Simistor a přepínání zátěže – škola mistrů služeb pro domácnost

Diody a tranzistory jsou velmi důležitá a užitečná polovodičová zařízení, bez kterých by nebyly telefony, počítače a vše ostatní, ale mají jednu vlastnost, protože dioda propouští elektřinu pouze jedním směrem, v zásadě jako tranzistor nemohou být používané v obvodech AC. V našem každodenním životě je mnoho spotřebičů spotřebitelem střídavého proudu, například motor pračky, který se otáčí různými rychlostmi, přičemž pracuje se stejným střídavým proudem 220 voltů.

Tyristor

Abyste pochopili činnost triaku, musíte nejprve mluvit o tyristoru, v podstatě se jedná o dva tranzistory pnp a npn s n a p přechody zapojenými, jak je znázorněno na obrázku.
Ukazuje se, že při přivedení napětí na řídicí elektrodu takové sestavy tranzistorů otevřeme tranzistor NPN, který svým emitor-kolektorovým proudem otevře tranzistor PNP.
Jak je zřejmé z výkresu, tyristor vede elektrický proud pouze jedním směrem, ale má ovládací kontakt za anodou a katodou. Ze schématu zapojení dvou tranzistorů také vyplývá, že pro otevření tyristoru je potřeba přivést proud na ovládací kontakt a jakmile se tyristor otevře, můžete napětí na ovládacím kontaktu odebrat, přičemž tyristor se bude udržovat sám v otevřeném stavu, zatímco jeho proud teče.

Pokud tyristor odpojíte od zdroje proudu, sepne a znovu otevře až po přivedení napětí na řídicí signál.

Princip činnosti triaku

Propojíme-li dva tyristory zády k sobě, získáme symetrický triodový tyristor neboli TRIAC (z anglického TRIAC – trioda pro střídavý proud Anoda každého triaku je připojena ke katodě jeho „kolegy“ a ovládacím kontaktům). jsou také vzájemně propojeny. Tímto zapojením necháme projít jedním tyristorem jednu půlvlnu střídavého proudu a druhým triakem druhou půlvlnu.

Pokud spotřebitel (například žárovka nebo elektromotor) přijímá obě půlvlny ze sinusovky, vypočítá se celkový výkon. Pokud vezmeme dva stejné tyristory, pak budou neustále otevřené, protože jeden tyristor v půlvlně odtrhne druhý tyristor svým zpětným proudem, takže musíme vzít dva různé tyristory.

Typy tyristorového řízení

Tyristor řízený anodou (k otevření vyžaduje záporné napětí)
Tyristor s katodovým ovládáním (k otevření vyžaduje kladné napětí)

Pro ovládání takového triaku (z anodového a katodového tyristoru) musíte mít čas dodat v každé půlvlně řídicí napětí, ale k tomu můžete použít napětí z našeho zdroje a připojit jej k tlačítku přes rezistor . Poté, když projde horní půlvlna, otevřeme anodový tyristor, a když potřebná půlvlna projde, otevřeme katodový tyristor. Použití takového spínače není zcela opodstatněné, protože lze použít běžný spínač a použití tohoto efektu se lépe využívá pro řízení výkonu.

Pomocí triaku můžete ovládat rychlost otáčení střídavého komutátorového motoru (pračky), ale nebudete moci ovládat stejnosměrné nebo asynchronní motory pomocí triaku, protože pro ovládání asynchronního motoru musíte změnit frekvenci, například s měničem a pro ovládání stejnosměrného motoru je třeba změnit napětí.

Regulace výkonu

Když připojíme zátěž, standardně je triak sepnutý, ale přes potenciometr (variabilní rezistor) a rezistor R2 se kondenzátor začne nabíjet, když napětí na kondenzátoru dosáhne 32 voltů, otevře dinistor (tyristor bez ovládacího výstupu , který se otevře při dosažení určitého napětí)

Dinistor dodává proud do triaku, který se otevírá a dodává proud do zátěže, ale díky tomu, že se kondenzátor nějakou dobu nabíjel, sinusovka se otevře jakoby ve zkrácené podobě.

Pokud tedy otočíte potenciometr na maximální odpor, kondenzátor se v půl vlně nestihne vůbec nabít a triak se neotevře. A pokud otočíte proměnný odpor na minimální odpor, kondenzátor se nabije téměř okamžitě a dostaneme 100% každé půlvlny.

Při průtoku spodní půlvlny se kondenzátor nabíjí napětím s obrácenou polaritou, proto je pro činnost regulátoru výkonu potřeba dinistor triakového typu, tzn. který se přeruší, když napětí dosáhne určité hodnoty nezávisle na polaritě.

