Wat is triac: schakelcircuit en toepassingen

Vermogenselektronische schakelaars zoals BJT, SCR, IGBT, MOSFET en TRIAC zijn zeer belangrijke componenten als het gaat om het schakelen van circuits zoals DC-DC-omvormers, motorsnelheidsregelaars, motoraandrijvingen en frequentieregelaars enz. Elk apparaat heeft zijn eigen unieke eigenschap en ze hebben dus hun eigen specifieke toepassingen. In deze tutorial zullen we leren over de TRIAC, wat een bidirectioneel apparaat is, wat betekent dat het in beide richtingen kan geleiden. Vanwege deze eigenschap wordt TRIAC uitsluitend gebruikt waar het een sinusvormige AC-voeding betreft.

Inleiding tot TRIAC

De term TRIAC staat voor TRI ode voor A lternating C uidige. Het is een schakelapparaat met drie aansluitingen vergelijkbaar met SCR (Thyristor), maar het kan zowel in de richting geleiden als het construeert door twee SCR's in antiparallelle toestand te combineren. Het symbool en de pin uit TRIAC worden hieronder weergegeven.

Omdat de TRIAC een bidirectioneel apparaat is, kan de stroom van MT1 naar MT2 of van MT2 naar MT1 stromen wanneer de poortterminal wordt geactiveerd. Voor een TRIAC kan deze triggerspanning die op de gate-aansluiting moet worden toegepast, positief of negatief zijn ten opzichte van aansluiting MT2. Dit plaatst de TRIAC dus in vier bedrijfsmodi, zoals hieronder vermeld

• Positieve spanning op MT2 en positieve puls naar poort (kwadrant 1)
• Positieve spanning op MT2 en negatieve puls naar poort (kwadrant 2)
• Negatieve spanning op MT2 en positieve puls naar poort (kwadrant 3)
• Negatieve spanning op MT2 en negatieve puls naar poort (kwadrant 4)

VI Kenmerken van een TRIAC

De onderstaande afbeelding illustreert de status van TRIAC in elk kwadrant.

De kenmerken van de TRIAC voor in- en uitschakelen kunnen worden begrepen door naar de grafiek met VI-kenmerken van de TRIAC te kijken, die ook in de bovenstaande afbeelding wordt weergegeven. Aangezien de TRIAC slechts een combinatie is van twee SCR's in antiparallelle richting, lijkt de grafiek van de VI-karakteristieken op die van een SCR. Zoals u kunt zien, opereert de TRIAC voornamelijk in het 1 ^e Kwadrant en het 3 ^e Kwadrant.

Inschakelkenmerken

Om een ​​TRIAC in te schakelen moet een positieve of negatieve poortspanning / puls worden geleverd aan de poortpin van de TRIAC. Wanneer een van de twee SCR binnenin wordt geactiveerd, begint de TRIAC te geleiden op basis van de polariteit van de MT1- en MT2-terminals. Als MT2 positief is en MT1 negatief, geleidt de eerste SCR en als de MT2-terminal negatief is en MT1 positief, dan geleidt de tweede SCR. Op deze manier blijft een van de SCR's altijd aan, waardoor de TRIAC ideaal is voor AC-toepassingen.

De minimumspanning die op de poortpin moet worden toegepast om een ​​TRIAC in te schakelen, wordt de drempelpoortspanning (V _GT) genoemd en de resulterende stroom door de poortpin wordt de drempelpoortstroom (I _GT) genoemd. Zodra deze spanning is aangelegd, wordt de poortpin de TRIAC voorwaarts voorgespannen en begint te geleiden, de tijd die de TRIAC nodig heeft om van de uit-toestand naar de aan-toestand te gaan, wordt de inschakeltijd (t _aan) genoemd.

Net als bij een SCR blijft de TRIAC ingeschakeld, tenzij deze wordt gecommuteerd. Maar voor deze toestand moet de belastingsstroom door de TRIAC groter zijn dan of gelijk zijn aan de vergrendelingsstroom (I _L) van de TRIAC. Dus om te concluderen dat een TRIAC ingeschakeld blijft, zelfs nadat de poortpuls is verwijderd, zolang de belastingsstroom groter is dan de waarde van de vergrendelingsstroom.

