5.3 Αρχές λειτουργίας και χαρακτηριστικά των Νταϊακ (DIAC) και Τραϊακ (TRIAC)
5.3.1 Δομή και λειτουργία DIAC
Σχήμα 5.3.1 (α) Αρχή κατασκευής, (β) τελική δομή, (γ) κυκλωματικό σύμβολο και (δ) χαρακτηριστική ρευματος-τάσης ενός DIAC
Ένα DIAC είναι μία αμφίδρομη διάταξη. Η δομή της μοιάζει σαν να έχουν συνδεθεί δυο δίοδοι Ρ-Ν-Ρ-Ν παράλληλα και αντίστροφα (σχ.5.3.1α). Το αποτέλεσμα μιας τέτοιας σύνδεσης (σχ 5.3.1β) είναι μια διάταξη της οποίας το αριστερό μέρος, διαβάζοντας από πάνω προς τα κάτω, μοιάζει με μία δίοδο Ν-Ρ-Ν-Ρ (δηλ. μια ανάστροφα τοποθετημένη δίοδο Ρ-Ν-Ρ-Ν) και το δεξιό με μια δίοδο Ρ-Ν-Ρ-Ν. Το κυκλωματικό σύμβολο της διόδου DIAC παρουσιάζεται στο σχ. 5.3.1γ. Πέραν αυτου του συμβόλου υπάρχουν και άλλα.
Το αποτέλεσμα αυτής της δομής είναι μια συμμετρική συμπεριφορά σε ότι αφορά τη χαρακτηριστική ρευματος-τάσης. Σε κάθε πολικότητα η αρχή λειτουργίας της διόδου DIAC είναι όμοια με αυτή της διόδου Ρ-Ν-Ρ- Ν. Όταν η τάση στα άκρα της υπερβεί την τάση διάσπασης VBO δεν έχει νόημα να χρησιμοποιούμε πλέον τον όρο ορθή) το αντίστοιχο τμήμα το οποίο βρίσκεται υπό ορθή πόλωση αρχίζει η διαδικασία μανδάλωσης ώστε η διάταξη να μεταβεί στην κατάσταση ΟΝ. Όταν η διάταξη βρίσκεται στην κατάσταση ΟΝ και το ρευμα, το οποίο τη διαρρέει, ελαττωθεί κάτω του ρεύματος συγκράτησης τότε η διάταξη μεταβαίνει στην κατάσταση OFF. Αυτό συμβαίνει σε οποιαδήποτε πολικότητα, όπως φαίνεται στο σχ.5.3.1δ
Οι δίοδοι DIAC χρησιμοποιούνται πολυ συχνά στα κυκλώματα ολίσθησης φάσης για τη σκανδάλη διατάξεων TRIAC στον έλεγχο ισχυος εναλλασσόμενου.
5.3.2 Δομή και λειτουργία TRIAC
Σχήμα 5.3.2 (α) Δομή και (β) κυκλωματικό σύμβολο ενός TRIAC
Και το TRIAC είναι μια αμφίδρομη διάταξη. Η δομή του είναι πιο σύνθετη σε σχέση με τις προηγούμενες. Στο σχ.5.3.2α παρουσιάζεται η δομή αυτή, η οποία αποτελείται πλέον από πέντε επαφές Ρ-Ν. Στο αριστερό τμήμα υπάρχει μια διαδοχή ημιαγωγών Ν-Ρ-Ν-Ρ ενώ στο δεξιό μια διαδοχή ημιαγωγών Ρ-Ν-Ρ-Ν. Τα δυο τμήματα αυτά σε συνδυασμό με την πυλη (G), η οποία είναι συνδεδεμένη με ένα ανεξάρτητο τμήμα ημιαγωγό τυπου Ν και με τον ημιαγωγό τυπου Ρ (Ρ2 στο σχ.5.3.2α), σχηματίζουν δυο SCR. Αυτά με τη σειρά τους είναι συνδεδεμένα παράλληλα και με αντίθετες φορές και επίσης έχουν ενωμένες τις πυλες τους. Ανάλογα με την πολικότητας της τάσης, η οποία εφαρμόζεται στα άκρα του TRIAC, είναι δυνατή η ενεργοποίηση του ενός ή του άλλου "SCR".
