Преимущества

трехквадрантных триаков (симисторов)

Электрическими приборами и инструментами мы пользуемся ежедневно. Они делают нашу жизнь более легкой и удобной, а мы ожидаем от них надежной работы. Удобными в работе эти приборы делает электронное управление мощностью. Основой многих современных устройств управления мощностью является простой, надежный и недорогой элемент - триак (симистор). Для устройств, имеющих двигатели или другие индуктивные и емкостные нагрузки, трехквадрантные (3Q) триаки имеют ряд преимуществ перед традиционными четырехквадрантными (4Q) триаками. Эти преимущества выгодны как изготовителям оборудования, так и конечному потребителю, за счет своей надежности и отличных рабочих характеристик.

Квадранты триака

3Q-триак (также известный, как триак Hi-Com) может переключаться в трех режимах (квадрантах), в отличие от 4Q-триаков, для которых переключение возможно во всех 4 квадрантах. В терминологии встречается как краткое (от 1 до 4), так и подробное (T2+, G–) обозначение квадрантов триака. Чтобы избежать путаницы, в таблице 1 приведены соответствия между различными обозначениями.

Таблица 1. Возможные обозначения квадрантов триака

Почему 3Q-триак?

Для предотвращения ложных срабатываний триаков, вызванных шумами и пульсациями, создаваемыми двигателями, цепи, использующие 4Q-триаки, должны иметь дополнительные компоненты защиты. Это, как правило, демпферная RC-цепочка между силовыми электродами триака, которая используется для ограничения скорости изменения напряжения (dV/dt) и, в некоторых случаях, необходима индуктивность для ограничения скорости изменения тока при коммутации (dIcom/dt). Эти компоненты увеличивают стоимость устройства и его габариты. Кроме того, они могут также уменьшать надежность устройства.

Плохо подобранные компоненты демпфера могут создавать опасные выбросы тока, превышающие максимально допустимые значения. Это может случиться, если триак блокирует высокое напряжение, и при этом заряженный конденсатор демпфера слишком быстро разряжается через триак.

Демпфер состоит из конденсатора и резистора, соединенных последовательно, обычно C = 0,1 мФ и R >= 100 Ом. Резистор — углеродный, выдерживающий перегрузки без перегорания. Номиналы компонентов демпфера рассчитываются исходя из ограничения dV_COM/dt или dVD/dt до уровня, при котором гарантирована стабильная работа триака. Для того чтобы избежать возможности повреждения тиристора от разрядки конденсатора демпфера, необходимо использовать максимальное значение R и минимальное значение C, при которых dV/dt ограничивается до требуемого уровня.

4Q-триаки использовались на протяжении многих лет, а от старых привычек избавляться трудно. Во многих устройствах мы продолжаем видеть их применение наряду с дополнительными компонентами защиты. Но ничто не стоит на месте, разработки в этой области продолжаются:

• сравнительно недавнее достижение — Hi-Com 3Q-триаки, которые вообще не нуждаются в компонентах защиты, позволяя выпускать более надежные, дешевые и более миниатюрные приборы;
• 3Q-триаки доступны в высококачественных корпусах для поверхностного монтажа от SOT223 и SOT428 (DPAK) до SOT404 (D2PAK). Это позволяет снизить размер и стоимость для большинства изделий бытовой электроники, использующих поверхностный монтаж.

Примеры применения

Нагревательные устройства (кухонные плиты, печи, и т. п.) используют переключение «вкл.-выкл.» для поддержания температуры, близкой к выбранной. Аналогично, компрессоры кондиционеров, морозильников и холодильников включаются и выключаются для управления охлаждением воздуха.

Для более совершенного управления требуется непрерывное или дискретное изменение мощности. Например, кухонные приборы: кухонные комбайны, миксеры и т. д., которые нуждаются в регулировке скорости двигателя для выполнения различных задач. Швейные машины — тоже хороший пример. Швейная машина, работающая только на полной скорости, имела бы значительно меньше возможностей. Популярны и другие приборы, например:

• вентиляторы с переменной скоростью;
• пылесосы с управляемой мощностью;
• стиральные машины с изменяемой скоростью и направлением стирки и высокоскоростным отжимом.

Так называемые товары white goods, например, стиральные и посудомоечные машины с современными функциями экономии энергии, используют до 8 триаков в схемах управления двигателями, насосами и клапанами. Триаки обеспечивают самую низкую стоимость и самый простой путь к надежной автоматической системе переключения и управления мощностью.

В большинстве случаев используются цепи управления фазой для изменения мощности двигателя. На рис. 3 приведен практический пример — управление скоростью двигателя для 1,5-киловаттного пылесоса. Это наиболее простой способ, использование 3Q-триака делает ненужным включение демпфера для защиты устройства.

Что происходит 4Q-триаке?

4Q-триак может переключаться в квадранте 3+ (T2–, G+), так как обладает соответствующей структурой — имеет небольшие области перекрытия переходов в зоне затвора. При таком включении ток нагрузки имеет задержку, так как переходы внутри триака проходят через несколько промежуточных стадий изменения проводимости.

Включение в 3+ квадранте имеет несколько неудобств:

• Наименьшая чувствительность триака (Igt самый высокий по сравнению с остальными квадрантами). Из-за этого необходим более высокий ток затвора для гарантированного открывания.
• Самая длительная из всех четырех квадрантов задержка между началом протекания тока затвора и переходом триака в состояние проводимости. Поэтому импульс тока затвора должен быть более продолжительным.
• Самая низкая допустимая скорость нарастания тока нагрузки (dIT/dt). Это является причиной ограничения критических характеристик и перегорания триака в области затвора при управлении нагрузками с высокими пусковыми токами, например емкостных нагрузок или ламп накаливания.

