قبل از بررسی اینکه تریستور چیست لازم هست یک سری اصطلاح های کاربردی را در این زمینه با هم بررسی کنیم. برخی افراد اصطلاح یکسو کننده کنترل شده سیلیکونی (SCR) را به جای تریستور به کار می برند. در واقع، یکسو کننده کنترل شده سیلیکونی نام تجاری است که جنرال الکتریک برای توصیف نوع خاصی از تریستور ساخته شده معرفی کرد. انواع مختلفی از تریستورها نیز وجود دارند (از جمله تریستورهایی به نام دیاک و تریاک که برای کار با جریان متناوب طراحی شده اند)، بنابراین این اصطلاحات کاملاً مترادف نیستند. با این وجود، این مقاله در مورد ساده نگه داشتن موارد است، بنابراین ما فقط در مورد تریستورها با کلی ترین عبارات صحبت می کنیم و فرض می کنیم SCR ها دقیقاً یکسان هستند. ما از آنها به عنوان تریستور در سراسر یاد می کنیم.
تریستور چیست؟ یک قطعه الکترونیکی با سه پایه به نام های آند (ترمینال مثبت)، کاتد (ترمینال منفی) و گیت می باشد (همانند شکل زیر). اینها تا حدودی شبیه به سه سیم ترانزیستور هستند که به یاد داشته باشید امیتر، کلکتور و پایه (برای یک ترانزیستور معمولی) یا منبع، تخلیه و گیت (در ترانزیستور اثر میدانی یا FET) نامیده می شوند. در یک ترانزیستور معمولی، یکی از سه لید (پایه) به عنوان کنترل کننده ای عمل می کند که میزان جریان بین دو سیم دیگر را تنظیم می کند. همین امر در مورد تریستور نیز صادق است، گیت جریانی را که بین آند و کاتد می‌گذرد، کنترل می‌کند.
یک تریستور با ساختار P-N-P-N دارای سه اتصال است: PN، NP و PN. اگر آند یک ترمینال مثبت نسبت به کاتد باشد، اتصالات بیرونی، PN و PN بایاس رو به جلو هستند، در حالی که اتصال NP مرکزی بایاس معکوس است. بنابراین، اتصال NP حرکت یک جریان مثبت از آند به کاتد را مسدود می کند، در این حالت گفته می شود که تریستور در حالت مسدود کردن جلو قرار دارد. به طور مشابه، جریان یک جریان منفی توسط اتصالات PN خارجی مسدود می شود، که در این صورت تریستور در حالت مسدود کننده معکوس است. حالت دیگری که یک تریستور می تواند در آن وجود داشته باشد حالت هدایت به جلو است که در آن سیگنال کافی برای روشن شدن دریافت می کند و شروع به هدایت می کند.
تریستورها را می توان بسته به ماهیت رفتار روشن(Turn-on) و خاموش(Turn-off) و ویژگی های ولتاژ و جریان آنها طبقه بندی کرد، کلاس های مختلف عبارتند از:
هنگامی که یک جریان یا پالس سیگنال مثبت کافی به ترمینال گیت اعمال می شود، تریستور را به حالت رسانا هدایت می کند. جریان از آند به کاتد جریان می یابد و این جریان ادامه خواهد داشت، حتی زمانی که سیگنال گیت حذف شود. گفته می شود که تریستور "چفت شده است".
تریستورهای SCR شناخته شده ترین تریستورها هستند. همانطور که در توضیحات کلی تریستور در بالا توضیح داده شد، یک تریستور SCR حتی زمانی که جریان گیت برداشته می شود، ثابت می ماند. برای باز کردن قفل، جریان آند به کاتد باید حذف شود یا آند به ولتاژ منفی نسبت به کاتد بازنشانی شود. این مشخصه برای کنترل فاز ایده آل است. هنگامی که جریان آند صفر می شود، SCR هدایت را متوقف می کند و ولتاژ معکوس را مسدود می کند. SCR ها در مدارهای سوئیچینگ، درایوهای موتور DC، سوئیچ های استاتیک AC/DC و مدارهای معکوس استفاده می شوند.
