مقوم سيليكوني متحكم به

📅 آخر تحديث: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 3 صور
الموسوعة الحرة
مخطط SCR رباعي الطبقات (pnpn)

المقوم السيليكوني المتحكم به، أو المقوم شبه الموصل المتحكم به (SCR)، هو جهاز تحكم في التيار ذو أربع طبقات يعمل بتقنية الحالة الصلبة . ويُعدّ اسم "المقوم السيليكوني المتحكم به" الاسم التجاري لشركة جنرال إلكتريك لنوع من الثايرستورات . وقد طوّر كلٌّ من مول ، وتانينباوم ، وغولدي، وهولونياك من مختبرات بيل في عام 1956 مبدأ التبديل رباعي الطبقات من نوع p-n-p-n . [ 1 ] وفي يناير 1958، قدّم الدكتور إيان إم. ماكنتوش من مختبرات بيل عرضًا عمليًا للتبديل السيليكوني المتحكم به، بالإضافة إلى شرحٍ نظري مفصّل لسلوك الجهاز، بما يتوافق مع النتائج التجريبية. [ 2 ] [ 3 ] وقد طوّر فريق من مهندسي الطاقة بقيادة غوردون هول المقوم السيليكوني المتحكم به [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] ، وقام فرانك دبليو. "بيل" غوتزويلر بتسويقه تجاريًا في عام 1957.

تُعرّف بعض المصادر مُقوِّمات السيليكون المُتحكَّم بها والثايرستورات على أنهما مترادفان [ 8 ]، بينما تُعرّف مصادر أخرى مُقوِّمات السيليكون المُتحكَّم بها على أنها مجموعة فرعية من مجموعة الثايرستورات؛ وهي أجهزة تتكون من أربع طبقات على الأقل من مواد من النوعين n و p بالتناوب . [ 9 ] [ 10 ] ووفقًا لبيل غوتزويلر، كان مصطلحا "SCR" و"مُقوِّم مُتحكَّم به" يُستخدمان سابقًا، بينما استُخدم مصطلح "ثايرستور" لاحقًا، مع انتشار استخدام الجهاز دوليًا. [ 11 ]

تُعدّ الثايرستورات أحادية الاتجاه (أي أنها تُمرّر التيار في اتجاه واحد فقط)، على عكس الترياكات ثنائية الاتجاه (أي أن حاملات الشحنة تتدفق عبرها في كلا الاتجاهين). لا يُمكن تشغيل الثايرستورات عادةً إلا بتيار موجب يدخل إلى البوابة، بينما يُمكن تشغيل الترياكات عادةً بتيار موجب أو سالب يُطبّق على قطب البوابة.

أنماط التشغيل

منحنى خصائص مقوم السيليكون المتحكم به

توجد ثلاثة أوضاع تشغيل لجهاز SCR اعتمادًا على الانحياز المطبق عليه:

  1. وضع الحجب الأمامي (حالة الإيقاف)
  2. وضع التوصيل الأمامي (حالة التشغيل)
  3. وضع الحجب العكسي (حالة الإيقاف)

وضع الحجب الأمامي

في هذا النمط من التشغيل، يُطبَّق جهد موجب على المصعد (الجانب الموجب، المُطعَّم بنوع p) بينما يُطبَّق جهد سالب على المهبط (الجانب السالب، المُطعَّم بنوع n)، مما يُبقي البوابة عند جهد صفري (0) أي غير موصولة. في هذه الحالة، يكون الوصلان J1 و J3 منحازين انحيازًا أماميًا ، بينما يكون J2 منحازًا انحيازًا عكسيًا ، مما يسمح بتسرب تيار صغير فقط من المصعد إلى المهبط. عندما يصل الجهد المُطبَّق إلى قيمة الانهيار لـ J2 ، فإنه يتعرض لانهيار انهياري. عند جهد الانهيار هذا، يبدأ J2 بالتوصيل ، ولكن دون جهد الانهيار، يُظهر J2 مقاومة عالية جدًا للتيار، ويُقال إن SCR في حالة إيقاف التشغيل.

