خوب یکسو کننده های کنترل شده ی سیلیکونی،یک قطعه ای با نیمه هادی چهار لایه هستند.اسم scr یا یکسو کننده ی کنترل شده ی سیلیکونی،یک نام تجاری برای این نوع تایریستور ها است.کلید های چهارلایه p-n-p-nدر اصل در سال 1956 در آزمایشگاه بل،تولید شدند،و SCR ها در سال 1957.برخی از منابع میگویند که تایریستور ها و scr ها مترادف و هم معنا هستند.در حالی که برخی از منابع دیگر میگویند که scr ها زیرمجموعه ای از گروه تایریستور ها هستند،که تایریستور ها شامل گروه همه ی نیمه هادی های چهارلایه با لایه های n و p هستند.
SCR ها یک المان یک طرفه هستند.یعنی فقط جریان را از یک طرف عبور میدهند،همانند دیود ها.برخلاف تریاک ها(یک قطعه الکترونیکی،نه اون یکی!🤣)که دوطرفه میتوانند جریان را هدایت کنند،که شار حامل ها در آن میتوانند در دو جهت عبور کنند.همچنین SCR ها فقط با یک ولتاژ تحریک کننده مثبت که به گیتشان اعمال میشود میتوانند عمل کنند بر خلاف تریاک ها که چه با ولتاژ مثبت چه با بار با ولتاژ منفی میتوان گیت آنها را تحریک کرد.از SCR ها در رله های جامد،تجهیزات جوشکاری،کنترل موتور های پر توان،سیستم های گرمایشی،پل دیود AC به DC کنترل شده،دیمر ها،و... استفاده میشود.
حالت های عملکرد:سه حالت عملکردی برای SCR ها وجود دارد:
1-بایاس موافق،خاموش
2-بایاس موافق،روشن
3-بایاس مخالف،خاموش.
SCR ها دارای سه پیوند دیودی هستند و دارای سه پایه با نام های اند،کاتد و گیت.حال،تشریح این سه حالت عملکردی:
1-بایاس موافق،خاموش:در این حالت به پایه ی آنود SCR ولتاژ مثبت اعمال شده و به پایه ی کاتد آن ولتاژ منفی اعمال میشود.در صورتی که ولتاژ گیت 0 یا قطع است.در این حالت پیوند j1 و j3 فوروارد بایاس شده اند اما j2 معکوس است.که در این صورت تنها جریان بسیار ناچیزی ناشی از نشتی،از آند به کاتد عبور میکند.حال در صورتی که ولتاژی که به اندازه ی مورد نیاز،به آند و کاتد اعمال کنیم،پیوند j2 دچار شکست بهمنی شده و بعد از آن شروع به هدایت میکند،اما در زیر آن ولتاژ مورد نیاز که به آن ولتاژ شکست میگوییم،j2 در برابر عبور جریان مقاومت کرده و scr را خاموش نگه میدارد.
2-بایاس موافق،روشن:یک SCR به چند روش میتواند از حالت خاموش به روشن برود،مثال،یکی،بالا بردن ولتاژ بین آند و کاتد فرا تر از ولتاژ شکست،و یا اینکه یک پالس مثبت به گیت بدهیم.هنگامی که یک بار scr روشن شد،دیگر نیازی نیست دائما به گیت آن ولتاژ مثبت بدهیم(برخلاف ترانزیستور های ماسفت یا bjt معمولی که به بیس یا گیت آنها باید همیشه ولتاژ داد تا روشن بمانند).حال،باید همیشه از آند به کاتد یک جریانی عبور کند تا SCR روشن بماند،به حداقل جریانی که نیاز است تا SCR بدون نیاز به اعمال ولتاژ به گیت روشن بماند،جریان قفل یا نگهدارنده میگویند.تا زمانی که جریانی بالاتر از جریان نگهدارنده از SCR عبور کند،SCR روشن میماند.
