TRİYAK - TRIAC

triyak
triyak.svg
"A1"in Anot 1, "A2"nin Anot 2 ve "G"nin Kapı olduğu bir TRIAC için devre sembolü. Anot 1 ve Anot 2 normalde sırasıyla Ana Terminal 1 (MT1) ve Ana Terminal 2 (MT2) olarak adlandırılır.
Tür Pasif
PIN konfigürasyonu anot 1, kapı ve anot 2

Bir TRIAC ( alternatif akım için triyot ; ayrıca çift ​​yönlü triyot tristör veya iki taraflı triyot tristör ), tetiklendiğinde akımı her iki yönde ileten üç terminalli bir elektronik bileşendir . TRIAC terimi, genelleştirilmiş bir ticari markadır .

TRIAC'ler, tristörlerin bir alt kümesidir ( küçük bir voltaj ve akımın çok daha büyük bir voltajı ve akımı kontrol edebildiği bir röleye benzer ) ve silikon kontrollü doğrultucular (SCR'ler) ile ilgilidir. TRIAC'lar, her iki yönde de akım akışına izin vermeleri bakımından SCR'lerden farklıdır, oysa bir SCR yalnızca tek bir yönde akım iletebilir. Çoğu TRIAC, kapıya pozitif veya negatif voltaj uygulanarak tetiklenebilir (bir SCR, pozitif voltaj gerektirir). Bir kez tetiklendiğinde, SCR'ler ve TRIAC'ler, kapı akımı dursa bile, ana akım tutma akımı adı verilen belirli bir seviyenin altına düşene kadar iletmeye devam eder .

Kapı kapatma tristörleri (GTO'lar) TRIAC'lara benzer ancak kapı sinyali kesildiğinde kapanarak daha fazla kontrol sağlar.

TRIAC'lerin çift yönlülüğü, onları alternatif akım (AC) için uygun anahtarlar yapar . Ek olarak, ana devrede AC'nin kontrollü bir faz açısında bir tetikleyici uygulamak, bir yüke akan ortalama akımın kontrolünü sağlar ( faz kontrolü ). Bu genellikle evrensel bir motorun hızını kontrol etmek , lambaları karartmak ve elektrikli ısıtıcıları kontrol etmek için kullanılır . TRIAC'ler Bipolar cihazlardır.

Operasyon

Tetikleme modları. Çeyrekler, 1 (sağ üst), 2 (sol üst), 3 (sol alt), 4 (sağ alt); MT1'e göre voltajlar
TRIAC yarı iletken yapısı

TRIAC'ların nasıl çalıştığını anlamak için dört çeyreğin her birindeki tetiklemeyi düşünün. Dört kadran Şekil 1'de gösterilmektedir ve MT1'e göre geçit ve MT2 voltajlarına bağlıdır. Ana Terminal 1 (MT1) ve Ana Terminal (MT2), sırasıyla Anot 1 (A1) ve Anot 2 (A2) olarak da adlandırılır.

Göreceli duyarlılık, belirli bir triyakın fiziksel yapısına bağlıdır, ancak bir kural olarak, kadran I en hassastır (en az kapı akımı gerekir) ve kadran 4 en az hassastır (en çok kapı akımı gerekir).

Kadran 1 ve 2'de MT2 pozitiftir ve akım MT2'den MT1'e P, N, P ve N katmanları üzerinden akar. MT2'ye bağlı N bölgesi önemli ölçüde katılmaz. 3. ve 4. kadranlarda, MT2 negatiftir ve akım MT1'den MT2'ye, ayrıca P, N, P ve N katmanları üzerinden akar. MT2'ye bağlı N bölgesi aktiftir, ancak MT1'e bağlı N bölgesi, toplu akım akışına değil, yalnızca ilk tetiklemeye katılır.

Çoğu uygulamada, geçit akımı MT2'den gelir, bu nedenle kadran 1 ve 3 tek çalışma modudur (hem geçit hem de MT2, MT1'e karşı pozitif veya negatif). Bir IC veya dijital sürücü devresinden tek polarite tetiklemeli diğer uygulamalar, MT1'in genellikle pozitif voltaja (örn.