وضع التوصيل الأمامي

يمكن تحويل وضع التوصيل في الثايرستور (SCR) من وضع الحجب إلى وضع التوصيل بطريقتين: إما بزيادة الجهد بين المصعد والمهبط إلى ما يتجاوز جهد الانهيار، أو بتطبيق نبضة موجبة على البوابة. بمجرد أن يبدأ الثايرستور بالتوصيل، لا يلزم تطبيق جهد بوابة إضافي لإبقائه في حالة التشغيل . يُطلق على الحد الأدنى للتيار اللازم لإبقاء الثايرستور في حالة التشغيل عند إزالة جهد البوابة اسم تيار التثبيت.

هناك طريقتان لإيقاف تشغيله:

  1. قلل التيار المار فيه إلى ما دون الحد الأدنى الذي يسمى تيار التثبيت، أو
  2. مع إيقاف تشغيل البوابة، قم بتوصيل الأنود والكاثود مؤقتًا باستخدام مفتاح ضغط أو ترانزستور عبر الوصلة.

وضع الحجب العكسي

عند تطبيق جهد سالب على المصعد وجهد موجب على المهبط، يكون الثايرستور في وضع الحجب العكسي، مما يجعل الوصلتين J1 وJ3 منحازتين عكسيًا، بينما تكون الوصلة J2 منحازة أماميًا. يتصرف الجهاز كصمامين ثنائيين موصولين على التوالي، ويتدفق تيار تسريب صغير. هذا هو وضع الحجب العكسي. عند زيادة الجهد العكسي، وعند مستوى الانهيار الحرج، المسمى جهد الانهيار العكسي (V<sub> BR</sub> )، يحدث انهيار مفاجئ عند الوصلتين J1 وJ3، ويزداد التيار العكسي بسرعة. تتوفر الثايرستورات بخاصية الحجب العكسي، مما يزيد من انخفاض الجهد الأمامي نظرًا للحاجة إلى منطقة P1 طويلة ومنخفضة التشويب. عادةً ما يكون تصنيف جهد الحجب العكسي مساويًا لتصنيف جهد الحجب الأمامي. يُستخدم الثايرستور ذو الحجب العكسي عادةً في عاكسات مصدر التيار.

يُعرف مُقوِّم السيليكون المُتحكَّم به (SCR) غير القادر على منع الجهد العكسي باسم مُقوِّم السيليكون غير المُتناظر ( ASCR) . ويبلغ معدل انهياره العكسي عادةً عشرات الفولتات. تُستخدم مُقوِّمات السيليكون غير المُتناظرة (ASCR) إما عند تطبيق ثنائي موصل عكسيًا بالتوازي (على سبيل المثال، في عاكسات مصدر الجهد) أو عندما لا يحدث جهد عكسي أبدًا (على سبيل المثال، في مصادر الطاقة التبديلية أو مُقطِّعات جر التيار المستمر).

يمكن تصنيع مقومات السيليكون غير المتماثلة باستخدام ثنائي موصل عكسي في نفس العبوة. وتُعرف هذه باسم الثايرستورات الموصلة عكسياً (RCTs) .

طرق تشغيل الثايرستور

  1. تشغيل الجهد الأمامي
  2. تفعيل البوابة
  3. تشغيل dV / dt
  4. التحفيز الحراري
  5. تشغيل الإضاءة

يحدث تشغيل الجهد الأمامي عندما يرتفع جهد الانحياز الأمامي بين المصعد والمهبط مع فتح دائرة البوابة. يُعرف هذا بالانهيار الانهياري، حيث ينهار الوصل J2. عند جهد كافٍ، يتحول الثايرستور إلى حالة التشغيل مع انخفاض طفيف في الجهد وتيار أمامي كبير. في هذه الحالة، يكون كل من J1 وJ3 منحازين انحيازًا أماميًا بالفعل .

