تریستور چیست و چگونه کار می‌کند؟ ساختار، طرز کار و کاربرد تریستور صنعتی
زمان مطالعه: در حال محاسبه...
کپی لینک
واتساپ
تلگرام
ایتا
بله
فهرست مطالب
. با یک جریان مثبت از گیت به کاتد روشن می‌شود و بعد از «قفل‌شدن»، حتی اگر جریان گیت قطع شود روشن می‌ماند.
. فقط وقتی خاموش می‌شود که جریانش از جریان نگهداری (IH) کمتر شود؛ در برق متناوب این اتفاق در عبور جریان از صفر خودبه‌خود می‌افتد.
. طبق ST، تریستور برای فرکانس‌های زیر ۱ کیلوهرتز مناسب است و در کاربردهای پرقدرت مثل سافت‌استارتر، جوشکاری، کورهٔ القایی و انتقال HVDC به کار می‌رود.
. برای انتخاب یا تعویض، ولتاژ VDRM/VRRM، جریان IT(RMS)، تحمل ضربهٔ ITSM، جریان گیت IGT، مقادیر dv/dt و di/dt و نوع پکیج را با دیتاشیت مقایسه کنید.
تریستور یک کلید الکترونیکی نیمه هادی است که جریان را در یک جهت عبور می‌دهد و با یک جریان کوچک در پایهٔ گیت روشن می‌شود. رایج‌ترین عضو خانوادهٔ تریستور، SCR یا «یکسوساز کنترل شدهٔ سیلیکونی» است. ویژگی اصلی تریستور این است که بعد از روشن شدن، گیت دیگر نمی‌تواند آن را خاموش کند و قطعه تا وقتی جریانش به صفر نزدیک نشود هدایت می‌کند.
در این راهنما ساختار، طرز کار، کاربرد و محدودیت‌های تریستور را توضیح می‌دهیم. در پایان هم چک لیستی برای انتخاب یا تعویض تریستور صنعتی آمده است. اگر شماره‌پارت مشخصی دارید، مستقیم به دستهٔ خرید تریستور صنعتی بروید.
تریستور به زبان ساده یعنی چه؟
تریستور یعنی کلیدی که با یک تلنگر روشن می‌شود و خودش روشن می‌ماند.
مثل چفت در: یک فشار کوچک کافی است تا چفت بیفتد، ولی برای باز کردن آن باید کل بار را برداشت، نه اینکه دوباره همان دکمه را زد. در تریستور، «تلنگر» جریان گیت است و «برداشتن بار» یعنی کم‌شدن جریان اصلی از یک حد مشخص. همین رفتار باعث می‌شود تریستور برای کنترل توان در برق متناوب مناسب باشد: در هر نیم‌سیکل در زمان دلخواه روشن و در عبور از صفر خودبه‌خود خاموش می‌شود.
SCR مخفف چیست و آیا با تریستور یکی است؟
SCR مخفف Silicon Controlled Rectifier، یعنی «یکسوساز کنترل‌شدهٔ سیلیکونی» است.
به همین دلیل به آن «تریستور کنترل شده» هم می‌گویند. خود کلمهٔ «تریستور» مخفف نیست و نام یک خانواده از قطعات است.
طبق اپلیکیشن‌نوت Littelfuse، خانوادهٔ تریستور شامل SCR، ترایاک، SIDAC و دیاک است و پرکاربردترین آن‌ها SCR و ترایاک‌اند. در بازار قطعات صنعتی ایران، منظور از «تریستور» تقریباً همیشه SCR است و در این مقاله هم همین معنا را به کار می‌بریم.
طبق سایت تاریخچهٔ مهندسی IEEE (ETHW)، شرکت General Electric نخستین SCR را به‌عنوان یک قطعهٔ سه‌پایهٔ p-n-p-n در سال ۱۹۵۷ معرفی کرد.
