Triak: princip činnosti a použití
Princip činnosti tyristoru je založen na jevu samočinného spínání, při kterém se procházející proud zvyšuje díky kladné zpětné vazbě. Tyristor se skládá ze dvou tyristorů zapojených do série – tyristoru PNPN. Tyristor je zařízení s blokováním v jednom směru a ovládáním zpožděním zapnutí v druhém směru.
Tyristory jsou široce používány v různých zařízeních a systémech, kde je vyžadována regulace elektrického proudu. Jednou z hlavních aplikací triaků je regulace rychlosti elektrických pohonů, jako jsou stejnosměrné a střídavé stroje. Používají se také ve svařovacích strojích, osvětlovacích systémech, elektronických termostatech a dalších zařízeních, kde je vyžadována přesná a stabilní regulace elektrického proudu.
Co je to triak
Simistoři mají paměťovou vlastnost, to znamená, že si pamatují stav, který byl aktivován při předchozím zapnutí. To umožňuje použití triaků pro řízení úrovní výkonu v domácí elektronice, průmyslu, automatizačních zařízeních a dalších oblastech.
Hlavní výhodou triaků je možnost měnit úroveň jimi procházejícího proudu pomocí malého řídicího signálu. Díky tomu se tyristory úspěšně používají v zařízeních pro řízení osvětlení, topných instalacích, výkonových měničích a dalších zařízeních.
- Vysoká spolehlivost
- Široký rozsah provozních proudů
- Malé rozměry
- Nízké náklady
- Vysoký odvod tepla
- Tokotermální efekt
- Požadavky na chlazení
Zařízení tyristoru
Konstrukce triaku je založena na principu činnosti tyristoru, ale liší se tím, že triak může řídit kladné i záporné půlperiody střídavého proudu. Díky tomu je všestrannější a umožňuje použití v různých elektrických obvodech.
Hlavním prvkem triaku je polovodičový krystal, který má dva vzájemně inverzní pn přechody. Když je na řídicí elektrodu přiveden kladný signál, triak prochází proudem a přechází do vodivého stavu. Při záporném signálu proud neprochází a triak zůstává v blokovacím stavu.
Zařízení tyristoru lze zjednodušit na tabulku:
| Symbol | popis |
|---|---|
| A | Anoda |
| K | Katoda |
| G | Řídicí elektroda |
Princip činnosti triaku
Základní princip fungování triaku spočívá v tom, že při dostatečném napětí na bráně se triak stane vodičem a zařízením může volně protékat proud. Když napětí na bráně chybí nebo je nedostatečné, triak je v blokovacím stavu a neprotéká jím žádný proud.
Když triak přejde ze stavu blokování do stavu vodivého, může zajistit řízení elektrického proudu včetně jeho zesílení a snížení. V oblasti použití jsou triaky široce používány pro řízení výkonu v elektronice, osvětlení, elektrickém vytápění a dalších aplikacích, kde je vyžadováno přesné řízení výkonu.
Jednou z hlavních výhod tyristorů je jejich vysoká účinnost a životnost, stejně jako možnost nastavení a ochrany proti přetížení. Pro své jedinečné vlastnosti se triaky staly nedílnou součástí moderních řídicích a automatizačních systémů.
Oblast použití tyristoru
Jednou z hlavních oblastí použití triaku je řízení složitých elektrických obvodů. Používá se ve výkonových spínačích, které řídí zapínání a vypínání elektrických spotřebičů. To umožňuje regulovat výkon spotřebovávané elektřiny, což je důležitý faktor v energeticky úsporných systémech.
Triaky jsou také široce používány v systémech řízení osvětlení, jako jsou stmívače, které umožňují plynulé nastavení jasu světla. Díky schopnosti rychle měnit světelný tok našly triaky uplatnění v dynamickém osvětlení na pódiích a na diskotékách.
Díky své vysoké spolehlivosti a schopnosti řídit velká zatížení se triaky používají v zařízeních průmyslové automatizace, jako jsou regulátory teploty, které regulují topná tělesa v průmyslových pecích a zařízeních.
