Что такое симистор: схема переключения и применение

Силовые электронные переключатели, как BJT, SCR, IGBT, MOSFET и TRIAC являются очень важными компонентами, когда речь идет о переключении схемы как преобразователи DC-DC, скорость двигателя Контроллеры, Драйвера двигателей и частоте контроллеры и т.д. Каждое устройство имеет свою собственную уникальную собственность и таким образом, у них есть свои собственные специфические приложения. В этом руководстве мы узнаем о TRIAC, который является двунаправленным устройством, что означает, что он может вести себя в обоих направлениях. Благодаря этому свойству TRIAC используется исключительно там, где используется синусоидальный переменный ток.

Введение в TRIAC

Термин ТРИАК обозначает TRI оде для A lternating C омер текущего. Это трехконтактное переключающее устройство, подобное тиристору (тиристору), но оно может работать в обоих направлениях, поскольку оно создается путем объединения двух тиристоров в антипараллельном состоянии. Символ и вывод TRIAC показаны ниже.

Поскольку TRIAC является двунаправленным устройством, ток может течь либо от MT1 к MT2, либо от MT2 к MT1 при срабатывании клеммы затвора. Для TRIAC это напряжение запуска, которое должно быть приложено к клемме затвора, может быть положительным или отрицательным по отношению к клемме MT2. Таким образом, это переводит TRIAC в четыре рабочих режима, перечисленных ниже.

• Положительное напряжение на MT2 и положительный импульс на затвор (квадрант 1)
• Положительное напряжение на MT2 и отрицательный импульс на затворе (квадрант 2)
• Отрицательное напряжение на MT2 и положительный импульс на затворе (квадрант 3)
• Отрицательное напряжение на MT2 и отрицательный импульс на затворе (квадрант 4)

VI Характеристики TRIAC

На рисунке ниже показано состояние TRIAC в каждом квадранте.

Характеристики включения и выключения TRIAC можно понять, посмотрев на график характеристик TRIAC, который также показан на рисунке выше. Поскольку TRIAC - это просто комбинация двух SCR в антипараллельном направлении, график характеристик VI похож на SCR. Как видите, TRIAC в основном работает в 1- ^м и 3- ^м квадрантах.

Характеристики включения

Чтобы включить TRIAC, положительное или отрицательное напряжение затвора / импульс должно быть подано на вывод затвора TRIAC. При срабатывании одного из двух SCR внутри, TRIAC начинает проводить в зависимости от полярности выводов MT1 и MT2. Если MT2 положительный, а MT1 отрицательный, первый SCR проводит, а если вывод MT2 отрицательный, а MT1 положительный, то второй SCR проводит. Таким образом, любой из SCR всегда остается включенным, что делает TRIAC идеальным для приложений переменного тока.

Минимальное напряжение, которое должно быть приложено к выводу затвора для включения симистора, называется пороговым напряжением затвора (V _GT), а результирующий ток через вывод затвора называется пороговым током затвора (I _GT). Как только это напряжение подается на вывод затвора, TRIAC смещается в прямом направлении и начинает проводить, время, необходимое для перехода TRIAC из выключенного состояния в состояние включения, называется временем включения (t _on).

Как и в случае с SCR, один раз включенный TRIAC останется включенным до тех пор, пока не будет переключен. Но для этого условия ток нагрузки через TRIAC должен быть больше или равен току фиксации (I _L) TRIAC. Таким образом, можно заключить, что TRIAC останется включенным даже после удаления стробирующего импульса, пока ток нагрузки больше, чем значение тока фиксации.

Подобно току фиксации, существует еще одно важное значение тока, называемое током удержания. Минимальное значение тока для удержания симистора в режиме прямой проводимости называется удерживающим током (I _H). TRIAC войдет в режим непрерывной проводимости только после прохождения через ток удержания и ток фиксации, как показано на графике выше. Также значение тока фиксации любого TRIAC всегда будет больше, чем значение тока удержания.

Характеристики выключения

Процесс выключения TRIAC или любого другого силового устройства называется коммутацией, а схема, связанная с ним для выполнения задачи, называется коммутационной схемой. Наиболее распространенный метод, используемый для выключения TRIAC, - это уменьшение тока нагрузки через TRIAC до тех пор, пока он не станет ниже значения тока удержания (I _H). Такой вид коммутации называется принудительной коммутацией в цепях постоянного тока. Мы узнаем больше о том, как TRIAC включается и выключается через его прикладные схемы.

Приложения TRIAC

TRIAC очень часто используется в местах, где необходимо контролировать мощность переменного тока, например, он используется в регуляторах скорости потолочных вентиляторов, схемах диммера ламп переменного тока и т. Д. Давайте рассмотрим простую схему переключения TRIAC, чтобы понять, как она работает на практике.

Здесь мы использовали TRIAC для включения и выключения нагрузки переменного тока с помощью кнопки. Затем источник питания подключается к маленькой лампочке через симистор, как показано выше. Когда переключатель замкнут, фазное напряжение подается на вывод затвора симистора через резистор R1. Если это напряжение затвора выше порогового напряжения затвора, то через вывод затвора протекает ток, который будет больше, чем пороговый ток затвора.

