الثايرستور

غيث ورقوزق  

الثايرستور Thyristor نوع من أنواع القواطع الكهربائية الساكنة المكونة من أنصاف النواقل. اشتقت تسمية هذه القواطع من دمج كلمة ثايراترون thyratron ، وهو الصمام الغازي المضغوط والجد الأكبر للمبدلات الإلكترونية؛ في كلمة ترانزستور transistor. يجمع الثايرستور بين وظيفتي الثايراترون والترانزستور بآن معاً، وتسمى هذه العناصر في بعض المراجع "مقومات سليكونية متحكم فيها" Silicon Controlled Rectifier (SCR). يرمز إلى الثايرستور في الدارات الإلكترونية بالرمز المبين في الشكل (1).

الشكل (1) رمز الثايرستور.

البنية الداخلية

يتكون الثايرستور من مواد نصف ناقلة (سليسيوم) مرتبة على النحو(P–N–P–N)؛ بحيث تُعدّ الطبقة P الأولى مصعد الثايرستور، والطبقة الثانية N هيطبقة حجز، والطبقة التي تليها P طبقة تحكم، وتشكل الطبقة الأخيرة N المهبط. يحتوي الثايرستور على إلكترود للتحكم مربوط بالطبقة P الثانية، وتدعى البوابة gate، كما يحتوي على وصلتي مصعد anode ومهبط cathode، ووصلة التحكم كما هو موضح في الشكل (2).

الشكل (2) طبقات الثايرستور ومرابطه.

طريقة عمل الثايرستور

يُعدّ الثايرستور من القواطع الساكنة نصف الناقلة، وإن تشغيله يشابه تشغيل الديود؛ أي إن تطبيق توتر انحياز أمامي forward voltage أو توتر انحياز عكسي inverse voltage يسهم في انتقال الثايرستور من حالة الوصلON  إلى حالة الفصل OFF (أو بالعكس)، وهذا الأمر غير كافٍ لتحقيق عملية التبديل (ON-OFF)، ولإكمال شروط توصيل الثايرستور يجب إضافة ما يسمى نبضات القدح، ولكي ينتقل الثايرستور إلى حالة التوصيل يلزم تطبيق توتر أمامي وإعطاؤه نبضة قدح عبر البوابة، ويجب أن تكون هذه النبضة كافية للسماح للإلكترونات باجتياز طبقة التحكم ومرور التيار عبر الثايرستور.

يلزم عند استثمار الثايرستور توفير دارة تحكم له، تنظم فصله ووصله عن طريق دارة توليد النبضات ودارة حجز قسرية (لبعض الأحمال الكهربائية التحريضية). تختلف تصاميم دارات التحكم وطريقة عملها باختلاف الغرض من عمل الثايرستور وطبيعة الأحمال الكهربائية التي يغذيها.

خواص الثايرستور

يمتلك الثايرستور خواصّ ساكنة static characterizations تحدد علاقة القيم التصميمية للتوتر والتيار به؛ وخواص ديناميكية dynamic characterizations تحدد المواصفات التشغيلية للتيار والتوتر مع الزمن.

الخواص الساكنة للثايرستور: تحدِّد هذه الخواص علاقة تيار المصعد مع اتجاه التوتر المطبق على الثايرستورV_AK  وقيمته؛ فعند تطبيق توتر عكسي على الثايرستور، وبقيم أكبر مما يسمىتوتر الانهيارالعكسي(V_RBD(breakdown  voltage Ryeverse؛ يمر تيار كبير I_A بالاتجاه المعاكس للاتجاه الطبيعي يؤدي إلى تلف الثايرستور واحتراقه. ولدى تطبيق توتر أمامي على الثايرستور فإنه يشكل ممانعة كبيرة لمرور التيار بالاتجاه الأمامي.

