เอส.ซี.อาร์ (Silicon-controlled Rectifier : SCR)

โดย : Admin

 

SCR  คืออะไร ?

SCR คืออุปกรณ์อิเลคทรอนิกส์สารกึ่งตัวนำชนิดหนึ่งที่อยู่ในกลุ่มของไทริสเตอร์ (Thyristors) ซึ่งเป็นที่มีชั้นของสารกึ่งตัวนำ 4 ชั้นขึ้นไป (Four Semiconductor Layers : pnpn) เช่น ชอคเลย์ไดโอด(Shockley Diode) , เอส.ซี.อาร์(Silicon-controlled Rectifier : SCR) , เอส.ซี.เอส (Silicon - controlled Switch : SCS)รวมทั้งไทรแอก(Triac) , ไดแอก(Diac) , ยูเจที(Unijunction Transistor และ พัท (Programmable Unijunction Transistor : PUT)   ไทริสเตอร์นิยมนำไปใช้งานควบคุมกำลังไฟฟ้า เช่น ควบคุมแสงสว่างของหลอดไฟฟ้า ควบคุมความเร็วรอบของมอเตอร์ ระบบจุดระเบิดอิเล็กทรอนิกส์ฯลฯ อุปกรณ์เหล่านี้ถูกนำไปใช้ประโยชน์สำหรับการทำสวิตชิ่งซ์ ,การควบคุมเฟสของไฟกระแสสลับเพื่อใช้ปรับความเข้มของไฟสองสว่าง ,การปรับความเร็วของมอเตอร์ ,การปรับลวดความร้อนและอื่นๆ

โครงสร้างและสัญลักษณ์ของเอสซีอาร์

เอสซีอาร์ (SCR) ชื่อเต็มคือ ซิลิคอน คอนโทรล เร็คติไฟร์เออร์ (Silicon Control Rectifier) เป็นอุปกรณ์โซลิดสเตท (Solid-State) ที่ทำหน้าที่เป็นสวิตช์เปิด - ปิด (On - Off ) วงจรทางอิเล็กทรอนิกส์ชนิดหนึ่ง

ข้อดีของสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์คือจะไม่มีหน้าสัมผัสหรือเรียกว่าคอนแท็ค (Contact) ขณะปิด - เปิด จึงไม่ทำให้เกิดประกายไฟที่หน้าสัมผัสจึงมีความปลอดภัยสูงซึ่งสวิตช์ธรรมดาที่เป็นแบบกลไกที่มีหน้าสัมผัส ซึ่งจะไม่สามารถนำไปใช้ในบางสถานที่ได้  สำหรับสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์แบบนี้บางครั้งเรียกว่า "โซลิดสเตทสวิตช์" (Solid State Switch)  ซึ่งจะไม่มีส่วนหนึ่งส่วนใดเคลื่อนไหว


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) โครงสร้างและสัญลักษณ์แสดงดังรูป 

 

จากรูปโครงสร้างของเอสซีอาร์ (SCR) ประกอบไปด้วยสารกึ่งตัวนำ 4 ชิ้นคือ พี - เอ็น - พี - เอ็น (P - N - P - N) มีจำนวน 3 รอยต่อ และมีขาต่อออกมาใช้งาน 3 ขาคือ 1. แอโนด (A : Anode) 2.แคโธด (K : Cathode) 3. เกท (G : Gate)

 

การทำงานของเอสซีอาร์

การเปิดเอสซีอาร์ให้นำกระแสนั้น SCR จะต้องได้รับการไบอัสตรง (forward bias) คล้ายกับไดโอด และทำได้โดยการป้อนแรงดันไฟฟ้าบวกที่ขั้วเกต ซึ่งเรียกว่าการจุดชนวนเกต (firing gate) หรือสัญญาณทริกเกอร์ (Trigerred)   และหลังจากที่ทำการจุดชนวนแล้วหรือมีสัญญาณทริกเกอร์มากระดุ้นแล้ว SCR ก็จะนำกระแสอย่างต่อเนื่อง

 รูปซ้ายมือ: แสดงวงจรของ SCR ในแบบโมเดลที่ใช้ทรานซิสเตอร์
รูปขวามือ: เปรียบเทียบ SCR กับอุปกรณ์ใกล้ตัว ที่ใช้จริงๆในชีวิตประจำวัน (กดครั้งเดียว นำไหลต่อเนื่อง)

 

การหยุดการทำงานของเอสซีอาร์

SCR เมื่อมีการนำกระแสแล้วก็จะนำอย่างต่อเนื่อง และจะหยุดการทำงานเมื่อค่ากระแสที่ไหลผ่านแอโนดลงจนต่ำกว่าค่าที่เรียกว่า กระแสโฮลดิ้ง (holding current) หรือเรียกว่า Ih

