Zur Steuerung leistungsstarker Lasten werden häufig Wechselstromkreise verwendet elektromagnetische Relais. Die Kontaktgruppen dieser Geräte dienen als zusätzliche Quelle der Unzuverlässigkeit aufgrund der Neigung zum Verbrennen, Schweißen. Auch die Möglichkeit der Funkenbildung beim Schalten erscheint als Nachteil, was in manchen Fällen zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen erfordert. Daher sind elektronische Schlüssel vorzuziehen. Eine der Optionen für einen solchen Schlüssel wird an Triacs ausgeführt.
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Was ist ein Triac und warum wird er benötigt?
In der Leistungselektronik wird einer der Typen häufig als gesteuertes Schaltelement verwendet. Thyristoren - Trinistoren. Ihre Vorteile:
- Fehlen einer Kontaktgruppe;
- Mangel an rotierenden und beweglichen mechanischen Elementen;
- geringes Gewicht und Abmessungen;
- lange Ressource, unabhängig von der Anzahl der Ein-Aus-Zyklen;
- kostengünstig;
- hohe Geschwindigkeit und leiser Betrieb.
Aber wenn Trinistoren in Wechselstromkreisen verwendet werden, wird ihre Einwegleitung zu einem Problem. Damit der Trinistor Strom in zwei Richtungen durchlässt, muss man zu Tricks in Form einer Parallelschaltung in entgegengesetzter Richtung zweier gleichzeitig angesteuerter Trinistoren greifen. Es erscheint logisch, diese beiden SCRs in einem Gehäuse zu kombinieren, um die Installation zu erleichtern und die Größe zu reduzieren. Und dieser Schritt wurde 1963 unternommen, als sowjetische Wissenschaftler und Spezialisten von General Electric fast gleichzeitig Anträge auf Registrierung der Erfindung eines symmetrischen Trinistor - Triac (in ausländischer Terminologie Triac, Triac - Triode für Wechselstrom) einreichten.
Tatsächlich besteht der Triac nicht buchstäblich aus zwei Trinistoren, die in einem Gehäuse angeordnet sind.
Das gesamte System ist auf einem Einkristall mit unterschiedlichen p- und n-Leitfähigkeitsbändern implementiert, und diese Struktur ist nicht symmetrisch (obwohl die Strom-Spannungs-Charakteristik eines Triacs in Bezug auf den Ursprung symmetrisch ist und eine gespiegelte IV-Charakteristik ist eines Trinistors). Und das ist der grundlegende Unterschied zwischen einem Triac und zwei Trinistoren, die jeweils mit einem im Verhältnis zur Kathode positiven Strom angesteuert werden müssen.
Der Triac hat keine Anode und Kathode in Bezug auf die Richtung des übertragenen Stroms, aber in Bezug auf die Steuerelektrode sind diese Schlussfolgerungen nicht äquivalent. In der Literatur findet man die Begriffe „bedingte Kathode“ (MT1, A1) und „bedingte Anode“ (MT2, A2). Sie sind bequem zu verwenden, um den Betrieb des Triacs zu beschreiben.
Beim Anlegen einer Halbwelle beliebiger Polarität wird das Gerät zunächst gesperrt (roter Bereich des CVC).Ebenso wie beim Trinistor kann das Auslösen des Triacs erfolgen, wenn der Schwellenspannungspegel für jede Polarität der Sinuswelle überschritten wird (blauer Abschnitt). Bei elektronischen Schlüsseln ist dieses Phänomen (Dynistor-Effekt) eher schädlich. Es muss bei der Wahl einer Betriebsart vermieden werden. Das Öffnen des Triacs erfolgt durch Anlegen von Strom an die Steuerelektrode. Je größer der Strom, desto früher öffnet der Schlüssel (rot gestrichelter Bereich). Dieser Strom wird durch Anlegen einer Spannung zwischen der Steuerelektrode und der bedingten Kathode erzeugt. Diese Spannung muss entweder negativ sein oder das gleiche Vorzeichen wie die zwischen MT1 und MT2 angelegte Spannung haben.
Ab einem bestimmten Stromwert öffnet der Triac sofort und verhält sich wie eine normale Diode - bis hin zum Sperren (grün gestrichelte und durchgezogene Flächen). Die Verbesserung der Technologie führt zu einer Verringerung des Stromverbrauchs, um den Triac vollständig zu entriegeln. Bei modernen Modifikationen sind es bis zu 60 mA und darunter. Aber man sollte sich nicht dazu hinreißen lassen, den Strom in einer realen Schaltung zu reduzieren - dies kann zu einem instabilen Öffnen des Triacs führen.
Das Schließen erfolgt wie bei einem herkömmlichen Trinistor, wenn der Strom auf eine bestimmte Grenze (fast auf Null) abfällt. Im Wechselstromkreis geschieht dies beim nächsten Nulldurchgang, danach muss erneut ein Steuerimpuls angelegt werden. In Gleichstromkreisen erfordert die kontrollierte Abschaltung des Triacs umständliche technische Lösungen.