Kromě toho se triaky používají v napájecích systémech, klimatizacích, elektrických ohřívačích a dalších zařízeních, kde je vyžadována přesná a stabilní regulace elektrického výkonu.
Všechny tyto příklady demonstrují nevyčerpatelné možnosti triaků v moderní elektronice a potvrzují jejich důležitost a relevanci v různých oblastech použití.
Výhody a nevýhody triaku
1. Vysoká spolehlivost: Tyristory mají díky své jednoduchosti a absenci pohyblivých částí dlouhou životnost. Mohou fungovat po dlouhou dobu bez poruchy.
2. Vysoký činitel snížení výkonu: Simistory jsou schopny monitorovat a regulovat velikost proudu a napětí, což umožňuje efektivní řízení různých typů zátěží. Jsou schopny snížit výkon na provozní režim zařízení v bezpečném rozsahu.
3. Široký rozsah provozních teplot: Triaky mohou pracovat v širokém rozsahu teplot, včetně vysokých a nízkých hodnot. Díky tomu jsou ideální pro použití v různých podmínkách a prostředích.
4. Možnost ovládání: Triaky lze snadno ovládat pomocí řídicích signálů, což je činí vhodnými pro použití v různých řídicích a regulačních systémech.
Tyristory však mají také některé nevýhody, které je třeba vzít v úvahu:
1. Omezená přesnost ovládání: Triaky ne vždy poskytují vysokou přesnost řízení proudu a napětí, zejména při nízkých úrovních výkonu. Pro přesnější ovládání mohou být zapotřebí další zařízení.
2. Nezbytnost dalších komponent: Triaky mohou vyžadovat další součásti, jako jsou diody, kondenzátory a odpory, aby správně fungovaly. To může učinit systém složitějším a vyžadovat dodatečné náklady na nákup a instalaci komponent.
3. Omezení provozní frekvence: Triaky mohou být omezeny na určité provozní frekvence, což znamená, že je nelze použít v některých vysokofrekvenčních aplikacích.
Všechny tyto faktory je třeba vzít v úvahu při výběru a použití triaků v různých elektronických a elektrických zařízeních.
Simistor (nebo „triak“ – z anglického triak) je polovodičový prvek určený pro spínání zátěže v síti střídavého proudu. Je to „obousměrný tyristor“ a má tři elektrody: jednu řídící a dvě hlavní pro průchod pracovního proudu. Zvláštností tyristoru je jeho schopnost vést proud jak od anody ke katodě, tak i v opačném směru.
Rýže. 1. Označení tyristoru
Struktura triaku je znázorněna na obrázku 2.
Rýže. 2. Struktura tyristoru
Na rozdíl od tyristorů může být triak řízen kladným nebo záporným proudem mezi hradlem a T1. Tato vlastnost umožňuje, aby triak fungoval ve všech čtyřech sektorech, jak je znázorněno na obr. 3. (plus a mínus označují polaritu brány). Pro řízení pracovního režimu triaku se používá nízkonapěťový signál, přiváděný na řídící elektrodu triaku. Po přivedení napětí na řídicí elektrodu se triak přepne ze sepnutého stavu do otevřeného a prochází jím proud.
Tyristor se otevře, pokud spouštěcí proud prochází řídicí elektrodou nebo pokud napětí mezi jeho elektrodami T1 a T2 překročí určitou maximální hodnotu (ve skutečnosti to často vede k neoprávněnému spuštění tyristoru, ke kterému dochází při maximální amplitudě napájecího napětí). V režimu střídavého napájení je změna stavů triaku způsobena změnou polarity napětí na pracovních elektrodách T1 a T2.
Tyristor přechází do sepnutého stavu po změně polarity mezi jeho svorkami T1 a T2 nebo je-li hodnota provozního proudu menší než přídržný proud.
Všechny provozní režimy tyristoru jsou znázorněny na obrázku 3.
