كيف تعمل الثايرستور (SCR) - تعليمي

كيف تعمل الثايرستور (SCR) - تعليمي

بشكل أساسي ، يعمل SCR (مقوم السيليكون المتحكم به) والذي يُعرف أيضًا باسم Thyristor تمامًا مثل الترانزستور.



ما يقف ل SCR

حصل الجهاز على اسمه (SCR) بسبب هيكله الداخلي متعدد الطبقات لأشباه الموصلات والذي يشير إلى كلمة 'السيليكون' في بداية اسمه.

الجزء الثاني من اسم 'التحكم' يشير إلى طرف بوابة الجهاز ، والذي يتم تبديله بإشارة خارجية للتحكم في تنشيط الجهاز ، ومن هنا جاءت كلمة 'مراقب'.





يشير المصطلح 'المعدل' إلى خاصية التصحيح لـ SCR عند تشغيل بوابته والسماح للطاقة بالتدفق عبر الأنود إلى محطات الكاثود ، وقد يكون هذا مشابهًا للتصحيح باستخدام الصمام الثنائي المعدل.

يوضح التفسير أعلاه كيفية عمل الجهاز مثل 'مقوم التحكم بالسيليكون'.



على الرغم من تصحيح SCR مثل الصمام الثنائي ، وتقليد الترانزستور بسبب ميزة التشغيل الخاصة به بإشارة خارجية ، فإن التكوين الداخلي لـ SCR يتكون من ترتيب أشباه الموصلات المكون من أربع طبقات (PNPN) والتي تتكون من 3 تقاطعات PN متسلسلة ، على عكس الصمام الثنائي الذي يحتوي على طبقتين (PN) أو ترانزستور يتضمن تكوين أشباه الموصلات من ثلاث طبقات (PNP / NPN).

يمكنك الرجوع إلى الصورة التالية لفهم التخطيط الداخلي لتقاطعات أشباه الموصلات الموضحة ، وكيفية عمل الثايرستور (SCR).

خاصية SCR الأخرى التي تتطابق بشكل واضح مع الصمام الثنائي هي خصائصها أحادية الاتجاه التي تسمح للتيار بالتدفق في اتجاه واحد فقط من خلاله ، والانسداد من الجانب الآخر أثناء تشغيله ، بعد أن قيل إن SCR لها طبيعة متخصصة أخرى تسمح بتشغيلها كمفتاح مفتوح أثناء التواجد في وضع إيقاف التشغيل.

يقيد هذان الوضعان للتبديل الشديد في SCR هذه الأجهزة من تضخيم الإشارات ولا يمكن استخدامهما مثل الترانزستورات لتضخيم الإشارة النابضة.

المقومات التي يتم التحكم فيها بالسيليكون أو SCRs تمامًا مثل Triacs أو Diacs أو UJT والتي تتمتع جميعها بخاصية الأداء مثل التبديل السريع لمفاتيح التيار المتردد ذات الحالة الصلبة أثناء تنظيم جهد أو تيار تيار متردد معين.

لذلك بالنسبة للمهندسين والهواة ، تصبح هذه الأجهزة خيارًا ممتازًا لتبديل الحالة الصلبة عندما يتعلق الأمر بتنظيم أجهزة تبديل التيار المتردد مثل المصابيح والمحركات ومفاتيح التعتيم بأقصى قدر من الكفاءة.

إن SCR عبارة عن 3 أجهزة شبه موصلة طرفية يتم تخصيصها على أنها أنود وكاثود وبوابة ، والتي بدورها مصنوعة داخليًا مع 3 تقاطعات PN ، ولها خاصية التبديل بسرعة عالية جدًا.

وبالتالي يمكن تبديل الجهاز بأي معدل مرغوب فيه وضبط فترات التشغيل / الإيقاف بشكل منفصل ، لتنفيذ مفتاح تشغيل متوسط ​​معين أو إيقاف تشغيل وقت التحميل.