لكي يتم تشغيل الثايرستور، يجب أن يكون في حالة الحجب الأمامي حيث يكون الجهد المطبق أقل من جهد الانهيار، وإلا فقد يحدث تشغيل الجهد الأمامي. يمكن بعد ذلك تطبيق نبضة جهد موجبة صغيرة واحدة بين البوابة والكاثود. يؤدي هذا إلى توليد نبضة تيار بوابة واحدة تُشغل الثايرستور. عمليًا، هذه هي الطريقة الأكثر شيوعًا لتشغيل الثايرستور.

يحدث التفعيل الحراري عندما يقل عرض منطقة الاستنزاف مع ارتفاع درجة الحرارة. عندما يكون جهد SCR قريبًا من جهد التشغيل الأمثل (VPO)، فإن ارتفاعًا طفيفًا جدًا في درجة الحرارة يؤدي إلى إزالة الوصلة J2، مما يُفعّل الجهاز.

دائرة SCR بسيطة

دائرة SCR بسيطة مع حمل مقاوم

يمكن توضيح دائرة SCR بسيطة باستخدام مصدر جهد متردد موصول بـ SCR مع مقاومة حمل. في غياب نبضة تيار مطبقة على بوابة SCR، يبقى SCR في حالة الحجب الأمامي. هذا يجعل بدء توصيل SCR قابلاً للتحكم. تتحكم زاوية التأخير α، وهي لحظة تطبيق نبضة تيار البوابة بالنسبة إلى لحظة التوصيل الطبيعي (ωt = 0)، في بدء التوصيل. بمجرد أن يبدأ SCR بالتوصيل، لا ينطفئ حتى يصبح التيار المار فيه، i <sub>s</sub> ، سالبًا. يبقى i<sub> s</sub> صفرًا حتى يتم تطبيق نبضة تيار بوابة أخرى، وعندها يبدأ SCR بالتوصيل مرة أخرى. [ 12 ]

التطبيقات

تُستخدم مقومات السيليكون المتحكم بها (SCRs) بشكل أساسي في الأجهزة التي تتطلب التحكم في الطاقة العالية، والتي قد تكون مقترنة بجهد عالٍ. ويجعلها أداؤها مناسبة للاستخدام في تطبيقات التحكم في طاقة التيار المتردد ذات الجهد المتوسط ​​إلى العالي، مثل التحكم في إضاءة المصابيح ، ومنظمات الطاقة، والتحكم في المحركات.

تُستخدم مقومات السيليكون المتحكم بها (SCRs) والأجهزة المشابهة لتقويم التيار المتردد عالي القدرة في أنظمة نقل الطاقة بالتيار المستمر عالي الجهد . كما تُستخدم في التحكم بآلات اللحام، وخاصةً لحام القوس الكهربائي بالغاز الخامل (GTAW) والعمليات المشابهة. وتُستخدم أيضًا كمفتاح إلكتروني في أجهزة متنوعة. وقد استُخدمت هذه المقومات في آلات البينبول الإلكترونية القديمة للتحكم في الإضاءة والملفات اللولبية ووظائف أخرى إلكترونيًا، بدلًا من التحكم الميكانيكي، ومن هنا جاءت تسميتها بآلات الحالة الصلبة.

وتشمل التطبيقات الأخرى دوائر تبديل الطاقة، والمقومات المتحكم بها، والتحكم في سرعة محركات التيار المستمر المتوازية، وقضبان SCR، ودوائر المنطق الحاسوبي، ودوائر التوقيت، والمحولات.

مقارنة مع نظام التحكم في الانقباضات (SCS)

يتصرف المفتاح المُتحكم به بالسيليكون (SCS) بطريقة مشابهة تقريبًا للمُقوِّم السيليكوني المُتحكم به (SCR)، ولكن مع وجود بعض الاختلافات. فعلى عكس المُقوِّم السيليكوني المُتحكم به، ينطفئ المفتاح المُتحكم به بالسيليكون عند تطبيق جهد/تيار دخل موجب على أحد أطراف بوابة الأنود. وعلى عكس المُقوِّم السيليكوني المُتحكم به، يمكن تشغيل المفتاح المُتحكم به بالسيليكون عند تطبيق جهد/تيار خرج سالب على نفس الطرف.

