Co to jest triak: obwód przełączający i aplikacje

Zasilacze przełączniki elektroniczne, takie jak BJT, SCR, IGBT, MOSFET i triaka są bardzo ważne elementy, jeśli chodzi o przełączanie obwodów jak konwertery DC-DC, regulatory prędkości silnika, sterowniki silnikowe i falowników itp Każde urządzenie ma swój własny, niepowtarzalny i mienia mają więc swoje własne, specyficzne zastosowania. W tym samouczku dowiemy się o TRIAC, który jest urządzeniem dwukierunkowym, co oznacza, że może przewodzić w obu kierunkach. Ze względu na tę właściwość TRIAC jest używany wyłącznie w przypadku zasilania sinusoidalnego AC.

Wprowadzenie do TRIAC

Termin Triak oznacza TRI Ody do A lternating C urrent. Jest to trójzaciskowe urządzenie przełączające, podobne do SCR (tyrystora), ale może przewodzić w obu kierunkach, ponieważ jest skonstruowane przez połączenie dwóch SCR w stanie przeciwrównoległym. Symbol i wyprowadzenie TRIAC pokazano poniżej.

Ponieważ TRIAC jest urządzeniem dwukierunkowym, prąd może płynąć z MT1 do MT2 lub z MT2 do MT1, gdy zostanie wyzwolony zacisk bramki. W przypadku TRIAC to napięcie wyzwalające, które ma być przyłożone do zacisku bramki, może być dodatnie lub ujemne w stosunku do zacisku MT2. W ten sposób ustawia TRIAC w czterech trybach pracy, jak podano poniżej

Dodatnie napięcie na MT2 i dodatni impuls do bramki (kwadrant 1)
Dodatnie napięcie na MT2 i ujemny impuls do bramki (kwadrant 2)
Ujemne napięcie na MT2 i dodatni impuls do bramki (kwadrant 3)
Ujemne napięcie na MT2 i ujemny impuls do bramki (kwadrant 4)

VI Charakterystyka TRIAC

Poniższy rysunek ilustruje stan TRIAC w każdym kwadrancie.

Charakterystyki włączania i wyłączania TRIAC można zrozumieć patrząc na VI charakteryzujący wykres TRIAC, który jest również pokazany na powyższym rysunku. Ponieważ TRIAC jest po prostu połączeniem dwóch SCR w kierunku antyrównoległym, wykres charakterystyki VI wygląda podobnie do wykresu SCR. Jak widać Triak głównie działa w 1 ^st Quadrant i 3 ^rd Quadrant.

Charakterystyka włączania

Aby włączyć TRIAC, dodatnie lub ujemne napięcie / impuls bramki musi być doprowadzone do styku bramki TRIAC. Po uruchomieniu jednego z dwóch tyrystorów wewnątrz, TRIAC zaczyna przewodzić w oparciu o polaryzację zacisków MT1 i MT2. Jeśli MT2 jest dodatni, a MT1 jest ujemny, pierwszy SCR przewodzi, a jeśli zacisk MT2 jest ujemny, a MT1 jest dodatni, wówczas drugi SCR przewodzi. W ten sposób każdy z SCR pozostaje zawsze włączony, dzięki czemu TRIAC jest idealny do zastosowań AC.

Minimalne napięcie, które musi być przyłożone do styku bramki, aby włączyć TRIAC, nazywane jest progowym napięciem bramki (V _GT), a wynikowy prąd przez pin bramki jest nazywany progowym prądem bramki (I _GT). Po przyłożeniu tego napięcia styk bramki TRIAC zostaje spolaryzowany do przodu i zaczyna przewodzić, czas potrzebny do przejścia TRIAC ze stanu wyłączenia do stanu włączenia nazywany jest czasem włączenia (t _on).

Podobnie jak SCR, TRIAC po włączeniu pozostanie włączony, chyba że zostanie komutowany. Ale w tym stanie prąd obciążenia przez TRIAC powinien być większy lub równy prądowi zatrzasku (I _L) TRIAC. Podsumowując, TRIAC pozostanie włączony nawet po usunięciu impulsu bramki, o ile prąd obciążenia jest większy niż wartość prądu zatrzasku.

