دیود یکسوکننده کنترل شده با سیلیکون (Silicon Controlled Rectifier - SCR)، در مدارهای الکتریکی (Electrical Circuit)
انواع دیودها (Diode) را در آموزش زیر شرح دادیم :
دیود یکسوکننده کنترل شده با سیلیکون (Silicon Controlled Rectifier - SCR) :
دیود یکسوکننده کنترل شده با سیلیکون یا SCR (Silicon Controlled Rectifier) که با نام تریستور (Thyristor) نیز شناخته می شود، یک قطعه نیمه هادی چهارلایه (PNPN) با سه پایانه است. SCR پرکاربردترین عضو خانواده تریستورها است و به عنوان یک کلید (Switch) قابل کنترل در الکترونیک قدرت استفاده می شود. این قطعه می تواند جریان های بسیار بالا (تا چند هزار آمپر) و ولتاژهای بالا (تا چند هزار ولت) را کنترل کند.
ساختار SCR شامل چهار لایه نیمه هادی متناوب P و N (P1-N1-P2-N2) است که سه پیوند PN (J1, J2, J3) را تشکیل می دهند. پایانه ها عبارتند از: آند (Anode) متصل به لایه P1، کاتد (Cathode) متصل به لایه N2، و گیت (Gate) متصل به لایه P2. این ساختار را می توان معادل دو ترانزیستور BJT (یکی PNP و دیگری NPN) در نظر گرفت که به صورت متقاطع (Cross-Coupled) به هم متصل شده اند.
مشخصه جریان-ولتاژ (I-V Curve) SCR شبیه دیود چهارلایه است، اما با این تفاوت که ولتاژ شکست (Breakover Voltage - V_BO) را می توان با اعمال جریان به پایه گیت کنترل کرد. در حالت قطع (Forward Blocking Mode)، SCR تا ولتاژهای بالا (کمتر از V_BO) جریان بسیار کمی (جریان نشتی) عبور می دهد. با اعمال یک پالس جریان مثبت به گیت، SCR روشن شده و به حالت هدایت (On State) می رود.
پس از روشن شدن، SCR مانند یک دیود معمولی عمل می کند و جریان را از آند به کاتد عبور می دهد. ولتاژ دو سر آن به ولتاژ نگهدارنده (Holding Voltage - V_H) حدود ۱-۲ ولت کاهش می یابد. نکته مهم این است که پس از روشن شدن، حتی اگر پالس گیت قطع شود، SCR روشن باقی می ماند. برای خاموش کردن SCR، باید جریان آند به زیر جریان نگهدارنده (Holding Current - I_H) کاهش یابد. این خاصیت را لچینگ (Latching) می نامند.
مکانیزم روشن شدن SCR بر اساس بازخورد مثبت (Positive Feedback) بین دو ترانزیستور داخلی است. جریان گیت باعث تزریق حامل ها به پایه ترانزیستور NPN می شود. این ترانزیستور روشن شده و جریان آن، ترانزیستور PNP را روشن می کند. جریان PNP نیز به نوبه خود جریان بیشتری به پایه NPN تزریق می کند. این بازخورد مثبت باعث می شود هر دو ترانزیستور به اشباع رفته و SCR روشن بماند.
پارامترهای مهم SCR عبارتند از: حداکثر ولتاژ معکوس (V_RRM) و حداکثر ولتاژ مستقیم (V_DRM) (که معمولا برابر هستند)، حداکثر جریان متوسط (I_T(AV)) و جریان پیک (I_TSM)، جریان گیت مورد نیاز برای راه اندازی (I_GT)، ولتاژ گیت مورد نیاز (V_GT)، جریان نگهدارنده (I_H)، و زمان های سوئیچینگ (t_on و t_off).
کاربرد اصلی SCR در کنترل توان AC (Power Control) است. از SCR در مدارات یکسوساز کنترل شده (Controlled Rectifiers) برای تبدیل AC به DC با ولتاژ خروجی قابل تنظیم استفاده می شود. با تغییر زاویه آتش (Firing Angle) پالس گیت، می توان مقدار ولتاژ DC خروجی را کنترل کرد. این کاربرد در شارژرهای باتری، درایوهای موتور DC، و منابع تغذیه قابل تنظیم رایج است.
کاربرد دیگر در مدارات کنترل فاز (Phase Control) برای تنظیم توان AC (مانند دیمرهای نوری برای لامپ های رشته ای و کنترل سرعت موتورهای AC) است. با تغییر زاویه آتش، می توان مقدار توان تحویلی به بار را کنترل کرد. البته امروزه در بسیاری از کاربردهای خانگی، TRIAC (که دوطرفه است) جایگزین SCR شده است.
در مدارات سوئیچینگ (Switching Circuits) و اینورترها (Inverters)، از SCR به عنوان کلید استفاده می شود. در این کاربردها، SCR جریان DC را قطع و وصل می کند. برای خاموش کردن SCR در مدارات DC، باید از مدارات کموتاسیون (Commutation Circuits) استفاده کرد تا جریان به طور موقت قطع شود.
در حفاظت مدارات (Circuit Protection)، از SCR به عنوان یک کلید حفاظتی استفاده می شود. به عنوان مثال، در مدارات Crowbar، وقتی ولتاژ از حد مجاز فراتر رود، SCR روشن شده و با اتصال کوتاه کردن خروجی، از بار حساس محافظت می کند.
SCRها در جرقه زن های الکترونیکی (Electronic Ignition Systems) در خودروها و مشعل های صنعتی برای تولید جرقه استفاده می شوند. همچنین در مدارات جوشکاری الکتریکی (Welding) برای کنترل جریان بالا کاربرد دارند.
یکی از محدودیت های SCR این است که یک قطعه یکسویه (Unidirectional) است و فقط جریان را در یک جهت عبور می دهد. برای کنترل AC دوطرفه، از دو SCR موازی معکوس یا از TRIAC استفاده می شود. همچنین SCR نمی تواند با سیگنال گیت خاموش شود و باید جریان اصلی قطع شود.
برای رفع محدودیت خاموش شدن با گیت، انواع پیشرفته تری از SCR مانند GTO (Gate Turn-Off Thyristor) و IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyristor) ساخته شده اند که می توان با اعمال جریان منفی به گیت آنها را خاموش کرد.
در نهایت، SCR یکی از مهم ترین قطعات در الکترونیک قدرت است که امکان کنترل توان های بالا با سیگنال های کنترلی کوچک را فراهم می کند. با وجود پیشرفت در ترانزیستورهای قدرت مانند IGBT و MOSFET، SCR همچنان در کاربردهای ولتاژ بالا و جریان بالا (مانند خطوط انتقال HVDC، درایوهای موتورهای بزرگ، و کوره های القایی) یک گزینه اصلی و مقرون به صرفه محسوب می شود.