Rýže. 3. Specifikace kvadrantů
Když je hradlo buzeno stejnosměrným proudem nebo unipolárními pulzy s nulovým zatěžovacím proudem, je preferován záporný hradlový proud v kvadrantech (3+,3-) z následujících důvodů: za prvé, vnitřní struktura triakových přechodů je taková, že hradlo je nejdále od hlavní vodivé oblasti v kvadrantu 3+. Za druhé, vyšší IGT (gate turn-on current) vyžaduje vyšší špičkový IG. S delším zpožděním mezi IG a zátěžovým proudem je potřeba delší trvání IG. Navíc nízké dIT/dt (maximální přípustná změna proudu po přepnutí) může způsobit vyhoření hradla při řízení vysokého zatížení dI/dt (zapnutí studené lampy, kapacitní zatížení). A konečně, čím vyšší je IL – vypínací proud – (to platí i pro kvadrant 1-), tím delší dobu trvání IG bude potřeba pro malé zátěže, což umožní, aby zatěžovací proud od začátku půlperiody dosáhl hodnoty vyšší než IL.
Ve standardních obvodech řízení fáze AC, jako jsou stmívače a regulátory rychlosti, je polarita brány a T2 vždy stejná. To znamená, že řízení se vždy provádí v kvadrantech 1+ a 3-, ve kterých jsou spínací parametry triaku stejné a hradlo je nejcitlivější.
Tyto údaje jsou získány z grafu proudově-napěťové charakteristiky triaku. Kladné napětí T2 odpovídá kladnému proudu přes T2 a naopak – viz obr. 4.
Rýže. 4. VAC triaku
Aby se zabránilo falešnému vypínání triaků způsobenému hlukem a pulzacemi generovanými motory, musí mít obvody využívající čtyřkvadrantové (4Q) triaky další ochranné komponenty. Typicky se jedná o RC odlehčovací obvod mezi výkonovými elektrodami triaku, který se používá k omezení rychlosti změny napětí (dV/dt) a v některých případech je zapotřebí induktor pro omezení rychlosti změny proudu během spínání (dICOM/dt). Tyto komponenty zvyšují cenu zařízení a jeho rozměry. Kromě toho mohou také snížit spolehlivost zařízení.
Výhody tříkvadrantových triaků (Hi-com)
Rozdíl mezi 3Q triakem a 4Q triakem je nekritická struktura překrytí hradlového přechodu. Ačkoli to znemožňuje ovládání 3+ kvadrantů, eliminuje to možný spontánní provoz a pomáhá vyhnout se všem nepříjemnostem spojeným s 4Q triaky. Protože většina zařízení pracuje v kvadrantech 1+ a 3- (fázově řízené), nebo 1- a 3- (unipolární řízené pomocí integrovaných obvodů nebo jiných elektronických obvodů), je ztráta kontroly v kvadrantu 3+ velmi malou cenou za získané výhody.
Hi-com triaky mají oproti 4kvadrantovým řadu výhod. Hlavní nevýhodou použití 4Q triaku je nutnost zabránit falešnému spouštění způsobenému šumem a pulzací, což si vynucuje použití RC odlehčovacího obvodu. Kromě toho funkce 3Q triaků zahrnují:
- zvýšení přípustné hodnoty dVKOM/dt (kritická hodnota změny spínacího napětí). To umožňuje řízení jalových zátěží (ve většině případů) bez potřeby tlumícího zařízení, bez výpadků spínání. Tím se snižuje počet součástek, velikost desky s plošnými spoji, náklady a eliminují se ztráty ztrátou energie tlumícího zařízení.
- zvýšení přípustné hodnoty dIKOM/dt. (kritická hodnota změny spínacího proudu). To výrazně zlepšuje výkon při vyšších frekvencích a pro nesinusová napětí bez nutnosti omezení dICOM/dt pomocí induktoru v sérii se zátěží.
