ความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับไทริสเตอร์ และการใช้งานวงจรไทริสเตอร์

ไทริสเตอร์เป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่ออกแบบมาสำหรับการใช้งานสวิตชิ่งกำลังสูง ต่างจากทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์และ FET ตรงที่ไม่มีความสามารถในการขยายสัญญาณ แต่จะใช้ในการควบคุมโหลดไฟฟ้าขนาดใหญ่อย่าง หลอดไฟ มอเตอร์ และเครื่องทำความร้อน 

ในการเปิดใช้งานไทริสเตอร์ ต้องกระตุ้นด้วยกระแสไฟฟ้าสั้นที่เกท เมื่ออุปกรณ์มีการไบอัสตรง หมายความว่า แอโนดเป็นบวก ซึ่งสัมพันธ์กับแคโทด 

สัญญาณพัลส์นี้นำไปสู่การทรุดตัวภายในเครื่องอย่างรวดเร็ว  ทำให้อุปกรณ์ "เปิด" ขึ้น ระยะเวลาของพัลส์ทริกเกอร์ควรใช้เวลาไม่กี่ไมโครวินาที แม้ว่าพัลส์ที่ยาวกว่าจะช่วยเร่งเวลาเปิดเครื่องได้ อย่างไรก็ตาม สิ่งสำคัญ คือต้องไม่ให้กระแสเกตสูงเกินขีดจำกัดเพื่อหลีกเลี่ยงการทำลายไทริสเตอร์

เมื่อเปิดใช้งานแล้ว ไทริสเตอร์จะยังคงดำเนินการอยู่ แม้ว่าสัญญาณเกทจะถูกลบออกก็ตาม และจะหยุดดำเนินการเมื่อกระแสแอโนดลดลงต่ำกว่าเกณฑ์ที่กำหนด ซึ่งเรียกว่ากระแสโฮลดิ้ง หลังจากนี้ อุปกรณ์จะปิดโดยอัตโนมัติ การทำงานลักษณะนี้ทำให้ไทริสเตอร์ไม่เหมาะสมกับงานที่ต้องควบคุมการสลับหรือการขยายสัญญาณ

วงจรไทริสเตอร์ DC

วงจร DC ไทริสเตอร์สามารถทำหน้าที่เป็นสวิตช์เพื่อจัดการกระแสและโหลดขนาดใหญ่ได้

เมื่อใช้เป็นสวิตช์ ไทริสเตอร์ทำหน้าที่เป็นสลักอิเล็กทรอนิกส์

โดยการคงสถานะ "เปิด" ไว้ จนกว่าจะถูกรีเซ็ตด้วยตนเอง ยกตัวอย่างเช่น การพิจารณาวงจรที่ออกแบบมาเพื่อควบคุมหลอดไฟ วงจรนี้จะใช้ไทริสเตอร์เป็นสวิตช์ปุ่มกด แบบเปิดตามปกติจะเชื่อมต่อเกทเข้ากับแหล่งจ่ายไฟ DC สั้นๆ ผ่านตัวต้านทาน เพื่อเริ่มต้นการนำไฟฟ้า การตั้งค่าตัวต้านทานสูงเกินไปอาจทำให้ไทริสเตอร์ไม่สามารถทำงานได้ หลังเปิดใช้งาน วงจรจะล็อคตัวเองและยังคงสถานะ "เปิด" ไว้ แม้ว่าจะปล่อยปุ่มแล้วก็ตาม ตราบใดที่กระแสโหลดเกินกระแสล็อคของไทริสเตอร์