تتعلق قيمة التيار الذي سيمر خلال الثايرستور بقيمة تيار البوابة I_G. وتكون قيمة التيار الأمامي صغيرة جداً في حالة تيار بوابة صفري (يُعدّ تيار تسرب)، ومع زيادة التوتر الأمامي تدريجياً يزداد هذا التيار إلى أن يصل إلى مايعرف بتوتر الانهيار الأمامي، forward breakdown voltage (V_FBD)، وعند تجاوز التوتر هذه القيمة يقفز تيار المصعد إلى قيم كبيرة، وينتقل الثايرستور عندها إلى حالة ON. وتتناقص قيمة التوتر اللازم لنقل الثايرستور إلى حالة التوصيل كلما زادت قيمة تيار البوابة؛ من أجل ذلك يجري التشغيل النظامي للثايرستور عن طريق تطبيق نبضات القدح عل بوابته وتطبيق توترات أمامية صغيرة أقل من توتر الانهيار الشكل (3). 

الشكل (3) منحنيات الخواص الساكنة للثايرستور.

الخواص الديناميكية للثايرستور: لا تجري عملية انتقال الثايرستور من الفصل إلى الوصل آنياً؛ إنما تحتاج إلى زمن (من رتبة مكرو ثانية إلى نانو ثانية). تحدد الخواص الديناميكية مواصفات الثايرستور في حالة التشغيل، والتي يجب أن تؤخذ بالحسبان عند استثمار الثايرستور في التطبيقات الهندسية. تتضمن الخواص الديناميكية ما يلي (الشكل 4):

·         زمن التوصيل: هو الزمن اللازم لانتقال الثايرستور من حالة الحجز الأمامي إلى حالة التوصيل (t_ON(.

·         زمن التأخير: هو الزمن الواقع بين النقطة التي يصل فيها توتر البوابة إلى  %90من توتره النهائي، والنقطة التي يصل فيها تيار المصعد إلى %10 من التيار الاسمي(t_d(.

·         زمن الصعود: هو الزمن اللازم لتيار المصعد للزيادة من %10إلى %90 من قيمته الاسمية )t_r(.

·         زمن الفصل: هو الزمن اللازم لكي يفصل الثايرستور على نحو أكيد )t_q(.

الشكل (4) الخواص الديناميكية للثايرستور.

طرائق قدح الثايرستور

 قدح أو إشعال الثايرستور Thyristor firing هي عملية تحويل الثايرستور من حالة الفصل إلى حالة التوصيل.

·         القدح بالحرارة: زيادة درجة حرارة الثايرستور تؤدي إلى زيادة في معدل تولد حاملات الشحنات؛ فإذا كانت هذه الزيادة عالية عن حد معين فإنها تعمل على زيادة تيار التسرب مؤدياً إلى تحويل الثايرستور إلى حالة الوصل، وعادة هذه الطريقة غير مرغوب فيها، وفي حالة استخدامها يجب إزالة الحرارة الزائدة المتولدة باستخدام وسيلة لتبديد الحرارة مثل تثبيت الثايرستور على قطعة من المعدن (Sink Heat) تعمل على خفض الحرارة.

·         القدح بالضوء: سُلط ضوء معين على وصلة الثايرستور فإن ذلك سوف يؤدي إلى زيادة عدد الإلكترونات الحرة وزيادة تيار التسرب مما يؤدي إلى تحويل الثايرستور إلى حالة التوصل. وبناء على هذه الفكرة صُنِّع ثايرستور يعتمد قدحه وتشغيله على الضوء يسمى مقوم السليكون المتحكم به والمفعل بالضوء  )LASCR(   Light Activated Silicon Controlled Rectifier.

·         القدح بالجهد الزائد: إذا زاد جهد الانحياز الأمامي بين المصعد والمهبط عن جهد الانهيار الأمامي فإن تيار التسرب للثايرستور يكون كافياً لتحويل الثايرستور إلى حالة التوصيل الأمامي، وهذه الطريقة للقدح تدمر الثايرستور؛ لذلك يجب تجنبها ولا يفضل استخدامها.

