یکسو کننده کنترل شده سیلیکونی- بخش اول

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز: می‌دانیم که دیود جریان الکتریکی را در یک جهت می‌دهد و جریان الکتریکی را در جهت دیگر مسدود می‌کند. به عبارت دیگر، دیود جریان AC را به جریان DC تبدیل می‌کند. این رفتار منحصر به فرد دیود‌ها امکان ساخت انواع یکسو کننده‌ها مانند یکسو کننده‌های نیمه موج، تمام موج و پل را فراهم می‌کند. این یکسو کننده‌ها جریان متناوب را به جریان مستقیم تبدیل می‌کنند.

یکسو کننده‌های نیمه موج، تمام موج و پل از دیود‌های اتصال معمولی p-n (دیود‌های دو لایه) استفاده می‌کنند؛ بنابراین اگر ولتاژ اعمال شده به این دیود‌ها به اندازه کافی بالا باشد، ممکن است دیود‌ها از بین بروند؛ بنابراین یکسو کننده‌ها نمی‌توانند در ولتاژ بالا کار کنند.

برای غلبه بر این اشکالات، دانشمندان نوع خاصی از یکسو کننده‌ها را به نام یکسو کننده کنترل شده سیلیکونی ساخته اند. این یکسو کننده‌ها می‌توانند ولتاژ بالا را تحمل کنند.

تعریف یکسو کننده کنترل شده سیلیکونی

یکسوساز کنترل شده سیلیکونی یک دستگاه کنترل جریان نیمه هادی ۳ ترمینال و ۴ لایه است. این عمدتا در دستگاه‌هایی برای کنترل قدرت بالا استفاده می‌شود. یکسو کننده کنترل شده با سیلیکون گاهی اوقات به عنوان دیود SCR، دیود ۴ لایه، دستگاه ۴ لایه یا تریستور نیز شناخته می‌شود. این ماده از یک ماده سیلیکونی ساخته شده است که توان بالا را کنترل می‌کند و جریان AC بالا را به جریان DC تبدیل می‌کند (تصحیح). از این رو، آن را یکسو کننده کنترل شده با سیلیکون می‌نامند.

یکسو کننده کنترل شده سیلیکون چیست؟

یکسو کننده کنترل شده با سیلیکون یک دستگاه کنترل جریان یک طرفه است. درست مانند یک دیود معمولی اتصال p-n، جریان الکتریکی را تنها در یک جهت می‌دهد و جریان الکتریکی را در جهت دیگر مسدود می‌کند. یک دیود معمولی اتصال p-n از دو لایه نیمه هادی به نام‌های نوع P و نوع N ساخته شده است. با این حال، یک دیود SCR از ۴ لایه نیمه هادی از مواد متناوب P و N ساخته شده است.

یکسوساز کنترل شده سیلیکونی یک دستگاه کنترل جریان نیمه هادی ۳ ترمینال و ۴ لایه است.

اصل سوئیچینگ pnpn توسط Tanenbaum، Goldey، Moll و Holonyak از آزمایشگاه‌های بل در سال ۱۹۵۶ توسعه داده شد. یکسو کننده کنترل شده با سیلیکون توسط تیمی از مهندسان قدرت به رهبری گوردون هال توسعه داده شد و توسط Frank W. Frank W. "Bill تجاری سازی شد. Gutzwiller در سال ۱۹۵۷. در روز‌های اولیه توسعه این دستگاه، اغلب با نام‌هایی مانند SCR و یکسو کننده کنترل شده نامیده می‌شود. با این حال، امروزه اغلب توسط Thyristor به این دستگاه اشاره می‌شود.

یکسو کننده‌های کنترل‌شده با سیلیکون در کاربرد‌های کنترل توان مانند توان تحویلی به موتور‌های الکتریکی، کنترل‌های رله یا عناصر گرمایش القایی که در آن قدرت تحویل‌شده باید کنترل شود، استفاده می‌شود.

نماد یکسو کننده کنترل شده سیلیکونی

نماد شماتیک یکسو کننده کنترل شده با سیلیکون در شکل زیر نشان داده شده است. یک دیود SCR از سه ترمینال به نام‌های آند (A)، کاتد (K)، گیت (G) تشکیل شده است. فلش دیود نشان دهنده جهت جریان معمولی است.