- zvýšení přípustné hodnoty dVD/dt. Triaky jsou velmi citlivé při vysokých provozních teplotách. Vysoké dVD/dt snižuje tendenci k samovolnému zapnutí z nevodivého stavu v důsledku dV/dt při vysokých teplotách. To umožňuje jejich použití při vysokých teplotách k ovládání odporové zátěže v kuchyňských nebo topných spotřebičích, kde nelze použít konvenční triaky.
Tyto vlastnosti eliminují potřebu plynu nebo tlumiče. V tomto ohledu lze triaky 3Q (Hi-com) úspěšně použít ve výkonných elektromotorech, které se používají v moderních domácích spotřebičích.
Označení a krátký seznam tyristorů NXP
NXP Semiconductors je přední výrobce Hi-com triaků, které jsou široce používány v mnoha průmyslových odvětvích. V současné době portfolio NXP zahrnuje více než 100 typů triaků:
Výhody tyristorů oproti elektromechanickým relé, spouštěčům, stykačům
Zdroj tyristorů, relé, spouštěčů a stykačů je vyjádřen v maximálním možném počtu sepnutí. Zdroj polovodičových spínačů je neomezený. Trvanlivost polovodičů je dána rozdíly v provozních teplotách: počtem cyklů a jejich amplitudou. Relé a zejména elektromagnetické spouštěče mají omezený spínací zdroj. Rozlišuje se mechanická životnost (odolnost proti mechanickému opotřebení při nepřítomnosti proudu přes kontakty), která u moderních relé činí 1-2 miliony sepnutí, a odolnost proti opotřebení sepnutí při maximální zátěži, která je 10-100krát nižší. Pro vyhodnocení podotýkáme, že při nepřetržitém provozu a spínací periodě 10 s je zdroj vyčerpán za 2 týdny, při spínací periodě 5 minut – za 1 rok. Z toho vyplývá, že použití kontaktních spínačů je opodstatněné pouze pro ojedinělé spínání zátěže (s periodami delšími než 10 minut).
Polovodičové spínače umožňují spínání zátěže v každé půlperiodě síťového napětí. Poznámka: ve speciálních konstrukcích obvodů, které používají nucené uzavření prvků, může být spínací frekvence ještě vyšší. Kromě počtu spínacích cyklů mají elektromechanická zařízení další důležitou negativní vlastnost – nízkou frekvenci spínání zátěžového obvodu. Je to dáno jak mechanickými vlastnostmi relé, tak i tím, že při zvýšení spínací frekvence se relé začne přehřívat. Výše bylo uvedeno, že pokud je nutné provádět spínání pomocí elektromechanických zařízení s krátkými periodami, bude životnost těchto zařízení krátká. Také mechanika jsou pohyblivé části. A pohyblivé části jsou vždy zdrojem zvýšeného rizika: oděr náprav, zvýšená vůle, celkové uvolnění mechanismu až ztráta funkčnosti atd.
Bezkontaktní spínače podle definice nejiskří. Spínání pomocí elektromechanických zařízení je nevyhnutelně doprovázeno jiskřením, které na jedné straně vede ke spálení kontaktů a snížení životnosti, na druhé straně způsobuje silné vysokofrekvenční elektromagnetické rušení, které může vést k poruchám v činnosti měřicích a mikroprocesorových zařízení.
Aby nedocházelo ke vzniku elektromagnetického rušení, ke kterému dochází při spínání silných proudů (vodiče s rychle se měnícími proudy fungují jako běžné antény), je vhodné provádět spínání v době, kdy jsou tyto proudy minimální (ideálně rovné nule). Polovodičové spínače díky možnosti řídit spínací moment umožňují použití řešení, ve kterých se spínání provádí v okamžicích nulového proudu v síti. Spínání kontaktů se zpravidla provádí v libovolných okamžicích, a tedy v okamžicích maximálních hodnot proudu. Proto je spínání kontaktů doprovázeno silným elektromagnetickým rušením. V důsledku toho se snižuje stabilita řídicích a měřicích systémů.
