شرح الثايرستور بالتفصيل

يطلق على الثايرستور اسم الموحد السليكوني المحكوم (silicon-controlled rectifier, SCR) ويستخدم للتحكم في القدرة الكهربائية بتطبيقاتها المختلفة، كالتحكم في شدة إضاءة المصابيح وقدرة السخانات الكهربائية وسرعة المحركات الكهربائية وغيرها. ومن الجدير بالذكر أن كلمة ثايرستور أصلها يوناني وتعني باب يمكن فتحه أو غلقه دلالة على أنه يسمح أو يمنع تدفق التيار عبر الحمل الكهربائي .

ما هو الثايرستور؟

الموحد السليكوني المحكوم أو الثايرستور (بالإنجليزية: thyristor) عبارة عن عنصر إلكتروني من أشباه الموصلات يسمح بتمرير التيار في اتجاه واحد مثل الدايود، ويختلف عن الديود العادي بأن له طرف تحكم إضافي يسمى البوابة (gate) يسمح بالتحكم في اللحظة التي يبدأ عندها بالتوصيل.

يحتوي الثايرستور على ثلاثة أطراف تشبه الأطراف الثلاثة الموجودة في الترانزستور، والتي تسمى الباعث والمجمع والقاعدة (بالنسبة للترانزستور ثنائي القطبية) أو المصدر والمصرف والبوابة (في ترانزستور تأثير المجال FET).

في الترانزستور ثنائي القطبية، يعمل أحد الأطراف الثلاثة (القاعدة) كعنصر تحكم ينظم مقدار تدفق التيار بين الطرفين الآخرين. وينطبق الشيء نفسه على الثايرستور: تتحكم البوابة في التيار الذي يتدفق بين المصعد والكاثود. وعلى عكس الترانزستور ، يسمح الثايرستور باستمرار تدفق التيار حتى عندما ينخفض ​​جهد البوابة إلى الصفر. ومن الجدير بالذكر أنه يوجد أنواع من الثايرستورات باثنين أو أربعة أطراف.

تركيب الثايرستور

يتكون الثايرستور من أربع طبقات من النوع الموجب P والنوع السالب N، مرتبة على التوالي بحيث تكون طبقة واحدة على شكل PNPN. ويتكون من ثلاث وصلات (PN Junction) متصلة على التوالي (J1، J2، J3) كما هو موضح في الصورة

ويمتلك الثايرستور ثلاثة أطراف هي المصعد (Anode) يتصل بالطبقة الطرفية الموجبة (P)، والمهبط (Cathode) الذي يتصل بالطبقة الطرفية السالبة (N)، والبوابة (Gate) التي تتصل بالطبقة الموجبة الوسطى.

رمز الثايرستور يشبه الدايود ولكن مع جود طرف ثالث يمثل البوابة.

مبدأ عمل الثايرستور

الثايرستور مشابه للدايود في السماح للتيار بالمرور في اتجاه واحد ولكن يمتلك خاصية فريدة تميزه عن الدايود وهي إمكانية التحكم في توصيل الثايرستور. لكي يتضح لك اكثر سأذكرك بعمل الدايود كالتالي: عند تطبيق فرق جهد أمامي على الدايود يقوم بالتوصيل مباشرًة ولا يمكنك إيقاف التوصيل أو التحكم بمدته، فقط يعتمد على جهد المصدر المطبق عليه إذا كان أكبر من جهد الحاجز والذي قيمته لدايود السليكون 0.7 فولت فسيقوم بالتوصيل.

أما الثايرستور فلا يكفي تطبيق فرق جهد أمامي عليه إذ يجب عمل نبضة للبوابة بنفس الوقت حتى يتمكن من التوصيل. ويمكن التحكم بالتيار الذي يستخدم لعمل نبضة للبوابة وبهذا يمكنك التحكم بمدة التوصيل بسهولة عبر البوابة.

