การควบคุมกำลังไฟฟ้ากระแสตรง

1. Unit 8 การควบคุมกำลังไฟฟ้ากระแสตรง

2. งานอุตสาหกรรมบางประเภท มีการใช้มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง และอุปกรณ์บางชนิดที่ใช้ไฟกระแสตรง เมื่อโหลดเปลี่ยนแปลง จำเป็นต้องปรับแรงดันและกระแส ซึ่งทำให้กำลังเปลี่ยนแปลงด้วย ดังนั้นในงานอุตสาหกรรมนิยมใช้วงจรอิเล็กทรอนิกส์ไปควบคุมกำลัง โดย อุปกรณ์ที่นิยมใช้คือ เอสซีอาร์

3. 1. เอสซีอาร์ เอสซีอาร์(Silicon Controlled Rectifier) คือ อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำที่มี 3 รอยต่อ มีขั้ว 3 ขั้วคือแอโนด(A) แคโทด(K) และเกต(G) เอสซีอาร์จะนำกระแสได้เมื่อแรงดันที่แอโนดเป็นบวกมากกว่าแคโทด และมีการกระตุ้นกระแสที่เกต (IG) โดยจ่ายแรงดันวกที่เกตให้มีกระแสไหลเข้าสู่ขาเกตของแอสซีอาร์ จะทำให้เอสซีอาร์นำกระแสได้ จะเกิดกระแสไหลผ่านระหว่างขั้วแอโนดสู่ขั้วขั้วแคโทดของเอสซีอาร์ โครงสร้างของเอสซีอาร์ ดังรูปที่ 1 ก

4. รูปที่ 1 โครงสร้างภายในและสัญลักษณ์ สัญลักษณ์ของเอสซีอาร์ ดังรูปที่ 1 ข การนำเอสซีอาร์ไปใช้งาน เช่น วงจรเนียงกระแสที่ควบคุมแรงดันได้ ควบคุมความเร็วมอเตอร์ ควบคุมความสว่างของหลอดไฟฟ้า ควบคุมปริมาณความร้อนของลวดความร้อน เป็นต้น

5. วงจรสมมูลของเอสซีอาร์วงจรสมมูลของเอสซีอาร์ วงจรสมมูลของเอสซีอาร์เมื่อพิจารณาจากโครงสร้างของชิ้นส่วนสารกึ่งตัวนำทั้ง 4 ชิ้นที่ต่อกันทำให้เกิดรอยต่อ 3 รอยต่อแล้ว จะพบว่าที่แอโนดของเอสซีอาร์คล้ายทรานซิสเตอร์ชนิดpnp ดังรูปที่ 2 และที่แคโทด เปรียบเทียบมีทรานซิสเตอร์ชนิด npnโดยที่คอลเล็กเตอร์ของ pnpต่อกับเบสของ npnต่อออกเป็นขั้วเกตของเกตเอสซีอาร์ ดังรูปที่ 2

6. รูปที่ 2 วงจรสมมูลของเอสซีอาร์

7. เมื่อพิจารณาในรูปที่ 2 ลักษณะการทำงาน คล้ายกับทรานซิสเตอร์ 2 ตัวต่อกัน ดังนั้นเมื่อป้อนกระแสที่เกตทำให้ทรานซิสเตอร์ทั้ง 2 ตัวเริ่มนำกระแสดังนั้น กระแสที่แอโนดที่ทรานซิสเตอร์pnpจะไหลขั้วสู่แคโทดที่ทรานซิสเตอร์ npnเมื่อหยุดจ่ายกระแสเกตทรานซิสเตอร์ยังคงนำกระแสได้ดังรูปที่ 3

8. ic1 = α1i + ICO1 = iB2 ic2 = α2i + ICO2 = iB1 แต่ผลรวมของ ic1 + ic2 มีค่าเท่ากับกระแส I ic1 + ic2 = I ดังนั้นผลรวมที่ได้คือ i(α1+ α2) + ICO1 + ICO2 = I i= (ICO1 + ICO2)/(1 - (α1+ α2))

9. รูปที่ 3 การนำกระแสของเอสซีอาร์

10. 2. การทำงานของเอสซีอาร์ รูปที่ 4 กระบวนการจุดชนวนให้เอสซีอาร์นำกระแส

11. การป้อนกระแสเกตให้เอสซีอาร์ เรียกว่า การจุดชนวน(Triggering) เมื่อจุดชนวนให้เอสซีอาร์นำกระแสได้แล้วไม่จำเป็นต้องคงค่ากระแส(IG) ไว้ตลอดไป สามารถลดค่ากระแสเกตให้เป็นศูนย์ได้(IG = 0) โดยที่เอสซีอาร์ยังคงนำกระแสได้ เพราะ IB2 จะไหลมาจากคอลเลกเตอร์pnp นำกระแส เอสวีอาร์ยังคงนำกระแสได้ ดังรูปที่ 4 ค

