Τι είναι το θυρίστορ και πώς λειτουργεί;

Γενικά, οι Thyristors αλλάζουν συσκευές παρόμοιες με τα τρανζίστορ. Όπως ήδη συζητήσαμε, τα τρανζίστορ είναι το μικροσκοπικό ηλεκτρονικό στοιχείο που άλλαξε τον κόσμο, σήμερα μπορούμε να τα βρούμε σε κάθε ηλεκτρονική συσκευή όπως τηλεοράσεις, κινητά, φορητοί υπολογιστές, αριθμομηχανές, ακουστικά κ.λπ. Είναι προσαρμόσιμα και ευπροσάρμοστα, αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι Μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε κάθε εφαρμογή, μπορούμε να τα χρησιμοποιήσουμε ως συσκευή ενίσχυσης και εναλλαγής αλλά δεν μπορούν να χειριστούν υψηλότερο ρεύμα, καθώς και ένα τρανζίστορ που απαιτείται συνεχές ρεύμα μεταγωγής. Έτσι, για όλα αυτά τα προβλήματα και για να ξεπεράσουμε αυτά τα προβλήματα χρησιμοποιούμε τους Thyristors.

Γενικά, το SCR και το Thyristor χρησιμοποιούνται εναλλακτικά, αλλά το SCR είναι ένα είδος Thyristor. Το Thyristor περιλαμβάνει πολλούς τύπους διακοπτών, μερικοί από αυτούς είναι SCR (Silicon Controlled Rectifier), GTO (Gate Turn OFF) και IGBT (Insulated Gate Controlled Bipolar Transistor) κ.λπ. Αλλά το SCR είναι η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη συσκευή, έτσι η λέξη Thyristor γίνεται συνώνυμο με το SCR. Απλά, το SCR είναι ένα είδος Thyristor .

Το SCR ή το Thyristor είναι μια συσκευή εναλλαγής ημιαγωγών τεσσάρων στρωμάτων. Έχει τρία τερματικά άνοδο, κάθοδο και πύλη. Το Thyristor είναι επίσης μια μονοκατευθυντική συσκευή όπως μια δίοδος, που σημαίνει ότι ρέει ρεύμα μόνο σε μία κατεύθυνση. Αποτελείται από τρεις διασταυρώσεις PN σε σειρά καθώς αποτελείται από τέσσερα επίπεδα. Το τερματικό πύλης χρησιμοποιείται για την ενεργοποίηση του SCR παρέχοντας μικρή τάση σε αυτό το τερματικό, το οποίο ονομάσαμε επίσης μέθοδο ενεργοποίησης πύλης για να ενεργοποιήσετε το SCR.

Πώς διαφέρει το Thyristor από το MOSFET;

Το Thyristor και το MOSFET είναι και οι δύο ηλεκτρικοί διακόπτες και χρησιμοποιούνται συχνότερα. Η βασική διαφορά μεταξύ των δύο είναι ότι οι διακόπτες MOSFET είναι συσκευή ελεγχόμενης τάσης και μπορούν να αλλάξουν μόνο ρεύμα DC ενώ οι διακόπτες Thyristors είναι συσκευή ελεγχόμενης ροής και μπορούν να αλλάξουν ρεύμα DC και AC.

Υπάρχουν μερικές ακόμη διαφορές μεταξύ του Thyristor και του MOSFET που δίνονται παρακάτω στον πίνακα:

Ιδιοκτησία	Θυριστόρ	MOSFET
Θερμική φυγή	Ναί	Οχι
Ευαισθησία θερμοκρασίας	πιο λιγο	υψηλός
Τύπος	Συσκευή υψηλής τάσης υψηλής τάσης	Συσκευή μέσου ρεύματος υψηλής τάσης
Σβήνοντας	Απαιτείται ξεχωριστό κύκλωμα μεταγωγής	Δεν απαιτείται
Ανάβοντας	Απαιτείται ένας παλμός	Δεν απαιτείται συνεχής τροφοδοσία εκτός από την ενεργοποίηση και απενεργοποίηση
Ταχύτητα αλλαγής	χαμηλός	υψηλός
Ανθεκτική αντίσταση εισόδου	χαμηλός	υψηλός
Έλεγχος	Τρέχουσα ελεγχόμενη συσκευή	Συσκευή ελεγχόμενη τάσης