ولفهم مبدأ عمل الثايريستور يمكن اعتبار الثايرستور مكون من اثنين ترانزستورات أحدهما من النوع pnp والأخر من النوع npn، وذلك كما هو مبين في الشكل التالي:

تُظهر الدائرة المكافئة للثايرستور أن تيار المجمع لترانزستور NPN) Q2) يغذي مباشرة قاعدة ترانزستور (Q1 (PNP، بينما يغذي تيار المجمع Q1 قاعدة Q2. يعتمد كل ترانزستور على الآخر للتوصيل حيث أن كل ترانزستور يحصل على تيار من تيار للآخر. لذلك، حتى لو تم توصيل مصدر جهد بين المصعد والمهبط لا يمكن أن يمر أي تيار بينهما حتى يتم تغذية أحد الترانزستورات بالتيار.

عند تغذية البوابة G بالتيار، والتي تمثل قاعدة الترانزستور Q2 يصبح هذا الترانزستور بوضع توصيل (on) مما يسمح لتيار القاعدة للترانزستور الأول Q1 (والذي هو بنفس الوقت تيار المجمع للترانزستور Q2) بالمرور ويصبح الترانزستور Q1 بوضع توصيل on.

ولكون الترانزستور Q1 أصبح بوضع توصيل on فإن تيار القاعدة للترانزستور Q2 سيزداد مما يؤدي الى زيادة تيار المجمع له (أي زيادة تيار القاعدة للترانزستور Q1) والذي بدوره يزيد تيار المجمع للترانزستور Q1، وهكذا حتي يصل الترانزستوران Q1 و Q2 الى حالة الإشباع، ويصبح الثايرستور في وضع on.

ويجب الملاحظة أنه حتى عندما يصبح تيار البوابة مساوياً للصفر فإن الثايرستور سيبقى بوضع توصيل لأن الترانزستورين Q1 و Q1 سيبقيان بحالة تشبع، وذلك لأن كون الترانزستور Q1 في وضع توصيل سيؤمن مرور تيار القاعدة للترانزستور Q2 وكون الترانزستور Q2 في وضع on سيؤمن مرور تيار القاعدة للترانزستور Q1.

مما سبق نستنتج أن الشروط اللازمة لجعل الثايريستور في وضع توصيل هي:

1. أن يكون الثايرستور في حالة إنحياز أمامي، أي أن جهد المصعد (anode) أعلى من جهد المهبط (cathode).
2. إعطاء نبضة (pulse) للبوابة وذلك لتوفير تيار البوابة.
3. أن تكون النبضة التي تُعطى للقاعدة بعرض كافي وذلك ليتمكن الثايريستور من البقاء بوضع on حتى عندما يصبح تيار البوابة يساوي الصفر.

وتسمى أقل قيمة لتيار المصعد الذي يستطيع الثايرستور عنده البقاء بوضع توصيل حتى بعد زوال نبضة البوابة بـ latching current.

خواص الثايرستور

تتحدد خصائص الثايرستور الرئيسية بالعلاقة بين الجهد المسلط على الثايرستور والتيار المار فيه في حالتي الانحياز الأمامي والانحياز العكسي. ويوضح الشكل التالي خصائص الثايرستور.

الإعاقة الأمامية (Forward blocking)

يعمل الثايرستور في منطقة الإعاقة الأمامية عندما يكون منحازًا انحيازًا أماميًا، حيث يتصل مصعده بالقطب الموجب لمصدر التغذية، والمهبط بالقطب السالب لمصدر التغذية ويكون تيار البوابة يساوي صفرًا، وتكون قيمة جهد الانحياز الأمامي أقل من قيمة معينة تسمى جهد الانهيار الأمامي. وفي هذه الحالة يعمل الثايرستور كمفتاح في حالة عدم توصيل (OFF). وعمليًا يمر عبر الثايرستور تيار تسرب (Leakage Current) صغير يمكن إهماله.