نماد شماتیک یکسو کننده کنترل شده با سیلیکون در شکل زیر نشان داده شده است.

ساخت یکسو کننده کنترل شده سیلیکونی

یکسو کننده کنترل شده با سیلیکون از ۴ لایه نیمه هادی از مواد متناوب از نوع P و N تشکیل شده است که ساختار‌های NPNP یا PNPN را تشکیل می‌دهند. دارای سه اتصال P-N به نام‌های J۱، J۲، J۳ با سه پایانه متصل به مواد نیمه‌رسانا یعنی آند (A)، کاتد (K) و دروازه (G). آند یک الکترود با بار مثبت است که جریان معمولی از طریق آن وارد یک دستگاه الکتریکی می‌شود، کاتد یک الکترود با بار منفی است که از طریق آن جریان معمولی از یک دستگاه الکتریکی خارج می‌شود، دروازه ترمینالی است که جریان جریان بین آند و کاتد را کنترل می‌کند.. ترمینال گیت گاهی اوقات به عنوان ترمینال کنترل نیز شناخته می‌شود.

ترمینال آند دیود SCR به اولین ماده نوع p یک ساختار PNPN، ترمینال کاتد به آخرین ماده نوع n و ترمینال گیت به ماده نوع p دوم یک PNPN متصل است. ساختاری که نزدیکترین به کاتد است.

در یکسو کننده‌های کنترل شده با سیلیکون، سیلیکون به عنوان یک نیمه هادی ذاتی استفاده می‌شود. هنگامی که ناخالصی‌های پنج ظرفیتی به این نیمه هادی ذاتی اضافه می‌شود، یک نیمه هادی نوع N تشکیل می‌شود. هنگامی که ناخالصی‌های سه ظرفیتی به یک نیمه هادی ذاتی اضافه می‌شود، یک نیمه هادی نوع p تشکیل می‌شود.

هنگامی که ۴ لایه نیمه هادی از مواد متناوب P و N بر روی یکدیگر قرار می‌گیرند، سه اتصال در ساختار PNPN تشکیل می‌شود. در ساختار PNPN، اتصال J۱ بین اولین لایه P-N، اتصال J۲ بین لایه N-P و اتصال J۳ بین آخرین لایه P-N تشکیل می‌شود. دوپینگ ساختار PNPN به کاربرد دیود SCR بستگی دارد

راه اندازی / شلیک

این روش ایمن سازی رسانش SCR، تحریک یا شلیک نامیده می‌شود و تا حد زیادی رایج‌ترین روشی است که SCR‌ها در عمل واقعی بسته می‌شوند. در واقع، SCR‌ها معمولاً به گونه‌ای انتخاب می‌شوند که ولتاژ شکست آن‌ها بسیار فراتر از بیشترین ولتاژ مورد انتظار از منبع تغذیه باشد، به طوری که می‌توان آن را تنها با یک پالس ولتاژ عمدی اعمال شده به گیت روشن کرد.

تحریک معکوس

لازم به ذکر است که SCR‌ها گاهی اوقات ممکن است با اتصال مستقیم پایانه‌های گیت و کاتد خود به یکدیگر یا با "محرک معکوس" گیت با ولتاژ منفی (در ارتباط با کاتد) خاموش شوند، به طوری که ترانزیستور پایینی به فشار وارد شود. قطع من می‌گویم این "گاهی" امکان پذیر است، زیرا شامل شنت تمام جریان کلکتور ترانزیستور بالایی از پایه ترانزیستور پایینی است. این جریان ممکن است قابل توجه باشد، و در بهترین حالت، خاموش کردن یک SCR را دشوار می‌کند. تغییری از SCR، به نام تریستور Gate-Turn-Off یا GTO، این کار را آسان‌تر می‌کند. اما حتی با یک GTO، جریان گیت مورد نیاز برای خاموش کردن آن شاید به اندازه ۲۰ درصد جریان آند (بار) باشد! نماد شماتیک یک GTO در تصویر زیر نشان داده شده است: (شکل زیر)