E-LEARNING บทเรียนออนไลน์ วิชาไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์เบื้องต้น รหัสวิชา 2100-1003

บทที่  12 

เรื่อง  เอส ซี อาร์  ( S C R )

โดยอาจารย์ พันธ์ศักดิ์  พลอินทร์

จุดประสงค์การเรียนรู้

1. เขียนโครงสร้างและสัญลักษณ์ของ เอส ซี อาร์ได้
2. อธิบายการทำงานของเอส ซี อาร์ ได้ถูกต้อง
3.บอกวิธีการนำ เอส ซี อาร์ ไปใช้งานได้ถูกต้อง
4.บอกวิธีการทดสอบและอาการดีหรือเสียของเอส ซี อาร์ ได้ถูกต้อง            

                                                                                                               

เนื้อหาสาระ


เอส.ซี.อาร์  ( S C R )
            เอส ซี อาร์ (Silicon Controlled Rectifier) เป็นอุปกรณ์ที่ใช้สำหรับควบคุมการไหลของกระแสไฟฟ้าปริมาณมาก ๆ ก่อนที่จะไหลไปยังโหลดการทำงานของ เอส  ซี อาร์ จะคล้ายกับสวิตช์เปิด-ปิด แต่เนื่องด้วย เอส ซี อาร์ เป็นอุปกรณ์ประเภท อุปกรณ์โซลิดสเตต  ดังนั้น  การทำงานที่เป็นสวิตช์ของ เอส ซี อาร์ จึงเกิดขึ้นเร็วมาก สำหรับการนำ เอส ซี อาร์ ไปใช้งานนั้นจะใช้ในวงจรควบคุมความสว่าง วงจรควบคุมความเร็วของมอเตอร์ วงจรประจุแบตเตอรี่  และวงจรควบคุมอุณหภูมิ เป็นต้น


โครงสร้างและสัญลักษณ์ของ เอส ซี อาร์
             SCR เป็นอุปกรณ์ประเภทสารกึ่งตัวนำ โดยมีโครงสร้างภายในประกอบด้วยชั้นของ
สารกึ่งตัวนำ 4 ชั้น ซึ่งได้รับการโด๊ป (Dope) ในปริมาณที่แตกต่างกัน และมีขั้วต่อใช้งาน 3 ขั้ว
ได้แก่ แอโนด (A) แคโทด (K) และเกท (G) ดังแสดง

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ภาพที่ 12.1  โครงสร้าง และสัญลักษณ์ของ เอส ซี อาร์
การทำงานของ เอส ซี อาร์
            ภาพที่ 12.2  แสดงการต่อวงจรภายในของ เอส ซี อาร์  ซึ่งการทำให้ เอส ซี อาร์ ทำงานเป็นสวิตช์ เปิด-ปิด นั้น จะต้องให้ไบแอสแก่ เอส ซี อาร์ ในลักษณะเช่นเดียวกับไดโอดโดยให้ศักย์ไฟฟ้าที่ขั้วแอโนดเป็นบวกเมื่อเทียบกับขั้วแคโทดและให้ขาเกทเป็นขาอินพุตที่ทำงานในสภาวะ    สูงนั่นคือจะต้องได้รับการกระตุ้นโดยให้ศักย์ไฟฟ้าที่ขาเกทเป็นบวกเมื่อเทียบกับขั้วแคโทด


 

 

 

 

 

 