·         القدح بمعدل تغير الجهد المطبق(dv/dt)  : من المفترض أن الجهد الأمامي المطبق يزداد بالتدريج، ولو سُمح لهذا الجهد بالزيادة المفاجئة فقد تؤدي إلى قدح الثايرستور من دون تسليط إشارة إلى البوابة أو زيادة الجهد الأمامي أكثر من مستوى الانهيار. إن هذا النوع غير المرغوب من القدح يمكن تجنبه بتحديد معدل تغير الجهد الأمامي (dv/dt) ، وتراوح هذه القيم في الثايرستور التقليدي بين 20V  إلى  200V   لكل 1 مكروثانية.

·         القدح بتيار البوابة:  إذا سلطت إشارة موجبة على البوابة بين البوابة والمهبط فإن التيار المار بدارة البوابة يؤدي إلى زيادة حاملات الشحنة وتصبح الوصلة في حالة توصيل، مما يساعد على قدح الثايرستور.

وتستخدم طريقة التحكم في تيار البوابة على نحو واسع في قدح الثايرستور أي تحويله من حالة عدم توصيل إلى حالة التوصيل لأنها أكثر الطرق فعالية وأكثرها سهولة في التطبيق. وعادة تكون الإشارة المسلطة على شكل نبضة تستغرق زمناً معيناً كافياً لتشغيل الثايرستور. وإذا جرى قدح الثايرستور وتوصيله فإنه يستمر كذلك، ولا داعي لإبقاء تيار البوابة.

لابد من أخذ الأمور التالية بالحسبان عند تصميمدارات قدح الثايرستورات:

1.    تطبيق جهد بين البوابة والمهبط من أجل تحويل الثايرستور إلى حالة الوصل عندما يكون الثايرستور في حالة انحياز أمامي.

2.    يجب إزالة إشارة البوابة عندما يتحول الثايرستور إلى حالة التوصيل.

3.    لا تطبق هذه الإشارة عندما يكون الثايرستور منحازاً انحيازاً عكسياً.

4.    عندما يكون الثايرستور في حالة القطع فإنه بتطبيق جهد سالب بين البوابة والمهبط سوف يؤدي إلى تغيير خواص الثايرستور؛ وبالتالي تحتاج إلى جهد موجب كبير للتغلب على هذا الجهد السالب من أجل تحويل الثايرستور إلى حالة التوصيل.

إطفاء الثايرستور

  إطفاء أو إخماد الثايرستور Thyristor turn-off هي عملية تحويل الثايرستور من حالة الوصل إلى حالة الفصل. ويتم ذلك بتقليل التيار الأمامي للثايرستور إلى قيمة أقل من مايسمى تيار الإمساك holding curent.عندما يكون الثايرستور في حالة توصيل فإنه يحتوي على عدد كبير من حاملات الشحنة  في طبقاته الأربع، وليس للبوابة أي سيطرة أو تأثير على الثايرستور وهو في هذه الحالة، ولإطفاء الثايرستور يجب أن تقل حاملات الشحنة في الوصلات إلى مستوى أقل من تيار التسرب. أو بتعبير آخر يجب أن يقل تيار الثايرستور إلى قيمة أقل من تيار الإمساك لمدة تكفي لتحويله إلى عدم التوصيل. جعل الثايرستور في حالة عدم توصيل ليست صعبة في دارات التيار المتردد؛ حيث ينعكس الجهد كل نصف دورة. أما في دارات التيار المستمر يمر التيار باتجاه واحد، يتطلب الأمر استعمال دارة إضافية لإخماد توصيل الثايرستور وإيقافه، كما يوجد نوع خاص من الثايرستورات يتم إخماده عن طريق البوابة ذاتها.

الإخماد الطبيعي :natural commutation  في دوائر التيار المتردد لكون التيار في الدائرة يمر بالصفر بشكل طبيعي كل نصف موجة؛ فإن الثايرستور سيصبح بوضع off عند ذلك، وتسمى طريقة إطفاء الثايرستور بهذه الطريقة بالإخماد الطبيعي .

