دانلود مقاله تیریستور

1-1-تیریستور (یا یکسو کننده قابل کنترل p-n-p-n )

تیریستور یک وسیله نیمه هادی چهار لایه سه اتصالی با سه خروجی است و از لایه های نوع p و n سیلیکونی که به طور متناوب قرار گرفته اند ساخته شده اند ..

ناحیه p انتهایی آند ، ناحیه n انتهای کاتد و ناحیه p داخلی دریچه یا گیت[1] است .

آند از طریق مدار به طور سری به کاتد وصل می شود .

این وسیله اساساً یک کلید است و همواره تا زمانی که به پایانه های آند و دریچه ولتاژ مثبت مناسبی به کاتد اعمال نشده است در حالت قطع (حالت ولتاژ مسدود کننده ) باقی می ماند و امپدانس بینهایتی از خود نشان خواهد داد .

در حالت وصل و عبور جریان بدون احتیاج به علامت[2] (یا ولتاژ) بیشتری روی دریچه به عبور جریان ادامه خواهد داد .

در این حالت به طور ایده آل هیچ امپدانسی در مسیر جریان از خود نشان نمی دهد .

برای قطع کلید و یا برگرداندن تیریستور به حالت خاموشی بایستی روی دریچه علامت و یا ولتاژی نباشد و جریان در مسیر آند به کاتد به صفر تقلیل یابد .

تیریستور عبور جریان را فقط در یک جهت امکان پذیر می سازد .

اگر به پایانه های تیریستور ولتاژ بایاس خارجی اعمال نشود ، حاملهای اکثریت در هر لایه تا زمانی که ولتاژ الکتروستاتیکی داخلی[3] به وجود آمده از انتشار بیشتر حاملها جلوگیری کند ، منتشر می شوند .

اما بعضی از حاملهای اکثریت انرژی کافی جهت عبور از سد تولید شده توسط میدان الکتریکی ترمزکن[4] هر اتصال را دارد .

این حاملها پس از عبور ، تبدیل به حاملهای اقلیت می شوند و می توانند با حاملهای اکثریت ترکیب شوند .

حاملهای اقلیت هر لایه نیز می توانند توسط میدان الکتریکی ثابتی در هر یک از اتصالها شتابدار شوند ، ولی چون در این حالت (از خارج ولتاژی اعمال نمی شود) مدار خارجی وجود ندارد مجموع جریانهای حاملهای اقلیت و اکثریت بایستی صفر شود .

حال اگر یک ولتاژ بایاس با یک مدار خارجی برای حمل جریانهای داخلی منظور شود ، این جریان ها شامل قسمتهای زیر خواهند
بود.

جریان  ناشی از :

1-عبور حامل های اکثریت (حفره ها ) از اتصال

2-عبور حاملهای اقلیت از اتصال  

3-حفره های تزریق شده به اتصال  که از طریق ناحیه n اشاعه
می یابند اتصال  را قطع می کند .

4-حامل های اقلیت از اتصال  که از طریق ناحیه n اشاعه یافته و از اتصال  عبور کرده است .

عیناً  نیز از شش قسمت و  از چهار قسمت تشکیل خواهد یافت .

برای تشریح اصول کار تیریستور از دو روش متشابه[5] مدلهای دیودی و یا دو ترانزیستوری می توان استفاده کرد .

 

(الف) مدل های دیودی تیریستور

تیریستور که یک نیمه هادی سه اتصالی ، شبیه سه دیودی است که به طور سری اتصال یافته اند .

اگر دریچه بایاس نشود ولی به دو سر آند و کاتد ولتاژ بایاسی اعمال شود این ولتاژ هر قطبیتی[6] که داشته باشد همواره حداقل یک اتصال معکوس بایاس شده ، وجود خواهد داشت تا از هدایت تیریستور جلوگیری کند .

