เอสซีอาร์ (Silicon Controlled Rectifier)

เอสซีอาร์ (SCR) เอสซีอาร์ (SCR)

1. โครงสร้างและสัญลักษณ์ของเอสซีอาร์

เอสซีอาร์ (SCR) ชื่อเต็มคือ ซิลิคอน คอนโทรล เร็คติไฟร์เออร์ (Silicon Control Rectifier) เป็นอุปกรณ์โซลิดสเตท (Solid-State) ที่ทำหน้าที่เป็นสวิตช์เปิด – ปิด (On – Off ) วงจรทางอิเล็กทรอนิกส์ชนิดหนึ่ง อีกทั้งเอสซีอาร์ ยังจัดเป็นอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำประเภท “ไทริสเตอร์” (Thyristor) ข้อดีของสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์คือจะไม่มีหน้าสัมผัสหรือเรียกว่าคอนแท็ค (Contact) ขณะปิด – เปิด จึงไม่ทำให้เกิดประกายไฟที่หน้าสัมผัสจึงมีความปลอดภัยสูงซึ่งสวิตช์ธรรมดา คือแบบกลไกที่มีหน้าสัมผัสจะไม่สามารถนำไปใช้ในบางสถานที่ได้ สวิตช์อิเล็กทรอนิกส์บางครั้งเรียกว่า “โซลิดสเตทสวิตช์” (Solid State Switch)

รูปที่ 1 แสดงโครงสร้าง วงจรสมมูลและสัญลักษณ์ของเอสซีอาร์

จากรูปที่ 1 ก. โครงสร้างของเอสซีอาร์ (SCR) ประกอบไปด้วยสารกึ่งตัวนำ 4 ชิ้นคือ พี – เอ็น – พี – เอ็น (P – N – P – N) มีจำนวน 3 รอยต่อ มีขาต่อออกมาใช้งาน 3 ขาคือ

1. แอโนด (A : Anode)

2. แคโทด (k : Cathode)

3. เกต (G : Gate)

สภาวะการทำงานของเอสซีอาร์ (SCR) สามารถแบ่งการทำงานออกได้เป็น 2 สภาวะคือ

1. สภาวะนำกระแส เรียกว่า ON

2. สภาวะหยุดนำกระแส เรียกว่า OFF

2. สภาวะนำกระแสของเอสซีอาร์

พิจารณารูปที่ 2 การที่จะทำให้เอสซีอาร์นำกระแสสามารถทำได้โดยจุดชนวน เรียกว่า “ทริกเกอร์” (Trigger) ด้วยกระแสเกต (I_G) ให้แก่เอสซีอาร์ (SCR) และที่ขั้วแอโนด (A) และแคโทด (K) ได้รับไบอัสตรงคือที่แอโนดได้แรงดันบวก (+) และที่แคโทดได้รับแรงดันลบ (-) ทำให้เกิดกระแส I_B2 ไหลเข้าขาเบส (Base) ของทรานซิสเตอร์ T_R2 ทำให้ T_R2 อยู่ในสภาวะนำกระแส (ON) จะเกิดกระแสคอลเลคเตอร์ (I_C2) ไหลผ่าน T_R2 ซึ่งก็คือกระแส I_B1 ของทรานซิสเตอร์ T_R1 นั่นเอง ดังนั้น T_R1 จึงนำกระแสด้วย ค่าความต้านทานระหว่างขั้วแอโนด (A) และแคโทด (K) จึงมีค่าต่ำมากเป็นผลให้เกิดกระแสแอโนด (I_A) ไหลผ่านอีมิตเตอร์ของ T_R1 ไปออกที่อีมิตเตอร์ของ T_R2 สภาวะการทำงานของเอสซีอาร์เปรียบเสมือนสวิตช์ปิดวงจร

รูปที่ 2 แสดงการจุดชนวนให้เอสซีอาร์นำกระแส

เมื่อเอสซีอาร์นำกระแสแล้วไม่จำเป็นต้องคงค่ากระแสเกต (I_G) ไว้ตลอดไป สามารถลดค่ากระแสเกตให้เป็นศูนย์ (I_G = 0) หรือปลดกระแสเกตออกได้โดยที่เอสซีอาร์ยังคงนำกระแสต่อไปเพราะ I_B2 ที่ไหลเข้าเบสของ T_R2 จะไหลมาจากคอลเลคเตอร์ของ T_R1 ดังนั้นถึงแม้จะไม่มีกระแสเกตเอสซีอาร์ก็ยังคงนำกระแสต่อไปได้

ในสภาวะนำกระแสนี้ถ้าแหล่งจ่ายเป็นไฟกระแสสลับสามารถจะบังคับให้เอสซีอาร์นำกระแสได้มากหรือน้อยได้โดยเลือกมุมจุดชนวนที่เกตให้เหมาะสม

3. สภาวะหยุดนำกระแสของเอสซีอาร์

วิธีการทำให้เอสซีอาร์หยุดนำกระแสมีหลักการคือ ทำให้กระแสแอโนด (I_A) ลดลงจนต่ำกว่ากระแสโฮลดิ้ง (I_H : Holding Current คือค่ากระแสต่ำสุดที่ทำให้เอสซีอาร์นำกระแส) หรือ

จึงจะทำให้เอสซีอาร์หยุดนำกระแสได้ซึ่งการที่จะทำให้เอสซีอาร์หยุดนำกระมี 2 วิธีคือ

3.1 แอโนดเคอเรนท์อินเทอรัพชั่น (Anode Current Interruption)