Net als bij de vergrendelingsstroom, is er nog een andere belangrijke waarde van de stroom, de zogenaamde houdstroom. De minimale stroomwaarde om de TRIAC in voorwaartse geleidingsmodus te houden, wordt de houdstroom (I _H) genoemd. Een TRIAC zal pas in de continue geleidingsmodus gaan nadat hij de houdstroom en de vergrendelstroom heeft doorlopen zoals weergegeven in de bovenstaande grafiek. Ook zal de waarde van de Latching-stroom van een TRIAC altijd groter zijn dan de waarde van de houdstroom.

Uitschakelkenmerken

Het proces waarbij een TRIAC of een ander voedingsapparaat wordt uitgeschakeld, wordt commutatie genoemd en het circuit dat ermee is verbonden om de taak uit te voeren, wordt een commutatieschakeling genoemd. De meest gebruikte methode om een ​​TRIAC uit te schakelen, is door de belastingsstroom door de TRIAC te verminderen totdat deze onder de waarde van de houdstroom (I _H) komt. Dit type commutatie wordt geforceerde commutatie genoemd in DC-circuits. We zullen meer leren over hoe een TRIAC wordt in- en uitgeschakeld via de applicatiecircuits.

TRIAC-toepassingen

TRIAC wordt heel vaak gebruikt op plaatsen waar wisselstroom moet worden geregeld, het wordt bijvoorbeeld gebruikt in de snelheidsregelaars van plafondventilatoren, AC-dimmercircuits, enz. Laten we eens kijken naar een eenvoudig TRIAC-schakelcircuit om te begrijpen hoe het praktisch werkt.

Hier hebben we de TRIAC gebruikt om een ​​AC-belasting in en uit te schakelen met een drukknop. De hoofdstroombron wordt vervolgens via de TRIAC op een kleine lamp aangesloten, zoals hierboven weergegeven. Wanneer de schakelaar gesloten is, wordt de fasespanning via de weerstand R1 op de poortpin van de TRIAC aangelegd. Als deze poortspanning boven de poortdrempelspanning ligt, vloeit er een stroom door de poortpen, die groter zal zijn dan de poortdrempelstroom.

In deze toestand gaat de TRIAC in voorwaartse voorspanning en zal de belastingsstroom door de bol stromen. Als de belastingen voldoende stroom verbruiken, gaat de TRIAC in een vergrendelde toestand. Maar aangezien dit een wisselstroombron is, zal de spanning elke halve cyclus nul bereiken en dus zal de stroom ook tijdelijk nul bereiken. Daarom is vergrendeling in dit circuit niet mogelijk en zal de TRIAC uitschakelen zodra de schakelaar wordt geopend en is hier geen commutatiecircuit vereist. Dit type commutatie van TRIAC wordt natuurlijke commutatie genoemd. Laten we nu dit circuit bouwen op een breadboard met behulp van de BT136 TRIAC en kijken hoe het werkt.

Grote voorzichtigheid is geboden bij het werken met wisselstroomvoedingen. De bedrijfsspanning wordt verlaagd voor veiligheidsdoeleinden. Het standaard wisselstroomvermogen van 230V 50Hz (in India) wordt verlaagd naar 12V 50Hz met behulp van een transformator. Een kleine lamp is als belasting aangesloten. De experimentele opstelling ziet er na voltooiing als volgt uit.

Wanneer de knop wordt ingedrukt, ontvangt de poortpin de poortspanning en dus wordt de TRIAC ingeschakeld. De lamp brandt zolang de knop wordt ingedrukt. Zodra de knop wordt losgelaten, bevindt de TRIAC zich in de vergrendelde toestand, maar aangezien de ingangsspanning AC is, zal de stroom hoewel de TRIAC onder de houdstroom daalt en dus de TRIAC zal uitschakelen, de volledige werking is ook te vinden in de video gegeven aan het einde van deze tutorial.

TRIAC-besturing met behulp van microcontrollers

Wanneer TRIAC's worden gebruikt als lichtdimmers of voor fasecontrole-toepassingen, moet de poortpuls die wordt geleverd aan de poortpin worden bestuurd met een microcontroller. In dat geval wordt de poortpin ook geïsoleerd met behulp van een opto-coupler. Het schakelschema voor hetzelfde wordt hieronder getoond.