اگر کاتد توسط ولتاژ منبع تغذیه (نسبت به آند ) منفی شود و دریچه نسبت به کاتد به طور مثبت بایاس شود لایه p دریچه توسط کاتد از الکترون لبریز می شود و خاصیت خودش را به عنوان لایه p از دست می دهد .

در نتیجه تیریستور به دیود هدایتی معادلی تبدیل می شود .

 

(ب)مدل دو ترانزیستوری تیریستور

پولک p-n-p-n را می توان به صورت دو ترانزیستور با دو ناحیه پایه در نظر گرفت .

کلکتور ترانزیستور n-p-n ، جریان محرکی برای پایه ترانزیستور p-n-p که جریان کلکتورش اضافه جریان دریچه به مثابه جریان محرک[7] پایه ترانزیستور n-p-n است ، مهیا کند .

برای روشن کردن تریستور جریان دریچه به جزء خیلی حساس ترانزیستور n-p-n از اتصال p-n-p-n اعمال می شود .

اولین ده درصد افزایش جریان آند ، در اصل جریان کلکتور ترانزیستور n-p-n است .

پایه n ترانزیستور p-n-p توسط جریان کلکتور ترانزیستور n-p-n باردار می شود .

در نتیجه فیدبک مثبتی توسط جریان کلکتور ترانزیستور p-n-p به منظور افزایش بارهای ایجاد شده در پایه p ترانزیستور n-p-n دایر می شود .

به این ترتیب جریان تیریستور شروع به افزایش می کند ، به سرعت به مقدار اشباع می رسد و جریان تیریستور فقط توسط امپدانس بار محدود
می شود .

بهتر است به منظور تشریح مشخصه و خواص تیریستور حالتهای مختلف آن را (از نظر بایاس ) مورد بررسی قرار دهیم .

 

1-2-مشخصات تیریستور

برای اینکه بتوان وسیله های الکترونیکی را با کیفیت کافی مورد استفاده قرار داد و از آنها محافظت کرد بایستی مشخصات و خواص آنها کاملا معلوم شوند .

مشخصات تیریستور را می توان با ملاحظه سه حالت مختلف اصلی این وسیله تعیین کرد :

شرایط بایاس معکوس[8]

بایاس مستقیم و مسدود[9]

بایاس مستقیم و هدایت[10]

1-2-1-بایاس معکوس تیریستور (کاتد نسبت به آند مثبت)

در این حالت اتصالات اول و سوم به طور معکوس  اتصال دوم به طور مستقیم بایاس می شوند و درست مثل یک اتصال p-n مقدار کمی جریان نشتی از کاتد به آند عبور خواهد کرد .

اعمال ولتاژ محرک مثبتی به دریچه تیریستور در حالی که آند هنوز منفی است سبب می شود که تیریستور رفتاری شبیه ترانزیستور داشته باشد و جریان معکوس نشتی آند تا مقدار قابل ملاحظه مقایسه ای با جریان دریچه افزایش یابد ، از این رهگذر اتلاف قدرت قابل ملاحظه ای در تیریستور وقوع خواهد یافت .

زیاد گرم شدن اتصال می تواند سبب افسار گسیختگی حرارتی[11] شود .

جریان آند با جریان اشباع معکوس اتصال اول به اضافه کسری از

جریان دریچه برابر است .

جریان اشباع بستگی به درجه حرارت دارد .

بنابراین بالا رفتن درجه حرارت اتصال باعث افزایش جریان اشباع می شود که آن نیز موجب گرم شدن بیشتر اتصال می شود .

ولتاژ بیشینه دریچه در شرایط بایاس معکوس غالباً توسط سازندگان برای محدود کردن اثر حرارت معین می شود .

افزایش ولتاژ بایاس معکوس باعث پهن شدن لایه های تهی اتصالات اول و سوم می شود .

اتصال اول معمولاً بخش اعظم ولتاژ آند به کاتد را مسدود می کند ، لذا منطقه تهی این اتصال غالباً پهن است .

