آشنایی با قطعات الکترونیک قدرت

آشنایی با قطعات الکترونیک قدرت:
الکترونیک قدرت، علمی است که در آن، از نیمه رساناها برای کنترل و تبدیل توان الکتریکی استفاده می شود.

محدوده جریان و ولتاژ در مدارهای الکترونیک قدرت، به هزاران ولت و یا هزاران آمپر می رسد.

مشخصه اصلی این دیود، عبور یک جهته جریان از آن است. در دیود بر خلاف مقاومت، جریان بر حسب ولتاژ اعمالی، خطی نیست. مشخصه ولتاژ-جریان در دیود پیوند PN به صورت نمایی است. بنابراین نمی توان مثل قانون اهم، یک رابطه ولتاژ-جریان ساده برای دیود تعریف کرد.

دیود زنر نوع خاصی دیود است که برخلاف دیودهای عادی، جریان را در دو جهت عبور می دهد. این دیود، قلب تنظیم کننده ها و مدارهای ولتاژ است و ولتاژ مرجع تقویت کننده تفاضلی را تولید می کند. ویژگی اصلی یک دیود زنر، هدایت جریان در دو جهت است. یکی دیگر از مقالات این مجموعه، درباره دیود زنر است.

تریستور (Thyristor) یک قطعه نیمه رسانای چند لایه است که در مدارهای الکترونیک قدرت و الکترونیک صنعتی از آن استفاده می شود و در مقاله ای آن را معرفی کرده ایم. گاهی تریستور را «یکسوساز کنترل شده با سیلیکون» (Silicon Controlled Rectifier) یا SCR نیز می نامند.

برای روشن شدن این قطعه پسیو، باید به پایه گیت آن (بخش کنترل شده) یک سیگنال اعمال کرد. در حقیقت، با اعمال سیگنال گیت یک دیود یکسو خواهیم داشت و این متناظر با کلمه یکسوساز در SCR است. در حقیقت، تریستور یک دیود قابل کنترل است.

تریستورها را می توان برای سوئیچینگ جریان های بزرگ و کنترل مقدار میانگین جریان بار AC بدون اتلاف توان زیاد به کار برد. یک مثال خوب برای کنترل توان توسط تریستور، کنترل روشنایی الکتریکی، هیتر و سرعت موتور است.

«ترانزیستور دو قطبی با گِیت عایق شده» (Insulated Gate Bipolar Transistor) یا به اختصار IGBT، قطعه ای نیمه رسانا است که عملکردی بین ترانزیستور پیوندی دو قطبی (BJT) و ترانزیستور اثر میدان (MOSFET) دارد. ترانزیستور IGBT بهترین بخش های دو ترانزیستور متداول BJT و MOSFET را در ساختار خود دارد.

در واقع، امپدانس ورودی بزرگ و سرعت سوئیچینگ بالای MOSFET و ولتاژ اشباع پایین BJT با هم ترکیب شده است و نوع دیگری ترانزیستور به نام IGBT ساخته شده که قابلیت عملکرد در مقادیر بالای جریان کلکتور-امیتر را با ولتاژ گیت تقریباً صفر دارد.

IGBTها به طور گسترده در کاربردهای الکترونیک قدرت مانند اینورترها، مبدل ها و منابع تغذیه که به قطعات سوئیچینگ حالت جامد نیاز داشته و ماسفت ها و BJTها در آن جا کارایی لازم را ندارند، مورد استفاده قرار می گیرند. یک مقاله نیز به این قطعه پرکاربرد اختصاص داده شده است.

قطعه نیمه هادی دیگری وجود دارد که «کلید AC سه پایه» (Triode AC Switch) یا به اختصار «ترایاک» (Triac) نامیده می شود. ترایاک نیز از خانواده تریستورها است که می توان آن را به عنوان قطعات سوئیچینگ توان حالت جامد به کار برد.

اما چیزی که درباره ترایاک ها اهمیت دارد، این است که این قطعات «دو طرفه» هستند. به عبارت دیگر، می توان یک ترایاک را با اعمال ولتاژهای مثبت و منفی به آند و نیز پالس مثبت و منفی به گیت، در حالت هدایت قرار داد.

این امر سبب می شود ترایاک یک قطعه سوئیچینگ کنترل شده با گیت دو ربعی (Two-Quadrant) باشد.

تریاک دقیقاً مانند دو تریستور معمولی عمل می کند که به صورت موازی معکوس (پشت به پشت) به یکدیگر متصل شده اند و به دلیل این ساختار، دو تریستور یک پایه گیت مشترک خواهند داشت. بنابراین، ترایاک قطعه ای سه سر است. معرفی ترایاک در مقاله ای مجزا ارائه شده است.

دیاک، قطعه دیگری است که در این مجموعه مقالات به آن پرداخته ایم. سوئیچ جریان متناوب دیودی (Diode AC Switch) یا به اختصار «دیاک» (DIAC)، یکی دیگر از قطعات نیمه هادی حالت جامد است که سه لایه و دو پیوند دارد.

برخلاف ترانزیستور، دیاک اتصال بیس ندارد و به همین دلیل، یک قطعه دو پایه یا دو سر است. دیاک ها قطعاتی هستند که قابلیت کنترل یا تقویت کنندگی ندارند، اما بسیار شبیه به یک دیود سوئیچینگ دو طرفه عمل می کنند و می توانند جریان را با وجود هر پلاریته ای در منبع ولتاژ AC هدایت کنند.

ترانزیستور تک پیوندی یا به اختصار UJT، یک قطعه نیمه هادی سه سر است که در پالس دریچه ای، مدارهای زمان بندی و برنامه های راه انداز ژنراتور برای تغییر و کنترل تریستور و ترایاک برای کاربردهای کنترل منبع تغذیه AC قابل استفاده است.

ترانزیستورهای تک پیوندی، مانند دیودها، از قطعات نیمه هادی نوع P و نوع N ساخته شده اند، به طوری که قطعه نیمه هادی نوع P در کانال قطعه نوع N نفوذ داده شده است.

اگرچه ترانزیستور تک پیوندی جزو دسته ترانزیستورها است اما ویژگی های سوئیچینگ آن با ترانزیستور دوقطبی معمولی یا ترانزیستور اثر میدان بسیار متفاوت است؛ زیرا این ترانزیستور را نمی توان برای تقویت سیگنال استفاده کرد بلکه به عنوان ترانزیستور سوئیچ on-off استفاده می شود.

ترانزیستور UJT دارای ویژگی های رسانایی یک جهته و امپدانس منفی است که شبیه یک مقسم ولتاژ (voltage divider) در آستانه از کار افتادن عمل می کند. یک آموزش نیز به این قطعه اختصاص داده شده است.