TRIAC

TRIAC

Символ цепи для TRIAC, где «A1» - это анод 1, «A2» - это анод 2, а « G "- ворота. Анод 1 и анод 2 обычно обозначаются как главный терминал 1 (MT1) и главный терминал 2 (MT2) соответственно
Тип	Пассивный
Конфигурация контактов	анод 1, затвор и анод 2

A TRIAC (триод для переменного тока ; также двунаправленный триодный тиристор или двусторонний триодный тиристор ) является трехконтактным электронный компонент, проводящий ток в любом направлении при срабатывании триггера. Термин TRIAC - это обобщенный товарный знак..

TRIAC - это подмножество тиристоров (аналог реле в том, что небольшое напряжение и ток могут управлять гораздо большим напряжением и ток) и относятся к кремниевым выпрямителям (SCR). TRIAC отличаются от SCR тем, что они позволяют току течь в обоих направлениях, тогда как SCR может проводить ток только в одном направлении. Большинство TRIAC могут запускаться путем подачи на затвор либо положительного, либо отрицательного напряжения (для SCR требуется положительное напряжение). После срабатывания тиристоры и тиристоры продолжают проводить, даже если ток затвора прекращается, пока основной ток не упадет ниже определенного уровня, называемого ток удержания.

тиристоры отключения затвора (GTO) аналогичны TRIACs, но обеспечивают больший контроль за счет отключения, когда стробирующий сигнал прекращается.

Двунаправленность TRIAC делает их удобными переключателями для переменного тока (AC). Кроме того, применение триггера при контролируемом фазовом угле переменного тока в главной цепи позволяет контролировать средний ток, протекающий в нагрузку (управление фазой ). Обычно это используется для управления скоростью универсального двигателя, затемнения ламп и управления электронагревателями. TRIAC - это биполярные устройства.

• 1 Работа
  • 1.1 Квадрант 1
  • 1.2 Квадрант 2
  • 1.3 Квадрант 3
  • 1.4 Квадрант 4
• 2 Проблемы
  • 2.1 Пороговый ток затвора, ток фиксации и удержание ток
  • 2.2 Статический dv / dt
  • 2.3 Критический di / dt
  • 2.4 Коммутирующий dv / dt и di / dt
• 3 Демпферные цепи
• 4 Применение
• 5 Примеры данных
• 6 Трехквадрантный TRIAC
• 7 См. Также
• 8 Ссылки
• 9 Дополнительная литература

Режимы запуска. Квадранты, 1 (вверху справа), 2 (вверху слева), 3 (внизу слева), 4 (внизу справа); напряжения относительно MT1 Полупроводниковая конструкция TRIAC

Чтобы понять, как работают TRIAC, рассмотрим запуск в каждом из четырех квадрантов. Четыре квадранта показаны на рисунке 1 и зависят от напряжения затвора и MT2 по отношению к MT1. Главный вывод 1 (MT1) и главный вывод (MT2) также называются анодом 1 (A1) и анодом 2 (A2) соответственно.

Относительная чувствительность зависит от физической структуры конкретного симистора, но как правило, квадрант I является наиболее чувствительным (требуется наименьший ток затвора), а квадрант 4 наименее чувствителен (требуется наибольший ток затвора).

В квадрантах 1 и 2 значение MT2 положительное, и ток течет от MT2 до MT1 через уровни P, N, P и N. Область N, прикрепленная к MT2, не участвует существенно. В квадрантах 3 и 4 значение MT2 отрицательное, и ток течет от MT1 к MT2, а также через слои P, N, P и N. Область N, подключенная к MT2, активна, но область N, подключенная к MT1, участвует только в начальном запуске, а не в потоке объемного тока.

В большинстве приложений ток затвора исходит от MT2, поэтому квадранты 1 и 3 являются единственными рабочими режимами (как затвор, так и MT2, положительный или отрицательный относительно MT1). Другие приложения с запуском по одной полярности от ИС или цифровой схемы управления работают в квадрантах 2 и 3, при этом MT1 обычно подключается к положительному напряжению (например, + 5 В), а затвор опускается до 0 В (земля).

Квадрант 1

Работа в квадранте 1 Эквивалентная электрическая цепь для TRIAC, работающего в квадранте 1

Работа в квадранте 1 происходит, когда затвор и MT2 положительны по отношению к MT1.

