Od kavnih avtomatov do hladilnikov: triaki se uporabljajo kot robustna stikala s preprostim krmiljenjem za izmenične naprave. Visokokomutacijski triaki, ki jih poznamo tudi kot alternistorje, imajo izboljšane komutacijske lastnosti in lahko krmilijo tudi induktivna bremena brez motenj, cenovno ugodno ter z dolgo življenjsko dobo.
Triode za izmenični tok (angl. Triodes for Alternating Current – TRIAC) spadajo v družino tiristorjev in jih je mogoče krmiliti s pozitivno ali negativno napetostjo. Ko se vžgejo, ostanejo prevodni tudi brez krmilnega signala, dokler bremenski tok ne pade pod držalni tok. Pri delovanju z izmenično napetostjo se to zgodi najkasneje pri prehodu toka skozi ničlo.
Kot kaže slika 1, si lahko njihovo zgradbo predstavljamo kot dva električno ločena medsebojno obrnjena vzporedna tiristorja, ki imata skupno elektrodo vrat. Krmilni površini močnostnih območij obeh tiristorjev se pri tem prekrivata.
Triake je mogoče krmiliti na dva načina: Pri paketnem krmiljenju pustimo stikalo prevodno določeno število polovičnih ciklov in ga nato za določeno število ciklov izklopimo. Na bremenu s tem dosežemo določeno povprečno moč, ki je odvisna od razmerja med številom polvalov med vklopom in izklopom. Slika 2 kaže to odvisnost za razmerje 2 proti 1.
Zaradi fiksne periode, ki je odvisna od električnega omrežja, je tako mogoče nastaviti le celoštevilska razmerja, kar omejuje kvantizacijo izhodne spremenljivke. Za doseganje smiselnih povprečnih vrednosti morajo vklopi in izklopi trajati več polvalov.
Paketno krmiljenje je namenjeno za krmiljenje moči izmeničnih električnih porabnikov. Tipični načini uporabe so pretočni grelniki vode ali električni grelniki. Ker se preklapljanje izvaja samo v prehodih skozi ničlo, se harmoničnim popačenjem s tem v veliki meri izognemo.
Pri krmiljenju s faznim kotom se triak vklopi določen čas po začetku vsakega polvala. Slika 3 kaže to načelo delovanja shematsko.
Povprečno vrednost krmilimo za vsak cikel posebej s spreminjanjem časa vžiga triaka, ki mu pravimo tudi vžigalni kot. Prosta izbira vžigalnega kota omogoča brezstopenjsko nastavitev povprečne vrednosti v razponu od 0 do 100 %. Preprosto krmiljenje, na primer za zatemnilnik, kaže Slika 4.
Tih in trpežen: triak proti releju
Triaki so za razliko od elektromehanskih relejev polprevodniški elementi, kar prinaša določene prednosti. Delujejo tiho. Ker ni mehanske obrabe, imajo veliko daljšo življenjsko dobo kot releji. Pri uporabi triakov ne prihaja do odskakovanja kontaktov, oblokov in iskrenja. To pomeni, da lahko delujejo tudi v eksplozijsko ogroženih okoljih, kjer so iskreči se releji popoln tabu. Triake je mogoče ob tem uporabljati tudi za fazno krmiljenje bremen. Zaradi tega so uporabljeni za izredno raznolike namene v majhnih in velikih gospodinjskih aparatih, od kavnih avtomatov do hladilnikov, kjer triaki na primer pomagajo pri uravnavanju temperature, osvetlitve ter vrtljajev motorjev.
Razlika je v faznem zamiku
Tiristorji oz. triaki se izklopijo, ko tok med anodo in katodo pade pod držalni tok. Dogajanje ob preklopu ustvari po izklopu zaradi rekombinacije nabojev določen povratni tok. Če ostane v bližini vrat prisoten presežek naboja, lahko to povzroči proženje drugega tiristorja v triaku, ko napetost po prečkanju ničle znova naraste.
Pri omrežnih frekvencah do približno 400 Hz in sinusni valovni obliki je komutacija pri povsem ohmskih bremenih neproblematična, saj sta tok in napetost v fazi. Do komutacije pride po pričakovanjih pri ničelnem toku, ki je tukaj fazno usklajen z ničelno napetostjo. Slika 5 kaže pri tem prisotne poteke toka in napetosti.
