال گیت خاموش یا OFF کرد. «تریستور خاموش‌شونده با گیت» (Gate Turn-OFF Thyristor) یا GTO، «تریستور القایی استاتیکی» (Static Induction Thyristor) یا SITH، «تریستور کنترل‌ شده با نیمه‌رسانای اکسید فلز» (MOS Controlled Thyristor) یا MCT، «کلید کنترل‌ شده با سیلیکون» (Silicon Controlled Switch) یا SCS، «تریستور سه‌ قطبی» (Triode Thyristor) یا TRIAC و «تریستور تحریک نور» (Light Activated Thyristor) یا LASCR انواع مختلفی از تریستورها هستند که در ولتاژها و جریان‌های مختلف موجود هستند و در توان‌های بسیار بالا به کار می‌روند.

جمع‌بندی

دیدیم که یک تریستور اساساً قطعه نیم موجی است که وقتی آند مثبت باشد، فقط نیم موج مثبت را هدایت می‌کند و وقتی ولتاژ‌ آند منفی شود، بدون توجه به سیگنال گیت، جریان را مانند یک دیود سد می‌کند.

یکسوکننده‌های کنترل‌شده با سیلیکون که معمولاً تریستور نامیده می‌شوند، قطعاتی نیمه‌هادی با سه پیوند (PNPN) هستند که به عنوان ترانزیستورهایی با دو اتصال درونی در نظر گرفته می‌شوند و می‌توان آن‌ها را برای سوئیچینگ بارهای الکتریکی بزرگ به کار برد.

مشخصه‌های استاتیکی یک تریستور به صورت زیر است:

• تریستورها قطعاتی نیمه‌هادی هستند که فقط در حالت سوئیچینگ کار می‌کنند.
• تریستورها قطعاتی هستند که با جریان کار می‌کنند؛ یعنی یک جریان گیت کوچک، یک جریان آند بزرگتر را کنترل می‌کند.
• تریستورها فقط وقتی بایاس مستقیم باشد و جریان به گیت اعمال شود جریان را از خود عبور می‌دهند.
• وقتی تریستور به حالت ON تحریک می‌شود، شبیه یک دیود یکسوکننده عمل می‌کند.
• برای ماندن در شرایط هدایت، جریان آند باید بزرگتر از جریان نگهدارنده باشد.
• وقتی تریستور بایاس معکوس شود، بدون توجه به اعمال جریان گیت، جریان را سد می‌کند.
• وقتی تریستور به حالت ON تحریک شود، در آن حالت باقی می‌ماند؛ حتی زمانی که یک جریان گیت به آن اعمال نشود،

تریستورها کلیدهایی با سرعت بالا هستند و به دلیل آنکه بخش متحرک ندارند، می‌توان در بسیاری از مدارها آن‌ها را به جای رله‌های الکترومکانیکی به کار برد. این قطعات، مشکل آرک زدن، خوردگی و کثیفی رله‌های الکترومکانیکی را ندارند. تریستورها را همچنین می‌توان برای سوئیچینگ جریان‌های بزرگ و کنترل مقدار میانگین جریان بار AC بدون اتلاف توان زیاد به کار برد. یک مثال خوب برای کنترل توان توسط تریستور، کنترل روشنایی الکتریکی، هیتر و سرعت موتور است.