تُعدّ الدوائر المتكاملة ذات التحكم المتسلسل (SCSs) مفيدة في جميع الدوائر تقريبًا التي تتطلب مفتاحًا للتشغيل/الإيقاف عبر نبضتين تحكم منفصلتين. ويشمل ذلك دوائر تبديل الطاقة، والدوائر المنطقية، ومحركات المصابيح، والعدادات.

بالمقارنة مع الترياكات

يشبه الترياك (TRIAC ) الثايرستور (SCR) في كونهما يعملان كمفاتيح يتم التحكم بها كهربائيًا. على عكس الثايرستور، يمكن للترياك تمرير التيار في كلا الاتجاهين. لذلك، يُعد الترياك مفيدًا بشكل خاص لتطبيقات التيار المتردد. يحتوي الترياك على ثلاثة أطراف: طرف البوابة وطرفان موصلان، يُشار إليهما بـ MT1 وMT2. إذا لم يتم تطبيق أي تيار/جهد على طرف البوابة، ينطفئ الترياك. أما إذا تم تطبيق جهد التشغيل على طرف البوابة، فيعمل الترياك.

تعتبر الترياكات مناسبة لدوائر التحكم في شدة الإضاءة، ودوائر التحكم في الطور، ودوائر تبديل الطاقة الكهربائية، ودوائر التحكم في محركات التيار المتردد، وما إلى ذلك.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ مول، ج.؛ تانينباوم، م.؛ غولدي، ج.؛ هولونياك، ن. (سبتمبر 1956). "مفاتيح ترانزستور PNPN". وقائع معهد مهندسي الراديو . 44 (9): 1174-1182 . doi : 10.1109/jrproc.1956.275172 . ISSN 0096-8390 . S2CID 51673404 .  
  2. ↑ فاسور، جيه بي (2016-06-06). خصائص وتطبيقات الترانزستورات . إلسيفير. ISBN 9781483138886.
  3. ↑ تويست، جو (18 أبريل 2005). "القانون الذي شكّل الحياة الرقمية" . بي بي سي نيوز . تم الاطلاع عليه بتاريخ 27 يوليو 2018 .
  4. ↑ وارد، جاك. "التاريخ المبكر لمقوم السيليكون المتحكم به" . ص 6. تم الاطلاع عليه بتاريخ 12 أبريل 2014 . 
  5. ↑ "أشباه الموصلات: الثايرستورات وأكثر" . مركز إديسون التقني.
  6. ↑ "SCR يبلغ من العمر 50 عامًا" (ملف PDF) . مجلة تطبيقات الصناعة التابعة لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات.
  7. ↑ مونجيناست، جي إي "ثورة SCR" . مقهى RF . شركة جنرال إلكتريك.
  8. ↑ كريستيانسن، دونالد؛ ألكسندر، تشارلز؛ يورغن، رونالد (2005). الدليل القياسي للهندسة الإلكترونية، الطبعة الخامسة . ماكجرو هيل. ISBN 9780071384216.
  9. ↑ معيار اللجنة الكهروتقنية الدولية 60747-6
  10. ↑ دورف، ريتشارد سي. (26-09-1997). دليل الهندسة الكهربائية، الطبعة الثانية . مطبعة سي آر سي. رقم ISBN 9781420049763.
  11. ↑ وارد، جاك. "التاريخ المبكر لمقوم السيليكون المتحكم به" . ص 7. تم الاطلاع عليه بتاريخ 12 أبريل 2014 . 
  12. ↑ موهان، نيد (2012). إلكترونيات القدرة: مدخل تمهيدي . الولايات المتحدة: دون فاولي. الصفحات 230-231 . ISBN  978-1-118-07480-0.

للمزيد من القراءة

  • شركة ON Semiconductor (نوفمبر 2006). نظرية الثايرستور واعتبارات التصميم (ملف PDF) (مراجعة 1، إصدار HBD855/D  ). صفحة  240.
  • جي كي ميثال. الإلكترونيات الصناعية وإلكترونيات الطاقة .
  • كي بي خانشانداني. إلكترونيات الطاقة .