วงจรเรียงกระแสที่ควบคุมด้วยซิลิคอน - พื้นฐานการทำงานและการใช้งาน

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสมัยใหม่เริ่มต้นอย่างแท้จริงด้วยการถือกำเนิดของไทริสเตอร์ ไทริสเตอร์เรียกอีกอย่างว่าวงจรเรียงกระแสที่ควบคุมด้วยซิลิคอนหรือ SCR เหล่านี้เป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์สี่ชั้นและสามขั้ว และไทริสเตอร์เป็นอุปกรณ์ทิศทางเดียว

วงจรเรียงกระแสที่ควบคุมด้วยซิลิคอนเป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่มักใช้เพื่อควบคุมพลังงานสูงควบคู่ไปกับไฟฟ้าแรงสูง ดังนั้นอุปกรณ์เหล่านี้จึงพบการใช้งานในระบบควบคุมไฟฟ้ากระแสสลับแรงดันสูงวงจรหรี่หลอดไฟวงจรควบคุม ฯลฯ SCR ยังพบการประยุกต์ใช้ในการแก้ไขกระแสไฟฟ้ากระแสสลับสูงในระบบส่งกำลังไฟฟ้ากระแสตรงโวลต์สูง SCR เป็นของตระกูลไทริสเตอร์และจริงๆแล้วชื่อ SCR เป็นชื่อทางการค้าของไทริสเตอร์จาก General Electrics

SCR เป็นอุปกรณ์สี่ชั้นที่มีวัสดุประเภท N และ P สลับกัน SCR ประกอบด้วยเซมิคอนดักเตอร์สี่ชั้นซึ่งสร้างโครงสร้าง PNPN หรือ NPNP ซิลิคอนถูกใช้เป็นสารกึ่งตัวนำภายในซึ่งจะมีการเติมสารเจือปนที่เหมาะสม มีสามขั้วเรียกว่าแอโนดแคโทดและประตู แคโทดเป็นส่วนที่เจือมากที่สุดและประตูและขั้วบวกจะเจือน้อยกว่า ชั้นกลางชนิด N นั้นเจือเพียงเล็กน้อยเท่านั้นและยังหนากว่าชั้นอื่น ๆ อีกด้วยซึ่งช่วยให้สามารถรองรับแรงดันไฟฟ้าที่ปิดกั้นได้สูง

SCR มีสามทางแยกคือ J1, J2 และ J3 แอโนดเชื่อมต่อกับวัสดุประเภท P ของโครงสร้าง PNPN ในขณะที่แคโทดเชื่อมต่อกับวัสดุประเภท N ประตูเชื่อมต่อกับวัสดุประเภท P ใกล้กับแคโทด

อุปกรณ์เหล่านี้เป็นอุปกรณ์ทิศทางเดียวและนำกระแสไปในทิศทางเดียวเท่านั้น นั่นคือจากแอโนดถึงแคโทด การทริกเกอร์ SCR จะเกิดขึ้นเมื่อประตูได้รับแรงดันไฟฟ้าบวก โดยทั่วไปจะใช้ SCR ในการสลับแอปพลิเคชันเช่นรีเลย์ไดรเวอร์เครื่องชาร์จแบตเตอรี่เป็นต้น

ไทริสเตอร์มีสถานะพื้นฐานสามประการ:

การบล็อกย้อนกลับ: ในสถานะนี้ไทริสเตอร์จะบล็อกกระแสในลักษณะเดียวกับไดโอดแบบย้อนกลับ

การบล็อกไปข้างหน้า: ในสถานะนี้ไฟล์ การทำงานของไทริสเตอร์ เป็นเช่นนั้นมันจะบล็อกการนำกระแสไปข้างหน้าซึ่งโดยปกติจะถูกส่งต่อโดยไดโอดที่มีอคติไปข้างหน้า

การดำเนินการไปข้างหน้า: ในสถานะนี้ไทริสเตอร์ถูกกระตุ้นให้เป็นการนำ มันจะยังคงดำเนินการจนกว่ากระแสไปข้างหน้าจะลดลงต่ำกว่าค่าเกณฑ์ที่เรียกว่ากระแสไฟฟ้าที่ค้างอยู่

