وان الکتریک

عناصر الکترونیک قدرت

1- دیود
2- تریستور دوسیمه ( یا دیود PNPN )
3- تریستور سه سیمه ( یک سوساز کنترل شده ی سیلیسیومی (SCR)
4- تریستور با گیت خاموش کن (GTO)
5- دایاک
6- تریاک
7- ترانزیستور قدرت ( PTR )
8- ترانزیستور دوقطبی با گیت مجزا شده ( IGBT )

دیود
دیود یک عنصر نیمه هادی است که برای عبور جریان در یک جهت طراحی شده است. دیود به طریقی طرح شده است که جریان را از آند خود به کاتد خود بگذراند اما نمی تواند در جهت عکس هدایت کند.
با اعمال یک ولتاژ معکوس به دیود جریان بزرگی از آن می گذرد. ولی اگر ولتاژ در جهت معکوس به آن اعمال شود ، جریان گذرنده بسیار کوچک است (در حد میکرو آمپر یا کمتر). اگر ولتاژ معکوس اعمالی به حد کافی بزگ باشد، سرانجام دیود می شکند و اجازه می دهد که جریان در جهت عکس هم هدایت شود. این سه ناحیه کاری دیود در شکل زیر آمده است.
دیودها با توجه به مقدار توانی که می توانند مصرف کنند و ماکزیمم ولتاژ معکوسی که می توانند بدون شکستن تحمل کنند دسته بندی می شوند . توانی که دیود در هنگام عمل در جهت مستقیم مصرف می کند، با حاصل ضرب افت ولتاژ مستقیم روی آن و جریانی که از دیود می گذرد برابر است. این توان باید محدود شود تا دیود بیش لز حد گرم نشود. ماکزیمم ولتاژ معکوس دیود با عبارت ولتاژ معکوس ماکزیمم (PIV) مشخص می شود. این مقدار باید آن قدر بزرگ باشد که دیود هنگام کار نشکند و درجهت معکوس جریان نگذراند.
دیود ها را از لحاظ زمان قطع و وصل دسته بندی می کنند ، منظور مقدار زمانی است که طول می کشد تا دیود از حالت روشن به حالت قطع برود و برعکس . چون دیود های قدرتی بزرگ هستند ، و بار زیادی در پیوند عناصر توان بالا ذخیره می شود ، بسیار کندتر از دیودهایی که درمدارهای الکترونیکی معمولی یافت می شود تغییر حالت می دهند. تمام دیودهای قدرتی اساسا آنفدر سریع هستند که بتوان در مدارهای HZ 50 یا HZ 60 به عنوان یکسوکننده به کارشان برد. ولی در بعضی کاربردها مثل مدولاسیون عرض پالس (PWM) باید دیودهایی به کار برند که بتوانند با آهنگی سریعتر از HZ 10000 تغییر حالت دهند . برای این کاربردهای سوئیچینگ سریع دیودهای خاصی موسوم به دیودهای با بازیابی سریع به کار می رود.

نکته :در منحنی مشخصه زیر در صورتی که در بایاس معکوس ولتاژ از ماکزیموم بگذرد باعث سوختن می شود.

تریستور دو سیمه یا دیود PNPN
تریستور نامی است که به خانواده ای از عناصر نیمه هادی متشکل از چهار لایه نیمه هادی داده شده است. تریستور دو سیمه ، که دیود PNPN یا با دیود تریگر شونده هم خوانده میشود یکی از اعضای این خانواده است. نام این عنصر در استاندارد IEEE برای نمادهای ترسیمی ترستور دیودی با سد کردن معکوس است. دیود PNPN یکسو ساز یا دیود است که مشخصه ی ولتاژ – جریان آن در شکل زیر نمایش داده شده است . این منحنی مشخصه از سه ناحیه تشکیل شده است:
1. ناحیه سد کردن معکوس
2. ناحیه سد کردن مستقیم
3. ناحیه هدایت
در ناحیه سد کردن معکوس ، دیود PNPN مثل یک دیود معمولی عمل کرده ، جلوی عبور جریان را می گیرد، مگر اینکه ولتاژ معکوس از ولتاژ شکست معکوس بگذرد. در ناحیه هدایت باز هم دیود PNPN مثل یک دیود معمولی عمل می کند و به ازای یک افت ولتاژ کوچک جازه ی عبور جریان بزرگی را می دهد. این ناحیه سد کردن مستقیم است که باعث تمییز یک دیود PNPN از یک دیود معمولی می شود.
وقتی دیود PNPN در، بایاس مستقیم قرار می گیرد از آن جریانی نمی گذرد، مگر اینکه ولتاژ مستقیم روی دیود از مقدار خاصی موسوم به ولتاژ شکست V_BO بگذرد . وقتی ولتاژ مستقیم روی دیود PNPN از V_BO فراتر می رود، دیود روشن میشود و روشن می ماند مگر اینکه جریانی که از آن میگذرد از یک مقدار مینیمم مشخص (نوعا چند میلی آمپر) پایین تر بیاید. اگر جریان از این مقدار مینیمم ( که جریان نگهداری IH نامیده می شود) کمتر شود، دیود PNPN خاموش شده و دیگر هدایت نمیکند، تا اینکه دوباره ولتاژ روی آن از V_BO بگذرد.
خلاصه اینکه دیود PNPN
1. وقتی روشن می شود که ولتاژ اعمالی V_D از V_BO بگذرد.
2. وقتی خاموش می شودکه جریان i_D از I_H کمتر شود.
3. نمیگذارد که در جهت معکوس از آن جریان بگذرد مگر اینکه ولتاژ اعمال شده به آن از ولتاژ معکوس ماکزیمم بیشتر شود.