Ένα TRIAC, όπως προαναφέρθηκε, είναι μια αμφίδρομη διάταξη. Έτσι δεν έχουν νόημα οι έννοιες άνοδος και κάθοδος, όπως στο SCR, και γι' αυτό οι βασικοί ακροδέκτες συμβολίζονται ως Α1 και Α2. Η μόνη και βασική διαφοροποίηση η οποία υπάρχει μεταςυ των ακροδεκτών αυτών είναι ότι ο ακροδέκτης Α2 αποτελεί το σημείο αναφοράς. Ως προς αυτό εφαρμόζεται η τάση στην πυλη και ως προς αυτό μετράται η τάση στον ακροδέκτη Α1. Με απλά λόγια, ο ακροδέκτης Α2 παίζει ρόλο αντίστοιχο με εκείνο της καθόδου στα SCR. Για να μεταβεί ένα TRIAC από την κατάσταση OFF στην κατάσταση ON, η ιδιαίτερη δομή του επιβάλει εφαρμογή θετικής τάσης στην πυλη όταν ο ακροδέκτης Α1 είναι θετικός και αρνητική όταν ο ακροδέκτης Α1 είναι αρνητικός ως προς τον Α2. Ένα TRIAC επανέρχεται στην κατάσταση OFF όταν το ρευμα το οποίο το διαρρέει γίνεται μικρότερο του ρεύματος συγκράτησης.
5.4 Εφαρμογή των ανωτέρω για τον έλεγχο της ισχύος
Υπάρχει ένας σημαντικός αριθμός εφαρμογών, οι οποίες απαιτουν τον έλεγχο του ρεύματος που διαρρέει ένα κυκλωμα. Σ' αυτές τις εφαρμογές περιλαμβάνονται η ηλεκτροσυγκόλληση μετάλλων, ο έλεγχος φωτισμου, ο έλεγχος κινητήρων, και διάφορες άλλες βιομηχανικές εφαρμογές. O έλεγχος του ρευματος, το οποίο τροφοδοτεί ένα φόρτο, μπορεί κατ' αρχήν να επιτευχθεί με δυο τρόπους:
• μέσω της τάσης τροφοδοσίας, στην απλουστερη περίπτωση μέσω του δευτερευοντος του μετασχηματιστή τροφοδοσίας, ή
• με την παρεμβολή, σε σειρά με το κυκλωμα, μιας ελεγχόμενης αντίσταση.
Σχήμα 5.4.1 Κύκλωμα ελέγχου ισχύος με SCR
Και οι δυο λύσεις όμως θεωρούνται μη επιτυχείς, διότι η πρώτη χαρακτηρίζεται από υψηλό κόστος ενώ η δευτερη από χαμηλή απόδοση, αφου σημαντικό ποσοστό ισχυος δαπανάται στην αντίσταση. Η χρησιμοποίηση των SCR και των TRIAC μειώνουν σημαντικά το κόστος της διαδικασίας ελέγχου του ρευματος.
Έλεγχος με SCR
Αν στην άνοδο ενός SCR εφαρμοστεί μια ημιτονική τάση, η διάταξη μπορεί να μεταβεί στην κατάσταση ON μόνο σε κάθε θετική ημιπερίοδο. Η μετάβαση στην κατάσταση OFF θα γίνεται στο τέλος της συγκεκριμένης ημιπεριόδου. Στην αρνητική ημιπερίοδο το SCR δεν θα λειτουργεί.
Στο σχ.5.4.1 παρουσιάζεται το κυκλωμα ελέγχου ισχυος με ένα SCR. Το κυκλωμα αποτελείται από το SCR, την αντίσταση φόρτου (RL), το κυκλωμα ελέγχου (Κ.Ε.) και τη διάταξη διακόπτη (Δ.Δ.), η οποία μπορεί να είναι μία δίοδος P-N-P-N ή μια δίοδος DIAC. To κυκλωμα ελέγχου τροφοδοτεί με παλμους, οι οποίοι μεταφέρονται στην πυλη του SCR όταν υπερβουν την τάση διάσπασης της διόδου P-N-P-N ή της διόδου DIAC. Όταν μεταφερθεί ένας παλμός στην πυλη και το SCR μεταβεί στην κατάσταση ON, τότε η τάση στα άκρα του SCR θα μηδενιστεί και θα διέρχεται ρευμα IL μέσα από την RL.
