Τι είναι το triac: κύκλωμα εναλλαγής και εφαρμογές

Ισχύς ηλεκτρονικούς διακόπτες, όπως BJT, SCR, IGBT, MOSFET, και TRIAC είναι πολύ σημαντικά στοιχεία όταν πρόκειται για την αλλαγή κυκλώματα, όπως μετατροπείς DC-DC, Motor Speed Controllers, Motor οδηγοί και ελεγκτές συχνότητας κλπ Κάθε συσκευή έχει τη δική του μοναδική ιδιότητα και έτσι έχουν τις δικές τους συγκεκριμένες εφαρμογές. Σε αυτό το σεμινάριο θα μάθουμε για το TRIAC, το οποίο είναι μια αμφίδρομη συσκευή που σημαίνει ότι μπορεί να διεξαχθεί και προς τις δύο κατευθύνσεις. Λόγω αυτής της ιδιότητας, το TRIAC χρησιμοποιείται αποκλειστικά όταν εμπλέκεται ημιτονοειδής παροχή AC.

Εισαγωγή στο TRIAC

Ο όρος TRIAC σημαίνει TRI ode για A Lternating C urrent. Είναι μια συσκευή εναλλαγής τριών τερματικών παρόμοια με το SCR (Thyristor), αλλά μπορεί να συμπεριφέρεται και στις δύο κατευθύνσεις, καθώς κατασκευάζεται συνδυάζοντας δύο SCR σε κατάσταση παράλληλης. Το σύμβολο και ο πείρος από το TRIAC φαίνονται παρακάτω.

Δεδομένου ότι το TRIAC είναι μια αμφίδρομη συσκευή, το ρεύμα μπορεί είτε να ρέει από MT1 σε MT2 είτε από MT2 σε MT1 όταν ενεργοποιείται το τερματικό πύλης. Για ένα TRIAC, αυτή η τάση ενεργοποίησης που πρόκειται να εφαρμοστεί στον ακροδέκτη πύλης μπορεί να είναι θετική ή αρνητική σε σχέση με τον ακροδέκτη ΜΤ2. Έτσι, θέτει το TRIAC σε τέσσερις τρόπους λειτουργίας όπως αναφέρονται παρακάτω

• Θετική τάση στο MT2 και θετικός παλμός στην πύλη (τεταρτημόριο 1)
• Θετική τάση στο MT2 και αρνητικός παλμός στην πύλη (τεταρτημόριο 2)
• Αρνητική τάση στο MT2 και θετικός παλμός προς πύλη (τεταρτημόριο 3)
• Αρνητική τάση στο MT2 και αρνητικός παλμός προς πύλη (τεταρτημόριο 4)

VI Χαρακτηριστικά ενός TRIAC

Η παρακάτω εικόνα απεικονίζει την κατάσταση του TRIAC σε κάθε τεταρτημόριο.

Τα χαρακτηριστικά ενεργοποίησης και απενεργοποίησης του TRIAC μπορούν να γίνουν κατανοητά κοιτάζοντας το γράφημα χαρακτηριστικών VI του TRIAC που φαίνεται επίσης στην παραπάνω εικόνα. Δεδομένου ότι το TRIAC είναι απλώς ένας συνδυασμός δύο SCR σε αντί-παράλληλη κατεύθυνση, το γράφημα χαρακτηριστικών VI μοιάζει με αυτό ενός SCR. Όπως μπορείτε να δείτε, το TRIAC λειτουργεί κυρίως στο ^1ο Τεταρτημόριο και στο ^3ο Τεταρτημόριο.

Χαρακτηριστικά ενεργοποίησης

Για να ενεργοποιήσετε ένα TRIAC πρέπει να παρέχεται θετική ή αρνητική τάση / παλμός πύλης στον πείρο πύλης του TRIAC. Όταν ενεργοποιήθηκε ένα από τα δύο SCR στο εσωτερικό, το TRIAC αρχίζει να λειτουργεί με βάση την πολικότητα των ακροδεκτών MT1 και MT2. Εάν το MT2 είναι θετικό και το MT1 είναι αρνητικό, το πρώτο SCR διεξάγει και εάν το τερματικό MT2 είναι αρνητικό και το MT1 είναι θετικό, τότε το δεύτερο SCR διεξάγει. Με αυτόν τον τρόπο είτε ένα από τα SCR παραμένει πάντα καθιστώντας το TRIAC ιδανικό για εφαρμογές AC.