1. çeyrek

1. bölgede operasyon
1. çeyrekte çalışan bir TRIAC için eşdeğer elektrik devresi

Çeyrek 1 işlemi, geçit ve MT2, MT1'e göre pozitif olduğunda gerçekleşir. Şekil 1

Mekanizma Şekil 3'te gösterilmiştir. Geçit akımı eşdeğer bir NPN transistör anahtarını açar, bu da eşdeğer bir PNP transistörünün tabanından akım çeker ve onu da açar. Geçit akımının bir kısmı (noktalı çizgi), p-silikon boyunca omik yol boyunca kaybolur ve NPN transistör tabanından geçmeden doğrudan MT1'e akar. Bu durumda, p-silikondaki deliklerin enjeksiyonu, MT1'in altındaki yığılmış n, p ve n katmanlarının, tabanında bir akımın varlığı nedeniyle açılan bir NPN transistörü gibi davranmasını sağlar. Bu da, MT2 üzerindeki p, n ve p katmanlarının bir PNP transistörü gibi davranmasına neden olur; bu, n-tipi tabanı, emitörüne (MT2) göre ileriye dönük önyargılı hale geldiğinden açılır. Bu nedenle, tetikleme şeması bir SCR ile aynıdır. Eşdeğer devre Şekil 4'te gösterilmektedir.

Ancak yapı SCR'lerden farklıdır. Özellikle, TRIAC her zaman, eşdeğer NPN transistörünün tabanı ve emitörü arasındaki pn bağlantısından geçmeden p-silikon üzerinden doğrudan kapıdan MT1'e akan küçük bir akıma sahiptir. Bu akım Şekil 3'te noktalı kırmızı bir çizgi ile gösterilmektedir ve bir TRIAC'ın açılması için kıyaslanabilir bir SCR'den daha fazla geçit akımına ihtiyaç duymasının nedeni budur.

Genel olarak, bu kadran dördün en hassas olanıdır. Bunun nedeni, kapı akımının doğrudan ana cihaz transistörlerinden birinin tabanına enjekte edildiği tek kadran olmasıdır.

2. çeyrek

2. çeyrekte çalışma

Çeyrek 2 işlemi, kapı negatif ve MT2, MT1'e göre pozitif olduğunda gerçekleşir. Şekil 1

Şekil 5, tetikleme sürecini göstermektedir. Cihazın açılması üç katlıdır ve MT1'den gelen akım kapının altındaki pn bağlantısı üzerinden kapıya aktığında başlar. Bu, bir NPN transistörü ve kapıya katot olarak sahip olan bir PNP transistörden oluşan bir yapıyı açar (bu yapının açılması şekilde "1" ile gösterilir). Geçide akım arttıkça, kapı ile MT2 arasındaki potansiyel farkı azalma eğiliminde olduğundan, kapının altındaki p-silikonun sol tarafının potansiyeli MT1'e doğru yükselir: bu, sol taraf ile sağ taraf arasında bir akım oluşturur. p-silikonun (şekilde "2" ile gösterilen) tarafı, bu da MT1 terminalinin altındaki NPN transistörünü ve bunun bir sonucu olarak da MT2 ile üst p-silikonun sağ tarafı arasındaki pnp transistörünü açar. Sonuç olarak, akımın büyük kısmı tarafından kesilen yapı, kadran-I işlemi ile aynıdır (Şekil 5'te "3").


Çeyrek 3

3. çeyrekte çalışma

Çeyrek 3 işlemi, geçit ve MT2, MT1'e göre negatif olduğunda gerçekleşir. Şekil 1

Tüm süreç Şekil 6'da özetlenmiştir. Süreç burada da farklı adımlarda gerçekleşir. İlk aşamada, MT1 terminali ile kapı arasındaki pn bağlantısı ileri yönlü hale gelir (adım 1). İleriye eğilim, birleşmeyi birleştiren iki katmana azınlık taşıyıcılarının enjeksiyonunu ima ettiğinden, kapının altındaki p-katmanına elektronlar enjekte edilir. Bu elektronların bazıları yeniden birleşmez ve alttaki n-bölgesine kaçmaz (adım 2). Bu da, devreye giren bir pnp transistörünün tabanı olarak hareket ederek n-bölgesinin potansiyelini düşürür (temel potansiyeli doğrudan düşürmeden transistörü açmaya uzaktan kapı kontrolü denir ). Alt katman, bu PNP transistörünün toplayıcısı olarak çalışır ve voltajı yükselir: bu p katmanı, aynı zamanda, MT2 terminalinin hemen üzerindeki son üç katmandan oluşan bir NPN transistörünün tabanı olarak da işlev görür. aktif hale gelir. Bu nedenle, Şekil 6'da "3" ile etiketlenen kırmızı ok, akımın son iletim yolunu göstermektedir.

