Силовые электронные переключатели, такие как BJT, SCR, IGBT, MOSFET и TRIAC, являются очень важными компонентами, когда речь идет о коммутационных схемах, таких как преобразователи постоянного тока в постоянный ток, регуляторы скорости двигателей, драйверы двигателей, регуляторы частоты и т. д. Каждое устройство имеет свои уникальные свойства и таким образом, они имеют свои собственные конкретные применения. В данной статье мы рассмотрим принципы работы симистора (TRIAC), который является двунаправленным устройством, то есть может проводить ток в обоих направлениях. Благодаря этому свойству симистор используется исключительно там, где используется синусоидальное питание переменного тока.

Что такое симистор (TRIAC)

Термин TRIAC означает TRIode for Alternating Current. Это трехполюсное коммутационное устройство, подобное тиристору, но оно может проводить ток в обоих направлениях, поскольку построено путем объединения двух тиристоров во встречно-параллельном состоянии. Символическое обозначение симистора и назначение его выводов показаны на следующем рисунке.

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

• Положительное напряжение на МТ2 и положительный импульс на затворе (квадрант 1)
• Положительное напряжение на MT2 и отрицательный импульс на затворе (квадрант 2)
• Отрицательное напряжение на МТ2 и положительный импульс на затворе (квадрант 3)
• Отрицательное напряжение на МТ2 и отрицательный импульс на затворе (квадрант 4)

Вольт-амперные характеристики симистора

На рисунке ниже показано состояние TRIAC в каждом квадранте.

Характеристики включения и выключения симистора можно понять, посмотрев на представленный график характеристик симистора. Поскольку TRIAC представляет собой всего лишь комбинацию двух тиристоров (SCR) в антипараллельном направлении, его график вольт-амперных характеристик выглядит аналогично графику тиристора. Как вы можете видеть, симистор в основном работает в 1-м и 3-м квадранте.

Характеристики включения

Для включения симистора на вывод затвора симистора необходимо подать положительное или отрицательное напряжение/импульс затвора. При срабатывании одного из двух внутренних SCR симистор начинает проводить ток в зависимости от полярности клемм МТ1 и МТ2. Если MT2 положительный, а MT1 отрицательный, первый SCR проводит, а если терминал MT2 отрицательный, а MT1 положительный, то второй SCR проводит. Таким образом, любой из тиристоров всегда остается включенным, что делает симистор идеальным для приложений переменного тока.

Минимальное напряжение, которое необходимо приложить 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, вывод затвора симистора смещается в прямом направлении и начинает проводить ток, время, необходимое симистору для перехода из выключенного состояния во включенное состояние, называется временем включения (t_on ).

Как и в случае с SCR, однажды включенный симистор останется включенным, пока он не будет коммутирован. Но в этом случае ток нагрузки через симистор должен быть больше или равен току фиксации (I_L) симистора . Таким образом, в заключение можно сделать вывод, что симистор будет оставаться включенным даже после снятия импульса затвора, пока ток нагрузки превышает значение тока фиксации.

Подобно току фиксации, существует еще одна важная величина тока, называемая током удержания. Минимальное значение тока, при котором симистор удерживается в режиме прямой проводимости, называется током удержания (I_H ). Симистор перейдет в режим непрерывной проводимости только после прохождения тока удержания и тока фиксации, как показано на графике выше. Также значение тока фиксации любого симистора всегда будет больше, чем значение тока удержания.

Характеристики выключения

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

Приложения ТРИАК

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

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

В этом случае симистор переходит в прямое смещение, и ток нагрузки будет течь через лампочку. Если нагрузка потребляет достаточный ток, симистор переходит в состояние фиксации. Но поскольку это источник переменного тока, напряжение будет достигать нуля в течение каждого полупериода, и, следовательно, ток также на мгновение достигнет нуля. Следовательно, в этой схеме фиксация невозможна, и симистор выключится, как только переключатель будет разомкнут, и здесь не требуется никакой схемы коммутации. Этот тип коммутации симистора называется естественной коммутацией. Теперь давайте построим эту схему на макете с использованием симистора BT136 и проверим как она работает.

