Tirisztor és Triac Vezérlés Induktív Terhelésekhez, Különös Tekintettel a Gyújtótrafókra

Az elektromos áramkörökben gyakran merül fel az a probléma, hogy a relatíve nagy feszültségű vagy áramú, induktív jellegű terhelések kapcsolásakor a hagyományos elektromechanikus relék érintkezői rövid időn belül beégnek. Ez komoly üzemzavarokat és karbantartási igényt okozhat. A probléma gyökerét az induktív terhelések speciális viselkedése adja.

Például, van egy kapcsolás, ahol egy körülbelül 200V DC-re töltött kondenzátort relével kapcsolnak rá egy kis ellenállású toroid trafóra. A szekunderén megjelenő feszültségugrást ponthegesztésre használják. Bár a kapcsolás működik, a relé érintkezője nyilvánvalóan rövid időn belül beég. Hasonló helyzet merült fel egy hidraulikus prés vezérlésénél is, ahol egy Siemens LOGO programozható relé kimenetei 5 A-t bírnak, a mágnesszelep tekercse 26 W-os, 24 V-on üzemel, ami körülbelül 1 A áramot jelent. Egy 7 W-os izzóval párhuzamosan kötve is a relé érintkezője nagyon hamar beégett. Egy másik esetben egy 12V 90W-os villanymotort szerettek volna relével kapcsoltatni, mivel a 16A-es biztosító műanyag része mindig elolvad, bár maga a szál nem szakad meg. Ezek a példák jól illusztrálják az induktív terhelések okozta nehézségeket a kapcsolóelemek számára.

Az Induktív és Ohmos Terhelések Különbsége

Az elektromos eszközök elektromos áramkörök használatával működnek, amelyek néhány alapvető összetevőt tartalmaznak. Szüksége van egy áramforrásra, például akkumulátorra. Egy áramkör tartalmazhat kapcsoló a csatlakoztatáshoz és a leválasztáshoz a forrás és a terhelés. A különböző elektromos eszközök különböző funkciókat látnak el, például némelyik hőt termel, míg mások mozgást hoznak létre.

Az induktív és az ohmos terhelések kétféle elektromos terhelés az áramkörökben. Különböző viselkedést és jellemzőket mutatnak, elsősorban az áram és a feszültség közötti kapcsolaton alapulva. Az ohmos terhelések olyan eszközök, amelyek hőt termelnek, mint például az izzólámpák, a hősugárzók és számos gyakori háztartási készülék. Ezek a terhelések nem használnak mágneses teret. Ezenkívül az áram állandó értéket ér el anélkül, hogy előbb elérne egy magasabb értéket. Az ellenállásos terhelések nem okoznak fáziskülönbséget a feszültség és az áram között. Végül az ellenállásos terhelések feszültség alatt szétszórják az energiát.

Az induktív terhelések mozgó alkatrészekkel rendelkező eszközök, például ventilátor, mosógép, mágnesszelep, motor vagy trafó (mint egy gyújtótrafó vagy hegesztő trafó). Ha feszültséget kapcsolunk egy induktív terhelésre, az ellenáll az áramáramlás változásainak. Ez azt jelenti, hogy amikor a feszültséget először alkalmazzák vagy megváltozik, késleltethet, mielőtt az áram eléri az állandósult értékét. Tehát induktív terhelésnél az áram elmarad a feszültségtől. Ezt a késést gyakran a teljesítménytényező fogalmával ábrázolják. Az induktív terhelés kikapcsolásakor feszültségcsúcsot hoz létre. Az induktív terhelések okozta fáziskülönbség megnehezítheti az AC áramkör teljesítményének elemzését, mivel befolyásolhatja a látszólagos teljesítményt, a valós teljesítményt és a meddő teljesítményt. Összefoglalva, az ohmos terheléseknél lineáris összefüggés van a feszültség és az áram között, fáziseltolódás nélkül, míg az induktív terhelések induktivitása miatt fáziseltolódást okoznak a feszültség és az áram között.

