サイリスタとは？用途やメリット、サイリスタの仕組みを徹底解説

サイリスタとは？

サイリスタとは？交流（AC）、直流（DC）機器のオン・オフスイッチとして使用されています。整流器は、電荷が流れると交流を直流に変換する電子部品です。

トランジスタやダイオードなどの半導体部品で構成された固体スイッチです。半導体デバイスなので銅のような完全な導体とガラスのような絶縁体の中間的な電気伝導を持ります。

サイリスタという名称は、トランジスタとサイラトロン（同様の機能を持つ初期のガス封入管）を組み合わせたものに由来しています。1950年代に開発されたこのデバイスは、シリコン制御整流器(SCR)と呼ばれることもあります。これは、シリコンを4層構造にしているためです。

元々、SCRはゼネラル・エレクトリック社で販売しているサイリスタのブランド名でした。現在では、この2つの言葉は同義語として使われることが多くなっています。

サイリスタ応用製品

サイリスタは物理的に小さなデバイスでありながら、高い電圧と電流レベルを制御できるため、高電圧直流送電線に使用されている。

その他にも、以下のような用途があります。

• 工場などでの電源スイッチ
• 自動車用イグニッションスイッチ
• 電気モーターの速度制御
• 液面レギュレータ
• 圧力制御システム
• サージプロテクタ

また、様々な電気回路にも幅広く使用されています。以下の様な用途があります。

• インバータ回路
• 発振器回路
• チョッパー回路
• スイッチング回路
• リレー交換回路
• レベル検出回路
• ロジック回路
• 位相制御回路
• 速度制御回路
• タイマ回路

サイリスタのしくみ

サイリスタの仕組みはどうなっているのでしょうか。サイリスタには通常、3つのリード線または電極（電気が出入りする場所）があります。これをアノード、カソード、ゲート（またはコントロールゲート）と呼びます。ゲートは、外部からのパルスによって陽極-陰極間の電流を制御します。電極が2つ、4つあるモデルもあります。

一般的なSCRでは、N型（マイナス）半導体とP型（プラス）半導体が交互に2層ずつ積層されています。合計4層となり、その間に3つの接合があります。この4層のシリコンを電気的に処理することで、負または正の電荷を運ぶ電子の数を増やしています。正負の電子の並び方から、NPN半導体、PNP半導体とも呼ばれます。

ゲートを介して電流が流れ込まない場合、デバイスはオフ状態で静止し、（3つのうち）中央の接合が陽極と陰極とは逆になり、どの方向に電流が流れても通らなくなります。これを方向によってフォワードブロッキングモード、ネガチブロッキングモードと呼ばれています。

電流が必要なだけ流れるためには、陽極がプラス、陰極がマイナスにならなければなりません。ゲート電流が流れると、正負の電荷が4層のシリコンに流れ込み、半導体それぞれの層が順番に活性化されながら 4つの層がすべて活性化されると、電流はデバイス内を自由に流れるようになります。サイリスタが順方向に導通し、ラッチオン（オン状態） になり、デバイスの外側で電流（通常は回路全体への電流）がオフになるまでラッチされたままになります。アノードとカソードの間の電流を維持するためのゲート電流は必要ありません。

サイリスタとトランジスタの比較

トランジスタは、電気信号のオン・オフや増幅に使われる標準的な電気部品です。20世紀初頭に発明され、ラジオや長距離電話の発達を可能にしました。しかし、その汎用性とは裏腹に、高電圧の電流には弱く、ミリアンペアの低電圧の電流に最も適している。ちなみに、ミリアンペアとは1,000分の1アンペアである。これに対してサイリスタは、5〜10アンペア、数百、数千ボルトと、はるかに高いレベルのパワーで動作することができます。

また、正しく動作させるためには、安定した電力入力に依存します。トランジスタでは、入力時に低レベルの電流が増幅されますが、デバイスによっては、これでは不十分な場合があります。例えば侵入者警報では、異なった電流が必要になります。アラームのトリガー（例：モーションセンサー）に低レベルの電流を流し、アラーム内に高電流を流してベルや警報を鳴らす必要があり、トリガー電流が停止してもこの高電流は維持される必要があります。これはトランジスタでは不可能ですが、サイリスタなら可能です。動作検知器などがゲート電流をトリガーし、これが陽極と陰極の間の電流の流れを誘発します。ゲート電流が停止しても、カソード電流は流れ続け、ラッチされたままになります。

サイリスタの種類

サイリスタの多くは3リードデバイスで、アノード、カソードの3つの電極と、他の2つの電極間に電流を流すためのコントロールゲートを備えています。

また、一般的ではない2リードモデルもあり、これは電極が2つしかなく、それぞれの電荷の差が決められたブレイクオーバー電圧以上になると電流が流れ、オフからオンに切り替わるようになっています。

こちらもご覧ください。

• シリコン制御スイッチ（SCS）：アノードゲートを追加し、正電圧の印加時にデバイスを非活性化させる。
• ダイアック：サイリスタとダイオードのハイブリッドで、4層構造になっており、どちらかの方向に流れる電流を受け持つ。ダイオード交流スイッチに由来する名前だが、交流と直流の両方で動作する。
• トライアック：双方向に電気を流すデバイスです。ACとDCの両方をスイッチングします。
• サイダクッター：制御ゲートなしで動作し、短時間の電気サージに依存するモデルです。
• IGBT：絶縁ゲート型バイポーラトランジスタは4層3端子ですが、純粋にトランジスタとして機能するように設計されており、サイリスタではありません。
• PCT：位相制御用サイリスタ：交流電流を制限するために使用され、所定の間隔で機器を導通状態にしたり、導通状態から外したりします。

サイリスタの長所

サイリスタが標準部品になったのは、様々な利点がある為です。その代表的なものは以下の通りです。

• マイクロ秒単位で電流を切り換えるスピードと能力
• 高電圧、大電力を制御する能力
• 可動部がなく、高い信頼性
• 日常的な交流だけでなく、直流機器を制御する能力
• 迅速かつ容易なアクティベーション
• 安価
• 操作性の良さ
• 相対的なシンプルさ
• 小型

サイリスタのチェック方法

他の電気機器と同様、サイリスタも時々点検して、正常に動作していることを確認する必要があります。最も簡単な方法は、マルチメータを使うことです。

サイリスタのテスト方法

マルチメーターは、電圧、電流、電気抵抗の強さを測定できる業界標準の電気試験器です。

ここでは、マルチメータを使ったシリコン制御整流器のテスト方法について説明します。

1. サイリスタのアノード（入口側端子）とマルチメー ターのプラス（赤）リードを接続します。カソード（出口端子）をマイナス（黒）のリード線に接続します。この場合のダイオード（2端子部品）はサイリスタそのものです。
2. マルチメータを高抵抗モードに設定します。回路が開いていることを示すはずです。次に、リード線の位置を逆にすると、デバイスはまだオープン回路を示すはずです。
3. リード線を元の位置に戻し、今度はゲート端子をプラスのリード線に追加します。マルチメーターは低レベルの電気抵抗を示すはずです。これはSCRがオンの位置にあることを示し、ゲート端子を外すとこの状態が続くはずです。
4. マルチメーターが上記のチェックをパスすれば、正しく動作しています。