|
| ما هو الثايرستور وكيف يعمل؟ |
ما هو الثايرستور
الثايرستور(thyristor) عبارة عن جهاز مكون من أربع طبقات مع أشباه الموصلات من النوع P والنوع N بالتناوب (P-N-P-N). في أبسط أشكاله، يحتوي الثايرستور على ثلاث أطراف: الأنود (الطرف الموجب)، والكاثود (الطرف السالب)، والبوابة (طرف التحكم). تتحكم البوابة في تدفق التيار بين الأنود والكاثود.الثايريستور هو جهاز إلكتروني قابل للتحكم يعمل كمفتاح إلكتروني قابل للتحكم. يستخدم الثايريستور في مجموعة متنوعة من التطبيقات الإلكترونية والكهربائية، مثل التحكم في سرعة المحركات الكهربائية، ومحولات الطاقة، وتنظيم توصيل الطاقة في الأنظمة الكهروضوئية، وغيرها من التطبيقات.
تعريف الثايرستور
الثايرستور هو Silicon Controlled Rectifier أو يطلق عليه اختصارا SCR وهو يتكون من أربع طبقات PNPN بما يشابه ترانزستورين معا، وله ثلاث أطراف Anode وCathode وGate.
هو عبارة عن دايود ويمرر التيار من الانود إلى الكاثود ولكن يتم التحكم في
الثايرستور عن طريق البوابة Gate وليس جهد أكبر من 0.7 عند الانود مثل الدايود
فلابد من وجود نبضة موجبة على البوابة Gate حتى يصبح الثايرستور في حالة ON
وعند هذه الحالة يصبح الثايرستور مثل الدايود ويمرر التيار من الانود إلى
الكاثود، ولكن إذا تم إزالة النبضة من البوابة Gate فإن الثايرستور يبقى في
حالة عمل دائم.
يمكن إطفاء الثايرستور أو تحوله إلى الحالة OFF إذا كان الجهد على الطرف الانود Anode أصبح سالبا أو إزالة المصدر الكهربي كليا أو عمل Short بين الطرفين Anode و Cathode بواسطة مقاومة صغيرة أو مفتاح.
ويتحول الثايرستور أيضا إلى حالة OFF عند مرور تيار ضعيف في الثايرستور minimum holding current ويرمز له بالرمز IH.
وظيفة الثايرستور
إن الوظيفة الأساسية للثايرستور هي التحكم في الطاقة الكهربائية والتيار من خلال العمل كمفتاح، فهو مفتاح أحادي الاتجاه يتم التحكم فيه بأشباه الموصلات يحول التيار المتردد إلى تيار مستمر مع تبديل متحكم به عن طريق نبضة عند البوابة.تركيب المقوم السيلكوني المحكوم Silicon Controlled Rectifier
|
| تركيب الثايرستور |
يتكون المقوم السيليكوني المحكوم من أربع طبقات من المواد شبه موصلة pnpn، التي
تشكل في ما بينها ثلاث وصلات(J1,J2,J3)
والطبقات الأربع هي:
طبقة المصعد Anode Layer (P):
هي طبقة موجبة ومتوسطة الكثافة ومتوسطة السمك وأكثر كثافة من المنطقة القريبة
من طبقة الحجز ولهذا فإن التيار العكسي للوصلة J1 أصغر كثيرا من مثيله للوصلة
J3 وهذه الطبقة تتحمل فولتية عكسية ذات قيمة عالية نسبيا.
طبقة الحجزBlocking Layer (n):
هي طبقة سالبة وأكثر الطبقات سمكا وأقلها كثافة وتركيزا وإليها يعزى ضعف تحمل
المقوم السيليكوني المحكوم للتيار العكسي وهي تتحمل فولتية عكسية ذات قيمة
عالية.
