Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Для зеленого автомобиля см. Triac (автомобиль) . Для трийодтироуксусной кислоты см. Тиратрикол .
ТРИАК
Triac.svg
Обозначение схемы для TRIAC, где "A1" - анод 1, "A2" - анод 2, а "G" - затвор. Анод 1 и анод 2 обычно называются главным терминалом 1 (MT1) и главным терминалом 2 (MT2) соответственно.
ТипПассивный
Конфигурация контактованод 1, затвор и анод 2

Симистор ( триод для переменного тока ; также двунаправленный триод тиристорного или двусторонний триод тиристорного [ править ] ) представляет собой три терминал электронного компонента , который проводит ток в обоих направлениях , когда срабатывают. Термин TRIAC - это обобщенный товарный знак .

TRIAC - это подмножество тиристоров (аналог реле в том смысле, что небольшое напряжение и ток могут управлять гораздо большим напряжением и током) и относятся к кремниевым выпрямителям (SCR). TRIAC отличаются от SCR тем, что они позволяют току течь в обоих направлениях, тогда как SCR может проводить ток только в одном направлении. Большинство TRIAC могут запускаться путем подачи на затвор либо положительного, либо отрицательного напряжения (для SCR требуется положительное напряжение). После запуска тиристоры и симисторы продолжают проводить, даже если ток затвора прекращается, пока основной ток не упадет ниже определенного уровня, называемого током удержания .

Тиристоры выключения затвора (GTO) похожи на тиристоры, но обеспечивают больший контроль за счет отключения, когда сигнал затвора прекращается.

Двунаправленность TRIAC делает их удобными переключателями переменного тока (AC). Кроме того, применение триггера при контролируемом фазовом угле переменного тока в главной цепи позволяет управлять средним током, протекающим в нагрузке ( фазовое управление ). Обычно это используется для управления скоростью универсального двигателя , затемнения ламп и управления электронагревателями. TRIAC - это биполярные устройства.

Операция [ править ]

Полупроводниковая конструкция TRIAC

Чтобы понять, как работают TRIAC, рассмотрим запуск в каждом из четырех квадрантов. Четыре квадранта показаны на рисунке 1 и зависят от напряжения затвора и MT2 по отношению к MT1. Главный терминал 1 (MT1) и главный терминал (MT2) также называются анодом 1 (A1) и анодом 2 (A2) соответственно. [1]

Относительная чувствительность зависит от физической структуры конкретного симистора, но, как правило, квадрант I является наиболее чувствительным (требуется наименьший ток затвора), а квадрант 4 наименее чувствителен (требуется наибольший ток затвора). [ требуется уточнение Почему Q-IV наименее чувствителен? См. Обсуждение ]

В квадрантах 1 и 2 MT2 положительный, и ток течет от MT2 к MT1 через слои P, N, P и N. Область N, прикрепленная к MT2, не участвует существенно. В квадрантах 3 и 4 значение MT2 отрицательное, и ток течет от MT1 к MT2, а также через слои P, N, P и N. Область N, подключенная к MT2, активна, но область N, подключенная к MT1, участвует только в начальном запуске, а не в потоке объемного тока.

В большинстве приложений ток затвора исходит от MT2, поэтому квадранты 1 и 3 являются единственными рабочими режимами (как затвор, так и MT2 положительный или отрицательный по отношению к MT1). Другие приложения с запуском по одной полярности от ИС или цифровой схемы управления работают в квадрантах 2 и 3, при этом MT1 обычно подключается к положительному напряжению (например, + 5 В), а затвор опускается до 0 В (земля).

Квадрант 1 [ править ]

Работа в квадранте 1
Эквивалентная электрическая схема для симистора, работающего в квадранте 1

Работа в квадранте 1 происходит, когда вентиль и MT2 положительны по отношению к MT1. Рисунок 1

Механизм показан на рисунке 3. Ток затвора включает эквивалентный NPN-транзистор, который, в свою очередь, потребляет ток от базы эквивалентного PNP-транзистора, включая его. Часть тока затвора (пунктирная линия) теряется через омический путь через p-кремний, протекая непосредственно в MT1, не проходя через базу транзистора NPN. В этом случае инжекция дырок в p-кремний заставляет сложенные n, p и n слои под MT1 вести себя как NPN-транзистор, который включается из-за наличия тока в его базе. Это, в свою очередь, заставляет слои p, n и p на MT2 вести себя как PNP-транзистор, который включается, потому что его база n-типа становится смещенной в прямом направлении относительно его эмиттера (MT2). Таким образом, схема запуска такая же, как у SCR. Эквивалентная схема изображена на рисунке 4.

