(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


 

การทำงานของ SCR


       เพื่อให้เข้าใจการทำงานของ SCR จากรูปแสดงการแบ่งสารกึ่งตัวนำทั้ง 4 ชั้นของ SCR โดยให้ พิจารณาเป็นทรานซิสเตอร์ 2 ตัว คือ ทรานซิสเตอร์ชนิด NPN และ PNP

       รูปแสดงการต่อวงจรภายในซึ่งเป็นวงจรแบบ Complementary Latch ซึ่งการทำให้ SCR ทำงานเป็นสวิตซ์เปิดปิด นั้น จะต้องให้ไบอัสแก่ SCR ในลักษณะเช่นเดียวกับไดโอดโดยให้ศักย์ไฟฟ้าที่ขั้วอาโนดเป็นบวกเมื่อเทียบกับขั้วคาโธด และให้ขาเกทเป็นขาอินพุตที่ทำงานในสภาวะ HIGH นั้นเอง จะต้องได้รับการกระตุ้นโดยให้ศักย์ไฟฟ้าที่ขาเกทเป็นบวกเมื่อเทียบกับขั้วคาโธด

        จากวงจรตัวอย่างในรูป จะเห็นว่า ขั้วอาโนดของ SCR ต่อเข้ากับแหล่งจ่ายไฟขนาด + 50 V โดยผ่านโหลด ( RL ) ส่วนขั้วคาโธดจะต่อลงกราวด์ ( O V ) สำหรับขาเกทซึ่งเป็นขาอินพุตจะได้รับสัญญาณควบคุมขนาด OV หรือ +5 V เมื่อขาเกทได้รับแรงดัน O V จะทำให้ Q1 และ Q2 อยู่ในสภาวะ OFF ในกรณีนี้ SCR จึงเสมือนเปิดสวิตซ์ ดังแสดงในภาพาขยายในรูปที่ 13-3 ในทางกลับกันถ้าขาเกทได้รับแรงดัน +5 V ก็จะทำให้ขอเบสของ Q2 มีศักย์เป็นบวกเมื่อเทียบกับขาอิมิตเตอร์ ดังนั้น Q2 จึงอยู่ในสภาวะ ON ของ Q2 นี้ จะทำให้แรงดัน OV จากขาอิมิตเตอร์ผ่านไปยัง Q1 ซึ่งจะทำให้ Q1 อยู่ในสภาวะ ON ด้วยการ ON ของ Q1 จะเป็นการเชื่อมแหล่งจ่ายแรงไฟที่มีความเป็นบวกสูงจากขาอิมิตเตอร์ผ่านมายังขาคอลเลคเตอร์และขาเบสของ Q2 ซึ่งจะทำให้ SCR คงสภาวะ ON อยู่ และทำให้มีกระแสไฟฟ้าไหลจากขั้วคาโธดผ่านไปยังขั้วอาโนดอย่างต่อเนื่องถึงแม้จะนำแหล่งจ่ายไฟ +5 V ที่ใช้กระตุ้นขาเกทในตอนแรกออกก็ตาม

 

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
ตัวอย่างในรูป แสดงการนำ SCR ไปใช้วงจรควบคุมความสว่าง โดยเมื่อสวิตซ์ ON/OFF เปิดวงจร และเนื่องจากไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลไปยังขาเกทจึงทำให้ SCR อยู่ในสภาวะ OFF หลอดไฟจึงยังไม่สว่าง แต่เมื่อสวิตซ์ ON/OFF ปิดวงจรจะทำให้ไดโอด D1 ผ่านส่วนที่เป็นแรงดันไฟฟ้าบวกไปยังขาเกทของ SCR ทุกครั้งที่สัญญาณไฟฟ้ากระแสสลับอยู่ในช่วงครึ่งบวกปริมาณของกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่าน SCR จะถูกควบคุมโดยตัวต้านทานควบคุมความสว่าง (R1 ) พิจารณารูปคลื่นสัญญาณที่ขยายให้เห็นในรูปที่ 13-5 จะเห็นว่าเมื่อค่าวความต้านทานของ R1 เท่ากับ 0 (ไม่มีการลดความสว่าง) จะทำให้กระแสไฟฟ้าที่ไหลไปยังขาเกทมีปริมาณสูงสุด ดังนั้น SCR จึงอยู่ในสภาวะ ON แบบเต็มครึ่งบวกของสัญญาณไฟฟ้ากระแสสลับที่จ่ายเข้ามา และกำลังงานเฉลี่ยที่ส่งไปยังหลอดไฟจะมีค่าสูง แต่ถ้าค่าความต้านทานของ R1 เพิ่มขึ้น กระแสไฟฟ้าที่ขาเกทของ SCR อยู่ในสภาวะ ON ไม่เต็มครึ่งส่วนของสัญญาณที่เป็นบวก ดังนั้นกำลังงานเฉลี่ยที่ส่งไปให้หลอดไฟจึงมีค่าลดลง

          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

 

SCR ไวแสง


        SCR ไวแสง ( Light Activated Silicon Controlled Rectifier : LASCR) จะทำงานเป็นสวิตซ์ที่ทำงานด้วยแสงชนิดหนึ่ง โดยจะมีลักษณะการทำงานเช่นเดียวกับ SCR มาตรฐาน แต่มีความแตกต่างเพียงว่าการทำงานของ SCRไวแสงจะมีความไวแสงมาก ดังนั้น จึงสามารถใช้แสงที่มาตกกระทบเป็นตัวกระตุ้นให้ SCR ไวแสงทำงานได้ ส่วนใหญ่แล้ว SCR ไวแสงจะมีขาเกทต่อออกมาด้วยเช่นกัน ดังนั้น SCR ไวแสงจึงสามารถถูกกระตุ้นให้ทำงานนำกระแสได้ได้โดยใช้คลื่นสัญญาณไฟฟ้าได้เช่นเดียวกับ SCR มาตรฐานรูป แสดงสัญลักษณ์ และรูปลักษณะของ SCR ไวแสง

         สำหรับการทำงานของ SCR ไวแสงนั้น จะมีความไวต่อแสงมากเมื่อจัดให้ขาเกทเปิดวงจรลอยไว้ แต่เพื่อเป็นการลดความไวในการตอบสนองต่อแสงก็สามารถทำได้ โดยต่อตัวต้านทานจากขาเกทเข้ากับขาคาโธด ตัวอย่างการใช้งานของ SCR ไวแสง เช่น วงจรควบคุมการเปิดประตู หรือวงจรสัญญาณเตือนภัย โดยจะใช้เป็นตัวกระตุ้นการทำงานของรีเลย์ ดังแสดงในรูป โดยการทำงานนั้นเมื่อการเปิดสวิตซ์ไฟ แสงจากหลอดไฟจะไปตกกระทบและกระตุ้นให้ SCR ไวแสงทำงาน ส่งผลให้กระแสที่ไหลผ่านขั้วอาโนดเป็นตัวกระตุ้นให้รีเลย์ทำงานโดยการดึงหน้าสัมผัสให้ปิดลง ซึ่งจะทำให้การทำงานของระบบครบวงจร มีข้อสังเกตว่าข้อดีของการใช้ SCR ไวแสงนั้นก็ คือ การกระตุ้นให้ระบบการทำงานจะไม่มีการเชื่อมต่อกันทางไฟฟ้าใด ๆ กับวงจรของระบบเลย

ศึกษาเพิ่มเติมที่นี่