Thyristor Working Principle |थाइरिस्टर का कार्य सिद्धांत

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थाइरिस्टर (Thyristor) या एससीआर( SCR) सिलिकॉन (Silicon) नियंत्रित रेक्टिफायर (rectifier) एक सेमीकंडक्टर डिवाइस है जो केवल एक दिशा में विद्युत प्रवाह के प्रवाह की अनुमति देता है.यह डायोड (diode) के समान कार्य करता है।

अध्ययनों से पता चला है कि #HVDC (हाई वोल्टेज डायरेक्ट करंट) ट्रांसमिशन बड़ी दूरी पर बहुत उच्च परिमाण के वोल्टेज ट्रांसमिट करने के लिए अधिक किफायती है। इसलिए, बिजली उत्पादन स्टेशनों में उत्पन्न उच्च वोल्टेज एसी (AC) को उच्च वोल्टेज डीसी (DC) में परिवर्तित करने की आवश्यकता है.

एक थाइरिस्टर उच्च वोल्टेज (Voltage) और धाराओं (Current) पर भी इसे प्रभावी ढंग से करता प्रतीत होता है.यह एक फोर-लेयर, 3 टर्मिनल सॉलिड-स्टेट सेमीकंडक्टर डिवाइस है जो बिस्टेबल स्विच (bistable switch), रेक्टिफायर और कई अन्य के रूप में कार्य कर सकता है।

क्या होता है थाइरिस्टर ?|(thyristor can be termed as)

यदि बिजली की आपूर्ति एक मानक SCR से जुड़ी है, तो P और N परतों के बीच दो जंक्शनों में से एक रिवर्स बायस्ड (reverse biased) होगा। इस प्रकार, ट्रांजिस्टर को ‘ON‘ स्थिति में लाने के लिए एमिटर और बेस टर्मिनलों के बीच निरंतर माध्यमिक वोल्टेज जुड़ा हुआ है।

लेकिन, इस द्वितीयक वोल्टेज (Secondary Voltage) स्रोत का अर्थ है उच्च शक्ति का नुकसान, विशेष रूप से उच्च शक्ति अनुप्रयोगों के लिए .थाइरिस्टर vector image

इसके समाधान के रूप में, विलियम शॉक्ले ने 1950 में पहली बार थाइरिस्टर का प्रस्ताव रखा.
थाइरिस्टर नाम थायट्रॉन और ट्रांजिस्टर से मिलकर बना है। यह सेकेंडरी वोल्टेज सोर्स को डिस्कनेक्ट करने के बाद भी काम कर सकता है .यह एक अर्धचालक( Semiconductor) उपकरण है जिसमें 4 बारी-बारी से P और N परतें (Layer) होती हैं.

थाइरिस्टर में तीन टर्मिनल होते हैं, कैथोड (cathode), एनोड (Anode) और गेट (gate)। गेट टर्मिनल कैथोड के पास पी-लेयर (P layer) से जुड़ा होता है। यह एनोड और कैथोड टर्मिनल के बीच आवेशों के प्रवाह को नियंत्रित करता है

एक थाइरिस्टर का  मूल रूप क्या होता है |(a thyristor is basically)

थाइरिस्टर (Thyristor) का मुख्य घटक सिलिकॉन (Silicon) है, जो पृथ्वी पर व्यापक रूप से पाया जाने वाला तत्व है। सिलिकॉन को शुद्ध किया जाता है और पतली परतों में आकार दिया जाता है जिसे वेफर्स (Wafers) कहा जाता है.

यदि हम सिलिकॉन की संरचना ( Atomic Structure of Silicon) को करीब से देखें, तो हम देख सकते हैं कि संयोजकता इलेक्ट्रॉन( Valence electron), जो कि परमाणु की सबसे बाहरी परत के होते हैं, अन्य सिलिकॉन परमाणुओं (atoms) से जुड़े होते हैं।

यह परिष्कृत प्रौद्योगिकियों का उपयोग करके एक बहुत ही नियमित क्रिस्टल जाली (crystal lattice) बनाता है। शुद्धतम सिलिकॉन में विभिन्न तत्वों के परमाणु (atoms) डाले जाते हैं; इसे डोपिंग ( Doping) कहते हैं.