Elektromagnetická relé se často používají k ovládání výkonných zátěží ve střídavých obvodech. Kontaktní skupiny těchto zařízení slouží jako další zdroj nespolehlivosti kvůli jejich sklonu k hoření a sváření. Další nevýhodou je možnost jiskření při spínání, což v některých případech vyžaduje další bezpečnostní opatření. Proto jsou vhodnější elektronické klíče. Jedna z variant takového klíče je vyrobena pomocí triaků.

Co je to triak a k čemu slouží?

Ve výkonové elektronice se jako řízený spínací prvek často používá jeden typ tyristoru, tyristor. Jejich výhody:

• nedostatek kontaktní skupiny;
• nepřítomnost rotujících a pohyblivých mechanických prvků;
• malá hmotnost a rozměry;
• dlouhá životnost nezávislá na počtu cyklů zapnutí a vypnutí;
• nízké náklady;
• vysoký výkon a tichý chod.

Ale při použití tyristorů ve střídavých obvodech se jejich jednosměrná vodivost stává problémem. Aby SCR procházel proud ve dvou směrech, musíte se uchýlit k trikům v podobě paralelního zapojení dvou SCR ovládaných současně v opačném směru. Zdá se logické spojit tyto dva SCR v jednom plášti pro snadnou instalaci a zmenšení velikosti. A k tomuto kroku došlo v roce 1963, kdy sovětští vědci a specialisté General Electric téměř současně podali přihlášky k registraci vynálezu symetrického trinistoru – triaku (v zahraniční terminologii triak – trioda pro střídavý proud).

<img src=”https://odinelectric.ru/wp-content/uploads/2020/11/simistor2.jpg” />

Ve skutečnosti triak nejsou doslova dva tyristory umístěné v jednom krytu.

Celý systém je implementován na monokrystalu s různými p- a n-pásmy vodivosti a tato struktura není symetrická (ačkoli proudově-napěťová charakteristika triaku má symetrii s ohledem na počátek souřadnic a je zrcadlovým proudem- napěťová charakteristika trinistoru). A to je zásadní rozdíl mezi triakem a dvěma tyristory, z nichž každý musí být řízen kladným proudem vzhledem ke katodě.

Čtěte také: Princip činnosti a hlavní charakteristiky zenerovy diody

Triak nemá žádnou anodu ani katodu ve vztahu ke směru procházejícího proudu, ale ve vztahu k řídicí elektrodě nejsou tyto svorky ekvivalentní. V literatuře se vyskytují termíny „konvenční katoda“ (MT1, A1) a „konvenční anoda“ (MT2, A2). Jsou vhodné k popisu činnosti triaku.

Při použití půlvlny libovolné polarity se zařízení nejprve zablokuje (červená část charakteristiky proud-napětí). Stejně jako trinistor může být triak odblokován, když je překročena prahová úroveň napětí pro jakoukoli polaritu sinusovky (modrá část). U elektronických klíčů je tento jev (dinistorový efekt) spíše škodlivý. Při výběru provozního režimu je třeba se tomu vyhnout. Triak se otevře přivedením proudu do řídící elektrody. Čím vyšší proud, tím dříve se klíč otevře (červená přerušovaná oblast). Tento proud vzniká přivedením napětí mezi řídící elektrodu a konvenční katodu. Toto napětí musí být buď záporné, nebo mít stejné znaménko jako napětí aplikované mezi MT1 a MT2.

Při určité hodnotě proudu se triak okamžitě otevře a chová se jako běžná dioda – až do vypnutí (zelené čárkované a plné úseky). Vylepšení technologie vede ke snížení proudu spotřebovaného k úplnému odblokování triaku. U moderních úprav je to do 60 mA a nižší. Ale neměli byste se nechat unést snižováním proudu ve skutečném obvodu – to může vést k nestabilnímu otevření triaku.

Zavírání, stejně jako konvenční tyristor, nastává, když proud klesne na určitou mez (téměř na nulu). V obvodu střídavého proudu k tomu dochází při dalším průchodu nulou, po kterém bude nutné znovu použít řídicí impuls. V stejnosměrných obvodech vyžaduje řízené blokování triaku těžkopádná technická řešení.

