ТРИАК ( триод для переменного тока ; также двунаправленный триод-тиристор или двусторонний триод-тиристор [1] ) представляет собой трехконтактный электронный компонент , который при срабатывании проводит ток в любом направлении. Термин TRIAC является обобщенным товарным знаком .
Симисторы представляют собой подмножество тиристоров (аналог реле в том смысле, что небольшое напряжение и ток могут управлять гораздо большим напряжением и током) и относятся к кремниевым управляемым выпрямителям (SCR). TRIAC отличаются от SCR тем, что они пропускают ток в обоих направлениях, тогда как SCR может проводить ток только в одном направлении. Большинство симисторов могут запускаться путем подачи на затвор положительного или отрицательного напряжения (для SCR требуется положительное напряжение). После срабатывания тиристоры и симисторы продолжают проводить ток, даже если ток затвора прекращается, пока основной ток не упадет ниже определенного уровня, называемого током удержания .
Тиристоры отключения затвора (GTO) аналогичны симисторам, но обеспечивают больший контроль, отключаясь при прекращении сигнала затвора.
Двунаправленность симисторов 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 нагрузку ( управление фазой ). Это обычно используется для управления скоростью универсального двигателя , затемнения ламп и управления электронагревателями. Симисторы являются биполярными устройствами.
Чтобы понять, как работают симисторы, рассмотрим запуск в каждой из четырех возможных комбинаций напряжений затвора и MT2 относительно MT1. Четыре отдельных случая (квадранта) показаны на рисунке 1. Главный терминал 1 (MT1) и главный терминал (MT2) также называются анодом 1 (A1) и анодом 2 (A2) соответственно. [2]
Относительная чувствительность зависит от физической структуры конкретного симистора, но, как правило, квадрант I является наиболее чувствительным (требуется наименьший ток затвора), а квадрант 4 — наименее чувствительным (требуется наибольший ток затвора). [ необходимо разъяснение. Почему Q-IV наименее чувствителен? Смотрите обсуждение ]
В квадрантах 1 и 2 MT2 положителен, 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 MT2 отрицательен, и ток течет от MT1 к MT2, также через слои P, N, P и N. Область N, прикрепленная к MT2, активна, но область N, прикрепленная к MT1, участвует только в начальном запуске, а не в протекании большого тока.
В большинстве приложений ток затвора поступает от MT2, поэтому квадранты 1 и 3 являются единственными режимами работы (как затвор, так и MT2 положительные или отрицательные по отношению к MT1). Другие приложения с однополярным запуском от микросхемы или цифровой схемы управления работают в квадрантах 2 и 3, где MT1 обычно подключается к положительному напряжению (например, +5 В), а затвор понижается до 0 В (земля).
Работа квадранта 1 происходит, когда ворота и MT2 положительны по отношению к MT1. Рисунок 1
Механизм показан на рисунке 3. Ток затвора заставляет эквивалентный NPN-транзистор включиться, который, в свою очередь, потребляет ток от базы эквивалентного PNP-транзистора, включая его. Часть тока затвора (пунктирная линия) теряется по омическому пути через p-кремний, попадая непосредственно в MT1, не проходя через базу NPN-транзистора. В этом случае инжекция дырок в p-кремнии заставляет сложенные друг на друга слои n, p и n под MT1 вести себя как NPN-транзистор, который включается из-за наличия тока в его базе. Это, в свою очередь, приводит к тому, что слои p, n и p над MT2 ведут себя как PNP-транзистор, который включается, потому что его база n-типа становится смещенной в прямом направлении по отношению к его эмиттеру (MT2). Таким образом, схема запуска такая же, как и у SCR. Эквивалентная схема изображена на рисунке 4.