A gyújtásszög-vezérlés mélyreható elemzése

Tirisztorok és Triacok: A Megoldás Induktív Terhelésekhez

A relék problémáira a félvezető alapú kapcsolóelemek, mint a tirisztorok és triacok kínálnak megoldást. Egy 16A-es tirisztor is képes 250A körüli rövid csúcsáramok elviselésére. A kondenzátoros kapcsolás után a feszültség megszűnik a kondenzátoron, majd kisvártatva az áram is, ettől a tirisztor kikapcsol, és lehet újratölteni a kondit.

A kávéfőzőktől a hűtőszekrényekig a váltakozó áramú triódákat (triacokat) robusztus, könnyen kezelhető kapcsolóként használják váltakozó áramú (AC) alkalmazásokban. A triacok a tirisztorok családjába tartoznak, és pozitív és negatív feszültséggel is működhetnek. Kioldásuk után vezetőképes állapotban maradnak minden egyéb indítójel nélkül, amíg a töltőáram a tartóáram alá nem csökken. Felépítése két elektromosan leválasztott antipárhuzamos tirisztornak tekinthető, amelyeknek közös a kapuelektródája.

Tirisztor és Triac Vezérlési Módok

A bekapcsolás a kapuelektródára adott megfelelő polaritású, elegendően nagy és elegendően hosszú ideig tartó áramimpulzussal vagy feszültségimpulzussal biztosítható. Bekapcsolt állapotban a tirisztor vezérlőelektródája hatástalanná válik. A tirisztor kikapcsolása csak a kritikus áramnál kisebb anódáram esetén lehetséges.

A tirisztorok és triacok vezérlésére többféle módszer létezik:

1. Fázishasításos vezérlés (gyújtásszögvezérlés)

   Ha a vezérlőimpulzust a feszültséghez képest adott fázishelyzetben adjuk, akkor a gyújtás meghatározott fázisszög esetén következik be. A gyújtás helyzetét a tápfeszültség negatív-pozitív nullátmenetétől számítjuk. 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 tirisztor vezérlésének ezen lehetőségét, fázishasításos vezérlésnek vagy gyújtásszögvezérlésnek nevezik. Az átlagértéket ciklikusan szabályozzák az idő, más néven a tüzelési szög, változtatásával, amelynél a triac aktiválódik. A felvételi szög szabad megválasztása lehetővé teszi az átlagérték analóg beállítását 0 és 100 százalék között.

   Hatékony padlófűtés beállítás - Danfoss

   A fázishasításos módszer 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. Ezen hátrányok miatt a fázishasításos módszer nem előnyös nagy teljesítmények szabályozására.

2. Sorozatvezérlés (félhullám-vezérlés / robbanásvezérlés)

   Ebben az esetben 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.

   Ez a robbanásvezérlés AC feszültségű elektromos készülékek teljesítményének kezelésére szolgál. A tipikus alkalmazások közé tartoznak az áramlásfűtők és az elektromos tűzhelyek. A sorozatvezérlés viszonylag lassú beavatkozást tesz lehetővé (minimálisan fél periódusidejű a késedelem), és a szabályozás csak fokozatokban történhet. Viszont előnye, hogy kevesebb felharmonikust állít elő. Ezért ezt a vezérlési technikát nagyobb teljesítmények szabályozására használják.

Védelem Induktív Terheléseknél Triac Vezérlés Esetén

A tirisztorok és triacok kikapcsolnak, ha az anód és a katód közötti főáram a tartóáram alá esik. A töltések leállítás utáni újrakombinálásával ez a kapcsolási művelet úgynevezett visszatérő áramot generál. Körülbelül 400 Hz-ig terjedő hálózati frekvenciákon és szinuszos hullámforma esetén a kapcsolás tisztán ohmos terhelés esetén nem jelent problémát, mivel az áram és a feszültség fázisban van. A kapcsolás a várakozásoknak megfelelően az áram nulla kereszteződésénél történik, ami egyben a feszültség nulla keresztezése, a fázisbeállítás miatt.