Σχήμα 5.4.2 Κυματομορφές τάσεων (α) τροφοδοσίας και στα άκρα του φόρτου και (β) τροφοδοσίας και στα άκρα του SCR
O! κυματομορφές των τάσεων τροφοδοσίας στα άκρα του φόρτου και στα άκρα του SCR παρουσιάζονται στο σχ.5.4.2. Παρατηρουμε ότι το SCR μεταβαίνει στην κατάσταση ON, δηλαδή άγει, μόνο στη διάρκεια της θετικής ημιπεριόδου. Στη διάρκεια της αρνητικής ημιπεριόδου δεν άγει, άρα είναι σε κατάσταση OFF. Αν ο παλμός σκανδαλισμου εφαρμοστεί στη χρονική στιγμή, που αντιστοιχεί σε γωνία φ, το SCR μεταβαίνει στην κατάσταση ON και η τάση και το ρευμα στα άκρα του φόρτου αυξάνονται αμέσως (σχ.5.4.2α) ενώ η τάση στα άκρα του SCR μηδενίζεται (σχ.5.4.2β).
Το SCR μεταβαίνει στην κατάσταση OFF στο τέλος της ημιπεριοδου και το ρευμα και η τάση στα άκρα του φορτου μηδενίζονται έως ότου, στη διάρκεια μιας θετικής ημιπεριόδου, εφαρμοστεί στην πυλη του SCR ένας παλμός σκανδαλισμού.
Σε ότι αφορά τον έλεγχο του ρευματος φόρτου, επειδή στο SCR το ρευμα έχει συγκεκριμένη φορά, μόνο η μέση τιμή του ρευματος θα καθορίζεται από τη γωνία σκανδαλισμου φ. Όσο μεγαλυτερη είναι η γωνία φ τόσο πιο μικρή θα είναι η μέση τιμή του ρευματος, διότι το SCR θα άγει (ON) επί λιγότερο χρόνο.
Σχήμα 5.4.3 (α) Κύκλωμα και (β) κυματομορφή τάσης στο φόρτο
V
Το κυκλωμα του σχ.(5.4.1) μειονεκτεί σε ότι αφορά την απόδοση διότι μπορεί να λειτουργήσει μόνο στο 50% μιας περιόδου. Στην περίπτωση κατά την οποία πρέπει να λειτουργεί σε όλη τη διάρκεια της περιόδου χρησιμοποιείται το κυκλωμα του σχ.5.4.3 ή ένα TRIAC, το οποίο θα συζητηθεί στην επόμενη παράγραφο.
Στο σχ.5.4.3 χρησιμοποιείται μια γέφυρα ανόρθωσης με «φόρτο» το σύστημα: SCR, αντίσταση φόρτου και κυκλωμα ελέγχου. Με αυτό το κύκλωμα στο SCR εφαρμόζεται η πλήρως ανορθωμένη τάση, η οποία συμφώνα με το σχ.5.4.3α έχει μόνο θετικές τιμές. Αυτό δίνει στο κυκλωμα τη δυνατότητα να λειτουργεί στο 100% της περιόδου.
Έλεγχος με TRIAC
O έλεγχος με TRIAC δε διαφέρει σημαντικά από τον έλεγχο με SCR. Η μόνη διαφορά που υπάρχει οφείλεται στο γεγονός ότι το TRIAC είναι μια αμφιπολική διάταξη και συνεπώς μπορεί να λειτουργήσει τόσο στη θετική όσο και στην αρνητική ημιπερίοδο. O έλεγχος της φάσης εφαρμογής του παλμου σκανδάλης σε ένα TRIAC επιτυγχάνεται συνήθως με τη βοήθεια ενός DIAC, μιας και αυτό είναι μια αμφιπολική διάταξη. Λόγω της αμφιπολικής λειτουργίας του TRIAC επιτυγχάνεται ο έλεγχος της ενεργού τιμής της τάσης ή του ρευματος στο φόρτο μέσω της γωνίας σκανδαλισμου φ. Όπως και στο SCR, όσο μεγαλυτερη είναι η γωνία φ τόσο πιο μικρή είναι η ενεργός τιμή του ρευματος διότι το TRIAC θα άγει (ON) επί λιγότερο χρόνο.