Однако структура отличается от SCR. В частности, в триаке всегда небольшой ток течет непосредственно от затвора к МТ1 через p-кремний, минуя pn-переход между базой и эмиттером эквивалентного NPN-транзистора. Этот ток обозначен на рисунке 3 пунктирной красной линией и является причиной того, что для включения симистора требуется больший ток затвора, чем для тиристора сопоставимого номинала. [3]
Как правило, этот квадрант является наиболее чувствительным из четырех. Это связано с тем, что это единственный квадрант, где ток затвора подается непосредственно в базу одного из основных транзисторов устройства. [4]
Работа квадранта 2 происходит, когда ворота отрицательны, а MT2 положителен по отношению к MT1. Рисунок 1
На рисунке 5 показан процесс запуска. Включение устройства трехкратное и начинается при протекании тока от МТ1 в затвор через pn переход под затвором. Это включает структуру, состоящую из NPN-транзистора и PNP-транзистора, у которого затвор является катодом (включение этой структуры обозначено на рисунке цифрой «1»). По мере увеличения тока в затворе потенциал левой стороны p-кремния под затвором возрастает в сторону MT1, поскольку разница потенциалов между затвором и MT2 имеет тенденцию уменьшаться: это устанавливает ток между левой и правой сторонами. сторону p-кремния (обозначена на рисунке цифрой 2), что в свою очередь включает NPN-транзистор под выводом МТ1 и как следствие также pnp-транзистор между МТ2 и правой стороной верхнего p-кремния. Таким образом, в конечном итоге структура, через которую проходит основная часть тока, аналогична операции квадранта I («3» на рисунке 5). [3]
Работа квадранта 3 происходит, когда ворота и MT2 отрицательны по отношению к MT1. Рисунок 1
Весь процесс показан на рисунке 6. Здесь процесс также происходит в несколько этапов. На первой фазе pn-переход между терминалом MT1 и затвором становится прямосмещенным (шаг 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, действуя как база pnp-транзистора, который включается (включение транзистора без прямого снижения потенциала базы называется дистанционным управлением затвором ). Нижний p-слой работает как коллектор этого PNP-транзистора, и его напряжение повышено: этот p-слой также действует как база NPN-транзистора, состоящего из трех последних слоев непосредственно над клеммой MT2, которая, в свою очередь, активируется. Таким образом, красная стрелка, отмеченная цифрой «3» на рисунке 6, показывает конечный путь проводимости тока. [3]
Работа квадранта 4 происходит, когда ворота положительны, а MT2 отрицателен по отношению к MT1. Рисунок 1
Запуск в этом квадранте аналогичен запуску в квадранте III. В этом процессе используется дистанционное управление затвором, и он показан на рисунке 7. Когда ток течет из p-слоя под затвором в n-слой под MT1, неосновные носители в виде свободных электронов инжектируются в p-область и некоторые из них собираются нижележащим np-переходом и переходят в соседнюю n-область без рекомбинации. Как и в случае срабатывания в III квадранте, это снижает потенциал n-слоя и включает PNP-транзистор, образованный n-слоем и двумя соседними с ним p-слоями. Нижний p-слой работает как коллектор этого PNP-транзистора, и его напряжение повышено: этот p-слой также действует как база NPN-транзистора, состоящего из трех последних слоев непосредственно над клеммой MT2, которая, в свою очередь, активируется. Таким образом, красная стрелка, отмеченная цифрой «3» на рисунке 6, показывает конечный путь проводимости тока. [3]
Как правило, этот квадрант является наименее чувствительным из четырех. [2] Кроме того, некоторые модели симисторов (логического уровня и без демпферного типа) не могут запускаться в этом квадранте, а только в трех других.
Существуют некоторые ограничения, которые следует знать при использовании симистора в схеме. В этом разделе суммированы некоторые из них.
Симистор начинает проводить ток, когда ток, входящий в его затвор или выходящий из него, достаточен для включения соответствующих переходов в рабочем квадранте. Минимальный ток, способный это сделать, называется пороговым током затвора и обычно обозначается I GT . В типичном триаке пороговый ток затвора обычно составляет несколько миллиампер, но следует также учитывать, что:
Когда ток затвора прекращается, если ток между двумя основными клеммами превышает так называемый ток фиксации , устройство продолжает проводить. Ток фиксации — это минимальный ток, который удерживает внутреннюю структуру устройства в запертом состоянии при отсутствии тока затвора. Значение этого параметра варьируется в зависимости от:
В частности, если длительность импульса тока затвора достаточно велика (обычно несколько десятков микросекунд), симистор завершает процесс запуска, когда сигнал затвора прекращается и ток фиксации достигает минимального уровня, называемого током удержания . Ток удержания — это минимально необходимый ток, протекающий между двумя основными клеммами, который поддерживает устройство во включенном состоянии после того, как оно достигло коммутации в каждой части своей внутренней структуры.