Внутреннее строение триака, которое позволяет ему переключаться в 3+ квадранте, также позволяет носителям заряда пересекать барьер от одной половины триака к другой при условии высокого dI_COM/dt и dV_COM/dt. Этот эффект может привести к неспособности выключаться при переходе нулевого значения тока нагрузки.

3Q-триак

Отличие 3Q-триака от 4Q-триака заключается в некритичной структуре перекрытия переходов у затвора. И хотя это делает его неспособным к управлению в 3+ квадранте, зато устраняет возможное самопроизвольное срабатывание и помогает избежать всех неудобств, относящихся к 4Q-триакам. Так как большинство устройств работает в квадрантах 1+ и 3– (управление фазой), или 1– и 3– (однополярное управление с помощью интегральных схем или других электронных цепей), то потеря управления в 3+ квадранте — очень малая цена за полученные преимущества.

Преимущества 3Q-триаков

1. Высокое значение dV_COM/dt исключает необходимость использования демпфера. В конце полуволны питающего напряжения ток нагрузки пройдет через ноль. При этом триак переключится в состояние блокирования тока нагрузки, пока не будет открыт другим импульсом затвора. Выключение при переходе через ноль называется «коммутация».

При управлении индуктивными нагрузками (например: двигатели, трансформаторы, соленоиды и т. п.) присутствует сдвиг фазы между напряжением и током, ток нагрузки отстает от напряжения. Поэтому при нулевом токе переключающемуся триаку требуется блокировать высокое напряжение противоположной полярности. Скорость нарастания напряжения для устройств частотой 50–60 Гц в большинстве случаев будет ограничена значением 20 В/мс. Это обусловливается особенностью возвращения триака к блокирующему состоянию, а также внутренними паразитными емкостями. Этого значения dV_COM/dt вполне достаточно для того, чтобы помешать коммутации 4Q-триака и вызывать самопроизвольное включение с начала следующей полуволны без импульса затвора.

Традиционно паразитное включение высоким dVCOM/dt предотвращалось присоединением демпферной цепочки параллельно триаку. При использовании 3Q-триака демпфер в большинстве случаев можно исключить.

2. Высокое значение dVD/dt исключает необходимость использования демпфера. Если цепь подвержена переходным процессам и колебаниям, например, при наличии высокой индуктивной нагрузки в цепи, во время включения или выключения, а также во время грозы, есть вероятность, что на триаке в непроводящем состоянии напряжение будет нарастать с высокой скоростью (dVD/dt). Внутренняя емкость перехода триака может создавать достаточный ток затвора для того, чтобы самопроизвольно открыть 4Q-триак. Для ограничения dVD/dt уровнем, при котором исключается данное явление, также применяется демпферная цепочка.

При установке трехквадрантного триака демпфер в большинстве случаев может быть исключен.

Отсутствие критичной структуры перекрытия переходов дает триакам Hi-Com от Philips минимальное значение dVD/dt = 1000 В/мс, а типовое — 4000 В/мс.

3. Высокое значение dICOM/dt исключает необходимость использования дросселя. Во многих устройствах требуется, чтобы триак управлял двигателем постоянного тока или другой индуктивной нагрузкой, включенной через мостовой выпрямитель. Примеры этого — якорные электродвигатели, маленькие, но мощные электродвигатели с постоянными магнитами, применяющиеся в кухонных приборах. Эти питаемые через выпрямитель нагрузки налагают очень жесткие требования на триак.

В течение каждой полуволны питающего напряжения, когда оно стремится к нулю, силами противо-ЭДС вращения якоря двигателя создается напряжение, достигающее значений, близких к напряжению питания. Напряжение питания продолжает падать, ток от источника питания резко прекращается, а ток двигателя свободно спадает через выпрямительный мост.

Ток источника может проходить только через триак при напряжении питания, превышающем напряжение противо-ЭДС вращения якоря двигателя. Как только напряжение питания падает ниже напряжения противо-ЭДС якоря двигателя, ток через триак резко уменьшается. Это происходит близко к моменту коммутации. Высокого значения dICOM/dt может быть достаточно для того, чтобы не дать 4Q-триаку выключиться, даже если dV_COM/dt будет 0,11 В/мс, что является максимальным значением изменения напряжения для синусоиды 240 В, 50 Гц. Традиционно метод предотвращения этого эффекта состоял в ограничении скорости изменения тока индуктивностью в несколько мГн. Трехквадрантный триак может успешно коммутировать высокий dICOM/dt, не нуждаясь в индуктивности.

В лабораторных испытаниях реальных устройств стандартный 4Q-триак заменяли эквивалентным 3Q-триаком Hi-Com. Обнаружилась большая разница в поведении устройств.

У 4Q триаков были самопроизвольные срабатывания при 40 °C, а 3Q-триаки успешно работали при повышенной температуре — 150 °C, что на 25 °C выше рекомендуемой максимальной температуры перехода. Это имеет очень важное значение, так как все триаки становятся значительно более чувствительными при таких высоких температурах, что увеличивает вероятность ложного срабатывания. Данный тест наглядно продемонстрировал преимущества 3Q-триаков.

Таблица 2. Параметры 3Q-триаков

Сергей Белялов

Статьи по: ARM PIC AVR MSP430, DSP, RF компоненты, Преобразование и коммутация речевых сигналов, Аналоговая техника, ADC, DAC, PLD, FPGA, MOSFET, IGBT, Дискретные полупрoводниковые приборы. Sensor, Проектирование и технология, LCD, LCM, LED. Оптоэлектроника и ВОЛС, Дистрибуция электронных компонентов, Оборудование и измерительная техника, Пассивные элементы и коммутационные устройства, Системы идентификации и защиты информации, Корпуса, Печатные платы