Ένα κυκλωμα ελέγχου της ενεργου τιμής ρευματος, το οποίο διαρρέει την αντίσταση φόρτου RL, παρουσιάζεται στο σχ.5.4.4
Σχήμα 5.4.4 Κυκλωμα ρύθμισης ενεργού τιμής τάσης (ρεύματος) στο φόρτο RL
Στο κυκλωμα του σχ.5.4.4 η καθυστέρηση φάσης φ καθορίζεται από τα στοιχεία R1, C1, R2 και C2. O πυκνωτής C2 φορτίζει με καθυστέρηση
Παράδειγμα 5.4.1
Στο διπλανό κύκλωμα δίδεται R1 = 12 Ω, R2 = 68ΚΩ, R3 = 2 ΚΩ, C=1μF, V:=80 V, η τάση διάσπασης του DIAC είναι 35 V και η τάση και ρεύμα σκανδαλισμού του TRIAC 1V και 10mA. Nα υπολογίσετε:
Α) Ποίο θα είναι το ρεύμα το οποίο διαρρέει το TRIAC όταν βρίσκεται στην κατάσταση ON.
Β) Ποία είναι η ελάχιστη τάση του πυκνωτή C, που προκαλεί σκανδαλισμό του TRIAC.
Λύση
Α) Θεωρουμε ότι η τάση στα άκρα του TRIAC είναι μηδέν όταν βρί-
σκεται σε κατάσταση ON. Έτσι:
χρόνου και όταν η τάση στα άκρα του υπερβεί το άθροισμα της τάσης σκανδαλισμου του TRIAC συν την τάση διάσπασης του DIAC ο C2 θα εκφορτιστεί μέσω του DIAC και συνεπώς εξαναγκάζει το TRIAC να μεταβεί στην κατάσταση ON. Η γωνία καθυστέρησης φ αυξάνει όσο αυξάνει η αντίσταση R1. Συνεπώς η ενεργός τιμή της τάσης στα άκρα της RL ελαττώνεται όσο αυξάνει η R1.
Β) O πυκνωτής φορτίζει μέσω της R2. Για να γίνει σκανδαλισμός του
TRIAC θα πρέπει η τάση στα άκρα του DIAC να υπερβεί την τάση διά-
σπασης. Επειδή η τάση σκανδαλισμου του TRIAC είναι 1V και η τάση
διάσπασης του DIAC 35 V θα έχουμε:
VC = VBO + VT = 35 V + 1 V = 36 V
Αυτή είναι η ελάχιστη τάση η οποία προκαλεί σκανδαλισμό στο TRIAC.
ΠΕΡΙΛΗΨΗ 5
• Η δίοδος Ρ-Ν-Ρ-Ν είναι μια διάταξη η οποία εμφανίζει εσωτερική (θετική) ανατροφοδότηση η ανασυζευξη, με αποτέλεσμα να έχει δυο δυνατές καταστάσεις λειτουργίας, την κατάσταση ON και την κατάσταση OFF.
• Η δίοδος Ρ-Ν-Ρ-Ν μεταβαίνει από την κατάσταση OFF στην κατάσταση ON όταν η τάση στα άκρα της υπερβεί την ορθή τάση διάσπασης.
• Η δίοδος Ρ-Ν-Ρ-Ν μεταβαίνει από την κατάσταση ON στην κατάσταση OFF όταν η τάση στα άκρα της ελαττωθεί και γίνει μικρότερη της τάσης συγκράτησης.
• Το SCR μοιάζει με τη δίοδο P-N-P-N αλλά έχει ένα επιπλέον ηλεκτρόδιο, την πυλη. Η πυλη παρέχει τη δυνατότητα μεταβολής της ορθής τάσης διάσπασης.
