ما هو الثايرستور thyristor ووظيفته وكيفية استخدامه في الدائرة

يعتبر الثايرستور واحداً من اقدم عناصر اشباه الموصلات Semiconductors حيث تم تصنيعه اول مرة في عام 1958 من طرف شركة أمريكية 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) .

للثايرستور اسم اخر وهو موحد سليكوني محكوم Silicon Controlled Rectifier (SCR) . اما بالنسبة للرمز المستعمل للدلالة على الثايرستور فهو يشبه المستخدم لعنصر الدايود ولكن له طرف إضافي يسمي بالبوابة. يدل اتجاه السهم في الرمز على اتجاه التيار المار من خلال الثايرستور عندما يكون في حالة التوصيل ON State .

شرح الثايرستور “محاضرة عملية”

في هذه المحاضرة سيتم شرح الثايرستور، و سنتطرق الى كيفية عمل هذا الثايرستور وكيف يمكننا استخدامه في دوائر التحكم، كل هذا مدعم بشكل نظري وأيضا بالتجارب العملية وعن طريق برامج المحاكاة (Multisim – Circuit Wizard)… مشاهدة الان

حالات الثايرستور 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 كاثود . 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 الأخيرة 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 الجزيء OA في الرسم التالي:

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 الجزيء 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 البوابة. فالطريقة 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 أخرى الجزيء DE كما موضح في الرسم البياني.

الخواص المثالية للثايرستور

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.

طريقة إشعال الثايرستور 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).

الإشعال بالجهد العلي 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.

الإشعال بمعدل الجهد المسلط dv/dt triggering

لقد افترض حتى الان ان الجهد المطبق على الثايرستور يزداد بالتدريج. ولو سمح لهذا التغير بالزيادة بصفة مفاجئة فهذا يؤدي إلى إشعال الثايرستور دون الحاجة إلى استخدام طرف القدح المعروف الأخرى. إن هذا النوع من الإشعال ضار للثايرستور، ويمكن تجنبه بتحديد معدل تغير الجهد الأمامي dv/dt الذي يتراوح بين 20 و200 فولت لكل ميكرو ثانية في الثايرستورات الاعتيادية.

الإشعال بالبوابة Gate triggering

عندما يكون الجهد على طرفي الثايرستور موجباً ( المربع الأول 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.

دوائر إشعال الثايرستور 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.

• أن تطبق النبضة على البوابة عندما يكون الثايرستور في حالة الانحياز الأمامي فقط.

تنقسم دوائر الإشعال المستعملة عادة لقدح الثايرستورات إلى ثلاث أنواع وهي:

• دوائر الإشعال بالتيار المستمر.

• دوائر الإشعال بالتيار المتردد.

• دوائر الإشعال بالنبضات.

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 أي جهد كهربائي عكسي.

أما المقاومة المتغيرة فوظيفتها الأساسية هي التحكم في قيمة التيار المار في البوابة الثايرستور 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 أيضا أنها لا يمكن عزل دائرة الإشعال ذات القدرة المنخفضة عن الدائرة الرئيسية ذات القدرة العالية. ولهذه الأسباب لا تستخدم في في التطبيقات الصناعية.

دائرة الاشعال بالتيار المستمر

دوائر الإشعال بالتيار المتردد 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.

دائرة الاشعال بالتيار المتردد

دوائر الإشعال بالنبضات 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 عن دائرة الاشعال باستعمال محولات 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.

دائرة الإشعال بالنبضات

حماية الثايرستور 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 .

• · الحماية ضد التيارات العالية باستعمال 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.

• · الحماية ضد التغيرات السريعة والمفاجئة في الجهد بتوصيل دائرة إمتصاص الصدمات Snubber circuit على التفرع مع الثايرستور. تتكون هذه الدائرة من مقاومة موصلة على الوالي مع مكثف.

• · الحماية ضد التغيرات السريعة والمفاجئة في التيار باستخدام ملف على التوالي مع الثايرستور.

دائرة حماية الثايرستور