ساختار و ساختمان تریستور چگونه است؟
ساختار تریستور از چهار لایهٔ نیمه‌هادی با نوع ناخالصی متناوب (P-N-P-N) و سه پایه تشکیل شده است. این ساختار در اپلیکیشن‌نوت AN4607 شرکت ST توصیف شده است. لایه‌های کم ناخالصی و تزریق دوطرفهٔ حامل‌ها باعث می‌شوند افت ولتاژ تریستور در حالت روشن بسیار کم باشد.
| پایه | نماد | نقش |
|---|---|---|
| آند (Anode) | A | ورود جریان اصلی؛ به لایهٔ P بیرونی وصل است |
| کاتد (Cathode) | K | خروج جریان اصلی؛ به لایهٔ N بیرونی وصل است |
| گیت (Gate) | G | ورودی فرمان؛ جریان مثبت از G به K تریستور را روشن می‌کند |
اگر با ساختار PN آشنا نیستید، ابتدا مقالهٔ دیود چیست را بخوانید؛ تریستور در واقع یک دیود است که «دکمهٔ روشن‌شدن» دارد.
مدل دو ترانزیستوری: چرا تریستور بعد از روشن شدن روشن می‌ماند؟
تریستور را می‌توان دو ترانزیستور PNP و NPN دانست که به هم وصل شده‌اند و گیت به بیس ترانزیستور NPN متصل است.
جریان کلکتور هر ترانزیستور، جریان بیس دیگری را تأمین می‌کند. وقتی حاصل ضرب بهرهٔ دو ترانزیستور به یک برسد، این حلقه خودش را تغذیه می‌کند. طبق ST، از این لحظه وضعیت روشن «حتی اگر جریان گیت برداشته شود» پایدار می‌ماند. تریستور وقتی خاموش می‌شود که جریان آند آنقدر کم شود که این حلقه دیگر نتواند خودش را نگه دارد.
طرز کار تریستور: چگونه روشن و خاموش می‌شود؟
تریستور با جریان مثبت گیت روشن می‌شود، بعد از رسیدن جریان آند به جریان قفل (IL) دیگر به گیت نیاز ندارد و وقتی جریانش از جریان نگهداری (IH) کمتر شود خاموش می‌شود.
سه حالت کاری تریستور
| حالت | شرط | رفتار |
|---|---|---|
| سد معکوس | کاتد مثبت‌تر از آند | جریان عبور نمی‌کند (تا حد ولتاژ VRRM) |
| سد مستقیم | آند مثبت‌تر از کاتد، بدون فرمان گیت | جریان عبور نمی‌کند (تا حد ولتاژ VDRM) |
| هدایت | آند مثبت‌تر و گیت فرمان گرفته | جریان عبور می‌کند با افت ولتاژ کم |
تریستور چگونه روشن می‌شود؟
- فرمان گیت (روش درست): طبق ST، تریستور فقط با جریان مثبت گیت (از G به K) تحریک می‌شود. طبق Littelfuse، سیگنال گیت باید از الزامات IGT و VGT همان تریستور بیشتر باشد.
- قفل‌شدن: پالس گیت باید آنقدر طول بکشد که جریان آند به جریان قفل (IL) برسد؛ بعد از آن می‌توان گیت را قطع کرد.
- عبور از ولتاژ شکست (روش نادرست): Littelfuse صریحاً می‌گوید عبور از ولتاژ شکست برای روشن‌کردن SCR و ترایاک «به‌هیچ‌وجه توصیه نمی‌شود».
- تغییر سریع ولتاژ (dv/dt، ناخواسته): ولتاژی که سریع روی آند-کاتد بالا برود، از طریق ظرفیت داخلی پیوند می‌تواند تریستور را بدون فرمان روشن کند. این همان «روشن شدن کاذب» است.
تریستور چگونه خاموش می‌شود؟
تریستور با قطع گیت خاموش نمی‌شود؛ باید جریان آند آن زیر جریان نگهداری (IH) برود. ST این رفتار را اینطور خلاصه می‌کند: تریستور تقریباً مثل یک دیود رفتار می‌کند و وقتی جریانش به صفر می‌رسد، خودبه‌خود خاموش می‌شود.
