تریستور

نماد مداری یک تریستور
یک یکسوساز کنترل شده با سیلیکون با جریان نامی‌ای حدود ۱۰۰ آمپر و ۱۲۰۰ ولت، سوارشده روی یک گرماگیر. دو سیم کوچک متصل به این وسیله سرهای تریگر گیت هستند.
تریستور یک نیمه‌رسانای قدرت است و به صورت یک قطعه چهار لایه‌ای P-N-P-N ساخته می‌شود. تریستورها ۳ پایانه آند، کاتد و گیت دارند. پایه آند با A، کاتد با K و گیت (دروازه) با G نمایش داده می‌شوند که از این میان آند و کاتد به مدار قدرت متصل می‌شوند و گیت جریان کمتری دارد. تریستورها در دو حالت پایدار روشن و خاموش مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرند.
طرز کار تریستور
تریستورها مشابه رله عمل می‌کنند، همانگونه که در رله‌ها با اعمال ولتاژ به بوبین، کنتاکت باز رله بسته می‌شود، در تریستور نیز با اعمال ولتاژ به پایه‌های کاتد و گیت (Gate)، جریان بین پایه‌های آند و کاتد برقرار می‌شود که به آن جریان آند می‌گویند. از تفاوت‌های تریستور و رله این است که رله یک کلید الکترومکانیکی است اما تریستور یک کلید الکترونیکی که صدا و جرقه تولید نمی‌کند. از طرف دیگر تریستور یک کلید یک جهته است و جریان در آن همیشه از آند به سمت کاتد برقرار می‌شود و اگر بخواهیم جریان دوطرفه داشته باشیم باید دو تریستور را به صورت برعکس با هم موازی کنیم. تفاوت دیگر تریستور و رله در این است که بر خلاف رله‌ها که با قطع ولتاژ بوبین رله خاموش می‌شود، تریستور با قطع ولتاژ گیتش خاموش نخواهد شد.
روشن‌شدن تریستور
نحوه روشن و خاموش کردن تریستور
برای اینکه تریستور در وضعیت هدایت قرار بگیرد باید شرایط زیر برقرار باشد:
ولتاژ آند نسبت به کاتد مثبت باشد
گیت یک پالس مثبت دریافت کند (ولتاژ گیت بیشتر از ولتاژ کاتد شود)
برای روشن‌ماندن تریستور جریان آند باید به اندازه کافی زیاد باشد
مداری که پالس جریان گیت را تولید می‌کند مدار آتش می‌نامند. پس از روشن‌شدن تریستور ولتاژ آند کاتد بسیار ناچیز خواهد شد به طوری که در مقاصد عملی V AK ≈0 در نظر می‌گیرند و می‌توان گفت که تریستور در هنگام هدایت تقریبا مانند یک اتصال‌کوتاه عمل می‌کند. تریستور بسیار سریع روشن می‌شود، به مدت‌زمان لازم برای روشن‌سازی تریستور زمان روشن‌سازی می‌گویند که با t on نمایش داده می‌شود و حدود ۱ تا ۳ میکروثانیه است. پهنای پالس اعمالی به جریان گیت که برای روشن‌شدن تریستور استفاده می‌شود حدود ۱۰ تا ۵۰ میکروثانیه است و دامنه‌ای حدود ۲۰ تا ۲۰۰ میلی‌آمپر دارد.
زاویه آتش
برای شکل موج‌های متناوب ورودی می‌توان محور افقی را برحسب درجه از صفر تا ۳۶۰ تقسیم‌بندی کرد (معادل صفر تا ۲ پی رادیان). اگر شرط مثبت‌بودن آند نسبت به کاتد برقرار باشد، می‌توان پالس اعمالی به گیت را به گونه‌ای تنظیم کرد که در لحظه‌ای بخصوص از شکل موج ورودی تریستور روشن شود که این لحظه معادل زاویه‌ای معین خواهد بود. به این زاویه، زاویه آتش تریستور می‌گویند. با تعیین زاویه آتش مناسب می‌توان مقدار موثر ولتاژ خروجی را تغییر داد که از آن در مدارهای کنترل دور موتورهای جریان مستقیم، یکسوکننده‌های کنترل‌شده و راه‌اندازهای نرم استفاده می‌شود.