من الناحية الفنية ، يمكن فهم تخطيط SCR أو الثايرستور من خلال مقارنته بزوجين من الترانزستورات (BJT) متصلة بترتيب من الخلف إلى الخلف ، وذلك لتشكيل زوج من المفاتيح المتجددة التكميلية ، كما هو موضح في الصورة التالية :

ترانزستور الثايرستور

تُظهر الدائرتان المكافئتان للترانزستور أن تيار المجمع لترانزستور NPN TR2 يغذي مباشرة قاعدة ترانزستور PNP TR1 ، بينما يتغذى تيار المجمع TR1 في قاعدة TR2.

يعتمد هذان الترانزستور المترابطان على بعضهما البعض للتوصيل حيث يحصل كل ترانزستور على تيار باعث القاعدة من تيار المجمع-الباعث للآخر. لذلك حتى يتم إعطاء أحد الترانزستورات بعض التيار الأساسي ، لا يمكن أن يحدث شيء حتى في حالة وجود جهد أنود إلى كاثود.

تكشف محاكاة طوبولوجيا SCR بتكامل ترانزستور اثنين أن التكوين يكون بطريقة بحيث يقوم تيار المجمع لترانزستور NPN بتزويد قاعدة ترانزستور PNP TR1 مباشرة ، بينما يربط تيار المجمع TR1 الإمداد بالمصدر. قاعدة TR2.

يبدو أن تكوين الترانزستور المحاكى يتشابك ويكمل توصيل بعضهما البعض من خلال استقبال محرك القاعدة من تيار باعث المجمع الآخر ، وهذا يجعل جهد البوابة بالغ الأهمية ويضمن أن التكوين الموضح لا يمكن أن يحدث أبدًا حتى يتم تطبيق جهد البوابة ، حتى في وجود القطب الموجب إلى جهد كاثود قد يكون ثابتًا.

في الحالة التي يكون فيها سلك الأنود للجهاز أكثر سلبية من الكاثود الخاص به ، يسمح للوصلة N-P بالبقاء منحازة للأمام ، ولكن مع ضمان انحياز تقاطعات P-N الخارجية بحيث تعمل مثل الصمام الثنائي القياسي المعدل.

تمكنه خاصية SCR هذه من منع تدفق التيار العكسي ، حتى يتم إحداث جهد مرتفع بشكل ملحوظ والذي قد يتجاوز مواصفات منقار أسفل عبر الخيوط المذكورة ، مما يفرض على SCR إجراء حتى في حالة عدم وجود محرك بوابة .

يشير ما سبق إلى الخصائص الحرجة للثايرستور التي يمكن أن تتسبب في تشغيل الجهاز بشكل غير مرغوب فيه من خلال ارتفاع عكسي للجهد العالي و / أو درجة حرارة عالية ، أو جهد عابر متزايد بسرعة dv / dt.

لنفترض الآن أنه في موقف تكون فيه محطة الأنود أكثر إيجابية فيما يتعلق بمسار الكاثود الخاص بها ، فإن هذا يساعد تقاطع PN الخارجي على أن يصبح متحيزًا للأمام ، على الرغم من أن الوصلة المركزية NP لا تزال منحازة عكسية. هذا يضمن أيضًا حظر التيار الأمامي.

لذلك ، في حالة حدوث إشارة موجبة عبر قاعدة ترانزستور NPN ، ينتج عن TR2 مرور تيار المجمع نحو القاعدة f TR1 ، والتي تجبر تيار المجمع على المرور باتجاه ترانزستور PNP TR1 مما يعزز محرك القاعدة TR2 و يتم تعزيز العملية.

تسمح الحالة المذكورة أعلاه للترانزستورات بتحسين التوصيل حتى نقطة التشبع بسبب حلقة التغذية المرتدة للتكوين المتجدد المعروضة والتي تحافظ على الوضع متشابكًا ومغلقًا.

وبالتالي ، بمجرد تشغيل SCR ، فإنه يسمح للتيار بالتدفق من الأنود إلى الكاثود مع الحد الأدنى فقط من المقاومة الأمامية للقدوم في المسار ، مما يضمن التوصيل والتشغيل الفعال للجهاز ..

عند تعريضه للتيار المتردد ، قد يحجب SCR كلاً من سيليس التيار المتردد حتى يتم تقديم SCR بجهد إطلاق عبر البوابة والكاثود ، مما يسمح على الفور بدورة نصف موجبة من التيار المتردد بالمرور عبر خيوط القطب الموجب ، و يبدأ الجهاز في تقليد الصمام الثنائي المعدل القياسي ، ولكن فقط طالما أن مشغل البوابة يظل في وضع التشغيل ، فالتوصيل يكسر مشغل البوابة اللحظية.

