SCR: วงจรเรียงกระแสควบคุมด้วยซิลิกอนคืออะไร และตัวอย่าง 2N6504

ในสาขาอิเล็กทรอนิกส์กำลังไฟฟ้า เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าควบคุมด้วยซิลิกอน SCR (SCR) ได้รับการยอมรับว่าเป็นอุปกรณ์ที่ขาดไม่ได้สำหรับการควบคุมและแปลงพลังงานไฟฟ้า โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อต้องใช้กับการใช้งานที่ต้องจัดการโหลดขนาดใหญ่ ควบคุมมอเตอร์ หรือปรับความเข้มของแสงและความร้อน แม้ว่าการทำงานของ SCR อาจดูซับซ้อนในตอนแรก แต่การทำความเข้าใจวิธีการทำงานของ SCR และวิธีรวมเข้ากับวงจรจะง่ายขึ้นมากหากคุณเริ่มจากพื้นฐาน

สงสัยว่า SCR คืออะไร เปิดใช้งานอย่างไร ใช้ที่ไหน หรือมีข้อดีและข้อจำกัดอะไรบ้าง นี่คือคำอธิบายโดยละเอียดและเข้าใจง่ายเกี่ยวกับ SCR ไทริสเตอร์ส่วนประกอบสำคัญที่ปฏิวัติการจัดการพลังงานไฟฟ้าในวงจรไฟฟ้าสมัยใหม่ นอกจากนี้ คุณยังจะได้เรียนรู้เกี่ยวกับกรณีศึกษาที่เป็นที่นิยมของ สซีอาร์2N6504ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นตัวอย่างในเรื่องความทนทานและความพร้อมใช้งาน

SCR หรือ วงจรเรียงกระแสควบคุมซิลิกอนคืออะไร?

Un SCR มันเป็นชนิดของ ไทริสเตอร์อุปกรณ์ สารกึ่งตัวนำกำลังไฟฟ้า ออกแบบมาเพื่อทำงานเป็นสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์ วัตถุประสงค์หลักคือเพื่ออนุญาตหรือปิดกั้นกระแสไฟฟ้าให้ไหลไปในทิศทางเดียวเท่านั้น กล่าวคือ มีพฤติกรรมแบบ ทิศทางเดียว และแตกต่างจากไดโอดทั่วไป การนำไฟฟ้าได้รับการควบคุมโดยสัญญาณทริกเกอร์ภายนอกการควบคุมนี้ถือเป็นรากฐานของการจัดการพลังงานในวงจรอุตสาหกรรมและครัวเรือนที่หลากหลาย

SCR แตกต่างจากไดโอดแบบ PN junction แบบดั้งเดิม โดยประกอบด้วย สี่ชั้นสลับกัน ของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ (PNPN หรือ NPNP) และมี สามขั้ว:แอโนด (A) แคโทด (K) และเกต (G) โครงสร้างนี้ทำให้สามารถปิดกั้นแรงดันไฟฟ้าสูงเมื่ออยู่นิ่งได้ แต่ยังอนุญาตให้กระแสไฟฟ้าสูงผ่านได้ด้วยพัลส์เปิดใช้งานเพียงเล็กน้อยที่เกตอีกด้วย

นอกจากนี้ ยังมักเรียก SCR ว่า ไดโอด SCR, ไดโอด 4 ชั้น หรือเพียงแค่ ไทริสเตอร์หลายครั้งที่ได้ยินคำว่าไทริสเตอร์ มักจะหมายถึง SCR โดยเฉพาะ

การทำงานโดยละเอียดของ SCR

El SCR มีลักษณะเหมือนสวิตช์ที่ควบคุมด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์ เมื่อ ขั้วบวก และ y แคโทด แรงดันไฟฟ้าโดยตรงจะถูกนำไปใช้และใน คอมพิวเตอร์ (G) พัลส์กระแสไฟฟ้าบวกขนาดเล็กถูกเหนี่ยวนำ อุปกรณ์จะเปลี่ยนจากสถานะบล็อกไปเป็นสถานะนำไฟฟ้าได้เต็มที่ โดยยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลไปในทิศทางเดียวเท่านั้น กระบวนการนี้เรียกว่า ผมยิง หรือการเปิดใช้งาน

เมื่อเปิดใช้งานแล้ว SCR จะยังคงอยู่ในสถานะการนำไฟฟ้าจนกว่า กระแสไฟฟ้าที่ไหลระหว่างขั้วบวกและขั้วลบต่ำกว่าเกณฑ์ที่กำหนดไว้ล่วงหน้าเรียกว่า ถือครองปัจจุบันสิ่งนี้มีความเกี่ยวข้องอย่างยิ่งในวงจรของ กระแสสลับ (CA) โดยที่การข้ามสัญญาณเป็นศูนย์ทำให้ SCR สามารถปิดตามธรรมชาติได้

