تعريف الثايرستور(Thyristors):
إن كلمة الثايرستور لها أصل يوناني والتي تعنى الباب....هذا في اللغة ، أما عند الانتقال إلى المفهوم الالكتروني فإن الثايرستور هو عنصر إلكتروني مصنوع من مواد نصف ناقلة وتتألف من أربع طبقات و هي على التسلسل P1 , N1 , P2 , N2 و له ثلاثة أقطاب (مصعد A ومهبط K وبوابة G) .
يمكن توضيح عمل SCR عن طريق تمثيله بترانزستورين احدهما من نوع NPN والأخر من نوع PNP موصولين على التوازي والتعاكس كما في الشكل التالي :
نلاحظ أن هذه التوصيلة للترانزستورين تعتمد مبدأ يسمى بـالتغذية العكسية الموجبة Positive Feedback
وهنا يأتي السؤال ما هي التغذية العكسية الموجبة؟
يمكن تلخيصها إلكترونياً بأنها توصيلة معينة بين خرج ودخل دارة إلكترونية تقوم بزيادة ربح الدارة (سواء جهد أو تيار) بشكل كبير.
بتطبيق هذا على الدارة المجاورة، فإنه عند مرور تيار في قاعدة الترانزيستور Q1 فإن هذا التيار سيظهر أثره مضخماً على مجمع Q1 الموصول مع قاعدة الترانزستور Q2 وبالتالي عند مرور التيار في قاعدة Q2 يفتح الترانزستور Q2 ويمرر التيار من باعث Q2 إلى مجمع الترانزستور نفسه والموصول مع قاعدة Q1 وبالتالي يزداد تيار القاعدة للترانزستور Q1 وهكذا نلاحظ أن الترانزستورين ينتقلان بسرعة كبيرة نحو الإشباع.
إذاً ماذا نستنتج مما سبق؟
إذاً ماذا نستنتج مما سبق؟
- أن الثايرستور يُعامَل مُعَامَلة المفتاح، أي يأخذ وضعيتين (قطع أو إشباع) يبقى فيهما إذا لم تؤثر علية أي قوة خارجية.
- حتى يمر تيار في الترانزستور Q2 يجب أن يكون الجهد المطبق عليه أكبر من جهد المتصل المحيّز عكسياً (P2-N1) وبالتالي يسمى الجهد الذي يفتح عنده الثايرستور بجهد الفتح وعندها ينتقل الترانزستورين إلى حالة الإشباع بسرعة كبيرة.
لو ترك الطرف الثالث دون توصيله في الدارة فإن العنصر SCR يعمل كثنائي رباعي الطبقات .
يستعمل الثايرستور كقاطع الكتروني للتيار المتناوب وهو يمرر في اتجاه واحد فقط وله قطب تحكم ، يتم قدح الثايرستور بجهد من 0.5 إلى 2 فولت ، وله ثلاثة أقطاب
A : المصعد
K : المهبط
G : البوابة /قطب التحكم / .
بعض الثايرستورات ثنائية الاتجاه أي تمرر في كلا الاتجاهين في نظام الوصل مثل الترياك TRIAC
إن تيار SCR يمكن التعبير عنه بالعلاقة التالية :
ويمكن تلخيص عمل الثايرستور بشكل عام (بأنه يشبه عمل الديود) :
- عندما يكون محيز أمامياً : لا يمرر الثايرستور أي تيار إلاّ عندما يكون الجهد المطبق عليه أكبر من جهد الفتح .
- عندما يكون محيز عكسياً : يكون في حالة قطع ولا يمرر أي تيار .
بعض الثايرستورات ثنائية الاتجاه أي تمرر في كلا الاتجاهين في نظام الوصل مثل الترياك TRIAC
إن تيار SCR يمكن التعبير عنه بالعلاقة التالية :
خلال القطع تكون مقاومة الثايرستور بين المهبط و المصعد عالية جداً , وعندما تطبق الإشارة على البوابة فان SCR يصبح في نظام الوصل ويكون قادر على تمرير تيار عالي (ضمن حدود مجال الاستطاعة) في اتجاه واحد فقط من المصعد إلى المهبط ..