โดยการตัดกระแส I_A ไม่ให้ไหลผ่านแอโนดของเอสซีอาร์ วิธีง่ายๆ ดังรูปที่ 3 ก. โดยต่อสวิตช์อนุกรมแอโนด (A) ของเอสซีอาร์และเปิดสวิตช์เมื่อต้องการทำให้เอสซีอาร์หยุดทำงาน (Turn – Off) หรืออีกวิธีในรูปที่ 3 ข. โดยต่อสวิตช์ระหว่างขั้วแอโนดและแคโทดของเอสซีอาร์เป็นการเปลี่ยนทางเดินของกระแสแอโนด (I_A) ไม่ให้ไหลผ่านเอสซีอาร์

รูปที่ 3 การทำให้เอสซีอาร์ยุดนำกระแสโดยวิธี Anode Current Interruption

3.2 ฟอร์ชคอมมูเทชั่น (Forced Commutation)

วิธีนี้ทำได้โดยบังคับให้เอสซีอาร์ได้รับไบอัสกลับโดยใช้สวิตช์ขนานกับเอสซีอาร์เป็นตัวควบคุมการหยุดนำกระแสของเอสซีอาร์ดังรูปที่ 4 ถ้าสวิตช์เปิดวงจรเอสซีอาร์ยังคงนำกระแสอยู่ แต่ถ้าสวิตช์ปิดวงจรเอสซีอาร์จะหยุดนำกระแส เนื่องจากได้รับไบอัสกลับตลอดเวลาที่สวิตช์ยังคงปิดอยู่ โดยระยะเวลาในการบังคับให้เอสซีอาร์หยุดนำกระแสโดยให้ไบอัสกลับนี้จะต้องนานกว่าระยะเวลา Turn Off Time ซึ่งระบุไว้ในคู่มือ โดยทั่วไปค่าเวลานี้จะน้อยมาก (ประมาณไมโครวินาที)

รูปที่ 4 การทำให้เอสซีอาร์ยุดนำกระแสโดยวิธี Forced Commutation

4. การนำเอสซีอาร์ไปใช้งาน

เอสซีอาร์สามารถนำไปใช้ในงานอิเล็กทรอนิกส์อย่างกว้างขวางเช่น วงจรเรียงกระแสที่สามารถควบคุมได้ (Control Rectifier) แต่ส่วนมากจะนิยมนำไปใช้ในการควบคุมหลักๆ 2 ประการคือ สภาวะนำกระแสและสภาวะหยุดนำกระแส เพื่อให้เกิดการทำงานและหยุดการทำงานของอุปกรณ์ต่างๆ

ตัวอย่างการนำเอสซีอาร์ไปใช้งานอย่างง่ายคือ การนำเอสซีอาร์ไปใช้ในการเปิด – ปิดหลอดไฟซึ่งแสดงดังรูปที่ 5

รูปที่ 5 แสดงการนำเอสซีอาร์ไปใช้ในการเปิด – ปิดหลอดไฟ

ในขณะที่สวิตช์ S₁ อยู่ในสภาวะเปิดวงจรเอสซีอาร์จะไม่นำกระแส เพราะว่าไม่มีกระแสไปจุดชนวนที่ขาเกตของเอสซีอาร์ (I_G = 0) แรงดันตกคร่อมขาแอโนดและแคโทดมีค่าสูงมาก กระแส I_A จึงไม่สามารถไหลผ่านได้ หลอดไฟจึงไม่ติดสว่าง แต่ถ้าทำการสวิตช์ S₁ (on) จะมีกระแสไปจุดชนวนที่ขาเกตของเอสซีอาร์ ทำให้เอสซีอาร์เกิดการนำกระแส ทำให้แรงดันที่ตกคร่อมระหว่างขาแอโนดและขาแคโทด ลดลงจนมีค่าต่ำมากมีกระแส I_A ไหลเข้าขาแอโนดและออกที่ขาแคโทดได้ครบวงจรเป็นผลให้หลอดไฟติดสว่าง

5. การวัดและทดสอบเอสซีอาร์ด้วยโอห์มมิเตอร์

การวัดหาขาของเอสซีอาร์โดยใช้โอห์มมิเตอร์ของซันวา ( SUNWA ) รุ่น XZ 300 สายวัดสีแดงจะมีศักย์ไฟฟ้าเป็นลบ (-) ส่วนสายวัดสีดำจะมีศักย์ไฟฟ้าเป็นบวก (+) ( มีมิเตอร์บางยี่ห้อสายวัดจะตรงข้ามกัน คือ สายสีแดงมีศักย์เป็นบวก และสายสีดำมีศักย์เป็นลบ ) โดยวิธีการวัดให้ทำการสมมุติตำแหน่งของขาก่อน คือ เอสซีอาร์มี 3 ขาหรือ 3ขั้ว เราก็สมมุติขาเป็นตำแหน่งที่ 1, 2 และ 3 ดังรูปที่ 6 เสร็จแล้วแบ่งเป็น 3 คู่ แล้วทำการวัดดังตารางที่ 1

รูปที่ 6 แสดงการสมมุติตำแหน่งของขาของเอสซีอาร์

คู่ที่	ศักย์ไฟ		ความต้านทาน
คู่ที่	บวก ( สายสีดำ )	ลบ ( สายสีแดง )	ความต้านทาน
1	1 2	2 1
2	2 3	3 2
3	1 3	3 1	ค่าความต้านทานต่ำ

ตารางที่ 1 แสดงการวัดหาขาของเอสซีอาร์ด้วยโอห์มมิเตอร์

หมายเหตุ มัลติมิเตอร์ที่ใช้เป็นของซันวา ( SUNWA ) รุ่น YX -360 มัลติมิเตอร์บางรุ่นสายวัดอาจมีศักย์ไฟไม่เหมือนกัน ก่อนทำการวัดจึงควรศึกษาให้เข้าใจ