به خاطر اینکه ولتاژ مسیر سوراخ کنی توسط تماس لایه های تهی اتصالات  و  به وجود نیاید لایه n وسطی را کمی  پهن می سازند .

 

1-3-2-تیریستور بایاس مستقیم و مسدود (آند نسبت به کاتد مثبت)

اتصالات اول و سوم بایاس مستقیم و اتصال دوم بایاس معکوس
می شود .

جریان آند در خلال مدتی که یک اتصال p-n بایاس معکوس وجود دارد ، خیلی کم است و مقدارش برابر با جریان اشباع اتصال دوم به اضافه قسمتی از جریان دریچه است .

جریان دریچه در طول این شیوه عمل با این که خودش بایستی کوچک باشد جریان آند را افزایش می دهد .

 

 

1-2-3-تیریستور بایاس مستقیم و هدایت

چهار روش برای روشن کردن تیریستور وجود دارد و به محض اینکه هدایت شروع شد امپدانس صفر در مسیر عبور جریان از خود نشان می دهد .

همان طوری که از مشخصه کلی ولتاژ جریان یک تریستور ، در طول زمانی که تریستور هدایت می کند افت ولتاژ بین آند و کاتد در حدود 1 تا 5/1 ولت است و اصولاً مستقل از جریان آند است .

چهار روش راه اندازی[12] تیریستور وجود دارد : 1) فعال سازی نوری  2) علائم الکتریکی   3)ولتاژ بایاس مستقیم با دامنه زیاد  و 4)ولتاژ بایاس مستقیم با میزان صعود سریع وجود دارد .

روش دوم ، یعنی راه اندازی توسط علائم الکتریکی مهمترین و معمول ترین روش است ، در حالی که آخرین روش به علت طبیعت مزاحمی[13] که دارد قابل اجتناب است .

 

(الف) روشن کردن[14] توسط نور

یک شعاع نوری که از دریچه به سوی اتصال کاتد ،  جهت داده
می شود ، می تواند انرژی کافی برای شکستن پیوندهای الکترونیکی در نیمه هادی را تولید و حاملهای اقلیت اضافی لازم جهت وصل کلید یا روشن کردن تریستور را مهیا کند .

 

(ب) روشن کردن توسط علائم الکتریکی اعمال شده به دریچه :

اگر تریستور در بایاس مستقیم قرار داشته باشد ، تزریق جریان به دریچه منجر به روشن شدن تریستور می گردد .

این کار با اعمال پالس مثبت مناسب بین گیت و کاتد عملی خواهد شد .

، با افزایش جریان دریچه ، ولتاژ سد کنندگی مستقیم کاهش پیدا می کند .

تاخیر زمانی بین لحظه اعمال سیگنال به دریچه و لحظه هدایت تیریستور را زمان روشن شدن ton[15] می نامیم .

ton بنا به تعریف برابر است با فاصله زمانی بین لحظه ای که جریان دریچه 10% جربان حالت پایدار دریچه () و جریان تیریستور 90% جریان حالت پایدار روشن شدن خود () می رسد .

ton مجموع زمان تاخیر[16] td و زمان صعود[17] tr  می باشد .

td بنا به تعریف فاصله زمانی بین لحظاتی است که جریان دریچه به 10% مقدار نهایی خود و جریان حالت روشن تیریستور به 10 مقدار نهایی خود () می رسد .

ti نیز فاصله زمانی مورد نیاز است تا جریان آند از 10% جریان حالت روشن به 90%  جریان حالت روشن برسد .

در طراحی مدار کنترل دریچه باید نکات زیر را رعایت کرد :

1-پس از روشن شدن تیریستور باید سیگنال دریچه را از روی دریچه برداریم ادامه اعمال سیگنال ، تلفات توان را در پیوند دریچه افزایش می دهد .