В технических характеристиках ток фиксации обозначается как IL , а ток удержания — как I H. Обычно они составляют порядка нескольких миллиампер.
Высокий уровень между МТ2 и МТ1 может включить симистор, когда он выключен. Типичные значения критического статического d v /d t выражены в вольтах в микросекунду.
Включение происходит за счет паразитной емкостной связи вывода затвора с выводом МТ2, которая пропускает токи в затвор в ответ на большую скорость изменения напряжения на МТ2. Одним из способов справиться с этим ограничением является разработка подходящей снабберной сети RC или RCL. Во многих случаях этого достаточно, чтобы снизить сопротивление затвора по отношению к MT1. Если между этими двумя клеммами установить резистор или небольшой конденсатор (или оба параллельно), емкостной ток, генерируемый во время переходного процесса, вытечет из устройства, не активируя его. Для проектирования правильной сети необходимо внимательно прочитать рекомендации по применению, предоставленные производителем, и протестировать конкретную модель устройства. Типичные значения конденсаторов и резисторов между затвором и MT1 могут составлять до 100 нФ и от 10 Ом до 1 кОм. [5] Обычные симисторы, за исключением маломощных типов, продаваемых как чувствительные затворы , [6] уже имеют такой встроенный резистор для защиты от ложного срабатывания dv/dt. Это замаскирует предполагаемое диодное поведение затвора при проверке симистора мультиметром .
В таблицах данных статическое значение d v /d t обычно обозначается как и, как упоминалось ранее, связано с тенденцией симистора включаться из выключенного состояния после большой скорости повышения напряжения даже без подачи какого-либо тока в ворота.
Высокая скорость нарастания тока между МТ1 и МТ2 (в любом направлении) при включении устройства может повредить или вывести из строя симистор, даже если длительность импульса очень коротка. Причина в том, что во время коммутации рассеиваемая мощность распределяется по устройству неравномерно. При включении устройство начинает проводить ток до того, как проводимость перестанет распространяться по всему переходу. Устройство обычно начинает проводить ток, создаваемый внешней схемой, через несколько наносекунд или микросекунд, но полное включение всего перехода занимает гораздо больше времени, поэтому слишком быстрое повышение тока может вызвать локальные перегрева, которые могут необратимо повредить симистор. .
В таблицах данных этот параметр обычно обозначается как и обычно составляет порядка десятков ампер в микросекунду. [2]
Коммутационный рейтинг d v /d t применяется, когда симистор проводит ток и пытается отключиться с частично реактивной нагрузкой, такой как индуктор. Ток и напряжение не совпадают по фазе, поэтому, когда ток падает ниже значения удержания, симистор пытается выключиться, но из-за сдвига фаз между током и напряжением между двумя основными клеммами происходит внезапный скачок напряжения, что снова включает устройство.
В таблицах данных этот параметр обычно обозначается как и обычно составляет несколько вольт в микросекунду.
Причина, по которой коммутирующее dv/dt меньше статического dv/dt, заключается в том, что незадолго до того, как устройство попытается выключиться, в его внутренних слоях все еще остается некоторый избыточный неосновной заряд в результате предыдущей проводимости. Когда симистор начинает отключаться, эти заряды изменяют внутренний потенциал области возле затвора и МТ1, поэтому емкостному току легче снова включить устройство.
Другим важным фактором во время переключения из включенного состояния в выключенное состояние является 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 триаке имеются паразитные сопротивления, высокий обратный ток в pn-переходах внутри него может спровоцировать падение напряжения между областью затвора и областью MT1, что может привести к тому, что триак останется включенным.
В таблице данных коммутационный d i /d t обычно обозначается как и обычно составляет порядка нескольких ампер в микросекунду.
Коммутирующий d v /d t очень важен, когда симистор используется для управления нагрузкой со сдвигом фаз между током и напряжением, например индуктивной нагрузкой. Предположим, кто-то хочет выключить дроссель: когда ток достигает нуля, если на затвор не подается питание, симистор пытается выключиться, но это вызывает скачок напряжения на нем из-за вышеупомянутого сдвига фазы. При превышении коммутационного номинала d v /d t устройство не выключится.