การทำงานของไทริสเตอร์

SCR-SYMBOL

SCR เริ่มการนำไฟฟ้าเมื่อมีการเอนเอียงไปข้างหน้า เพื่อจุดประสงค์นี้แคโทดจะถูกเก็บไว้ที่ขั้วลบและขั้วบวกที่แรงดันไฟฟ้าบวก เมื่อแรงดันไบแอสไปข้างหน้าถูกนำไปใช้กับ SCR ทางแยก J1 และ J3 จะกลายเป็นเอนเอียงไปข้างหน้าในขณะที่ทางแยก J2 กลายเป็นไบแอสย้อนกลับ เมื่อใช้แรงดันไฟฟ้าบวกที่ประตูทางแยก J2 จะเอนเอียงไปข้างหน้าและ SCR จะเปิดขึ้น

ในการใช้งานไทริสเตอร์อาจถือได้ว่าเป็นทรานซิสเตอร์ NPN และ PNP ที่เชื่อมต่อกลับไปด้านหลังทำให้เกิดการตอบรับเชิงบวกภายในอุปกรณ์ ทรานซิสเตอร์ที่มีตัวปล่อยที่เชื่อมต่อกับแคโทดของไทริสเตอร์เป็นอุปกรณ์ NPN ในขณะที่ทรานซิสเตอร์ที่มีตัวปล่อยเชื่อมต่อกับขั้วบวกของ ไทริสเตอร์เป็นอุปกรณ์ PNP . ประตูเชื่อมต่อกับฐานของทรานซิสเตอร์ NPN เอาต์พุตของทรานซิสเตอร์หนึ่งตัวจะถูกป้อนเข้ากับอินพุตของตัวที่สองและเอาต์พุตของทรานซิสเตอร์ตัวที่สองจะถูกป้อนกลับไปที่อินพุตของตัวแรก ซึ่งหมายความว่าเมื่อกระแสเริ่มไหลกระแสจะสร้างขึ้นอย่างรวดเร็วจนกว่าทรานซิสเตอร์ทั้งสองจะเปิดหรืออิ่มตัวเต็มที่ มาดูตัวอย่างเล็ก ๆ :

จากวงจรด้านล่างที่นี่เราใช้ไทริสเตอร์ TYN616

• เมื่อประตูเปิดแรงดันไฟฟ้าเกินสามตัวจะถูกกำหนดโดยแรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้าขั้นต่ำที่ไทริสเตอร์ดำเนินการอย่างหนัก ตอนนี้แรงดันไฟฟ้าส่วนใหญ่จะปรากฏในความต้านทานต่อโหลด กระแสไฟฟ้าถือเป็นประตูกระแสแอโนดสูงสุดที่เปิดอยู่เมื่อเกิดการแตก
• เมื่อประตูที่สถานะปิดไทริสเตอร์ให้ความต้านทานอินฟินิตี้กว่าในสถานะเปิดจะมีความต้านทานต่ำมากซึ่งอยู่ในช่วง 0.010 ถึง 10

โหมดทริกเกอร์

ในสถานะปิดปกติ SCR จะป้องกันการไหลของกระแสผ่าน แต่เมื่อแรงดันเกตไปยังแคโทดเพิ่มขึ้นและสูงเกินระดับที่กำหนด SCR จะเปิดและทำหน้าที่เหมือนทรานซิสเตอร์ ความผิดปกติที่สำคัญอย่างหนึ่งของ SCR คือเมื่อดำเนินการแล้วจะยังคงล็อกและยังคงทำงานต่อไปแม้ว่าจะถอดแรงดันเกตออกแล้วก็ตาม SCR จะยังคงเปิดอยู่จนกว่ากระแสการถือครองของอุปกรณ์จะลดลงเหลือค่าต่ำ แต่ถ้าประตูได้รับแรงดันไฟฟ้าแบบกะพริบและกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านต่ำกว่ากระแสไฟฟ้าที่ล็อค SCR จะยังคงอยู่ในสถานะปิด SCR สามารถถูกกระตุ้นได้โดยไม่มีแรงดันไฟฟ้าบวกที่ประตู โดยปกติ SCR จะเชื่อมต่อกับขั้วบวกกับรางบวกและขั้วลบกับรางลบ หากแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับขั้วบวกเพิ่มขึ้นข้อต่อแบบคาปาซิทีฟในอุปกรณ์จะก่อให้เกิดประจุเข้าไปในเกตและทริกเกอร์ SCR การทริกเกอร์ประเภทนี้โดยไม่มีกระแสประตูภายนอกเรียกว่า 'ทริกเกอร์ DV / dt' ซึ่งมักเกิดขึ้นเมื่อเปิดเครื่อง สิ่งนี้เรียกว่าเอฟเฟกต์อัตรา

