Tirisztor és Triak: A Gyújtásszög-vezérlés Részletesen
A teljesítményelektronika alapvető vezérlőelemei közé tartoznak a tirisztorok és a triakok. Ezek az eszközök széles körben alkalmazhatók, különösen a fényerőszabályozókban és motorhajtásokban, ahol a teljesítmény precíz szabályozására van szükség. Megismerkedhetünk a működési elveikkel, a gyújtásszög-vezérlés fontosságával és a kapcsolódó áramköri megoldásokkal.
Bevezetés a Tirisztorok és Triakok Világába
A tirisztor a teljesítményelektronika első vezérelhető félvezető eszközei közé tartozik, mely az ‘50-es években jelent meg az Egyesült Államokban, kb. 10 évvel a tranzisztor felfedezése után. A tirisztor egy szilícium alapanyagú, négyrétegű félvezető eszköz, angol rövidítése: SCR (Silicon-controlled rectifier). Három kivezetéssel, elektródával rendelkezik, mint a diódákra jellemző anód (A) és katód (K), valamint a vezérelhetőséget biztosító kapu (G - gate).
Két stabil állapota van: a bekapcsolt, kis ellenállású állapot, amikor tulajdonképpen az anód és katód között áram folyik, azaz vezet (zárt kapcsolóként működik) és a nagyellenállású, kikapcsolt, nem vezető állapot (nyitott kapcsoló). A tirisztor és a triak - főleg ez utóbbi - gyakori áramköri eleme a különböző kapcsoló vagy szabályozó készülékeknek, fényerőszabályozóknak, motor-hajtásoknak stb. Kimeneti meghajtóként nagyobb áramokhoz is alkalmazhatók, és viszonylag egyszerű a vezérlésük. Egyenáramú készülékeknél így kiválóan alkalmas pl. kontaktusmentes kapcsolóként funkcionálni (akkutöltők, tirisztoros gyújtás stb.).
Felhasználás szempontjából a tirisztor és a triak közötti alapvető különbség, hogy a tirisztor, mint vezérelt egyenirányító, a diódához hasonlóan az egyenáramot csak egy irányban vezeti, és csak az egyik fél periódusát engedi át a váltakozó áramnak, míg a triak mindkettőt - ha vezető „begyújtott” állapotban van. Ezt a különbséget a rajzjelek és a kivezetések elnevezései is tükrözik (1. ábra, első oszlop). Az 1. ábra második oszlopában az eszközök elektronikai modelljei, helyettesítő rajzai láthatók. A tirisztor működése két tranzisztorral is felfogható a rajz szerinti kapcsolásban.
A Tirisztor Működésének Alapelvei
A tirisztort a „G” jelzésű kapu- vagy vezérlőelektródára adott jellel lehet vezérelni, bekapcsolni („begyújtani”). A bekapcsolás a kapuelektródára adott megfelelő polaritású, elegendően nagy és elegendően hosszú ideig tartó áramimpulzussal vagy feszültségimpulzussal biztosítható. A begyújtáshoz a „G” pontra megfelelő nagyságú vezérlőfeszültséget és vezérlőáramot kell kapcsolni, melynek a katódhoz képest pozitívabb polaritásúnak kell lennie, szintén pozitív anód- katód feszültség mellett (katódvezérelt tirisztor).
A vezérlőjel hatására a tirisztor anód-katód feszültsége nagyon gyorsan elér egy úgynevezett billenési feszültséget, így a tirisztor átbillen a nagyellenállású, stabil állapotából kisellenállású állapotba, tehát vezetni fog, a fogyasztón áram folyik. Bekapcsolt állapotban a tirisztor vezérlőelektródája hatástalanná válik. A kisellenállású, vezető állapot fennmaradása innentől független a „G” pont potenciáljától, ami azt jelenti, hogy a „begyújtott” tirisztort nem lehet a kapuelektródán keresztül „kioltani”, kikapcsolni sem, viszont akár le is kapcsolhatjuk róla a vezérlőjelet (megjegyzés: vannak kioltható tirisztorok is).
A tirisztor kikapcsolása csak a kritikus áramnál kisebb anódáram esetén lehetséges. Váltakozó áramú alkalmazásoknál a tirisztoron átfolyó áram csökkenését a kikapcsolási szint alá maga a váltakozó áram szinuszjelének nullátmenete biztosítja, ami azt jelenti, hogy minden nullátmenet közelében kikapcsolódik a tirisztor. Tehát a működtetés folyamata úgy zajlik, hogy a kapuelektródára adott megfelelő impulzussal begyújtjuk, bekapcsoljuk a tirisztort, a tirisztoron és a terhelésen (fogyasztón) átfolyó váltakozó áram következő nullátmenete pedig kioltja, kikapcsolja azt.