พิจารณาค่าความต้านทานระหว่างขาของเอสซีอาร์จากตารางสรุปได้ว่า

การวัดเอสซีอาร์ทั้ง 3 ขา จำนวน 6 ครั้ง สามารถอ่านค่าความต้านทานได้เพียง 1 ครั้งหรือเรียกว่า “ วัด 6 ครั้ง เข็มขึ้น 1 ครั้ง ” ครั้งที่สามรถอ่านค่าความต้านทานต่ำได้นั้น ศักย์ไฟบวก ( สายสีดำ ) จับที่ขาใดนั้นเป็นขาเกต และศักย์ไฟลบ (สายสีแดง ) จับที่ขาใดขานั้นเป็นขาแคโถด ส่วนขาที่เหลือเป็นขาแอโนด

เอสซีอาร์เป็นอุปกรณ์ที่ถูกสร้างขึ้น มาเพื่อใช้ทำหน้าที่เป็นโซลิดสเตตสวิตช์ซึ่งสามารถนำไปใช้ในการควบคุมการ จ่ายกำลังไฟให้แก่อุปกรณ์หรือวงจร เอสซีอาร์ เป็นอุปกรณ์ที่นำกระแสได้ทิศทางเดียว ประกอบด้วยสารกึ่งตัวนำชนิด Pและ N วางซ้อนกัน 4 ชั้น ทำให้เกิดรอยต่อ 3 รอยต่อ เราเรียกอุปกรณ์พวกนี้ว่า ว่าไทริสเตอร์ (thyristor)

แสดงรูปของเอสซีอาร์

โครงสร้างของและสัญลักษณ์ของเอสซีอาร์

การทำงานของเอสซีอาร์

การเปิดเอสซีอาร์ให้นำกระแสนั้น ทำได้โดยการป้อนแรงดันไฟฟ้าบวกที่ขั้วเกตที่เรียกว่าจุดชนวนเกตหรือสัญญาณทริกเกอร์ (Trigerred)ดังรูป

เอสซีอาร์ยังไม่นำกระแส

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

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
ลักษณะสมบัติของเอสซีอาร์

การทำงานของเอสซีอาร์ -----------การ เปิดเอสซีอาร์ให้นำกระแสนั้น ทำได้โดยการป้อนแรงดันไฟฟ้าบวกที่ขั้วเกตที่เรียกว่าจุดชนวนเกตหรือสัญญาณ ทริกเกอร์ (Trigerred) เอสซีอาร์ยังไม่นำกระแส เมื่อกดสวิตช์ เอสซีอาร์นำกระแส ดังรูป

รูปที่ 7.2 การทำงานของเอสซีอาร์

7.3 การหยุดการทำงานของเอสซีอาร์ -----------การ หยุดการทำงานของเอสซีอาร์นี้จะทำได้เพียงทางเดียวเท่านั้น คือลดค่ากระแสที่ไหลผ่านแอโนดลง จนต่ำกว่าค่าที่เรียกว่า กระแสโฮลดิ้ง (holding current) หรือเรียกว่า Ih และในกรณีที่เอสซีอาร์ถูกใช้งานโดยการป้อนกระแสสลับผ่านตัวมัน การหยุดทำงานของมันจะเกิดขึ้นโดยอัตโนมัติ เมื่อค่าแรงดันไฟสลับที่ให้นั้นใกล้กับจุดที่เรียกว่า "จุดตัดศูนย์" (Zero-crossing point) ซึ่งจะเกิดขึ้นทุก ๆ ครึ่งคาบเวลาของสัญญาณไฟสลับที่ให้แก่วงจรนั้น ถ้าต้องการหยุดการนำกระแสของเอสซีอาร์จากวงจรทำได้โดยกดสวิตช์ S2 หรือ S3

รูปที่ 7.3 การหยุดการทำงานของเอสซีอาร์

-----------สิ่ง ที่กล่าวมาข้างตันเป็นเพียงหลักการทำงานพื้นฐานของเอสซีอาร์ ซึ่งจะเห็นได้ว่า เป็นอุปกรณ์ ที่สามารถนำไปใช้งานได้อย่างง่าย ๆ แต่ข้อสำคัญคือการเลือกใช้เอสซีอาร์ ให้เหมาะกับงานที่ต้องการซึ่งจะพบว่าในการเลือกใช้เอสซีอาร์แต่ละเบอร์นั้น ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติเฉพาะของแต่ละเบอร์ เช่นค่าแรงดันและกระแสสูงสุดที่จะทนได้ ค่าความไวของเกตและค่ากระแสโฮลดิ้ง ในตาราง ได้แสดงถึงคุณสมบัติต่าง ๆ เหล่านี้ของเอสซีอาร์เบอร์ต่าง ๆ ที่นิยมใช้ โดย PIV คือค่าแรงดันสูงสุดที่จะทนได้, Vgt / Igt คือแรงดัน / กระแสที่ใช้ในการทริกที่เกตและ Ih คือกระแสโฮลดิ้ง

7.4 การนำ SCR ไปใช้งาน----------SCR ถูกนำไปใช้มากในงานจำพวกไฟฟ้ากำลัง เช่น วงจรควบคุมความสว่าง วงจรควบคุมความเร็วของมอเตอร์ วงจรควบคุมการชาร์จแบตเตอรี่ ระบบควบคุมอุณหภูมิ และวงจรรักษาระดับกำลัง เป็นต้น คุณลักษณะของ SCR นั้น จะนำกระแสในทิศทางตรงเท่านั้น (Forward Direction) ด้วยเหตุผลนี้จึงจัดให้ SCR เป็นอุปกรณ์จำพวก นำกระแสในทิศทางเดียว (Unidirectional Device ) ซึ่งหมายความว่า ถ้าป้อนสัญญาณไฟฟ้า กระแสสลับผ่าน SCR ขาเกทของ SCR จะตอบสนองสัญญาณ และกระตุ้นให้ SCR ทำงานเฉพาะครึ่งบวกของสัญญาณที่จะทำให้อาโนดเป็นบวกเมื่อเทียบกับคาโธดเท่า นั้น