التوصيل العكسي

يعمل الثايرستور في منطقة التوصيل العكسي عندما يكون منحازًا انحيازًا عكسيًا حيث يتصل مصعده بالقطب السالب لمصدر التغذية، والمهبط بالقطب الموجب لمصدر التغذية. وفي هذه الحالة يعمل الثايرستور كمفتاح في حالة عدم توصيل (OFF). وعمليًا يمر عبر الثايرستور في هذه الحالة تيار تسرب صغير يمكن إهماله. إذا زاد جهد الانحياز العكسي على قيمة معينة تسمى جهد الانهيار العكسي فإن ذلك يؤدي إلى سريان تيار عكسي كبير يؤدي بالعادة إلى تلف الثايرستور .

التوصيل (الانحياز) الأمامي

في هذه الحالة يعمل الثايرستور كمفتاح في حالة التوصيل (ON)، ويمر التيار الأمامي عبر الثايرستور من المصعد إلى المهبط وتعتمد قيمته على مقاومة الحمل فقط. يمكن تحويل الثايرستور من حالة الإعاقة الأمامية إلى حالة التوصيل الأمامي عن طريق تغذية البوابة بتيار مستمر أو نبضة قدح (إشعال) قصيرة تجعل منطقة البوابة موجبة بالنسبة للمهبط. وبمجرد أن يصبح الثايرستور في حالة التوصيل الأمامي،

تفقد البوابة قدرة التحكم في الثايرستور، ويستمر في التوصيل طالما استمر جهد المصعد موجبًا بالنسبة للمهبط. يتم تحويل الثايرستور من حالة التوصيل الى حالة عدم التوصيل بتخفيض تيار المصعد إلى ما دون قيمة تعرف باسم تيار الإمساك (Holding Current, l_h) والمساوية للصفر تقريبًا، أو بعكس قطبية الجهد بين المصعد والمهبط. وهذا يحدث تلقائيًا في دارات التيار المتردد حيث تعكس موجة الجهد قطبيتها بشكل دوري.

استخدامات الثايرستور

1. التحكم بسرعة محركات التيار المتردد والمستمر.
2. أجهزة التحكم بدرجات الحرارة.
3. دوائر توقف وفرملة آلات التيار المتردد والتيار المستمر.
4. دوائر التحويل من التيار المستمر إلى المتردد بترددات مختلفة.
5. دوائر العاكس، التحويل من جهد ثابت إلى جهد متغير.
6. دوائر التقويم المحكوم.

طرق إشعال الثايرستور

قدح أو إشعال الثايرستور (Thyristor Firing) هي عملية تحويل الثايرستور من حالة الفصل إلى حالة التوصيل.

كما ذكرت مسبقًا فإن الثايرستور يصبح موصلًا إذا زاد تيار الأنود (المصعد) عن تيار latching current في حالة الانحياز الأمامي، ويمكن أن يتم ذلك بعدة طرق مثل تأثير الحرارة والضوء والتيار والجهد. وسيتم ذكر الطرق العملية المستخدمة، وكذلك الطرق غير المعتادة وغير المرغوبة والتي يجب تجنبها.

الإشعال بالحرارة: زيادة درجة حرارة الثايرستور تؤدي إلى زيادة في معدل تولد حاملات الشحنات، فإذا كانت هذه الزيادة عالية عن حد معين، فإنها تعمل على زيادة تيار التسرب مؤديًا إلى تحويل الثايرستور إلى حالة الوصل، وعادة هذه الطريقة غير مرغوب فيها، وفي حالة استخدامها يجب إزالة الحرارة الزائدة المتولدة باستخدام وسيلة لتبديد الحرارة مثل تثبيت الثايرستور على قطعة من المعدن (Sink Heat) تعمل على خفض الحرارة .

الإشعال بالضوء: إذا تم تسليط ضوء معين على وصلة الثايرستور فإن ذلك سوف يؤدي إلى زيادة عدد الإلكترونات الحرة وزيادة تيار التسرب مما يؤدي إلى تحويل الثايرستور إلى حالة التوصل. وبناء على هذه الفكرة تم تصنيع ثايرستور يعتمد إشعاله وتشغيله على الضوء يسمى بالموحد الثايرستور المثار بالضوء (LASCR ).