الإخماد الإجباري أو القسريforced commutation : في دوائر التيار المستمر، ولكون التيار في هذه الدوائر لا يمر بالصفر بشكل طبيعي؛ فلا بد من جعل تيار الثايرستور أقل من تيار الإمساك، أو جعل انحيازه سالباً وبشكل إجباري.

التطبيقات الهندسية للثايرستور

تعد الثايرستورات عناصر أساسية في إلكترونيات القدرة الحديثة، حيث تُستخدم بوصفها مفاتيح عالية الكفاءة للتحكم في التيارات والجهود الكبيرة. تشمل تطبيقاتها الرئيسية:  أنظمة نقل الطاقة عالية الجهدVoltage Direct Current (HVDC) High-، تنظيم سرعة المحركات الكهربائية الصناعية، دوائر تقويم التيار، أفران الحث لصهر المعادن، وأنظمة إمداد الطاقة غير المنقطعة Uninterruptible Power Supplies (UPS)، وأهم التطبيقات الحديثة للثايرستور:

• أنظمة نقل الطاقة والشبكات الذكية:  تستخدم في محطات النقل بتيار مستمر عالي الجهد (HVDC)  لربط الشبكات وتحسين استقرارها، وفي أنظمة التعويض الساكن للقدرة غير الفعالةStatic Var Compensator (SVC)  لتحسين معامل القدرة.
• التحكم في المحركات والجر الكهربائي: التحكم الدقيق في السرعة الكبيرة لمحركات التيار المستمر والمتردد في المصانع وعزمها، والقطارات الكهربائية، ومترو الأنفاق.
• الصناعات الثقيلة والتسخين: تنظيم الطاقة في أفران الحث الكهربائي لصهر المعادن، وأنظمة التسخين الصناعي، وآلات اللحام الكهربائي.
• مقومات التيارrectifiers : تحويل التيار المترددإلى تيار مستمر محكوم بدقة في تطبيقات الشحن الصناعي، والطلاء الكهربائي.
• أنظمة الطاقة (UPS): ضمان تحويل سريع ومستقر بين مصادر الطاقة لضمان استمرارية التيار في المراكز الحيوية.

كان أول ظهور للثايرستور عام 1958 من قبل شركة جنرال إلكتريك الأمريكية، حيث استخدم في المقومات الإلكترونية AC/DC converters، واستخدم بعدها على نطاق واسع في جميع دارات التقويم الأحادية الطور والثلاثية الطور وفي دارات التحكم في الأجهزة الكهربائية وفي التطبيقات التي تستثمر الطاقات المتجددة (كالألواح الشمسية والعنفات الريحية).

يُعد التحكم في القيمة المتوسطة لموجة التوتر المطبقة على الثايرستور المبدأ الأساسي في جميع تطبيقاته الهندسية (الشكل 5). وعند وصل الثايرستور بمنبع تغذية ذي توتر متناوب بقيمة عظمى V_m على التسلسل مع حمل ممانعته Z_L، فإن التوتر المطبق على الحمل V_dc يعطى بدلالة زاوية قدح الثايرستور α وV_m وعدد الأطوار  qوفق العلاقة (1):

الشكل (5) دارة تقويم أحادية الطور.

دارات التقويم و الشحن

يمكن استخدام عدة تشكيلات من الثايرستورات لتحقيق عملية تقويم التيار المتناوب إلى تيار مستمر، وقد تكون هذه التشكيلات أحادية الطور وتحتوي على ثايرستور واحد أو اثنين مع دارة تحكم، أو تشكيلات ثلاثية الطور، تحتوي على ستة ثايرستورات موزعة؛ اثنان لكل طور. تسمى هذه الأخيرة جسراً ثايرستورياً تفرعياً مضاعفاً (الشكل 6).

