04/02/2022
يعتبر الثايرستور واحداً من اقدم عناصر اشباه الموصلات Semiconductors حيث تم تصنيعه اول مرة في عام 1958 من طرف شركة امريكية General Electrics وهو الأكثر استعملاً في دوائر الكترونيات القوى. يتكون الثايرستور من أربع طبقات وله ثلاث أطراف: الانود او المصعد Anode (A) الكاثود او المهبط Cathode (K) و البوابة Gate (G)
States of a thyristor
للثايرستور حالتان حالة الانحياز الأمامي Forward biased State وحالة الانحياز العكسي او الخلفي Reverse biased state يقال عن الثايرستور انه في الحالة الاولي عندما يكون جهد أنوده أعلى من جهد كاثوده اما في الحالة العكسية فيكون الثايرستور في الانحياز العكسي ( الخلفي)
خواص الثايرستور الإستاتيكية
للحصول على خواص الثايرستور الإستاتيكية Static Characteristic of a thyristor لا بد من دراسة سلوك الثايرستور في حالتي الانحياز الأمامي والخلفي
في الحالة الاولي (الانحياز الامامي) يكون جهد الانود بالنسبة للكاثود موجباً وبالتالي تكون الوصلتان J1 و J2 في حالة الانحياز الامامي والوصلة J2 في الانحياز العكسي. تعيق الوصلة الاخيرة مرور التيار من الانود إلى الكاثود وتسمح لتيار صغير جدا بالمرور من خلال الثايرستور يعرف هذا التيار بـ تيار التسريب الامامي Forward leakage current ويصبح الثايرستور عندئذ في حالة القطع الامامي Forward Blocking (off) state الجزئ OA
يحتوي على الأرجل الاتية
anode
cathode
gate (البوابة)
لكي يعمل الثايرستور يجب إعطائه نبضه سريعة من خلال البوابة وبعد إزالة تلك النبضة يستمر الثايرستور في العمل أي لا يتطلب أي تيار إضافي بعد أن يتم تشغيله وهذا ما يميزه عن الترانزيستور
يستخدم الثايرستور بشكل أساسي للتحكم في انتقال الطاقة. ومن أنواع الثايرستور المقوم السليكوني المحكوم (Silicon Controlled Rectifier) المقوم السليكوني المحكوم ( SCR ) يعمل على منع التيار الذي يحاول المرور بأي اتجاه بين الأنود والكاثود لكن عندما يحاول التيار المرور من الأنود إلى الكاثود فإن نبضة سريعة من التيار إلى القاعدة ستشغل المقوم ( SCR ) ولكن المهم هو أن المقوم ( SCR ) سيواصل عمله حتى بعد أن تتوقف بوابة التحكم طالما أن تيار العمل ما زال سارياً فإذا تم فصل تيار العمل عند نقطة أخرى في الدائرة عند ذلك يحتاج إلى نبضة أخرى لاستعادة التوصيل مرة ثانية وبما أن المقوم ( SCR ) لا يسمح عادة لأي تيار عمل كبير بالمرور في الاتجاه المعاكس من الكاثود إلى الأنود فإنه يعمل مثل أي دايود أو مقوم آخر وهكذا يمكن أن يكون محكوماً ولهذا أعطي اسم ( المقوم السليكوني المحكوم( (SCR
تصنع بعض الثايرستورات من أجل تطبيقات التحكم الصفحي أما بعضها الأخر فيصمم من أجل تطبيقات الفتح والإغلاق (التقطيع) عالي السرعة ربما تكون أهم ميزة في الثايرستور هو التيار الذي يتحمله الثايرستور
تتوفر ثايرستورات منخفضة التيار بمعدلات تيار / جهد لا تتجاوز 100/1A فولت أما الثايرستورات المتوسطة التيار فتتوفر بمعدلات تيار / جهد بحدود 10A/100V . تبلغ المعدلات الأعظمية للتيار والجهد في الثايرستورات عالية التيارات عدة ألاف الأمبير وعدة ألاف الفولت يصنع غلاف الثايرستورات منخفضة التيارات من البلاستيك أو المعدن أما الثايرستورات متوسطة وعالية التيارات فإنها تكون مزودة بمبدد حرارة ذاتي (مصنوع مع الثايرستور) وقد لا يكفي هذا المبدد بمفرده أثناء الاستخدام وعندها لابد من استخدام مبدد حرارة خارجي إضافي
إذا ازداد جهد الأنود إلى جهد الكاثود إلى ان يصل قيمة كبيرة جداً تدعى بقيمة جهد الانهيار Forward Breakdown Voltage فإن الوصلة J2 تنكسر ،ويحدث انخفاض مفاجئ في مقاومة الثايرستور حيث تصبح قيمتها صغيرة مما يؤدي إلى مرور التيار عبر الثايرستور من الانود إلى الكاثود وبذلك نحصل على حالة التوصيل الأمامي On state الجزئ BC في الرسم البياني
