|
|
|
(SCR) Silicon Control Rectifier เอส.ซี.อาร์.
โครงสร้างและสัญลักษณ์ SCR
SCR
เป็นอุปกรณ์ประเภทสารกึ่งตัวนำโดยมีโครงสร้างภายในประกอบด้วยชั้นของสารกึ่งตัวนำ
4 ชั้น ซึ่งได้รับการโดป (Dope) ในปริมาณที่แตกต่างกัน
และมีขั้วต่อใช้งาน 3 ขั้ว ได่แก่ อาโนด (A) คาโธด (K) และเกท (G)
ดังแสดงในรูป
![]()
เอสซีอาร์เป็นอุปกรณ์ที่ถูกสร้างขึ้นมาเพื่อใช้ทำหน้าที่เป็นโซลิดสเตตสวิตช์ซึ่งสามารถนำไปใช้ในการควบคุมการจ่ายกำลังไฟให้แก่อุปกรณ์หรือวงจร
เอสซีอาร์ เป็นอุปกรณ์ที่นำกระแสได้ทิศทางเดียว
ประกอบด้วยสารกึ่งตัวนำชนิด Pและ N วางซ้อนกัน 4 ชั้น ทำให้เกิดรอยต่อ
3 รอยต่อ เราเรียกอุปกรณ์พวกนี้ว่า ว่าไทริสเตอร์ (thyristor)
![]()
แสดงรูปของเอสซีอาร์
![]() ![]()
โครงสร้างของและสัญลักษณ์ของเอสซีอาร์
การทำงานของเอสซีอาร์
![]()
การเปิดเอสซีอาร์ให้นำกระแสนั้น
ทำได้โดยการป้อนแรงดันไฟฟ้าบวกที่ขั้วเกตที่เรียกว่าจุดชนวนเกตหรือสัญญาณทริกเกอร์
(Trigerred)ดังรูป
เมื่อกดสวิตช์ เอสซีอาร์นำกระแส
การหยุดการทำงานของเอสซีอาร์
![]()
การหยุดการทำงานของเอสซีอาร์นี้จะทำได้เพียงทางเดียวเท่านั้น
คือลดค่ากระแสที่ไหลผ่านแอโนดลง จนต่ำกว่าค่าที่เรียกว่า กระแสโฮลดิ้ง
(holding current) หรือเรียกว่า Ih
และในกรณีที่เอสซีอาร์ถูกใช้งานโดยการป้อนกระแสสลับผ่านตัวมัน
การหยุดทำงานของมันจะเกิดขึ้นโดยอัตโนมัติ
เมื่อค่าแรงดันไฟสลับที่ให้นั้นใกล้กับจุดที่เรียกว่า "จุดตัดศูนย์"
(Zero-crossing point) ซึ่งจะเกิดขึ้นทุก ๆ
ครึ่งคาบเวลาของสัญญาณไฟสลับที่ให้แก่วงจรนั้น
ถ้าต้องการหยุดการนำกระแสของเอสซีอาร์จากวงจรทำได้โดยกดสวิตช์ S2 หรือ
S3
สิ่งที่กล่าวมาข้างตันเป็นเพียงหลักการทำงานพื้นฐานของเอสซีอาร์
ซึ่งจะเห็นได้ว่า เป็นอุปกรณ์ ที่สามารถนำไปใช้งานได้อย่างง่าย ๆ
แต่ข้อสำคัญคือการเลือกใช้เอสซีอาร์
ให้เหมาะกับงานที่ต้องการซึ่งจะพบว่าในการเลือกใช้เอสซีอาร์แต่ละเบอร์นั้น
ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติเฉพาะของแต่ละเบอร์
เช่นค่าแรงดันและกระแสสูงสุดที่จะทนได้
ค่าความไวของเกตและค่ากระแสโฮลดิ้ง ในตาราง ได้แสดงถึงคุณสมบัติต่าง ๆ
เหล่านี้ของเอสซีอาร์เบอร์ต่าง ๆ ที่นิยมใช้ โดย PIV
คือค่าแรงดันสูงสุดที่จะทนได้, Vgt / Igt คือแรงดัน /
กระแสที่ใช้ในการทริกที่เกตและ Ih คือกระแสโฮลดิ้ง
ลักษณะสมบัติของเอสซีอาร์
คุณลักษณะของ SCR รูปแสดงการให้ไบอัสที่ถูกต้องแก่ SCR สำหรับในรูปขยายด้านซ้ายมือ แสดงรูปลักษณะของ SCR ทั้งแบบ Low-power และแบบ High-Power ส่วนรูปขยายด้านขวามือเป็นกราฟแสดงคุณลักษณะทั่วไปของ SCR ซึ่งกราฟนี้จะแสดงความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไบอัสตรงและไบอัสกลับที่จ่ายคร่อมระหว่างขั้วอาโนดกับขั้วคาโธดของ SCR และปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านจากขั้วคาโธดไปยังขั้วอาโนด