12. รูปที่ 5 กราฟคุณสมบัติของเอสซีอาร์

13. 3. การทำให้เอสซีอาร์หยุดนำกระแส หลักการทำให้เอสซีอาร์หยุดการนำกระแสคือ ลดกระแสที่ผ่านแอโนดให้ต่ำกว่ากระแสโฮลดิ่ง(IH) เทคนิคต่าง ๆ ที่จะใช้หยุดนำกระแสของเอสซีอาร์มีหลายวิธี แต่สามารถอธิบายได้ 2หลักการคือ

14. 3.1 การหยุดนำกระแสด้วยวิธี Line Commutation คือการใช้เอสซีอาร์กับแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสสลับ เมื่อกระแสไฟฟ้าที่แหล่งจ่ายลดลงเป็นศูนย์ จะทำให้เอสซีอาร์หยุดนำกระแสโดย ธรรมชาติ วิธีนี้เรียกว่า การสับเปลี่ยนแบบธรรมชาติ (Natural Commutation) ดังรูปที่ 6

15. รูปที่ 6 วิธีการหยุดนำกระแสของเอสซีอาร์โดยธรรมชาติ

16. 3.2 การหยุดนำกระแสด้วยวิธีบังคับ Force Commutation คือ การใช้เทคนิคต่อกระแสหรือแรงดันไปบังคับการไบอัสเอสซีอาร์ เพื่อให้กระแสแอโนดลดลงให้น้อยกว่ากระแสโฮลดิ้ง ดังรูปที่7

17. รูปที่ 7 วิธีการหยุดนำกระแสของเอสซีอาร์โดยการบังคับ

18. ค่าคุณลักษณะและค่าพิกัดของเอสซีอาร์ค่าคุณลักษณะและค่าพิกัดของเอสซีอาร์ ค่าพิกัดและค่าคุณลักษณะของเอสซีอาร์ที่สำคัญและค่าที่ควรทราบ คือ 1.Forward breakover Voltage, VBR(F)คือแรงดันไบอัสตรงที่จ่ายให้เอสซีอาร์และสามารถทำให้เอสซีอาร์นำกระแสได้โดยไม่มีสัญญาณกระตุ้นเกต(IG = 0)

19. 2.Holding Current, IH เมื่อเอสซีอาร์นำกระแส มีกระแสแอโนดไหลผ่านขั้วแอโนดและแคโทด ถ้าปริมาณกระแสแอโนดต่ำกว่าค่ากระแส IH จะทำให้เอสซีอาร์หยุดนำกระแส(OFF) 3.Gate Trigger Current, IGT คือปริมาณกระแสจ่ายให้กับเอสซีอาร์และทำให้เอสซีอาร์นำกระแสได้เมื่อได้รับไบอัสตรง โดยเอสซีอาร์ไม่พัง

20. 4.Average Forward Current, IF(AVG) คือปริมาณกระแสแอโนดเฉลี่ย(DC Current) ที่ไหลผ่านเอสซีอาร์ตามปกติ ไม่ทำให้เอสซีอาร์เสียหาย 5.Reverse-breakdown Voltage, VBD(R) คือค่าแรงดันไบอัสกลับที่ป้อนให้แอโนดและแคโทดของเอสซีอาร์และทำให้เอสซีอาร์นำกระแสได้โดยไม่ต้องมีสัญญาณกระตุ้นเกต

21. 4.การนำเอสซีอาร์ไปใช้งาน4.การนำเอสซีอาร์ไปใช้งาน โดยทั่วไปนิยมนำๆไปใช้ในงานด้านควบคุมกำลังไฟฟ้า(Power Control) และการทำงานเป็นสวิตซ์ เช่น วงจรควบคุมการเปิดปิด, วงจรเรียงกระแสและวงจรควบคุมความร้อน ดังรูปที่ 8

22. รูปที่ 8 การประยุกต์เอสซีอาร์เป็นวงจรต่าง ๆ

23. การควบคุมกำลังไฟฟ้ากระแสตรง ดังรูปที่ 9 เมื่อ เอสซีอาร์สถานะ ไม่นำกระแส จะทำให้แรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อมโหลดเป็นศูนย์ และสถานะ นำกระแส จะทำให้แรงดันไฟฟ้าตกคร่อมโหลดทำให้กำลังเป็นเปลี่ยน รูปที่ 9 การควบคุมกำลังไฟฟ้ากระแสตรง

24. งานบางประเภท ใช้เอสซีอาร์เป็นตัวควบคุมกำลัง เช่น วงจรชาร์จไฟฟ้ากระแสตรง ดังรูปที่ 10 รูปที่ 10 วงจรชาร์จไฟฟ้ากระแสตรง