ตัวอย่างการนำเอสซีอาร์ไปใช้งานอย่างง่ายคือ การนำเอสซีอาร์ไปใช้ในการเปิด - ปิดหลอดไฟซึ่งแสดงดังรูปที่ 7.4

รูปที่ 7.4 แสดงการนำเอสซีอาร์ไปใช้ในการเปิด - ปิดหลอดไฟ

Electronics Devices

Go to content

Main menu:

7.5 การวัดและทดสอบเอสซีอาร์ด้วยโอห์มมิเตอร์ ------------การ วัดหาขาของเอสซีอาร์โดยใช้โอห์มมิเตอร์ของซันวา ( SUNWA ) รุ่น XZ 300 สายวัดสีแดงจะมีศักย์ไฟฟ้าเป็นลบ (-) ส่วนสายวัดสีดำจะมีศักย์ไฟฟ้าเป็นบวก (+) ( มีมิเตอร์บางยี่ห้อสายวัดจะตรงข้ามกัน คือ สายสีแดงมีศักย์เป็นบวก และสายสีดำมีศักย์เป็นลบ ) โดยวิธีการวัดให้ทำการสมมุติตำแหน่งของขาก่อน คือ เอสซีอาร์มี 3 ขาหรือ 3ขั้ว เราก็สมมุติขาเป็นตำแหน่งที่ 1, 2 และ 3 ดังรูปที่ 7.5 เสร็จแล้วแบ่งเป็น 3 คู่ แล้วทำการวัดดังตารางที่ 7.1

รูปที่ 7.5 การสมมุติตำแหน่งของขาของเอสซีอาร์

ตารางที่ 7.1 การวัดหาขาของเอสซีอาร์ด้วยโอห์มมิเตอร์

หมายเหตุ มัลติมิเตอร์ที่ใช้เป็นของซันวา ( SUNWA ) รุ่น YX -360 มัลติมิเตอร์บางรุ่นสายวัดอาจมีศักย์ไฟไม่เหมือนกัน ก่อนทำการวัดจึงควรศึกษาให้เข้าใจ

พิจารณาค่าความต้านทานระหว่างขาของเอสซีอาร์จากตารางสรุปได้ว่า------------การ วัดเอสซีอาร์ทั้ง 3 ขา จำนวน 6 ครั้ง สามารถอ่านค่าความต้านทานได้เพียง 1 ครั้งหรือเรียกว่า " วัด 6 ครั้ง เข็มขึ้น 1 ครั้ง " ครั้งที่สามรถอ่านค่าความต้านทานต่ำได้นั้น ศักย์ไฟบวก ( สายสีดำ ) จับที่ขาใดนั้นเป็นขาเกต และศักย์ไฟลบ ซิลิกอน คอนโทรล เร็กติไฟเออร์ (SILCON CONTROL RECTIFIER) หรือนิยมเรียกสั้น ๆว่า เอสซีอาร์ (SCR) เป็นอุปกรณ์ประเภทสารกึ่งตัวนำเช่นเดียวกับพวก ไดโอดและทรานซีสเตอร์ แต่จะมีโครงสร้างของสารกึ่งตัวนำต่อชนกันถึง4ตอน ซึ่งจะเรียกสารกึ่งตัวนำประเภทนี้ว่าอุปกรณ์พวกไทริสเตอร์ (THYRISTOR)อุปกรณ์พวกไทริสเตอร์ เป็นอุปกรณ์จำพวกสารกึ่งตัวนำ ที่ทำหน้าที่เป็นสวิตช์เปิด-ปิดได้ เรียกว่าสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์

รูปที่1 SCR ทั่วๆไป

SCR เป็นอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำจำพวกไทริสเตอร์ จะมีโครงสร้างประกอบด้วยสารกึ่งตัวนำชนิด P และชนิด N ต่อชนกันทั้งหมด 4 ตอน เป็นสารชนิด P2 ตอน และสารชนิด N 2 ตอน โดยเรียงสลับกัน มีขาต่อออกมาใช้งาน 3 ขา คือ ขาแอโนด (ANODE) ขาแคโถด (CATHODE) และขาเกท (GATE) โครงสร้างและสัญลักษณ์แสดงดังรูปที่ 2.2

(ก) โครงสร้าง SCR (ข) สัญลักษณ์ SCR
รูปที่ 2.2 แสดงโครงสร้างของและสัญลักษณ์เบื้องต้นของ SCR

(ก) โครงสร้างของสารกึ่งตัวนำ (ข) โครงสร้างโดยสมบูรณ์ของ SCR
4 ตอน ของ SCR แบบออลอย คิฟฟิวส์
รูปที่ 2.3 โครงสร้างจริงของ SCR ชนิดที่ทนกระแสได้สูง ๆ

