วงจรควบคุมเฟสโดยใช้ไทริสเตอร์

 วงจรควบคุมเฟสโดยใช้ไทริสเตอร์

สมาชิกในกลุ่ม

นาย นรเทพ โชติงาม 5530304427

นาย พงษ์นรินทร์  จ้อยชะรัด 5530304508

ทฤษฎีที่เกี่ยวข้อง

     ไทริสเตอร์ (Thyristors) เป็นชื่อที่เรียกอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กลุ่มที่มีชั้นของสารกึ่งตัวนำ 4 ชั้นขึ้นไป เช่น ชอคเลย์ไดโอด(Shockley Diode) , เอส.ซี.อาร์(Silicon-controlled Rectifier : SCR) , เอส.ซี.เอส (Silicon - controlled Switch : SCS) รวมทั้งไทรแอก(Triac) , ไดแอก(Diac) , ยูเจที(Unijunction Transistor และ พัท (Programmable Unijunction Transistor : PUT) ไทริสเตอร์นิยมนำไปใช้งานควบคุมกำลังไฟฟ้า เช่น ควบคุมแสงสว่างของหลอดไฟฟ้า ควบคุมความเร็วรอบของมอเตอร์ ระบบจุดระเบิดอิเล็กทรอนิกส์ฯลฯ อุปกรณ์เหล่านี้ถูกนำไปใช้ประโยชน์สำหรับการทำสวิตชิ่งซ์ ,การควบคุมเฟสของไฟกระแสสลับเพื่อใช้ปรับความเข้มของไฟสองสว่าง ,การปรับความเร็วของมอเตอร์ ,การปรับลวดความร้อนและอื่นๆ

     เอสซีอาร์ (SCR) ชื่อเต็มคือ ซิลิคอน คอนโทรล เร็คติไฟร์เออร์ (Silicon Control Rectifier) เป็นอุปกรณ์โซลิดสเตท (Solid-State) ที่ทำหน้าที่เป็นสวิตช์เปิด - ปิด (On - Off ) วงจรทางอิเล็กทรอนิกส์ชนิดหนึ่ง อีกทั้งเอสซีอาร์ ยังจัดเป็นอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำประเภท "ไทริสเตอร์" (Thyristor) ข้อดีของสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์คือจะไม่มีหน้าสัมผัสหรือเรียกว่าคอนแท็ค (Contact) ขณะปิด - เปิด จึงไม่ทำให้เกิดประกายไฟที่หน้าสัมผัสจึงมีความปลอดภัยสูงซึ่งสวิตช์ธรรมดาคือแบบกลไกที่มีหน้าสัมผัสจะไม่สามารถนำไปใช้ในบางสถานที่ได้ สวิตช์อิเล็กทรอนิกส์บางครั้งเรียกว่า "โซลิดสเตทสวิตช์" (Solid State Switch)SCR เป็นอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำจำพวกไทริสเตอร์ จะมีโครงสร้างประกอบด้วยสารกึ่งตัวนำชนิด P และชนิด N ต่อชนกันทั้งหมด 4 ตอน เป็นสารชนิด P2 ตอน และสารชนิด N 2 ตอน โดยเรียงสลับกัน มีขาต่อออกมาใช้งาน 3 ขา คือ ขาแอโนด (ANODE) ขาแคโถด (CATHODE) และขาเกท (GATE) โครงสร้างและสัญลักษณ์แสดงดังรูป

จากรูปโครงสร้างของเอสซีอาร์ (SCR) ประกอบไปด้วยสารกึ่งตัวนำ 4 ชิ้นคือ (P-N-P-N) มีจำนวน 3 รอยต่อ มีขาต่อออกมาใช้งาน 3 ขาคือ 1. แอโนด (A : Anode) 2.แคโถด (K : Cathode) 3. เกท (G : Gate)

การทำงานของเอสซีอาร์

การเปิดเอสซีอาร์ให้นำกระแสนั้น ทำได้โดยการป้อนแรงดันไฟฟ้าบวกที่ขั้วเกตที่เรียกว่าจุดชนวนเกตหรือสัญญาณทริกเกอร์ (Trigerred) การที่จะทำให้เอสซีอาร์นำกระแสได้นั้น ค่ากระแสที่ป้อนให้แก่ขาเกตต้องมากพอที่จะทำให้ทรานซิสเตอร์ Q1 ทำงาน เมื่อเป็นเช่นนั้นก็จะเป็นการป้อนกระแสให้แก่ขาเบสของ Q2 ทำให้ Q2 ทำงานเช่นกัน ในทำนองเดียวกัน Q2 ก็จะป้อนกระแสกลับมาให้แก่ขาเบสของ Q1 จึงเกิดเป็นการป้อนกระแสกลับไปกลับมาทำให้ Q1 และ Q2 ทำงานต่อไปได้เรื่อย ๆ 
หลังจากที่เอสซีอาร์เริ่มทำงานแล้วนั่นคือ การยอมให้กระแสไหลผ่านตัวมัน เอสซีอาร์นั้นก็จะสามารถคงสภาพการทำงานอยู่เช่นนั้นได้ แม้ว่าจะหยุดการป้อนกระแสให้แก่ขาเกต แล้วก็ตาม ทั้งนี้เนื่องจากการป้อนกระแสกลับไปกลับมาระหว่าง Q1 และ Q2 ดังกล่าวข้างต้น ดังนั้น กระแสที่ป้อนให้แก่ขาเกตนั้น จึงเป็นเพียงพัลส์ที่ไปกระตุ้นให้เอสซีอาร์เกิดการทำงานขึ้น และคงสภาพการทำงานเช่นนั้นต่อไป

