โซลิดสเตตสวิตช์

[BenQ]

ไตรแอกและเอสซีอาร์เป็นอุปกรณ์ที่ถูกสร้างขึ้นมาเพื่อใช้ทำหน้าที่เป็นโซลิดสเตตสวิตช์ซึ่งสามารถนำไปใช้ในการควบคุม การจ่ายกำลังไฟให้แก่อุปกรณ์หรือวงจรได้ทั้งแบบ ไฟสลับและไฟตรง ในบทความนี้จะได้กล่าวถึงการทำงานภายในและการนำไปใช้งานในรูปแบบต่าง ๆ


รูปที่ 1 ก. สัญลักษณ์ 1 ข. วงจรเสมือน 1 ค. ตัวอย่างการใช้เอสซีอาร์จ่ายไฟตรงให้โหลด

[BenQ]

ทั้งเอสซีอาร์และไตรแอกเป็นอุปกรณ์ที่เรียกรวม ๆ ว่าไทริสเตอร์ (thyristor) เอสซีอาร์เป็นคำย่อมาจากคำว่า Silicon Controlled ภายในของเอสซีอาร์ประกอบด้วย ชั้นของสารกึ่งตัวนำ 4 ชั้นที่ประกบตอดกันอยู่ (PNPN) โดยสัญลักษณ์ที่ใช้และวงจรเสมือนภายในได้แสดงไว้ในรูปที่ 1 ก. และ 1 ข. ตามลำดับ ในวงจรเสมือนนี้จะเห็นได้ว่า ประกอบขึ้นด้วยทรานซิสเตอร์ 2 ตัว Q1 เป็นแบบ NPN ที่รับการแสเบสจากคอลเลคเตอร์ของ Q2 ที่เป็น PNP ในทำนองเดียวกัน Q2 ก็รับกระแสเบสมาจากคอลเลคเตอร์ของ Q1 เช่นกัน ส่วนหลักการทำงานที่ทำให้เอสซีอาร์ สามารถทำหน้าที่เป็นสวิตช์ได้นั้นจะขอกล่าวถึงในภายหลัง

ในรูปที่ 1 ค. แสดงถึงวงจรแบบพื้นฐานในการใช้งานของเอสซีอาร์ เพื่อให้ทำหน้าที่เป็นสวิตช์ควบคุมกำลังไฟ ตรงที่จะป้อนให้แก่โหลด การทำงานของวงจรเป็นดังนี้ เมื่อป้อนไฟให้แก่เอสซีอาร์โดยปิดวงจรสวิตช์ S1 เอสซีอาร์จะยังไม่ทำงาน คือจะยังไม่ยอมให้กระแสไหลผ่านตัวมัน เนื่องจากยังไม่มีสัญญาณทริกเกอร์เพื่อไปกระตุ้นที่ขาเกต

ขอให้ย้อนกลับไปดูวงจรในรูป 1 ข. ขาเบสของ Q1 จะต่ออยู่กับขาแคโทรภายนอก โดยมี R1 และ R2 ต่ออนุกรมอยู่ ดังนั้น Q1 จึงยังไม่ทำงาน เนื่องจากยังไม่มีกระแสเบส ซึ่งเป็นผลทำให้ Q2 ไม่ทำงานด้วย จะมีก็แต่กระแสรั่วไหลเกิดขึ้นเพียงเล็กน้อย ระหว่างขั้วแอโนดและแคโทด การที่จะทำให้เอสซีอาร์เกิดการนำกระแสขึ้นได้นั้น สามารถทำได้โดยการป้อนกระแสบวกให้แก่เกต นั่นคือทำการปิดวงจรสวิตช์ S2 ในวงจรรูปที่ 1 ค. จะทำให้เอสซีอาร์นำกระแสในทันที

การที่จะทำให้เอสซีอาร์นำกระแสได้นั้น ค่ากระแสที่ป้อนให้แก่ขาเกตต้องมากพอที่จะทำให้ทรานซิสเตอร์ Q1 ทำงาน เมื่อเป็นเช่นนั้นก็จะเป็นการป้อนกระแสให้แก่ขาเบสของ Q2 ทำให้ Q2 ทำงานเช่นกัน ในทำนองเดียวกัน Q2 ก็จะป้อนกระแสกลับมาให้แก่ขาเบสของ Q1 จึงเกิดเป็นการป้อนกระแสกลับไปกลับมาทำให้ Q1 และ Q2 ทำงานต่อไปได้เรื่อย ๆ

