ตัวเรียงกระแสควบคุมซิลิคอน

ตัวเรียงกระแสควบคุมซิลิคอน
ประเภทส่วนประกอบ	คล่องแคล่ว
หลักการ ทำงาน	เอียน เอ็ม. แมคอินทอช ( ห้องปฏิบัติการเบลล์ )
นักประดิษฐ์	กอร์ดอน ฮอลล์ และ แฟรงค์ ดับเบิลยู. "บิล" กุตซ์วิลเลอร์
ผลิตครั้งแรก	บริษัท เจเนอรัล อิเล็กทริก , 1957
ชื่อพิน	แอโนด , เกตและแคโทด
สัญลักษณ์อิเล็กทรอนิกส์

ตัวเรียงกระแสควบคุมด้วยซิลิคอนหรือตัวเรียงกระแสควบคุมด้วยเซมิคอนดักเตอร์ (SCR) เป็น อุปกรณ์ควบคุม กระแสไฟฟ้าแบบโซลิดสเต ทสี่ชั้น ชื่อ "ตัวเรียงกระแสควบคุมด้วยซิลิคอน" เป็นชื่อทางการค้าของGeneral Electric สำหรับ ไทริสเตอร์ ชนิดหนึ่ง หลักการของการสวิตช์แบบ p–n–p–n สี่ชั้นได้รับการพัฒนาโดยMoll , Tanenbaum , Goldey และHolonyakจากBell Labsในปี 1956 ^{[ 1 ]}การสาธิตเชิงปฏิบัติของการสวิตช์ควบคุมด้วยซิลิคอนและพฤติกรรมทางทฤษฎีโดยละเอียดของอุปกรณ์ที่สอดคล้องกับผลการทดลองได้รับการนำเสนอโดย ดร. Ian M. Mackintosh จาก Bell Laboratories ในเดือนมกราคม 1958 ^{[ 2 ] [ 3 ]} SCR ได้รับการพัฒนาโดยทีมวิศวกรไฟฟ้าที่นำโดย Gordon Hall ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]} และทำการตลาดโดย Frank W. "Bill" Gutzwiller ในปี 1957

บางแหล่งข้อมูลกำหนดให้ซิลิคอนคอนโทรลเรคติไฟเออร์และไทริสเตอร์เป็นคำพ้องความหมาย^{[ 8 ]}ในขณะที่แหล่งข้อมูลอื่น ๆ กำหนดให้ซิลิคอนคอนโทรลเรคติไฟเออร์เป็นเซตย่อยที่เหมาะสมของเซตไทริสเตอร์ โดยไทริสเตอร์เป็นอุปกรณ์ที่มีวัสดุชนิด n และ p สลับกันอย่างน้อยสี่ชั้น[ 9 ] [ ^{10 ] ตามที่ Bill Gutzwiller} กล่าว คำว่า "SCR" และ "คอนโทรลเรคติไฟเออร์" ถูกใช้มาก่อน และคำว่า "ไทริสเตอร์" ถูกนำมาใช้ในภายหลัง เนื่องจากมีการใช้งานอุปกรณ์นี้แพร่หลายไปทั่วโลก^{[ 11 ]}

SCR เป็นอุปกรณ์แบบทิศทางเดียว (กล่าวคือ สามารถนำกระแสไฟฟ้าได้เพียงทิศทางเดียว) ซึ่งแตกต่างจากTRIACที่เป็นอุปกรณ์แบบสองทิศทาง (กล่าวคือ ตัวนำประจุสามารถไหลผ่านได้ทั้งสองทิศทาง) โดยปกติแล้ว SCR จะทำงานได้โดยกระแสไฟฟ้าบวกที่ไหลเข้าสู่เกตเท่านั้น ในขณะที่ TRIAC สามารถทำงานได้โดยกระแสไฟฟ้าบวกหรือลบที่ไหลเข้าสู่ขั้วเกตก็ได้

SCR มีโหมดการทำงานสามโหมด ขึ้นอยู่กับการไบแอสที่จ่ายให้กับมัน:

1. โหมดบล็อกการส่งต่อ (สถานะปิด)
2. โหมดการนำไฟฟ้าไปข้างหน้า (สถานะเปิด)
3. โหมดบล็อกย้อนกลับ (สถานะปิด)