Η ελάχιστη τάση που πρέπει να εφαρμοστεί στον πείρο πύλης για να ενεργοποιηθεί ένα TRIAC καλείται ως η τάση πύλης κατωφλίου (V _GT) και το προκύπτον ρεύμα μέσω του πείρου πύλης καλείται ως ρεύμα πύλης κατωφλίου (I _GT). Μόλις εφαρμοστεί αυτή η τάση, ο πείρος πύλης το TRIAC προωθείται προς τα εμπρός και αρχίζει να διεξάγεται, ο χρόνος που απαιτείται για την αλλαγή του TRIAC από κατάσταση εκτός λειτουργίας σε κατάσταση ονομάζεται χρόνος ενεργοποίησης (t _on).

Ακριβώς όπως ένα SCR, το TRIAC μόλις ενεργοποιηθεί θα παραμείνει ενεργοποιημένο, εκτός εάν έχει μετακινηθεί. Αλλά για αυτήν την κατάσταση, το ρεύμα φορτίου μέσω του TRIAC πρέπει να είναι μεγαλύτερο ή ίσο με το ρεύμα μανδάλωσης (I _L) του TRIAC. Για να καταλήξουμε, ένα TRIAC θα παραμείνει ενεργοποιημένο ακόμη και μετά την αφαίρεση του παλμού της πύλης, αρκεί το ρεύμα φορτίου να είναι μεγαλύτερο από την τιμή του ρεύματος μανδάλωσης.

Παρόμοια με το ρεύμα μανδάλωσης, υπάρχει μια άλλη σημαντική τιμή του ρεύματος που ονομάζεται ρεύμα κράτησης. Η ελάχιστη τιμή ρεύματος για τη διατήρηση του TRIAC σε λειτουργία αγωγιμότητας προς τα εμπρός καλείται ως ρεύμα συγκράτησης (I _H). Ένα TRIAC θα εισέλθει σε λειτουργία συνεχούς αγωγιμότητας μόνο αφού περάσει μέσω του ρεύματος συγκράτησης και του ρεύματος μανδάλωσης όπως φαίνεται στο παραπάνω γράφημα. Επίσης, η τιμή του ρεύματος μανδάλωσης οποιουδήποτε TRIAC θα είναι πάντα μεγαλύτερη από την τιμή του ρεύματος συγκράτησης.

Χαρακτηριστικά απενεργοποίησης

Η διαδικασία απενεργοποίησης ενός TRIAC ή οποιασδήποτε άλλης συσκευής ισχύος ονομάζεται αλλαγή, και το κύκλωμα που σχετίζεται με αυτό για την εκτέλεση της εργασίας ονομάζεται κύκλωμα ανταλλαγής. Η πιο συνηθισμένη μέθοδος που χρησιμοποιείται για την απενεργοποίηση ενός TRIAC είναι με τη μείωση του ρεύματος φορτίου μέσω του TRIAC έως ότου φτάσει κάτω από την τιμή του ρεύματος συγκράτησης (I _H). Αυτός ο τύπος μετατροπής καλείται ως αναγκαστικός μετασχηματισμός στα κυκλώματα DC. Θα μάθουμε περισσότερα σχετικά με τον τρόπο ενεργοποίησης και απενεργοποίησης ενός TRIAC μέσω κυκλωμάτων εφαρμογής.

Εφαρμογές TRIAC

Το TRIAC χρησιμοποιείται πολύ συχνά σε μέρη όπου πρέπει να ελέγχεται η ισχύς AC, για παράδειγμα, χρησιμοποιείται στους ρυθμιστές ταχύτητας ανεμιστήρων οροφής, κυκλώματα dimmer λαμπτήρα AC κ.λπ. Ας δούμε ένα απλό κύκλωμα εναλλαγής TRIAC για να κατανοήσουμε πώς λειτουργεί πρακτικά.

Εδώ χρησιμοποιήσαμε το TRIAC για να ενεργοποιήσουμε και να απενεργοποιήσουμε ένα φορτίο AC μέσω ενός κουμπιού. Η πηγή τροφοδοσίας τροφοδοτείται έπειτα σε έναν μικρό λαμπτήρα μέσω του TRIAC όπως φαίνεται παραπάνω. Όταν ο διακόπτης είναι κλειστός, η τάση φάσης εφαρμόζεται στον πείρο πύλης του TRIAC μέσω της αντίστασης R1. Εάν αυτή η τάση πύλης είναι πάνω από την τάση κατωφλίου πύλης, τότε ένα ρεύμα ρέει μέσω του πείρου πύλης, ο οποίος θα είναι μεγαλύτερος από το ρεύμα κατωφλίου πύλης.