Ha a triac-ot olyan induktív terhelés szabályozására használjuk, ahol fáziseltolódás lép fel az áram és a feszültség között, akkor feszültség keletkezik a triac fő kapcsain nulla keresztező áram alatt. Az ebből eredő gyors dv/dt feszültségváltozás helytelenül érzékeny triacokat válthat ki. A megfelelő triac kiválasztásakor fontos paraméter a megengedett feszültségemelkedési arány dVcom/dt. Ha túllépi, a komponens nem kapcsol ki. A leállítás biztosítása érdekében mind az áramesési arány dIcom/dt a kapcsolási idő alatt, mint a következő feszültségemelkedési arány dVcomA /dt leállítás után korlátozni kell.

Megbízható INA vezérlés autóba

Az induktivitásban tárolt energia még okozhat gondot, az áramkör kikapcsolásakor keletkező áramot kell kiszámolnod, mert erre az áramra kell méretezni a kapcsoló eszköz védődiódáját. Ez lehet a kapcsoló eszközön magán, fordított polaritású dióda, vagy az induktivitáson. Egy diódát (pl. 1N4004) javasolt bekötni a mágnesszelep tekercsével párhuzamosan (zárt relé esetén záróirányba nézzen a dióda) közel a mágnesszelephez. Ezt nyeli el a snubber, átterelődve a snubberba, okozva azon feszültségesést.

Ha egy triac-nak olyan induktív terhelési áramkörben kell működnie, ahol helytelen kapcsolás várható, általában egy csillapító hálózatot (snubber) kapcsolnak párhuzamosan a triac-kal, RC vagy kisütés formájában. A snubberek biztosítják, hogy a triac ne legyen túlzottan terhelve, és ne aktiválódjon idő előtt hirtelen feszültséglökés miatt, amelyet például a hálózati tápfeszültség tüskék okoznak. A megfelelő lengéscsillapító hálózat kiválasztásakor kiemelt figyelmet kell fordítani az egyes alkatrészek kiválasztására. Ebben az esetben a fontos tényezők a terhelési induktivitás, a váltakozó áramú táplálás frekvenciája és a terhelés effektív árama. A csillapító ellenállásnak elég nagynak kell lennie ahhoz, hogy megakadályozza a túlfeszültséget, és korlátozza a triacot használó kondenzátor kisülési csúcsáramát a kapcsoló számára megengedett dI/dt határértékre.

Alternisztorok (Generátorok) a Robusztusabb Kapcsolásért

Egy okos módszer az „egyszerű” áramkör-tervezés biztosítására a generátorok. Ezek a magas kapcsolású triacok abban különböznek a standard modellektől, hogy jobban elválasztják a két „tirisztor-felet”, ami nagyobb kapcsolási robusztusságot eredményez. Az alternisztorok nagy ellenállást biztosítanak a túlfeszültséggel szemben, amely legalább tízszerese a névleges áramnak. Ez fontos az induktív terhelésű áramkörökben, mivel az induktor bemeneti árama többszöröse lehet a névleges áramerősségnek. Az ITSM túlfeszültség határértéke a vezetési állapot túlfeszültségének csúcsértéke (on-voltak), 10 vagy 8,3 ms (50 vagy 60 Hz) időtartamú félszinuszhullám formájában, amelyet a triac rövidzárlat esetén romlás nélkül elvisel.

A Littelfuse generátorok különböző mechanikailag és termikusan robusztus kiszerelésben, valamint szigetelt és nem szigetelt változatban is kaphatók. A diszkrét csomagok lehetővé teszik a rugós kapcsokkal történő felszerelést a munka csökkentése érdekében. A technológia, melyet "csipesz kötődésnek" neveznek, széles körben használják a nagy teljesítményű félvezető modulok és alkatrészek gyártásában, és kiváló megbízhatóságot garantál. A rézkapcsok érintkezési felületei sokkal nagyobbak, mint azoknál huzalkötéseknél. Ez javítja a termikus tulajdonságokat, mivel a hő hatékonyabban oszlik el a kapocs tetejéről az ólomkeret felé, ezáltal csökken a záróréteg maximális hőmérséklete működés közben, és ezáltal nő a triac megbízhatósága és hasznos élettartama. A hűtőlapátok galvanikusan le vannak választva legalább 2500 VRMS feszültségre, és minden alkatrész UL tanúsítvánnyal rendelkezik (Fájlszám: E81734). Így nincs szükség külön szigetelők használatára és felszerelésére, ami megtakarítást eredményez a feszültség alatt álló hűtőlapátokhoz képest.