Funktionen und Einschränkungen
Beim Schalten einer reaktiven (induktiven oder kapazitiven) Last gibt es Einschränkungen bei der Verwendung eines Triacs. Bei Vorhandensein eines solchen Verbrauchers im Wechselstromkreis verschieben sich Spannungs- und Stromphasen gegeneinander. Die Richtung der Verschiebung hängt von der Art der Reaktivität und der Größe ab - vom Wert der reaktiven Komponente. Es wurde bereits gesagt, dass der Triac in dem Moment abschaltet, in dem der Strom durch Null geht. Und die Spannung zwischen MT1 und MT2 kann in diesem Moment ziemlich groß sein. Wenn die Änderungsgeschwindigkeit der Spannung dU/dt gleichzeitig den Schwellwert überschreitet, darf der Triac nicht schließen. Um diesen Effekt zu vermeiden, parallel zum Leistungspfad den Triac einschließen Varistoren. Ihr Widerstand hängt von der angelegten Spannung ab und sie begrenzen die Änderungsgeschwindigkeit der Potentialdifferenz. Der gleiche Effekt kann durch Verwendung einer RC-Kette (Snubber) erzielt werden.
Mit der endlichen Zeit der Ansteuerung des Triacs ist die Gefahr der Überschreitung der Stromsteilheit beim Schalten der Last verbunden. In dem Moment, in dem der Triac noch nicht geschlossen hat, kann sich herausstellen, dass an ihm eine große Spannung anliegt und gleichzeitig ein ausreichend großer Durchgangsstrom durch den Leistungspfad fließt. Dies kann zur Freisetzung einer großen thermischen Leistung am Gerät führen und der Kristall kann überhitzen. Um diesen Mangel zu beseitigen, ist es erforderlich, die Reaktivität des Verbrauchers nach Möglichkeit zu kompensieren, indem eine Reaktivität mit ungefähr demselben Wert, jedoch mit entgegengesetztem Vorzeichen, in den Kreislauf sequenziell aufgenommen wird.
Zu bedenken ist auch, dass im geöffneten Zustand am Triac ca. 1-2 V abfallen, da es sich aber um leistungsstarke Hochspannungsschalter handelt, beeinträchtigt diese Eigenschaft den praktischen Einsatz von Triacs nicht. Der Verlust von 1-2 Volt in einem 220-Volt-Stromkreis ist vergleichbar mit dem Spannungsmessfehler.
Anwendungsbeispiele
Das Haupteinsatzgebiet des Triacs ist der Schlüssel in Wechselstromkreisen.Für die Verwendung eines Triacs als DC-Taster gibt es keine grundsätzlichen Einschränkungen, aber auch das macht keinen Sinn. In diesem Fall ist es einfacher, einen billigeren und gebräuchlicheren Trinistor zu verwenden.
Wie jeder Schlüssel ist der Triac in Reihe mit der Last an den Stromkreis angeschlossen. Das Ein- und Ausschalten des Triacs steuert die Spannungsversorgung des Verbrauchers.
Der Triac kann auch als Spannungsregler an Lasten verwendet werden, die sich nicht um die Form der Spannung kümmern (z. B. Glühlampen oder thermische Heizungen). In diesem Fall sieht das Steuerschema wie folgt aus.
Hier ist eine Phasenverschiebungsschaltung auf den Widerständen R1, R2 und dem Kondensator C1 organisiert. Durch die Anpassung des Widerstands wird eine Verschiebung des Impulsbeginns gegenüber dem Nulldurchgang der Netzspannung erreicht. Für die Impulsbildung ist ein Dinistor mit einer Öffnungsspannung von etwa 30 Volt verantwortlich. Wenn dieser Pegel erreicht ist, öffnet er und leitet Strom an die Steuerelektrode des Triacs. Es ist offensichtlich, dass dieser Strom richtungsmäßig mit dem Strom durch den Leistungspfad des Triacs zusammenfällt. Einige Hersteller stellen Halbleiterbauelemente namens Quadrac her. Sie haben einen Triac und einen Dinistor im Steuerelektrodenkreis in einem Gehäuse.
Eine solche Schaltung ist einfach, aber ihr Verbrauchsstrom hat eine stark nicht sinusförmige Form, während im Versorgungsnetz Störungen erzeugt werden. Um sie zu unterdrücken, müssen Filter verwendet werden - zumindest die einfachsten RC-Ketten.
Vorteile und Nachteile
Die Vorteile des Triacs decken sich mit den Vorteilen des oben beschriebenen Trinistors. Dazu müssen Sie nur die Möglichkeit hinzufügen, in Wechselstromkreisen zu arbeiten und in diesem Modus einfach zu steuern. Aber es gibt auch Nachteile.Sie betreffen hauptsächlich den Anwendungsbereich, der durch den reaktiven Anteil der Belastung begrenzt ist. Es ist nicht immer möglich, die oben vorgeschlagenen Schutzmaßnahmen anzuwenden. Zu den Nachteilen gehören auch:
- erhöhte Empfindlichkeit gegenüber Rauschen und Interferenzen im Steuerelektrodenschaltkreis, was zu Fehlalarmen führen kann;
- die Notwendigkeit, dem Kristall Wärme zu entziehen - die Anordnung der Heizkörper kompensiert die geringen Abmessungen des Geräts und zum Schalten starker Lasten die Verwendung Schütze und Relais wird bevorzugt;
- Begrenzung der Betriebsfrequenz - es spielt keine Rolle beim Betrieb mit industriellen Frequenzen von 50 oder 100 Hz, schränkt jedoch den Einsatz in Spannungswandlern ein.
Für die kompetente Verwendung von Triacs müssen nicht nur die Funktionsprinzipien des Geräts, sondern auch seine Mängel bekannt sein, die die Grenzen der Verwendung von Triacs bestimmen. Nur in diesem Fall wird das entwickelte Gerät lange und zuverlässig funktionieren.
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