Σε αυτήν την κατάσταση το TRIAC εισάγει εμπρόσθια προκατάληψη και το ρεύμα φορτίου θα ρέει μέσω του λαμπτήρα. Εάν τα φορτία καταναλώνουν αρκετό ρεύμα, το TRIAC εισέρχεται σε κατάσταση μανδάλωσης. Αλλά επειδή πρόκειται για πηγή εναλλασσόμενου ρεύματος, η τάση θα φτάσει στο μηδέν για κάθε μισό κύκλο και έτσι το ρεύμα θα φτάσει επίσης στο μηδέν στιγμιαία. Ως εκ τούτου, δεν είναι δυνατή η ασφάλιση σε αυτό το κύκλωμα και το TRIAC θα απενεργοποιηθεί μόλις ανοίξει ο διακόπτης και δεν απαιτείται κύκλωμα αλλαγής. Αυτός ο τύπος μετατροπής του TRIAC ονομάζεται φυσική μεταβολή. Τώρα ας δημιουργήσουμε αυτό το κύκλωμα σε ένα breadboard χρησιμοποιώντας το BT136 TRIAC και ελέγξουμε πώς λειτουργεί.

Απαιτείται μεγάλη προσοχή κατά την εργασία με τροφοδοτικά εναλλασσόμενου ρεύματος, η τάση λειτουργίας μειώνεται για λόγους ασφαλείας. Η τυπική ισχύς AC 230V 50Hz (στην Ινδία) μειώνεται στα 12V 50Hz χρησιμοποιώντας έναν μετασχηματιστή. Ένας μικρός λαμπτήρας συνδέεται ως φορτίο. Η πειραματική ρύθμιση μοιάζει με αυτό παρακάτω όταν ολοκληρωθεί.

Όταν πατηθεί το κουμπί, ο πείρος πύλης λαμβάνει την τάση πύλης και έτσι το TRIAC ενεργοποιείται. Ο λαμπτήρας θα ανάψει όσο κρατάτε πατημένο το κουμπί. Μόλις απελευθερωθεί το κουμπί, το TRIAC θα βρίσκεται σε κατάσταση κλειδώματος, αλλά δεδομένου ότι η τάση εισόδου είναι AC το ρεύμα, αν και το TRIAC θα πάει κάτω από το ρεύμα συγκράτησης και έτσι το TRIAC θα απενεργοποιηθεί, η πλήρης λειτουργία μπορεί επίσης να βρεθεί στο βίντεο δίνεται στο τέλος αυτού του σεμιναρίου.

Έλεγχος TRIAC με χρήση μικροελεγκτών

Όταν τα TRIAC χρησιμοποιούνται ως φωτομετρητές ή για εφαρμογή ελέγχου φάσης, ο παλμός πύλης που παρέχεται στον πείρο πύλης πρέπει να ελέγχεται χρησιμοποιώντας έναν μικροελεγκτή. Σε αυτήν την περίπτωση, ο πείρος πύλης θα απομονωθεί επίσης χρησιμοποιώντας έναν οπτο-ζεύκτη. Το διάγραμμα κυκλώματος για το ίδιο φαίνεται παρακάτω.

Για να ελέγξουμε το TRIAC χρησιμοποιώντας ένα σήμα 5V / 3.3V θα χρησιμοποιήσουμε έναν οπτοζεύκτη όπως το MOC3021 που έχει ένα TRIAC μέσα του. Αυτό το TRIAC μπορεί να ενεργοποιηθεί από 5V / 3.3V μέσω της δίοδος εκπομπής φωτός. Κανονικά ένα σήμα PWM θα εφαρμοστεί στον ^πρώτο πείρο του MOC3021 και η συχνότητα και ο κύκλος λειτουργίας του σήματος PWM θα ποικίλουν για να λάβουν την επιθυμητή έξοδο. Αυτός ο τύπος κυκλώματος χρησιμοποιείται συνήθως για έλεγχο φωτεινότητας λαμπτήρα ή έλεγχο ταχύτητας κινητήρα.

Ρυθμός εφέ - Κυκλώματα Snubber

Όλα τα TRIAC υποφέρουν από ένα πρόβλημα που ονομάζεται Rate Effect. Αυτό συμβαίνει όταν ο ακροδέκτης MT1 υπόκειται σε απότομη αύξηση της τάσης λόγω εναλλαγής θορύβου ή παροδικών ή αυξάνει το TRIAC να το διακόπτει ως σήμα ενεργοποίησης και ενεργοποιείται αυτόματα. Αυτό οφείλεται στην εσωτερική χωρητικότητα του παρόντος μεταξύ των ακροδεκτών MT1 και MT2.