Om de TRIAC te besturen met een 5V / 3.3V-signaal, gebruiken we een opto-coupler zoals de MOC3021 die een TRIAC erin heeft. Deze TRIAC kan worden geactiveerd door 5V / 3.3V via de Light Emitting Diode. Gewoonlijk een PWM-signaal wordt toegevoerd aan de 1 ^ste pen van MOC3021 en de frequentie en werkcyclus van het PWM signaal worden gevarieerd om de gewenste uitgang. Dit type circuit wordt normaal gesproken gebruikt voor regeling van de helderheid van de lamp of regeling van de motorsnelheid.

Rate Effect - Snubber Circuits

Alle TRIAC's hebben last van een probleem dat Rate Effect wordt genoemd. Dat is wanneer de MT1-terminal wordt onderworpen aan een sterke toename van de spanning als gevolg van schakelruis of transiënten of pieken, de TRIAC onderbreekt deze als een schakelsignaal en wordt automatisch ingeschakeld. Dit komt door de interne capaciteit die aanwezig is tussen de terminals MT1 en MT2.

De eenvoudigste manier om dit probleem op te lossen, is door een Snubber-circuit te gebruiken. In het bovenstaande circuit vormen de weerstand R2 (50R) en de condensator C1 (10nF) samen een RC-netwerk dat fungeert als een snubber-circuit. Eventuele piekspanningen die aan MT1 worden geleverd, zullen door dit RC-netwerk worden waargenomen.

Spelingseffect

Een ander veelvoorkomend probleem waarmee ontwerpers te maken zullen krijgen tijdens het gebruik van TRIAC, is het Backlash-effect. Dit probleem doet zich voor wanneer een potentiometer wordt gebruikt voor het regelen van de poortspanning van de TRIAC. Wanneer de POT naar de minimumwaarde wordt gedraaid, wordt er geen spanning op de poortpin gezet en wordt de belasting dus uitgeschakeld. Maar wanneer de POT op de maximale waarde wordt gedraaid, zal de TRIAC niet inschakelen vanwege het capaciteitseffect tussen de pinnen MT1 en MT2, deze condensator zou een pad moeten vinden om te ontladen, anders kan de TRIAC niet worden ingeschakeld. Dit effect wordt het Backlash-effect genoemd. Dit probleem kan worden verholpen door simpelweg een weerstand in serie met een schakelcircuit te introduceren om een ​​pad te verschaffen waarbinnen de condensator kan ontladen.

Radiofrequentie-interferentie (RFI) en TRIAC's

TRIAC-schakelcircuits zijn gevoeliger voor radiofrequentie-interferentie (EFI) omdat wanneer de belasting wordt ingeschakeld, de stroom plotseling van 0A naar de maximale waarde stijgt, waardoor een uitbarsting van elektrische pulsen ontstaat die een radiofrequentie-interface veroorzaakt. Hoe groter de belastingsstroom is, des te erger zal de storing zijn. Het gebruik van suppressor-circuits zoals een LC-suppressor lost dit probleem op.

TRIAC - Beperkingen

Wanneer het nodig is om AC-golfvormen in beide richtingen te schakelen, is TRIAC uiteraard de eerste keuze, aangezien het de enige bidirectionele vermogenselektronische schakelaar is. Het werkt net als twee SCR's die rug aan rug zijn verbonden en hebben ook dezelfde eigenschappen. Hoewel bij het ontwerpen van circuits met TRIAC rekening moet worden gehouden met de volgende beperkingen

• De TRIAC heeft twee SCR-structuren erin, de ene geleidt tijdens de positieve helft en de andere tijdens de negatieve helft. Maar ze triggeren niet symmetrisch en veroorzaken een verschil in de positieve en negatieve halve cyclus van de output
• Omdat het schakelen niet symmetrisch is, leidt dit ook tot harmonischen van hoog niveau die ruis in het circuit zullen veroorzaken.
• Dit harmonischenprobleem zal ook leiden tot elektromagnetische interferentie (EMI)
• Bij het gebruik van inductieve belastingen is er een enorm risico dat inschakelstroom naar de bron stroomt, daarom moet ervoor worden gezorgd dat TRIAC volledig is uitgeschakeld en de inductieve belasting veilig via een alternatief pad wordt afgevoerd