انواع کلید برق الکترونیکی

انواع کلید برق الکترونیکی:
از این انواع کلید برق معمولاً به عنوان کلیدهای حالت جامد یاد می شود، زیرا هیچ قسمت متحرک فیزیکی ندارند و از این رو فاقد تماس فیزیکی هستند.

بیشتر وسایل، مانند درایو موتور و تجهیزات HVAC توسط سوئیچ های نیمه هادی کنترل می شوند. انواع مختلفی از سوئیچ حالت جامد با اندازه ها و مقادیر نامی مختلف موجود است. برخی از این کلیدهای حالت جامد ترانزیستور، ترایاک، ماسفت، تریستور، آی جی بی تی و… هستند.

ترانزیستور دو قطبی:
یک ترانزیستور، مشابه یک کلید معمولی، یا اجازه عبور جریان را می دهد یا جریان را مسدود می کند. در مدارهای سوئیچینگ، ترانزیستور در حالت قطع برای OFF یا مسدود کردن جریان و در حالت اشباع برای وضعیت ON کار می کند. ناحیه فعال ترانزیستور برای کلیدزنی استفاده نمی شود.

ترانزیستورهای NPN و PNP، در صورتی جریان بیس آن ها کافی باشد، روشن می شوند. هنگامی که جریان کوچکی از طریق ترمینال بیس که از طریق مدار محرک (بین بیس و امیتر متصل است) برقرار شود، موجب روشن شدن مسیر کلکتور-امیتر می شود.

با حذف جریان بیس و کاهش ولتاژ بیس به یک مقدار کوچک منفی، ترانزیستور خاموش می شود. ترانزیستور قادر است جریان های بسیار بزرگ تری را از طریق مسیر کلکتور-امیتر حمل کند.

دیود قدرت:
یک دیود می تواند عمل سوئیچینگ را بین حالت های امپدانس بالا و پایین خود انجام دهد. برای ساخت دیودها از مواد نیمه رسانا مانند سیلیکون و ژرمانیوم استفاده می شود.

دیودهای قدرت معمولاً از سیلیکون ساخته می شوند تا دستگاه در جریان های بالاتر و دمای پیوند بالاتر کار کند. این سوئیچ ها با اتصال مواد نیمه هادی نوع p و n به یکدیگر برای تشکیل پیوند PN ساخته می شوند. دیود قدرت دو ترمینال (آند و کاتد) دارد.

هنگامی که با اعمال ولتاژی بزرگ تر از ولاژ آستانه، پتانسیل الکتریکی آند نسبت به کاتد بیشتر شود، پیوند PN بایاس مستقیم شده و شروع به هدایت می کند (مانند سوئیچ ON). هنگامی که ترمینال کاتد نسبت به آند مثبت شود، اتصال PN معکوس می شود و جریان را مسدود می کند (مانند سوئیچ خاموش).

ماسفت:
ترانزیستور اثر میدان با گیت ایزوله شده (ماسفت) یک قطعه سوئیچینگ تک قطبی و فرکانس بالا است. از این سوئیچ معمولاً در مدارهای سوئیچنگ الکترونیک قدرت استفاده می شود. ماسفت دارای سه ترمینال است که عبارت اند از درین (خروجی)، سورس (مشترک) و گیت (ورودی).

ماسفت قطعه ای کنترل شده با ولتاژ است، به عنوان مثال، با کنترل ولتاژ ورودی (گیت به سورس)، مقاومت بین درین و سورس کنترل می شود که وضعیت ON و OFF قطعه را تعیین می کند.

ماسفت ها می توانند قطعات کانال P یا کانال N باشند. ماسفت کانال N با استفاده از یک VGS مثبت نسبت به سورس تنظیم می شود (به شرطی که VGS بیشتر از ولتاژ آستانه باشد).

ماسفت کانال P به روشی مشابه ماسفت کانال N کار می کند، اما از قطبیت معکوس ولتاژ استفاده می کند. VGS و VDD نسبت به سورس برای روشن کردن ماسفت کانال P منفی هستند.