Če triak uporabimo za krmiljenje induktivnega bremena, kjer je prisoten fazni zamik med tokom in napetostjo, dobimo rezultat, ki ga kaže slika Slika 6.
Tukaj se pri prehodu ob ničelnem toku na glavnih sponkah triaka pojavi določena napetost. Posledično naglo naraščanje napetosti dV/dt lahko povzroči proženje občutljivih triakov, zato zahtevajo vezja s triaki skrbno dimenzioniranje.
Pomemben parameter pri izbiri ustreznega triaka je dovoljena hitrost naraščanja napetosti dVcom/dt. Če je presežena, se komponenta ne izklopi. Za zagotovitev izklopa je zato treba ob izklopu omejiti hitrost padanja toka dIcom/dt med komutacijskim intervalom in hitrost naraščanja napetosti dVcom/dt. Podatkovni listi za triake navajajo največjo dovoljeno hitrost naraščanja komutacijske napetosti glede na temperaturo komponente in hitrost padanja anodnega toka, da se triak ne sproži.
Dušilna vezja preprečujejo neželeni vžig
Če mora triak delovati v tokokrogu z induktivnim bremenom, kjer je pričakovati napake pri preklopih, običajno vzporedno triaku vežemo razbremenilno oz. dušilno RC-vezje (angl. snubber, slika 7). Dušilna vezja preprečujejo čezmerno obremenitev triaka zaradi nenadnega naraščanja napetosti, na primer zaradi konic omrežne napetosti, in predčasno proženje. Poleg tega je mogoče hitrost naraščanja toka dI/dt omejiti še z zaporedno induktivnostjo, tako da se triak ne sproži tudi pri velikih spremembah napetosti.
Pri izbiri pravega dušilnega vezja je treba skrbno izbrati posamezne komponente. Pomembni dejavniki so induktivnost bremena, frekvenca izmenične napajalne napetosti in efektivni tok bremena. Dušilni upor mora biti dovolj velik, da prepreči prenihaje napetosti in vršni tok razelektritve kondenzatorja skozi triak omeji na dovoljeno mejno vrednost dI/dt za triak. Kondenzator dušilnega vezja mora biti dimenzioniran na polno izmenično napetost napajalnega sistema.
Vendar pa dušilno vezje, vezano vzporedno triaku, poveča kompleksnost vezja in hkrati tudi izgubno moč.
Elegantnejša rešitev za preprosto zasnovo vezja je uporaba alternistorjev. Ti visokokomutacijski triaki se od standardnih triakov razlikujejo po boljši ločitvi »tiristorskih polovic«, kar jim zagotavlja večjo robustnost ob komutaciji. Poleg tega omogoča večja dovoljena vrednost dVcom/dt krmiljenje induktivnih bremen brez dušilnih vezij. Večja dovoljena vrednost dIcom/dt izboljša komutacijo tokov z večjo frekvenco ali nesinusno obliko brez potrebe po dodatni induktivnosti za omejitev vrednosti dI/dt.
Uporaba alternistorjev zato načrtovalcem dopušča poenostavitev zasnove zaradi manjšega števila komponent in bistvenih prihrankov pri prostoru na plošči ter stroških sistema.
Rešitve za močno induktivna bremena
Alternistorji Littelfuse so zelo odporni proti udarnim tokovom, saj prenesejo vsaj desetkratnik nazivnega toka. To je pomembno pri krmiljenju induktivnih bremen, saj je vklopni tok induktivnosti nekajkrat večji od nazivnega. Mejna vrednost udarnega toka ITSM je temenska vrednost prepuščenega udarnega toka v obliki sinusnega polvala, ki traja 10 ali 8,3 ms (50 ali 60 Hz) in ga triak pri kratkem stiku zdrži brez poškodb. Ko je triak izpostavljen mejni vrednosti udarnega toka, se za kratek čas pojavijo zvišane temperature zaporne plasti.