Однако структура отличается от SCR. В частности, в TRIAC всегда есть небольшой ток, протекающий непосредственно от затвора к MT1 через p-кремний, не проходя через pn переход между базой и эмиттером эквивалентного NPN-транзистора. Этот ток обозначен на Рисунке 3 пунктирной красной линией и является причиной того, что TRIAC требует больше тока затвора для включения, чем SCR сравнимого номинала. [2]

Как правило, этот квадрант самый чувствительный из четырех. Это связано с тем, что это единственный квадрант, в котором ток затвора вводится непосредственно в базу одного из транзисторов основного устройства. [ требуется уточнение Почему QI наиболее чувствительна? См. Обсуждение ]

Квадрант 2 [ править ]

Работа в квадранте 2

Работа в квадранте 2 происходит, когда вентиль отрицательный, а MT2 положительный по отношению к MT1. Рисунок 1

На рисунке 5 показан процесс запуска. Включение устройства трехкратное и начинается, когда ток от МТ1 течет в затвор через pn переход под затвором. Это включает структуру, состоящую из транзистора NPN и транзистора PNP, затвор которого используется в качестве катода (включение этой структуры обозначено цифрой "1" на рисунке). По мере увеличения тока в затворе потенциал левой стороны p-кремния под затвором повышается в сторону MT1, поскольку разность потенциалов между затвором и MT2 имеет тенденцию к снижению: это устанавливает ток между левой стороной и правой сторона p-кремния (обозначена цифрой 2 на рисунке), которая, в свою очередь, включает транзистор NPN под выводом MT1 и, как следствие, также транзистор pnp между MT2 и правой стороной верхнего кремния p-типа. Так,в конце концов, структура, через которую проходит большая часть тока, аналогична работе в квадранте I («3» на рисунке 5).[2]


Квадрант 3 [ править ]

Работа в квадранте 3

Работа в квадранте 3 происходит, когда вентиль и MT2 отрицательны по отношению к MT1. Рисунок 1

Весь процесс показан на рисунке 6. Здесь также есть несколько этапов. На первом этапе pn-переход между выводом MT1 и затвором становится смещенным в прямом направлении (этап 1). Поскольку прямое смещение подразумевает инжекцию неосновных носителей в два слоя, соединяющих переход, электроны инжектируются в p-слой под затвором. Некоторые из этих электронов не рекомбинируют и уходят в нижележащую n-область (шаг 2). Это, в свою очередь, снижает потенциал n-области, действующей в качестве базы pnp-транзистора, который включается (включение транзистора без прямого понижения потенциала базы называется дистанционным управлением затвором.). Нижний p-слой работает как коллектор этого PNP-транзистора и имеет повышенное напряжение: этот p-слой также действует как база NPN-транзистора, состоящего из трех последних слоев, расположенных непосредственно над выводом MT2, который, в свою очередь, активируется. Таким образом, красная стрелка, обозначенная цифрой «3» на рисунке 6, показывает конечный путь прохождения тока. [2]

Квадрант 4 [ править ]

Работа в квадранте 4

Работа в квадранте 4 происходит, когда вентиль положительный, а MT2 отрицательный по отношению к MT1. Рисунок 1

Запуск в этом квадранте аналогичен запуску в квадранте III. В процессе используется дистанционное управление затвором и показано на рисунке 7. Поскольку ток течет из p-слоя под затвором в n-слой под MT1, неосновные носители в форме свободных электронов вводятся в p-область, а некоторые из них собираются нижележащим np-переходом и переходят в прилегающую n-область без рекомбинации. Как и в случае срабатывания в квадранте III, это снижает потенциал n-слоя и включает PNP-транзистор, образованный n-слоем и двумя соседними p-слоями. Нижний p-слой работает как коллектор этого PNP-транзистора и имеет повышенное напряжение: этот p-слой также действует как база NPN-транзистора, состоящего из трех последних слоев, расположенных непосредственно над выводом MT2, который, в свою очередь, активируется. Следовательно,красная стрелка, помеченная цифрой «3» на рисунке 6, показывает конечный путь проводимости тока.[2]

Как правило, этот квадрант наименее чувствителен из четырех [ требуется пояснение. Почему четвертый квадрант наименее чувствителен? См. Обсуждение ] Кроме того, некоторые модели TRIAC (логический уровень и демпферные типы) не могут срабатывать в этом квадранте, а только в трех других.