4. çeyrek

4. bölgede operasyon

Çeyrek 4 işlemi, kapı pozitif ve MT2, MT1'e göre negatif olduğunda gerçekleşir. Şekil 1

Bu kadrandaki tetikleme, kadran III'teki tetiklemeye benzer. Proses bir uzak kapı kontrolü kullanır ve Şekil 7'de gösterilmektedir. Kapının altındaki p-katmanından MT1 altındaki n-katmanına akım akarken, serbest elektronlar şeklindeki azınlık taşıyıcılar p-bölgesine enjekte edilir ve bazıları bunların bir kısmı alttaki np eklemi tarafından toplanır ve yeniden birleşmeden bitişik n-bölgesine geçer. Kadran III'teki bir tetikleme durumunda olduğu gibi, bu n-katmanının potansiyelini düşürür ve n-katmanı ve onun yanındaki iki p-katmanı tarafından oluşturulan PNP transistörünü açar. Alt katman, bu PNP transistörünün toplayıcısı olarak çalışır ve voltajı yükselir: bu p katmanı, aynı zamanda, MT2 terminalinin hemen üzerindeki son üç katmandan oluşan bir NPN transistörünün tabanı olarak da işlev görür. aktif hale gelir. Bu nedenle, Şekil 6'da "3" ile etiketlenen kırmızı ok, akımın son iletim yolunu göstermektedir.

Genel olarak, bu kadran, dördün en az duyarlı olanıdır. Ek olarak, bazı TRIAC modelleri (mantık seviyesi ve snubberless türleri) bu kadranda tetiklenemez, sadece diğer üçünde tetiklenebilir.

Sorunlar

Bir devrede TRIAC kullanırken bilinmesi gereken bazı sınırlamalar vardır. Bu bölümde birkaç tanesi özetlenmiştir.

Kapı eşiği akımı, kilitleme akımı ve tutma akımı

Bir TRIAC, kapısına giren veya çıkan bir akım, çalışma kadranındaki ilgili bağlantıları açmak için yeterli olduğunda iletmeye başlar. Bunu yapabilen minimum akıma kapı eşik akımı denir ve genellikle I GT ile gösterilir . Tipik bir TRIAC'ta, kapı eşik akımı genellikle birkaç miliamperdir, ancak şunu da hesaba katmak gerekir:

  • I GT sıcaklığa bağlıdır: Sıcaklık ne kadar yüksek olursa, bloke edilmiş bağlantılardaki ters akımlar o kadar yüksek olur. Bu, kapı bölgesinde ihtiyaç duyulan kapı akımını azaltan daha fazla serbest taşıyıcının varlığı anlamına gelir.
  • I GT , operasyonun çeyreğine bağlıdır, çünkü farklı bir kadran, farklı bir tetikleme yolu anlamına gelir ( buraya bakın ). Kural olarak, ilk kadran en hassas olanıdır (yani, açılması için en az akımı gerektirir), dördüncü kadran ise en az hassas olanıdır.
  • Kapalı durumundan açılırken , I GT iki ana terminal MT1 ve MT2 arasındaki voltaja bağlıdır. MT1 ve MT2 arasındaki daha yüksek voltaj, bloke bağlantılarda daha büyük ters akımlara neden olur, bu nedenle cihazı tetiklemek için daha az geçit akımı gerektirir (yüksek sıcaklıkta çalışmaya benzer şekilde). Veri sayfalarında I GT , genellikle MT1 ve MT2 arasındaki belirli bir voltaj için verilir.