ภาพที่ 12.2   วงจรภายใน ของ เอส ซี อาร์
                จากวงจรตัวอย่างในภาพที่ 12.2  จะเห็นว่าขั้วแอโนดของ เอส ซี อาร์ ต่อเข้ากับแหล่งจ่ายไฟขนาด +50 V โดยต่อผ่านโหลด (RL) ส่วนขั้วแคโทดจะต่อลงกราวด์ (0 V) สำหรับขาเกทซึ่งเป็นขาอินพุตจะได้รับสัญญาณควบคุมขนาด 0 V หรือ +5 V เมื่อขาเกทได้รับแรงดัน 0 V จะทำให้ Q1 และ Q2 อยู่ในสภาวะ OFF ในกรณีนี้ เอส ซี อาร์   จึงเสมือนเปิดสวิตซ์ดังแสดงในภาพขยายที่ 12.2 ในทางกลับกันถ้าขาเกทได้รับแรงดัน +5 V ก็จะทำให้ขาเบสของ Q2 มีศักย์เป็นบวกเมื่อเทียบกับขาอิมิตเตอร์ ดังนั้น  Q2  จึงอยู่ในสภาวะ ON  การอยู่ในสภาวะ ON  ของ  Q2  นี้จะทำให้แรงดัน 0 V  จากขาอิมิตเตอร์ผ่านไปยัง Q1 ซึ่งจะทำให้ Q1 อยู่ในสภาวะ ON  ด้วยการ ON ของ Q1 จะเป็นการเชื่อมแหล่งจ่ายแรงไฟที่มีความเป็นบวกสูงจากขาอิมิตเตอร์ผ่านมายังขาคอลเลคเตอร์ และขาเบสของ Q2 ซึ่งจะทำให้ เอส ซี อาร์ คงสภาวะ ON อยู่และทำให้มีกระแสไฟฟ้าไหลจากขั้วแคโทดผ่านไปยังขั้วแอโนดอย่างต่อเนื่องถึงแม้จะนำแหล่งจ่ายไฟ +5 V   


         คุณลักษณะของ เอส ซี อาร์
             ภาพที่ 12.3  แสดงการให้ไบแอสที่ถูกต้องแก่ เอส ซี อาร์ สำหรับในรูปขยายด้านซ้ายมือแสดงรูปลักษณะของ เอส ซี อาร์ ทั้งแบบ กำลังต่ำ และแบบ กำลังสูงส่วนรูปขยายด้านขวามือเป็นกราฟแสดงคุณลักษณะทั่วไปของ เอส ซี อาร์ ซึ่งกราฟนี้จะแสดงความสัมพันธ์ระหว่างแรงดัน ไบแอสตามและไบแอสย้อนที่จ่ายคร่อมระหว่างขั้วแอโนดกับขั้วแคโธดของ เอส ซี อาร์ และปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านจากขั้วแคโทดไปยังขั้วแอโนด

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


ภาพที่ 12.3     การให้ไบอัสที่ถูกต้องแก่ SCR
                พิจารณาในส่วนนำกระแสทางตรงบนกราฟ  จะเห็นว่า   แรงดันไฟฟ้าที่ทำให้ เอส ซี อาร์ อยู่ในสภาวะ นำกระแส เรียกว่า แรงดันพังทางตรง (Forward Breakdown Voltage)   ซึ่งขนาดของ     แรงดันพังทางตรงหรือแรงดันที่ใช้ในการปิดวงจรของ เอส ซี อาร์ นี้   เป็นสัดส่วนผกผันกับปริมาณกระแสไฟฟ้าที่จ่ายเข้าที่ขาเกท   นั่นคือ เอส ซี อาร์ จะอยู่ในสภาวะนำกระแส ได้ก็ต่อเมื่อมีกระแสไฟฟ้าที่มีปริมาณมากจ่ายเข้าที่ขาเกท  แต่แรงดันทางตรงที่จ่ายคร่อมระหว่างขั้วแอโนด และแคโทดของ เอส ซี อาร์ จะต้องมีขนาดเล็ก แต่ถ้าไม่มีกระแสไฟฟ้าจ่ายเข้าที่ขาเกทเลยจะต้องให้แรงดันทางตรงค่ามาก ๆ  จ่ายคร่อมระหว่าง ขั้วแอโนด และขั้วแคโทดของ เอส ซี อาร์ แทนจึงจะทำให้  เอส ซี อาร์ อยู่ในสภาวะ นำกระแส และเกิดการนำกระแสไฟฟ้าขึ้น  และเมื่อ เอส ซี อาร์ อยู่ในสภาวะนำกระแส แล้วกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่าน เอส ซี อาร์  จากการควบคุมของกระแสไฟฟ้าที่จ่ายเข้าที่ขาเกท  ซึ่งถ้ากระแสทางตรงที่ไหลผ่านระหว่างขั้วแคโทดกับแอโนดมีค่าต่ำกว่าค่ากระแสยึด (Holding Current)  ก็จะทำให้ เอส ซี อาร์ อยู่ในสภาวะ ไม่นำกระแสทั้งนี้เนื่องจาก แลทช์ของทรานซิสเตอร์  ทั้งชนิด เอ็น พี เอ็น และ  พี เอ็น พี จะไม่มีปริมาณกระแส    ไฟฟ้าเพียงพอ  ที่จะรักษาสภาวะ นำกระแส ให้แก่ เอส ซี อาร์ ได้