หลังจากที่เอสซีอาร์เริ่มทำงานแล้วนั่นคือ การยอมให้กระแสไหลผ่านตัวมันเอสซีอาร์นั้น ก็จะสามารถคงสภาพการทำงานอยู่เช่นนั้นได้ แม้ว่าจะหยุดการป้อนกระแสให้แก่ขาเกต แล้วก็ตาม ทั้งนี้เนื่องจากการป้อนกระแสกลับไปกลับมาระหว่าง Q1 และ Q2 ดังกล่าวข้างต้น ดังนั้น กระแสที่ป้อนให้แก่ขาเกตนั้น จึงเป็นเพียงพัลส์ที่ไปกระตุ้นให้เอสซีอาร์เกิดการทำงานขึ้น และคงสภาพการทำงานเช่นนั้นต่อไป

ตารางที่ 1 แสดงคุณสมบัติที่สำคั­ของเอสซีอาร์ที่นิยมใช้

[BenQ]

R1 และ R2 ที่ต่อในวงจรในรูปที่ 1 ข. นั้น เป็นตัวที่ทำให้ไม่สามารถที่จะทำการหยุดการทำงานของเอสซีอาร์นี้ลงได้ แม้ว่าจะให้ไบแอสกลับแก่ขาเกตและแคโทดก็ตาม

การหยุดการทำงานของเอสซีอาร์นี้จะทำได้เพียงทางเดียวเท่านั้น คือลดค่ากระแสที่ไหลผ่านแอโนดลง จนต่ำกว่าค่าที่เรียกว่า กระแสโฮลดิ้ง (holding current) หรือเรียกว่า Ih และในกรณีที่เอสซีอาร์ถูกใช้งานโดยการป้อนกระแสสลับผ่านตัวมัน การหยุดทำงานของมันจะเกิดขึ้นโดยอัตโนมัติ เมื่อค่าแรงดันไฟสลับที่ให้นั้นใกล้กับจุดที่เรียกว่า "จุดตัดศูนย์" (Zero-crossing point) ซึ่งจะเกิดขึ้นทุก ๆ ครึ่งคาบเวลาของสัญญาณไฟสลับที่ให้แก่วงจรนั้น

การทำงานของเอสซีอาร์ดังกล่าวข้างต้นเป็นเพียงโดยทฤษฎีเท่านั้น แต่ในทาปฏิบัติแล้วบางครั้งเอสซีอาร์จะมีการทำงานผิดพลาดเกิดขึ้น นั่นคือ แม้ว่าจะไม่ได้ป้อนสัญญาณทริก ให้แก่ขาเกตเอสซีอาร์ก็เกิดการนำกระแสขึ้นระหว่างแอโนดและเกตของเอสซีอาร์นั่นเอง

ในกรณีที่แรงดันที่ให้แก่แอโนดนั้นมีการเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วมาก ๆ ความจุไฟฟ้าดังกล่าวข้างต้น จะเป็นตัวส่งผ่านสัญญาณบางส่วนของการเพิ่มขึ้นของแรงดันนั้นให้แก่เกตภายใน ซึ่งจะเป็นตัวทริกให้เอสซีอาร์นั้นเกิดการนำกระแสขึ้นได้ ปรากฏการณ์นี้ทางเทคนิคจะเรียกว่า rate effect โดยปกติปรากฏการณ์นี้จะเกิดขึ้นเนื่องจากมีทรานเซี้ยนต์ขึ้นในแหล่งจ่าย ทรานเซี้ยนต์ที่ว่านี้ก็คือการที่แหล่งจ่ายนั้นเกิดมีพัลส์ขนาดสูงเกิดขึ้นเป็นช่วงบางขณะ ปัญหาที่เกิดขึ้นนี้สามารถแก้ไขได้โดยการใช้ตัวต้านทานและตัวเก็บประจุมาต่อ เป็นวงจรกรองความถี่สูงผ่าน คร่อมระหว่างขาแอโนดและแคโทด

สิ่งที่กล่าวมาข้างตันเป็นเพียงหลักการทำงานพื้นฐานของเอสซีอาร์ ซึ่งจะเห็นได้ว่า เป็นอุปกรณ์ ที่สามารถนำไปใช้งานได้อย่างง่าย ๆ แต่ข้อสำคัญคือการเลือกใช้เอสซีอาร์ ให้เหมาะกับงานที่ต้องการซึ่งจะพบว่าในการเลือกใช้เอสซีอาร์แต่ละเบอร์นั้น ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติเฉพาะของแต่ละเบอร์ เช่นค่าแรงดันและกระแสสูงสุดที่จะทนได้ ค่าความไวของเกตและค่ากระแสโฮลดิ้ง ในตารางที่ 1 ได้แสดงถึงคุณสมบัติต่าง ๆ เหล่านี้ของเอสซีอาร์เบอร์ต่าง ๆ ที่นิยมใช้ โดย PIV คือค่าแรงดันสูงสุดที่จะทนได้, Vgt / Igt คือแรงดัน / กระแสที่ใช้ในการทริกที่เกตและ Ih คือกระแสโฮลดิ้ง