SCR

สัญญลักษณ์ของ SCR

ตัวเรียงกระแสชนิดควบคุมด้วยซิลิคอน (อังกฤษ: Silicon-controlled Rectifier (SCR)) เป็นอุปกรณ์เรียงกระแสแบบ solid-state สี่ชั้นที่ควบคุมการทำงานด้วยกระแส ชื่อ "Silicon-controlled Rectifier" หรือ SCR เป็นชื่อทางการค้าของ บริษัท General Electric พัฒนาโดยทีมวิศวกรนำโดยโรเบิร์ต เอ็น ฮอลล์และจำหน่ายโดย บริษัท แฟรงค์ ดับบลิว กัทส์วิลเลอร์ หรือ บิล ในปี ค.ศ.1957

SCR แรงสูงเทียบขนาดกับเหรียญ

บางแหล่งกำหนด SCR และ thyristors เป็นความหมายเหมือนกัน บางแหล่งกำหนด SCR เป็นส่วนหนึ่งของตระกูลของอุปกรณ์ที่มีสาร n และ p อย่างน้อย 4 ชั้นสลับกัน หรือตระกูล ทายริสเตอร์ (thyristors)

SCR เป็นอุปกรณ์แบบทิศทางเดียว (นั่นคือ กระแสไหลในทิศทางเดียวเท่านั้น) เมื่อเทียบกับ ไทรแอค (TRIAC) ซึ่งเป็นแบบสองทิศทาง (นั่นคือ กระแสไหลในสองทิศทาง) SCR ปกติถูก trigger ให้ทำงานได้ด้วยกระแสไหลเข้าใน gate ซึ่งตรงข้ามกับ TRIAC ซึ่งสามารถถูก trigger ได้ด้วยกระแสทั้งบวกหรือลบ

โหมดของการทำงาน

อุปกรณ์นี้โดยทั่วไปจะถูกใช้ในงานที่ปิดเปิดบ่อยๆ ในสภาวะปกติอุปกรณ์จะ "ปิด" กระแสที่ไหลผ่านก็มีเพียงกระแสไฟฟ้ารั่วเท่านั้นซึ่งมีปริมาณน้อยมาก เมื่อแรงดันไฟฟ้าระหว่าง gate กับแคโทดมีมากพอทำให้มีกระแสไหลใน gate เกินกว่าเกณฑ์ที่กำหนด อุปกรณ์ที่จะเปลี่ยนเป็น "เปิด" ให้กระแสไหลผ่านจากแอโหนดไปแคโทดได้ อุปกรณ์จะยังคงอยู่ในสถานะ "เปิด" แม้หลังจากกระแสที่ gate ถูกตัดออกไปตราบเท่าที่กระแสที่ผ่านอุปกรณ์ดังกล่าวข้างต้นยังคงมีอยู่สูงในระดับหนึ่ง ถ้ากระแสตกลงจากระดับนั้นช่วงเวลาหนึ่ง อุปกรณ์ที่จะเปลี่ยนเป็น "ปิด"

ถ้าแรงดันไฟฟ้าระหว่างแอโหนดกับแคโทดเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วพอ, capacitive coupling อาจก่อให้เกิดประจุไฟฟ้ามากพอเข้าไปใน gate ไป trigger ให้อุปกรณ์ "เปิด"; เรียกว่า "dv/dt triggering" ปรากฏการณ์นี้อาจสามารถหลีกเลี่ยงได้โดยใช้วงจร snubber "dv/dt triggering" อาจจะไม่สวิทช์ SCR ให้เปิดให้กระแสผ่านได้อย่างรวดเร็ว แต่ความร้อนที่เกิดขึ้นอาจทำให้ SCR เสียหายได้

SCR ยังถูก trigger ได้โดยการเพิ่มแรงดันให้เกินกว่าแรงดันไฟฟ้า rating ของมัน (breakdown voltage) แต่ครั้งนี้ก็เหมือนกัน จะไม่ทำให้อุปกรณ์สวิทช์ได้อย่างรวดเร็ว แต่อาจจะทำความเสียหายให้กับอุปกรณ์ได้ ควรหลีกเลี่ยง