Механизм показан на рис. 3. Ток затвора включает эквивалентный транзистор NPN, который, в свою очередь, потребляет ток от базы эквивалентного транзистора PNP, включая его. Часть тока затвора (пунктирная линия) теряется через омический путь через p-кремний, протекая непосредственно в MT1, не проходя через базу транзистора NPN. В этом случае введение дырок в p-кремний заставляет уложенные n, p и n слои под MT1 вести себя как NPN-транзистор, который включается из-за наличия тока в его базе. Это, в свою очередь, заставляет слои p, n и p на MT2 вести себя как PNP-транзистор, который включается, потому что его база n-типа становится смещенной в прямом направлении относительно его эмиттера (MT2). Таким образом, схема запуска такая же, как у SCR. Эквивалентная схема изображена на рисунке 4.

Однако структура отличается от SCR. В частности, у TRIAC всегда есть небольшой ток, протекающий непосредственно от затвора к MT1 через p-кремний, не проходя через p-n переход между базой и эмиттером эквивалентного NPN-транзистора. Этот ток обозначен на рисунке 3 пунктирной красной линией и является причиной того, почему для включения TRIAC требуется больший ток затвора, чем для сравнимого по номиналу тиристора.

Как правило, этот квадрант является наиболее чувствительным из четырех. Это связано с тем, что это единственный квадрант, в котором ток затвора вводится непосредственно в базу одного из транзисторов основного устройства.

Квадрант 2

Работа в квадранте 2

Работа в квадранте 2 происходит, когда затвор является отрицательным, а MT2 положительным по отношению к MT1.

На рисунке 5 показан процесс запуска. Включение устройства трехкратное и начинается, когда ток от МТ1 течет в затвор через p-n переход под затвором. Это включает структуру, состоящую из транзистора NPN и транзистора PNP, затвор которого используется в качестве катода (включение этой структуры обозначено цифрой "1" на рисунке). По мере увеличения тока в затворе потенциал левой стороны p-кремния под затвором повышается в сторону MT1, поскольку разность потенциалов между затвором и MT2 имеет тенденцию к уменьшению: это устанавливает ток между левой стороной и правой сторона p-кремния (обозначена цифрой 2 на рисунке), которая, в свою очередь, включает транзистор NPN под выводом MT1 и, как следствие, также транзистор pnp между MT2 и правой стороной верхнего кремния p-типа. Таким образом, в конечном итоге структура, через которую проходит большая часть тока, аналогична работе в квадранте I («3» на рисунке 5).

.

Квадрант 3

Работа в квадранте 3

Работа в квадранте 3 происходит, когда вентиль и MT2 отрицательны по отношению к MT1.

Весь процесс обрисован в общих чертах на рисунке 6. Здесь процесс также происходит на разных этапах. На первом этапе pn-переход между выводом MT1 и затвором становится смещенным в прямом направлении (этап 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, действующей как база для включающегося pnp-транзистора (включение транзистора без прямого понижения потенциала базы называется дистанционным управлением затвором ). Нижний p-слой работает как коллектор этого PNP-транзистора и имеет повышенное напряжение: этот p-слой также действует как база NPN-транзистора, состоящего из последних трех слоев, расположенных непосредственно над выводом MT2, который, в свою очередь, активируется. Таким образом, красная стрелка, обозначенная цифрой «3» на рисунке 6, показывает конечный путь прохождения тока.

Квадрант 4

Работа в квадранте 4

Работа в квадранте 4 происходит, когда затвор положительный и MT2 отрицательно по отношению к MT1.

Запуск в этом квадранте аналогичен запуску в квадранте III. В процессе используется дистанционное управление затвором и показано на рисунке 7. Поскольку ток течет из p-слоя под затвором в n-слой под MT1, неосновные носители в виде свободных электронов вводятся в p-область, а некоторые из них собираются нижележащим np-переходом и переходят в прилегающую n-область без рекомбинации. Как и в случае запуска в квадранте III, это снижает потенциал n-слоя и включает PNP-транзистор, образованный n-слоем и двумя соседними p-слоями. Нижний p-слой работает как коллектор этого PNP-транзистора и имеет повышенное напряжение: этот p-слой также действует как база NPN-транзистора, состоящего из последних трех слоев, расположенных непосредственно над выводом MT2, который, в свою очередь, активируется. Таким образом, красная стрелка, обозначенная цифрой «3» на рисунке 6, показывает конечный путь проводимости тока.

Как правило, этот квадрант наименее чувствителен из четырех. Кроме того, некоторые модели симисторов (уровень логики) и демпферные типы) не могут срабатывать в этом квадранте, а только в трех других.

Есть некоторые недостатки, которые следует знать при использовании TRIAC в цепи. В этом разделе кратко излагаются некоторые из них.