حال چند راه برای خاموش کردن SCR وجود دارد،یکی کاهش جریان گذرنده از آند به کاتد است تا حدی که به زیر مقدار جریان نگه دارنده برسد،و دوم اتصال کوتاه لحظه ای آند به کاتد است در حالی که جریان گیت صفر باشد،این اتصال کوتاه میتواند توسط یک کلید فشاری دستی و یا یک مدار کلید ترانزیستوری باشد.یک روش دیگر،کموتاسیون طبیعی است هنگامی که ولتاژ اعمال شده بین آند و کاتد ولتاژ متناوب است،در هنگامی که سیکل در قسمت نیم موج مثبت خود قرار دارد از صفر تا 180 درجه،میتوان در هر لحظه ای که نیاز بود فرمان مثبت به گیت داد و SCR را روشن کرد اما به محض عبور سیکل از 180 درجه و ورود به سیکل نیم موج منفی،SCR به طور خودکار خاموش میشود.در زاویه ای که فرمان پالس به گیت اعمال میشود،زاویه آتش SCR نام دارد.
3-بایاس مخالف،خاموش:در هنگامی که ولتاژ منفی به آند بدهیم و ولتاژ مثبت به کاتد،SCR در حالت بلاک مود معکوس قرار میگیرد.در این صورت j1 و j3 در حالت معکوس و j2 در حالت موافق،بایاس میشود.پیوند های 1 و 3 مثل دو دیود سری عمل میکنند که معکوس بایاس شده اند،تنها جریان نشتی بسیار ناچیزی عبور خواهد کرد.به این حالت حالت بایاس مخالف و خاموش گفته میشود،حال اگر این ولتاژ معکوس بین آند و کاتد را بسیار بالا ببریم تا حدی که به ولتاژ شکست بحرانی برسد،VBR نام دارد.در صورت این اتفاق پدیده شکست بهمنی رخ میدهد و ناگهان جریان شروع به عبور کرده و در لحظه کمی،بسیار زیاد میشود.SCR ها قابلیت بلاک کردن ولتاژ معکوس بالایی را دارند،اما ناشی از این قابلیت در حالت بایاس موافق افت ولتاژ زیادی ناشی از بلند بودن و ناخالصی کم ناحیه ی P1 دارند.معمولا مقدار ولتاژ شکست معکوس و یا موافق در SCR ها،یکسان است.
البته در نوعی از SCR ها به نام SCR نامتقارن یا ASCR،ولتاژ شکست معکوس در حد چند ده ولت است برخلاف SCR معمولی که ولتاژ شکست چند صد ولتی دارد،و البته ASCR ها ولتاژ شکست در بایاس موافقشان بسیار بالا است.از ASCR ها در جاهایی که یک دیود معکوس موازی به همراه آن بسته شده(مثلا در اینورتر های منبع ولتاژ)و یا در هنگامی که ولتاژمعکوس اتفاق نمیافتد همانند معکوس کننده های جهت چرخش موتور DC مورد استفاده قرار میگیرند.همچنین ASCR ها میتوانند به صورت یک دیود معکوس موازی داخل خود،تولید شوند که در آن صورت به آنها RCT میگویند.
متد های روشن کردن این تایریستور:
1-تحریک با ولتاژ موافق
2-تحریک با گیت
3-DV/DTتحریک
4-تحریک با دما
5-تحریک با نور
تحریک با ولتاژ موافق:در بالا هم توضیح دادیم که حتی اگر گیت باز باشد با بالا بردن ولتاژ موافق بین آند وکاتد میتوان SCR را روشن کرد،که ناشی از باز شدن پیوند J2 به علت شکست بهمنی بود.اگر ولتاژ به اندازه کافی باشد،تایریستور در حالت روشن جریان زیادی را عبور میدهد وتنها افت ولتاژ ناچیزی ناشی از دیود های پیوند J1 و J3 دارد.