थायरिस्टर की परमाणु संरचना |(Atomic Structure of Thyristor)Thyristor Symbol

इसके क्रिस्टल जाली( Crystal Lattice) में अशुद्धियों (impurities) की उपस्थिति सिलिकॉन को अर्धचालक ( Semiconductor) बनने की अनुमति देती है. सिलिकॉन तत्वों की आवर्त सारणी ( periodic table) के समूह 14 से संबंधित है और इसमें चार वैलेंस इलेक्ट्रॉन हैं.

यदि डोपिंग परमाणु समूह 13 में हैं, जिसमें बोरॉन (boron) या गैलियम (gallium) जैसे तीन वैलेंस इलेक्ट्रॉन हैं, तो हम कंडक्टर टुकड़ा प्राप्त कर सकते हैं और एक छेद (hole) बना सकते हैं।

इसके बजाय फॉस्फोरस ( phosphrus) और आर्सेनिक (arsenic) जैसे पांच वैलेंस इलेक्ट्रॉनों के साथ समूह 15 के तत्वों का उपयोग करके, हम एक प्रकार और अर्धचालक (semicondcutor) उत्पन्न कर सकते हैं, जिससे क्रिस्टल जाली में एक मुक्त इलेक्ट्रॉन निकल जाता है।

थाइरिस्टर के कार्य को समझने के लिए, हमें डायोड (diode) के बारे में थोड़ा जानना होगा।

डायोड का कार्य करना (PN जंक्शन) | Working Of Diodes

हम पीएन जंक्शन का उत्पादन कर सकते हैं यदि हम टाइप पी (P) को टाइप एन (N) सेमीकंडक्टर के साथ जोड़ते हैं.इस पतली परत में पृथक्करण क्षेत्र को अवक्षय क्षेत्र (depletion region) कहा जाता है। दी गई अंतिम परत के मुक्त इलेक्ट्रॉन P परत के छिद्रों पर कब्जा कर लेंगे, एक नया क्षेत्र बनाएंगे जहां कोई भी मुक्त इलेक्ट्रॉन या छेद नहीं हैं.

एक बार जब हम संतुलन पक्ष (saturation) में पहुंच जाते हैं, तो ह्रास क्षेत्र धनात्मक (positive) रूप से आवेशित हो जाता है। इसके विपरीत, जब पक्ष P ऋणात्मक रूप से आवेशित हो जाता है, तो एक विद्युत क्षेत्र(electric field) उत्पन्न होता है, जो अतिरिक्त विनिमय के लिए एक अवरोध है।
और यह इंसुलेशन (insultation) की तरह व्यवहार करता है, और यह एक PN डायोड (diode) है।

एक अंत परत पर नकारात्मक ध्रुव (negative pole), कैथोड, और पी परत पर सकारात्मक ध्रुव के साथ, हम संभावित बाधा से बेहतर वोल्टेज के साथ बहुत दूर के छोर को शक्ति दे सकते हैं। प्रत्यक्ष ध्रुवीकरण घटना को एनोड पर देखा जा सकता है.

हम N परत के भीतर नए इलेक्ट्रॉनों की गति और अवक्षय क्षेत्र (depletion region) से मुक्त इलेक्ट्रॉनों (free electron) की यात्रा देख सकते हैं
उनका उपयोग P layer के साथ छेद भरकर और फिर reverse bias के साथ सर्किट को बंद करके बिजली आपूर्ति की ध्रुवीयता को उलटने के लिए किया जाता है।रिक्तीकरण क्षेत्र अधिक व्यापक हो जाएगा, जिससे विद्युत प्रवाह अवरुद्ध हो जाएगा।

हम समझते हैं कि डायोड एक दिशा में काम करता है, जिससे करंट केवल एक दिशा में प्रवाहित होता है।

एक थाइरिस्टर कैसे काम करता है? | (How does a thyristor work)

थाइरिस्टर पीएनपीएन कॉन्फ़िगरेशन (PNPN Configuration) में बारी-बारी से सेमीकंडक्टर वेफर्स (Semiconductor wafers) की चार परतों में डायोड (diode) से भिन्न होता है, जिससे तीन कमी क्षेत्र बनते हैं, जहां एनोड(Anode) बाहरी P Layer है। कैथोड विपरीत अंत परत है और इसे गेट (gate) कहा जाता है, जो एक कंडक्टर पर मध्यवर्ती टुकड़े के अंत में पाया जाता है.