طبقة التحكم Control Layer (p):
هي طبقة موجبة رقيقة وذات كثافة متوسطة (عدد متوسط من الفجوات) وعندما تصل
الالكترونات عبر الوصلة J2 إلى هذه الطبقة فإن معظم الالكترونات تصل إلى منطقة
الوصلة J3 وتشكل هذه الطبقة مع طبقة المهبط ثنائيا محدود الفعالية.
طبقة المهبط Cathode Layer (n) :
هي طبقة سالبة رقيقة جدا وذات كثافة عالية (غنية بالإلكترونات الحرة) لذا فإن
هذه الطبقة تزود طبقة التحكم بفيض من الإلكترونات عبر وصلة المهبط عند التعرض
لمجال كهربائي مناسب وهي ذات تيار عكسي مرتفع ولا تتحمل سوى فولتية عكسية
منخفضة القيمة.
أطراف المقوم السيلكوني المحكوم Silicon Controlled Rectifier
المصعدAnode (A)
المهبط (k) Cathode
البو ابة Gate(G).
رمز الثايرستور
|
|
رمز الثايرستور
|
يوضح الشكل السابق رمز الثايرستور وهو يتكون من ثلاث أطراف أنود Anode و كاثود
Cathode وبوابة Gate، يشبه الرمز المستخدم الثنائي ولكن له طرف إضافي يسمى
البوابة ويدل اتجاه السهم في الرمز على اتجاه التيار المار بالمقوم السيليكوني
عندما يكون في حالة التوصيل ON State.
منحنى خواص الثايرستور
|
| منحنى خواص الثايرستور |
في الجزء اليسار لمنحنى يطبق جهد سالب على الانود Anode ولذلك لن يعمل الثايرستور,ولكن الجزء الأيمن إذا طبقنا جهد موجب عند الانود Anode لن يعمل أيضا الثايرستور إلا إذا كانت هناك نبضة موجبة على البوابة Gate حتى يصبح الثايرستور في حالة ON ويظل يعمل إلى أن يحدث مسبب لإطفائه.
ملاحظة
Breakover Voltage هو اقصي جهد يمكن ان يتحمله الثايرستور وأكثر من ذلك يتلف الثايرستور ويمثل على المنحنى بخط مقطع.
داتا شيت الثايرستور Thyristor Datasheet
سوف نأخذ مثال ثايرستور BT151
من خلال الداتا شيت نتعرف على شكل الثايرستور وأطرافه سنجد هنا رقم 1 هو Cathode ورقم 2 هو Anode ورقم 3 هو Gate والجزء المعدني tab هو الطرف Anode.
يتحمل ما بين 500 إلى 800 فولت وهو بذلك يتحمل جهود عالية وليست جهود منخفضة، ويتحمل تيار 7.5 أمبير وهو Ravage on-state current.
قيمة Gate trigger current أو IGT وهو التيار اللازم لتشغيل البوابة ويساوي هنا من 2 ملي أمبير(أقل قيمة) إلى 15 ملي أمبير(أقصى قيمة).
قيمة Latching current أو IL وهى القيمة التي يبدأ الثايرستور عندها في التشغيل وتساوي هنا 10 ملي أمبير.
قيمة Holding current أو IH يجب أن يكون التيار المار بين الانود والكاثود أكبر من القيمة الصغرى لل IH وأقل من القيمة القصوى له حتى يظل الثايرستور يعمل دون حدوث تلف له، وهذه القيمة تساوي هنا 7 ملي أمبير (القيمة الصغرى) و20 ملي أمبير (القيمة القصوى)، وإذا أردنا تحويل الثايرستور إلى حالة OFF نقلل التيار إلى أقل من 7 ملي أمبير.
قيمة Gate trigger Voltage أو VGT وهو الجهد المطلوب لتشغيل البوابة ويساوي هنا من 0.6 إلى 1.5 فولت.
ستتعرف فيما يلي على أهم استخدامات وتطبيقات الثايرستور.