การประยุกต์ใช้ SCR

SCR ส่วนใหญ่จะใช้ในอุปกรณ์ที่ต้องการการควบคุมของพลังงานที่สูงและอาจมีแรงดันไฟฟ้าที่สูงมากด้วย เช่นในงานที่เกี่ยวกับการควบคุมไฟฟ้าสลับแรงสูง เช่นการหรี่ไฟถนน, การควบคุมให้กระแสมีเสถียรภาพและการควบคุมมอเตอร์

SCR และอุปกรณ์ที่คล้ายกันนี้ใช้สำหรับการเรียงกระแสเพื่อเปลี่ยนไฟฟ้าสลับแรงสูงให้เป็นไฟฟ้ากระแสตรงแรงสูงเพื่อการส่งไฟฟ้าระยะไกล หรือระบบสายส่งกระแสตรงความดันสูง

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 จึงไม่ทำให้เกิดประกายไฟที่หน้าสัมผัสจึงมีความปลอดภัยสูงซึ่งสวิตช์ธรรมดาคือแบบกลไกที่มีหน้าสัมผัสจะไม่สามารถนำไปใช้ในบางสถานที่ได้ สวิตช์อิเล็กทรอนิกส์บางครั้งเรียกว่า “โซลิดสเตทสวิตช์” (Solid State Switch)