A folyamatos működtetéshez ebből következően minden második null-átmenet után újra be kell kapcsolni a tirisztort, hogy a fogyasztó áramot kapjon (2. ábra). Az állandó újragyújtást a tirisztort vezérlő áramkörök biztosítják, melyet az alkalmazásnak megfelelően működtetett különböző impulzusgenerátorok, oszcillátorok, gyújtó áramkörök biztosítanak. Melegedni nem igazán fog, mert a begyújtott tirisztoron kb. 1V feszültség fog esni, ami 250..300mW hőt jelent majd. Fontos, hogy a tirisztor számára olyan feszültséget célszerű használni, ami periódikusan le is esik nullára (mint a hálózati feszültség), mert különben csak "keservesen lehet" kikapcsolni.
A Gyújtásszög-vezérlés (Fázishasítás) Elve
A tirisztor szabályozóként is használható, ekkor a kapuelektródára adott impulzusokat időben el kell tolni a nullátmenethez képest, így a begyújtás pillanata folyamatosan változtatható, ami a közepes áramerősség változását jelenti, ezzel a fogyasztó teljesítménye szabályozódik. A tirisztor vezérlésének ezen lehetőségét, fázishasításos vezérlésnek vagy gyújtásszögvezérlésnek nevezik. A tirisztor váltakozóáramú vezérlésének fázishasításos módszere. A gyújtás helyzetét a tápfeszültség negatív-pozitív nullátmenetétől számítjuk.
Adott fázishelyzetben a feszültséghez képest, akkor a gyújtás meghatározott fázisszög esetén következik be, ezt a szöget gyújtáskésleltetési szögnek nevezzük. Ha a vezérlőimpulzus fázishelyzetét módosítjuk, akkor megváltozik a gyújtáskésleltetési szög értéke is, és a levágott félhullámok más alakot vesznek fel. A terhelésen fellépő feszültség annál kisebb lesz, minél nagyobb a gyújtáskésleltetési szög értéke.
A félhullámú egyenirányítás szerepe a járműelektronikában
A Gyújtásszög-vezérlés Előnyei és Hátrányai
A gyújtáskésleltetés módszere viszonylag gyors beavatkozást és folyamatos szabályozást tesz lehetővé. Hátrányaként említhető, hogy különösen magas felharmonikusok keletkeznek (főleg nagy értékű gyújtáskésedelmi szögek esetén). Ezek a felharmonikusok erős rádiófrekvenciás zavart hoznak létre, és jelenlétük többletveszteséget eredményez. A fázishasításos módszer az ismertetett hátrányok miatt nem előnyös nagy teljesítmények szabályozására.
Alternatív Vezérlési Módszer: Félhullám-vezérlés
Rögzített fázishelyzetű impulzusokkal történő vezérlés során megfigyelhető, hogy a vezérlő impulzus fázishelyzete rögzített, de változtatható frekvenciájú. Ezzel elérhető, hogy a vezérelt tirisztor meghatározott pozitív félhullámok esetén nem gyújt be. A félhullámok zárásának, illetve átengedésének vezérlési logikája tetszőleges lehet. A terhelésen fellépő feszültség és teljesítmény annál kisebb, minél több pozitív félhullámot zárunk le.
A félhullám-vezérlés módszere viszonylag lassú beavatkozást tesz lehetővé (minimálisan fél periódusidejű a késedelem), a szabályozás csak fokozatokban történhet, viszont előnye, hogy kevesebb felharmonikust állít elő. Ezért ezt a vezérlési technikát nagyobb teljesítmények szabályozására használják.
Az alábbi táblázat összefoglalja a két vezérlési módszer főbb jellemzőit:
| Vezérlési módszer | Előnyök | Hátrányok | Alkalmazás |
|---|---|---|---|
| Gyújtásszög-vezérlés (Fázishasítás) | Gyors, folyamatos szabályozás | Magas felharmonikusok, RF zavar, többletveszteség | Alacsonyabb teljesítményű alkalmazások |
| Félhullám-vezérlés | Kevesebb felharmonikus | Lassú, fokozatos szabályozás | Nagyobb teljesítményű alkalmazások |
Hatékony padlófűtés beállítás - Danfoss
Triakok és a Gyújtásszög-vezérlés
A triak története a ‘60-as évek elején kezdődik, elnevezése a TRIode AC semiconductor switch (trióda jellegű, váltakozó áramú félvezető kapcsoló) angol szavakból ered. A triak a tirisztorhoz hasonlóan három kivezetéssel rendelkező félvezető, de nincs katódja, mivel mindkét irányban vezet, ezért a kivezetések elnevezésében is két anóddal találkozunk. A triak gyakori alkatrésze a teljesítményelektronikai alkalmazásoknak, mert lehetővé teszi a nagyobb váltakozó áramú fogyasztók teljesítményének egyszerű vezérlését és szabályozását. Nem igényel nagy vezérlő-feszültséget és áramot, így könnyedén illeszthető mikroelektronikai áramkörökhöz, akár mikrovezérlők kimenetéhez is.