ونلاحظ على مميزة الفولت - أمبير ثلاث مناطق:
منطقة القطع: نلاحظ عند ازدياد الجهد لا يمر أي تيار حتى قيمة جهد الفتح .
منطقة المقاومة السالبة : نلاحظ انخفاض الجهد بشكل كبير مع زيادة التيار ولا يمكن أن تكون نقطة العمل في هذه المنطقة لأنها حالة عابرة بين القطع والإشباع وعادة ترسم في كثير من المراجع بخط منقط .
منطقة العمل : وهي منطقة الإشباع يمر عندها التيار في الثايرستور و هي المنطقة المرغوب العمل فيها .
حالات عمل الثايرستور
تطبيق نبضة قدح 2 فولت على البوابة
رفع الجهد على طرفيه إلى قيمة أكبر من جهد الفتح
التغير السريع في الجهد بين المصعد و المهبط .
زيادة درجة الحرارة .
بعد إعطاء نبضة القدح يعمل الثايرستور ولا يتوقف إلا في حال قطعه بإحدى الطرق :
فصل التغذية نهائيا عن أقطابه .
قصر المصعد و المهبط بواسطة مقاومة وصل .
تطبيق نبضة قدح معاكسة للنبضة السابقة .
يملك الثايرستور نظامي عمل هما:
رفع الجهد على طرفيه إلى قيمة أكبر من جهد الفتح
التغير السريع في الجهد بين المصعد و المهبط .
زيادة درجة الحرارة .
بعد إعطاء نبضة القدح يعمل الثايرستور ولا يتوقف إلا في حال قطعه بإحدى الطرق :
فصل التغذية نهائيا عن أقطابه .
قصر المصعد و المهبط بواسطة مقاومة وصل .
تطبيق نبضة قدح معاكسة للنبضة السابقة .
يملك الثايرستور نظامي عمل هما:
نظام الوصل :
وفيه تكون مقاومة الثايرستور بين المهبط و المصعد صغيرة جداً بمقدار عدة أومات أو أقل , وفي هذا النظام يعمل الثايرستور كقاطع مغلق
نظام القطع :
وفيه تكون مقاومة الثايرستور بين المهبط و المصعد عالية جداً تتراوح من عشرات إلى مئات الميغا أوم , وفي هذا النظام يعمل الثايرستور كقاطع مفتوح .
يتميز الثايرستور عن غيره من القواطع بما يلي :
استطاع SCR بنجاح إن يحل محل الصمام الالكتروني الثلاثي والصمام المفرغ أو ترانزستور الاستطاعة في الدارات الالكترونية .
في الدارات الكهرومغناطيسية حل SCR محل كل أنواع المفاتيح والزواجل والمقاومات المتغيرة .
في دارات الحماية حل محل الفواصم وقواطع الدارة .
حل محل المضخمات المغناطيسية في دارات تضخيم الاستطاعة .
ولاشك إن الاستخدام الرئيسي لـ SCR اليوم في حقول التحكم بالطاقة وأيضا كعنصر تفرعي أو تسلسلي , وتكمن أفضليته في المردود العالي الناتج عن التبديد المنخفض للطاقة ... مثل : التحكم بالطاقة المقدمة لتسخين العناصر , تعيين سرعة الموتورات الكهربائية , تعتيم الضوء , الخ...
تتميز الثايرستورات باستطاعتها الكبيرة وتحملها للتيارات الكبيرة فلذلك تستخدم في التطبيقات الصناعية والتي تحتاج إلى استطاعات كبيرة.
بين G , K : يمرر في الاتجاه الأمامي ولا يمر في الاتجاه العكسي .
يتميز الثايرستور عن غيره من القواطع بما يلي :
- يتحمل الاهتزازات القوية والضجيج بعكس القاطع الآلي .
- عند فصله ووصله لا يصدر أي شرارة كهربائية .
- لا يصدر أي صوت .
- سرعات عالية جداً تصل حتى النانو ثانية وخاصة في المبدلات الترددية .
- تحمل جهود كبيرة وتيارات عالية تصل حتى 2000 أمبير مع العلم أن حجمه صغير .