พิจารณาในส่วนนำกระแสทางตรงบนกราฟจะเห็นว่า แรงดันไฟฟ้าที่ทำให้ SCR
อยู่ในสภาวะ ON เรียกว่า แรงดันพังทางตรง (Forward Breakdown Voltage)
ซึ่งขนาดของแรงดันพังทางตรง หรือแรงดันที่ใช้ในการปิดวงจรของ SCR นี้
เป็นสัดส่วนผกผันกับปริมาณกระแสไฟฟ้าที่จ่ายเข้าที่ขาเกท นั้นคือ SCR
จะอยู่ในสภาวะ ON
ได้ก็ต่อเมื่อมีกระแสไฟฟ้าที่มีปริมาณมากจ่ายเข้าที่ขาเกท
แต่แรงดันทางตรงที่จ่ายคร่อมระหว่างขั้วอาโนดและคาโธดของ SCR
จะต้องมีขนาดเล็ก
แต่ถ้าไม่มีกระแสไฟฟ้าจ่ายเข้าที่ขาเกทเลยก็จะต้องให้แรงดันทางตรงค่ามาก
ๆ จ่ายคร่อมระหว่างขั้วอาโนด และขั้วคาโธดของ SCR แทนจึงจะทำให้ SCR
อยู่ในสภาวะ ON และเกิดการนำกระแสไฟฟ้าขึ้น และเมื่อ SCR อยู่ในสภาวะ
ON แล้วแล้วกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่าน SCR
จะเป็นอิสระจากการควบคุมของกระแสไฟฟ้าที่จ่ายเข้าที่ขาเกท
ซึ่งถ้ากระแสทางตรงที่ไหลผ่านระหว่างขั้วคาโธดและอาโนดนี้มีค่าต่ำกว่าค่ากระแส
Holding Current ก็จะทำให้ SCR อยู่ในสภาวะ OFF ทั้งนี้เนื่องจากว่า
แลตซ์ของทรานซิลเตอร์ทั้งชนิด NPN และ PNP
จะไม่มีปริมาณกระแสไฟฟ้าเพียงพอที่จะรักษาสภาวะ ON ให้แก่ SCR ได้ ดังนั้น จึงสรุปได้ว่า การกระตุ้นที่ขาเกทจะทำให้ SCR อยู่ในสภาวะ ON และเมื่อต้องการให้ SCR อยู่ในสภาวะ OFF ก็ทำได้โดยลดแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายคร่อมระหว่างขั้วอาโนด และขั้วคาโธดซึ่งจะมีผลทำให้ปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านจากขั้วคาโธดไปยังขั้วอาโนดลดลงต่ำกว่าค่ากระแส Holding Current
การนำ SCR ไปใช้งาน
SCR ถูกนำไปใช้มากในงานจำพวกไฟฟ้ากำลัง เช่น วงจรควบคุมความสว่าง
วงจรควบคุมความเร็วของมอเตอร์ วงจรควบคุมการชาร์จแบตเตอรี่
ระบบควบคุมอุณหภูมิ และวงจรรักษาระดับกำลัง เป็นต้น
จากกราฟแสดงคุณลักษณะของ SCR ในรูป จะเห็นว่า SCR
นำกระแสในทิศทางตรงเท่านั้น (Forward Direction)
ด้วยเหตุผลนี้จึงจัดให้ SCR เป็นอุปกรณ์จำพวก นำกระแสในทิศทางเดียว
(Unidirectional Device ) ซึ่งหมายความว่า ถ้าป้อนสัญญาณไฟฟ้า
กระแสสลับผ่าน SCR ขาเกทของ SCR จะตอบสนองสัญญาณ และกระตุ้นให้ SCR