مشخصه ی ولتاژ – جریان

تریستور سه سیمه یا SCR
مهمترین عنصر خانواده ی تریستورها تریستور سه سیمه استمه با نام یکسو ساز کنترل شده سیلیسیومی یا SCR نیز شناخته می شود . این عنصر توسط شرکت جنرال الکتریک در سال 1958 ساخته شده است و SCR نام گرفت. نام تریستور بعدا توسط کمیسیون بین المللی الکتروتکنیک (IEC) به آن داده شده است. نماد ترستور سه سیمه در زیر به نمایش در آمده است.
SCR همان طور که از نامش پیداست، یک یکسو ساز یا دیو کنترل شده است. مشخصه ی ولتاژ – جریان آن در صورت باز بودن گیت درست مانند دیود PNPN است.
چیزی که SCR را برای کاربردهای کنترل موتور مفید می سازد این است که ولتاژ روشن شدن یا شکست آن را می توان با جریانی که از گیت آن می گذرد کنترل کرد. هرچه این جریان بزرگتر باشد ، V_BO کوچکتر می شود. اگر SCR اتخاب شده دارای ولتاژ روشن شدن بزرگی باشد، به نحوی که در صورت باز بودن گیت آن بزرگترین ولتاژ مدار هم نتواند آن را روشن کند، تنها در صورتی روشن می شود که جریانی از گیت آن بگذرد. وقتی SCR روشن می شود روشن می ماند تا اینکه جریانش از حد خاصی با مقدار I_H کمتر شود. بنابراین می توان پس از روشن شدن SCR جریان گیت آن را برداشت، بدون اینکه اثری بر کار آن گذاشته شود. در حالت روشن ، افت ولتاژ مستقیم روی SCR حدود 1/2 تا 1/5 برابر افت ولتاژ روی یک دیود معمولی در بایاس مستقیم است.
تریستور سه سیمه یا SCR متداولترین عنصر در مدارهای کنترل قدرتی است. از تریستور در کاربردهای یکسوسازی یا سوئیچینگبسیار استفاده می شود ، و در محدوده های مجاز از چند آمپر تا حدود A3000 موجود است.
خلاصه تریستورسه سیمه یا SCR
1. وقتی روشن می شود که ولتاژ V_D اعمال شده به آن از V_BO بگذرد.
2. ولتاژ روشن شدن V_BO آن توسط جریان گیت i_G کنترل می شود.
3. وقتی خاموش می شود که جریان آن i_D از مقدار I_H کمتر شود.
4. در بایاس معکوس اجازه نمی دهد جریانی عبور کند، مگر اینکه ولتاژ معکوس از ولتاژ شکست معکوس بگذرد.