- در برق متناوب (AC): جریان در پایان هر نیم‌سیکل به صفر می‌رسد و تریستور خودبه‌خود خاموش می‌شود. به این «کموتاسیون طبیعی» می‌گویند.
- در برق مستقیم (DC): جریان خودبه‌خود صفر نمی‌شود. برای خاموش کردن باید با مدار کمکی جریان را موقتاً صفر کرد «کموتاسیون اجباری» یا از قطعه‌ای استفاده کرد که با گیت خاموش می‌شود.
پارامترهای کلیدی روشن و خاموش شدن
| پارامتر | نام | تعریف (منبع) |
|---|---|---|
| IGT | جریان تحریک گیت | حداقل جریان گیت لازم برای روشن‌کردن تریستور؛ سیگنال گیت باید از آن بیشتر باشد (Littelfuse) |
| IL | جریان قفل | حداقل جریان آند لازم برای روشن‌ماندن تریستور بلافاصله پس از روشن‌شدن (ST، Littelfuse) |
| IH | جریان نگهداری | تریستور تا وقتی جریانش از IH کمتر نشده روشن می‌ماند (ST) |
اثر دما را دست کم نگیرید. طبق اپلیکیشن‌نوت AN4608 شرکت ST، مقادیر IGT، VGT، IH و IL با کاهش دمای پیوند افزایش می‌یابند. در مثال همین سند، IGT تریستور TN1205H از ۵ میلی‌آمپر در ۲۵ درجه به ۶٫۸ میلی‌آمپر در صفر درجه می‌رسد (حدود ۳۶٪ بیشتر). مدار گیتی که در تابستان کار می‌کند، ممکن است در زمستان تریستور را روشن نکند.
تریستور صنعتی یا تریستور قدرت چیست؟
تریستور صنعتی همان SCR است که برای جریان و ولتاژ بالا ساخته شده و در بدنه‌ای با امکان خنک‌کاری و نصب مکانیکی محکم عرضه می‌شود. اصل کار آن با تریستورهای کوچک یکی است؛ تفاوت در رنج توان، پکیج و نحوهٔ نصب است.
| پکیج | کاربرد معمول | نکتهٔ نصب |
|---|---|---|
| بدنه‌های کوچک (مثل TO-92 و TO-220AB) | جریان‌های کم تا متوسط؛ مدارهای لوازم خانگی و منبع تغذیه | طبق ST، برای TO-220AB از حدود ۱۲ آمپر به بالا در بیشتر موارد هیت‌سینک لازم است |
| پیچی (استود) | توان متوسط تا بالا | روی هیت‌سینک پیچ می‌شود [مشخصات دقیق از دیتاشیت قطعه] |
| دیسکی (پرس‌پک یا کپسولی) | ولتاژ و جریان بسیار بالا | طبق Littelfuse باید با نیروی ۱ تا ۱٫۵ kN/cm² به‌طور یکنواخت پرس شود |
| ماژول | چند تریستور یا ترکیب تریستور و دیود در یک بدنه | از دیتاشیت همان ماژول پیروی کنید |
طبق Littelfuse، قطعات دیسکی برای کار با ولتاژ و جریان بالا ترجیح داده می‌شوند. اگر مدار شما دو تریستور، یا تریستور و دیود را به‌صورت یک بلوک لازم دارد، دستهٔ ماژول دیود تریستور را ببینید.
کاربرد تریستور چیست؟
کاربرد اصلی تریستور، کنترل و سوئیچ توان بالا در فرکانس پایین است؛ یعنی جایی که باید جریان زیادی با تلفات کم و در هر سیکل برق شهر کنترل شود. فهرست زیر از اپلیکیشن‌نوت‌های Littelfuse و ST گرفته شده است.