           จากรูปที่ 2.3 (ก) เป็นโครงสร้างของสารกึ่งตัวนำ 4 ตอนของ SCR โดยแสดงทั้งสารกึ่งตัวนำ 4 ตอน ส่วนประกอบของโครงสร้าง และจุดต่อขาออกใช้งานของตัว SCR การผลิต SCR แบบนี้จะเป็นแบบออลอย ดิฟฟิวส์ (ALLOY - DUFFUSED) ผลิตโดยใช้ธาตุเจือปนเคลือบที่ผิวของธาตุเดิม และกให้ความร้อนผ่านธาตุดังกล่าว จะเกิดการเปลี่นนสภาพเป็นสารเจือปนฃนิด N และชนิด P ขึ้นมา และบางตอนก็ใช้การต่อชนของสารกึ่งตัวนำชนิดตรงข้ามจะได้สารกึ่งตัวนำ 4 ตอนออกมา และนำไปต่อเชื่อมขาออกไปภายนอก
            ส่วนรูปที่ 2.3 (ข) เป็นโครงสร้างโดยสมบูรณ์ของ SCR โดยนำโครงสร้งในรูปที่ 2.3 (ก) มาต่อเชื่อมเข้ากับตัวถังโลหะ และต่อเชื่อมขาออกไปภายนอก จะได้ SCR ชนิดทนกระแสได้สูง ๆขึ้นมาโครงสร้างภายนอกของ SCR ชนิดทนกระแสได้สูงมีด้วยกันหลายลักษณะ ขึ้นอยู่กับเทคนิคของการผลิต

รูปที่ 2.4 แสดงโครงสร้างจริงและโครงสร้างเหมือนของ SCR

รูปที่ 2.4 เป็นวงจรเหสมือนของ SCR ที่ประกอบด้วยทรานซีสเตอร์ Q1 PNP และ Q2 NPN การต่อร่วมก้นของทรานซีสเตอร์ทั้ง 2 ตัว เป็นดังนี้ สาร P ตอนนอกเป็นขา E ของ Q1 ต่อออกเป็นขา A ขา B ของ Q1 ต่อร่วมกับขา C ของ Q2 เป็นสาร N ทั้งคู่ ขา C ของ Q1 ต่อร่วมกับขา B ของ Q2 เป็นสาร P ทั้งคู่ต่อออกมาเป็นขา G และสาร N ตอนนอกเป็นขา E ของ Q2 ต่อออกมาเป็นขา K

รูปที่ 2.5 จ่ายไบอัสตรงให้เฉพาะขา A และขา K ของ SC

จากรูปที่ 2.5 เป็นการจ่ายไบอัสตรงให้ SCR เฉพาะขา A และขา K เท่านั้น ขา G ยังคงเปิดลอยไว้าการจ่ายไบอัสให้แบบนี้ตัว SCR ไม่นำกระแส เพราะว่าขา B ของ Q2 ไม่ได้รับไบอัส (ดูรูปที่ 2.5 (ข) ทำให้ Q2 ไม่นำกระแส ไม่มีแรงดันไบอัสจ่ายไปให้ขา B ของ Q1 ทำให้ Q1 ไม่นำกระแสด้วย SCR ไม่นำกระแสไม่มีกระแสไหลในวงจร

รูปที่ 2.6 จ่ายไบอัสตรงให้ครบทุกขาของ SCR

จากรูปที่ 2.6 เป็นการจ่ายไบอัสตรงให้ SCR ครบทุกขา ซึ่งจะทำให้มีกระแสไหลในตัว SCR การทำงานอธิบายได้ดังนี้
จากรูปที่ 2.6 (ข) เมื่อจ่ายบวกให้ขา A จ่ายลบให้ขา K และจ่ายบวกให้ขา G เทียบกับขา K จะทำให้มีกระกแสเกท (IG) ไหล และกระแสแอโนต (IA) ไหล SCR นำกระแส เพราะการจ่ายแรงดันบวกให้ขา G ของ SCR เป็นการจ่ายไบอัสตรงให้ขา B ของ Q2 ทรานซีสเตอร์ Q2 จะนำกระแส ความต้านทานระหว่างรอยต่อขา C และขา E ของ Q2 ต่ำลง มีแรงดันลบจาก VAA จ่ายผ่านไปให้ขา B ของ Q1 ต่ำลง มีแรงดันบวกจาก VAA จ่ายผ่านไปให้ขา B ของ Q2 ทำให้เกิดกระแส IB1 และ IB2ไหลผ่านตัวทรานซีสเตอร์ Q1 และ Q2 คือมีกระแส IA ไหลผ่านตัว SCR โดยแระแส IA จะถูกจำกัดค่าโดยความต้านทาน R1 ในขณะที่ SCR นำกระแสค่าความต้านทานในตัว SCR จะต่ำมาก ๆเมื่อ SCR นำกระแสแล้ว ค่าความต้านทานในตัวทรานซีสเตอร์ Q1 และ Q2 ต่ำ ทรานซิสเตอร์ Q1 และ Q2 จะนำกระแสอย่างต่อเนื่อง โดยไม่ต้องพึ่งแรงดัน ไบอัสของ VGG ที่จ่ายให้ขา G อีก สามารถตัดแรงดันที่จ่ายให้ขา G ออกได้แรงดันไบอัสตรงที่จ่ายให้ขา G นั้น ไม่จำเป็นต้องจ่ายค้างไว้ตลอดเวลา จะจ่ายเพียงชั่วขณะเพื่อทำให้ SCR นำกระแส แรงดันไบอัสตรงที่จ่ายให้ขา G ถูกเรียกว่า แรงดันกระตุ้น หรือแรงดัน
ทริกเกอร์ (TRIGGER VOLTAGE)
SCR ที่นำกระแสแล้วจะทำให้ SCR หยุดนำกระแส ทำได้ 2 วิธีด้วยกัน คือ
1. ตัดแหล่งจ่ายแรงดัน (VAA) ที่ป้อนให้ขา A และขา K ของ SCR ออกชั่วขณะ
2. ลดแรงดันไบอัสที่จ่ายให้ขา A และขา K ลง จำทำให้มีกระแสไหลผ่านตัว SCR ต่ำกว่าค่ากระแสโฮลดิ้ง (HOLDING CURRENT) (กระแสโฮลดิ้งคือค่ากระแสต่ำสุดที่ไหลผ่านตัว SCR แล้ว SCR ยังคงนำกระแสได้)