تریستورها معمولاً فقط اجازه می دهند جریان در جهت جلو جریان یابد، در حالی که جریان را در جهت معکوس مسدود می کنند. با این حال، یک RCT از یک SCR یکپارچه با یک دیود معکوس تشکیل شده است که اندوکتانس حلقه نامطلوب را حذف می کند و ولتاژ معکوس گذرا را کاهش می دهد. RCT امکان هدایت الکتریکی در جهت معکوس را با کموتاسیون بهبود یافته فراهم می کند.RCT ها در اینورترها و درایوهای DC برای چاپرهای پرقدرت استفاده می شوند.
این تریستورها با نام تریستورهای نوری (LTT) نیز شناخته می شوند. برای این دستگاه ها، وقتی ذرات نور به محل اتصال بایاس معکوس برخورد می کنند، تعداد جفت حفره الکترون در تریستور افزایش می یابد. اگر شدت نور بیشتر از مقدار بحرانی باشد، تریستور روشن می شود. یک LASCR ایزولاسیون الکتریکی کامل بین منبع نور و دستگاه سوئیچینگ مبدل قدرت را فراهم می کند. LASCR ها در تجهیزات انتقال HVDC، جبران کننده های توان راکتیو و ژنراتورهای پالس با توان بالا استفاده می شوند.
برای خاموش کردن تریستوری که چفت شده است (روشن)، جریان عبوری از آن باید طوری تغییر کند که بهره حلقه زیر واحد باشد. خاموش کردن زمانی شروع می شود که جریان کمتر از جریان نگهدارنده کاهش یابد.
تریستورهای سنتی مانند SCR ها زمانی روشن می شوند که پالس گیت کافی اعمال شود. برای خاموش کردن آنها، جریان اصلی باید قطع شود. این در مدارهای تبدیل DC به AC و DC به DC که جریان به طور طبیعی صفر نمی شود، ناخوشایند است.
یک GTO با یک تریستور استاندارد متفاوت است زیرا می توان آن را با اعمال جریان منفی (ولتاژ) به گیت بدون نیاز به حذف جریان بین آند و کاتد خاموش کرد. این بدان معنی است که GTO را می توان با یک سیگنال گیت با قطب منفی خاموش کرد و که آن را به یک سوئیچ کاملاً قابل کنترل تبدیل می کند. به آن سوئیچ کنترل شده با گیت یا GCS نیز می گویند. زمان خاموش شدن یک GTO تقریبا ده برابر سریعتر از یک SCR برابر است.
GTO هایی با قابلیت مسدود کردن معکوس قابل مقایسه با رتبه های ولتاژ رو به جلو آنها GTO های متقارن نامیده می شوند. GTO های نامتقارن قابلیت مسدود کردن ولتاژ معکوس قابل توجهی ندارند. GTO های هدایت معکوس از یک GTO ادغام شده با یک دیود ضد موازی تشکیل شده اند. GTO های نامتقارن محبوب ترین انواع موجود در بازار هستند. GTO ها در درایوهای موتور DC و AC، اینورترهای توان بالا و قدرت تثبیت کننده AC استفاده می شوند.
MTO ترکیبی از GTO و MOSFET برای بهبود توانایی خاموش کردن GTO است. GTO ها نیاز به یک جریان خاموش گیت بالا دارند که دامنه آن حدود 20-35 درصد جریان آند به کاتد باشد (جریان قابل کنترل). MTO دارای دو ترمینال کنترل است، یک گیت Turn-on و یک گیت Turn-Off که گیت ماسفت نیز نامیده می شود. برای روشن کردن یک MTO، یک پالس گیت اعمال شده با بزرگی کافی باعث می‌شود که تریستور روشن شود، همانند چیزی که در SCR و GTO ها نیز وجود دارد.
برای خاموش کردن MTO، یک پالس ولتاژ به گیت ماسفت اعمال می شود. ماسفت روشن می شود که امیتر و پایه ترانزیستور NPN را کوتاه می کند و در نتیجه قفل شدن را متوقف می کند. این یک فرآیند بسیار سریعتر از یک GTO است. در این صورت، پالس منفی بزرگ اعمال شده بر روی گیت GTO با هدف استخراج جریان کافی از پایه ترانزیستور NPN است. علاوه بر این، زمان سریعتر (MTO) تلفات مربوط به انتقال جریان را حذف می کند. MTO ها در کاربردهای ولتاژ بالا تا 20 MVA، درایوهای موتور، انتقال خط AC انعطاف پذیر (FACTs) و اینورترهای منبع ولتاژ برای توان بالا استفاده می شوند.