- سهولة التحكم به وذلك عن طريق نبضة قدح .
استخدامات الثايرستورات:
- زواجل التحكم .
- دارات التأخير الزمني .
- مغذيات الاستطاعة .
- دارات الحماية .
- شواحن البطاريات .
- المبدلات(التبديل بين DC-DC , AC-DC , DC-AC , AC-AC) .
استطاع SCR بنجاح إن يحل محل الصمام الالكتروني الثلاثي والصمام المفرغ أو ترانزستور الاستطاعة في الدارات الالكترونية .
في الدارات الكهرومغناطيسية حل SCR محل كل أنواع المفاتيح والزواجل والمقاومات المتغيرة .
في دارات الحماية حل محل الفواصم وقواطع الدارة .
حل محل المضخمات المغناطيسية في دارات تضخيم الاستطاعة .
ولاشك إن الاستخدام الرئيسي لـ SCR اليوم في حقول التحكم بالطاقة وأيضا كعنصر تفرعي أو تسلسلي , وتكمن أفضليته في المردود العالي الناتج عن التبديد المنخفض للطاقة ... مثل : التحكم بالطاقة المقدمة لتسخين العناصر , تعيين سرعة الموتورات الكهربائية , تعتيم الضوء , الخ...
ملاحظات هامة:
أحد عيوب الثايرستور أنه عند الانتقال إلى الإشباع لا يمكن التحكم فيه وبالتالي لا يمكن إيقاف تمريره للتيار إلاّ عند انخفاض التيار المار فيه إلى الصفر وعندها يقطع ، فنلجأ عادةً إلى دارة مساعدة (عادة مؤلفة من مكثفة و مقاومة) تقوم هذه الدارة بتمرير التيار باتجاه معاكس وبالتالي قطع الثايرستور.تتميز الثايرستورات باستطاعتها الكبيرة وتحملها للتيارات الكبيرة فلذلك تستخدم في التطبيقات الصناعية والتي تحتاج إلى استطاعات كبيرة.
أنواع الثايرستورات:
فحص الثايرستور : بمقياس الأوم يكون :
بين K , A : لا يمرر في الاتجاهين .
بين G , K : لا يمرر في الاتجاهين .
إذا فكرت في قياس الوصلة بوابة-مهبط على إنها وصلة N-P (كالدايود العادي) فبذلك جزء من الخطأ وخصوصاً في الثايرستورات الكبيرة والتي تستخدم مع الجهود العالية ، حيث تضاف مقاومة بين طرفي الوصلة (بوابة-مهبط) أثناء صناعة الثايرستور.
وهذه المقاومة فائدتها جعل الثايرستور أقل تأثرا بالنبضات الخاطئة التي ربما تصله عن طريق شرارة كهربية أو ضوضاء كهربية أو تفريغ لشحنة ستاتيكية . وكما ذكرنا فهذه المقاومة (في الثايرستورات الكبيرة فقط ستمنعنا من قياس الوصلة Gate-Cathode على أنها ديود عادي) .
أما الثايرستورات التي لا تحتوى هذه المقاومة (غالباً التي تعمل في دارات ذات جهود صغيرة) تسمى sensitive gate SCRs وذلك لحساسيتها للإشعال Triggered بجهود صغيرة جداً . والدارة العملية المستخدمة لفحص الـ SCR هي كالتالي :
بين G , K : لا يمرر في الاتجاهين .
إذا فكرت في قياس الوصلة بوابة-مهبط على إنها وصلة N-P (كالدايود العادي) فبذلك جزء من الخطأ وخصوصاً في الثايرستورات الكبيرة والتي تستخدم مع الجهود العالية ، حيث تضاف مقاومة بين طرفي الوصلة (بوابة-مهبط) أثناء صناعة الثايرستور.
وهذه المقاومة فائدتها جعل الثايرستور أقل تأثرا بالنبضات الخاطئة التي ربما تصله عن طريق شرارة كهربية أو ضوضاء كهربية أو تفريغ لشحنة ستاتيكية . وكما ذكرنا فهذه المقاومة (في الثايرستورات الكبيرة فقط ستمنعنا من قياس الوصلة Gate-Cathode على أنها ديود عادي) .