บนวงจรของ กระแสตรง (CC) เมื่อพัลส์ทริกเกอร์ถูกส่งไปยังเกต SCR จะปิดและ กระแสไฟฟ้าไหลอย่างต่อเนื่องจนกระทั่งการจ่ายไฟถูกตัดหรือกระแสลดลง ต่ำกว่าเกณฑ์ที่กำหนดเพื่อให้เปิดใช้งานได้ คุณลักษณะนี้ทำให้จำเป็นต้องใช้กลไกเพิ่มเติมในแอปพลิเคชัน DC เพื่อปิดการใช้งาน SCR ในลักษณะที่ควบคุมได้

โครงสร้างและสัญลักษณ์ของ SCR

ภายในSCR ประกอบด้วยชั้นเซมิคอนดักเตอร์ที่ต่อเนื่องกันซึ่งทำให้ SCR มีคุณสมบัติเฉพาะตัว โดยภายนอก SCR มี สามขั้ว:

• ขั้วบวก (A): ขั้วบวกที่กระแสไฟฟ้าเข้าสู่อุปกรณ์
• แคโทด (K): ขั้วลบที่กระแสไฟฟ้าไหลออก
• ประตู (G): ขั้วควบคุมซึ่งใช้พัลส์การเปิดใช้งาน

สัญลักษณ์แผนผัง SCR ในแผนผังไฟฟ้าแสดงด้วยลูกศร (ขั้วบวกถึงขั้วลบ) และเส้นเพิ่มเติมที่เข้ามาที่อุปกรณ์จากเกต เพื่อส่งสัญญาณไปยังจุดทริกเกอร์

พารามิเตอร์ที่สำคัญและคุณลักษณะทางไฟฟ้า

ลอส SCR ถูกกำหนดโดยพารามิเตอร์ทางเทคนิคพื้นฐานชุดหนึ่ง ซึ่งช่วยให้สามารถเลือกใช้แบบจำลองที่เหมาะสมสำหรับแต่ละแอปพลิเคชันและหลีกเลี่ยงการโอเวอร์โหลดหรือความเสียหาย:

• VRDM (แรงดันไฟดับย้อนกลับสูงสุด): แรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่ SCR สามารถทนได้ในสภาวะไบอัสย้อนกลับโดยไม่ต้องเปิด
• VFOM (แรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้าสูงสุดโดยไม่เกิดประกายไฟ): แรงดันไฟฟ้าตรงสูงสุดที่สามารถทนได้โดยไม่ต้องถูกกระตุ้น
• IF (กระแสตรงสูงสุด): ปริมาณกระแสไฟฟ้าสูงสุดที่สามารถไหลผ่าน SCR ในระหว่างการทำงาน
• PG (กำลังประตูสูงสุด): ระบุการสูญเสียพลังงานสูงสุดระหว่างเกตและแคโทด
• VGT/IGT (แรงดันไฟหรือกระแสไฟฟ้าที่ประตู): พัลส์ขั้นต่ำที่จำเป็นที่เกตเพื่อเปิดใช้งาน SCR
• IH (รักษากระแสไฟ): ค่ากระแสไฟฟ้าขั้นต่ำที่จำเป็นสำหรับให้ SCR ทำงานต่อไปหลังจากถูกทริกเกอร์
• ดีวี/ดีที: ยอมรับการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าสูงสุดโดยไม่ทำให้เกิดการเปิดใช้งาน SCR โดยไม่ได้ตั้งใจ
• ดิ/ดีท: การเปลี่ยนแปลงกระแสไฟฟ้าสูงสุดที่อนุญาตก่อนอุปกรณ์จะได้รับความเสียหาย

ค่าเหล่านี้จะปรากฏอยู่ในแผ่นข้อมูลทางเทคนิคของแต่ละรุ่นเสมอ และมีความจำเป็นในการกำหนดขนาด SCR ตามโหลดและสภาวะการทำงาน

คุณจะเปิดและปิด SCR ได้อย่างไร?