| گروه | نمونه‌ها | منبع |
|---|---|---|
| درایو و راه‌اندازی موتور | درایوهای پرقدرت، درایوهای ولتاژ متوسط، سافت‌استارتر | Littelfuse |
| گرمایش و فرایند | جوشکاری، کورهٔ القایی، منابع تغذیهٔ الکتروشیمیایی | Littelfuse |
| شبکهٔ برق | STATCOM، انتقال برق HVDC | Littelfuse |
| حمل‌ونقل و انرژی | ریلی، دریایی، معدن، بادی و خورشیدی | Littelfuse |
| تغذیه و حفاظت | کلید بای‌پس UPS، محدودکردن جریان هجومی، حفاظت کروبار در برابر اضافه‌ولتاژ، یکسوساز Vienna | ST |
| کاربردهای کم‌توان | رلهٔ حالت جامد، کنترل دور موتور یونیورسال و فن، دیمر، راه‌انداز لامپ، رگولاتور شارژ باتری موتورسیکلت | ST |
برای جزئیات نقش تریستور در دو کاربرد پرتقاضای تعمیرکاران، مقالهٔ تریستور در سافت‌استارتر و دستگاه جوش را بخوانید.
چرا با وجود IGBT هنوز از تریستور استفاده می‌شود؟
چون در فرکانس پایین و توان بسیار بالا، افت ولتاژ کم و ساختار ساده‌تر تریستور هنوز مزیت دارد. طبق ST، تزریق دوطرفهٔ حامل‌ها افت ولتاژ روشن تریستور را بسیار کم می‌کند. Littelfuse هم نتیجه می‌گیرد که این فناوری در «کاربردهای اختصاصی» در بازار باقی می‌ماند.
محدودیت‌ها و نقاط ضعف تریستور
بزرگ‌ترین محدودیت تریستور معمولی این است که با گیت خاموش نمی‌شود و به همین دلیل برای فرکانس‌های بالا مناسب نیست. بقیهٔ محدودیت‌ها به حساسیت آن به تغییرات سریع ولتاژ و جریان برمی‌گردند.
- خاموش‌نشدن با گیت: برای کنترل کامل روشن و خاموش باید سراغ اعضای دیگر خانواده مثل GTO رفت؛ جزئیات در مقالهٔ انواع تریستور آمده است.
- فرکانس پایین: طبق ST، زمان بازیابی تریستور ۱۰ تا ۵۰ میکروثانیه است و تریستور برای کاربردهای زیر ۱ کیلوهرتز در نظر گرفته می‌شود.
- حساسیت به dv/dt: افزایش سریع ولتاژ می‌تواند باعث روشن شدن کاذب شود. ST برای بهبود ایمنی، مقاومت یا خازن بین گیت و کاتد (RGK یا CGK) را پیشنهاد می‌کند؛ این راهکار برای SCRهای حساس (IGT کمتر از ۱ میلی‌آمپر) بیشترین اثر را دارد.
- محدودیت di/dt: طبق ST، حداکثر شیب افزایش جریان هنگام روشن‌شدن معمولاً حدود ۵۰ A/µs است و قطعات پرقدرت تا ۲۰۰ A/µs را تحمل می‌کنند. عبور از این حد ممکن است به ذوب موضعی سیلیکون و خرابی قطعه منجر شود.
- محدودیت دمایی: طبق ST، حداکثر دمای پیوند معمولاً ۱۲۵ درجه و در قطعات دمای بالا ۱۵۰ درجه است.
اگر تریستوری در دستگاه شما پشت‌سرهم خراب می‌شود، این موارد را در مقالهٔ علت سوختن تریستور بررسی کنید.
تریستور با ترایاک، دیود و IGBT چه فرقی دارد؟
تریستور جریان را در یک جهت عبور می‌دهد و فقط با گیت روشن می‌شود. ترایاک در دو جهت هدایت می‌کند، دیود کنترل ندارد و IGBT با گیت هم روشن و هم خاموش می‌شود.