                                             รูปที่ 2.7 กร๊าฟคุณสมบัติของ SCR ขณะที่จ่ายแรงดันกระตุ้นที่ขาเกท

   จากกร๊าฟรูปที่ 2.7 แสดงคุณสมบัติของ SCR ในการนำกระแส ทั้งด้านไบอัสตรงและด้านไบอัสกลับ โดยมีแรงดันกระตุ้นที่ขา G ด้วย อธิบายได้ดังนี้คือ
        กร๊าฟช่วงไบอัสตรง การนำกระแสของ SCR คือจะต้องจ่ายแรงดันให้ขา A และขา K ของ SCR ถึงค่าแรงดันเบรคโอเวอร์ไบอัสตรง (FORWARD BREAKOVER VOLTAGE) จะมีกระแสไหลผ่านตัว SCR ถึงค่ากระแสโฮลดิ้ง (HOLDING CURRENT) หรือ IH ตัว SCR จึงนำกระแสต้องควบคุมกระแสที่ไหลผ่านตัว SCR ไม่ให้มากเกินกว่าค่ากระแสสูงสุดที่ SCR ทนได้ (IFMAX) มิเช่นนั้น SCR จะชำรุดทันที เมื่อเริ่มจ่ายแรงดันบวกกระตุ้นขา G ของ SCR จะทำให้มีกระแสเกท IG1 หรือ IG2 ไหล จะมีกระแสไหลผ่านตัว SCR ถึงค่ากระแสโฮลดิ้งทันที
        กร๊าฟช่วงไบอัสกลับจ่ายแรงดันลบให้ขา A จ่ายแรงดันบวกให้ขา K และจ่ายแรงดันกระตุ้นบวกให้ขา G ตัว SCR จะไม่นำกระแสมีเพียงกระแสรั่วซึม (LEAKAGE CURRENT) ไหลผ่านตัว SCR เพียงเล็กน้อย เมื่อจ่ายแรงดันไบอัสกลับถงค่าแรงดันพัง (REVERSE BREAKDOWN VOLTAGE)ของ SCR ตัวนั้น SCR จะช็อตชำรุดเสียหายทันที
       SCR จะนำกระแสได้เพียงทางเดียว แต่สามารถนำไปใช้ได้ทั้งกับแรงดันไฟตรง และแรงดันไฟสลับ เมื่อนำไปใช้แรงดันไฟตรงจะทำหน้าที่เป็นสวิตช์ เมื่อนำไปใช้กับแรงดันไฟสลับจะทำหน้าที่เป็นวงจรเร็กติไฟเออร์ และเป็นเร็กติไฟเออร์ที่สามารถควบคุมการเร็กติไฟเออร์ในช่วงเวลาที่นำกระแสต่างกันได้ สามารถนำไปประยุกต์ใช้งานได้กับวงจรต่างๆมากมาย        SCR จะนำกระแสได้เพียงทางเดียว แต่สามารถนำไปใช้ได้ทั้งกับแรงดันไฟตรง และแรงดันไฟสลับ เมื่อนำไปใช้แรงดันไฟตรงจะทำหน้าที่เป็นสวิตช์ เมื่อนำไปใช้กับแรงดันไฟสลับจะทำหน้าที่เป็นวงจรเร็กติไฟเออร์ และเป็นเร็กติไฟเออร์ที่สามารถควบคุมการเร็กติไฟเออร์ในช่วงเวลาที่นำกระแสต่างกันได้ สามารถนำไปประยุกต์ใช้งานได้กับวงจรต่างๆมากมาย

1. วงจรไบสเตเบิล หรือฟลิบ-ฟลอบโดยใช้ SCR วงจรจะประกอบด้วย SCR 2 ตัว สลับกันทำงนตัวละครั้ง โดยใช้สวิตช์กดเพื่อกระตุ้นเกทให้ SCR ทำงน วงจรแสดงดังรูปที่ 2.12

รูปที 2.12 วงจรไบสเตเบิล หรือฟลิบ-ฟลอบ

การทำงานอธิบายได้ดังนี้ เมื่อสวิตช์ S1 มีแรงดันบวกตกคร่อมขาบน R2 ไปกระตุ้นขา Gของ SCR1 ตัว SCR1 นำกระแสหลอดไฟ LP1 ติดสว่าง และตัวเก็บประจุ C1 ประจุแรงดันซ้ายลบขวาบวกถ้าต้องการเปลี่ยนสภาวะการทำงานให้กดสวิตช์ S2 มีแรงดันบวกตกคร่อมขาบน R4 ไปกระตุ้นขา G ของ SCR2 นำกระแส ช็อตขั้วบวกด้านขวาของ C1 ลงกราวด์ จ่ายไบอัสกลับให้ SCR1 ทำให้ SCR1 หยุดนำกระแส กดสวิ่ตช์ S1 อีกครั้ง จะมีแรงดันบวกไปกระตุ้นขา G ของ SCR1 ให้นำกระแส การทำงานจะเป็นเช่นนี้สลับไปสลับมาตลอดเวลา

2. วงจรแจ้งเหตุด้วย SCR โดยใช้ SCR เป็นตัวต่อแรงดันไฟตรงจ่ายให้กระดิ่ง บัสเซอร์หรือไซเรน ส่งเสียงร้องออกมาเมื่อมีปัญหาเกิดขึ้น วงจรแสดงดังรูปที่ 2.13