‍

ข้อดีมีดังนี้  อัตราการขยายกระแสสูง โดยที่กระแสเกทขนาดเล็กจะควบคุมกระแสแอโนดที่มีขนาดใหญ่กว่ามาก เพื่อป้องกันการกระตุ้นผิดพลาด มีการเพิ่มตัวต้านทานเกท-แคโทดเพื่อรักษาความไวของเกทให้คงที่ และเพิ่มความสามารถ dv/dt หากต้องการปิดอุปกรณ์ จำเป็นต้องขัดจังหวะวงจรโดยลดกระแสแอโนดต่ำกว่าค่ากระแสรักษาโดยใช้ปุ่ม "ปิด" ที่ปิดปกติ ซึ่งจะตัดวงจรและหยุดการไหลของกระแส

การแก้ไขข้อจำกัดการออกแบบด้านขนาดและความทนทานของสวิตช์ "ปิด" ซึ่งก็คือการกำหนดค่าให้มีทางเลือกในการวางสวิตช์ขนาดเล็กลงขนานกับไทริสเตอร์ โดยสวิตช์นี้จะลัดวงจรขั้วบวกและแคโทดเป็นเวลาสั้นๆ เพื่อลดกระแสไฟค้างและปิดการใช้งานไทริสเตอร์

วงจรไทริสเตอร์ AC

ไทริสเตอร์ทำงานต่างออกไปเมื่อเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) เนื่องจากการกลับตัวของกระแสไฟ AC เป็นระยะ ไทริสเตอร์จะถูกไบแอสแบบย้อนกลับโดยอัตโนมัติ และถูก "ปิด" ครึ่งหนึ่งในแต่ละรอบ วงจรไทริสเตอร์กระแสสลับไม่รวมสวิตช์ "ปิด" เพิ่มเติม แต่มีไดโอดเพื่อป้องกันการย้อนกลับที่เกต

ในระหว่างช่วงวงจรครึ่งคลื่นเชิงบวก ไทริสเตอร์จะยังคง "ปิด" จนกว่ากระแสเกทจะถูกนำเข้ามาผ่านการปิดสวิตช์ เมื่อปิดสวิตช์ กระแสเกทจะเปิดใช้งานไทริสเตอร์ โดยเปลี่ยนเป็น "เปิด" และปล่อยให้กระแสไฟดำเนินการในวงจรครึ่งคลื่นเชิงบวกที่เหลือ สามารถปรับเวลาการนำไฟฟ้าได้โดยการเปลี่ยนค่าคงที่ RC ในวงจร โดยควบคุมมุมเฟสที่ไทริสเตอร์เริ่มนำกระแส

เพื่อควบคุมพลังงานที่จ่ายให้โหลดได้แม่นยำยิ่งขึ้น สามารถปรับความสัมพันธ์ระหว่างเกทพัลส์และวงจรครึ่งคลื่นเชิงบวกได้อย่างละเอียด การทำเช่นนี้ ไทริสเตอร์สามารถจ่ายพลังงานได้ตั้งแต่ 0% ถึง 50% เนื่องจากไม่ได้ดำเนินการในช่วงวงจรครึ่งคลื่นเชิงลบ

บรรลุการควบคุม AC แบบเต็มรอบคลื่น

เพื่อให้ส่งพลังงานได้ 100% ตลอดสองครึ่งรอบของวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ ไทริสเตอร์สามารถผสานรวมเข้ากับวงจรเรียงกระแสบริดจ์ไดโอด หรือใช้ไทริสเตอร์สองตัว

กำหนดค่าแบบขนานผกผันได้ อีกแนวทางหนึ่งคือ การใช้ไตรแอค ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่สามารถเปิดใช้งานได้ทั้งสองทิศทาง ทำให้เหมาะกับการใช้งานสวิตช์ไฟฟ้ากระแสสลับ

โดยสรุป การเรียนรู้วงจรไทริสเตอร์ต้องเข้าใจคุณสมบัติของอุปกรณ์ กลไกการทริกเกอร์ที่เหมาะสม และการกำหนดค่าวงจรที่ปรับแต่งสำหรับการใช้งานเฉพาะ ไม่ว่าจะเป็นการควบคุมพลังงานไฟฟ้ากระแส  DC หรือ AC