Проблемы [ править ]

Есть некоторые недостатки, которые следует знать при использовании TRIAC в схеме. В этом разделе кратко излагаются некоторые из них.

Пороговый ток затвора, ток фиксации и ток удержания [ править ]

TRIAC начинает проводить, когда ток, текущий в его затвор или из него, достаточен для включения соответствующих переходов в квадранте работы. Минимальный ток, позволяющий это сделать, называется пороговым током затвора и обычно обозначается I GT . В типичном TRIAC пороговый ток затвора обычно составляет несколько миллиампер, но следует также учитывать, что:

  • I GT зависит от температуры: чем выше температура, тем выше обратные токи в блокированных переходах. Это подразумевает наличие большего количества свободных носителей в области затвора, что снижает необходимый ток затвора.
  • I GT зависит от квадранта работы, потому что другой квадрант подразумевает другой способ запуска ( см. Здесь ). Как правило, первый квадрант является наиболее чувствительным (т.е. требует наименьшего тока для включения), тогда как четвертый квадрант наименее чувствителен.
  • При включении из выключенного состояния I GT зависит от напряжения на двух основных клеммах MT1 и MT2. Более высокое напряжение между MT1 и MT2 вызывает большие обратные токи в заблокированных переходах, что требует меньшего тока затвора для запуска устройства (аналогично высокотемпературной работе). В технических данных I GT обычно указывается для указанного напряжения между MT1 и MT2.

Когда ток затвора прекращается, если ток между двумя основными клеммами больше, чем то, что называется током фиксации , устройство продолжает проводить. Ток фиксации - это минимальный ток, который удерживает внутреннюю структуру устройства в фиксации в отсутствие тока затвора. Значение этого параметра зависит от:

  • импульс тока затвора (амплитуда, форма и ширина)
  • температура
  • квадрант операции

В частности, если ширина импульса тока затвора достаточно велика (обычно несколько десятков микросекунд), TRIAC завершает процесс запуска, когда сигнал затвора прерывается, и ток фиксации достигает минимального уровня, называемого током удержания . Ток удержания - это минимально необходимый ток, протекающий между двумя основными клеммами, который сохраняет устройство включенным после того, как оно достигнет коммутации в каждой части его внутренней структуры.

В справочных данных, блокировочный ток обозначен как I L , в то время как ток удержания обозначается как I H . Обычно они составляют несколько миллиампер.

Статический dv / dt [ править ]

Высокий уровень между MT2 и MT1 может включить TRIAC, когда он выключен. Типичные значения критических статических d v / d t выражаются в вольтах на микросекунду.

Включение происходит из-за паразитной емкостной связи вывода затвора с выводом MT2, которая пропускает токи в затвор в ответ на большую скорость изменения напряжения на MT2. Один из способов справиться с этим ограничением - разработать подходящую демпферную сеть RC или RCL . Во многих случаях этого достаточно, чтобы снизить импеданс затвора по отношению к MT1. При установке резистора или небольшого конденсатора (или обоих параллельно) между этими двумя выводами емкостной ток, генерируемый во время переходного процесса, вытекает из устройства без его активации. Необходимо внимательно прочитать инструкции по применению, предоставленные производителем, и протестировать конкретную модель устройства для проектирования правильной сети. Типичные значения конденсаторов и резисторов между затвором и MT1 могут составлять до 100 нФ и от 10 Ом до 1 кОм.[3] Нормальные симисторы, для типов маломощныхпродажекачестве кроме чувствительного ворота , [4] уже есть такой резисторвстроенный в уберегает от паразитных дв / дтом запуска. Это замаскирует предполагаемое поведение затвора диодного типа при тестировании TRIAC с помощью мультиметра .

В таблицах данных статический d v / d t обычно обозначается как и, как упоминалось ранее, связан с тенденцией TRIAC включаться из выключенного состояния после большой скорости нарастания напряжения даже без подачи тока в ворота.

Critical di / dt [ править ]

Высокая скорость нарастания тока между MT1 и MT2 (в любом направлении) при включении устройства может привести к повреждению или разрушению TRIAC, даже если длительность импульса очень мала. Причина в том, что во время коммутации рассеиваемая мощность неравномерно распределяется по устройству. При включении устройство начинает проводить ток до того, как проводимость прекращается и распространяется по всему соединению. Обычно устройство начинает проводить ток, наложенный внешней схемой, через несколько наносекунд или микросекунд, но полное включение всего перехода занимает гораздо больше времени, поэтому слишком быстрое повышение тока может вызвать локальные горячие точки, которые могут необратимо повредить симистор. .

