ماهو الثايرستور ؟

يعد الثايرستور واحداً من أقدم عناصر اشباه الموصلات Semiconductors حيث تم تصنيعه في عام 1958 أول مرة من طرف شركة أمريكية General Electrics وهو الأكثر استعملاً في دوائر الكترونيات القوى. يتكون الثايرستور من أربع طبقات وله ثلاث أطراف: الأنود أو المصعد Anode (A) الكاثود أو المهبط Cathode (K) و البوابة Gate (G) .

هناك اسم آخر للثايرستور وهو موحد سيلكون يمحكوم Sillicon Controlled Rectifier (SCR)  ، 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 .

حالات الثايرستور States of a thyristor

للثايرستور حالتان : حالة التوجيه الأمامي للتايستور وحالة التوجيه العكسي أو الخلفي. يعرف التايستور في الحالة الأولى عندما يكون جهد الأنود أعلى من جهد الكاثود. أما في الحالة العكسية، فإن التايستور يكون في التوجيه العكسي (الخلفي).

خواص الثايرستور الإستاتيكية

لفهم خواص الثايرستور الإستاتيكية، يجب دراسة سلوك الثايرستور في حالتي الانحياز الأمامي والخلفي.

في الحالة الأولى (الانحياز الأمامي) يكون جهد الأنود بالنسبة للكاثود موجباً وبالتالي تكون الوصلتان J1 و J2 في حالة الانحياز الأمامي والوصلة J2 في الانحياز العكسي. تعيق الوصلة الأخيرة مرور التيار من الأنود إلى الكاثود وتسمح لتيار صغير جدا بالمرور من خلال الثايرستور. يعرف هذا التيار بـ

تيار التسريب الأمامي هو تيار التسرب الذي يتدفق في الاتجاه الأمامي، وعندئذ يكون الثايرستور في حالة القطع الأمامي (إيقاف)، ويشير الرسم التوضيحي التالي إلى ذلك

في حالة زيادة جهد الأنود إلى مستوى كبير جدا يسمى “جهد الانهيار الأمامي”، فإن الوصلة J2 ستنكسر ويحدث انخفاض مفاجئ في مقاومة الثايرستور، حيث يصبح قيمتها صغيرة جدا، مما يسمح بمرور التيار عبر الثايرستور من الأنود إلى الكاثود، وبالتالي نحصل على حالة التوصيل الأمامي “On state”، كما هو موضح في الشكل البياني للجزيء BC.

يتميز تطبيق النبضة في البوابة بتقليل قيمة جهد الانهيار الأمامي، والذي يحدث عندما يتم كسر الوصلة J2، مع زيادة تيار البوابة، وبالتالي يمكن القول بأن تطبيق النبضة في البوابة يسهل عملية إشعال الثايرستور.

يجب الإشارة إلى أنه بمجرد توصيل الثايرستور ، فإنه يعمل حتى لو تم فصل البوابة، ولذلك يتم تحديد طريقة توقيف الثايرستور من العمل عن طريق تقليل التيار الذي يمر عبر الثايرستور إلى قيمة أقل من الحد الأدنى

تيار الإمساك IH) ) Holding Current

في الحالة الثانية، وهي الانحياز العكسي، يكون جهد الأنود سالبًا بالنسبة للكاثود، وبالتالي تكون الوصلة J2 في الانحياز الأمامي، بينما تكون الوصلتان J1 وJ3 في الانحياز العكسي. وتقاوم الوصلتان الأخيرتان مرور التيار من الكاثود إلى الأنود، ويمر منها فقط تيار صغير جدًا يسمى بتيار

التسرب العكسي Reverse leakage current

قيمة تيار التسرب الخلفي الجزئي OD أقل بكثير من قيمة تيار التسرب الأمامي في الرسم البياني.

عندما يزداد جهد الكاثود بالنسبة للأنود بقيم موجبة حتى يصل إلى ما يسمى بقيمة جهد الانهيار العكسي، يحدث انهيار ثايرستور الذي يتلف ولا يصلح للاستخدام مرة أخرى، كما هو موضح في الرسم البياني.

الخواص المثالية للثايرستور

عندما يكون الثايرستور في وضعية التوصيل، يسلك سلوك مفتاح مغلق، حيث يسمح للتيار الكهربائي بالمرور من الأنود إلى الكاثود (الاتجاه الموجب الافتراضي للتيار)، ويصبح في هذه الحالة الجهد الطرفي للثايرستور مساويا للصفر الموجود في النقطة OA في الصورة التالية.

أما في حال كان الثايرستور في حالة القطع فيعمل عمل مفتاح حيث لا يسمح لأي تيار بالمرور. وبالتالي يمكن القول أنه ليس هناك تيار التسريب في الحلات المثالية. أما الجهد على طرفيه فيمكن أن يكون موجباً في حالة القطع الأمامي (الجزء OC ) أو سالباً في حالة القطع العكسي (الجزء OB في كما موضح في الصورة السابقة.

طريقة إشعال الثايرستور Methods of triggering a thyristor

زيادة درجة حرارة الثايرستور أو تعرضه لحزمة ضوئية يؤدي إلى زيادة عدد الإلكترونات والفجوات، مما يؤدي إلى إشعال الثايرستور. يجب تجنب تعريض الثايرستور لدرجات حرارة عالية لأن ذلك يمكن أن يتسبب في تلف الجهاز. يعرف الثايرستور الذي يتم تشغيله بواسطة الضوء بـ Light Activated Silicon Controlled Rectifier (LASCR).

الإشعال بالجهد العلي  High voltage triggering

لقد ذكرنا سابقاً عن دراسة خواص الثايرستور أنه عندما يصبح الجهد على طرفيه أكبر يساوي قيمة جهد الانهيار الأمامي يحصل تغير مفاجئ في مقاومة الثايرستور حيث تصبح قيمتها صغيرة ويسمح بمرور كل التيار من الأنود إلى الكاثود. ينصح عملياً تطبيق نبضة على البوابة لتفادي استخدام جهود عالية لإشعال الثايرستور.

الاشعال بمعدل الجهد المسلط  dv/dt triggering

حتى الآن، افترض أن الجهد المطبق على الثايرستور يزداد بالتدريج. ولو سمح لهذا التغير بالزيادة بصفة مفاجئة، فذلك يؤدي إلى اشتعال الثايرستور دون الحاجة إلى استخدام طرف القدح المعروف الآخر. إن هذا النوع من الاشتعال ضار للثايرستور، ويمكن تجنبهبتحديد معدل تغير الجهد الأمامي dv/dt، الذي يتراوح بين 20 و200 فولت لكل ميكروثانية في الثايرستورات الاعتيادية.

الإشعال بالبوابة Gate triggering

عندما يكون جهد الطرفين للثايرستور موجبًا (المربع الأول في الخواص)، يكفي مرور تيار ذو قيمة كافية -عادة ما بين 0.1 إلى 50 ميلي أمبير- عبر البوابة بتطبيق جهد موجب بين البوابة والكاثود لجعله موصلًا.