يمكن رؤية منحنيات خصائص الجهد الحالي أو منحنيات I-V لتفعيل مقوم السيليكون المتحكم به في الصورة التالية:

منحنيات خصائص الثايرستور I-V

ومع ذلك ، بالنسبة لمدخل التيار المستمر ، بمجرد تشغيل الثايرستور ، بسبب التوصيل التجديدي الموضح ، فإنه يخضع لعملية قفل بحيث يتم تثبيت القطب الموجب لتوصيل الكاثود ويستمر في التوصيل حتى إذا تمت إزالة مشغل البوابة.

وبالتالي ، بالنسبة لقوة التيار المستمر ، تفقد البوابة تأثيرها تمامًا بمجرد تطبيق أول نبضة محرضة عبر بوابة الجهاز ، مما يضمن وجود تيار مغلق من الأنود إلى الكاثود. قد يتم كسرها عن طريق كسر مصدر تيار الأنود / الكاثود مؤقتًا بينما تكون البوابة غير نشطة تمامًا.

لا يمكن لـ SCR العمل مثل BJTs

لم يتم تصميم SCR ليكون تناظريًا تمامًا مثل نظرائه في الترانزستور ، وبالتالي لا يمكن إجراؤه في بعض المناطق النشطة الوسيطة لحمل قد يكون في مكان ما بين التوصيل الكامل والمفتاح التنافسي OFF.

هذا صحيح أيضًا لأن مشغل البوابة ليس له أي تأثير على مقدار توصيل القطب الموجب إلى الكاثود أو تشبعه ، وبالتالي فإن نبضة بوابة لحظية صغيرة كافية لتأرجح الأنود لتوصيل الكاثود إلى مفتاح تشغيل كامل.

تتيح الميزة المذكورة أعلاه مقارنة SCR واعتبارها بمثابة مزلاج ثنائي الاستقرار يمتلك حالتين مستقرتين ، إما تشغيل كامل أو إيقاف تشغيل كامل. يحدث هذا بسبب خاصيتين خاصتين لـ SCR استجابة لمدخلات AC أو DC كما هو موضح في الأقسام أعلاه.

كيفية استخدام بوابة SCR للتحكم في التبديل

كما تمت مناقشته سابقًا ، بمجرد تشغيل SCR بإدخال DC ويكون كاثود الأنود الخاص به مغلقًا ذاتيًا ، قد يتم إلغاء قفل هذا أو إيقاف تشغيله إما عن طريق إزالة مصدر إمداد الأنود (الأنود الحالي Ia) بشكل مؤقت أو عن طريق تقليله إلى البعض مستوى منخفض بشكل ملحوظ أقل من تيار التثبيت المحدد للجهاز أو 'الحد الأدنى لتيار التثبيت' Ih.

هذا يعني أنه يجب تقليل تيار الضغط الأدنى من الأنود إلى الكاثود حتى تتمكن رابطة الإغلاق PN الداخلية من الثايرستور من استعادة ميزة الحجب الطبيعية الخاصة بها إلى العمل.

لذلك ، يعني هذا أيضًا أنه من أجل جعل عمل SCR أو إجراء مع مشغل البوابة ، من الضروري أن يكون الأنود إلى تيار حمل الكاثود فوق الحد الأدنى المحدد لتيار الحمل Ih ، وإلا فقد يفشل SCR في تنفيذ توصيل الحمل ، لذلك إذا كان IL هو تيار الحمل ، فيجب أن يكون هذا مثل IL> IH.

ومع ذلك ، كما تمت مناقشته بالفعل في الأقسام السابقة ، عند استخدام التيار المتردد عبر أنود SCR ، تضمن دبابيس الكاثود عدم السماح لـ SCR بتنفيذ تأثير الإغلاق عند إزالة محرك البوابة.

وذلك لأن إشارة التيار المتردد تتحول إلى وضع التشغيل والإيقاف داخل خط العبور الصفري الذي يحافظ على إيقاف تشغيل أنود SCR إلى تيار الكاثود عند كل تحول 180 درجة من الدورة النصف الموجبة لشكل موجة التيار المتردد.