Néhány kiemelt generátor triac sorozat:

Különösen négy generátor triac sorozatot lehet kiemelni, amelyek csak az I., II. és III. kvadránsban működnek. Mivel a tipikus alkalmazások általában váltóáramú áramkörökhöz vannak kötve, a triacok az I. és III. kvadránsban hasznosulnak. A QJ sorozat segít megoldani a túlmelegedési problémákat az AC teljesítményszabályozási alkalmazásokban. Könnyebb hőkezelést tesznek lehetővé, és nagy ellenállást biztosítanak a túlfeszültséggel szemben.

A triacok különösen alkalmasak váltakozó feszültség kapcsolási és fázisszögszabályozási alkalmazásokhoz, mint például fűtés, világítás és motorfordulatszám szabályozás.

Az Induktív Elv Alkalmazása: Érzékelők és Pozíciómérés

Az automatizált berendezések - ma már a modern autókat is beleértve - vezérlőegységeinek pontosan ismerni kell a rendszer mozgó részeinek helyzetét és elmozdulását. Ez indokolja az induktív elven alapuló érzékelők és pozíciómérő rendszerek fejlődését, amelyek az induktív terhelések vezérlésével szorosan összefüggő, ám másféleképpen hasznosuló területek.

Az induktív pozícióérzékelés különösen gyorsan fejlődik. Pontossága, zajvédettsége és költséghatékonysága csak néhány e technológia számos előnyei közt. Érdekes, hogy az induktív szenzorokban nem történik induktivitásmérés. Ehelyett azt az elektromágneses indukciót hasznosítják, amelyet a mágneses mező kelt a fémtárgyakban, hasonlóan a légmagos transzformátor jól ismert tulajdonságaihoz, és a céltárgy helyzete az általa keltett mágneses zavaró hatásokból a Faraday-törvény szerint pontosan meghatározható. Az induktív szenzorok működése azon a zavaró hatáson alapul, amelyet egy vezető anyagból készült tárgy okoz a mágneses mezőben. Ráadásul ezt a mágneses mezőt - a Hall-szenzoros vagy magnetorezisztív érzékelőktől eltérően - nem egy állandó mágnes állítja elő, hanem egy transzformátor primer tekercse. Ennek mágneses mezejét két szekunder tekercs érzékeli.

Éppen úgy, mint a közönséges transzformátoroknál, a Faraday-törvény segítségével határozhatjuk meg, mekkora feszültséget kelt ezekben a szekunder tekercsekben a primer tekercs mágneses mezejének változása. Ha egy fémtárgyat helyezünk ebbe a mágneses mezőbe, abban ez örvényáramot kelt, amelynek mágneses mezeje ellentétes a primer tekercs által generált mezővel, és emiatt a térerősség a céltárgyban nullára csökken. Ha a fémtárgyat különböző fizikai távolságban helyezzük el, a két érzékelőtekercsben eltérő feszültség keletkezik. Az induktív pozícióérzékelő pontossága főként annak tulajdonítható, hogy működése nem az állandó mágnesek nemlineáris tulajdonságain, hanem az önmaga által keltett mágneses mező megzavarásán alapul.

Az induktív érzékelők az ipari elektronika egyik legismertebb és legmegbízhatóbb elemei. Legfontosabb feladatuk, hogy érintésmentesen érzékeljék a fém tárgyak jelenlétét, helyzetét vagy mozgását. Működésük alapja, hogy a szenzor nagyfrekvenciás elektromágneses mezőt hoz létre, és amikor egy fémtárgy ebbe a mezőbe kerül, az örvényáram-veszteség és egyéb fizikai hatások miatt a szenzor ezt érzékeli, majd kapcsolási jelet ad a vezérlés felé. Az induktív érzékelők legnagyobb előnye, hogy nincs szükség mechanikus érintkezésre, ezért használatuk során nincs olyan kopás, mint például sok hagyományos kapcsolónál. Ez hosszabb élettartamot, kisebb karbantartási igényt és megbízhatóbb működést jelenthet.