روشن‌سازی با تغییر ناگهانی ولتاژ
اگر به صورت ناگهانی ولتاژ مستقیم زیادی به تریستور اعمال شود، حتی بدون وجود جریان گیت، تریستور ممکن است روشن شود، این پدیده را روشن‌سازی dv/dt می‌نامند که ممکن است در عملکرد مدارها مشکل ایجاد کند. برای جلوگیری از این اتفاق از یک مدار حفاظتی RC (اسنابر مقاومتی-خازنی) به همراه تریستور استفاده می‌شود.
خاموش‌شدن تریستور
به روش‌های خاموش‌کردن تریستور کموتاسیون می‌گویند. در مدارهای جریان متناوب به علت تغییر خودکار پلاریته دو سر آند و کاتد تریستور به صورت خودکار خاموش می‌شود که به این حالت کموتاسیون طبیعی می‌گویند.
در مقابل اگر جریان بالاجبار صفر شود کموتاسیون اجباری رخ داده است.
برای خاموش‌کردن تریستوری که روشن‌شده است باید یکی از شرایط زیر برقرار شود:
ولتاژ آند نسبت به کاتد منفی شود.
جریان عبوری از آند قطع شود (به کمتر از مقدار بحرانی برسد)
اگر تریستور روشن شده باشد، با صفرشدن جریان گیت تریستور خاموش نخواهد شد. در روش اول خاموش:کردن تریستور، دو پیوند از سه پیوند آن در گرایش معکوس قرار می‌گیرند و پیوند سوم گرایش مستقیم خواهد داشت، در این حالت تریستور جریان نشتی کمی از خود نشان می‌دهد. اگر ولتاژ معکوس بیش از حد زیاد شود و مقدار آن به ولتاژ فروپاشی معکوس برسد، پدیده بهمنی در تریستور رخ خواهد داد که در صورت محدودنشدن، بر اثر تلفات توان ممکن است به تریستور آسیب برسد. در روش دوم، به جریان بحرانی آند که اگر از آن عبور کنیم تریستور خاموش می‌شود جریان نگهدارنده می‌گویند و آن را با I h نمایش می‌دهند؛ در این حالت تریستور به حالت سدکننده مستقیم بازمی‌گردد.
مدار کموتاسیون
اگر بخواهیم به صورت ناگهانی جریان تریستور را در یک لحظه مشخص قطع کنیم، باید آن را در گرایش معکوس قرار دهیم (V AK منفی شود). برای انجام این کار که به آن کموتاسیون اجباری می‌گویند، از مدار کموتاسیون استفاده می‌شود. در بیشتر مدار کموتاسیون خازنی از پیش شارژشده وجود دارد که ولتاژ آن به دو سر تریستور اعمال می‌شود تا در گرایش معکوس قرار بگیرد. پس از اعمال این ولتاژ جریان آند تریستور به سرعت کاهش یافته تا اینکه صفر می‌شود و برای لحظاتی جریان معکوس نیز برقرار می‌گردد. مدتی طول می‌کشد تا تریستور بتواند دوباره ولتاژ مستقیم را سد کند. مدت زمان بین صفرشدن جریان آند تا لحظه آماده شدن تریستور برای سد ولتاژ مستقیم را زمان خاموش‌سازی تریستور می‌گویند.
زمان خاموش‌سازی
اگر بلافاصله پس از صفرشدن جریان آند تریستور، ولتاژ گرایش مستقیم به آن اعمال شود، حتی با وجود صفر بودن جریان گیت، تریستور ممکن است دوباره هدایت را آغاز کند. برای آنکه تریستور بتواند ولتاژ گرایش مستقیم را سد کند، باید برای مدت‌زمانی معین تریستور را در حالت گرایش معکوس قرار داد. این مدت‌زمان را که با t off نمایش می‌دهند، زمان خاموش‌سازی تریستور می‌گویند. به عبارت دیگر زمان خاموش‌سازی تریستور، حداقل زمانی است که از لحظه صفرشدن جریان آند تا آمادگی تریستور برای سد ولتاژ مستقیم طول می‌کشد.