تسمى هذه الظاهرة باسم 'التخفيف الطبيعي' وتفرض ميزة حاسمة لتوصيل SCR. على عكس هذا مع إمدادات التيار المستمر ، تصبح هذه الميزة غير مهمة مع SCR.

ولكن نظرًا لأن SCR مصمم ليتصرف مثل الصمام الثنائي المعدل ، فإنه يستجيب بشكل فعال فقط للدورات النصف الموجبة للتيار المتردد ويظل متحيزًا وغير مستجيب تمامًا لدورة النصف الأخرى من التيار المتردد حتى في وجود إشارة بوابة.

هذا يعني أنه في وجود مشغل البوابة ، يجري SCR عبر الأنود الخاص به إلى الكاثود فقط لدورات نصف التيار المتردد الإيجابية ذات الصلة ويبقى صامتًا لنصف الدورات الأخرى.

نظرًا لميزة الإغلاق الموضحة أعلاه وأيضًا القطع أثناء الدورة النصفية الأخرى لشكل موجة التيار المتردد ، يمكن استخدام SCR بشكل فعال لتقطيع دورات التيار المتردد لطور بحيث يمكن تبديل الحمل عند أي مستوى طاقة أقل (قابل للتعديل) .

تُعرف أيضًا باسم التحكم في الطور ، ويمكن تنفيذ هذه الميزة من خلال إشارة خارجية موقوتة يتم تطبيقها عبر بوابة SCR. تحدد هذه الإشارة بعد مقدار التأخير الذي يمكن أن يتم فيه إطلاق SCR بمجرد أن تبدأ مرحلة AC دورة نصفها الإيجابية.

لذا فإن هذا يسمح فقط بتبديل الجزء من موجة التيار المتردد الذي يتم تمريره بعد مشغل البوابة .. هذا التحكم في الطور هو من بين السمات الرئيسية للثايرستور المتحكم فيه من السيليكون.

يمكن فهم كيفية عمل الثايرستور (SCR) في التحكم في الطور من خلال النظر إلى الصور أدناه.

يُظهر الرسم التخطيطي الأول SCR الذي يتم تشغيل بوابته بشكل دائم ، كما يمكن رؤيته في الرسم البياني الأول ، وهذا يسمح لشكل الموجة الإيجابية الكاملة بالبدء من البداية إلى النهاية ، وذلك عبر خط عبور الصفر المركزي.

التحكم في مرحلة الثايرستور

في بداية كل نصف دورة موجبة يكون SCR 'OFF'. عند تحريض جهد البوابة ، ينشط SCR في التوصيل ويسمح له بأن يكون مغلقًا بالكامل 'ON' طوال دورة النصف الموجبة. عندما يتم تشغيل الثايرستور في بداية نصف الدورة (θ = 0o) ، فإن الحمل المتصل (مصباح أو أي شيء مشابه) سيكون 'ON' للدورة الموجبة الكاملة لشكل موجة التيار المتردد (نصف موجة مصححة AC ) بمتوسط ​​جهد مرتفع يبلغ 0.318 x Vp.

نظرًا لارتفاع تهيئة مفتاح البوابة ON على طول نصف الدورة (θ = 0o إلى 90o) ، يتم إضاءة المصباح المتصل لفترة زمنية أقل والجهد الصافي الذي يتم إحضاره إلى المصباح وبالمثل أقل نسبيًا في انخفاض شدته.

بعد ذلك ، من السهل استغلال المعدل الذي يتم التحكم فيه بالسيليكون كمخفت إضاءة للتيار المتردد وفي العديد من تطبيقات طاقة التيار المتردد الإضافية المختلفة على سبيل المثال: التحكم في سرعة محرك التيار المتردد وأجهزة التحكم في الحرارة ودوائر منظم الطاقة وما إلى ذلك.

حتى الآن ، شهدنا أن الثايرستور هو في الأساس جهاز نصف موجي قادر على تمرير التيار في النصف الموجب فقط من الدورة عندما يكون الأنود موجبًا ويمنع تدفق التيار تمامًا مثل الصمام الثنائي في الحالات التي يكون فيها الأنود سالبًا ، حتى لو ظل تيار البوابة نشطًا.