ในโหมดการทำงานนี้ ขั้วบวก (+, ด้านที่เจือด้วยสาร p) จะได้รับแรงดันไฟฟ้าบวก ในขณะที่ขั้วลบ (−, ด้านที่เจือด้วยสาร n) จะได้รับแรงดันไฟฟ้าลบ ทำให้เกตอยู่ที่ศักย์ไฟฟ้าศูนย์ (0) กล่าวคือถูกตัดการเชื่อมต่อ ในกรณีนี้ จุดเชื่อมต่อJ1และJ3จะได้ รับ ไบแอสไปข้างหน้าในขณะที่J2จะได้ รับ ไบแอสย้อนกลับทำให้มีกระแสรั่วไหลเล็กน้อยจากขั้วบวกไปยังขั้วลบ เมื่อแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายถึงค่าเบรกโอเวอร์สำหรับJ2แล้วJ2จะเกิดการพังทลายแบบอะวาแลนซ์ ที่แรงดันเบรกโอเวอร์นี้J2จะเริ่มนำกระแส แต่ต่ำกว่าแรงดันเบรกโอเวอร์J2จะมีความต้านทานต่อกระแสสูงมาก และ SCR จะอยู่ในสถานะปิด

SCR สามารถเปลี่ยนจากโหมดบล็อกกิ้งไปเป็นโหมดนำไฟฟ้าได้สองวิธี: วิธีแรกคือการเพิ่มแรงดันไฟฟ้าระหว่างแอโนดและแคโทดให้สูงกว่าแรงดันเบรกโอเวอร์ หรือวิธีที่สองคือการให้พัลส์บวกที่เกต เมื่อ SCR เริ่มนำไฟฟ้าแล้ว จะไม่จำเป็นต้องใช้แรงดันไฟฟ้าที่เกตอีกต่อไปเพื่อรักษา สถานะ เปิด กระแสขั้นต่ำที่จำเป็นในการรักษาสถานะ เปิดของ SCR หลังจากถอดแรงดันไฟฟ้าที่เกตออกเรียกว่ากระแสล็อคกิ้ง

มีสองวิธีในการปิดใช้งาน :

1. ลดกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านลงต่ำกว่าค่าต่ำสุดที่เรียกว่ากระแสคงที่ หรือ
2. เมื่อ ปิดประตู แล้ว ให้ลัดวงจรขั้วแอโนดและแคโทดชั่วขณะโดยใช้สวิตช์ปุ่มกดหรือทรานซิสเตอร์ต่อคร่อมจุดเชื่อมต่อ

เมื่อจ่ายแรงดันลบเข้าที่แอโนดและแรงดันบวกเข้าที่แคโทด SCR จะอยู่ในโหมดบล็อกกระแสย้อนกลับ ทำให้ J1 และ J3 ได้รับไบแอสย้อนกลับ และ J2 ได้รับไบแอสตรง อุปกรณ์จะทำงานเหมือนไดโอดสองตัวที่ต่ออนุกรมกัน กระแสรั่วไหลเล็กน้อยจะไหลผ่าน นี่คือโหมดบล็อกกระแสย้อนกลับ หากแรงดันย้อนกลับเพิ่มขึ้น ที่ระดับแรงดันพังทลายวิกฤต ซึ่งเรียกว่าแรงดันพังทลายย้อนกลับ (VBR ₎จะเกิดการแตกตัวแบบลูกโซ่ที่ J1 และ J3 และกระแสย้อนกลับจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว SCR ที่มีคุณสมบัติบล็อกกระแสย้อนกลับนั้นมีให้เลือกใช้ ซึ่งจะเพิ่มแรงดันตกคร่อมตรงเนื่องจากจำเป็นต้องมีบริเวณ P1 ที่ยาวและมีการเจือจางต่ำ โดยปกติแล้ว ค่าแรงดันบล็อกกระแสย้อนกลับและค่าแรงดันบล็อกกระแสตรงจะเท่ากัน การใช้งานทั่วไปของ SCR บล็อกกระแสย้อนกลับคือในอินเวอร์เตอร์แหล่งจ่ายกระแส

SCR ที่ไม่สามารถบล็อกแรงดันย้อนกลับได้เรียกว่าSCR แบบไม่สมมาตรหรือย่อว่าASCRโดยทั่วไปจะมีค่าแรงดันพังทลายย้อนกลับอยู่ในระดับหลายสิบโวลต์ ASCR ใช้ในกรณีที่มีไดโอดนำกระแสย้อนกลับต่อขนานอยู่ (เช่น ในอินเวอร์เตอร์แหล่งจ่ายแรงดัน) หรือในกรณีที่แรงดันย้อนกลับจะไม่เกิดขึ้นเลย (เช่น ในแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง หรือตัวสับเปลี่ยนกระแสตรงสำหรับรถไฟ)