ในกรณีที่เอสซีอาร์ถูกใช้งานโดยการป้อนกระแสสลับผ่านตัวมัน การหยุดทำงานของมันจะเกิดขึ้นโดยอัตโนมัติ เมื่อค่าแรงดันไฟสลับที่ให้นั้นใกล้กับจุดที่เรียกว่า "จุดตัดศูนย์" (Zero-crossing point) ซึ่งจะเกิดขึ้นทุก ๆ ครึ่งคาบเวลาของสัญญาณไฟสลับที่ให้แก่วงจรนั้น ถ้าต้องการหยุดการนำกระแสของเอสซีอาร์จากวงจรทำได้โดยกดสวิตช์ S1 ดังรูปตัวอย่าง

 

ตัวอย่าง การต่อสวิตซ์เพื่อหยุดการทำงานของ SCR

 

 

กราฟคุณสมบัติของ SCR (characteristic)

จากรูป จะเห็นว่า เมื่อ SCR  จะนำกระแสได้ ก็ต่อเมื่อได้รับการฟอร์เวิร์ดไบอัสด้วยแรงดันระดับหนึ่ง มีการระดุ้นหรือจุดชนวนที่ขาเกต SCR  หรืออีกกรณีหนึ่งคือเมื่อมีแรงดันตกคร่อมระหว่าง แอโนดและแแคโธด สูงๆค่าหนึ่งจนกระทั่งถึงระดังแรงดันฟอร์เวิร์ดเบรคดาวน์ SCR ก็จะนำกระแสได้เองโดยไม่ต้องมีการกระตุ้นหรือจุดชนวน  

 

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


คุณลักษณะของ SCR นั้น จะนำกระแสในทิศทางตรงเท่านั้น (Forward Direction) ด้วยเหตุผลนี้จึงจัดให้ SCR เป็นอุปกรณ์จำพวก นำกระแสในทิศทางเดียว (Unidirectional Device ) ซึ่งหมายความว่า ถ้าป้อนสัญญาณไฟฟ้า กระแสสลับผ่าน SCR ขาเกทของ SCR จะตอบสนองสัญญาณ และกระตุ้นให้ SCR ทำงานเฉพาะครึ่งบวกของสัญญาณที่จะทำให้อาโนดเป็นบวกเมื่อเทียบกับคาโธดเท่านั้น ตัวอย่างการนำเอสซีอาร์ไปใช้งานอย่างง่ายคือ การนำเอสซีอาร์ไปใช้ในการเปิด- ปิดหลอดไฟซึ่งแสดงดังรูป

 

 

จากรูป - ในขณะที่สวิตช์ S1 อยู่ในสภาวะเปิดวงจรเอสซีอาร์จะไม่นำกระแส เพราะว่าไม่มีกระแสไปจุดชนวนที่ขาเกตของเอสซีอาร์ (IG = 0) แรงดันตกคร่อมขาแอโนดและแคโทดมีค่าสูงมาก กระแส IA จึงไม่สามารถไหลผ่านได้ หลอดไฟจึงไม่ติดหรือถ้าเป็นโหลดอื่นๆก็จะไม่ทำงาน  แต่ถ้ามีการกดสวิตช์ S1 หรือมีการจุดชนวน  SCR ก็จะทำงาน

  

การวัดและทดสอบเอสซีอาร์ด้วยโอห์มมิเตอร์

              การวัดหาขาของเอสซีอาร์โดยใช้โอห์มมิเตอร์ของซันวา ( SUNWA ) รุ่น XZ 300  ที่สายวัดสีแดงจะมีศักย์ไฟฟ้าเป็นลบ (-) ส่วนสายวัดสีดำจะมีศักย์ไฟฟ้าเป็นบวก (+) ( มีมิเตอร์บางยี่ห้อสายวัดจะตรงข้ามกัน คือ สายสีแดงมีศักย์เป็นบวก และสายสีดำมีศักย์เป็นลบ )  โดยวิธีการวัดให้ทำการสมมุติตำแหน่งของขาก่อน คือ เอสซีอาร์มี 3 ขาหรือ 3ขั้ว เราก็สมมุติขาเป็นตำแหน่งที่ 1, 2 และ 3 ดังรูป    จากนั้นก็แบ่งเป็น 3 คู่ แล้วทำการวัดดังตารางต่อไปนี้


 

การวัดหาขาของเอสซีอาร์ด้วยโอห์มมิเตอร์

 

  หาร  พิจารณาค่าความต้านทานระหว่างขาของเอสซีอาร์จากตารางสรุปได้ว่า การวัดเอสซีอาร์ทั้ง 3 ขา จำนวน 6 ครั้ง สามารถอ่านค่าความต้านทานได้เพียง 1 ครั้งหรือเรียกว่า " วัด 6 ครั้ง เข็มขึ้น 1 ครั้ง " ครั้งที่สามรถอ่านค่าความต้านทานต่ำได้นั้น ศักย์ไฟบวก ( สายสีดำ ) จับที่ขาใดนั้นเป็นขาเกต และศักย์ไฟลบ
 

 หมายเหตุ    มัลติมิเตอร์ที่ใช้เป็นของซันวา ( SUNWA ) รุ่น YX -360 มัลติมิเตอร์บางรุ่นสายวัดอาจมีศักย์ไฟไม่เหมือนกัน ก่อนทำการวัดจึงควรศึกษาให้เข้าใจ

เนื้อหาโดย: 9engineer.com (https://9engineer.com/)