В этом состоянии TRIAC входит в прямое смещение, и ток нагрузки будет проходить через лампу. Если нагрузка потребляет достаточно тока, TRIAC переходит в состояние фиксации. Но поскольку это источник питания переменного тока, напряжение будет достигать нуля в течение каждого полупериода, и, следовательно, ток также мгновенно достигнет нуля. Следовательно, фиксация в этой схеме невозможна, и TRIAC выключится, как только выключатель откроется, и здесь не требуется никакой схемы коммутации. Такой тип коммутации TRIAC называется естественной коммутацией. Теперь давайте соберем эту схему на макетной плате с использованием BT136 TRIAC и проверим, как она работает.

При работе с источниками питания переменного тока необходимо соблюдать особую осторожность. В целях безопасности снижается рабочее напряжение. Стандартное напряжение переменного тока 230 В 50 Гц (в Индии) понижается до 12 В 50 Гц с помощью трансформатора. Маленькая лампочка подключена как нагрузка. После завершения экспериментальная установка выглядит так, как показано ниже.

Когда кнопка нажата, контакт затвора получает напряжение затвора и, таким образом, TRIAC включается. Лампа будет светиться, пока кнопка удерживается нажатой. Как только кнопка будет отпущена, TRIAC перейдет в фиксированное состояние, но поскольку входное напряжение переменного тока, ток, хотя TRIAC будет ниже удерживающего тока, и, таким образом, TRIAC отключится, полную работу также можно увидеть на видео. приведено в конце этого руководства.

Управление TRIAC с помощью микроконтроллеров

Когда TRIAC используются в качестве регуляторов освещенности или для управления фазой, импульс затвора, который подается на вывод затвора, должен управляться с помощью микроконтроллера. В этом случае штифт затвора также будет изолирован с помощью оптрона. Принципиальная схема для этого же показана ниже.

Для управления TRIAC с помощью сигнала 5V / 3.3V мы будем использовать оптрон, такой как MOC3021, в котором есть TRIAC внутри. Этот TRIAC может быть активирован 5 В / 3,3 В через светоизлучающий диод. Обычно сигнал ШИМ подается на 1- ^й вывод MOC3021, а частота и рабочий цикл сигнала ШИМ будут изменяться для получения желаемого выхода. Этот тип цепи обычно используется для регулировки яркости лампы или управления скоростью двигателя.

Эффект скорости - демпфирующие цепи

Все TRIAC страдают от проблемы, называемой эффектом скорости. То есть, когда клемма MT1 подвергается резкому увеличению напряжения из-за шума переключения, переходных процессов или скачков, TRIAC прерывает его в качестве сигнала переключения и автоматически включается. Это связано с наличием внутренней емкости между клеммами MT1 и MT2.

Самый простой способ решить эту проблему - использовать демпферную цепь. В приведенной выше схеме резистор R2 (50R) и конденсатор C1 (10 нФ) вместе образуют RC-цепь, которая действует как демпфирующая цепь. Любые пиковые напряжения, подаваемые на MT1, будут наблюдаться этой RC-цепью.

Эффект люфта

Другой распространенной проблемой, с которой столкнутся дизайнеры при использовании TRIAC, является эффект люфта. Эта проблема возникает, когда потенциометр используется для управления напряжением на затворе TRIAC. Когда POT установлен на минимальное значение, на вывод затвора не будет подаваться напряжение, и, таким образом, нагрузка будет отключена. Но когда POT установлен на максимальное значение, TRIAC не включится из-за эффекта емкости между выводами MT1 и MT2, этот конденсатор должен найти путь для разряда, иначе он не позволит TRIAC включиться. Этот эффект называется эффектом люфта. Эту проблему можно решить, просто включив резистор последовательно со схемой переключения, чтобы обеспечить путь для разряда конденсатора.

Радиочастотные помехи (RFI) и TRIAC

Цепи переключения TRIAC более подвержены радиочастотным помехам (EFI), потому что при включении нагрузки ток внезапно повышается с 0А до максимального значения, создавая, таким образом, всплеск электрических импульсов, который вызывает радиочастотный интерфейс. Чем больше ток нагрузки, тем хуже будут помехи. Использование цепей подавления, таких как LC-подавитель, решит эту проблему.

TRIAC - Ограничения

Когда требуется переключить формы сигнала переменного тока в обоих направлениях, очевидно, что TRIAC будет первым выбором, поскольку это единственный двунаправленный силовой электронный переключатель. Он действует так же, как два SCR, подключенных друг к другу, и также имеют одинаковые свойства. Хотя при проектировании схем с использованием TRIAC необходимо учитывать следующие ограничения.

• TRIAC имеет внутри две структуры SCR, одна проводит в течение положительной половины, а другая - во время отрицательной. Но они не срабатывают симметрично, вызывая разницу в положительном и отрицательном полупериоде выхода.
• Кроме того, поскольку переключение не является симметричным, оно приводит к высокоуровневым гармоникам, которые вызывают шум в цепи.
• Эта проблема гармоник также приведет к электромагнитным помехам (EMI).
• При использовании индуктивных нагрузок существует огромный риск протекания пускового тока к источнику, поэтому необходимо убедиться, что TRIAC полностью отключен, а индуктивная нагрузка безопасно разряжается по альтернативному пути.