تقل قيمة جهد الانهيار الامامي والذي يحصل عنده انكسار الوصلة J2 مع زيادة تيار البوابة وبذلك يمكن القول على ان تطبيق النبضة في البوابة يسهل عملية اشعال الثايرستور. يجب الإشارة هنا إلى أنه بعدما يكون الثايرستور في التوصيل حتى ولو فصلنا البوابةفالطريقة المستعملة لتوقيف الثايرستور عن العمل هي التقليل في التيار المار من خلال الثايرستور إلى ان يصل إلى قيمة أقل من قيمة تيار الإمساك IH) ) Holding Current
أما في الحالة الثانية ( الانحياز العكسي ) يكون جهد الانود بالنسبة للكاثود سالب وبالتالي بكون الوصلة J2 في الانحياز الامامي والوصلتان J1 , J3 في الانحياز العكسي. تقاوم الوصلتان الاخيرتان مرور التيار من الكاثود إلى الانود ولا يمر سوى تيار صغير جداً يسمى بتيار التسرب العكسي Reverse leakage current ذي قيمة اقل بكثير من قيمة تيار التسرب الامامي الجزئOD في الرسم البياني
إذا ازداد جهد الكاثود بالنسبة للانود بقيم موجبة إلى ان يصل إلى قيمة تدعى بقيمة جهد الانهيار العكسي يحصل انهيار الثايرستور Avalanche فيتلف ولا يعد صالحاً للاستعمال مرة اخرى الجزئ DE كما موضح في الرسم البياني.
عندما يكون الثايرستور في حالة التوصيل يسلك سلوك مفتاح مغلق حيث يسمح للتيار بالمرور من الانود إلى الكاثود ( الاتجاه الموجب الافتراضي للتيار) ويصبح عندئذ الجهد طرفيه مساوياً للصفر الجزئ OA في الصورة التالية
اما عندما يكون الثايرستور في حالة القطع فيعمل عمل مفتاح حيث لايسمح لأي تيار بالمرور. وبالتالي يمكن القول انه ليس هناك تيار التسريب في الحلات المثالية. اما الجهد على طرفيه فيمكن ان يكون موجباً في حالة القطع الأمامي (الجزء OC ) او سالباً في حالة القطع العكسي (الجزء OB في كما موضح في الصورة السابقة
Methods of triggering a thyristor
إن الزيادة في درجة حرارة الثايرستور او تسلطه إلى حزمة ضوئية تؤدي إلى زيادة في عدد الالكترونيات والفجوات مما يسبب إشعال الثايرستور يجب تجنب طريقة تعرض الثايرستور إلى درجة حرارة عالية لإنها يمكن ان تسبب فساد العنصر يعرف الثايرستور الذي يتم إشعاله عن طريق الضوء بالموحد السليكوني المحكوم المثار بالضوء
Light Activated Silicon Controlled Rectifier (LASCR)
High voltage triggering
لقد ذكرنا سابقاً عن دراسة خواص الثايرستور ان عندما يصبح الجهد على طرفيه اكبر يساوي قيمة جهد الانهيار الامامي يحصل تغير مفاجئ في مقاومة الثايرستور حيث تصبح قيمتها صغيرة ويسمح بمرور كل التيار من الانود إلى الكاثود. ينصح عملياً تطبيق نبضة على البوابة لتفادي استخدام جهود عالية لإشعال الثايرستور
dv/dt triggering
لقد افترض حتى الان ان الجهد المطبق على الثايرستور يزداد بالتدريج. ولو سمح لهذا التغير بالزيادة بصفة مفاجئة فهذا يؤدي إلى اشعال الثايرستور دون الحاجة إلى استخدام طرف القدح المعروف الاخرى. إن هذا النوع من الإشعال ضار للثايرستور، ويمكن تجنبه بتحديد معدل تغير الجهد الامامي dv/dt الذي يتراوح بين 20 و200 فولت لكل ميكرو ثانية في الثايرستورات الاعتيادية.
Gate triggering
عندما يكون الجهد على طرفي الثايرستور موجباً ( المبربع الاول من الخواص) يكتفي ان نمرر عبر البوابة تياراً ذا قيمة كافية عادة مابين0.1 إلى 50 ميلي امبير وذلك بتطبيق جهد موجب بين البوابة والكاثود لجعله موصل.
Firing circuit of a thyristor
لكي تنجح عملية قدح الثايرستور لابد ان تحقق دائرة الإشعال مايلي
ان تطبق بين البوابة والكاثود نبضة ذات قيمة كافية وزمن الصعود قصير.