Az induktív pozícióérzékelők védettek a szórt mágneses mezők ellen, mivel az alkalmazott szinkrondemoduláció következtében elnyomják ezeket. Mivel az induktív pozíciószenzorok felépítésében semmilyen ferromágneses anyagnak nincs szerepe, ezért érzéketlenek az időben változatlan mágneses mezőre. Más szavakkal a Faraday-törvényből az következik, hogy a statikus mágneses mező nem hoz létre indukált feszültséget. Ráadásul a szinkrondemodulátor kiszűr minden más, a primer tekercs gerjesztőjelének frekvenciájánál nagyobb és kisebb frekvenciájú jelet.

Az autóiparban az elektronikákkal szemben manapság az a követelmény, hogy 4 mT időben változatlan mágneses indukciót viseljenek el az elektromágneses kompatibilitási (EMC) minősítés során, és téves mérési eredmény egyetlen biztonságkritikus szenzornál (mint például a kormányszervó, a gázpedál vagy a hajtómotor-forgórész pozícióérzékelője) sem fordulhat elő. Az induktív pozícióérzékelés szépsége abban áll, hogy védett az ilyen zavarok ellen, mivel a bemeneti jel aktív szűrése következtében csak az érzékelni kívánt frekvenciára érzékeny.

Az elektromotorok nyomatékszabályzásának főszereplője a rezolver, melyet hívhatunk az elektromotorok „főtengelyjeladójának”. A rezolver nem csak fordulatszámot, hanem a forgórész pontos (álló) szöghelyzetét is megadja a motorvezérlőnek. Ezek a helyzetérzékelők idáig Hall-effektus helyzetérzékelők voltak, a haladás azonban az eddigi mágneses rezolver megoldások induktív alternatívákkal való felváltása felé halad. Az induktív rezolver a nagy pontosságot széles fordulatszám-tartománnyal, a szórt mágneses mezőkkel szembeni védettséggel ötvözi, ezen kívül a váltás kiküszöböli a drága mágneseket és más nehéz transzformátor alapú szerkezeteket, így egyszerű, kompakt nyomtatott áramköri kártyákra (PCB-k) integrálhatók.

Az induktív helyzetérzékelők sorát gyarapítva a Microchip Technology kiadta az LX34070 integrált áramkörét, amelyet kifejezetten elektromos járművek motorvezérlési alkalmazásokhoz épített. "Az LX34070 induktív helyzetérzékelő könnyebb, kisebb, megbízhatóbb motorvezérlési megoldásokat tesz lehetővé, amelyek megfelelnek a szigorú biztonsági követelményeknek, csökkentik a rendszer általános költségeit, zökkenőmentesen és pontosan tudnak működni az autók egyenáramú motorjainak, nagy áramerősségének és mágnesszelepeinek zajos környezetben" - mondta Fanie Duvenhage, a Microchip felelős üzletágának vezetője. Az LX34070 induktív helyzetérzékelő megoldás számos előnnyel rendelkezik a mágneses rezolverekhez és a lineáris feszültségkülönbség-átalakítókhoz (LVDT) képest. A transzformátor alapú mágneses tekercsek és tekercsszerkezetek helyett nyomtatott áramköröket használva az LX34070 készülék mérete és tömege elhanyagolható az eddigi 450 grammos megoldásokhoz képest. A pontosság javult, mivel az LX34070 nem függ a mágneses térerősségtől, a robusztusság növelhető a szórt mágneses mezők aktív elutasításával.

tags: #tirisztor #vezerles #gyujtotrafoval #induktiv #terhelesre

• Vectra B útmutató és alkatrész tippek
• megbízható autószerelő Kalocsán
• A narancssárga LED műszerfal előnyei
• Yaris II szélvédőcsere szakértői segítséggel
• Használt terepjáró vásárlás Zalaegerszegen