الترانزستورات ج10 الثايرستور Thyristor

بعد أن تعرفنا في مقالات سابقة عن الترانزستورات ومدى أهميتها بحيث أتاحت المجال نحو التطور التقني الهائل والمتسارع وتصميم الحواسيب وغيرها من الأجهزة الالكترونية، لاحظنا أن عمل هذه الترانزستورات ينحصر عادة في مجال التيارات والجهود الصغيرة حيث يمكن أن تعمل كمفتاح الكتروني أو مضخم.

سنتعرف في مقال اليوم عن أحد تطبيقات الترانزستورات من خلال عنصر الكتروني جديد هو الثايرستور، والذي يعتبر أحد تطبيقات الثنائيات ذات الطبقات المتعددة، ويمتاز بإمكانية تعامله مع تيارات وجهود عالية.

متابعة مفيدة وممتعة ...

ماهو الثايرستور

يُطلَق اسم الثايرستور عادة على مجموعة الأدوات التي يتم تبديل حالتها من الفصل إلى التوصيل من خلال تسليط تيار أو جهد خارجي.

يعتبر المقوم السيليكوني المتحكم به Silicon Controlled Rectifier SCR ثايرستور ذو إعاقة عكسية Reserve blocking Thyristor، وهو عبارة عن نصف ناقل مكون من أربع طبقات P-N-P-N وثلاث أقطاب هي المهبط Cathode والمصعد Anode والبوابة Gate.

الشكل 1: الرمز الكهربائي للمقوم السيليكوني المتحكم به وطبقات نصف الناقل المشكلة له

يقوم الثايرستور كالدايود بتمرير التيار في اتجاه واحد فقط لذلك يستخدم غالباً كمفتاح أو مقوم موجة في حين لا يستخدم في مهام التكبير.

يصنف المقوم السيليكوني المتحكم به SCR ضمن عائلة الكترونيات القدرة Power Electronics والتي تحوي أيضاً كلاً من الترياك Triac والدياك Diac وترانزستور الوصلة الوحيدة UJT، والتي تعمل كمفاتيح تبديل عالية السرعة في مجال الجهود والتيارات المتناوبة الكبيرة، لذلك تستخدم في التحكم بالمحركات التي تعمل بالجهد المتناوب AC motors والمصابيح والتحكم بالطور Phase control.

يتضمن الثايرستور ثلاث وصلات J1،J2،J3 تمكنه من الفتح والإغلاق بسرعة عالية جداً كما يستخدم بطريقة تمكنه من العمل في وضعية التشغيل ON لفترات مختلفة خلال زمن نصف الدورة لإيصال استطاعة مُتَحَكم بها إلى الحمل.

كيف يعمل الثايرستور

عند تسليط جهد خارجي على الثايرستور SCR، بحيث يكون المصعد موجباً بالنسبة للمهبط فإن الثايرستور يكون في حالة فصل ومقاومته عالية جداً. أما عندما يبلغ فرق الجهد العكسي المسلط بين طرفي الوصلة J2 جهد الانهيار لهذه الوصلة يصبح الثايرستور في حالة وصل وتصبح مقاومته صغيرة جداً، أما الطرف الثالث البوابة G فيقوم بتنظيم قيمة الجهد الذي يحدث فيه الانتقال من حالة الفصل إلى حالة الوصل.

ولكي نفهم عملية التنظيم، نقوم بفحص الدارة المكافئة للطبقات NPNP وهي عبارة عن ترانزستورين متصليين ببعضهما البعضP-N-P و N-P-Nكما في الشكل 2 التالي:

الشكل 2: بنية الثايرستور كترانزستورين متصلين ببعضهما

يبدو من الدارة المكافئة للترانزستور مايلي:

• يغذي تيار مجمع الترانزستور TR2 (N-P-N) مباشرة قاعدة الترانزستور TR¬¬1 (P-N-P)، في حين يغذي تيار مجمع الترانزستور TR¬¬1 تيار قاعدة الترانزستور TR2، ونتيجة لهذا التوصيل الداخلي فإن كلا الترانزستورين يعتمدان على بعضهما للوصل الى حالة التوصيل. في حين يَنتُج تيار الباعث-قاعدة IEB لأي ترانزستور من تيار المجمع-باعث ICB للترانزستور الآخر، فلا يمكن لأي من الترانزستورين العمل إلا إذا قدم أحدهما تيار قاعدة، حتى وإن طبقنا فرق جهد على طرفي الثايرستور (المصعد والمهبط).

• عند تطبيق فرق جهد كهربائي بين المصعد والمهبط بحيث يكون الجهد السالب مطبقاً على المصعد والجهد الموجب على المهبط، فإن الوصلتين الخارجيتين J1 ، J3 (المبينتين في الشكل 1) ستكونان في حالة انحياز عكسي أما الوصلة الداخلية J2 ستكون في حالة انحياز أمامي، فلا يمكن مرور تيار أمامي باستثناء تيار صغير جداً يسمى بتيار التسريب Leakage Current، لكن زيادة قيمة فرق الجهد المطبق بحيث يصبح أكبر من قيمة جهد انهيار كل من الوصلتين الخارجيتين سيؤدي إلى انتقال الثايرستور إلى وضعية التوصيل (دون تطبيق أي جهد على القاعدة)، وتعتبر هذه الحالة إحدى سلبيات الثايرستورات، إذ أن تعرض الثايرستور إلى درجات حرارة مرتفعة أو إلى تغير سريع لجهد الانجياز العكسي خلال زمن قصير (ما يسمى بالشوكة الكمونية Spike حيث dv/dt كبير جداً) يمكن أن يسبب قدحه triggered أي تفعيله وعمله دون قصد بصورة غير مرغوبة.