            ดังนั้นสรุปได้ว่า การกระตุ้นที่ขาเกทจะทำให้ เอส ซี อาร์ อยู่ในสภาวะ นำกระแส และเมื่อต้องการให้ เอส ซี อาร์ อยู่ในสภาวะไม่นำกระแสก็ทำได้โดยลดแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายคร่อมระหว่างขั้วแอโนด และขั้วแคโทดซึ่งจะมีผลทำให้ปริมาณกระแสไฟฟ้า  ที่ไหลผ่านจากขั้วแคโทดไปยังขั้วแอโนด  ลดลงต่ำกว่าค่ากระแสยึด


การนำ เอส ซี อาร์ ไปใช้งาน
            เอส ซี อาร์ ถูกนำไปใช้มากในงานไฟฟ้ากำลัง  เช่น วงจรควบคุมความสว่าง  วงจร  ควบคุมความเร็วของมอเตอร์ วงจรควบคุมการประจุแบตเตอรี่   ระบบควบคุมอุณหภูมิ และวงจรรักษาระดับกำลัง เป็นต้น จากกราฟแสดงคุณลักษณะของ เอส ซี อาร์  ในภาพที่ 12.3 จะเห็นว่า เอส ซี อาร์ นำกระแสในทิศทางตรงเท่านั้น ด้วยเหตุผลนี้  จึงจัดให้ เอส ซี อาร์ เป็นอุปกรณ์จำพวกนำกระแสในทิศทางเดียว หมายความว่า  ถ้าป้อนสัญญาณไฟฟ้ากระแสสลับผ่าน เอส ซี อาร์ขาเกทของ เอส ซี อาร์ จะตอบสนองสัญญาณ และกระตุ้นให้ เอส ซี อาร์ ทำงานเฉพาะครึ่งบวกของสัญญาณ   ที่จะทำให้แอโนดเป็นบวกเมื่อเทียบกับแคโทดเท่านั้น
            ตัวอย่างในภาพที่ 12.4  แสดงการนำ เอส ซี อาร์ ไปใช้ในวงจรควบคุมความสว่าง  โดยเมื่อสวิตช์ เปิดปิดวงจร   และเนื่องจากไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลไปยังขาเกท  ทำให้ เอส ซี อาร์ อยู่ในสภาวะ ไม่นำกระแส หลอดไฟไม่สว่าง   แต่เมื่อสวิตซ์เปิดปิด  เปิดให้กระแสในวงจรไหลผ่านไดโอด D1 ผ่านส่วนที่เป็นแรงดันไฟฟ้าบวก  ไปยังขาเกทของ เอส ซี อาร์ ทุกครั้งที่สัญญาณไฟฟ้ากระแสสลับอยู่ในช่วงครึ่งบวก ปริมาณของกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่าน เอส ซี อาร์  จะถูกควบคุมโดยตัวต้านทานควบคุมความสว่าง (R1)  พิจารณารูปคลื่นสัญญาณที่ขยายให้เห็น
            ในภาพที่ 12.4จะเห็นว่าเมื่อค่าความต้านทาน R1 เท่ากับ 0 (ไม่มีการลดความสว่าง) จะทำให้