Πώς διαφέρει το Thyristor από το τρανζίστορ;

Το Thyristor και το Transistor είναι και οι δύο ηλεκτρικοί διακόπτες, αλλά η ικανότητα χειρισμού ισχύος του Thyristors είναι πολύ καλύτερη από το τρανζίστορ. Λόγω του ότι έχει υψηλή βαθμολογία Thyristor, δίνεται σε κιλοβάτ, ενώ η ισχύς τρανζίστορ κυμαίνεται σε watt. Ένα Thyristor λαμβάνεται ως κλειστό ζεύγος τρανζίστορ σε ανάλυση. Η κύρια διαφορά μεταξύ του τρανζίστορ και του Thyristor είναι, ότι το τρανζίστορ χρειάζεται συνεχή τροφοδοσία εναλλαγής για να παραμείνει ΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΜΕΝΟ, αλλά στην περίπτωση του Thyristor πρέπει να το ενεργοποιήσουμε μόνο μία φορά και παραμένει ΟΝ. Για εφαρμογές όπως το κύκλωμα συναγερμού που πρέπει να ενεργοποιηθεί μία φορά και να παραμείνει ΟΝ για πάντα, δεν μπορούν να χρησιμοποιήσουν τρανζίστορ. Για να ξεπεράσουμε αυτά τα προβλήματα χρησιμοποιούμε το Thyristor.

Υπάρχουν μερικές ακόμη διαφορές μεταξύ του Thyristor και του Transistor που δίνονται παρακάτω στον πίνακα:

Ιδιοκτησία	Θυριστόρ	Τρανζίστορ
Στρώμα	Τέσσερα επίπεδα	Τρία επίπεδα
Τερματικά	Anode, Cathode και Gate	Πομπός, Συλλέκτης και Βάση
Λειτουργία υπέρ τάσης και ρεύματος	Πιο ψηλά	Χαμηλότερο από το θυρίστορ
Ανάβοντας	Απλά απαιτούσε παλμό πύλης για να ανάψει	Απαιτείται συνεχής παροχή του ρεύματος ελέγχου
Εσωτερική απώλεια ισχύος	Χαμηλότερο από το τρανζίστορ	πιο ψηλά

VI Χαρακτηριστικά του Thyristor ή του SCR

Το βασικό κύκλωμα για την απόκτηση των χαρακτηριστικών Thyristor VI δίνεται παρακάτω, η άνοδος και η κάθοδος του Thyristor συνδέονται με την κύρια τροφοδοσία μέσω του φορτίου. Η πύλη και η κάθοδος του Thyristor τροφοδοτούνται από μια πηγή Es, που χρησιμοποιείται για την παροχή ρεύματος πύλης από πύλη σε κάθοδο.

Σύμφωνα με το χαρακτηριστικό διάγραμμα, υπάρχουν τρεις βασικές λειτουργίες SCR: λειτουργία αντίστροφης φραγής, λειτουργία εμπρόσθιου αποκλεισμού και λειτουργία προώθησης προς τα εμπρός.

Λειτουργία αντίστροφης φραγής:

Σε αυτή τη λειτουργία η κάθοδος γίνεται θετική σε σχέση με την άνοδο με τον διακόπτη S ανοιχτό. Οι διασταυρώσεις J1 και J3 αντιστρέφονται μεροληπτικές και J2 είναι προς τα εμπρός προκατειλημμένες Όταν εφαρμόζεται αντίστροφη τάση σε όλο το Thyristor (πρέπει να είναι μικρότερη από V _BR), η συσκευή προσφέρει υψηλή αντίσταση στην αντίστροφη κατεύθυνση. Επομένως, ο Thyristor αντιμετωπίστηκε ως ανοικτός διακόπτης στη λειτουργία αντίστροφης φραγής. Το V _BR είναι η αντίστροφη τάση βλάβης όπου εμφανίζεται η χιονοστιβάδα, εάν η τάση υπερβαίνει το V _BR μπορεί να προκαλέσει ζημιά στο Thyristor.