El ผมยิง การทำงานของ SCR เกี่ยวข้องกับการใช้พัลส์กระแสบวกขนาดเล็กกับเกตที่สัมพันธ์กับแคโทด เมื่อถูกกระตุ้นแล้ว อุปกรณ์จะยังคงเปิดอยู่ (นำไฟฟ้า) ตราบเท่าที่กระแสระหว่างแอโนดและแคโทดเท่ากับหรือมากกว่ากระแสยึด หากต้องการปิด (ล็อกอีกครั้ง) ในระบบกระแสสลับ เพียงแค่รอให้คลื่นผ่านศูนย์ เนื่องจาก กระแสไฟตกต่ำกว่าเกณฑ์นี้ในไฟฟ้ากระแสตรง จำเป็นต้องตัดกระแสไฟฟ้าหรือใช้วงจรปิดภายนอก

การใช้งานหลักของ SCR

ความคล่องตัวของ SCR ทำให้มีความจำเป็นในหลายภาคส่วน:

• เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าแบบควบคุม: เพื่อแปลงไฟฟ้ากระแสสลับเป็นไฟฟ้ากระแสตรงในลักษณะที่ควบคุมได้ ทำให้สามารถปรับปริมาณพลังงานที่ถ่ายโอนไปยังโหลดได้
• การควบคุมมอเตอร์ไฟฟ้า : ปรับกำลังที่มอเตอร์ได้รับเพื่อควบคุมความเร็วและแรงบิด
• ระบบไฟหรี่แสงได้: จัดการความเข้มของแสงในระบบอุตสาหกรรมและที่พักอาศัย
• อุปกรณ์เชื่อม: ควบคุมพลังงานที่ส่งไปยังส่วนเชื่อม
• ระบบควบคุมความร้อนไฟฟ้า: เตาเผาขนาดใหญ่และเครื่องปรับอากาศได้รับประโยชน์จากการใช้ SCR เพื่อปรับความร้อนที่ปล่อยออกมา
• แหล่งจ่ายไฟฟ้าอุตสาหกรรม: ช่วยให้คุณควบคุมกระบวนการชาร์จแบตเตอรี่หรือจ่ายไฟให้อุปกรณ์ขนาดใหญ่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ในอุตสาหกรรมสมัยใหม่ มักใช้ในระบบป้องกัน เป็นองค์ประกอบสำหรับลดแรงดันไฟฟ้ากระชาก และในแอพพลิเคชั่นด้านยานยนต์และการขนส่งต่างๆ มากมาย

ชนิดและตัวแปรของ SCR

มีหลายแบบด้วยกัน ตัวแปร SCR ปรับให้เหมาะกับความต้องการที่หลากหลาย:

• ซีรีส์ Junction SCR (SFS-SCR): ประกอบด้วยเซลล์จำนวนหลายเซลล์ที่ต่อรวมกันแบบอนุกรม ซึ่งช่วยให้ทนต่อแรงดันไฟฟ้าได้สูงกว่ามาก
• SCR ที่มีเกตขยาย (GTO-SCR): มีเกตพิเศษที่ช่วยเพิ่มความสามารถในการควบคุม รวมทั้งยังอนุญาตให้ปิดการใช้งาน SCR ได้โดยใช้สัญญาณอีกด้วย
• ประตูข้าง SCR (LGT-SCR) มีการจัดวางแบบประตูข้างเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการจ่ายกระแสไฟฟ้าและความสามารถในการสับเปลี่ยน
• SCR แรงดันสูง (HV-SCR): ออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับการใช้งานในช่วงกิโลโวลต์
• SCR แรงดันไฟต่ำ (LV-SCR): ใช้ในวงจรที่มีความต้องการแรงดันไฟฟ้าต่ำ เช่น ตัวควบคุมภายในบ้าน หรือระบบอิเล็กทรอนิกส์แบบพกพา

แต่ละรูปแบบตอบสนองต่อความต้องการทางอุตสาหกรรมหรือเทคนิคเฉพาะ ซึ่งทำให้ SCR สามารถขยายตัวได้อย่างรวดเร็วในแอปพลิเคชันประเภทต่างๆ

การป้องกันและการดูแลที่จำเป็นเมื่อใช้ SCR

เนื่องจากเป็นอุปกรณ์ไฟฟ้า SCR จึงต้องอยู่ภายใต้เงื่อนไขทางไฟฟ้าที่เข้มงวด เพื่อให้แน่ใจว่าอุปกรณ์จะทำงานได้และยืดอายุการใช้งานได้ ขอแนะนำดังนี้:

• ติดตั้งแผงระบายความร้อน: สิ่งสำคัญคือต้องรักษาอุณหภูมิให้เหมาะสมและหลีกเลี่ยงความร้อนมากเกินไป
• รวมการป้องกันความร้อน: ใช้เทอร์โมสตัทหรือเซ็นเซอร์ที่คอยตรวจสอบอุณหภูมิของอุปกรณ์ ป้องกันความเสียหายอันเกิดจากความร้อนที่มากเกินไป
• ป้องกันไฟกระชาก: เพิ่มวาริสเตอร์ ไดโอดอะวาแลนช์ หรืออุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก เพื่อป้องกันไฟกระชากอันตรายบนกริด
• ติดตั้งฟิวส์หรือเบรกเกอร์ : เพื่อป้องกันความเสียหายอันเกิดจากกระแสไฟเกินโดยไม่ได้ตั้งใจ
• วางไดโอดบล็อกในแนวตรงข้าม: เพื่อป้องกันความเสียหายต่อวงจรจากการต่อขั้วกลับ

การป้องกัน SCR ที่ครอบคลุมไม่เพียงแต่ช่วยเพิ่มความปลอดภัยของระบบ แต่ยังช่วยลดความต้องการในการบำรุงรักษาและความเสี่ยงของการพังที่อาจเกิดขึ้นอีกด้วย

ข้อดีและข้อเสียของ SCR เมื่อเทียบกับเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าชนิดอื่น

วงจรเรียงกระแสที่ควบคุมด้วยซิลิกอนมีข้อได้เปรียบสำคัญหลายประการ:

• การควบคุมพลังงานที่แม่นยำ: สามารถปรับเวลาและปริมาณพลังงานที่ถ่ายโอนไปยังโหลดได้โดยการกระตุ้น
• รองรับกระแสและแรงดันไฟฟ้าสูง: เหมาะสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมและระบบการบริโภคสูง
• ความทนทานและความน่าเชื่อถือสูง: เป็นอุปกรณ์ที่แข็งแรงทนทานและมีอายุการใช้งานยาวนานหากใช้งานอย่างถูกต้อง
• การออกแบบที่กะทัดรัด: พวกมันใช้พื้นที่น้อยกว่าเมื่อเทียบกับโซลูชันเครื่องกลไฟฟ้าแบบเดิม

อย่างไรก็ตามมันมีข้อจำกัดบางประการเช่นกัน:

• การขับขี่ทางเดียว: SCR อนุญาตให้กระแสไหลในทิศทางเดียวเท่านั้น ซึ่งจำกัดการใช้งานในโครงสร้างวงจรบางส่วน
• แรงดันไฟตกระหว่างการขับขี่: สิ่งนี้เกี่ยวข้องกับการสูญเสียพลังงาน โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ระดับกระแสไฟฟ้าสูง
• เวลาตอบสนอง: ไม่เหมาะสำหรับการใช้งานที่มีความถี่สูงมาก (สูงกว่า 400 เฮิรตซ์) เนื่องจากการหน่วงเวลาเปิด/ปิดอาจทำให้ไม่มีประสิทธิภาพ
• ต้นทุนและขนาดในการใช้งานที่ต้องการความแม่นยำสูง: อุปกรณ์ที่มีกำลังไฟสูงอาจมีขนาดใหญ่และราคาแพง

สมดุลมีแนวโน้มที่จะเอียงไปในทิศทางของ SCR เมื่อเป็นเรื่องของอุตสาหกรรม พลังงาน หรือการใช้งานกำลังไฟสูง

อิทธิพลของความถี่และแรงดันไฟฟ้าต่อการเลือก SCR

La frecuencia ของกระแสไฟฟ้าสลับและ ค่าแรงดันไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพ เป็นปัจจัยในการตัดสินใจเลือก SCR หากความถี่สูงมาก เวลาที่มีสำหรับการเปิดใช้งานและปิดระบบลดลงเพิ่มความเป็นไปได้ของการทำงานที่ไม่มีประสิทธิภาพและความร้อนที่เพิ่มขึ้น นอกจากนี้ ยิ่งแรงดันไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพสูงขึ้น ต้องมีอุปกรณ์ที่สามารถทนต่อกระแสไฟฟ้าสูงได้การเลือก SCR ที่มีคุณสมบัติตรงตามความต้องการที่แท้จริงของวงจรถือเป็นสิ่งสำคัญ

ในการออกแบบนั้น ยังต้องพิจารณาถึงความจุขององค์ประกอบเสริม เช่น หม้อแปลง ตัวเก็บประจุ และระบบกรอง ซึ่งจะต้องมีขนาดที่เหมาะสมกับการทำงาน SCR ภายใต้สภาวะการทำงานที่คาดหวัง

SCR ใช้ที่ไหน และมีข้อจำกัดอะไรบ้าง?