| ویژگی | تریستور (SCR) | ترایاک | دیود | IGBT |
|---|---|---|---|---|
| جهت هدایت | یک‌طرفه | دوطرفه | یک‌طرفه | یک‌طرفه |
| روشن‌شدن با فرمان | بله (گیت) | بله (گیت) | خیر | بله (گیت) |
| خاموش‌شدن با فرمان | خیر | خیر | خیر | بله |
| محدودهٔ فرکانس | زیر ۱ kHz (طبق ST) | [نیازمند منبع معتبر] | — | بالاتر از تریستور؛ جزئیات در مقالهٔ مقایسه |
مقایسهٔ کامل تریستور با اعضای دیگر خانواده در تفاوت تریستور، ترایاک و دیاک آمده است. اگر بین IGBT و تریستور مردد هستید، مقالهٔ IGBT یا تریستور پاسخ می‌دهد که آیا این دو قابل جایگزینی‌اند یا نه.
برای انتخاب یا تعویض تریستور به چه پارامترهایی نگاه کنیم؟
تریستور جایگزین باید در ولتاژ، جریان، تحمل ضربه، جریان گیت، رفتار دینامیکی و پکیج با قطعهٔ اصلی برابر یا بهتر باشد.
این مراحل را به ترتیب انجام دهید:
- شماره‌پارت را بخوانید و دیتاشیت اصلی را پیدا کنید. همهٔ مقایسه‌های بعدی باید روی دیتاشیت سازنده انجام شود، نه روی توضیح فروشنده.
- ولتاژ (VDRM و VRRM): طبق ST، تریستور باید دست‌کم √۲ برابر ولتاژ مؤثر شبکه به‌علاوهٔ اضافه‌ولتاژ شبکه را تحمل کند. ST برای بیشتر کاربردهای تک‌فاز ۶۰۰ ولت، برای سه‌فاز ۸۰۰ ولت یا بیشتر و برای کنترل موتور، به‌دلیل ولتاژ برگشتی، ۱۰۰۰ تا ۱۲۰۰ ولت را پیشنهاد می‌کند. خطای رایج: انتخاب ولتاژ برابر ولتاژ شبکه، بدون حاشیه.
- جریان (IT(RMS) و IT(AV)): جریان مجاز به دمای پیوند و خنک‌کاری وابسته است. عدد جریان را همیشه همراه با شرایط دمایی دیتاشیت مقایسه کنید.
- تحمل جریان ضربه (ITSM): طبق ST، ITSM معمولاً ۶ تا ۱۰ برابر جریان نامی RMS است. در بارهایی با جریان هجومی مثل موتور و ترانس، این عدد تعیین‌کننده است.
- جریان گیت (IGT): IGT قطعهٔ جدید باید با توان خروجی مدار فرمان سازگار باشد، آن هم در کمترین دمای محیط که طبق ST بدترین حالت است.
- dv/dt و di/dt: مقادیر قطعهٔ جدید نباید از قطعهٔ اصلی ضعیف‌تر باشد.
- پکیج و پایه‌بندی: ابعاد، نوع نصب (پیچی، دیسکی، ماژول) و ترتیب پایه‌ها باید با برد و هیت‌سینک جور باشد. در قطعات دیسکی، نیروی پرس را از دیتاشیت بخوانید.
از کجا بفهمید درست انتخاب کرده‌اید؟ یک جدول دوستونی بسازید و این هفت پارامتر را از دیتاشیت قطعهٔ قدیم و جدید کنار هم بنویسید. اگر حتی یک مقدار در قطعهٔ جدید ضعیف‌تر است، آن قطعه جایگزین مناسب نیست. پیش از نصب، سلامت قطعه را طبق روش‌های مقالهٔ تست تریستور بررسی کنید.
جمع‌بندی
تریستور کلید نیمه‌هادی چهار لایه‌ای است که با گیت روشن می‌شود، خودش روشن می‌ماند و با کم‌شدن جریان خاموش می‌شود. این رفتار آن را برای کنترل توان بالا در فرکانس پایین مناسب می‌کند؛ از سافت‌استارتر و جوشکاری تا انتقال HVDC. در مقابل، تریستور معمولی با گیت خاموش نمی‌شود و به dv/dt، di/dt و دما حساس است.
سؤالات متداول
پاسخ مهمترین سوالات فنی و کاربردی درباره تریستور را در ادامه بخوانید.