Λειτουργία αποκλεισμού προς τα εμπρός:

Όταν η άνοδος γίνεται θετική σε σχέση με την κάθοδο, με τον διακόπτη πύλης ανοιχτό. Το Thyristor λέγεται ότι είναι μεροληπτικό προς τα εμπρός, οι διασταυρώσεις J1 και J3 είναι μεροληπτικές προς τα εμπρός και το J2 αντιστρέφεται προκατειλημμένο όπως μπορείτε να δείτε στο σχήμα Σε αυτήν τη λειτουργία, ρέει ένα μικρό ρεύμα που ονομάζεται ρεύμα διαρροής προς τα εμπρός, καθώς το ρεύμα διαρροής προς τα εμπρός είναι μικρό και δεν επαρκεί για να ενεργοποιήσει το SCR. Επομένως, το SCR αντιμετωπίζεται ως ανοιχτός διακόπτης ακόμη και σε λειτουργία εμπρός μπλοκαρίσματος

Λειτουργία προώθησης προς τα εμπρός:

Καθώς η τάση προς τα εμπρός αυξάνεται με το κύκλωμα πύλης να παραμένει ανοιχτό, συμβαίνει χιονοστιβάδα στη διασταύρωση J2 και το SCR μπαίνει σε λειτουργία αγωγιμότητας. Μπορούμε να ενεργοποιήσουμε το SCR ανά πάσα στιγμή δίνοντας ένα θετικό παλμό πύλης μεταξύ πύλης και καθόδου ή με μια τάση διαφυγής προς τα εμπρός σε άνοδο και κάθοδο του Thyristor.

Μέθοδοι πυροδότησης SCR ή Thyristor

Υπάρχουν πολλές μέθοδοι για την ενεργοποίηση του SCR όπως:

• Ενεργοποίηση εμπρός τάσης
• Ενεργοποίηση πύλης
• ενεργοποίηση dv / dt
• Ενεργοποίηση θερμοκρασίας
• Ελαφριά ενεργοποίηση

Ενεργοποίηση εμπρός τάσης:

Εφαρμόζοντας τάση προς τα εμπρός μεταξύ ανόδου και καθόδου, διατηρώντας ανοικτό το κύκλωμα πύλης, η διασταύρωση J2 είναι αντίστροφη προκατειλημμένη. Ως αποτέλεσμα, ο σχηματισμός στρώματος εξάντλησης συμβαίνει σε ολόκληρο το J2. Καθώς η τάση προς τα εμπρός αυξάνεται, έρχεται ένα στάδιο όταν το στρώμα εξάντλησης εξαφανίζεται και το J2 λέγεται ότι έχει Avalanche Breakdown. Ως εκ τούτου, το Thyristor έρχεται σε κατάσταση αγωγής. Η τάση με την οποία εμφανίζεται η χιονοστιβάδα ονομάζεται τάση εμπρός διάσπασης V _BO.

Ενεργοποίηση πύλης:

Είναι ένας από τους πιο συνηθισμένους, αξιόπιστους και αποτελεσματικούς τρόπους ενεργοποίησης του Thyristor ή του SCR. Στην ενεργοποίηση της πύλης, για την ενεργοποίηση ενός SCR, εφαρμόζεται μια θετική τάση μεταξύ πύλης και καθόδου, η οποία προκαλεί το ρεύμα της πύλης και η φόρτιση εγχέεται στο εσωτερικό στρώμα P και εμφανίζεται εμπρός διαχωρισμός. Όσο υψηλότερο, το ρεύμα πύλης θα μειώσει την τάση του μπροστινού διακόπτη.

Όπως φαίνεται στο σχήμα, υπάρχουν τρεις συνδέσεις σε ένα SCR,. Χρησιμοποιώντας τη μέθοδο ενεργοποίησης πύλης, καθώς ο παλμός πύλης εφαρμόστηκε η διασταύρωση J2 σπάει, οι διασταυρώσεις J1 και J2 προωθούνται προς τα εμπρός ή το SCR έρχεται σε κατάσταση αγωγής. Επομένως, επιτρέπει στο ρεύμα να ρέει μέσω της ανόδου προς την κάθοδο.