กระแสไฟฟ้าที่ไหลไปยังขาเกทมีปริมาณสูงสุด ดังนั้น เอส ซี อาร์ จึงอยู่ในสภาวะ นำกระแส   แบบเต็มครึ่งบวกของสัญญาณไฟฟ้ากระแสสลับที่จ่ายเข้ามา  และกำลังงานเฉลี่ยที่ส่งไปยังหลอดไฟจะมีค่าสูง   แต่ถ้าค่าความต้านทานของ R1 เพิ่มขึ้น  กระแสไฟฟ้าที่ขาเกทของ เอส ซี อาร์ ก็จะมีปริมาณลดลง  ทำให้ เอส ซี อาร์ อยู่ในสภาวะนำกระแสไม่เต็มครึ่งส่วนของสัญญาณที่  เป็นบวก   ดังนั้นกำลังงานเฉลี่ย  ที่ส่งไปให้หลอดไฟจึงมีค่าลดลง จะเป็นอิสระจากการควบคุมของกระแสไฟฟ้าที่จ่ายเข้าที่ขาเกท  ซึ่งถ้ากระแส ทางตรงที่ไหลผ่านระหว่างขั้วแคโทดกับแอโนด  มีค่าต่ำกว่าค่ากระแสยึด  ก็จะทำให้ เอส ซี อาร์ อยู่ในสภาวะไม่นำกระแส ทั้งนี้เนื่องจาก แลทช์ของทรานซิสเตอร์  ทั้งชนิด เอ็น พี เอ็น และ พี เอ็น พี จะไม่มีปริมาณกระแสไฟฟ้าเพียงพอ ที่จะรักษาสภาวะนำกระแส ให้แก่ เอส ซี อาร์ ได้
            ดังนั้น  สรุปได้ว่า การกระตุ้นที่ขาเกทจะทำให้ เอส ซี อาร์ อยู่ในสภาวะ นำกระแส และเมื่อต้องการให้ เอส ซี อาร์ อยู่ในสภาวะ หยุดนำกระแส ก็ทำได้โดยลดแรงดันไฟฟ้า  ที่จ่าย

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ภาพที่ 12.4  การนำ เอส ซี อาร์ ไปใช้ในวงจรควบคุมความสว่าง
            จากตัวอย่างที่อธิบายไปแล้วเป็นการใช้งาน เอส ซี อาร์ ในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ ต่อไปจะพิจารณาการใช้งาน เอส ซี อาร์ ในวงจรไฟฟ้ากระแสตรง ภาพที่ 12.5   แสดงระดับสัญญาณเตือนภัยในรถยนต์  เมื่อปิดสวิตซ์อาร์มและสวิตซ์รีเซ็ท ระบบสัญญาณเตือนภัยจะคอยรับสัญญาณจากสวิตซ์ตรวจจับทั้ง 4 ส่วน    ได้แก่   บริเวณประตู  ระบบเครื่องเสียง  ฝาปิดเครื่องยนต์   และฝากระโปรงหลัง  จากนั้นจึงส่งสัญญาณไปกระตุ้นการทำงานของอุปกรณ์เตือนภัยให้ทำงาน
ตัวอย่างในภาพที่ 12.5     แสดงวงจรการทำงานของระบบเตือนภัยเมื่อเปิดประตูรถยนต์

 


 

 

 

 

 

 

 

 