الإشعال بالجهد الزائد: عرفنا أنه إذا زاد جهد الانحياز الأمامي بين المصعد والمهبط عن جهد الانهيار الأمامي فإن تيار التسرب للثايرستور يكون كافيًا لتحويل الثايرستور إلى حالة التوصيل الأمامي. وهذه الطريقة للإشعال تدمر الثايرستور، لذلك يجب تجنبها ولا يفضل استخدامها.

الإشعال بمعدل الجهد المسلط (dv/dt): من المفترض أن الجهد الأمامي المسلط يزداد بالتدريج. ولو سُمح لهذا الجهد بالزيادة المفاجئة فقد تؤدي إلى إشعال الثايرستور من دون تسليط إشارة إلى البوابة أو زيادة الجهد الأمامي أكثر من مستوى الانهيار. إن هذا النوع غير المرغوب من الإشعال يمكن تجنبه بتحديد معدل تغير الجهد الأمامي (dv/dt). وتتراوح قيم التحديد هذه في الثايرستور التقليدي بين 20V إلى ٧ 200 لكل 1 ميكرو ثانية.

الإشعال بتيار البوابة: إذا سلطت إشارة موجبة على البوابة بتوصيل مصدر بين البوابة والكاثود فان التيار المار بدائرة البوابة يؤدي إلى زيادة حاملات الشحنة وتصبح الوصلة في حالة توصيل، مما يساعد في إشعال الثايرستور.

وتستخدم طريقة التحكم في تيار البوابة بشكل واسع في قدح (إشعال) الثايرستور أي تحويله من حالة عدم توصيل إلى حالة التوصل لأنها أكثر الطرق فعالية وأكثرها سهولة في التطبيق. وعادة تكون الإشارة المسلطة على شكل نبضة تستغرق زمنًا معينًا كافيًا لتشغيل الثايرستور. وإذا تم إشعال وتوصيل الثايرستور فإنه يستمر مشتعلًا كذلك، ولا داعي لإبقاء تيار البوابة.

لابد من أخذ الأمور التالية بعين الاعتبار عند تصميم دوائر قدح الثايرستورات:

1. تطبيق جهد بين البوابة والمهبط من أجل تحويل الثايرستور إلى حالة الوصل عندما يكون الثايرستور في حالة انحيازا أمامي.
2. يجب إزانة إشارة البوابة عندما يتحول الثايرستور إلى حالة التوصيل.
3. لا تطبق هذه الإشارة عندما يكون الثايرستور منحازًا انحيازًا عكسيًا.
4. عندما يكون الثايرستور في حالة القطع (عدم توصيل) فإنه بتطبيق جهد سالب بين البوابة والمهبط سوف يؤدي إلى تحسين خواص الثايرستور. وبالتالي تحتاج إلى جهد موجب كبير للتغلب على هذا الجهد السالب من أجل تحويل الثايرستور إلى حالة التوصيل.

إخماد الثايرستور

إطفاء أو إخماد الثايرستور (Thyristor Turn-off) هي عملية تحويل الثايرستور من حالة الوصل إلى حالة الفصل. ويتم ذلك بتقليل التيار الأمامي للثايرستور إلى قيمة أقل من تيار الإمساك (HoIding curren).

عندما يكون الثايرستور في حالة توصيل فإنه يحتوي على عدد كبير من حاملات الشحنة  في طبقاته الأربع، وليس للبوابة أي سيطرة أو تأثير على الثايرستور وهو في هذه الحالة، ولإطفاء الثايرستور يجب أن تقل حاملات الشحنة في الوصلات إلى مستوى أقل من تيار التسرب. أو بتعبير آخر يجب أن يقل تيار الثايرستور إلى قيمة أقل من تيار الإمساك I_H لمدة تكفي لتحويله إلى عدم التوصيل.

جعل الثايرستور في حالة عدم توصيل ليست صعبة في دواثر التيار المتردد، حيث ينعكس الجهد كل نصف دورة. أما في دواثر التيار المستمر يمر التيار باتجاه واحد، يتطلب الأمر استعمال داثرة إضافية لإخماد وإيقاف توصيل كما يوجد نوع خاص من الثايرستورات يتم إخماده عن طريق البوابة ذاتها.

