كيف يعمل الثايرستور؟ شرح تفصيلي للثايرستور وتطبيقاته

قد يكون الثايرستور عنصرا إلكترونيا غير عاديا من عدة نواحي، غير أنه يبقى واسع الإستخدام خصوصا عندما يتعلق الأمر بالتحكم في دوائر القدرة، أي عند التعامل مع تيارات وجهود مرتفعة، يُمكن إستخدام الثايرستورات أيضا في التطبيقات التي لا تتطلب التعامل سوى مع تيارات منخفضة كالتحكم في شدة الإضاءة وحماية دوائر التغذية.

الثايرستور عبارة عن عنصر إلكتروني سهل الإستعمال ورخيص السِعر ومتوفر بكثرة في الأسواق، وهذا ما يجعل منه خيارا مثاليا يدخل في تركيب عديد الدوائر سواء أكانت بسيطة أو معقدة.

لمحة تاريخية عن الثايرستور:

الثايرستور ليس فكرة وليدة اليوم، بل هو فكرة تعود إلى خمسينيات القرن الماضي وصاحبها هو وليام شوكلي أحد المخترعين الثلاثة للترانزستور، تم إجراء أبحاث حول هذا العنصر من قبل عديدين في السنوات التالية إلى أن أصبح متوفرا للعموم في ستينات القرن العشرين ليصبح بعدها وبسرعة واحدا من أكثر العناصر طلبا واستعمالا في عالم الإلكترونيات.

مصدر التسمية:

تُعتبر كلمة "ثايرستور" تركيبًا لكلمتين هما "ثيراترون" و"ترانزستور".
ملاحظة: يعتبر الثيراترون نوعا من الأنابيب المملوءة بالغاز وهو يُستخدم كمفتاح كهربائي حيث يسمح بالتحكم في فولطية عالية بواسطة تيار صغير وهذا ما يُعتبر مشابها للوظيفة التي يقوم بها الثايرستور حسب ما سنكتشف من خلال الأسطر التالية.

ما هو الثايرستور؟

يتكون الثايرستور من أربعة طبقات شبه موصلة، بينما تمتلك الترانزستورات ثنائية القطب ثلاثة طبقات وهذا ما يسمح لنا بالحصول على نوعين من الترانزستورات هما PNP وNPN.

يمتلك الثايرستور بنية PNPN، حيث تُشكل طبقة P الخارجية ما يُسمى بالمصعد (Anode)، وتشكل طبقة N الخارجية ما يسمى بالمهبط (Cathode) ويُشكل المربط الخارجي المتصل بالطبقة P الداخلية ما يُسمى بالبوابة (Gate).

يتم صُنع الثايرستورات عادة من مادة السيليكون وهذا راجع إلى عدة أسباب، أولها هو الخصائص العامة التي يتمتع بها السيليكون حيث يستطيع تحمل الفولطية والتيارات العالية الضرورية من أجل التطبيقات مرتفعة القدرة إضافة إلى هذا فهو يتمتع بخصائص حرارية ممتازة. أما السبب الثاني فهو أن تكنولوجيا السيليكون مُتحكم فيها بشكل جيد وهي تُستعمل في أغلب أشباه الموصلات الموجودة اليوم.

كيف يعمل الثايرستور؟

عادة لا يمر التيار عبر الثايرستور حتى ولو كان موصولا بمصدر خارجي للتغذية، وحتى يسمح هذا العنصر بمرور التيار يجب تطبيق نبضة كهربائية على البوابة عندها سيمر التيار ويبقى الثايرستور على هذه الحالة إلى غاية فصله عن مصدر التغذية.

من أجل توضيح فكرة عمل الثايرستور أكثر لنقم باعتباره كدائرة كهربائية تتكون من ترانزستورين اثنين موصولان مع بعضهما البعض ظهرا لظهر (أنظر المخطط في الأسفل)، يكون الباعث الخاص بالترانزيستور الأول عبارة عن مهبط الثايرستور ويكون هذا الترانزيستور من نوع NPN، بينما يكون الباعث الخاص بالترانزيستور الثاني بمثابة المصعد وهذا الترانزيستور من نوع PNP، تكون بوابة الثايرستور عبارة عن قاعدة المقحل الأول الذي هو من نوع NPN كما أسلفنا الذكر.

عند تطبيق جهد عبر الثايرستور لا يمر تيار لأن الترانزيستورين يكونان في حالة قطع، أما عند تطبيق تيار على البوابة فكأننا قمنا بتطبيق تيار على قاعدة الترانزيستور رقم 2 فيصبح هذا الأخير ممرا للتيار الكهربائي وبالتالي سيمر تيار عبر بوابة الترانزيستور الأول الذي بدوره سيبعث بتيار لقاعدة الترانزيستور الثاني مما يعني أن الثايرستور سيبقى ممررا للتيار حتى في حالة لم يعد هناك تيار مُطبق عبر بوابته.

حالات الثايرستور:

للثايرستور حالتان هما:

• حالة الإنحياز الأمامي: نقول عن الثايرستور أنه في هذه الحالة إذا ما كان الجهد المطبق على المصعد أكبر من الجهد المطبق على المهبط.
• حالة الإنحياز الخلفي: وهي عكس الحالة السابقة حيث يكون الجهد المطبق على المهبط أكبر من الجهد المطبق على المصعد

طريقة تشغيل الثايرستور بحيث يمرر التيار الكهربائي:

بصورة عامة يتم تشغيل الثايرستور عبر رفع تيار المصعد، وهذا ما يُمكن تحقيقه عبر عدة طرق والتي تختلف حسب خصائص الثايرستور المستعمل والتطبيق الذي نحتاجه من أجله وقد يكون بعضها غير ملائم بحيث قد تُتلف الثايرستور لذا وجب الحذر.

• الفولطية العالية: إذا كان جهد الإنحياز الأمامي (من المصعد إلى المهبط) أكبر من جهد الإنهيار الأمامي (forward breakdown voltage)، يمر تيار كبير جدا مما يجعل الثايرستور في حالته الناقلة. تُعتبر هذه الطريقة مدمر للثايرستور ويُنصح دائما بتجنبها.
• تيار البوابة: إذا كان الثايرستور في حالة الإنحياز الأمامي، تطبيق جهد موجب على بوابته سيجعل منه في حالته الناقلة.
• الحرارة: قد تسمح الحرارة بجعل الثايرستور في حالته الناقلة إذا ما كانت مرتفعة بصورة كافية، يُنصح بتجنب هذه الطريقة.
• الضوء: تماما مثل الثنائي الضوئي (photodiodes) عند تعرض الثايرستور للضوء يزداد سريان التيار مما يُؤدي إلى جعل الثايرستور في حالته الناقلة.
• معدل الجهد المسلط: إذا كان جهد الإنحياز الأمامي يرتفع بسرعة كافية قد يجعل من الثايرستور في حالته الناقلة، يُنصح بتجنب هذه الطريقة.

استعمالات الثايرستور:

للثايرستور استعمالات واسعة جدا فهو يُستعمل في عديد المجالات ويدخل في عديد التطبيقات والتي سنذكر منها على سبيل المثال وليس على سبيل الحصر:

• دوائر التحكم في التيار المتردد كالتحكم في سرعة محرك.
• دوائر التغدية النبضية (switched mode power supply)
• الحماية من ارتفاع الفولطية.
• الانفرترات (inverters)
• التحكم في شدة الإضاءة.