ภาพที่ 12.5     วงจรระบบเตือนภัยที่ใช้ เอส ซี อาร์

            การเปิดประตูรถยนต์จะทำให้ตัวเก็บประจุ C1  ได้รับการประจุผ่านทางไดโอด D1 และตัวต้านทาน R1   หลังจากช่วงเวลาหนึ่งผ่านไป  จะทำให้ประจุไฟฟ้าที่ชาร์จเข้าไปใน C1   มีปริมาณเพียงพอที่จะทำให้ Q1 ทำงาน (ON)  เมื่อ Q1 ทำงาน ก็จะผ่านศักย์ไฟฟ้าบวกที่ขั้วคอลเลคเตอร์  ซึ่งมาจากแบตเตอรี่ไปยังขั้วอิมิตเตอร์  และผ่านต่อไปยังขาเกทของ เอส ซี อาร์ เมื่อขาเกทได้รับการกระตุ้นจากศักย์ไฟฟ้าบวก  ก็จะทำให้ เอส ซี อาร์ ต่อวงจร (ON) และกระตุ้นอุปกรณ์เตือนภัยให้ทำงาน
            เนื่องจาก เอส ซี อาร์ เสมือนกับเปิดสวิตซ์หรือต่อวงจร  เมื่ออยู่ในสภาวะนำกระแส ซึ่ง  จะผ่านแรงดันไฟฟ้าขนาด 12 V   จากแบตเตอรี่ไปยังอุปกรณ์เตือนภัย ซึ่งสภาวะ นำกระแส ของ เอส ซี อาร์ นี้   ยังคงอยู่ต่อไปโดยไม่ขึ้นกับกิ่งสวิตซ์หรือสวิตซ์ตรวจจับอื่นใด  และเมื่อทำการปิดสวิตซ์ตั้งใหม่ตัดกระแสซึ่งซ่อนภายในรถก็จะทำให้อุปกรณ์เตือนภัยหยุดทำงาน ค่าของ R1 และ C1 ควรเลือกให้เหมาะสมเพื่อให้มีช่วงเวลาการหน่วง     ที่พอดีก่อนที่ Q1 และ เอส ซี อาร์จะ ถูกกระตุ้นให้ทำงาน  ซึ่งการหน่วงเวลานี้ก็เพื่อให้เจ้าของรถยนต์ เข้าไปในรถ  และปลดการทำงานของระบบเตือนภัย  โดยการเปิดกิ่งสวิตซ์ได้ทันเวลา
การทดสอบ เอส ซี อาร์   ใช้มัลติมิเตอร์ในตำแหน่งวัดค่าความต้านทานหรือโอห์มมิเตอร์ดังนี้

  1. ตั้งย่านวัดโอห์มที่ R X 10
  2. วาดรูป เอส ซี อาร์ กำหนดขาเป็น ขา 1 ขา 2 และขา 3
  3. ป้อนไฟจากขั้วของโอห์มมิเตอร์(ไฟ+ใช้ขั้ว – ของโอห์มมิเตอร์ และไฟ – ใช้ขั้ว + ของโอห์มมิเตอร์) วัดคร่อมขาเอส ซี อาร์ ครั้งละ 1 คู่ขา สังเกตค่าความต้านทานเพื่อเปรียบเทียบ   ค่าและ  พิจารณาอาการดีหรือเสีย

 

 

 

 


ภาพที่ 12.6  แสดงการทดสอบ เอส ซี อาร์

ตารางการวัด เอส ซี อาร์

รูป/เบอร์

ขา

1

ขา
2

ขา
3

เข็ม
ขึ้น

เข็ม
ไม่ขึ้น

ขา
G

ขา
A

ขา
K

หมายเหตุ

 

+

-

 

 

 

 

 

 

 

-

+

 

 

 

 

 

 

+

 

-

 

 

 

 

 

-

 

+

 

 

 

 

 

 

+

-

 

 

 

 

 

 

-

+

 

 

 

 

 

 

+

-

 

 

 

 

 

 

 

-

+

 

 

 

 

 

 

+

 

-

 

 

 

 

 

-

 

+

 

 

 

 

 

 

+

-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-

+

 

 

 

 

 