.
تریستور با گیت خاموش کن ( GTO )
تریستور با گیت خاموش کن ( GTO ) تحول جدیدی در تریستورها است. تریستور GTO نوعی SCR است که می توان آن را با اعمال یک پالس منفی به حد کافی بزرگ به گیت خاموش کرد، حتی در موقعی که i_D از I_H بزرگتر است. گرچه تریستورهای GTO از 1960به این طرف وجود داشته اند ، ولی تنها در اواخر دهه ی1970 برای کاربردهای کنترل موتور جنبه ی عملی پیدا کردند. این عناصر در بسته های کنترل موتور متداولتر شده اند ، زیرا دیگر برای خاموش کردن SCR در مدارهای dc به عناصر اضافی احتیاجی نیست.
تریستور GTO نوعا برای روشن شدن ، نسبت به SCR معمولی جریان گیت بزرگتری می خواهد . برای عناصر توان بالای بزرگ ، جریان گیت در رده ی A 10 یا بیشتر است. برای خاموش کردن عنصر یک پالس جریان منفی بزرگ ، با عرض ms 20 تا 30 لازم است. اندازه پالس جریان منفی باید یک چهارم تا یک ششم جریانی که از عنصر می کذرد باشد.
دایاک
دایاک عنصری با 5 لایه نیمه هادی (PNPNP)است که مانند دو دیود PNPN که پشت به پشت به هم وصل شده باشند ، عمل می کند.دایاک می تواند در هر دو جهت هدایت کند به شرط اینکه ولتاژ روی آن از ولتاژ روشن شدن بگذرد.دایاک در هر دوجهت روشن می شود ، به شرط اینکه ولتاژ اعمال شده از V_BO بگذرد. وقتی دایاک روشن شد ، روشن می ماند تا اینکه جریانش از I_H پایین تر بیاید.

مشخصه ی ولتاژ- جریان
تریاک
تریاک مانند دو SCR پشت به پشتبسته شده عمل می کند و یک گیت مشترک دارد. این عنصر می تواند در هر دو جهت هدایت کند ، به شرطی که ولتاژ روی آن از ولتاژ شکست بگذرد.ولتاژ روشن شدن تریاک هم درست مانند SCR با افزایش جریان گیت کم می شود ، با این تفاوت که تریاک هم به پالس های مثبت و هم به پالس های منفی اعمال شده به گیتش پاسخ می دهد . وقتی تریاک روشن می شود ، روشن می ماند مگر اینکه جریانش از I_H کمتر شود.
چون تریاک می تواند در هر دو جهت هدایت کند ، در بسیاری از کاربردهای کنترل ac می توان آن را به جای دو SCR پشت به پشت به کار برد. ولی سرعت روشن و خاموش شدن تریاک ها عموما کمتر از SCR است و قابلیت توانی کمتر نیز دارند ، به همین خاطر کاربرد آنها عمدتا به مدارهای توان پایین یا متوسط HZ 50 تا HZ60 ، مثل مدارهای روشنایی محدود می شوند.

مشخصه ی ولتاژ – جریان

ترانزیستور قدرت (PTR )
ترانزیستور وسیله ای است که جریان کلکتورش i_c در گستره ی وسیعی از ولتاژهای کلکتور – امیتر ( V_CE ) با جریان بیس آن i_B متناسب است.
ترانزیستور قدرت ( PTR ) معمولا در کاربردهای کنترل ماشین برای قطع و وصل کردن جریان به کار می روند . ترانزیستورهای قدرت معمولا در کاربردهای کنترل ماشین به عنوان کلید به کار می روند ؛ در این کاربردها ترانزیستور باید کاملا روشن یا کاملا خاموش باشد.
برای حصول اطمینان از اینکه ترانزیستور بدون تلف زیاد توان هدایت می کند ، باید جریان بیس آنقدر بزرگ باشد که ترانزیستور کاملا به اشباع برود.
ترانزیستورهای قدرتی غالبا در مدارهای مبدل به کار می روند . عیب اصلی آنها در کاربردهای سوئیچینگ این است که ترانزیستور های قدرتی بزرک در تغییر از حالت روشن به قطع و برعکس کندند.زیرا برای روشن و خاموش کردن آنها باید بار زیادی به آنها داده یا از آنها گرفته شود.

ترانزیستور دو قطبی با گیت عایق شده (IGBT)
ترانزیستور دو قطبی با گیت عایق شده ( IGBT ) وسیله ی نسبتا جدیدی است. این عنصر شببه ترانزیستور قدرتی است ، با این تفاوت که با اعمال ولتاژ به گیت کنترل می شود نه با اعمال جریان به بیس آن. در IGBT امپدانس گیت بسیار بزرگ است ، بنابراین جریان بسیار ناچیزی از آن می گذرد . این عنصر در اساس معادل ترکیب یک ترانزیستور اثر میدانی با نیمه هادی اکسید فلزی ( MOSFET ) و یک ترانزیستور قدرتی است .
چون IGBT با ولتاژ گیت کنترل می شود و جریان بسیار کمی می کشد ، میتوان آن را بسیار سریع تر از ترانزیستورهای دو قطبی معمولی روشن و خاموش کرد . به همین دلیل IGBT در کاربردهای فرکانس بالا و توان بالا به کار می رود.