2-پهنای پالس دریچه tg باید طولانی تر از زمان رسیدن جریان آند به جریان نگهدارنده  باشد .

در عمل پهنای پالس دریچه را بیشتر از زمان روشن شدن تیریستور ton در نظر می گیرند .

 

اگر علامت دریچه قبل از اینکه جریان صعودی آند به جریان قفلی (به حداقل جریان لازم برای ادامه هدایت ) برسد به صفر تنزل یابد ، تیریستور دوباره خاموش خواهد شد .

بلافاصله پس از آنکه جریان در آند از جریان قفلی تجاوز کرد تریستور تا زمانی که جریان آند از جریان نگهدارنده ، که کمتر از جریان قفلی است ، کمتر نشده است روشن خواهد ماند (این مساله پس زنی الکتریکی است) .

در جریانهای بار کم ، به منظور اینکه در طول روشن بودن تیریستور متجاوز بودن جریان آن از جریان نگهدارنده تضمین شود ، ممکن است از یک مدار تخلیه خازنی یا مقاومت سالم ساز استفاده شود .

جریان قفلی با جریانهای دریچه بزرگتر به آهستگی اضافه می شود .

در فاصله اولین روشن شدن تیریستور فقط سطح کوچکی در نزدیکی الکترود دریچه جریان آند را هدایت می کند به همین علت افزایش قابل ملاحظه ای جریان آند در مدتی کوتاه ، یعنی بزرگ ، قبل از گسترش هدایت در بین اتصال ممکن است سبب بالا رفتن حرارت موضعی به اندازه ای که کافی برای خسارت دیدن تیریستور است ، شود .

این گرم شدگی بیشینه تغییرات را در طول روشن شدن بین 3 تا 30 آمپر بر میکروثانیه محدود می کند ، گرچه تیریستورهای مخصوص سریع ممکن است قابلیت تغییرات جریانی تا آمپر بر میکرو ثانیه را هم داشته باشند .یک سلف سری شده با آند تغییرات را کاهش می دهد و پس از انکه تریستور به هدایت کامل رسید ممکن است کاری کرد تا سلف به حد اشباع برسد و مقدار بیشتری تا جریان بار کامل داشته باشد .

این سلف همچنین باعث کاهش تلفات روشن و خاموش شدن می شود .

ولی قادر است سبب صعود ولتاژ گذاری معکوس ، که به نوبه خود مخرب است ، نیز شود .

جریان دریچه بالاتر نیز به افزایش قابلیت ایستادگی آند در مقابل منجر می شود .

زمان ، شروع روشن شدن تریستور توسط ولتاژ پله ای اعمال شده به دریچه را معین می کند .

دوره تاخیر زمانی بین پیشانی پالس دریچه و شروع افزایش سریع جریان آند است .

بنابراین پالس دریچه بایستی حداقل دارای دوره ثانیه باشد .

اتلاف قدرت در تیریستور در دوره ، به علت افزایش سریع جریان در روی یک سطح کوچک در حالی که افت ولتاژ هنوز قابل ملاحظه است بیشرین مقدار را خواهد داشت .

دوره زمان گسترش رسانندگی است و نیز مدت زمانی است که افت ولتاژ در تیریستور به حالت پایدار می رسد .

(پ) روشن کردن با ولتاژ شکست افزایش ولتاژ مستقیم آند به کاتد باعث افزایش پهنای منطقه تهی اتصال 2 و همچنین ازدیاد ولتاژ شتاب دهنده حاملهای اقلیت همان اتصال می شود .

این حاملها با اتمهای ثابت برخورد می کنند و حاملهای اقلیت بیشتری را تا رسیدن به شکست بهمنی در اتصال به جلو می رانند .

این شکست اتصل 2 رادر جهت مستقیم بایاس می کند ، و در این حالت جریان آند تنها توسط امپدانس بار مدار خارجی محدود می شود .

در ولتاژ