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 (IG) ให้แก่เอสซีอาร์ (SCR) และที่ขั้วแอโนด (A) และแคโทด (K) ได้รับไบอัสตรงคือที่แอโนดได้แรงดันบวก (+) และที่แคโทดได้รับแรงดันลบ (-) ทำให้เกิดกระแส IB2 ไหลเข้าขาเบส (Base) ของทรานซิสเตอร์ TR2 ทำให้ TR2 อยู่ในสภาวะนำกระแส (ON) จะเกิดกระแสคอลเลคเตอร์ (IC2) ไหลผ่าน TR2 ซึ่งก็คือกระแส IB1  ของทรานซิสเตอร์ TR1 นั่นเอง ดังนั้น TR1 จึงนำกระแสด้วย ค่าความต้านทานระหว่างขั้วแอโนด (A) และแคโทด (K) จึงมีค่าต่ำมากเป็นผลให้เกิดกระแสแอโนด (IA) ไหลผ่านอีมิตเตอร์ของ TR1 ไปออกที่อีมิตเตอร์ของ TR2 สภาวะการทำงานของเอสซีอาร์เปรียบเสมือนสวิตช์ปิดวงจร  เมื่อเอสซีอาร์นำกระแสแล้วไม่จำเป็นต้องคงค่ากระแสเกต (IG) ไว้ตลอดไป สามารถลดค่ากระแสเกตให้เป็นศูนย์ (IG = 0) หรือปลดกระแสเกตออกได้โดยที่เอสซีอาร์ยังคงนำกระแสต่อไปเพราะ IB2 ที่ไหลเข้าเบสของ TR2 จะไหลมาจากคอลเลคเตอร์ของ TR1 ดังนั้นถึงแม้จะไม่มีกระแสเกตเอสซีอาร์ก็ยังคงนำกระแสต่อไปได้                 ในสภาวะนำกระแสนี้ถ้าแหล่งจ่ายเป็นไฟกระแสสลับสามารถจะบังคับให้เอสซีอาร์นำกระแสได้มากหรือน้อยได้โดยเลือกมุมจุดชนวนที่เกตให้เหมาะสม 3. สภาวะหยุดนำกระแสของเอสซีอาร์                 วิธีการทำให้เอสซีอาร์หยุดนำกระแสมีหลักการคือ ทำให้กระแสแอโนด (IA) ลดลงจนต่ำกว่ากระแสโฮลดิ้ง (IH : Holding Current คือค่ากระแสต่ำสุดที่ทำให้เอสซีอาร์นำกระแส) หรือ     จึงจะทำให้เอสซีอาร์หยุดนำกระแสได้ซึ่งการที่จะทำให้เอสซีอาร์หยุดนำกระมี 2 วิธีคือ                 3.1 แอโนดเคอเรนท์อินเทอรัพชั่น (Anode Current Interruption)                                 โดยการตัดกระแส IA ไม่ให้ไหลผ่านแอโนดของเอสซีอาร์ วิธีง่ายๆ ดังรูปที่ 3 ก. โดยต่อสวิตช์อนุกรมแอโนด (A) ของเอสซีอาร์และเปิดสวิตช์เมื่อต้องการทำให้เอสซีอาร์หยุดทำงาน (Turn – Off) หรืออีกวิธีในรูปที่ 3 ข. โดยต่อสวิตช์ระหว่างขั้วแอโนดและแคโทดของเอสซีอาร์เป็นการเปลี่ยนทางเดินของกระแสแอโนด (IA) ไม่ให้ไหลผ่านเอสซีอาร์  3.2 ฟอร์ชคอมมูเทชั่น (Forced Commutation)                                 วิธีนี้ทำได้โดยบังคับให้เอสซีอาร์ได้รับไบอัสกลับโดยใช้สวิตช์ขนานกับเอสซีอาร์เป็นตัวควบคุมการหยุดนำกระแสของเอสซีอาร์ดังรูปที่  4  ถ้าสวิตช์เปิดวงจรเอสซีอาร์ยังคงนำกระแสอยู่ แต่ถ้าสวิตช์ปิดวงจรเอสซีอาร์จะหยุดนำกระแส เนื่องจากได้รับไบอัสกลับตลอดเวลาที่สวิตช์ยังคงปิดอยู่ โดยระยะเวลาในการบังคับให้เอสซีอาร์หยุดนำกระแสโดยให้ไบอัสกลับนี้จะต้องนานกว่าระยะเวลา Turn Off Time ซึ่งระบุไว้ในคู่มือ โดยทั่วไปค่าเวลานี้จะน้อยมาก (ประมาณไมโครวินาที) 4. การนำเอสซีอาร์ไปใช้งาน                 เอสซีอาร์สามารถนำไปใช้ในงานอิเล็กทรอนิกส์อย่างกว้างขวางเช่น วงจรเรียงกระแสที่สามารถควบคุมได้ (Control Rectifier) แต่ส่วนมากจะนิยมนำไปใช้ในการควบคุมหลักๆ 2 ประการคือ สภาวะนำกระแสและสภาวะหยุดนำกระแส เพื่อให้เกิดการทำงานและหยุดการทำงานของอุปกรณ์ต่างๆ                 ตัวอย่างการนำเอสซีอาร์ไปใช้งานอย่างง่ายคือ การนำเอสซีอาร์ไปใช้ในการเปิด – ปิดหลอดไฟซึ่งแสดงดังรูปที่ 5   รูปที่ 5 แสดงการนำเอสซีอาร์ไปใช้ในการเปิด – ปิดหลอดไฟ                 ในขณะที่สวิตช์ S1 อยู่ในสภาวะเปิดวงจรเอสซีอาร์จะไม่นำกระแส เพราะว่าไม่มีกระแสไปจุดชนวนที่ขาเกตของเอสซีอาร์ (IG = 0) แรงดันตกคร่อมขาแอโนดและแคโทดมีค่าสูงมาก กระแส IA จึงไม่สามารถไหลผ่านได้ หลอดไฟจึงไม่ติดสว่าง แต่ถ้าทำการสวิตช์ S1 (on) จะมีกระแสไปจุดชนวนที่ขาเกตของเอสซีอาร์ ทำให้เอสซีอาร์เกิดการนำกระแส ทำให้แรงดันที่ตกคร่อมระหว่างขาแอโนดและขาแคโทด ลดลงจนมีค่าต่ำมากมีกระแส IA ไหลเข้าขาแอโนดและออกที่ขาแคโทดได้ครบวงจรเป็นผลให้หลอดไฟติดสว่าง http://www.neutron.rmutphysics.com/physicsboard/forum/index.php?topic=819.0