• عند تطبيق فرق جهد كهربائي بين المصعد والمهبط بحيث يكون الجهد الموجب مطبقاً على المصعد والجهد السالب على المهبط، فإن الوصلتين الخارجيتين J1 ، J3 (المبينتين في الشكل 1) ستكونان في حالة انحياز أمامي أما الوصلة الداخلية J2 ستكون في حالة انحياز عكسي، فلا يمكن مرور تيار أمامي، لكن إذا قمنا بحقن تيار موجب وتمريره في قاعدة الترانزستور TR2 (ذي النوع N-P-N) سينتج عن ذلك مرور تيار المجمع في قاعدة الترانزستور TR1، والذي يقوم بزيادة التيار المار في قاعدة الترانزستور TR2 وهكذا تستمر العملية وتتسارع بشكل كبير بحيث أن كل ترانزستور يجبر الآخر من خلال وصلة التغذية العكسية على التوصيل وصولاً لحالة الإشباع، ويصبح الثايرستور في حالة التوصيل وتتزايد قيمة التيار المار بين مصعده ومهبطه باستمرار وذلك بسبب الانخفاض السريع للمقاومة الداخلية الأمامية في حالة التوصبل بحيث لا تتجاوز 1 أوم كما يكون هبوط الجهد والقدرة المستهلكة في الثايرستور صغيرة جداً، أما قيمة التيار الأمامي المار فتتعلق بالمقاومة التسلسلية الخارجية للدارة المربوط معها الثايرستور.

إن قيمة التيار الموجب المطبق على قطب البوابة (IG) والمسمى تيار التحكم، تؤثر على قيمة الجهد اللازم تطبيقه بين مصعد الثايرستور ومهبطه ليقوم بتمرير التيار، فتطبيق قيمة تيار IG أكبر تمكننا من تطبيق جهد انحياز أمامي أقل لنقل الثايرستور من حالة الفصل إلى الوصل.

إن الثايرستور في وضعية الإغلاق يقوم بمنع مرور التيار عند تطبيق جهد متناوب بغض النظر عن قطبية الموجة، لكن عند تطبيق نبضة موجبة على البوابة يقوم بالعمل كثنائي مقوم.

منحني ميزة (الفولط – أمبير) للثايرستور

الشكل 3: منحني ميزة الفولط – أمبير للثايرستور

عند انتقال الثايرستور لوضعية التوصيل ومرور تيار الانحياز الأمامي فيه (تطبيق جهد موجب على المصعد)، تفقد إشارة البوابة القدرة على التحكم بالثايرستور وذلك بسبب خاصية إعادة التوليد ومسك الحالة التي يمارسها كل من الترانزستورين الداخليين على بعضهما وتطبيق أي نوع من النبضات اللحظية على البوابة لن يكون له أي أثر حتى لو كانت سالبة.

ولنقل الثايرستور من حالة الوصل إلى حالة الفصل، لابد من قطع تيار المصعد أو إنقاصه تحت قيمة صغرى معينة تسمى تيار الإبقاء أو الإمساك IH minimum holding current حيث تعتمد قيمة هذا التيار على انحياز البوابة، لذلك تقوم شركات الالكترونيات المصنعة للثايرستورات بتقديم منحني إضافي يقوم بتعريف مميزات البوابة للثايرستور، ويفضل في التطبيقات العادية تزويد البوابة بتيار أكبر من القيمة الدنيا للتيار المذكور في المواصفات.

فيما يلي تطبيق يوضح استخدام الثايرستور في التحكم بالطور:

الشكل 4: دارة الكترونية توضح كيفية استخدام الثايرستور في التحكم بالطور

نطبق نبضة كهربائية على البوابة كما يلي:

°θ = 0 :

يكون الثايرستور في حالة التشغيل خلال نصف الدورة الموجب كاملاً. ويكون الحمل أو اللمبة كما هو موضح بالشكل في حالة تشغيل خلال نصف الدورة، ومتوسط الجهد المرتفع 0.318 V

من °0 = θ إلى °90 = θ:

تضئ اللمبات لوقت أقل ومتوسط الجهد للحمل منخفص أيضاً لذلك يمكن أن يستخدم الثايرستور كمخمد للضوء ويستخدم أيضاً في تطبيقات القدرة المختلفة كالمتحكمات بسرعة المحركات وأنظمة التحكم بالحرارة ودارات تنظيم القدرة.

إذا الثايرستور جهاز نصف موجي يقوم بتمرير نصف الموجة الموجبة فقط عندما يكون المصعد موجباً في حين يقوم بمنع مرور التيار في الاتجاه المعاكس عندما يكون المصعد سالباً بغض النظر عن إشارة البوابة.

للمزيد من المعلومات عن الترانزستورات تابعوا مقالاتها

هنا 

المراجع:

هنا

هنا

Solayman، Prof. Nadim. الهندسة الالكترونية 1. Hims : جامعة البعث، 2004، 6.

مصادر الصور:

هنا

هنا

هنا