الشكل (6) دارة تقويم ثايرستورية ثلاثية الطور تفرعية PD3.

النقل والتوزيع في الشبكات الكهربائية

يستخدم الثايرستور في دارات النقل بالتوتر العالي المستمر High Voltage DC transmission (HVDC) ، وتُعدّ هذه الدارات إحدى طرائق ربط شبكات التوزيع الكهربائية لنقل الاستطاعة الكهربائية بين الدول (ولا سيّما تلك التي تعمل بترددات كهربائية مختلفة 50-60 هرتز). تتكون هذه المنظومة- باختصار- من مجموعتي تقويم مرتبطتين إحداهما بالأخرى على شكل رأس-عقب، تضم كل مجموعة منهما ستة ثايرستورات تؤلف الجسر الثايرستوري المضاعف PD3 (الشكل 7). كما يستخدم الثايرستور أيضاً في منظومات النقل المرنة للتيار المتناوب (FACTS( Flexible AC Transmission Systems  وفي منظومات التعويض الردية الساكنةStatic VAR   Compensator (STATCOM) (الشكل 8).

الشكل (7) نظام نقل بالتوتر العالي المستمر HVDC.

الشكل (8) المخطط العام لنظام تعويض ردي ساكن STATCOM.

التحكم في المحركات الكهربائية

تُستثمر الثايرستورات في دارات التحكم في محركات التيار المستمر DC machines على نطاق واسع، حيث يمكن تنظيم التوتر المطبق على المتحرض والتوتر المطبق على ملف التهييج عن طريق دارة تحكم ثايرستورية؛ وهذا الأمر يسمح بتنظيم سرعة دوران المحرك والعزم المتولد وفق ما يعرف بنمط التحكم عند عزم ثابت - استطاعة ثابتة (الشكل 9).

الشكل (9) دارة تحكم في محرك تيار مستمر في ربعين من الإحداثيات.

كما يمكن استثمار الثايرستور في تنظيم تهييج excitation الآلات التزامنية synchronous machine عند عملها كمولِّد generator أو محرك؛ ومن ثم تشغيلها مولداً تزامنيّاً أو معوضاً تزامنيَّاً  synchronous compensator (الشكل 10).

الشكل (10) مخطط عام للتحكم في المعوض التزامني عن طريق المجموعات الثايرستورية.

تُستعمل الثايرستورات أيضاً في التحكم في محركات التيار المتناوب ذات القفص السنجابي (الشكل 11) وذات الجسم الدوار rotorالملفوف على شكل جسرين PD3 مرتبطين بشكل متعاكس في التحكم في المحركات التحريضية ذات التغذية المضاعفة double fed indcution motors؛ إذ تربط بين الدوار ومنبع التغذية، مع التحكم في تردد التوتر في الدوار وتنظيم سرعة دوران المحرك. كذلك يمكن استعادة القدرة المتولدة في الدوار (في بعض حالات تشغيل المحرك) وحقنها في منبع التغذية عن طريق النظام السابق نفسه (الشكل 12).

الشكل (11) مخطط عام لدارة التحكم في محرك تحريضي ذي قفص سنجابي.

الشكل (12) المخطط العام للتحكم في محرك تحريضي ذي دوار ملفوف عن طريق المجموعات الثايرستورية.

التحكم العام

تستخدم الثايرستورات في منظومات التحكم التي تحتاج إلى سويات توتر مختلفة، كأنظمة الإنارة مثلاً؛ إذ يمكن التحكم في سوية التوتر المطبق على جهاز الإنارة عن طريق زاوية قدح الثايرستورات المغذية للجهاز وفق ما يعرف بالمخفّتات الكهربائية dimmers (الشكل13)؛ إذ تعتمد على ثايرستورين متصلين رأس- عقب وفق ما يعرف بالترياك Triac (التيار المتناوب الثلاثي المآخذ).

الشكل (13) دارة تحكم في جهاز إنارة تيار متناوب عن طريق المخفّتات.