Vlastnosti a omezení

Při spínání jalových (indukčních nebo kapacitních) zátěží existuje omezení použití triaku. Pokud je v obvodu střídavého proudu takový spotřebič, jsou fáze napětí a proudu vůči sobě posunuty. Směr posunu závisí na povaze reaktivity a velikost závisí na velikosti reaktivní složky. Již bylo řečeno, že triak se vypne v okamžiku, kdy proud prochází nulou. A napětí mezi MT1 a MT2 v tuto chvíli může být poměrně velké. Pokud rychlost změny napětí dU/dt překročí prahovou hodnotu, pak se triak nemusí uzavřít. Aby se tomuto efektu zabránilo, jsou varistory zapojeny paralelně k napájecí cestě triaku. Jejich odpor závisí na použitém napětí a omezují rychlost změny rozdílu potenciálů. Stejného efektu lze dosáhnout použitím RC řetězu (snubber).

Nebezpečí z překročení rychlosti nárůstu proudu při spínání zátěže je spojeno s konečnou dobou odblokování triaku. Ve chvíli, kdy se triak ještě nesepnul, se může ukázat, že je na něj přivedeno velké napětí a zároveň výkonovou cestou protéká dostatečně velký průchozí proud. To může způsobit, že zařízení bude generovat velké množství tepla a krystal se může přehřát. K odstranění této závady je nutné pokud možno kompenzovat reaktivitu spotřebiče postupným zařazením reaktivity do obvodu přibližně stejné hodnoty, ale opačného znaménka.

Měli byste také mít na paměti, že v otevřeném stavu klesá na triaku asi 1-2 V, ale protože oblastí použití jsou výkonné vysokonapěťové spínače, tato vlastnost neovlivňuje praktické použití triaků. Ztráta 1-2 voltů v obvodu 220 voltů je srovnatelná s chybou měření napětí.

Příklady použití

Hlavní oblastí použití triaku je spínač v obvodech střídavého proudu. Pro použití triaku jako stejnosměrného spínače nejsou žádná zásadní omezení, ale ani to nemá smysl. V tomto případě je jednodušší použít levnější a běžnější tyristor.

Jako každý klíč je k obvodu zapojen triak v sérii se zátěží. Zapínání a vypínání triaku řídí přívod napětí ke spotřebiči.

Triak lze také použít jako regulátor napětí na zátěžích, které se nestarají o tvar napětí (například žárovky nebo tepelné elektrické ohřívače). V tomto případě vypadá schéma ovládání takto.

Zde je na rezistorech R1, R2 a kondenzátoru C1 uspořádán obvod s fázovým posunem. Úpravou odporu se dosáhne posunu začátku impulsu vzhledem k přechodu síťového napětí přes nulu. Za generování impulsu je zodpovědný dinistor s otevíracím napětím asi 30 voltů. Po dosažení této úrovně se otevře a umožní proudění proudu do řídící elektrody triaku. Je zřejmé, že tento proud se shoduje ve směru s proudem přes silovou cestu triaku. Někteří výrobci vyrábějí polovodičová zařízení nazývaná Quadrac. Mají triak a dinistor ve stejném pouzdře v obvodu řídicí elektrody.

Tento obvod je jednoduchý, ale jeho proudový odběr má ostře nesinusový tvar a v napájecí síti vzniká rušení. K jejich potlačení je potřeba použít filtry – alespoň ty nejjednodušší RC řetězy.

Výhody a nevýhody

Výhody triaku se shodují s výhodami trinistoru popsanými výše. K nim je potřeba jen přidat možnost práce ve střídavých obvodech a jednoduché ovládání v tomto režimu. Ale jsou tu i nevýhody. Týkají se především oblasti použití, která je omezena reaktivní složkou zátěže. Ne vždy je možné použít výše navržená ochranná opatření. Mezi nevýhody patří také:

• zvýšená citlivost na šum a rušení v obvodu řídicí elektrody, což může způsobit falešné poplachy;
• potřeba odvádět teplo z krystalu – uspořádání radiátorů kompenzuje malé rozměry zařízení a pro spínání výkonných zátěží se upřednostňuje použití stykačů a relé;
• omezení pracovní frekvencí – nevadí při provozu na průmyslových frekvencích 50 nebo 100 Hz, ale omezuje použití v měničích napětí.

Pro správné používání triaků je potřeba znát nejen principy fungování zařízení, ale také jeho nedostatky, které určují limity použití triaků. Pouze v tomto případě bude vyvinuté zařízení fungovat dlouho a spolehlivě.

Tranzistor – zařízení, typy, použití

Co je to dělič napětí a jak jej vypočítat?

Co je to bipolární tranzistor a jaké existují spínací obvody

Co je to diodový můstek, princip jeho činnosti a schéma zapojení

Princip činnosti a hlavní charakteristiky zenerovy diody

Co je to tyristor, jak funguje, typy tyristorů a popis hlavních charakteristik