يستخدم الثايرستور كقاطع للتيار الكهربائي ولكن يتميز الثايرستور عن غيره من القواطع فيما يلي:
نفترض ان الثايرستور يقوم بتشغيل حمل ما مثل اللمبة، لابد من مرور التيار بين الانود والكاثود حتى تشتغل اللمبة، يتم إعطاء نبضة للبوابة عن طريق دائرة أخرى (متصلة بالمصدر) بها مفتاح S1 في حالة ON ومقاومتين حتى نتمكن من الوصول إلى الجهد والتيار المطلوب على البوابة حتى يعمل الثايرستور مثلا 2 ملي أمبير و 0.6 فولت عند ذلك يمر التيار بين الانود والكاثود وتضيء اللمبة وعند إطفاء المفتاح S1 سوف تظل اللمبة تعمل طالما التيار المار أكبر من قيمة Holding current ، ولإطفاء اللمبة يتم جعل المفتاح S2 المتصل بالمصدر OFF او جعل التيار المار أقل من قيمة Holding current .
في حالة وضع مفتاح S3 بين الانود والكاثود عندما يكون هذا المفتاح في حالة OFF سوف يظل الثايرستور يعمل دون مشاكل، ولكن عندما يكون المفتاح في حالة ON يتحول الثايرستور إلى حالة OFF ولن تضيء اللمبة.
أما عن تطبيقات واستخدامات الثايرستور مع دوائر التيار المتردد فقد وضحناها في مقال منفصل وهو الثايرستور مع دوائر التيار المتردد.
الثايرستور كقاطع للتيار الكهربائي
يستخدم الثايرستور كقاطع للتيار الكهربائي ولكن يتميز الثايرستور عن غيره من القواطع فيما يلي:
- يتحمل الاهتزازات القوية والضجيج بعكس القواطع الآلية مثل الريلاي والكونتاكتور أو ما شابه.
- عند فصله ووصله لا يصدر أي شرارة كهربائية لأنه لا يوجد بداخله ملف يحدث هذا الشرر، و لا يصدر أي صوت.
- يتحمل سرعات عالية جدا تصل إلى النانو ثانية وخاصة في المبدلات الترددية (Converters).
- يتحمل جهود كبيرة وتيارات عالية تصل إلى 2000 أمبير رغم حجمه الصغير.
- سهولة التحكم به عن طريق نبضة قدح على البوابة Gate.
الثايرستور في دوائر التيار المستمر
|
| الثايرستور في دوائر التيار المستمر |
نفترض ان الثايرستور يقوم بتشغيل حمل ما مثل اللمبة، لابد من مرور التيار بين الانود والكاثود حتى تشتغل اللمبة، يتم إعطاء نبضة للبوابة عن طريق دائرة أخرى (متصلة بالمصدر) بها مفتاح S1 في حالة ON ومقاومتين حتى نتمكن من الوصول إلى الجهد والتيار المطلوب على البوابة حتى يعمل الثايرستور مثلا 2 ملي أمبير و 0.6 فولت عند ذلك يمر التيار بين الانود والكاثود وتضيء اللمبة وعند إطفاء المفتاح S1 سوف تظل اللمبة تعمل طالما التيار المار أكبر من قيمة Holding current ، ولإطفاء اللمبة يتم جعل المفتاح S2 المتصل بالمصدر OFF او جعل التيار المار أقل من قيمة Holding current .
في حالة وضع مفتاح S3 بين الانود والكاثود عندما يكون هذا المفتاح في حالة OFF سوف يظل الثايرستور يعمل دون مشاكل، ولكن عندما يكون المفتاح في حالة ON يتحول الثايرستور إلى حالة OFF ولن تضيء اللمبة.
أما عن تطبيقات واستخدامات الثايرستور مع دوائر التيار المتردد فقد وضحناها في مقال منفصل وهو الثايرستور مع دوائر التيار المتردد.
كما يمكنك التعرف على كيفية فحص الثايرستور من خلال مقالنا
عن طريقة فحص الثايرستور Thyristor