Пороговый ток затвора, ток фиксации и ток удержания

ТРИАК начинает проводить, когда ток, текущий в его затвор или из него, достаточен для включения соответствующих переходов в квадранте работы. Минимальный ток, способный сделать это, называется пороговым током затвора и обычно обозначается I GT. В типичном TRIAC пороговый ток затвора обычно составляет несколько миллиампер, но следует также учитывать, что:

• IGTзависит от температуры: чем выше температура, тем выше обратные токи в заблокированных переходах. Это подразумевает наличие большего количества свободных носителей в области затвора, что снижает необходимый ток затвора.
• IGTзависит от квадранта работы, потому что другой квадрант подразумевает другой способ запуска (см. Здесь). Как правило, первый квадрант является наиболее чувствительным (т.е. требует наименьшего тока для включения), тогда как четвертый квадрант наименее чувствителен.
• При включении из выключенного состояния I GT зависит от напряжения на двух основных клеммах MT1 и MT2. Более высокое напряжение между MT1 и MT2 вызывает большие обратные токи в заблокированных переходах, что требует меньшего тока затвора для запуска устройства (аналогично высокотемпературной работе). В таблицах данных I GT обычно указывается для заданного напряжения между MT1 и MT2.

Когда ток затвора прекращается, если ток между двумя основными клеммами больше, чем то, что называется фиксируя ток, устройство продолжает проводить. Ток фиксации - это минимальный ток, который удерживает внутреннюю структуру устройства в фиксации в отсутствие тока затвора. Значение этого параметра меняется в зависимости от:

• импульса тока затвора (амплитуда, форма и ширина)
• температуры
• квадрант работы

В частности, если ширина импульса затвора ток достаточно велик (обычно несколько десятков микросекунд), TRIAC завершил процесс запуска, когда стробирующий сигнал прекращается, и ток фиксации достигает минимального уровня, называемого током удержания . Ток удержания - это минимально необходимый ток, протекающий между двумя основными клеммами, который сохраняет устройство включенным после того, как оно достигнет коммутации в каждой части его внутренней структуры.

В технических характеристиках ток фиксации обозначен как I L, а ток удержания обозначен как I H. Обычно они составляют несколько миллиампер.

Статический dv / dt

A high $d\; \; vd\; \; t\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; operatorname\; \{d\}\; v\; \backslash \; over\; \backslash \; operatorname\; \{d\}\; t\}$между MT2 и MT1 может включать TRIAC, когда он выключен. Типичные значения критических статических dv / dt выражаются в вольтах на микросекунду.

Включение происходит из-за паразитной емкостной связи вывода затвора с выводом MT2, которая пропускает токи в затвор в ответ на большую скорость изменения напряжения на MT2. Один из способов справиться с этим ограничением - разработать подходящую сеть RC или RCL демпфер. Во многих случаях этого достаточно, чтобы снизить импеданс затвора по отношению к MT1. При установке резистора или небольшого конденсатора (или обоих параллельно) между этими двумя выводами емкостной ток, генерируемый во время переходного процесса, вытекает из устройства без его активации. Необходимо внимательно прочитать инструкции по применению, предоставленные производителем, и протестировать конкретную модель устройства для разработки правильной сети. Типичные значения конденсаторов и резисторов между затвором и MT1 могут составлять до 100 нФ и от 10 Ом до 1 кОм. Обычные TRIAC, за исключением маломощных типов, которые продаются как чувствительные вентили, уже имеют встроенный резистор для защиты от ложного срабатывания du / dt. Это замаскирует предполагаемое поведение диода затвора при тестировании TRIAC с помощью мультиметра.

. В технических данных статический dv / dt обычно указывается как $(d\; \; vd\; \; t)\; s\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; left\; (\{\backslash \; frac\; \{\backslash \; operatorname\; \{d\}\; v\}\; \{\backslash \; operatorname\; \{d\}\; t\}\}\; \backslash \; right)\; \_\; \{s\}\}$и, как упоминалось ранее, относится к тенденции TRIAC для включения из выключенного состояния после большой скорости нарастания напряжения даже без подачи тока на затвор.

Критический di / dt

Высокая скорость нарастания тока между MT1 и MT2 (в любом направлении) при включении устройства может повредить или разрушить TRIAC, даже если длительность импульса очень мала. Причина в том, что во время коммутации рассеиваемая мощность неравномерно распределяется по устройству. При включении устройство начинает проводить ток до того, как проводимость прекращается и распространяется по всему соединению. Обычно устройство начинает проводить ток, наложенный внешней схемой, через несколько наносекунд или микросекунд, но полное включение всего перехода занимает гораздо больше времени, поэтому слишком быстрое повышение тока может вызвать локальные горячие точки, которые могут необратимо повредить симистор..