Podobnie jak w przypadku prądu zatrzaskowego istnieje inna ważna wartość prądu zwana prądem podtrzymującym. Minimalna wartość prądu, aby utrzymać TRIAC w trybie przewodzenia do przodu, nazywana jest prądem trzymania (I _H). TRIAC wejdzie w tryb przewodzenia ciągłego dopiero po przejściu przez prąd podtrzymania i prąd zatrzasku, jak pokazano na powyższym wykresie. Również wartość prądu zatrzasku dowolnego TRIAC będzie zawsze większa niż wartość prądu trzymania.

Charakterystyka wyłączania

Proces wyłączania TRIAC lub innego urządzenia zasilającego nazywany jest komutacją, a obwód z nim związany w celu wykonania zadania nazywany jest obwodem komutacyjnym. Najpowszechniejszą metodą wyłączania TRIAC jest zmniejszenie prądu obciążenia przez TRIAC, aż osiągnie on wartość poniżej prądu trzymania (I _H). Ten rodzaj komutacji nazywany jest komutacją wymuszoną w obwodach prądu stałego. Dowiemy się więcej o tym, jak TRIAC jest włączany i wyłączany za pośrednictwem jego obwodów aplikacji.

Aplikacje TRIAC

TRIAC jest bardzo powszechnie stosowany w miejscach, gdzie trzeba sterować zasilaniem AC, na przykład jest stosowany w regulatorach prędkości wentylatorów sufitowych, obwodach ściemniaczy żarówek AC itp. Przyjrzyjmy się prostemu układowi przełączającemu TRIAC, aby zrozumieć, jak to działa w praktyce.

Tutaj użyliśmy TRIAC do włączania i wyłączania obciążenia AC za pomocą przycisku. Następnie źródło zasilania jest podłączone do małej żarówki przez TRIAC, jak pokazano powyżej. Gdy przełącznik jest zamknięty, napięcie fazowe jest przykładane do bolca bramki TRIAC przez rezystor R1. Jeżeli to napięcie bramki jest powyżej napięcia progowego bramki, wówczas przez sworzeń bramki przepływa prąd, który będzie większy niż prąd progowy bramki.

W tym stanie TRIAC przechodzi do przodu, a prąd obciążenia przepływa przez żarówkę. Jeśli obciążenia pobierają wystarczającą ilość prądu, TRIAC przechodzi w stan zatrzaśnięcia. Ale ponieważ jest to źródło prądu przemiennego, napięcie osiągnie zero na każde pół cyklu, a zatem prąd również chwilowo osiągnie zero. Stąd zatrzaskiwanie nie jest możliwe w tym obwodzie i TRIAC wyłączy się, gdy tylko przełącznik zostanie otwarty i nie jest wymagany tutaj obwód komutacyjny. Ten typ komutacji TRIAC nazywany jest komutacją naturalną. Teraz zbudujmy ten obwód na płytce prototypowej za pomocą TRIAC BT136 i sprawdźmy, jak to działa.

Podczas pracy z zasilaczami prądu przemiennego wymagana jest duża ostrożność. Napięcie robocze jest obniżane ze względów bezpieczeństwa. Standardowa moc prądu przemiennego 230 V 50 Hz (w Indiach) jest obniżana do 12 V 50 Hz za pomocą transformatora. Mała żarówka jest podłączona jako obciążenie. Po zakończeniu konfiguracja eksperymentalna wygląda następująco.

Po naciśnięciu przycisku pin bramki otrzymuje napięcie bramki, a tym samym TRIAC jest włączony. Żarówka będzie się świecić, dopóki przycisk będzie wciśnięty. Po zwolnieniu przycisku TRIAC będzie w stanie zablokowanym, ale ponieważ napięcie wejściowe jest AC, prąd, chociaż TRIAC spadnie poniżej prądu trzymania, a tym samym TRIAC wyłączy się, pełną pracę można również znaleźć na wideo podane na końcu tego samouczka.

Sterowanie TRIAC za pomocą mikrokontrolerów

Gdy triaki są używane jako ściemniacze światła lub do sterowania fazą, impuls bramki dostarczany do styku bramki musi być kontrolowany za pomocą mikrokontrolera. W takim przypadku styk bramki zostanie również odizolowany za pomocą transoptora. Schemat obwodu tego samego pokazano poniżej.