الإخماد الطبيعي (natural commutation): في دوائر التيار المتردد لكون التيار في الدائرة يمر بالصفر بشكل طبيعي كل نصف موجة، فإن الثايرستور سيصبح بوضع off عند ذلك، وتسمى طريقة إطفاء الثايرستور بهذه الطريقة بالإخماد الطبيعي .

الإخماد الإجباري (القسري) (forced commutation): في دوائر التيار المستمر، ولكون التيار في هذه الدوائر لا يمر بالصفر بشكل طبيعي فلا بد من جعل تيار الثايرستور أقل من الـ holding current، أو جعل انحيازه سالباً وبشكل إجباري، وتسمى طريقة إطفاء الثايرستور بهذه الطريقة بالإخماد الجبري .

أنواع الثايرستور

يو جد عدة أنواع من الثايرستورات تتشابه في كثير من الخواص وتختلف في كيفية تحويلها من حالة التوصيل إلى حالة الفصل. وفي اتجاه توصيلها للتيار، وفي الرمز والمسمى، وأشهر الأنواع وأكثرها شيوعا هو الموحد السليكوني المحكوم (SCR) وهو الذي يحمل اسم ثايرستور.

ومن أهم أنواع الثايرستور:

1. الترياك triac.
2. الدياك diac.
3. الثايرستور القابل للقدح ضوئيًا LASCR.
4. المفتاح السيليكوني المحكوم SCS.
5. الثايرستور ذي بوابة الإطفاء GTO.

الترياك (triac): عنصر ثلاثي الأطراف ويتألف من أربعة طبقات. ويمرر التيار باتجاهين وهو عبارة عن ثايروستورين موصولين على التوازي.

الدياك (diac): عنصر رباعي الطبقات ثنائي الأطراف ويكافئ الدياك زوجًا من دايود شوكتي موصولين على التوازي، وبشكل عكسي. ويمتلك طرفين فقط، ويسمح للتيار بالمرور في كلا الاتجاهين ولا يحتاج إلى دائرة قدح.

الثايرستور القابل للقدح ضوئيًا (LASCR ,Light Activated SCR): وهذا العنصر، شبيه بتركيبه وخصائص الثايريستور العادي إلا أنه يمكن قدحه عن طريق شعاع ضوئي ساقط عليه. وفي الكثير من أشكال هذا العنصر هناك أيضًا بوابة ليتم قدحه بواسطتها كما يتم قدح الثايرستور العادي. ويمكن أن يستخدم هذا الثايرستور لبناء دوائر الكترونية لأغراض مختلفة، مثل دوائر التحكم بالإضاءة ودوائر التحكم بالموتورات الكهربائية.

المفتاح السيليكوني المحكوم (SCS ,Silicon Switch Controlled): هذا العنصر يشبه بتركيبه الثايرستور العادي (SCR) مع فارق بسيط هو وجود بوابتين له هما بوابة المصعد وبوابة المهبط.

الثايرستور ذو بوابة الإطفاء GTO (Gate Turn-off Thyristor): يمكن جعل الثايرستور بوضع توصيل on عن طريق إعطاء نبضة لبوابته إلا أنه لا يمكن جعله بوضع off عن طريق هذه البوابة. وفي ثايرستور GTO، والذي له نفس تركيب وخصائص الثايرستور، يمكن عن طريق البوابة جعل هذا العنصر بوضع توصيل on أو بوضع عدم توصيل off. فعند إعطاء نبضة موجبة للبوابة يصبح ثايرستور GTO بوضع توصيل on ويسمح للتيار المرور خلاله، وعند إعطاء البوابة نبضة سالبة يصبح بوضع off ويتوقف مرور التيار خلاله. ومن الجدير بالذكر أن قيمة تيار البوابة لجعل الـ GTO بوضع off أكبر كثيرًا من قيمته لجعله بوضع on.