एक द्वितीयक वोल्टेज स्रोत गेट और कैथोड टर्मिनलों के बीच जुड़ा होता है, और इलेक्ट्रॉनों को पी-क्षेत्र में अंतःक्षिप्त किया जाता है.PNPN structure of Thyristor

आखिरकार, P-क्षेत्र इलेक्ट्रॉनों से भर जाता है और N-क्षेत्र बन जाता है। नीचे की तीन परतें N- प्रकार की हैं, और सबसे ऊपरी परत P- प्रकार की हैं।

इस प्रकार, यह एक PN जंक्शन डायोड के रूप में कार्य करता है
और द्वितीयक वोल्टेज स्रोत को हटा दिए जाने पर भी संचालन करना और संचालित करना शुरू कर देता है।
पी-क्षेत्र में पर्याप्त इलेक्ट्रॉनों को अंतःक्षिप्त किया गया है और एन-क्षेत्र में अपना रास्ता बना लिया गया है

जैसा कि आप देख सकते हैं, विद्युत प्रवाह को बनाना असंभव होगा क्योंकि एक अप्रत्यक्ष स्टेशन केंद्रीय कमी क्षेत्र को बढ़ा देगा.
रिवर्स बायस के साथ, विद्युत प्रवाह के अप्रत्यक्ष ध्रुवीकरण को सुविधाजनक बनाने के लिए अन्य दो में वृद्धि होगी। कैथोड और गेट के बीच जुड़ी दूसरी बिजली आपूर्ति को ट्रिगर करने वाले गेट के साथ थाइरिस्टर को केंद्रीय कमी क्षेत्र को पार करना होगा।

Holding Current in hindi

इस प्रकार, जब गेट टर्मिनल को पर्याप्त सकारात्मक सिग्नल पल्स या करंट की आपूर्ति की जाती है, तो यह आचरण करना शुरू कर देता है।
थाइरिस्टर अवस्था को संचालित करने के लिए हवा के न्यूनतम मान को होल्डिंग करंट (Ih) (Holding Current) कहा जाता है।

Latching Current in hindi

सेमीकंडक्टर स्तर पर, थाइरिस्टर ( Thyristor) को चालू (या लैच) करने और काम करना शुरू करने के लिए, दोनों मानक आधार ट्रांजिस्टर के Current gain का योग एकता से अधिक होना चाहिए।आवश्यक करंट को लैचिंग करंट (latching Current) के रूप में जाना जाता है।

थाइरिस्टर को बंद कैसे करें? | How to turn off the thyristor ?

एक थाइरिस्टर को बंद करने के लिए, करंट मूल्य को बदलना चाहिए ताकि total current gain एक से कम हो।
टर्न-ऑफ (turn off) तब शुरू होता है जब करंट वैल्यू होल्डिंग करंट से कम हो जाती है।

उन्हें एक ट्यून किए गए एलसी सर्किट (LC ckt) से जोड़कर भी बंद किया जा सकता है, जहां वे एक स्थिर वोल्टेज ( stable voltage) के बजाय उतार-चढ़ाव वाले वोल्टेज (fluctuating voltage) के अधीन होते हैं।

थाइरिस्टर की V-I विशेषताएँ| V- I characteristics of thyristor in hindi

हम कैथोड वोल्टेज (Va) और एनोड करंट (Ia) के बीच बिजली की आपूर्ति देकर V-I विशेषताएँ प्राप्त करते हैं।

VI characteristic of thyristor

अधिग्रहीत विशेषताओं से, यह अनुमान लगाया जाता है कि थाइरिस्टर ( Thyristor) के ऑपरेशन के तीन तरीके हो सकते हैं.

रिवर्स ब्लॉकिंग मोड |Reverse blocking mode

इस मोड में, एनोड के संबंध में कैथोड थोड़ा सकारात्मक हो जाता है। द्वितीयक वोल्टेज स्रोत जुड़ा नहीं है।
इस प्रकार, जंक्शन 1 और 3 रिवर्स बायस्ड हैं, और जंक्शन 2 फॉरवर्ड बायस्ड हैं

थाइरिस्टर श्रृंखला में जुड़े दो डायोड के रूप में व्यवहार करता है जिसमें उनसे जुड़े रिवर्स वोल्टेज स्रोत होते हैं।

MiliAmp के क्रम का केवल एक छोटा लीकेज करंट (leakage current) डिवाइस के माध्यम से बहता है। यह थाइरिस्टर की बंद (OFF) स्थिति है।

जब रिवर्स वोल्टेज लागू एक निश्चित सीमा से अधिक हो जाता है जिसे ब्रेकडाउन वोल्टेज (breakdown Voltage) कहा जाता है, तो रिवर्स-बायस्ड जंक्शनों पर एक हिमस्खलन (avalanche) होता है, और करंट तेजी से बढ़ता है।