В таблицах этот параметр обычно обозначается как $d\; \; id\; \; t\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; operatorname\; \{d\}\; i\}\; \{\backslash \; operatorname\; \{d\}\; t\}\}\}$и обычно составляет порядка десятков ампер на микросекунду.

Коммутирующие dv / dt и di / dt

Рейтинг коммутации dv / dt применяется, когда TRIAC проводит и пытается выключиться с частично реактивной нагрузкой, такой как индуктор. Ток и напряжение не совпадают по фазе, поэтому, когда ток падает ниже удерживаемого значения, TRIAC пытается выключиться, но из-за фазового сдвига между током и напряжением между двумя основными клеммами происходит внезапный скачок напряжения, который снова включает устройство.

В таблицах этот параметр обычно обозначается как $(d\; \; vd\; \; t)\; c\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; left\; (\{\backslash \; frac\; \{\backslash \; operatorname\; \{d\}\; v\}\; \{\backslash \; operatorname\; \{d\}\; t\; \}\}\; \backslash \; right)\; \_\; \{c\}\}$и обычно имеет порядок до нескольких вольт за микросекунду.

Причина, по которой коммутируемый dv / dt меньше статического dv / dt, заключается в том, что незадолго до того, как устройство попытается выключиться, в его внутренних слоях все еще есть избыточный неосновной заряд, поскольку результат предыдущего проведения. Когда TRIAC начинает отключаться, эти заряды изменяют внутренний потенциал области около затвора и MT1, поэтому емкостному току из-за dv / dt легче снова включить устройство.

Другой важный фактор при переключении из включенного состояния в выключенное - это di / dt тока от MT1 к MT2. Это похоже на восстановление в стандартных диодах: чем выше di / dt, тем больше обратный ток. Поскольку в TRIAC есть паразитные сопротивления, высокий обратный ток в p-n переходах внутри него может спровоцировать падение напряжения между областью затвора и областью MT1, что может заставить TRIAC оставаться включенным.

В таблице коммутирующий di / dt обычно обозначается как $(d\; \; id\; \; t)\; c\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; left\; (\{\backslash \; frac\; \{\backslash \; operatorname\; \{d\}\; i\}\; \{\backslash \; operatorname\; \{d\}\; t\}\}\; \backslash \; right)\; \_\; \{c\}\}$и обычно составляет порядка нескольких ампер на микросекунду.

Коммутирующий dv / dt очень важен, когда TRIAC используется для управления нагрузкой с фазовым сдвигом между током и напряжением, такой как индуктивная нагрузка. Предположим, кто-то хочет выключить катушку индуктивности: когда ток достигает нуля, если затвор не запитан, TRIAC пытается выключиться, но это вызывает скачок напряжения на нем из-за вышеупомянутого фазового сдвига. Если значение коммутируемого dv / dt превышено, устройство не выключится.

При использовании для управления реактивными (индуктивными или емкостными) нагрузками необходимо следить за тем, чтобы TRIAC отключался правильно в конце каждой половины. -цикл переменного тока в главной цепи. TRIAC могут быть чувствительны к быстрым изменениям напряжения (dv / dt) между MT1 и MT2, поэтому фазовый сдвиг между током и напряжением, вызванный реактивными нагрузками, может привести к скачку напряжения, который может привести к ошибочному включению тиристора. Электродвигатель обычно представляет собой индуктивную нагрузку, а автономные источники питания, которые используются в большинстве телевизоров и компьютеров, являются емкостными.

Нежелательных включений можно избежать, используя демпфирующую цепь (обычно типа резистор / конденсатор или резистор / конденсатор / индуктор) между MT1 и MT2. Демпфирующие цепи также используются для предотвращения преждевременного срабатывания, например, из-за скачков напряжения в сети.

Поскольку включения вызваны внутренними емкостными токами, протекающими в затвор как следствие высокого dv / dt (т. Е. Быстрого изменения напряжения), резистор затвора или конденсатор (или оба подключенные параллельно) могут быть подключен между затвором и MT1, чтобы обеспечить путь к MT1 с низким импедансом и дополнительно предотвратить ложное срабатывание. Однако это увеличивает требуемый ток срабатывания 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 TRIAC при высокой температуре, где максимально допустимое значение dv / dt ниже. Для этой цели обычно подходят резисторы менее 1 кОм и конденсаторы 100 нФ, хотя точную настройку следует выполнять для конкретной модели устройства.