Kapı akımı kesildiğinde, iki ana terminal arasındaki akım kilitleme akımı denen akımdan fazla ise cihaz iletime devam eder. Kilitleme akımı, kapı akımı olmadığında cihazın iç yapısını kilitli tutan minimum akımdır. Bu parametrenin değeri şunlara göre değişir:

  • kapı akımı darbesi (genlik, şekil ve genişlik)
  • sıcaklık
  • operasyon çeyreği

Özellikle, kapı akımının darbe genişliği yeterince büyükse (genellikle birkaç on mikrosaniye), kapı sinyali kesildiğinde ve mandallama akımı tutma akımı olarak adlandırılan minimum seviyeye ulaştığında TRIAC tetikleme sürecini tamamlamıştır . Tutma akımı, cihazı iç yapısının her yerinde komütasyona ulaştıktan sonra çalışır durumda tutan iki ana terminal arasında akan minimum gerekli akımdır.

Veri sayfalarında, kilitleme akımı I L olarak gösterilirken , tutma akımı I H olarak gösterilir . Tipik olarak bazı miliamper mertebesindedirler.

Statik dv/dt

MT2 ve MT1 arasındaki yüksek bir değer , kapalıyken TRIAC'ı açabilir. Kritik statik d v /d t'nin tipik değerleri, mikrosaniye başına volt cinsindendir.

Devreye alma, geçit terminalinin MT2 terminali ile parazitik kapasitif kuplajından kaynaklanır; bu, MT2'deki büyük bir voltaj değişimi hızına yanıt olarak akımların kapıya girmesine izin verir. Bu sınırlamayla başa çıkmanın bir yolu, uygun bir RC veya RCL engelleyici ağ tasarlamaktır . Çoğu durumda bu, kapının empedansını MT1'e doğru düşürmek için yeterlidir. Bu iki terminal arasına bir direnç veya küçük bir kapasitör (veya her ikisi paralel) yerleştirilerek, geçiş sırasında oluşan kapasitif akım, cihazı etkinleştirmeden cihazdan dışarı akar. Üretici tarafından sağlanan uygulama notlarının dikkatli bir şekilde okunması ve doğru ağı tasarlamak için belirli cihaz modelinin test edilmesi sırayla yapılır. Kapı ile MT1 arasındaki kapasitörler ve dirençler için tipik değerler 100 nF'ye kadar ve 10 Ω ila 1 kΩ arasında olabilir. Normal TRIAC'ler, hassas geçit olarak pazarlanan düşük güçlü tipler dışında , sahte dv/dt tetiklemelerine karşı koruma sağlamak için halihazırda böyle bir dirence sahiptir. Bu, bir multimetre ile bir TRIAC test ederken geçidin varsayılan diyot tipi davranışını maskeleyecektir .

Veri sayfalarında, statik d v /d t , genellikle daha önce belirtildiği gibi , bir TRIAC'ın, herhangi bir akım uygulamadan bile büyük bir voltaj artışından sonra kapalı durumdan açma eğilimi ile ilgili olarak belirtilir . kapı.

Kritik di/dt

Cihaz açılırken MT1 ve MT2 arasında (her iki yönde) yüksek bir akım artışı , darbe süresi çok kısa olsa bile TRIAC'a zarar verebilir veya tahrip edebilir. Bunun nedeni, komütasyon sırasında güç kaybının cihaz boyunca eşit olarak dağılmamasıdır. Açıldığında, cihaz tüm bağlantı boyunca yayılmak için iletim bitmeden akımı iletmeye başlar. Cihaz tipik olarak birkaç nanosaniye veya mikrosaniye sonra harici devre tarafından uygulanan akımı iletmeye başlar, ancak tüm bağlantının tamamen açılması çok daha uzun zaman alır, bu nedenle çok hızlı bir akım artışı, TRIAC'a kalıcı olarak zarar verebilecek yerel sıcak noktalara neden olabilir. .

Veri sayfalarında, bu parametre genellikle mikrosaniye başına onlarca amper mertebesinde belirtilir ve tipik olarak öyledir.

dv/dt ve di/dt değiştirme

Değişken d v /d t derecesi, bir TRIAC iletken olduğunda ve indüktör gibi kısmen reaktif bir yük ile kapatmaya çalıştığında geçerlidir. Akım ve voltaj faz dışıdır, bu nedenle akım tutma değerinin altına düştüğünde, TRIAC kapanmaya çalışır, ancak akım ve voltaj arasındaki faz kayması nedeniyle iki ana terminal arasında ani bir voltaj adımı meydana gelir. cihazı tekrar açar.