Aby sterować TRIAC za pomocą sygnału 5 V / 3,3 V, użyjemy transoptora, takiego jak MOC3021, który ma wewnątrz TRIAC. Ten TRIAC może być wyzwalany napięciem 5 V / 3,3 V za pośrednictwem diody elektroluminescencyjnej. Zwykle sygnał PWM stosowane do 1 ^st sworznia MOC3021 i cykl częstotliwości i roboczy sygnału PWM być zmieniana, aby uzyskać żądany wynik. Ten typ obwodu jest zwykle używany do sterowania jasnością lampy lub prędkością silnika.

Rate Effect - Snubber Circuits

Wszystkie TRIAC cierpią na problem zwany Rate Effect. To wtedy, gdy zacisk MT1 jest narażony na gwałtowny wzrost napięcia z powodu szumu przełączania lub stanów nieustalonych lub przepięć, TRIAC przerywa go jako sygnał przełączający i włącza się automatycznie. Wynika to z wewnętrznej pojemności występującej między zaciskami MT1 i MT2.

Najłatwiejszym sposobem rozwiązania tego problemu jest użycie obwodu Snubber. W powyższym obwodzie rezystor R2 (50R) i kondensator C1 (10nF) razem tworzą sieć RC, która działa jako obwód tłumiący. Wszelkie napięcia szczytowe dostarczane do MT1 będą obserwowane przez tę sieć RC.

Efekt luzu

Innym częstym problemem, z którym będą musieli się zmierzyć projektanci podczas korzystania z TRIAC, jest efekt Backlash. Ten problem występuje, gdy do sterowania napięciem bramki TRIAC używany jest potencjometr. Kiedy POT jest ustawiony na minimalną wartość, żadne napięcie nie zostanie przyłożone do sworznia bramki, a tym samym obciążenie zostanie wyłączone. Ale kiedy POT jest ustawiony na maksymalną wartość, TRIAC nie włączy się z powodu efektu pojemności między pinami MT1 i MT2, ten kondensator powinien znaleźć ścieżkę do rozładowania, w przeciwnym razie nie pozwoli na włączenie TRIAC. Efekt ten nazywany jest efektem Backlash. Ten problem można rozwiązać, po prostu wprowadzając rezystor szeregowo z obwodem przełączającym, aby zapewnić ścieżkę rozładowania kondensatora.

Zakłócenia częstotliwości radiowych (RFI) i triaki

Obwody przełączające TRIAC są bardziej podatne na zakłócenia częstotliwości radiowej (EFI), ponieważ po włączeniu obciążenia prąd nagle wzrasta z 0A do wartości maksymalnej, tworząc w ten sposób impuls impulsów elektrycznych, który powoduje interfejs częstotliwości radiowej. Im większy prąd obciążenia, tym gorsze będą zakłócenia. Użycie obwodów tłumiących, takich jak tłumik LC, rozwiąże ten problem.

TRIAC - ograniczenia

Gdy wymagane jest przełączanie przebiegów prądu przemiennego w obu kierunkach, TRIAC będzie pierwszym wyborem, ponieważ jest to jedyny dwukierunkowy elektroniczny przełącznik mocy. Działa podobnie jak dwa SCR połączone wstecz i mają te same właściwości. Chociaż podczas projektowania obwodów wykorzystujących TRIAC należy wziąć pod uwagę następujące ograniczenia

TRIAC ma wewnątrz dwie struktury SCR, jedna przewodzi podczas dodatniej połowy, a druga podczas ujemnej połowy. Ale nie wyzwalają one symetrycznie powodując różnicę w dodatnim i ujemnym półcyklu wyjścia
Ponieważ przełączanie nie jest symetryczne, prowadzi to do powstania wyższych harmonicznych, które będą indukować szum w obwodzie.
Ten problem harmonicznych doprowadzi również do zakłóceń elektromagnetycznych (EMI)
Przy stosowaniu obciążeń indukcyjnych istnieje duże ryzyko przepływu prądu rozruchowego w kierunku źródła, dlatego należy zapewnić całkowite wyłączenie TRIAC i bezpieczne rozładowanie obciążenia indukcyjnego drogą alternatywną