• Με εφαρμογή θετικών παλμών, το ρευμα των οποίων υπερβαίνει το ρευμα σκανδαλισμου, στην πυλη το SCR μεταβαίνει στην κατάσταση ΟΝ. Η επιστροφή στην κατάσταση OFF γίνεται όταν η τάση στα άκρα του ελαττωθεί και γίνει μικρότερη της τάσης συγκράτησης.
• Το DIAC είναι μια αμφιπολική διάταξη και αποτελεί το αντίστοιχο της διόδου P-N-P-N. Στο DIAC έχουμε την τάση διάσπασης, μιας και δεν υπάρχει ορθή πόλωση, και την τάση συγκράτησης.
• Το TRIAC είναι και αυτό μια αμφιπολική διάταξη και αποτελεί το αντίστοιχο του SCR. O! παλμοί οι οποίοι οδηγουν το TRIAC στην κατάσταση ON είναι θετικοί όταν ο ακροδέκτης Α1 είναι θετικός ως προς τον Α2 και αρνητικοί όταν ο Α1 είναι αρνητικός ως προς το Α2.
ΑΣΚΗΣΕΙΣ 5
5.1.Μια δίοδος P-N-P-N μπορεί να
5.2.Για να μεταβεί στην κατάσταση
χρησιμοποιηθεί ως
ON μια δίοδος P-N-P-N πρέπει να
α. αντίσταση
εφαρμόσετε
β. ενισχυτής
α. ένα θετικό παλμό σκανδάλης
γ. διακόπτης
β. ένα μικρό ρευμα
δ. πηγη ισχυος
γ. μια τάση διάσπασης
N· σημειώσετε το σωστό.
δ. έναν ανάστροφο παλμό σκανδάλης
N· σημειώσετε το σωστό.
5.3. Ένα SCR μεταβαίνει στην κατάσταση ON με
α. ορθή τάση διάσπασης
β. παλμό στην πυλη
γ. τάση διάσπαση
δ. ρευμα συγκράτησης
N· σημειώσετε το σωστό.
5.4. Στο διπλανό κυκλωμα η δίοδος βρίσκεται σε κατάσταση ON. Αν
σ' αυτή την κατάσταση η πτώση τάσης στα άκρα της είναι 0,7 V, ποιά πρέπει να είναι η τάση της πηγής για να μεταβεί στην κατάσταση OFF.
1ΚΩ
ν\ΛΛ/
VBO=10V IH=4mA
5.5. Στο διπλανό κυκλωμα είναι RC=56 Ω, RG = 2,7 ΚΩ, VCC = 15 V, IT = 2 mA, IH=2 mA και η πτώση τάσης
στα άκρα του SCR στην κατάσταση ON και η VG είναι 0,7 V. Ποια είναι η τάση εξόδου όταν το SCR βρίσκεται σε κατάσταση OFF; Ποια είναι η τάση σκανδαλισμου πυλης του SCR; Αν η VCC μειωθεί έως ότου το SCR μεταβεί στην κατάσταση OFF, ποια θα είναι η τιμή στην οποία θα συμβεί αυτό;
5.6. Αν στην προηγουμενη άσκηση υποδιπλασιάζουμε τις αντιστάσεις και έχουμε IT = 1,5 mΑ, ποία θα είνβί η τάση η οποία θα προκαλέσει σκανδαλισμό του SCR;
5.7. Στο κυκλωμα του διπλανου σχήματος δίδεται R1 = 12 Ω, R2 = 39 ΚΩ, R3 = 1 ΚΩ, V=60 V, C = 1 μF, τάσης διάσπασης DIAC 32 V και τάση σκανδάλης πυλης TRIAC 1 V. Αν το TRIAC βρίσκεται σε κατάσταση ON ποιο είναι το ρευμα, το οποίο διαρρέει την R1;
DIAC
5.8. Στην άσκηση 5.7, αν το TRIAC έχει στα άκρα του τάση 1 V όταν άγει και το ρευμα συγκράτησης είναι 50 mΑ, ποια πρέπει να είναι η τάση της πηγής ώστε να μεταβεί στην κατάσταση OFF.
Σχόλια
Τροφοδοσία RSS για τα σχόλια αυτού του άρθρου.