Littelfuse ponuja alternistorje v različnih mehansko in toplotno robustnih ohišjih v izoliranih ali neizoliranih različicah. Diskretna ohišja omogočajo hitrejšo vgradnjo z vzmetnimi sponkami. Uporabljena tehnologija Clip Bonding je zelo razširjena pri proizvodnji enot in komponent z močnostnimi polprevodniki ter zagotavlja veliko zanesljivost, saj običajno žično povezavo med polprevodniško ploščico in priključkom nadomešča z masivnim bakrenim mostičem, ki zagotavlja boljšo toplotno prevodnost ter ultrahitro preklapljanje.
Kontaktne površine bakrenih sponk so veliko večje kot pri žičnih povezavah. To izboljša toplotno zmogljivost, saj se toplota učinkoviteje odvaja z vrha polprevodnika v okvir s priključki. S tem se znižajo najvišje temperature zaporne plasti med delovanjem, kar podaljša življenjsko dobo in zanesljivost triaka. Vse polprevodniške ploščice pri triakih imajo s steklom pasivirane zaporne plasti, kar zagotavlja dolgoročno zanesljivost in stabilnost parametrov pri komponentah.
Hladilni nastavki so notranje galvansko izolirani do napetosti najmanj 2500 VRMS, vse komponente pa imajo certifikat UL (ref. kartoteka E81734). To odpravlja uporabo in vgradnjo ločenih izolatorjev, kar prihrani stroške v primerjavi z modeli s hladilnimi nastavki pod napetostjo. Uporaba keramične izolacije zagotavlja boljše odvajanje toplote in daljšo življenjsko dobo od standardne epoksidne izolacije.
Štiri serije alternistorskih triakov si zaslužijo posebno omembo. Te delujejo samo v kvadrantih I, II in III (slika 8). Ker se tipično uporabljajo v izmeničnih tokokrogih, delujejo triaki samo v kvadrantih I in III ter lahko sprejmemo izgubo četrtega kvadranta proženja.
Qxx10Hx: Različica za 10 A je na voljo v izoliranih in neizoliranih ohišjih TO-220AB ter v ohišju SMD TO-263 (D2Pak). ITSM znaša 120 A (60 Hz). Različica za 25 A (Qxx25xHx) je na voljo v naslednjih ohišjih: izolirano in neizolirano TO-220; robustna izolirana ohišja TO-218 in TO218X s spajkalnimi ušesi; ohišje SMD TO-263 (D2Pak). ITSM znaša 250 A (60 Hz).
Posebej lahko omenimo visokotemperaturne alternistorje serije QJ: QJxx16xHx je močnostni triak za 16 A, ki je na voljo v ohišju TO-220AB in izoliranih ohišjih TO-220 ter TO-263 s temperaturo zaporne plasti do 150 °C in ITSM do 200 A (60 Hz). Različica za 25 A (QJxx25xHx) je na voljo v istih ohišjih, poleg tega pa še v robustnih izoliranih ohišjih TO-218 in TO218X s spajkalnimi nastavki. Ta triak omogoča temperaturo zaporne plasti do 150 °C in ITSM do 250 A (60 Hz).
Serija QJ pomaga rešiti težave s pregrevanjem pri močnostnem krmiljenju izmeničnih naprav. Omogoča lažje obvladovanje toplote in ima visoko udarno tokovno zmogljivost. To omogoča visoke vklopne tokove pri krmiljenju grelnikov in motorjev.
Zaključek
Triaki so kot nalašč za krmiljenje in fazno krmiljenje izmeničnih naprav, na primer grelnikov, svetil ter motorjev. Triake najdemo povsod, kjer so električne vtičnice – v kavnih avtomatih, pretočnih grelnikih vode, infrardečih grelnikih, kuhinjskih aparatih, električnem orodju, ogrevalnih krmilnikih, izmeničnih polprevodniških relejih, zatemnilnikih in regulatorjih vrtljajev.
Rutronik GmbH,Podružnica v Ljubljani
Motnica 5, 1236 Trzin, Slovenia
E-pošta: rutronik_si@rutronik.com
Tel. +386 1 561 09-80
https://www.rutronik.com
Rutronik GmbH
Avtorji: Thomas Bolz, Tawade Prasad