Σύμφωνα με το μοντέλο των δύο τρανζίστορ, όταν η άνοδος γίνεται θετική σε σχέση με την κάθοδο. Το ρεύμα δεν θα ρέει μέσω της ανόδου στην κάθοδο έως ότου ενεργοποιηθεί ο πείρος πύλης. Όταν το ρεύμα ρέει στον πείρο πύλης ανάβει το κάτω τρανζίστορ. Ως χαμηλότερη αγωγιμότητα τρανζίστορ, ανάβει το άνω τρανζίστορ. Αυτή είναι μια καλή εσωτερική θετική ανατροφοδότηση, οπότε παρέχοντας παλμό στην πύλη για μία φορά, έκανε το Thyristor να παραμείνει σε κατάσταση ΟΝ. Όταν και τα δύο τρανζίστορ ΕΝΕΡΓΟΠΟΙΟΥΝ το τρέχον ξεκίνημα μέσω της ανόδου προς την κάθοδο. Αυτή η κατάσταση είναι γνωστή ως αγωγός προς τα εμπρός και έτσι το τρανζίστορ «μανδαλώνει» ή παραμένει μόνιμα ΕΝΕΡΓΟ. Για να απενεργοποιήσετε το SCR, δεν μπορείτε να το απενεργοποιήσετε απλώς αφαιρώντας το ρεύμα πύλης, σε αυτήν την κατάσταση ο Θυριστόρ ανεξαρτητοποιείται από το ρεύμα πύλης. Έτσι, για απενεργοποίηση πρέπει να κάνετε κύκλωμα απενεργοποίησης.

dv / dt Ενεργοποίηση:

Στην αντίστροφη μεροληπτική διασταύρωση το J2 αποκτά το χαρακτηριστικό σαν πυκνωτής λόγω της παρουσίας φορτίου κατά μήκος της διασταύρωσης, σημαίνει ότι η διασταύρωση J2 συμπεριφέρεται σαν χωρητικότητα. Εάν η τάση προς τα εμπρός εφαρμόζεται ξαφνικά, ένα ρεύμα φόρτισης μέσω της χωρητικότητας διακλάδωσης Cj οδηγεί στην ενεργοποίηση της SCR

Το ρεύμα φόρτισης i _C δίνεται από:

i _C = dQ / dt = d (Cj * Va) / dt (όπου, η Va είναι τάση προς τα εμπρός εμφανίζεται σε διασταύρωση J2) i _C = (Cj * dVa / dt) + (Va * dCj / dt) ως η χωρητικότητα διακλάδωσης είναι σχεδόν σταθερή, dCj / dt είναι μηδέν, τότε i _C = Cj dVa / dt

Επομένως, εάν ο ρυθμός αύξησης της τάσης προώθησης dVa / dt είναι υψηλός, το ρεύμα φόρτισης i _C θα ήταν περισσότερο. Εδώ, το ρεύμα φόρτισης παίζει το ρόλο του ρεύματος πύλης για να ενεργοποιήσετε το SCR ακόμη και το σήμα πύλης είναι μηδέν.

Ενεργοποίηση θερμοκρασίας:

Όταν το Thyristor βρίσκεται σε λειτουργία εμπρός μπλοκαρίσματος, το μεγαλύτερο μέρος της εφαρμοζόμενης τάσης συλλέγει πάνω από τη διασταύρωση J2, αυτή η τάση σχετίζεται με κάποιο ρεύμα διαρροής. Αυτό αυξάνει τη θερμοκρασία της διασταύρωσης J2. Έτσι, με την αύξηση της θερμοκρασίας το στρώμα εξάντλησης μειώνεται και σε κάποια υψηλή θερμοκρασία (εντός του ορίου ασφαλείας), το στρώμα εξάντλησης σπάει και το SCR γυρίζει σε κατάσταση ON.

Ελαφριά ενεργοποίηση:

Για την ενεργοποίηση ενός SCR με φως, κατασκευάζεται μια εσοχή (ή κοίλη) εσωτερική στρώση p όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Η ακτίνα φωτός συγκεκριμένου μήκους κύματος κατευθύνεται από οπτικές ίνες για ακτινοβολία. Καθώς, η ένταση του φωτός υπερβαίνει σε μια συγκεκριμένη τιμή, το SCR ενεργοποιείται. Αυτοί οι τύποι SCR ονομάζονται SCR (LASCR) Μερικές φορές, αυτά τα SCR ενεργοποιούνται χρησιμοποιώντας συνδυασμό πηγής φωτός και σήματος πύλης. Απαιτείται υψηλό ρεύμα πύλης και χαμηλότερη ένταση φωτός για να ενεργοποιήσετε το SCR.

Το LASCR ή το SCR που προκαλείται από το φως χρησιμοποιούνται στο σύστημα μετάδοσης HVDC (συνεχές ρεύμα υψηλής τάσης).