تحریک با گیت:در حالت تحریگ با گیت SCR باید در حالت بایاس موافق باشد ولی ولتاژ بین آند وکاتد کمتر از ولتاژ شکست باشد آنگاه با اعمال ولتاژ مثبتی نسبت به گیت و کاتد به گیت میتوان SCR را روشن کرد و آن شروع به هدایت کند.این روش بیش ترین کاربرد را در سایر روش ها برای استفاده از SCR دارد.هنگامی که ولتاژ مثبت به گیت میدهیم،لایه ی P گیت مملو از الکترون های کاتد میشود،چون لایه ی N کاتد هم با ناخالصی بیش تری نسبت به P گیت ساخته شده،پیوند های 1 و 3 از قبل در حالت بایاس موافق قرار دارند حال الکترون های تزریق شده به گیت،باعث میشوند ناحیه تخلیه پیوند 2 کوچک شود،این کار باعث پایین آمدن ولتاژ شکست موافق SCR میشود در حقیقت هرچی گیت را با پالس قوی تری تغذیه کنیم الکترونهای بیش تری وارد آن شده و ناحیه تخلیه پیوند 2 کوچک تر میشود و همینطور ولتاژ شکست موافق SCR پایین ترمیاید.به همین دلیل ولتاژ گیت و کاهش ولتاژ شکست موافق در SCR با هم رابطه ی مستقیم دارند.به مشخصه ی زیر دقت کنید این یک نمودار ولتاژ-جریان است که حالت های مختلف جریان های متفاوت گیت را نشان میدهد،هرچی جریان گیت بیش تر ولتاژ شکست موافق کمتر.زمانی که SCR شروع به هدایت کند،پیوند معکوس 2 از بین میرود و به همین دلیل دیگر نیازی به ولتاژ گیت برای روشن ماندن نیست و این SCR روشن میماند.البته باید در نظر داشت اگر قبل از رسیدن جریان عبوری از آند به کاتد به میزان مشخصی که جریان قفل نام دارد،جریان گیت را قطع کنیم،SCR دوباره خاموش میشود.البته هنگامی که SCR روشن شد گیت دیگر کنترلی بر روی SCR ندارد و تا جریان آند به کاتد کمتر از میزانی به اسم جریان نگه دارنده نرسد،SCR خاموش نمیشود.مقدار جریان نگه دارنده از جریان قفل کمتر است،و این دو جریان را با یکدیگر اشتباه نکنید،منظور از هر کدام توضیح داده شد،جریان قفل یا I LATCH به جریانی گفته میشود که در صورت تحریک گیت باید از آند به کاتد عبور کند ولی بعد از روشن شدن این تایریستور اگر جریان از مقدار نگه دارنده کمتر شود SCR خاموش میشود.
تحریک DV/DT:اینیک روش روشن کردن SCR با تغییر بایاس مستقیم نسبت به زمان است.DV/DT به تنهایی معنای تغییرات ولتاژ نسبت به زمان است.همانطور که در بالا توضیح دادیم پیوند 2 در بایاس مستقیم SCR معکوس است.همانطور که میدانید یک دیود در بایاس معکوس همانند یک خازن عمل میکند،که شار ها در دو طرف پیوند قرار میگیرند.اگر به این نتیجه برسیم که پیوند 2 در این حالت یک خازنی است با ظرفیت C به فاراد،شار در این خازن و ولتاژ اعمال شده و بار الکترون ها این رابطه را خواهند داشت:
Q=CV که با مشتق گرفتن از این رابطه به یک رابطه ی جدید میرسیم:
dQ/dt = C(dV/dt)
اما جریان عبور کننده از این خازن برابر است با: I = dQ/dt
در نتیجه: I = C(dV/dt)
بنا بر این جریان عبور کننده از خازن پیوند 2 مستقیما متباسب با dv/dt است،به همین دلیل اگر زمان بالا رفتن ولتاژ بایاس مستقیم بسیار زیاد باشد،جریان عبوری ناشی از شارژ شدن این خازن نیز زیاد خواهد بود،این جریان همانند جریان گیت عمل خواهد کرد و SCR روشن میشود حتی اگر ولتاژ گیت صفر باشد.در نظر داشته باشید که نواخت زیاد شدن ولتاژ در SCR زیاد باشد،وابسته به میزان ولتاژ اعمال شده واندازه آن نخواهد بود یعنی فقط زمان تغییر ولتاژ مهم است.شاید ولتاژ مورد نظر ولتاژ کمی باشد اما تغییر و افزایش سریع آن باعث روشن شدن SCR میشود.در مشخصات SCR ها این مشخصه را ذکر میکنند،تا در آن بتوانید بفهمید قطعه ی شما تا چه حد در برابر تغییرات سریع ولتاژ ها،مقاوم است و ناگهانی روشن نمیشود.