ومع ذلك ، قد تجد العديد من المتغيرات من منتجات أشباه الموصلات المماثلة للاختيار من بينها والتي تنشأ تحت عنوان 'الثايرستور' المصمم للعمل في كلا الاتجاهين لنصف الدورات ، أو وحدات الموجة الكاملة ، أو يمكن تبديلها 'إيقاف' بواسطة إشارة البوابة .

يتضمن هذا النوع من المنتجات 'Gate Turn-OFF Thyristors' (GTO) ، و 'Static Induction Thyristors' (SITH) ، و 'MOS Controlled Thyristors' (MCT) ، و 'Silicon Controlled Switch' (SCS) ، و 'Triode Thyristors' (TRIAC) و 'Light Triggered Thyristors' (LASCR) للتعرف على عدد قليل ، حيث يمكن الوصول إلى العديد من هذه الأجهزة في العديد من التصنيفات المختلفة للجهد والتيار مما يجعلها مثيرة للاهتمام لاستخدامها في أغراض عند مستويات طاقة عالية جدًا.

نظرة عامة على عمل الثايرستور

المقومات التي يتم التحكم فيها من السيليكون والمعروفة عمومًا باسم الثايرستور هي أجهزة PNPN لأشباه الموصلات ثلاثية الوصلات والتي يمكن اعتبارها ترانزستورات متصلة ببعضها البعض والتي يمكنك استخدامها في تبديل الأحمال الكهربائية الثقيلة التي تعمل بالتيار الكهربائي.

تتميز بأنها مغلقة- 'ON' بواسطة نبضة واحدة من التيار الإيجابي المطبق على بوابة البوابة الخاصة بها ويمكن أن تظل 'ON' إلى ما لا نهاية حتى يتم تقليل تيار الأنود إلى الكاثود إلى ما دون الحد الأدنى المحدد من قياس الإغلاق أو عكسه.

السمات الثابتة للثايرستور

الثايرستور عبارة عن معدات شبه موصلة تم تكوينها لتعمل فقط في وظيفة التحويل. الثايرستور عبارة عن منتجات يتم التحكم فيها حاليًا ، حيث أن تيار البوابة الصغير قادر على التحكم في تيار الأنود الأكثر أهمية. لتمكين التيار المتحيز للأمام فقط مرة واحدة والمطلوب من التيار المطبق على البوابة.

يعمل الثايرستور بشكل مشابه للديود المعدل عندما يتم تنشيطه 'ON'. يجب أن يكون تيار الأنود أكثر من مجرد الحفاظ على القيمة الحالية للحفاظ على التوصيل. يمنع مرور التيار في حالة حدوث انحياز عكسي ، بغض النظر عما إذا كان تيار البوابة يعمل أم لا.

بمجرد تشغيل 'ON' ، يتم إغلاق 'ON' أداءً بغض النظر عما إذا كان تيار البوابة يتم تطبيقه ولكن فقط في حالة ارتفاع تيار الأنود فوق تيار الإغلاق.

الثايرستور عبارة عن مفاتيح تبديل سريعة يمكنك استخدامها لاستبدال المرحلات الكهروميكانيكية في عدد من الدوائر لأنها ببساطة لا تحتوي على أي أجزاء اهتزازية أو لا يوجد تقوس في التلامس أو تعاني من مشاكل التدهور أو الأوساخ.

ولكن بالإضافة إلى تبديل التيارات الكبيرة ببساطة 'ON' و 'OFF' ، يمكن إنجاز الثايرستور لإدارة قيمة RMS لتيار حمل التيار المتردد دون تبديد قدر كبير من الطاقة. من الأمثلة الممتازة للتحكم في طاقة الثايرستور التحكم في الإضاءة الكهربائية والسخانات وسرعة المحرك.

في البرنامج التعليمي التالي سنلقي نظرة على بعض الأساسيات دوائر الثايرستور وتطبيقاتها باستخدام كل من إمدادات التيار المتردد والتيار المستمر.




زوج من: دائرة قاتل الحشرات الشمسية لحماية المحاصيل في المزارع التالي: دائرة مؤشر تشغيل الحمام / المرحاض التلقائي