การหยุดการทำงานของเอสซีอาร์

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

การประยุกต์ใช้งาน

การใช้งาน SCR ส่วนใหญ่จะใช้เป็นสวิตช์สำหรับให้กระแสไฟผ่านหรือตัดไฟไม่ให้ผ่านไปยังวงจรโหลด แต่ SCR มีสมบัติที่นำกระแสทิศทางเดียวเท่านั้น ดังนั้นเราจึงใช้ SCR ทำหน้าที่เป็น วงจรเรียงกระแส (วงจรแปลงไฟสลับเป็นไฟตรง)ได้ และถ้าหากเราสามารถควบคุมช่วงเวลาของการนำกระแสของ SCR ในแต่ละคาบเวลาของไฟสลับ ให้นำกระแสได้นานขึ้นหรือสั้นลงได้แล้ว เราก็จะทำให้กระแสเฉลี่ยที่จ่ายไปยังโหลดแปรค่าได้ ซึ่งสามารถนำไปใช้ในวงจรควบคุมกำลังไฟหรือควงคุมความเร็วของมอเตอร์กระแสตรงได้ SCR ใช้เป็นสวิตช์ได้ดีเพราะสามารถเปิดปิดวงจรได้เร็ว และต้องการกำลังไฟในการควบคุมการจุดฉนวนเพียงเล็กน้อยเท่นั้น การใช้ SCR เป็นสวิตช์ยังดีกว่าพวกสวิตช์แม่เหล็ก รีเลย์และคอนแทคเตอร์ ตรงที่ SCR ไม่มีหน้าสัมผัส ไม่มีส่วนเคลื่อนที่ จึงใช้งานได้นานกว่าและไม่เกิดประกายไฟเมื่อทำการเปิดปิดวงจรไฟฟ้ากำลัง

Triac(ไตรแอก)

ไตรแอก(Triac) เป็นอุปกรณ์ในกลุ่มของไทริสเตอร์ มีลักษณะโครงสร้างภายในคล้ายกับไดแอก แต่มีขาเกตเพิ่มขึ้นมาอีก 1 ขา ไตรแอกถูกสร้างขึ้นเพื่อแก้ไข ข้อบกพร่องของ SCR ซึ่งไม่สามารถนำกระแสในซีกลบของไฟฟ้าสลับได้การนำไตรแอกไปใช้งานส่วนใหญ่จะใช้ทำเป็นวงจรควบคุมการทำงานเป็นสวิตซ์ต่อแรงดันไฟสลับ ไตรแอกถูกสร้าง ขึ้นมาให้ใช้งานกับกระแสสูง ๆ ดังนั้นต้องระวังเรื่องของการระบายความร้อน

การควบคุมเฟส (Phase control)

ถ้าเราสามารถควบคุม SCR ให้นำกระแส ณ เวลาใดเวลาหนึ่ง ในด้านเวลาของไฟสลับเราก็จะสามารถควบคุมกำลังไฟที่จ่ายให้กับโหลดได้ ลองดูวงจรในรูป ถ้า IG เป็นสัญญาณพัลส์ (pulse) ที่ใช้จุดชนวนให้ SCR นำกระแส การหน่วงเวลาในการจุดฉนวน SCR ในแต่ละคาบเวลา จะทำให้ SCR นำกระแสเร็วและช้าต่างๆ กัน กระแส IL จะมีขนาดขึ้นอยู่กับเวลาในการจุดชนวนนี้ ในรูปมุม φ คือ มุมจุดชนวน (Triggering angle) และ θ เป็นมุมนำกระแส (Conducting angle) ของ SCR
ค่าเฉลี่ยของ IL จะขึ้นกับมุมเหล่านี้ ดังนั้นถ้าเราแปรมุม φ หรือ θ IL จะเปลี่ยนแปลง

ถ้าให้แรงดันไฟสลับมีขนาด Vm sinωt และกระแส IL ที่ไหลผ่านโหลด เมื่อไม่มี SCR มีค่าเป็น Im sinωt กระแส IL ที่ถูกควบคุมเฟสจะมีค่าเฉลี่ยดังนี้

จะเห็นได้ว่าค่าเฉลี่ยของ IL จะขึ้นอยู่กับมุม φ หรือ θ ถ้าเราควบคุมมุม φ ให้แปรเปลี่ยนได้เราก็สามารถควบคุม IL ได้ตามต้องการ

การควบคุมแบบเฟสเดียว

เป็นการใช้ไทริสเตอร์ควบคุมกำลังงานให้แก่โหลดในระบบ 220 โวลต์ ซึ่งตัวอย่างพื้นฐานการควบคุมเฟสแบบนี้มีดังนี้

Controlled Half-Wave

Controlled Half Pluse Fixed Half-Wave

Controlled Full-Wave 2 SCRs

Controlled Full-Wave 2 SCRs and 2 Diodes

Controlled Full-Wave 4 Diodes and 1 SCR

Controlled Full-Wave with Triac

การคำนวณหาแรงดันโหลดเฉลี่ย

Controlled Half-Wave

Controlled Half Pluse Fixed Half-Wave

Controlled Full-Wave 2 SCR

Controlled Full-Wave 2 SCR and 2 Diodes

Controlled Full-Wave 4 Diodes and 1 SCR

Controlled Full-Wave with Triac