ทำงานเฉพาะครึ่งบวกของสัญญาณที่จะทำให้อาโนดเป็นบวกเมื่อเทียบกับคาโธดเท่านั้น จากตัวอย่างที่อธิบายไปแล้วเป็นการใช้งาน SCR ในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) ต่อไปจะพิจารณาการใช้งาน SCR ในวงจรไฟฟ้ากระแสตรง (DC) รูปแสดงระบบสัญญาณเตือนภัยในรถยนต์ เมื่อปิดสวิตซ์อาร์มและสวิตซ์รีเซ็ท ระบบสัญญาณเตือนภัยจะคอยรับสัญญาณจากสวิตซ์ตรวจจับทั้ง 4 ส่วนได้แก่ บริเวณประตู ระบบเครื่องเสียง ฝาปิดเครื่องยนต์ และฝาประโปรงหลัง จากนั้นจึงส่งสัญญาณไปกระตุ้นการทำงานของอุปกรณ์เตือนภัยให้ทำงาน ตัวอย่างในรูปแสดงวงจรการทำงานของระบบเตือนภัยเมื่อเปิดประตูรถยนต์
การเปิดประตูรถยนต์จะทำให้ตัวเก็บประจุ C1 ได้รับการชาร์จประจุผ่านทางไดโอด D และตัวต้านทาน R1 หลังจากช่วงเวลาหนึ่งผ่านไปจะทำให้ประจุไฟฟ้าที่ชาร์จเข้าไปใน C1 มีปริมาณเพียงพอที่จะทำให้ Q1 ทำงาน (ON) และเมื่อ Q1 ทำงาน ก็จะผ่านศักย์ไฟฟ้าบวกที่ขั้วคอลเลคเตอร์ซึ่งมาจากแบตเตอรี่ไปยังขั้วอิมิตเตอร์ และผ่านต่อไปยังขาเกทของ SCR เมื่อขาเกทได้รับการกระตุ้นจากศักย์ไฟฟ้าบวกก็จะทำให้ SCR ปิดวงจร (ON) และกระตุ้นอุปกรณ์เตือนภัยให้ทำงาน เนื่องจาก SCR เสมือนกับปิดสวิตซ์เมื่ออยู่ในสภาวะ ON ซึ่งจะผ่านแรงดันไฟฟ้าขนาด 12 V จากแบตเตอรี่ไปยังอุปกรณ์เตือนภัย ซึ่งสภาวะ ON ของ SCR นี้ยังคงอยู่ต่อไปโดยไม่ขึ้นกับสวิตซ์อาร์มหรือสวิตซ์ตรวจจับอื่นใด และเมื่อทำการเปิดสวิตซ์รีเซ็ท ซึ่งซ่อนภายในรถก็ทำให้อุปกรณ์เตือนภัยหยุดทำงาน ค่าของ R1 และ C1 ควรเลือกให้เหมาะสมเพื่อให้มีช่วงเวลาการหน่วงที่พอดีการที่ Q1 และ SCR จะถูกกระตุ้นให้ทำงาน ซึ่งการหน่วงเวลานี้ก็เพื่อให้เจ้าของ รถยนต์เข้าไปในรถ และปลดการทำงานของระบบเตือนภัยโดยการเปิดสวิตซ์อาร์มได้ทันเวลา
การควบคุมกำลังไฟแบบเฟสทริกเกอร์
![]()
จากตัวอย่างของการใช้งานเอสซีอาร์
ที่กล่าวมาตั้งแต่ต้นนี้เป็นการใช้งานในลักษณะเป็นสวิตช์ เปิด / ปิด
การจ่ายไฟให้แก่โหลดต่าง ๆ
แต่ความจริงแล้วการใช้งานสามารถขยายออกไปได้อีกมาก เช่น
ใช้เป็นวงจรหรี่ความสว่างของหลอดไฟ
หรือเป็นวงจรควบคุมความเร็วของมอเตอร์
เป็นต้นซึ่งก็ล้วนแล้วแต่เป็นการใช้งานควบคุมกำลังไฟ
ที่จะจ่ายให้แก่โหลดในระบบที่เรียกว่าเฟส - ทริกเกอร์
แสดงวงจรการควบคุมไฟฟ้ากระแสสลับวงจรหรี่ความสว่างของหลอดไฟโดยการปรับมุมของสัญญาณทริกเกอร์
รูป การเปลี่ยนแปลงค่าของกำลังไฟฟ้าที่ป้อนให้แก่โหลด โดยกำหนดได้จากตำแหน่งเวลาของการทริกที่ให้แก่เอสซีอาร์ การหน่วงเฟสมีผลดังนี้คือ ถ้าเอสซีอาร์ ถูกทริกที่ตำแหน่งเฟส 10 องศาหลังจากที่ทุก ๆ ครึ่งรูปคลื่นเริ่มเข้ามากำลังไฟเกือบทั้งหมดก็จะถูกป้อนให้แก่โหลด แต่ถ้าการทริกที่ตำแหน่งเฟส 90 องศา หลังจากทุก ๆ ครึ่งคลื่นเริ่มเข้ามา จะทำให้กำลังไฟที่ป้อนให้แก่โหลดนั้น ลดลงเหลือเพียงครึ่งหนึ่งของกำลังทั้งหมด และถ้าไปทริกที่ตำแหน่งเฟส 170 องศา หลังจากที่ทุก ๆ ครึ่งรูปคลื่นเข้ามาแล้ว จะมีเพียงกำลังไฟส่วนน้อยเท่านั้นที่ป้อนให้แก่โหลด
|