تریستور چیست؟
تریستور یک کلید نیمه‌هادی چهارلایهٔ PNPN با سه پایهٔ آند، کاتد و گیت است. با جریان مثبت گیت روشن می‌شود، پس از قفل‌شدن بدون گیت روشن می‌ماند و وقتی جریانش از جریان نگهداری کمتر شود خاموش می‌شود. رایج‌ترین نوع آن SCR است.
SCR مخفف چیست؟
SCR مخفف Silicon Controlled Rectifier یعنی «یکسوساز کنترل‌شدهٔ سیلیکونی» است. SCR پرکاربردترین عضو خانوادهٔ تریستور است. این خانواده طبق Littelfuse ترایاک، SIDAC و دیاک را هم شامل می‌شود. در بازار قطعات صنعتی، «تریستور» معمولاً به همان SCR گفته می‌شود.
تریستور چگونه خاموش می‌شود؟
تریستور با قطع جریان گیت خاموش نمی‌شود. جریان آند باید از جریان نگهداری (IH) کمتر شود. در برق متناوب این اتفاق در پایان هر نیم‌سیکل خودبه‌خود رخ می‌دهد. در برق مستقیم باید با مدار کموتاسیون اجباری جریان را موقتاً صفر کرد.
آیا تریستور جریان را در دو جهت عبور می‌دهد؟
خیر. تریستور (SCR) فقط از آند به کاتد هدایت می‌کند و در جهت معکوس تا حد ولتاژ VRRM جریان را سد می‌کند. برای کنترل جریان متناوب در دو جهت، یا از ترایاک استفاده می‌شود یا از دو تریستور که به‌صورت موازی معکوس بسته شده‌اند.
چرا تریستور در فرکانس بالا استفاده نمی‌شود؟
چون تریستور با گیت خاموش نمی‌شود و بازیابی آن زمان می‌برد. طبق اپلیکیشن‌نوت AN4607 شرکت ST، زمان بازیابی تریستور ۱۰ تا ۵۰ میکروثانیه است و تریستور برای کاربردهای زیر ۱ کیلوهرتز در نظر گرفته می‌شود. برای سوئیچینگ سریع‌تر معمولاً از IGBT استفاده می‌شود.
تریستور دیسکی چیست؟
تریستور دیسکی (پرس‌پک یا کپسولی) نوعی تریستور قدرت با بدنهٔ دیسکی‌شکل است که بین دو هیت‌سینک پرس می‌شود. طبق Littelfuse، این نوع برای ولتاژ و جریان بالا ترجیح داده می‌شود و باید با نیروی ۱ تا ۱٫۵ کیلونیوتن بر سانتی‌متر مربع به‌طور یکنواخت پرس شود.
برای تعویض تریستور چه ولتاژی انتخاب کنم؟
ولتاژ VDRM و VRRM باید از پیک ولتاژ شبکه به‌علاوهٔ اضافه‌ولتاژ بیشتر باشد. اپلیکیشن‌نوت AN4608 شرکت ST برای بیشتر مدارهای تک‌فاز ۶۰۰ ولت، برای سه‌فاز ۸۰۰ ولت یا بیشتر و برای کنترل موتور ۱۰۰۰ تا ۱۲۰۰ ولت را پیشنهاد می‌کند. همیشه با دیتاشیت قطعهٔ اصلی مقایسه کنید.
آیا می‌توان تریستور را با IGBT جایگزین کرد؟
به‌طور مستقیم خیر. IGBT به درایو گیت و الگوی فرمان متفاوتی نیاز دارد و با گیت خاموش می‌شود، ولی مدار تریستوری برای خاموش‌شدن به صفر شدن جریان تکیه می‌کند. جایگزینی یعنی تغییر مدار فرمان، نه فقط تعویض قطعه.
Infineon
Fuji Electric
Semikron
Mitsubishi Electric
Vincotech
Toshiba
Fairchild Semiconductor
Sanken Electric
IXYS
Sanyo
Starpower
LS Electric
