كيف يعمل الثايرستور؟

توجد أجهزة الثايرستور في منازلنا دون أن ندرك أنها تعمل في الأجهزة. يمكنك العثور عليها على سبيل المثال في الغسالات والمثاقب ومخفتات الضوء. تبدو مثل الترانزستورات في الشكل والوظيفة، وقد يخلط البعض بينهما، إلا أنهما مختلفان بعض الشيء. فما هو الثايرستور وكيف يعمل؟

ما هو الثايرستور؟

تحتوي معظم الأجهزة المنزلية على مفاتيح تشغيل كهربائية تُعرف بالترانزستورات، مهمتها إيقاف التيارات الكهربائية الصغيرة وتشغيلها، وتحويل التيارات الصغيرة إلى تيارات أكبر حجماً، كما في مكبر الصوت. إلا أنها ليست مفيدة عندما يتعلق الأمر بالتيارات الأكبر، كما أنها تتوقف عن العمل بمجرد إزالة تيار التبديل، أي أنها غير مفيدة في أجهزة مثل أجهزة الإنذار التي نحتاج إلى بقائها في وضع التشغيل دائماً. لحل مثل هذه المشكلات، يمكن استخدام مكوّن إلكتروني شبيه إلى حد ما بالترانزستور، ويُعرف بالثايرستور.

يتكون الثايرستور من 4 طبقات من أشباه الموصلات، من النوع P وN بالتناوب، ويحتوي على 3 أقطاب، هي، الأنود (طرف موجب)، والكاثود (طرف سالب)، والبوابة (طرف تحكم).

تتمثل الوظيفة الأساسية للثايرستور في التحكم في الطاقة الكهربائية والتيار من خلال العمل كمفتاح، حيث يوفر حماية كافية للدارات ذات الفولتية الكبيرة والتيارات العالية (حتى 6000 فولت، 4500 أمبير). بالإضافة إلى دوره كمقوم لأنه يمكن أن ينتقل بسرعة من حالة التيار الموصّل إلى حالة عدم التوصيل.

اقرأ أيضاً: كيف يعمل المولد الكهربائي؟

كيف يعمل الثايرستور؟

يعمل الثايرستور كمفتاح تبديل، بشكل مشابه لأجهزة تبديل أخرى مكونة من أشباه الموصلات هي الصمام الثنائي الوصل، وهو جهاز شبه موصل ذو طبقتين (PN)، والترانزستور وهو جهاز تبديل ثلاثي الطبقات (PNP، أو NPN). إذاً لفهم الآلية التي يعمل بها الثايرستور، لا بُدّ من توضيح آلية عمل الترانزستور والصمام الثنائي بداية.

الصمام الثنائي

يمتاز السيلكون ببنية بلورية فريدة، حيث تشكل الإلكترونات الأربعة في المدار الخارجي روابط تساهمية مع الكترونات الذرات المجاورة، إلا أنها تسمح لكمية ضئيلة من الكهرباء بالمرور عبرها. لزيادة هذه الناقلية يتم حقن السيليكون بمنشطات (شوائب) تسمح للإلكترونات بتشكيل روابط أيونية. وفقاً لنوع الشوائب نحصل على:

• سيلكون من النمط N: يضاف الزرنيخ أو الفوسفور، حيث تضم ذرة كليهما 5 إلكترونات على مدارها الخارجي، بينما يحتوي السيلكون على 4، وبذلك يبقى هناك إلكترون حر.
• سيلكون من النمط P: يُستخدم الغاليوم أو البورون، وتضم ذرة كليهما 3 إلكترونات في مدارها الخارجي، ما يؤدي إلى تشكيل "ثقوب" في نطاق تكافؤ ذرات السيلكون، يمكنها استقبال إلكترونات.