تحریک دما:خوب گفتیم که در بایاس مستقیم-خاموش،یک جریان ناچیزی از پیوند 2 عبور میکند که بهآن جریان نشتی میگویند.این جریان نشتی،وابسته به دما است یعنی دمای بالا تر=نشتی بیش تر.حال،در حالی که SCR خاموش است باز هم جریان کمی در حد میلی آمپر از آن عبور خواهد کرد،حال،اگر این جریان کم عبوری باعث بالا رفتن دمای پیوند شود،دوباره باز نتیجه اش میشود افزایش دما و با افزایش دما دوباره جریان زیاد میشود،این چرخه ادامه پیدا میکند تا در نهایت،باعث انباشته شدن لایه ی تخلیه ی پیوند 2 میشود تا آنکه در آخر در دمایی مشخص،SCR روشن میشود.(اگر این روش روشن شدن با مداری که در آن از SCR استفاده میکنید تناسخ دارد،حتما از هیت سینک برای این قطعه استفاده کنید.)
تحریک با نور:در این روش با استفاده از یک فیبر نوری و یک موج نور با طول موج مشخص،به لایه ی P گیت که در آن یک فرورفتگی نیز ایجاد شده،تابیده میشود که در شکل زیر نمایان است:
زمانی که این حفره تحت تابش قرار میگیرد،حامل های آزاد شار،(الکترون و حفره ها)زیاد میشوند اگر شدت نور تابیده شده از میزانی فرا تر رود،SCR در بایاس مستقیم روشن میشود.در نظر داشته باشید که نور تابیده شده که باعث تولید حامل های شار الکتریکی میشود،دقیقا همانند دادن جریان به گیت عمل میکنند.این شار ها سپس به محل پیوند معکوس بایاس شده ی 2 میروند و ولتاژ شکست را پایین میاورند و SCR روشن میشود.به این SCR ها،یکسو کننده ی کنترل شده ی سیلیکونی فعال شونده با نور یا، LASCR،میگویند.
تحلیل مدار معادل ترانزیستوری SCR:
در این مدار نشان داده شده که جریان کلکتور ترانزیستور NPN شماره 2،مستقیما از بیس ترانزیستور PNP شماره ی 1 تغذیه میشود.در حالی که کلکتور ترانزیستور 1 به بیس ترانزیستور 2 متصل میباشد و آنرا تغذیه میکند.در این حالت میبینیم که این دو ترانزیستور روی هم تاثیر متقابل میگذارند و جریان بیس-امیتر هر کدام جریان امیتر-کلکتور دیگری را تامین میکند،پس تا زمانی که به یکی از آنها هیچ جریان بیسی ندهیم،خاموش میمانند و جریانی از کل مدار حتی در صورت وجود اختلاف ولتاژ بین آند و کاتد،عبور نخواهد کرد.حال اگر ولتاژ مثبت به گیت(بیس)ترانزیستور 2 بدهیم،باعث میشود تا از کلکتور آن جریان عبور کرده و این جریان به بیس 1 تزریق میشود،که در نهایت با شروع هدایت ترانزیستور1،جریان بیش تری به بیس 2 تزریق شده و در نهایت این چرخه ادامه پیدا میکند و SCR روشن میماند.پس از روشن شدن چون دیگر دسترسی به داخل این SCR نداریم نمیتوانیم ترانزیستور های آنرا خاموش کنیم.
انواع استابیلایزر
