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 حاملهای 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-حاملهای 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[18] (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[19] ، که کمتر از جریان قفلی است ، کمتر نشده است روشن خواهد ماند (این مساله پس زنی[20] 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[21] استفاده شود . جریان قفلی با جریانهای دریچه بزرگتر به آهستگی اضافه می شود .
[1] -Gate 2-signal
[3]-Built - in voltage 2-Retarding electric field
[5] -Analogue 2-Polarity
[7] -Drive
[8]-Revers bias 2-Forward bias and blocking
[10] -Forward bias and conducting
[11] -Termal runaway
[12]-Triggerring 2-Spurious
[14]-Turn - on
[15] - ton در بعضی از Data sheet ها با نام tgt آمده است .
[16]-Delay time 4-Rise time
[18]-Iatching (or pickup) current 2-Holding current
[20]- Electric backlash 4-Bleed resistor