Veri sayfalarında, bu parametre genellikle olarak belirtilir ve genellikle mikrosaniye başına bir miktar volta kadardır.

d v /d t'nin statik d v /d t'den daha az olmasının nedeni , cihaz kapanmaya çalışmadan kısa bir süre önce, önceki iletimin bir sonucu olarak iç katmanlarında hala bir miktar aşırı azınlık yükü olmasıdır. TRIAC kapanmaya başladığında, bu yükler geçit ve MT1 yakınındaki bölgenin iç potansiyelini değiştirir, bu nedenle d v /d t nedeniyle kapasitif akımın cihazı tekrar açması daha kolaydır .

Açık duruma dışı duruma bir komütasyon Bir diğer önemli d i / d t MT2'ye MT1 gelen akımın. Bu, standart diyotlardaki toparlanmaya benzer: d i /d t ne kadar yüksekse, ters akım da o kadar büyük olur. TRIAC'ta parazitik dirençler bulunduğundan, içindeki pn bağlantılarında yüksek bir ters akım, geçit bölgesi ile MT1 bölgesi arasında TRIAC'ın açık kalmasına neden olabilecek bir voltaj düşüşüne neden olabilir.

Bir veri sayfasında, d i /d t değiştirme genellikle mikrosaniye başına bazı amperler mertebesinde gösterilir ve genellikle öyledir.

Değişken d v /d t , endüktif yük gibi akım ve gerilim arasında faz kayması olan bir yükü sürmek için TRIAC kullanıldığında çok önemlidir. Birinin indüktörü kapatmak istediğini varsayalım: akım sıfıra düştüğünde, kapı beslenmezse, TRIAC kapanmaya çalışır, ancak bu, yukarıda belirtilen faz kayması nedeniyle voltajda bir adıma neden olur. Değişken d v /d t derecesi aşılırsa, cihaz kapanmaz.

Snubber devreleri

Reaktif ( endüktif veya kapasitif) yükleri kontrol etmek için kullanıldığında , ana devredeki AC'nin her yarım döngüsünün sonunda TRIAC'ın doğru şekilde kapanmasını sağlamaya özen gösterilmelidir. TRIAC'ler, MT1 ve MT2 arasındaki hızlı voltaj değişikliklerine (dv/dt) duyarlı olabilir, bu nedenle akım ve voltaj arasında reaktif yüklerin neden olduğu bir faz kayması, tristörü hatalı şekilde açabilecek bir voltaj adımına yol açabilir. Bir elektrik motoru tipik olarak endüktif bir yüktür ve çevrimdışı güç kaynakları (çoğu TV ve bilgisayarda kullanıldığı gibi) kapasitiftir.

MT1 ve MT2 arasında bir durdurma devresi (genellikle direnç/kapasitör veya direnç/kapasitör/indüktör tipi) kullanılarak istenmeyen açılmalar önlenebilir. Snubber devreleri ayrıca, örneğin şebeke beslemesindeki voltaj yükselmelerinden kaynaklanan erken tetiklemeyi önlemek için de kullanılır.

Dönüş-ons yüksek d bir sonucu olarak, sevk haznesi içine akan iç kapasitif akımların neden olduğu için hac / g t (yani, hızlı bir gerilim değişikliği) (paralel veya her ikisi), bir kapı direnci veya kapasitör kapısı arasında bağlanabilir ve MT1, MT1'e düşük empedanslı bir yol sağlamak ve ayrıca yanlış tetiklemeyi önlemek için. Ancak bu, gerekli tetikleme akımını arttırır veya kapasitör şarjı nedeniyle gecikme ekler. Öte yandan, geçit ve MT1 arasındaki bir direnç, cihazdan kaçak akımların çekilmesine yardımcı olur, böylece izin verilen maksimum d v /d t'nin daha düşük olduğu yüksek sıcaklıkta TRIAC'ın performansını iyileştirir . 1kΩ'dan küçük dirençlerin ve 100nF'lik kapasitörlerin değerleri genellikle bu amaç için uygundur, ancak ince ayar belirli cihaz modelinde yapılmalıdır.