  1. วิเคราะห์ผลการวัด  เอส ซี อาร์ ที่ดีเข็มจะต้องขึ้น1ใน6ครั้ง   ใน1ครั้งที่เข็มขึ้นขา G จะต่อกับสายโอห์มมิเตอร์ที่เป็นไฟบวก และขาของเอส ซี อาร์ที่ต่อกับไฟลบของโอห์มมิเตอร์ และขาที่เหลือของเอส ซี อาร์ ก็คือขาแอโนด

 

 

บทสรุป

  1. เอส ซี อาร์ เป็นอุปกรณ์ประเภทสารกึ่งตัวนำที่ได้รับการโด๊ป ให้มีจำนวนชั้น 4 ชั้น และมีขั้วต่ออกมาภายนอก 3 ขั้ว ได้แก่ แอโนด (A) แคโทด(K) และเกท (G)
  2. แรงดันพังทางตรง เป็นแรงดันที่ทำให้ เอส ซี อาร์ อยู่ในสภาวะนำกระแสโดยแรงดันพังทางตรงนี้เป็นสัดส่วนผกผัน  กับปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ไหลในขาเกท
  3. ขณะที่ เอส ซี อาร์ อยู่ในสภาวะ นำกระแสจะเกิดกระแสที่เรียกว่ากระแสยึดซึ่งจะพยายามรักษาให้ เอส ซี อาร์ อยู่ในสภาวะ นำกระแส อยู่เสมอ  โดยไม่ขึ้นกับกระแสเกท  แต่ถ้ากระแสทางตรงที่ไหลผ่านระหว่างขั้วแคโทดและแอโนดมีปริมาณต่ำกว่าค่ากระแสต่ำสุดของกระแสยึด ก็จะทำให้ เอส ซี อาร์ อยู่ในสภาวะ หยุดนำกระแส
  4. เอส ซี อาร์ ถูกใช้ในงานจำพวกไฟฟ้ากำลัง  เช่นวงจรควบคุมความสว่างวงจรควบคุมความเร็วมอเตอร์ วงจรประจุแบตเตอรี่ ระบบควบคุมอุณหภูมิ และวงจรรักษาระดับกำลัง เป็นต้น
  1. ด้วยการที่  เอส ซี อาร์  นำกระแสได้ในทิศทางเดียวดังนั้นจึงจัด  เอส ซี อาร์ ให้อยู่ในจำพวกอุปกรณ์นำกระแสในทิศทางเดียว
  2. ในกรณีที่ป้อนสัญญาณไฟฟ้ากระแสสลับ ให้แก่   เอส ซี อาร์    จะทำให้ขาเกทตอบสนองสัญญาณและกระตุ้นให้ เอส ซี อาร์  ทำงานเฉพาะส่วนของสัญญาณที่ทำให้แอโนดเป็นบวก เมื่อเทียบกับ แคโทดเท่านั้น
  3. การทดสอบ เอส ซี อาร์ ทำได้โดยปลด เอส ซี อาร์ ออกจากวงจร  จากนั้นใช้โอห์มมิเตอร์ทดสอบการเปิดวงจร หรือลัดวงจรระหว่างขาใด ๆ ของ เอส ซี อาร์    โดยการควบคุมกระแสไฟฟ้าที่จ่ายให้กับ ขาเกท ซึ่งถ้า เอส ซี อาร์ อยู่ในสภาวะ นำกระแส   ค่าความต้านทานระหว่างขั้วแอโนดและ แคโทดจะมีค่าน้อยหรือเกือบเป็นศูนย์   แต่ถ้าเอส ซี อาร์ อยู่ในสภาวะ หยุดนำกระแส ค่าความต้านทานระหว่างขั้วแอโนดและ แคโทดจะมีค่ามากหรือเกือบเป็นอนันต์

 

• อาจารย์พันธ์ศักดิ์ พลอินทร์ • แผนกวิชาช่างอิเล็กทรอนิกส์ • วิทยาลัยเทคนิคสัตหีบ