عندما تصطف طبقتان من السيلكون من النمط N، مع طبقة من النمط P، تهاجر الإلكترونات الفائضة من النمط N، لتملأ الثقوب في النمط P، ما يؤدي لتعاكس الشحنات، وتشكّل مجالاً كهربائياً داخلياً يعوق انتقال إلكترونات الطبقة N إلى ثقوب الطبقة P في منطقة تلامس الطبقتين، وتدعى بمنطقة النضوب. هذا التقاطع PN ليس سوى صمام ثنائي. عندما نوصّل الصمام الثنائي بمصدر جهد أكبر من المجال الكهربائي في منطقة التقاطع، سيتم دفع الإلكترونات بواسطة الطرف السالب، وتعبر منطقة التقاطع في حالة منحازة للأمام فقط. ومع ذلك، إذا عكسنا جهد الإمداد، فإن الإلكترونات والثقوب ستبتعد ببساطة، ولن يعمل الصمام الثنائي.

اقرأ أيضاً: طاقة مستدامة: كيف تعمل الطاقة الشمسية بالضبط؟

الترانزستور

يحتوي الترانزستور على ثلاثة أقطاب، تُعرف بالباعث والمجمع والقاعدة، ولتشغيله نقوم بتوصيل مصدر جهد ثانوي بين الباعث وطرف القاعدة. وإذا أزلنا مصدر الجهد الثانوي، سيتم إيقاف الترانزستور، لذا فهو يحتاج إلى مصدر تيار مستمر للعمل، ما قد يؤدي إلى فقد كبير في الطاقة، خاصة إذا كانت تطبيقات الطاقة عالية.

للتغلب على هذه المشكلة، اقترح المهندس ويليام شوكلي عام 1950، مفتاح تشغيل الثايرستور، والذي لا يحتاج إلى الإمداد الثانوي المستمر للبقاء قيد العمل. فكيف ذلك؟

طريقة عمل الثايرستور

يتصرف الثايرستور مثل الصمام الثنائي، لكنه يحتوي على أربع طبقات من P وN، فتتشكل 3 مناطق نضوب بين الطبقات (تقاطعات). ولكن بغض النظر عن طريقة تطبيق الجهد الثانوي، سيكون هناك دائماً تقاطع عكسي واحد على الأقل، أي ستصبح منطقة النضوب أوسع وستمنع تدفق التيار الكهربائي.

لكسر منطقة النضوب، يتم استخدام طريقة "إطلاق البوابة"، وهي عملية حقن الإلكترونات من خلال توصيل مصدر طاقة ثانٍ بين الكاثود والبوابة، ما يسمح بضخ الكثير من الإلكترونات في المنطقة P.

مع استمرار هذه العملية، تُغمر المنطقة P بالإلكترونات، فتتحول إلى منطقة N جديدة يمكنها أن تقلل من منطقة النضوب تلقائياً، ويمكن للتيار الكهربائي عبور آخر تقاطع PN وإغلاق الدارة.

وبذلك أصبح بالإمكان إزالة المصدر الثانوي للطاقة، وسيستمر الثايرستور في العمل دون تشغيل البوابة. بعبارة أخرى، يعمل تشغيل البوابة كمفتاح يسمح بمرور التيار في الثايرستور أو يمنعه، لذا يستخدم الثايرستور في المحولات ومحولات جهد التيار المتردد ومعدلات الجهد التي يمكن التحكم فيها.

اقرأ أيضاً: كيف يعمل السخان الكهربائي؟

حالات عمل الثايرستور

يعمل الثايرستور في ثلاث حالات، وهي:

• حالة الحجب الأمامي: في هذه الحالة، يكون الثايرستور متحيزاً عكسياً، بحيث لا يوجد تيار يتدفق إلى البوابة.
• حالة الحجب العكسي: لدى عكس توصيل قطبي الكاثود والأنود، حيث تصبح كلتا الثنائيتين العلوية والسفلية منحازتين عكسياً، ولا يوجد تيار يتدفق عبر الثايرستور.
• حالة التوصيل إلى الأمام: في هذه الحالة، يكون الثايرستور متحيزاً للأمام. بمجرد تشغيله، يظل في هذه الحالة حتى ينخفض التيار من خلاله إلى ما دون مستوى معين.

في الختام، إن قدرة الثايرستور على التعامل مع التيارات والجهود العالية والضياعات المنخفضة، تجعله خياراً شائعاً لتطبيقات إلكترونيات الطاقة.