ลอส SCR มีอยู่ในการใช้งานต่างๆ เช่น:

• แหล่งจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ไฟฟ้า
• การควบคุมมอเตอร์ไฟฟ้าเพื่อควบคุมความเร็ว
• ระบบทำความร้อนอุตสาหกรรมและเตาไฟฟ้า
• ระบบไฟหรี่แสงได้
• อุปกรณ์เชื่อมอุตสาหกรรมและมืออาชีพ

อย่างไรก็ตาม SCR ไม่เหมาะสำหรับการใช้งานทุกประเภท ตัวอย่างเช่น ทำงานได้ไม่ดีที่ความถี่สูงมาก (เกิน 400 เฮิรตซ์) ประสบปัญหาการสูญเสียพลังงานเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าตก และอาจไม่ประหยัดในการใช้งานที่ใช้พลังงานต่ำหรือความเร็วสูง ซึ่งเซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ เช่น ทรานซิสเตอร์ อาจจะดีกว่า

การเปรียบเทียบกับอุปกรณ์และตระกูลไทริสเตอร์อื่น ๆ

ในตระกูลไทริสเตอร์ นอกจาก SCR แล้ว เรายังพบส่วนประกอบเช่น DEAC (ไดโอดกระแสสลับ) ไตรแอก (ไตรโอดกระแสสลับ) ไดโอดช็อคลีย์ (สี่ชั้น) และ PUT (ทรานซิสเตอร์ยูนิจังก์ชั่นแบบตั้งโปรแกรมได้) ทรานซิสเตอร์แต่ละตัวมีการใช้งานที่แตกต่างกัน แต่ SCR โดดเด่นด้วยความสามารถในการรองรับกำลังไฟสูงและการควบคุมเกต ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการแก้ไขและการควบคุมกำลังไฟในระบบอุตสาหกรรม

ตัวอย่างการปฏิบัติจริง: SCR 2N6504

El 2N6504 เป็นหนึ่งในรุ่น SCR ที่พบได้บ่อยที่สุดในแอพพลิเคชั่นกำลังปานกลางและสูง อุปกรณ์นี้รองรับค่ากระแสและแรงดันไฟฟ้าสูง และแผ่นข้อมูลจำเพาะโดยทั่วไปจะระบุ:

• แรงดันไฟฟ้าตรงสูงสุดระหว่าง 400 และ 800 โวลต์
• กระแสไฟสูงสุดมากกว่า 25 A.
• ลดกระแสทริกเกอร์เกต ช่วยให้ควบคุมด้วยสัญญาณพลังงานต่ำได้ง่ายขึ้น

การใช้งานทั่วไปของ 2N6504 อยู่ในระบบควบคุมความเร็วสำหรับมอเตอร์สากล ซึ่งจะเปิดใช้งานในเวลาที่กำหนดในรอบกระแสไฟฟ้าสลับ เพื่อปรับพลังงานที่จ่ายและควบคุมความเร็วและแรงบิด

การวัดและการตรวจสอบ SCR

เพื่อตรวจสอบสถานะของ SCR มัลติมิเตอร์ในโหมดไดโอดระบุขั้วต่อแล้ว ทำการทดสอบระหว่างขั้วบวกและขั้วลบ และใช้พัลส์สั้นบนเกตเพื่อตรวจสอบการนำไฟฟ้า หาก SCR ยังคงนำไฟฟ้าต่อไปเมื่อเอาพัลส์ออก แสดงว่า SCR อยู่ในสภาพดี หากต้องการทดสอบอย่างละเอียดมากขึ้น ขอแนะนำให้ปฏิบัติตามคำแนะนำของผู้ผลิตและดูเอกสารข้อมูล

เข้าใจการทำงานของระบบอย่างลึกซึ้ง SCR และการผสานเข้ากับระบบอิเล็กทรอนิกส์ในปัจจุบันถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับผู้ที่ทำงานด้านอิเล็กทรอนิกส์กำลังและระบบอัตโนมัติในอุตสาหกรรม อุปกรณ์ต่างๆ เช่น 2N6504 ตัวอย่างเหล่านี้แสดงให้เห็นถึงความแข็งแกร่งและความคล่องตัวของส่วนประกอบเหล่านี้ ซึ่งเมื่อมีขนาดและการปกป้องที่เหมาะสมแล้ว จะให้โซลูชันที่มีประสิทธิภาพและเชื่อถือได้สำหรับการจัดการพลังงานไฟฟ้าในแอปพลิเคชันสมัยใหม่