รูปที่ 2.13 วงจรแจ้งเหตุด้วย SCR

การทำงานอธิบายได้ดังนี้ ขณะที่สวิตช์ S1, S2, S3 ตัวใดตัวหนึ่งยังไม่ต่อวงจร SCR จะยังไม่นำกระแส เมื่อสวิตช์ S1, S2, S3 ตัวใดตัวหนึ่งต่อวงจร จะมีกระแสไหลผ่าน R1, R2 เกิดศักย์ตกคร่อมขั้วบนของ R2 เป็นบวกไปกระตุ้นขา G ของ SCR ให้นำกระแส ไซเรนดังขึ้น ถ้าต้องการ SCR หยุดนำกระแสก็กดสวิตช์ S4 ชั่วขณะ SCR จะหยุดนำกระแสทันที

1. เอสซีอาร์ใช้กับแรงดันไฟสลับเมื่อแรงดันกระตุ้นเกทเป็นไฟตรง โดยจ่ายแรงดันไฟสลับให้ขา A และขา Kของ SCR และจ่ายแรงดันไฟตรงบวกกระตุ้นขา G ตลอดเวลา วงจรแสดงดังรูปที่ 2.14 (ก) มี RL เป็นโหลดของวงจร

รูปที่ 2.14 วงจร SCR ใช้แรงดันไฟสลับที่มีแรงดันไฟตรงกระตุ้นเกท

ส่วนรูปที่ 2.14 (ข) เป็นแรงดันที่ตกคร่อมตามจุดต่าง ๆของวงจรดังนี้
VAC คือ แรงดันของแหล่งจ่ายแรงดันไฟสลับที่ป้อนเข้ามา
VGK คือ แรงดันไฟตรงที่เป็นแรงดันกระตุ้นขา G
VRL คือ แรงดันที่ตกคร่อมโหลด RL ขณะ SCR นำกระแส
VAK คือ แรงดันที่ตกคร่อมตัว SCR ขา A และขา K ขณะ SCR ไม่นำกระแส
การทำงาน แรงดันไฟตรง VGK ถูกป้อนให้ขา G และ ขา K ตลอดเวลา นั่นคือมีแรงดันบวกกระตุ้นที่ขา G คงที่ค่าหนึ่ง ตัว SCR จะนำกระแสเมื่อแรงดันไฟสลับที่จ่ายให้ขา A และขา K เป็นช่วงบวกที่ขา A (รูป ข. ตำแหน่งที่ 1 ) ตัว SCR นำกระแสมีค่าความต้านทานในตัวต่ำมาก เกิดศักย์ตกคร่อมที่โหลด RL ช่วงแรงดันบวกทั้งช่วง จนแรงดันไฟสลับที่จ่ายให้ตกลงเป็น 0 โวลต์ SCR จะหยุดนำกระแสเมื่อแรงดันไฟสลับช่วงลบป้อนให้ขา A (รูป ข. ตำแหน่งที่ 2 ) ตัว SCR จะไม่นำกระแส ไม่มีกระแสไหลในวงจร ไม่มีศักย์ตกคร่อมโหลด RL มีแต่ศักย์ตกคร่อมขา A และขา K ของ SCR ช่วงแรงดันลบทั้งช่วงการทำงานดังกล่าว SCR จะทำงานเป็นเหมือนวงจรเร็กติไฟเออร์แบบครึ่งคลื่น ได้รูปสัญญาณที่ทำงานสัมพันธ์ซึ่งกันและกันดังรูปที่ 2.14 (ข)

2. วงจรเร็กติไฟเออร์แบบเต็มคลื่นโดยใช้เอสซีอาร์

รูปที่ 2.15 วงจรเร็กติไฟเออร์แบบเต็มคลื่นใช้ SCR

รูปที่ 2.15(ก) วงจรเร็กติไฟเออร์แบบเต็มคลื่นใช้ SCR เป็นตัวเร็กติไฟเออร์ T1 เป็นหม้อแปลงแรงดันอาจเพิ่มขึ้นหรอืลดลงก็ได้แต่ความต้องการ มีขดลวดทุติยภูมิเป็นแบบ 3 ขด ขดบนล่างต่อเข้าขา A ของ SCR1, SCR2 และขดกลางต่อลงกราวด์ ขา K ของ SCR1, SCR2 ต่อร่วมกัน ไปต่ออันดับกับโหลด RL อีกขาหนึ่งของโหลด RL ต่อลงกราวด์ ขา G ของ SCR1, SCR2 ต่อร่วมกันและไปต่อเข้าขั้วบวกของแบตเตอรี่ VGK ขั้วลบของ VGK ต่อเข้าขา K ของ SCR ทั้ง 2 ตัว ส่วนรูปที่2.15 (ข) เป็นแรงดันที่ตกคร่อมตามจุดต่าง ๆ ของวงจรการทำงานของวงจร เมื่อแรงดันไปสลับจ่ายเข้ามาบนบวกล่างลบที่ขดปฐมภูมิของ T1 เกิดแรงเคลื่อนชักนำผ่านมาขดทุติยภูมิเป็นบนลบล่างบวก ส่วนขากลางจะเป็นทั้งบวกและลบจะเป็นบวกเมื่อเทียบกับลบด้านบน และจะเป็นลบเมื่อเทียบกับบวกด้านล่าง แรงดันไฟสลับถูกจ่ายเป็นไบอัสให้ขา A และขา Kของ SCR ทั้ง 2 ตัว SCR2 จะได้รับไบอัสตรงนำกระแส มีศักย์บวกตกคร่อมด้านบนของโหลด RL ทั้งช่วง จนแรงดันไฟสลับตกลงเป็น 0 โวลต์ SCR2 จะหยุดนำกระแส (รูป ข. ตำแหน่งที่ 1)เมื่อแรงดันไฟสลับที่จ่ายให้ขดปฐมภูมิ่ของ T1 เป็นบนลบล่างบวก SCR1 จะได้รับไบอัสตรงนำกระแส มีศักย์บวกตกคร่อมด้านบนของโหลด RL ทั้งช่วง จนแรงดันไฟสลับตกลงเป็น 0 โวลต์ SCR1 จะหยุดนำกระแส (รูป ข. ตำแหน่งที่ 2)การทำงานดังกล่าว SCR จะทำงานสลับกัน เกิดศักย์ตกคร่อมโหลด RL เป็นลักษณะวงจรเร็กติไฟเออร์แบบเต็มคลื่น ได้รูปสัญญาณที่ทำงานสัมพันธ์กันดังรูปที่ 2.15 (ข)