В таблицах данных этот параметр обычно обозначается как и обычно составляет порядка десятков ампер на микросекунду. [1]

Коммутация dv / dt и di / dt [ править ]

Рейтинг коммутации d v / d t применяется, когда TRIAC был проводящим и пытается отключиться с частично реактивной нагрузкой, такой как индуктор. Ток и напряжение не в фазе, поэтому, когда ток падает ниже удерживаемого значения, TRIAC пытается выключиться, но из-за фазового сдвига между током и напряжением между двумя основными клеммами происходит внезапный скачок напряжения, который снова включает устройство.

В таблицах данных этот параметр обычно обозначается как и обычно составляет порядка нескольких вольт в микросекунду.

Причина, по которой коммутация d v / d t меньше статической d v / d t, заключается в том, что незадолго до того, как устройство попытается выключиться, в его внутренних слоях все еще есть избыточный неосновной заряд в результате предыдущей проводимости. Когда TRIAC начинает отключаться, эти заряды изменяют внутренний потенциал области около затвора и MT1, поэтому емкостному току из-за d v / d t легче снова включить устройство.

Другой важный фактор при переключении из включенного состояния в выключенное - это d i / d t тока от MT1 к MT2. Это похоже на восстановление в стандартных диодах: чем выше d i / d t , тем больше обратный ток. Поскольку в TRIAC есть паразитные сопротивления, высокий обратный ток в pn-переходах внутри него может спровоцировать падение напряжения между областью затвора и областью MT1, что может заставить TRIAC оставаться включенным.

В таблице данных коммутирующий d i / d t обычно обозначается как и обычно составляет порядка нескольких ампер на микросекунду.

Коммутирующий d v / d t очень важен, когда TRIAC используется для управления нагрузкой с фазовым сдвигом между током и напряжением, например, индуктивной нагрузкой. Предположим, кто-то хочет выключить катушку индуктивности: когда ток достигает нуля, если затвор не запитан, TRIAC пытается выключиться, но это вызывает скачок напряжения на нем из-за вышеупомянутого фазового сдвига. Если значение коммутируемого d v / d t превышено, устройство не выключится.

Демпферные схемы [ править ]

При использовании для управления реактивными ( индуктивными или емкостными) нагрузками необходимо следить за тем, чтобы TRIAC правильно отключался в конце каждого полупериода переменного тока в главной цепи. TRIAC могут быть чувствительны к быстрым изменениям напряжения (dv / dt) между MT1 и MT2, поэтому фазовый сдвиг между током и напряжением, вызванный реактивными нагрузками, может привести к скачку напряжения, который может привести к ошибочному включению тиристора. [2] Электродвигатель обычно представляет собой индуктивную нагрузку, а автономные источники питания, которые используются в большинстве телевизоров и компьютеров, являются емкостными.

Нежелательных включений можно избежать, используя демпфирующую цепь (обычно резистор / конденсатор или резистор / конденсатор / индуктор) между MT1 и MT2. Демпферные цепи также используются для предотвращения преждевременного срабатывания, вызванного, например, скачками напряжения в сети.

Поскольку включения вызваны внутренними емкостными токами, протекающими в затвор как следствие высокого d v / d t (т. Е. Быстрого изменения напряжения), резистор затвора или конденсатор (или оба параллельно) могут быть подключены между затвором. и MT1 для обеспечения низкоомного пути к MT1 и дальнейшего предотвращения ложного срабатывания. Однако это увеличивает требуемый ток запуска или увеличивает задержку из-за зарядки конденсатора. С другой стороны, резистор между затвором и MT1 помогает отводить токи утечки из устройства, тем самым улучшая производительность TRIAC при высокой температуре, где максимально допустимое значение d v / d tниже. Для этой цели обычно подходят резисторы менее 1 кОм и конденсаторы 100 нФ, хотя точная настройка должна выполняться на конкретной модели устройства. [3]

Для более мощных и требовательных нагрузок можно использовать два тиристора, включенных в обратную параллель, вместо одного тиристора . Поскольку к каждому тиристору будет приложен полный полупериод напряжения обратной полярности, отключение тиристоров обеспечено независимо от характера нагрузки. Однако из-за отдельных вентилей надлежащий запуск SCR более сложен, чем запуск TRIAC.