При работе с источниками переменного тока необходима повышенная осторожность. В целях безопасности рабочее напряжение снижается. Стандартное напряжение переменного тока 230 В, 50 Гц понижается до 12 В, 50 Гц с помощью трансформатора. В качестве нагрузки подключена маленькая лампочка. После завершения экспериментальная установка выглядит следующим образом.

Когда кнопка нажата, вывод затвора получает напряжение затвора и, таким образом, симистор включается. Лампа будет светиться, пока кнопка удерживается нажатой. Как только кнопка будет отпущена, симистор перейдет в защелкнутое состояние, но, поскольку входное напряжение является переменным, ток через симистор упадет ниже тока удержания и, таким образом, симистор выключится. Более подробно работу симистора вы также можете посмотреть найти на видео, приведенном в конце статьи.

Управление симистором с помощью микроконтроллеров

Когда симисторы используются в качестве регуляторов освещенности или для управления фазой, импульс затвора, подаваемый на вывод затвора, необходимо контролировать с помощью микроконтроллера. В этом случае вывод затвора также будет изолирован с помощью оптопары. Принципиальная схема этого устройства показана ниже.

Для управления симистором с помощью сигнала 5 В/3,3 В мы будем использовать оптрон, например MOC3021, внутри которого находится симистор. Этот триак может запускаться напряжением 5 В/3,3 В через светоизлучающий диод. Обычно сигнал ШИМ подается на 1-й вывод MOC3021, а частота и рабочий цикл сигнала ШИМ изменяются для получения желаемого выходного сигнала. Этот тип схемы обычно используется для управления яркостью лампы или управления скоростью двигателя.

Эффект скорости – демпферные цепи

Все симисторы страдают от проблемы, называемой «эффект скорости». То есть, когда клемма MT1 подвергается резкому увеличению напряжения из-за шума переключения, переходных процессов или скачков напряжения, TRIAC прерывает его как сигнал переключения и автоматически включается. Это происходит из-за наличия внутренней емкости между клеммами MT1 и MT2.

Самый простой способ решить эту проблему — использовать демпферную схему. В приведенной выше схеме резистор R2 (50R) и конденсатор C1 (10 нФ) вместе образуют RC-цепь, которая действует как демпферная цепь. Любые пиковые напряжения, подаваемые на МТ1, будут отслеживаться этой RC-цепью.

Эффект обратной реакции

Еще одна распространенная проблема, с которой сталкиваются дизайнеры при использовании TRIAC — это эффект обратной реакции. Эта проблема возникает, когда для управления напряжением затвора симистора используется потенциометр. Когда потенциометр повернут в минимальное значение, на вывод затвора не будет подаваться напряжение и, следовательно, нагрузка будет отключена. Но когда потенциометр повернут на максимальное значение, симистор не включится из-за эффекта емкости между выводами MT1 и MT2, этот конденсатор должен найти путь для разрядки, иначе он не позволит симистору включиться. Этот эффект называется эффектом обратной реакции. Эту проблему можно решить, просто включив резистор последовательно с коммутационной цепью, чтобы обеспечить путь для разряда конденсатора.

Радиочастотные помехи (RFI) и симисторы

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

Ограничения при работе с симисторами

Когда требуется переключение сигналов переменного тока в обоих направлениях, очевидно, что симистор будет лучшим выбором, поскольку это единственный двунаправленный силовой электронный переключатель. Он действует так же, как два SCR, соединенных друг с другом, и имеют одинаковые свойства. Хотя при проектировании схем с использованием симистора необходимо учитывать следующие ограничения:

• Внутри симистора имеются две структуры SCR: одна проводит ток в положительной половине, а другая в отрицательной половине. Но они не срабатывают симметрично, вызывая разницу в положительном и отрицательном полупериоде выходного сигнала.
• Кроме того, поскольку переключение несимметрично, оно приводит к появлению гармоник высокого уровня, которые вызывают шум в цепи.
• Эта проблема с гармониками также приведет к электромагнитным помехам (EMI).
• При использовании индуктивной нагрузки существует огромный риск пускового тока, протекающего в сторону источника, поэтому следует убедиться, что симистор полностью отключен, а индуктивная нагрузка безопасно разряжается по альтернативному пути.

484 просмотров