SCR แบบไม่สมมาตรสามารถผลิตได้โดยใช้ไดโอดนำกระแสย้อนกลับในแพ็คเกจเดียวกัน SCR เหล่านี้เรียกว่า RCT ซึ่งย่อมาจากreverse conducting thyristors (ไทริสเตอร์นำกระแสย้อนกลับ )

1. การกระตุ้นแรงดันไปข้างหน้า
2. การกระตุ้นประตู
3. การกระตุ้นdV / dt
4. การกระตุ้นด้วยความร้อน
5. การกระตุ้นด้วยแสง

การกระตุ้นด้วยแรงดันไปข้างหน้าเกิดขึ้นเมื่อแรงดันไปข้างหน้าของแอโนด-แคโทดเพิ่มขึ้นในขณะที่วงจรเกตเปิดอยู่ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการพังทลายแบบลูกโซ่ (avalanche breakdown) ซึ่งในระหว่างนั้นจุดเชื่อมต่อ J2 จะพังทลายลง เมื่อแรงดันถึงระดับที่เพียงพอ ไทริสเตอร์จะเปลี่ยนเป็นสถานะเปิดโดยมีแรงดันตกคร่อมต่ำและกระแสไปข้างหน้าสูง ในกรณีนี้ J1 และ J3 จะได้รับไบแอสไป ข้างหน้าแล้ว

เพื่อให้เกิดการกระตุ้นด้วยแรงดันที่ขั้วเกต ไทริสเตอร์ควรอยู่ในสถานะบล็อกไปข้างหน้า ซึ่งแรงดันที่จ่ายเข้าไปนั้นน้อยกว่าแรงดันพังทลาย มิฉะนั้นอาจเกิดการกระตุ้นด้วยแรงดันไปข้างหน้าได้ จากนั้นจึงสามารถจ่ายพัลส์แรงดันบวกขนาดเล็กเพียงครั้งเดียวระหว่างเกตและแคโทด ซึ่งจะทำให้เกิดพัลส์กระแสเกตเพียงครั้งเดียวและทำให้ไทริสเตอร์อยู่ในสถานะเปิด ในทางปฏิบัติ นี่เป็นวิธีการที่ใช้กันมากที่สุดในการกระตุ้นไทริสเตอร์

การกระตุ้นด้วยอุณหภูมิเกิดขึ้นเมื่อความกว้างของบริเวณพร่องประจุลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น เมื่อ SCR อยู่ใกล้ VPO การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิเพียงเล็กน้อยก็ทำให้จุดเชื่อมต่อ J2 หายไป ซึ่งจะกระตุ้นการทำงานของอุปกรณ์

วงจร SCR อย่างง่ายสามารถแสดงได้โดยใช้แหล่งจ่ายแรงดัน AC ที่เชื่อมต่อกับ SCR ที่มีโหลดความต้านทาน หากไม่มีพัลส์กระแสที่ป้อนเข้าเกตของ SCR SCR จะอยู่ในสถานะบล็อกไปข้างหน้า ซึ่งทำให้สามารถควบคุมการเริ่มต้นการนำไฟฟ้าของ SCR ได้ มุมหน่วงเวลา α ซึ่งเป็นช่วงเวลาที่พัลส์กระแสเกตถูกป้อนเมื่อเทียบกับช่วงเวลาของการนำไฟฟ้าตามธรรมชาติ (ωt = 0) จะควบคุมการเริ่มต้นการนำไฟฟ้า เมื่อ SCR นำไฟฟ้าแล้ว SCR จะไม่ปิดจนกว่ากระแสที่ไหลผ่าน SCR, i _sจะเป็นลบ i _sจะยังคงเป็นศูนย์จนกว่าจะมีการป้อนพัลส์กระแสเกตอีกครั้งและ SCR จะเริ่มนำไฟฟ้าอีกครั้ง^{[ 12 ]}

SCR ส่วนใหญ่ใช้ในอุปกรณ์ที่ต้องการควบคุมกำลังไฟฟ้าสูง ซึ่งอาจรวมถึงแรงดันไฟฟ้าสูงด้วย การทำงานของ SCR ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานควบคุมกำลังไฟฟ้ากระแสสลับแรงดันปานกลางถึงสูง เช่นการหรี่ไฟตัวควบคุมกำลังไฟฟ้า และการควบคุมมอเตอร์