3. วงจรใช้ RC ควบคุมเฟสของแรงดันที่ไปกระตุ้นเกท การที่จะควบคุมช่วงเวลาในการกระตุ้นขา G ของ SCR เพื่อให้นำกระแส ถ้าใช้ทั้งตัวต้านทาน (R) และตัวเก็บประจุ (C) สามารถควบคุมเฟสในการทำงานของตัว SCR ได้ถึง 180 องศาจะกล่าวรายละเอียดของการควบคุมดังนี้

ใช้ RC ควบคุมเฟสของ SCR ทำได้โดยต่อวงจรป้อนแรงดันกระตุ้นให้ขา G ใช้ทั้งตัวต้านทานปรับค่าได้ และเก็บประจุ ต่อร่วมกันเป็นวงจรกระตุ้น ตัวเก็บประจุจะช่วยหน่วงเวลาการป้อนแรงดันบวกกระตุ้นขา G เวลาที่ใช้จะขึ้นอยู่กับค่าความต้านทานและค่าความจุของ R และ C วงจรแสดงดังรูปที่ 2.16

รูปที่ 2.16 การควบคุมเฟสทำงานของ SCR ด้วย RC

การทำงาน แรงดันไฟสลับช่วงลบถูกป้อนเข้ามา ไดโอด D1 ทำการเร็กติไฟเออร์แรงดันลบไปประจุที่ C1 บนลบล่างบวก จ่ายแรงดันไบอัสกลับให้ไดโอด D2 ไม่มีแรงดันป้อนให้ขา G ของ SCR เมื่อแรงดันลบป้อนเข้ามาถึงค่าสูงสุด (PEAK) และเริ่มลดลง C1 จะเริ่มคายปรุจุผ่าน RG ไปครบวงจรที่แหล่งจ่าย VAC จนมีแรงดันไฟสลับช่วงบวกป้อนเข้ามา ประจุลบที่ C1 เริ่มลดลงเพราะมีแรงดันไฟสลับช่วงบวกส่งเข้ามาหักล้าง และเริ่มจ่ายแรงดันบวกไปประจุที่ C1 แทน ทำให้ขั้วบนของ C1 เริ่มประจุแรงดันเป็นบวกค่อย ๆ เพิ่มขึ้นแรงดันที่จะทำให้เกทของ SCR ทำงานจะต้องมีแรงดันถึงค่าแรงดันกรุตุ้นเกท (VGT) ซึ่งค่าแรงดันกระตุ้นเกท (VGT ) นี้ จะประจุถึงช้าหรือเร็วขึ้นอยู่กับค่าความต้านทาน RG ที่ปรับไว้ ถ้าปรับค่า RG ไว้ต่ำ C1 จะคายประจุเร็ว SCR นำกระแสเร็วมีศักย์ตกคร่อมโหลด RL เร็ว มีแรงดันช่วงบกเกือบเต็มช่วงตกคร่อมโหลด RL ดังรูปที่ 216 (ง) ที่เวลา t1 ถ้าปรับค่า RG ไว้ที่ค่าความต้านทานปานกลางค่าหนึ่ง ทำให้ C1 คายประจุได้ช้าลง SCR นำกระแสช้าลงมีศักย์ตกคร่องโหลด RL ช้าลง จะมีแรงดันช่วงบวกถูกตัดทอนไปบางช่วงตกคร่อมโหลด RL ดังรูปที่ 2.16 (จ) ที่เวลา t2ถ้าปรับค่า RG ไว้ที่ค่าความต้านทานสูงขึ้นอีกค่าหนึ่ง ทำให้ C1 ยิ่งคายประจุได้ช้าลงไปอีก SCR นำกระแสช้าลงอีก มีศักย์ตกคร่อมโหลด RL ช้าลงอีกตามไปด้วย จะมีแรงดันช่วงบวกถูกตัดทอนไปมากขึ้น ดังรูปที่ 2.16 (ฉ) ที่เวลา t3และถ้ายิ่งปรับค่า RG ให้มีค่าความต้านทานเพิ่มขึ้นไปอีก ก็ยิ่งจะทำให้ SCR ทำงานยิ่งช้าลงไปเรื่อย ๆ ก็จะยิ่งมีศักย์บวกตกโหลด RL น้อยลงไปเรื่อย ๆ จนอาจจะมีผลให้ SCR ไม่นำกระแส

วงจรเอสซีอาร์

วันพฤหัสบดีที่ 6 ธันวาคม พ.ศ. 2555

วงจรเอสซีอาร์ (SCR)

รูปที่ 1 แสดงโครงสร้าง วงจรสมมูลและสัญลักษณ์ของเอสซีอาร์

รูปที่ 2 แสดงการจุดชนวนให้เอสซีอาร์นำกระแส

Electronics Devices

ไม่มีความคิดเห็น:

แสดงความคิดเห็น