TRIAC может также не включиться надежно с реактивной нагрузкой, если текущий фазовый сдвиг приводит к тому, что ток основной цепи становится ниже тока удержания во время запуска. Чтобы решить эту проблему, можно использовать постоянный ток или последовательность импульсов для многократного запуска TRIAC, пока он не включится.

Заявление [ править ]

Типичное использование в качестве диммера

Маломощные симисторов используются во многих приложениях , таких как легкие диммеры , контроль скорости для электрических вентиляторов и других электродвигателей , а также в современных компьютеризированных цепях управления многих бытовых мелких и крупных бытовых приборов .

Когда сетевое напряжение TRIAC запускается микроконтроллерами, часто используются оптоизоляторы ; например оптотриакиможет использоваться для управления током затвора. В качестве альтернативы, если безопасность позволяет и электрическая изоляция контроллера не требуется, одна из шин питания микроконтроллера может быть подключена к одному из источников питания. В этих ситуациях нормально подключить нейтральный вывод к положительной шине источника питания микроконтроллера вместе с A1 симистора, при этом A2 подключен к току. Затвор TRIAC может быть подключен к микроконтроллеру через оптоизолированный транзистор, а иногда и резистор, так что снижение напряжения до логического нуля микроконтроллера протягивает через затвор TRIAC достаточный ток для его запуска. Это гарантирует, что TRIAC запускается в квадрантах II и III, и избегает квадранта IV, где TRIAC обычно нечувствительны. [5]

Пример данных [ править ]

Некоторые типичные спецификации TRIAC [6] [7]
Имя переменнойПараметрТипичное значение Единица измерения
Пороговое напряжение затвора0,7-1,5V
Пороговый ток затвора5–50мА
Повторяющееся пиковое прямое напряжение в закрытом состоянии600–800V
Повторяющееся пиковое обратное напряжение в закрытом состоянии600–800V
Действующий ток в открытом состоянии4–40А
Ток в открытом состоянии, неповторяющийся пик100–270А
Прямое напряжение в открытом состоянии1.5V

Трехквадрантный ТРИАК [ править ]

Трехквадрантные TRIAC работают только в квадрантах с 1 по 3 и не могут быть запущены в квадранте 4. Эти устройства созданы специально для улучшения коммутации и часто могут управлять реактивными нагрузками без использования демпфирующей цепи.

Первые триаки этого типа были проданы Thomson Semiconductors (ныне ST Microelectronics ) под названием «Альтернристор». Более поздние версии продаются под торговой маркой «Snubberless». Литтельфузе также использует название «Альтерннистор». Компания Philips Semiconductors (теперь NXP Semiconductors ) создала товарный знак "High Commutation" ("Hi-Com").

Другие трехквадрантные TRIAC могут работать с меньшим током затвора, чтобы напрямую управлять компонентами логического уровня.

См. Также [ править ]

  • DIAC (диод для переменного тока)
  • Quadrac
  • Выпрямитель с кремниевым управлением (SCR)
  • Триод

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b «Теория тиристоров и соображения по проектированию», ON Semiconductor, доступно по адресу www.onsemi.com/pub/Collateral/HBD855-D.PDF
  2. ^ a b c d e M.D. Singh, KB Khanchandani, Power Electronics, Second Edition, Tata McGraw-Hill, New Delhi, 2007, страницы 148-152
  3. ^ a b Замечания по применению AN-3008, RC-демпфирующие цепи для тиристорного управления мощностью и подавления переходных процессов , Fairchild Semiconductor, доступно по адресу http://www.fairchildsemi.com/an/AN/AN-3008.pdf , страницы 1-5
  4. ^ "Чувствительные вентильные симисторы серии 2N6071A / B" (PDF) . ООО «Индустрия полупроводниковых компонентов» . Проверено 28 июня 2012 года .
  5. ^ симисторы и микроконтроллеры - простое подключение
  6. ^ "Philips Semiconductors Технические характеристики продукции Triacs серии BT138" (PDF) . 090119 nxp.com
  7. ^ "STMicroelectronics T3035H, T3050H Высокотемпературные симисторы 30 A без амортизатора" (PDF) . st.com 100922

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Теория тиристоров и соображения по конструкции ; ON Semiconductor; 240 страниц; 2006; HBD855 / D. (Бесплатная загрузка PDF)

Внешние ссылки [ править ]

  • СМИ, связанные с симисторами, на Викискладе?