SCR และอุปกรณ์ที่คล้ายกันใช้สำหรับการแปลงกระแสสลับกำลังสูงให้เป็นกระแสตรงในระบบส่งกำลังไฟฟ้าแรงสูงนอกจากนี้ยังใช้ในการควบคุมเครื่องเชื่อม โดยเฉพาะอย่างยิ่งเครื่องเชื่อมแบบอาร์คทังสเตนด้วยแก๊สและกระบวนการที่คล้ายกัน ใช้เป็นสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์ในอุปกรณ์ต่างๆ เครื่องเล่น พินบอลแบบโซลิดสเตทในยุคแรกๆใช้ SCR ในการควบคุมไฟ โซลินอยด์ และฟังก์ชันอื่นๆ ทางอิเล็กทรอนิกส์ แทนที่จะใช้กลไก จึงเป็นที่มาของชื่อโซลิดสเตท

การใช้งานอื่นๆ ได้แก่ วงจรสวิตช์กำลังไฟฟ้า วงจรเรียงกระแสแบบควบคุม การควบคุมความเร็วของมอเตอร์กระแสตรงแบบชิ้นส่วนขนาน SCR crowbar วงจรลอจิกคอมพิวเตอร์ วงจรตั้งเวลา และอินเวอร์เตอร์

สวิตช์ควบคุมด้วยซิลิคอน (SCS) ทำงานเกือบเหมือนกับ SCR แต่ก็มีความแตกต่างอยู่บ้าง ต่างจาก SCR ตรงที่ SCS จะปิดเมื่อมีการป้อนแรงดันไฟฟ้า/กระแสไฟฟ้าบวกเข้าไปที่ขั้วบวกอีกด้านหนึ่ง และต่างจาก SCR ตรงที่ SCS สามารถเริ่มทำงานได้เมื่อมีการป้อนแรงดันไฟฟ้า/กระแสไฟฟ้าลบเข้าไปที่ขั้วเดียวกันนั้น

ตัวควบคุมแบบ SCS มีประโยชน์ในวงจรแทบทุกประเภทที่ต้องการสวิตช์ที่เปิด/ปิดด้วยพัลส์ควบคุมสองแบบที่แตกต่างกัน ซึ่งรวมถึงวงจรจ่ายไฟ วงจรลอจิก วงจรขับหลอดไฟ และตัวนับ

TRIAC มีลักษณะคล้ายกับ SCR ตรงที่ทั้งสองทำหน้าที่เป็นสวิตช์ควบคุมด้วยไฟฟ้า แต่ต่างจาก SCR ตรงที่ TRIAC สามารถส่งผ่านกระแสได้ทั้งสองทิศทาง ดังนั้น TRIAC จึงมีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับงานที่ใช้กระแสสลับ (AC) TRIAC มีขั้วต่อสามขั้ว ได้แก่ ขั้วเกต และขั้วนำไฟฟ้าสองขั้ว ซึ่งเรียกว่า MT1 และ MT2 หากไม่มีกระแส/แรงดันไฟฟ้าไหลผ่านขั้วเกต TRIAC จะปิด ในทางกลับกัน หากมีแรงดันไฟฟ้ากระตุ้นไหลผ่านขั้วเกต TRIAC จะเปิด

TRIAC เหมาะสำหรับวงจรหรี่ไฟ วงจรควบคุมเฟส วงจรสวิตช์ไฟกระแสสลับ วงจรควบคุมมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ เป็นต้น

• ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์จังก์ชัน
• ชะแลง (วงจร)
• ไดแอก
• ไทริสเตอร์ปิดประตู
• กระแสตรงแรงดันสูง
• ทรานซิสเตอร์ไบโพลาร์แบบมีฉนวนกั้น
• ไทริสเตอร์แบบเกตคอมมิวเทตแบบรวม
• สนับเบอร์
• ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า

• ON Semiconductor (พฤศจิกายน 2549). ทฤษฎีไทริสเตอร์และข้อควรพิจารณาในการออกแบบ (PDF) (ฉบับแก้ไข 1, HBD855/D). หน้า 240.
• จีเค มิธัล. อิเล็กทรอนิกส์อุตสาหกรรมและพลังงาน
• KB Khanchandani. Power Electronics .

• SCR ที่ AllAboutCircuits
• การออกแบบวงจร SCR