Daha yüksek güçlü, daha zorlu yükler için, bir TRIAC yerine ters paralel iki SCR kullanılabilir. Her SCR kendisine uygulanan tam bir yarım döngü ters polarite voltajına sahip olacağından, yükün karakteri ne olursa olsun SCR'lerin kapatılması sağlanır. Bununla birlikte, ayrı kapılar nedeniyle, SCR'lerin uygun şekilde tetiklenmesi, bir TRIAC'ın tetiklenmesinden daha karmaşıktır.

Mevcut faz kayması , tetikleme zamanında ana devre akımının tutma akımının altında olmasına neden olursa, TRIAC'ler reaktif yüklerle güvenilir şekilde açılmayabilir . Sorunun üstesinden gelmek için DC veya bir darbe katarı , TRIAC'ı açılıncaya kadar tekrar tekrar tetiklemek için kullanılabilir.

Uygulama

Bir dimmer olarak tipik kullanım

Düşük güçlü TRIAC'ler, ışık dimmerleri , elektrikli fanlar ve diğer elektrik motorları için hız kontrolleri gibi birçok uygulamada ve birçok küçük ve büyük ev aletinin modern bilgisayarlı kontrol devrelerinde kullanılmaktadır .

Şebeke gerilimi TRIAC'ler mikrodenetleyiciler tarafından tetiklendiğinde, optoizolatörler sıklıkla kullanılır; örneğin optotriacs , kapı akımını kontrol etmek için kullanılabilir. Alternatif olarak, güvenliğin izin verdiği ve kontrolörün elektriksel izolasyonunun gerekli olmadığı durumlarda, mikrodenetleyicinin güç raylarından biri ana şebeke kaynaklarından birine bağlanabilir. Bu durumlarda nötr terminali, triyakın A1'i ile birlikte, canlı akıma bağlı A2 ile birlikte mikrodenetleyicinin güç kaynağının pozitif rayına bağlamak normaldir. TRIAC'ın kapısı, opto-izole edilmiş bir transistör ve bazen mikrodenetleyiciye bir direnç aracılığıyla bağlanabilir, böylece voltajı mikrodenetleyicinin mantığına sıfıra getirmek, onu tetiklemek için TRIAC'ın kapısından yeterli akımı çeker. Bu, TRIAC'ın kadran II ve III'te tetiklenmesini sağlar ve TRIAC'lerin tipik olarak duyarsız olduğu kadran IV'ü önler.

Örnek veriler

Bazı tipik TRIAC özellikleri
Değişken ismi Parametre Tipik değer Birim
Kapı Eşik Voltajı 0.7-1.5 V
Kapı eşiği akımı 5-50 mA
Tekrarlayan tepe durum dışı ileri voltaj 600–800 V
Tekrarlayan tepe durum dışı ters voltaj 600–800 V
RMS açık durum akımı 4-40 bir
Durumda akım, tekrarlamayan tepe 100–270 bir
Durumda ileri voltaj 1.5 V

Yüksek komütasyonlu (iki ve üç kadranlı) TRIAC'ler

Üç kadranlı TRIAC'ler yalnızca 1'den 3'e kadar olan kadranlarda çalışır ve kadran 4'te tetiklenemez. Bu cihazlar özel olarak geliştirilmiş komütasyon için yapılmıştır ve genellikle bir durdurma devresi kullanmadan reaktif yükleri kontrol edebilir.

Bu tipteki ilk TRIAC'ler, Thomson Semiconductors (şimdi ST Microelectronics ) tarafından "Alternistör" adı altında pazarlandı . Daha sonraki sürümler, "Snubberless" ve "ACS" ticari markası altında satılmaktadır (AC Anahtarı, ancak bu tip aynı zamanda Quadrant I çalışmasını engelleyen bir kapı arabelleği içerir). Littelfuse ayrıca "Alternistör" adını kullanır. Philips Semiconductors (şimdi NXP Semiconductors ), "Hi-Com" (High Commutation) ticari markasını oluşturmuştur.

Genellikle bu TRIAC'ler, doğrudan mantık düzeyindeki bileşenler tarafından sürülecek daha küçük kapı akımı ile çalışabilir.

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma

  • Tristör Teorisi ve Tasarım Konuları ; AÇIK Yarı İletken; 240 sayfa; 2006; HBD855/D. (Ücretsiz PDF indirme)

Dış bağlantılar

  • Medya ile ilgili Triaklar Wikimedia Commons