أما الثايرستورات التي لا تحتوى هذه المقاومة (غالباً التي تعمل في دارات ذات جهود صغيرة) تسمى sensitive gate SCRs وذلك لحساسيتها للإشعال Triggered بجهود صغيرة جداً . والدارة العملية المستخدمة لفحص الـ SCR هي كالتالي :
بمجرد غلق المفتاح (الموجود في حالة فتح طبيعيا Normally opened) يصل لطرف البوابة تيار يكفي لجعل التيار يمر بين المهبط والمصعد .
وعندما نترك هذا المفتاح released فإن الثايرستور سيظل في حالة العمل latched وسيظل التيار يمر بالدارة .
وبالضغط على المفتاح (الموجود في حالة غلق طبيعياً Normally closed) فإن التيار سيتوقف عن المرور في الدارة مجبرا الثايرستور على الدخول في حالة فتح OFF .
إذا لم يستطع الثايرستور الدخول في حالة العمل Latched بعد ضغط المفتاح (الموجود في حالة فتح طبيعيا Normally opened) فذلك لا يعنى بالضرورة عطل الثايرستور ولكن ربما المقاومة (أو الحمل) كبيرة مما يجعلها لا تستطيع إمرار تيار كافي لبدأ عملية الإشعال .
والتيار اللازم لبدأ عملية الإشعال Firing يسمى holding current وهو في الأغلب يقع بين 1 ملي أمبير إلى 50 ملي أمبير أو أكبر للثايرستورات الأكبر .
وأحد الاستخدامات للثايرستور هو استخدامه كمفتاح On/Off (للتحكم في محرك كهربائي) كما يلي :
وعندما نترك هذا المفتاح released فإن الثايرستور سيظل في حالة العمل latched وسيظل التيار يمر بالدارة .
وبالضغط على المفتاح (الموجود في حالة غلق طبيعياً Normally closed) فإن التيار سيتوقف عن المرور في الدارة مجبرا الثايرستور على الدخول في حالة فتح OFF .
إذا لم يستطع الثايرستور الدخول في حالة العمل Latched بعد ضغط المفتاح (الموجود في حالة فتح طبيعيا Normally opened) فذلك لا يعنى بالضرورة عطل الثايرستور ولكن ربما المقاومة (أو الحمل) كبيرة مما يجعلها لا تستطيع إمرار تيار كافي لبدأ عملية الإشعال .
والتيار اللازم لبدأ عملية الإشعال Firing يسمى holding current وهو في الأغلب يقع بين 1 ملي أمبير إلى 50 ملي أمبير أو أكبر للثايرستورات الأكبر .
وأحد الاستخدامات للثايرستور هو استخدامه كمفتاح On/Off (للتحكم في محرك كهربائي) كما يلي :
وفي تطبيق عملي أخر يستخدم الثايرستور كعتلة crowbar للحماية من الجهد الزائد وخصوصا في دارات مصادر التغذية المستمرة DC . حيث يقوم بعمل دارة قطع Short Circuit في حالة زيادة الجهد عن مستواه الطبيعي فيمنعه من الوصول للحمل وإيقاع الضرر به .
ويوضع قبل الثايرستور منصهر Fuse لحماية الثايرستور ودارة التغذية من التيار في حالة القطع Short Circuit.
أما عن البوابة Gate (والتي لم توضح الدارة المتصلة بها في الرسم السابق للتسهيل) فإن الدارة المتصلة بها تقوم بتغذية الثايرستور بنبضة في حالة ارتفاع الجهد عن الحد المسموح وعندها يصبح الثايرستور كوصلة سلكية Short Circuit بين طرفي الدارة مانعا التيار من المرور في بقية الدارة (الحمل).
وبالطبع فإن الثايرستور SCR هو عنصر وحيد الاتجاه Unidirectional ولاستخدامه في دارات التيار المتردد AC فإننا نستخدم زوج من الثايرستورات ولكن بالإضافة إلى شرط الوصول لجهد الانهيار يجب أن توفر نبضة على البوابة gate كلما أردنا من الثايرستور العمل وتوصيل التيار عبر طرفيه المهبط و المصعد .