При использовании для управления реактивными ( индуктивными или емкостными) нагрузками необходимо следить за тем, чтобы симистор правильно отключался в конце каждого полупериода переменного тока в главной цепи. Симисторы могут быть чувствительны к быстрым изменениям напряжения (dv/dt) между MT1 и MT2, поэтому фазовый сдвиг между током и напряжением, вызванный реактивной нагрузкой, может привести к скачку напряжения, который может привести к ошибочному включению тиристора. [3] Электродвигатель обычно представляет собой индуктивную нагрузку, а автономные источники питания, используемые в большинстве телевизоров и компьютеров, являются емкостными.
Нежелательных включений можно избежать, используя снабберную цепь (обычно типа резистор/конденсатор или резистор/конденсатор/индуктор) между МТ1 и МТ2. Снабберные цепи также используются для предотвращения преждевременного срабатывания, вызванного, например, скачками напряжения в сети.
Поскольку включение вызвано внутренними емкостными токами, протекающими в затвор вследствие высокого значения d v /d t (т. е. быстрого изменения напряжения), между затвором можно подключить резистор или конденсатор затвора (или оба параллельно). и MT1, чтобы обеспечить путь с низким сопротивлением к MT1 и дополнительно предотвратить ложное срабатывание. 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 характеристики симистора при высоких температурах, когда максимально допустимое значение d v /d t ниже. Для этой цели обычно подходят резисторы сопротивлением менее 1 кОм и конденсаторы емкостью 100 нФ, хотя точная настройка должна производиться под конкретную модель устройства. [5]
Для более мощных и требовательных нагрузок вместо одного симистора можно использовать два тиристора , включенных обратно параллельно. Поскольку на каждый SCR будет подан полный полупериод напряжения обратной полярности, отключение SCR гарантировано независимо от характера нагрузки. Однако из-за отдельных вентилей правильное срабатывание тиристоров более сложное, чем срабатывание симистора.
Симисторы также могут не включаться надежно при реактивной нагрузке, если сдвиг фазы тока приводит к тому, что ток основной цепи становится ниже тока удержания во время срабатывания. Чтобы решить эту проблему, можно использовать постоянный ток или последовательность импульсов для многократного запуска симистора, пока он не включится.
Симисторы малой мощности используются во многих приложениях, таких как регуляторы освещенности , регуляторы скорости электрических вентиляторов и других электродвигателей , а также в современных компьютеризированных цепях управления многими домашними мелкими и крупными приборами .
Когда симисторы сетевого напряжения запускаются микроконтроллерами, часто используются оптоизоляторы ; например, оптотриаки можно использовать для управления током затвора. В качестве альтернативы, если позволяет безопасность и электрическая изоляция контроллера не требуется, одна из шин питания микроконтроллера может быть подключена к одному из источников питания. В таких ситуациях нормально соединить нейтральную клемму с положительной шиной источника питания микроконтроллера вместе с А1 симистора, при этом А2 будет подключен к фазе. Затвор триака может быть подключен через оптоизолированный транзистор, а иногда и через резистор к микроконтроллеру, так что при понижении напряжения до логического нуля микроконтроллера через затвор триака будет протекать достаточный ток для его срабатывания. Это гарантирует срабатывание триака в квадрантах II и III и позволяет избежать квадранта IV, где симисторы обычно нечувствительны. [7]
Трехквадрантные симисторы работают только в квадрантах с 1 по 3 и не могут запускаться в квадранте 4. Эти устройства созданы специально для улучшения коммутации и часто могут управлять реактивными нагрузками без использования снабберной цепи.
Первые симисторы этого типа были проданы компанией Thomson Semiconductors (ныне ST Microelectronics ) под названием «Альтернистор». Более поздние версии продаются под торговыми марками «Snubberless» и «ACS» (переключатель переменного тока, хотя этот тип также включает в себя буфер затвора, который дополнительно исключает работу квадранта I). Littelfuse также использует название «Альтернистор». Компания Philips Semiconductors (теперь NXP Semiconductors ) создала торговую марку Hi-Com (Высокая коммутация).
Часто эти симисторы могут работать с меньшим током затвора и напрямую управляться компонентами логического уровня.
СМИ, связанные с триаками, на Викискладе?