แต่การทริกเกอร์ DV / dt จะไม่เปิด SCR อย่างเต็มที่และ SCR ที่ถูกกระตุ้นบางส่วนจะกระจายพลังงานไปมากและอุปกรณ์อาจเสียหายได้ เพื่อป้องกันการทริกเกอร์ DV / dt จะใช้เครือข่ายที่ดูแคลน อีกโหมดหนึ่งของการทริกเกอร์คือการเพิ่มแรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้าของ SCR ให้สูงกว่าแรงดันการสลายตัวที่กำหนด การกระตุ้นแรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้าเกิดขึ้นเมื่อแรงดันไฟฟ้าทั่ว SCR เพิ่มขึ้นเมื่อประตูเปิด สิ่งนี้เรียกว่า 'Avalanche breakdown' ในระหว่างที่ทางแยก 2 ของอุปกรณ์เสีย นอกจากนี้ยังเปิด SCR บางส่วนและจะทำให้อุปกรณ์เสียหาย ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าไม่ควรเกินแรงดันไฟฟ้าของ SCR

จะปิด SCR ได้อย่างไร?

เมื่อเปิด SCR แล้ว SCR จะอยู่ในโหมดการนำไฟฟ้าแม้ว่ากระแสไฟฟ้าของประตูจะถูกลบออกไปแล้วก็ตาม นี่คือการล็อค SCR SCR สามารถปิดได้โดยการทริกเกอร์ย้อนกลับ สามารถทำได้โดยใช้แรงดันลบที่ประตู นอกจากนี้ยังสามารถปิดอุปกรณ์ได้โดยการลบกระแสแอโนดหรือโดยการลัดวงจรประตูและแคโทดชั่วขณะ

การใช้ไทริสเตอร์:

ไทริสเตอร์ส่วนใหญ่จะใช้ในอุปกรณ์ที่ต้องการการควบคุมพลังงานสูงซึ่งอาจใช้ร่วมกับไฟฟ้าแรงสูง การทำงานของพวกเขาทำให้เหมาะสำหรับใช้ในแอพพลิเคชั่นควบคุมไฟ AC แรงดันไฟฟ้าปานกลางถึงสูงเช่นการหรี่หลอดไฟตัวควบคุมและ การควบคุมมอเตอร์ .

การประยุกต์ใช้ SCR- รีเลย์ควบคุมโดยใช้ SCR:

หากกดสวิตช์ S1 ชั่วขณะรีเลย์จะเปิดขึ้น สามารถปิดได้โดยกด S2

หากสวิตช์ S1 ถูกแทนที่ด้วย LDR และ R1 ด้วยค่าที่ตั้งไว้ล่วงหน้า 4.7K รีเลย์จะเปิดเมื่อไฟตกที่ LDR พรีเซ็ตปรับจุดทริกเกอร์

ถ้าสวิตช์ S1 ถูกแทนที่ด้วยเทอร์มิสเตอร์ 4.7 K NTC (ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเชิงลบ) และ R1 ด้วยค่าที่ตั้งไว้ล่วงหน้า 1K รีเลย์จะเปิดเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น พรีเซ็ตปรับจุดทริกเกอร์

เครดิตภาพ:

• SCR-SYMBOL โดย วิกิมีเดีย