इससे डिवाइस ज़्यादा गरम हो सकता है और क्षतिग्रस्त हो सकता है। इस प्रकार, डिवाइस का रिवर्सिबल वर्किंग वोल्टेज ब्रेकडाउन वोल्टेज (Vbr) से कम होना चाहिए।

रिवर्स ब्लॉकिंग मोड में, थाइरिस्टर उच्च प्रतिवर्ती प्रतिबाधा प्रदान करता है और इस प्रकार इसे एक ओपन सर्किट के रूप में माना जा सकता है

फॉरवर्ड ब्लॉकिंग मोड | Forward Blocking Mode

इस मोड में, कैथोड की तुलना में एनोड पॉजिटिव होता है। गेट टर्मिनल के स्विच को खुला रखा जाता है.
उसके बाद, जंक्शन 1 और 3 आगे बायस्ड हो जाते हैं, और जंक्शन 2 रिवर्स बायस्ड.

प्रारंभिक फॉरवर्ड लीकेज करंट का एक छोटी वैल्यू एनोड से कैथोड की ओर प्रवाहित होता है, जिसमें टर्मिनलों पर एक छोटा वोल्टेज ड्रॉप ( Voltage drop) होता है.प्रतिबाधा (impedence) की पेशकश बहुत अधिक होने से , और इसलिए इस मामले में डिवाइस एक ओपन सर्किट (open ckt) के रूप में कार्य करता है।

फॉरवर्ड कंडक्शन मोड: |Forward Conduction Mode

गेट और कैथोड टर्मिनलों के बीच एक उपयुक्त गेट पल्स को जोड़कर थाइरिस्टर को फॉरवर्ड ब्लॉकिंग मोड से कंडक्शन मोड तक खींचा जा सकता है।
इस मोड में, थाइरिस्टर न्यूनतम वोल्टेज पर अधिकतम करंट का संचालन करता है और करंट स्टेट में होता है.

थायरिस्टर्स के प्रकार | Types of Thyristor

Unidirectional Control Capability: SCR, RCT, LASCR

Turn off capability: GTO, MTO, ETO

Bidirectional Control :TRIAC, DIAC, SIDAC

थाइरिस्टर के उपयोग | Application of Thyristor

  • थायरिस्टर्स का उपयोग इनवर्टर, एसी ,वोल्टेज कन्वर्टर्स और कंट्रोलेबल वोल्टेज रेक्टिफायर्स के रूप में किया जाता है क्योंकि वे एक निश्चित एसी वोल्टेज से एडजस्टेबल डीसी वोल्टेज की आपूर्ति कर सकते हैं।
  • वास्तव में, एक थाइरिस्टर को एक प्रत्यावर्ती धारा प्रदान करना, जिसमें एक साइनसॉइडल (Sinusoidal) प्रत्यावर्ती वोल्टेज होता है, एक एकल अर्ध-तरंग (single half-wave rectified) सुधारित की आपूर्ति कर सकता है, जिसे स्पंदनशील प्रत्यक्ष करंट (pulsating direct current) कहा जाता है।
  • इसके अलावा, गेट ट्रिगरिंग में देरी से, आउटपुट की तीव्रता को विनियमित करने के लिए वोल्टेज के सकारात्मक विकल्प के किसी भी पल में थाइरिस्टर को ट्रिगर किया जा सकता है।
  • कपैसिटर के करंट को स्मूथ करने में उपयुक्त है , एक प्रत्यक्ष वर्तमान थाइरिस्टर की आपूर्ति करने वाला संकेत बहुत छोटा हो सकता है, कुछ दसियों मिली एम्प्स को संभालने में सक्षम होता है.
  • Thyristor मध्यम और उच्च वोल्टेज हो सकते हैं, जो बिजली नियंत्रण अनुप्रयोगों के लिए अधिक उपयुक्त होते हैं जैसे कि एक light dimmer.
  • वेल्डिंग मशीनों का नियंत्रण
  • हालांकि, आमतौर पर उन उपकरणों में थायरिस्टर्स का उपयोग किया जाता है जिन्हें उच्च शक्ति नियंत्रण की आवश्यकता होती है।
    उनका उपयोग औद्योगिक अनुप्रयोगों में और रेलवे ट्रैक्शन में इलेक्ट्रिक मोटर के उच्च गति विनियमन में किया जाता है,