IGBT:
IGBT (ترانزیستور دو قطبی دروازه ای عایق بندی شده) چندین مزیت ترانزیستور قدرت اتصال دو قطبی و ماسفت قدرت را با هم ترکیب می کند. مشابه ماسفت، IGBT نیز یک قطعه کنترل شده با ولتاژ است و افت ولتاژ حالت ON آن پایین تر (کمتر از ماسفت و نزدیک ترانزیستور قدرت) است.

این کلید یک قطعه سوئیچینگ پرسرعت نیمه هادی است سه ترمینال دارد. این ترمینال ها امیتر، کلکتور و گیت هستند.

مشابه ماسفت، با اعمال ولتاژ مثبت (بیشتر از ولتاژ آستانه) بین گیت و امیتر می توان IGBT را روشن کرد. IGBT را می توان با کاهش ولتاژ گیت-امیتر به صفر خاموش کرد. در بیشتر موارد به ولتاژ منفی نیاز است تا تلفات خاموش کردن را کم شده و IGBT با خیال راحت خاموش شود.

تریستور (SCR):
«یکسوساز کنترل شده سیلیکونی» (SCR) بیشترین استفاده را در دستگاه های سوئیچینگ با سرعت بالا برای کاربردهای کنترل توان دارد. این قطعه یک جهته دیودی است که از سه ترمینال یعنی آند، کاتد و گیت تشکیل شده است.

SCR با کنترل ورودی گیت و شرایط بایاس پایانه های آند و کاتد روشن و خاموش می شود. این قطعه سوئیچینگ از چهار لایه P و N متناوب تشکیل شده است، به طوری که مرزهای هر لایه پیوند J2، J1 و J3 را تشکیل می دهد.

برای آشنایی بیشتر با تریستور، پیشنهاد می کنیم به آموزش «تریستور چیست؟ — به زبان ساده» مراجعه کنید.

ترایاک:
سوئیچ Triac (یا TRIode AC) یک قطعه سوئیچینگ دو طرفه و مدار معادل اتصال SCRهای پشت به پشت با یک ترمینال گیت است. قابلیت کنترل قدرت AC در هر دو قله مثبت و منفی شکل موج ولتاژ، باعث می شود که این قطعه در کنترل کننده های سرعت موتور، تنظیم نور، سیستم های کنترل فشار، درایو موتور و سایر تجهیزات کنترل AC مورد استفاده قرار گیرند.

دیاک:
یک DIAC (یا یک سوئیچ دیودی AC) یک دستگاه سوئیچینگ دو طرفه است و از دو ترمینال تشکیل شده است که به عنوان آند و کاتد نامگذاری نشده اند. این بدان معناست که یک DIAC بدون در نظر گرفتن ترمینال می تواند در هر دو جهت کار کند. این یعنی از DIAC می توان در هر دو جهت استفاده کرد.

وقتی ولتاژ به یک DIAC اعمال می شود، یا در حالت مسدودسازی مستقیم یا در حالت مسدودسازی معکوس عمل می کند مگر اینکه ولتاژ اعمال شده کمتر از ولتاژ شکست باشد. هنگامی که ولتاژ به بیش از ولتاژ شکست افزایش یابد، شکست بهمنی رخ می دهد و قطعه شروع به هدایت می کند.

برای آشنایی بیشتر با دیاک، پیشنهاد می کنیم به آموزش «دیاک (DIAC) چیست؟ — به زبان ساده» مراجعه کنید.

GTO:
جی تی اُ یا GTO (تریستور خاموش شونده با گیت) یک قطعه سوئیچ نیمه هادی دوقطبی است که سه ترمینال آند، کاتد و گیت دارد. همان گونه که از نام آن مشخص است، این قطعه سوئیچینگ قادر است از طریق ترمینال گیت خاموش شود.

با اعمال یک تریگر جریان مثبت به گیت، GTO روشن می شود و باعث هدایت آن می شود و توسط یک پالس منفی به گیت خاموش می شود. نماد GTO شامل دو فلش بر روی ترمینال گیت است که جریان دو طرفه را از طریق ترمینال گیت نشان می دهد.