Ztráty spínacích prvků
Úbytek napětí na otevřeném triaku je 1-2 V a málo závisí na protékajícím proudu. V důsledku toho se na otevřený triak uvolňuje poměrně velké množství energie. Například při proudu 40 A triak generuje 40-80 W tepla, které je nutné odvádět. K tomuto účelu slouží radiátory. Tato okolnost je nejzávažnější nevýhodou bezkontaktních spínačů, protože vyžaduje další prostor pro radiátor a zvyšuje náklady na řešení. Určité množství energie se uvolňuje také na kontaktech relé a spouštěčů, ale je menší než u triaků. Je však třeba mít na paměti, že jak kontakty hoří, vznikající teplo se zvyšuje. Pro boj s tímto jevem je nutné pravidelné čištění kontaktů nebo výměna celého zařízení. To vše vede ke zvýšeným provozním nákladům. Navíc je nutné počítat s vývinem tepla průchodem proudu vinutím při zapnutém vypínači.
Při zvažování proveditelnosti použití kontaktního nebo bezkontaktního způsobu spínání je nutné kromě čistě technických výhod té či oné metody vzít v úvahu následující ekonomické úvahy:
- Kontaktní spínače jsou jednak většinou výrazně levnější než bezkontaktní zařízení, zejména v kombinaci s radiátory.
- na druhé straně je zdroj bezkontaktních spínačů prakticky neomezený a údržba zařízení není nutná.
- Kontaktní spínače mají omezené zdroje a během své životnosti vyžadují běžnou údržbu a pravidelnou výměnu.
V důsledku toho se zvyšují provozní náklady a snižuje se spolehlivost systémů, které používají kontaktní spínače s krátkými spínacími periodami.
Rozsah použití triaků je mnohem širší, než by se na první pohled mohlo zdát a neustále se rozšiřuje. Ať už zapnete vysavač, elektrickou vrtačku, klimatizaci nebo kuchyňský robot, všechna tato zařízení využívají spínací elektronické zařízení, ať už je to elektromechanické relé, startér, stykač nebo triak. Výhody tyristorů byly diskutovány výše, proto jsou ve většině případů tyristory instalovány v moderních řídicích jednotkách nebo spouštěcích jednotkách elektromotorů elektronických zařízení.
Zde je krátký seznam elektronických zařízení, kde se používají triaky:
- kuchyňské spotřebiče (kuchyňské roboty, mixéry, mlýnky na maso atd.),
- topná zařízení (sporáky, trouby atd.),
- kompresory pro chladničky a klimatizace,
- domácí spotřebiče (šicí a pračky, vysavače, ventilátory, vysoušeče vlasů),
- stavební elektrické nářadí (vrtačky, příklepové vrtačky, hoblíky),
- Startovací jednotky elektromotorů atd.
Rýže. 5. Zařízení, která používají triaky
Shrneme-li uvažované vlastnosti tyristorů, můžeme stručně zdůraznit jejich hlavní výhody:
- Vysoká frekvence odezvy umožňuje vysokou přesnost ovládání
- Životnost je výrazně vyšší než u elektromechanických součástí
- Umožňuje výrazně zmenšit velikost pohonné jednotky
- Nízká hlučnost při spínání silových obvodů
Triak je navíc prvkem výkonové elektroniky, jedné z nejdynamičtěji se rozvíjejících oblastí elektroniky v Rusku. Podle různých odhadů tvoří až 50 % celkového obratu na tuzemském trhu s elektronikou. Podle mnoha odborníků mohou ruští vývojáři a výrobci v této oblasti poskytnout zahraničním společnostem skutečnou konkurenci. Výkonová elektronika se používá všude: při výrobě elektřiny, jejím přenosu i spotřebě.
Objemy výroby a použití triaků jako prvku výkonové elektroniky neustále rostou. Jejich používáním získáte značné úspory peněz, času, výhody ve snadném vývoji, a proto získáte další zisk. Komplexní portfolio triaků NXP vám umožní najít optimální řešení pro vaše potřeby.