اگر تریستور در دسته کلیدهای بطئی قرار می‌گیرد و اگر تریستور در دسته کلیدهای سریع قرار می‌گیرد.
زمان قطع مدار
به فاصله زمانی بین لحظه صفرشدن جریان آند تا لحظه اعمال دوباره ولتاژ مستقیم به دو آند و کاتد، زمان قطع مدار می‌گویند و با t q نمایش می‌دهند. در مدارهای عملی باید طراحی به گونه‌ای انجام شود که زمان قطع مدار از زمان خاموش‌سازی دیود بیشتر باشد یعنی t q >t off باشد، در غیر این صورت تریستور به صورت ناخواسته روشن خواهد شد که به این حالت کموتاسیون ناموفق می‌گویند.
مشخصه ولت-آمپر
منحنی‌مشخصه ولتاژ-جریان تریستور
اگر جریان گیت تریستور (i g ) صفر و ولتاژ اعمال‌شده به پایه آند بیشتر از کاتد باشد، دو پیوند از سه‌پیوند نیمه‌هادی‌های موجود در تریستور در گرایش مستقیم قرار می‌گیرند، اما یکی از پیوندها در گرایش معکوس است و تریستور در مقابل جریان مقاومت زیادی از خود نمایش می‌دهد. اگر افزایش ولتاژ آند نسبت به گیت ادامه پیدا کند، به ولتاژ بحرانی خواهد رسید و تریستور به مرحله هدایت قوی می‌رسد. این ولتاژ بحرانی را در تریستور ولتاژ شکست مستقیم یا ولتاژ فروپاشی می‌گویند. در شکل رو به رو این ولتاژ با V BO نمایش داده شده است. با اعمال جریان به پایانه گیت می‌توان ولتاژ فروپاشی مستقیم را کاهش داد و در صورتی که این افزایش به اندازه کافی زیاد باشد ناحیه سد مستقیم به کلی از بین خواهد رفت و تریستور مشابه یک دیود عمل خواهد کرد.
اگر نرخ تغییرات جریان تریستور (di/dt) زیاد باشد، باعث سوختن آن خواهد شد. برای حفاظت تریستور در برابر تغییرات ناگهانی جریان از یک اندوکتانس (سلف) قبل از آن استفاده می‌کنند. میزان مجاز di/dt توسط کارخانه‌های سازنده تریستور اعلام می‌شود.
انواع
تریستورهای قدرت را معمولا به دو صورت دیسکی و استود می‌سازند. تفاوت این دو نوع تریستور در این است که نوع استود سرعت قطع و وصل پایین‌تری نسبت به نوع دیسکی دارد و معمولا در مدارهای یکسوکننده کنترل‌شده به کار می‌رود. نوع دیسکی در اینورترها کاربرد دارد و حتما باید با گرماگیری که گیت آن را تحت فشار قرار می‌دهد استفاده شود در غیر این صورت گیت تریستور تحریک‌پذیر نخواهد بود.
تریستور خاموش‌شونده با گیت
تریستور خاموش‌شونده با گیت یا جی‌تی‌ئو یک گونه خاص از تریستور است که همانند تریستورهای معمولی با اعمال پالس جریان مثبت به گیت روشن می‌شود ولی تفاوتش در این است که می‌توان با اعمال پالس جریان منفی به گیت آن را خاموش کرد.
تریستور با دریچه قطع(GTO)
تریستور یک پارچه(GCT)
تریستور کنترل‌شده با نیمه‌رسانای اکسید فلز
تریستور کنترل‌شده با نیمه‌رسانای اکسید فلز یا ام‌سی‌تی، نوعی تریستور است که ویژگی‌های ترانزیستورهای اثر میدان و تریستور را همزمان در خود دارد. این تریستورها را می‌توان با دروازه‌ای مشابه دروازه مسفت‌ها خاموش و روشن نمود.
واژه‌نامه