A triakos szabályozók legtöbbje az úgynevezett fázishasítás, illetve gyújtásszög-vezérlés elvén oldják meg a fogyasztók teljesítményszabályzását. A gyújtásszöghasítás a tirisztor leírásánál is említett szabályozást jelenti, vagyis a triak „G” kapuelektródájára a gyújtóimpulzust a nullátmenethez képest időben eltolva (fázisszög) adja ki a vezérlő áramkör. Az eltolás mértéke határozza meg, hogy a tápfeszültség szinuszos hullámalakjából mennyit enged át a triak a fogyasztó felé, így téve változtathatóvá a kimeneti áram középértékét és szabályozhatóvá a fogyasztó teljesítményét. A jelalak a 2. ábra módosítása után a 4. ábrán látható.
Példa Kapcsolás: Egyszerű Triakos Dimmer és a Diak
A triakkal talán legtöbbet fényerőszabályozókban találkozunk, ezért egy egyszerű dimmer kapcsolási rajzán keresztül frissítjük fel a triak működésével és a triakos eszközök használatával kapcsolatos ismereteket.
Eaton Smart Dimmer fényerő-szabályzás
A Diak szerepe
A diak triakok gyújtására alkalmas félvezető, kétirányú dióda, mely tulajdonképpen kapuelektróda nélküli triaknak is felfogható. Polaritása, bekötési iránya mindegy, mert mindkét áramirányban azonosan működik. A diak két stabil állapottal rendelkezik, a bekapcsolt, kisellenállású és a kikapcsolt nagyellenállású állapottal. A kettő közötti átkapcsolás a ráadott feszültség és áram értékeitől függ. Bekapcsol, ha a feszültsége túllépi a billenési küszöböt, valamint árama eléri a kritikus áramhatárt. A kritikus áramhatár alatt kikapcsol. A diak állapotváltásának előidézése viszonylag egyszerű, ez teszi alkalmassá gyújtóáramkörökben, impulzustechnikai eszközökben történő használatukat, és azt is, hogy az 5. ábra alkalmazásainál is kulcsfontosságú elemet jelentenek.
A Dimmer Kapcsolási Rajza és Működése
Az 5. ábrán látható az egyszerű triakkal működő dimmer elvi kapcsolási rajza. A „K” kapcsoló zárásával a fogyasztó és egyben a hálózati feszültség is rákapcsolódik a fényerőszabályozó áramkörére. A „K” kapcsoló és a „P” potenciométer általában mechanikai kapcsolatban állnak, így egyetlen szabályozógombra egyszerűsödik a kezelés. A „K” kapcsoló fontos szerepe a kikapcsolás is, ugyanis előfordulhat, hogy leszabályozott kimenetnél a kitekert izzófoglalatban a teljes hálózati feszültség megjelenik. A „P” külső potenciométer elforgatásával lehetséges a fényerő beállítása. A konkrét teljesítményszabályozást tehát a triak végzi gyújtásszög-hasítással, az áramkör többi eleme pedig védelmi és vezérlési célokat szolgál.
Kis kitérő után tehát az áramkör a következők szerint működik a „K” bekapcsolása után: alaphelyzetben a triak nem vezet, az izzó nem világít. A C1 jelű kondenzátor az R1 ellenálláson és a P potenciométeren beállított ellenálláson keresztül elkezd töltődni. Amikor a kondenzátor feszültsége eléri a diak billenési küszöbfeszültségét, a diak kinyit, és a kapuelektródára adott jellel begyújtja a triakot, így áram folyik a fogyasztón, és a fényforrás világít.
A triak begyújtott állapotában a kapuelektródán keresztül kisül a C1 kondenzátor, és a diak lezár. A váltakozó áram nullátmeneténél a triak kioltódik, kikapcsol, majd újra megindul a C1 kondenzátor töltődése, és a folyamat kezdődik elölről. A C1 kondenzátor nem csak a diak billenési feszültségét, illetve a triak gyújtófeszültségét biztosítja, hanem részt vesz a szabályozáshoz szükséges fázisszög-eltolás időzítésében is. Az idő nagysága a P potenciométeren beállított aktuális ellenállás, az R1 ellenállás és a C1 kondenzátor által meghatározott soros áramkör időállandójától függ. Az R2, C2 alkatrészek védelmi funkciókat töltenek be, védik a triakot a be- és kikapcsolás hatásaitól, valamint némi zavarvédelmet is biztosítanak. Az RC tag helyett szokásos LC, illetve RLC szűrőket is beépíteni. A triakkal működő áramkörök az itt bemutatottnál olykor lényegesen bonyolultabbak, de a bonyodalmat inkább a felhasználás komfortigénye okozza.
tags: #tirisztor #gyújtásszög #vezérlés #működése #és #kapcsolási