درست مانند MTO، ETO دارای دو ترمینال، یک گیت معمولی و یک گیت دوم است که به صورت سری با ماسفت متصل شده است. برای روشن کردن ETO، ولتاژهای مثبت به هر دو گیت اعمال می شود که منجر به روشن شدن NMOS و خاموش شدن PMOS می شود. هنگامی که یک جریان مثبت به گیت معمولی تزریق می شود، ETO روشن می شود.
برای خاموش کردن، هنگامی که یک سیگنال ولتاژ منفی به گیت ماسفت اعمال می شود، NMOS خاموش می شود و تمام جریان را از کاتد منتقل می کند. فرآیند قفل متوقف می شود و ETO خاموش می شود. ETOها در اینورترهای منبع ولتاژ برای توان بالا، انتقال خط متناوب منعطف (FACTs) و STATCOM اعمال می شوند.
تریستورهای مورد بحث تا کنون یک جهته بوده و به عنوان یکسو کننده، مبدل DC-DC و اینورتر استفاده می شوند. برای استفاده از این تریستورها برای کنترل ولتاژ AC، دو تریستور باید به صورت ضد موازی وصل شوند که در نتیجه دو مدار کنترل جداگانه ایجاد می شود که اتصالات سیم بیشتری را شامل می شود. تریستورهای دو جهته که قادر به هدایت جریان در هر دو جهت هستند، به طور خاص برای غلبه بر این مشکل توسعه یافته اند.
TRIACS بعد از SCR ها دومین تریستور پرکاربرد هستند. آنها می توانند کنترل هر دو نیمه شکل موج متناوب را فراهم کنند و در نتیجه از توان موجود به طور موثرتری استفاده کنند. با این حال، ترایاک ها به دلیل ساختار غیر متقارن که دارند معمولاً فقط برای کاربردهای کم مصرف استفاده می شوند. در کاربردهای توان بالا، TRIAC ها هنگام سوئیچینگ در ولتاژهای گیت مختلف در طول هر نیم سیکل، دارای معایبی هستند. این باعث ایجاد هارمونیک های اضافی می شود که باعث عدم تعادل در سیستم می شود و بر عملکرد EMC تأثیر می گذارد.
ترایاک های کم مصرف به عنوان کاهش دهنده نور، کنترل سرعت برای فن های الکتریکی و سایر موتورهای الکتریکی و در مدارهای کنترل کامپیوتری لوازم خانگی استفاده می شوند.
تریستور دیاک دستگاه های کم مصرف هستند و عمدتاً همراه با ترایاک استفاده می شوند. از آنجایی که ترایاک ها طبیعتاً نامتقارن می باشند، یک DIAC از عبور جریان از دروازه TRIAC تا زمانی که DIAC به ولتاژ تریگر خود در هر جهت برسد، جلوگیری می کند. این تضمین می کند که TRIACS مورد استفاده در سوئیچ های AC به طور یکنواخت در هر جهت فعال می شود.دیاک ها در دیمرهای لامپ یافت می شوند.
رفتار الکتریکی SIDAC همانند دیاک می باشد. تفاوت اصلی بین این دو این است که SIDAC ها ولتاژ شکست بالاتر و قابلیت مدیریت توان بیشتری نسبت به DIAC دارند. SIDAC یک دستگاه پنج لایه است که می تواند به طور مستقیم به عنوان یک سوئیچ به جای اینکه به عنوان یک ماشه برای یک دستگاه سوئیچینگ دیگر استفاده شود.
اگر ولتاژ اعمال شده مطابق یا بیشتر از ولتاژ شکست آن باشد، یک SIDAC شروع به هدایت جریان می کند. حتی اگر ولتاژ اعمال شده تغییر کند، در این حالت رسانا باقی می‌ماند تا زمانی که بتوان جریان را کمتر از جریان نامی نگهدارنده کاهش داد. SIDAC برای تکرار چرخه به حالت نارسانا خود باز می گردد. SIDAC ها در نوسان سازهای آرامش و سایر دستگاه های با اهداف خاص استفاده می شوند.