Ο ευκολότερος τρόπος για να ξεπεραστεί αυτό το πρόβλημα είναι χρησιμοποιώντας ένα κύκλωμα Snubber. Στο παραπάνω κύκλωμα, το Resistor R2 (50R) και το Capacitor C1 (10nF) σχηματίζουν μαζί ένα δίκτυο RC που λειτουργεί ως κύκλωμα Snubber. Τυχόν μέγιστες τάσεις που παρέχονται στο MT1 θα παρατηρούνται από αυτό το δίκτυο RC.

Εφέ αντίδρασης

Ένα άλλο κοινό πρόβλημα που θα αντιμετωπίσουν οι σχεδιαστές κατά τη χρήση του TRIAC είναι το εφέ Backlash. Αυτό το πρόβλημα παρουσιάζεται όταν χρησιμοποιείται ποτενσιόμετρο για τον έλεγχο της τάσης πύλης του TRIAC. Όταν το POT γυρίσει στην ελάχιστη τιμή, δεν θα εφαρμοστεί τάση στον πείρο πύλης και έτσι το φορτίο θα απενεργοποιηθεί. Αλλά όταν το POT γυρίσει στη μέγιστη τιμή, το TRIAC δεν θα ενεργοποιηθεί λόγω του φαινομένου χωρητικότητας μεταξύ των ακίδων MT1 και MT2, αυτός ο πυκνωτής θα πρέπει να βρει μια διαδρομή για εκφόρτιση αλλιώς δεν θα επιτρέψει την ενεργοποίηση του TRIAC o. Αυτό το εφέ καλείται ως εφέ Backlash. Αυτό το πρόβλημα μπορεί να διορθωθεί με την απλή εισαγωγή μιας αντίστασης σε σειρά με κύκλωμα μεταγωγής για να παρέχει μια διαδρομή για την αποφόρτιση του πυκνωτή.

Παρεμβολές ραδιοσυχνοτήτων (RFI) και TRIAC

Τα κυκλώματα μεταγωγής TRIAC είναι πιο επιρρεπή σε παρεμβολές ραδιοσυχνότητας (EFI) επειδή όταν το φορτίο είναι ενεργοποιημένο, το ρεύμα αυξάνει ξαφνικά τη μορφή 0Α στη μέγιστη τιμή δημιουργώντας έτσι μια έκρηξη ηλεκτρικών παλμών που προκαλεί διασύνδεση ραδιοσυχνοτήτων. Όσο μεγαλύτερο είναι το ρεύμα φορτίου τόσο χειρότερο θα είναι η παρεμβολή. Η χρήση κυκλωμάτων Suppressor σαν καταστολέας LC θα λύσει αυτό το πρόβλημα.

TRIAC - Περιορισμοί

Όταν απαιτείται εναλλαγή κυματομορφών εναλλασσόμενου ρεύματος και στις δύο κατευθύνσεις προφανώς το TRIAC θα είναι η πρώτη επιλογή αφού είναι ο μόνος ηλεκτρονικός διακόπτης διπλής κατεύθυνσης. Λειτουργεί ακριβώς όπως δύο SCR που συνδέονται με πλάτη στην πλάτη και μοιράζονται επίσης τις ίδιες ιδιότητες. Αν και κατά το σχεδιασμό κυκλωμάτων χρησιμοποιώντας το TRIAC πρέπει να λαμβάνονται υπόψη οι ακόλουθοι περιορισμοί

• Το TRIAC έχει δύο δομές SCR μέσα του, η μία πραγματοποιείται κατά τη διάρκεια του θετικού μισού και η άλλη κατά τη διάρκεια του αρνητικού μισού. Όμως, δεν προκαλούν συμμετρικά προκαλώντας διαφορά στον θετικό και αρνητικό μισό κύκλο της εξόδου
• Επίσης, επειδή η μεταγωγή δεν είναι συμμετρική, οδηγεί σε αρμονικές υψηλού επιπέδου που θα προκαλέσουν θόρυβο στο κύκλωμα.
• Αυτό το πρόβλημα αρμονικών θα οδηγήσει επίσης σε ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές (EMI)
• Κατά τη χρήση επαγωγικών φορτίων, υπάρχει τεράστιος κίνδυνος ροής εισροής προς την πηγή, επομένως θα πρέπει να διασφαλιστεί ότι το TRIAC είναι απενεργοποιημένο εντελώς και το επαγωγικό φορτίο εκφορτίζεται με ασφάλεια μέσω εναλλακτικής διαδρομής