ان تنتج إشارة ذات عرض مناسب
ان تطبق النبضة على البوابة عندما يكون الثايرستور في حالة الانحياز الامامي فقط.
تنقسم دوائر الإشعال المستعملة عادة لقدح الثايرستورات إلى ثلاث أنواع وهي
دوائر الإشعال بالتيار المستمر
DC firing circuits
توضح الصورة التالية مثال عن دائرة الإشعال بالتيار المستمر فهي تتكون من مصدر مستمر
،مقاومة متغيرة ودايودD لإشعال الثايرستور يغلق المفتاح SW فيمر تيار مستمر من المصدر إلى البوابة عبر المقاومة المتغيرة . ويعمل الدايود على حماية البوابة ضد أى جهد كهربائي عكسي
أما المقاومة المتغيرة فوظيفتها الاساسية هي التحكم في قيمة التيار المار في البوابة الثايريستور لتغيير زاوية الإشعال. والجدير بالذكر ان مثل هذا النوع من دوائر الإشعال تستهلك قدرة كهربائية مستمرة في دائرة البوابة مما يسبب طاقة مفقودة وعيب هذه الطريقة ايضاً انها لا يمكن عزل دائرة الإشعال ذات القدرة المنخفضة عن الدائرة الرئيسية ذات القدة العالية. ولهذه الاسباب لا تستخدم في في التطبيقات الصناعية
AC firing circuits
لتحكم في اشعال الثايرستورات المستعملة في دوائر القوى للتيار المتردد تستخدم نفس مصادر التغذية للحصول على اشارات القدح. كما موضح في الصورة مثال عن هذه الدوائر حيث تستعمل فيها المقاومتين R1, R2 لتخفيض جهد الدخل المتردد إلى قيمة مناسبة لدائرة الإشعال بينما يقوم الدايود D بتوحيد الجهد على طرفي المقاومة R2 لاستخدامها في تغذية بوابة الثايرستور
يتم التحكم في قيمة التيار المار بالبوابة بالتحكم في المقاومتين Rg,R2 من عيوب هذه الدائرة نذكر عدم إمكانية عزل دائرة القدرة عن دائرة الإشعال وأقصى قيمة لزاوية الإشعال يمكن الحصول عليها بواسطة هذه الدائرة هي 90 دجة. كل هذا يفسر أسباب عدم استخدامها في التطبيقات العملية
Plus riggering circuits
لتخفيض القدرة المفقودة في بوابة الثايرستور تستعمل نبضة واحدة او مجموعة من النبضات لإشعال الثايرستور. هذا يساعد على دقة تحديد لحظة الإشعال كما يسمح أيضاً بعزل الثايرستور #النبضة
pulse transformers
يوضح صورة التالية دائرة إشعال مذبذب الاسترخاء المكونة من ترانزستور وحيد الوصلة Q1 مع مقاومة متغيرة R1 ومكثف C وذلك لضبط القيمة الزمنية بين النبضات. يشحن المكثف عن طريق المقاومة المتغيرة R1 حتى يصل الجهد على طرفيه إلى قيمة جهد الباعث العظمى Vp حيث ينها الترانزستور وحيد الوصلة وبالتالي يمر تيار من خلال المقاومة R2 مما يسبب بدوره توصيل لترانزستور Q2 وتوليد نبضات على الملف الثانوي لمحول النبضة
Thyristor protection
ان درجة حرارة الثايرستور تميل إلى الارتفاع عن الزيادة السريعة في الجهد او التيار مما يسبب فساد العنصر إن لم تأخذ تدابير مسبقة لحمايته تكون هذه الحالات العابرة في الجهد او التيار عادة ناتجة من عمليات قطع للتيار خاصة في الدوئار التي تحتوي على الملفات او من فصل مصادر التغذية بسبب عوامل طبيعية كالرياح والصواعق توضع الصورة التالية الانواع الثلاثة من الحمايات المستخدمة في الثايرستور
مصهر Fuse على التوالي مع الثايرستور. عند إختيار المصهر، يجب ان تكون القيمة المقننة للتيار المصهر أقل بقليل من القيمة العظمى للتيار الذي يتحمله الثايرستور.
والمفاجئة في الجهد بتوصيل دائرة إمتصاص الصدمات Snubber circuit على التفرع مع الثايرستور تتكون هذه الدائرة من مقاومة موصلة على الوالي مع مكثف
والمفاجئة في التيار باستخدام ملف على التوالي مع الثايرستور
مشاهدة فيديو عملي عن استخدام الثايرستور في الدائرة ووضع الحسابات العمليه له للمهندس وليد عيسى