Для более мощных и требовательных нагрузок два SCR в обратной параллели могут использоваться вместо одного TRIAC. Поскольку к каждому тиристору будет приложен полный полупериод напряжения обратной полярности, отключение тиристоров гарантировано независимо от характера нагрузки. Однако из-за отдельных вентилей надлежащий запуск SCR более сложен, чем запуск TRIAC.

TRIAC также может не включиться надежно с реактивной нагрузкой, если текущий фазовый сдвиг приводит к тому, что ток основной цепи становится ниже удерживающего тока во время запуска. Чтобы решить эту проблему, можно использовать постоянный ток или последовательность импульсов , чтобы многократно запускать TRIAC, пока он не включится.

Типичное использование в качестве диммера

Маломощные TRIAC используются во многих приложениях, таких как свет диммеры, регуляторы скорости для электрические вентиляторы и другие электродвигатели, а также в современных компьютеризированных схемах управления многими бытовыми малыми и крупными бытовыми приборами.

При срабатывании симисторов сетевого напряжения микроконтроллерами, оптоизоляторы используются часто; например, может использоваться для управления током затвора. В качестве альтернативы, если безопасность позволяет и электрическая изоляция контроллера не требуется, одну из шин питания микроконтроллера можно подключить к одному из источников питания. В этих ситуациях нормально подключить нейтральный вывод к положительной шине источника питания микроконтроллера вместе с A1 симистора, при этом A2 подключен к токоведущему. Затвор TRIAC может быть подключен через оптоизолированный транзистор, а иногда представляет собой резистор к микроконтроллеру, так что снижение напряжения до логического нуля микроконтроллера протягивает через затвор TRIAC достаточно тока для его запуска. Это гарантирует, что TRIAC запускается в квадрантах II и III, и избегает квадранта IV, где TRIAC обычно нечувствительны.

Некоторые типичные спецификации TRIAC

Имя переменной	Параметр	Типичное значение	Единица
$V\; gt\; \{\backslash \; displaystyle\; V\; \_\; \{\backslash \; text\; \{gt\}\}\}$	Пороговое напряжение затвора	0,7-1,5	V
$I\; gt\; \{\backslash \; displaystyle\; I\; \_\; \{\backslash \; text\; \{gt\}\}\}$	Пороговый ток затвора	5–50	mA
$V\; drm\; \{\backslash \; displaystyle\; V\; \_\; \{\backslash \; text\; \{drm\}\}\}$	Повторяющийся пик прямое напряжение в закрытом состоянии	600–800	V
$В\; rrm\; \{\backslash \; displaystyle\; V\; \_\; \{\backslash \; text\; \{rrm\}\}\}$	Повторяющееся пиковое обратное напряжение в закрытом состоянии	600–800	V
$I\; t\; \{\backslash \; displaystyle\; I\; \_\; \{\backslash \; text\; \{t\}\}\}$	RMS ток в открытом состоянии	4–40	A
$I\; tsm\; \{\backslash \; displaystyle\; I\; \_\; \{\backslash \; text\; \{\; tsm\}\}\}$	Ток в открытом состоянии, непериодический пик	100–270	A
$В\; t\; \{\backslash \; displaystyle\; V\; \_\; \{\backslash \; text\; \{t\}\}\}$	Прямое напряжение в открытом состоянии	1,5	V

Трехквадрантный TRIAC работает только в квадрантах с 1 по 3 и не могут срабатывать в квадранте 4. Эти устройства созданы специально для улучшенной коммутации и часто могут управлять реактивными нагрузками без использования демпфирующей цепи.

Первые триаки этого типа были проданы Thomson Semiconductors (ныне ST Microelectronics ) под названием «Альтернристор». Более поздние версии продаются под торговой маркой «Snubberless». Литтельфуз также использует название «Альтерннистор». Компания Philips Semiconductors (теперь NXP Semiconductors ) создала товарный знак «High Commutation» («Hi-Com»).

Другие трехквадрантные TRIAC могут работать с меньшим током затвора, чтобы напрямую управлять компонентами логического уровня.

• DIAC (диод для переменного тока)
• Quadrac
• Кремниевый управляемый выпрямитель (SCR)
• Триод

• Теория и конструкция тиристоров; ON Semiconductor; 240 страниц; 2006; HBD855 / D. (Бесплатная загрузка PDF)