وإليك هذا المثال : حيث وصل الثايرستور في دارة تيار متناوب للتحكم في القدرة الواصلة للحمل .
ولأن الثايرستور عنصرا وحيد الاتجاه (يوصل في طريق ذو اتجاه واحد ) فإنه في أحسن حال سيوفر نصف القدرة التي يعطبها المصدر للحمل .
إذا لم توضع نبضة على بوابة الثايرستور أو لم يصل الجهد المسلط على طرفيه (المهبط والمصعد) إلى جهد الانهيار فإنه لن يعمل .
وبتوصيل طرف البوابة gate بالمصعد عن طريق موحد diode (لمنع التيار من المرور بالعكس في حالة وجود مقاومة داخلية - كما ذكر من قبل- داخل الثايرستور) فإن ذلك سيجعل الثايرستور يعمل في بداية كل نصف موجة موجبة.
إذا لم توضع نبضة على بوابة الثايرستور أو لم يصل الجهد المسلط على طرفيه (المهبط والمصعد) إلى جهد الانهيار فإنه لن يعمل .
وبتوصيل طرف البوابة gate بالمصعد عن طريق موحد diode (لمنع التيار من المرور بالعكس في حالة وجود مقاومة داخلية - كما ذكر من قبل- داخل الثايرستور) فإن ذلك سيجعل الثايرستور يعمل في بداية كل نصف موجة موجبة.
وبإمكاننا عمل تأخير لتلك النبضة بوضع مقاومة في دارة البوابة مما يزيد من قيمة الجهد اللازمة حتى يحدث إشعال للثايرستور وستكون النتيجة على الشكل التالي :
وبطريقة التأخير تلك يتم التحكم في زاوية القطع للموجة الجيبية المدعومة من المصدر مما يمكننا من التحكم في القيمة المتوسطة للقدرة average power الواصلة للحمل .
وبوضع مقاومة متغيرة بدلا من المقاومة الثابتة يمكننا التحكم في زاوية القطع (وبالتالي متوسط القدرة على الحمل).
وللأسف فإن هذا النوع من التحكم له حد مسموح به (عند التعامل مع التيار المتردد) وهو النصف الأول لنصف الموجة الموجب فقط .
ولكن برفع الـ trigger threshold أكثر من ذلك (وضع تأخير أكبر بمقاومة أكبر) فإن ذلك لن يحدث أي إشعال للثايرستور ولن يصبح هناك خرج واصل للحمل .
ولكن هناك حل ذكي لهذه المشكلة وذلك بإضافة مكثف (مرحل للطور phase-shifting ) للدارة كما يلي :
الجهد المرسوم باللون الأخضر يمثل الجهد الموجود على المكثف . (لتوضيح عملية ترحيل الطور تم وضع المقاومة بقيمة كبيرة بحيث لن يحدث إشعال للثايرستور كما سبق) وسيتم شحن المكثف بذلك التيار البسيط المار في المقاومة (والذي لا يكفى لإشعال الثايرستور) مما ينتج عنه ذلك الجهد المرحل في الطور (عن طور منبع التغذية) بقيمة تتراوح من 0 إلى 90 درجة.
وعندما يصل ذلك الترحيل phase-shifting إلى قيمة مناسبة سيبدأ المكثف في التفريغ ليدعم تيار المقاومة البسيط لإشعال الثايرستور وتشغيله.
ولكن الدارة السابقة نظرية إلى حد كبير حيث (في الحقيقة) يتشوه المنحنى الممثل للجهد على المكثف عندما يدخل الثايرستور في مرحلة العمل Latched ولن يكون جيبي الشكل تماما .
رغم أن الدارات السابقة لإشعال الثايرستور كافية وقابلة للعمل في الدارات البسيطة كالتحكم في مصباح أو محرك صناعي كبير إلا أنه يمكن إشعالها fired بدارات أكثر تعقيدا تحقيقا لمطالب بعض التطبيقات .
Tags:
الكترون