Was ist ein Triac und wie steuert man damit Lasten?

Leistungsstarke AC-Lasten werden häufig gesteuert durch elektromagnetische Relais. Die Kontaktgruppen dieser Geräte sind eine zusätzliche Quelle der Unzuverlässigkeit, da sie dazu neigen, zu verbrennen oder zu verschweißen. Ein Nachteil scheint auch die Möglichkeit der Funkenbildung beim Schalten zu sein, was in einigen Fällen zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen erfordert. Aus diesem Grund sind elektronische Schlüssel vorzuziehen. Eine Variante eines solchen Schalters wird mit Triacs realisiert.

Was ein Triac ist und warum er benötigt wird

Eines der folgenden Elemente wird häufig als gesteuertes Schaltelement in der Leistungselektronik verwendet Thyristoren - Thyristoren. Ihre Vorteile:

• keine Kontaktgruppe;
• Keine rotierenden oder beweglichen mechanischen Elemente;
• Geringes Gewicht und geringe Abmessungen;
• Lange Lebensdauer, unabhängig von der Anzahl der Ein- und Ausschaltzyklen;
• geringe Kosten;
• Hohe Geschwindigkeit und geräuscharmer Betrieb.

Wenn Trinistoren jedoch in Wechselstromkreisen verwendet werden, wird ihre Einweg-Leitfähigkeit zum Problem. Damit ein Trinistor Strom in beide Richtungen leiten kann, müssen Trinistoren in der entgegengesetzten Richtung parallel geschaltet werden, wobei zwei Trinistoren gleichzeitig gesteuert werden. Es erscheint logisch, diese beiden Trinistoren in einem einzigen Gehäuse zu kombinieren, um die Installation zu erleichtern und die Größe zu reduzieren. Dieser Schritt wurde 1963 gemacht, als sowjetische Wissenschaftler und Spezialisten von General Electric fast gleichzeitig die Erfindung eines symmetrischen Trinistors - eines Triacs (in der ausländischen Terminologie Triac - Triode für Wechselstrom) - zur Registrierung anmeldeten.

Tatsächlich ist der Triac nicht buchstäblich zwei Trinistoren in einem Gehäuse.

Das gesamte System ist auf einem Einkristall mit unterschiedlichen p- und n-Leiterzonen implementiert, und diese Struktur ist nicht symmetrisch (obwohl die Volt-Ampere-Kennlinie eines Triacs symmetrisch zum Ursprung ist und ein Spiegelbild des Triacs darstellt). Dies ist der grundlegende Unterschied zwischen einem Triac und zwei Trinistoren, von denen jeder durch einen positiven Strom im Verhältnis zur Kathode gesteuert werden muss.

Ein Triac hat keine Anode und Kathode in Bezug auf die Stromflussrichtung, aber die Ausgänge sind ungleich in Bezug auf die Steuerelektrode. In der Literatur finden sich die Begriffe "bedingte Kathode" (MT1, A1) und "bedingte Anode" (MT2, A2). Sie werden verwendet, um die Funktionsweise eines Triacs zu beschreiben.

Wenn eine Halbwelle mit einer der beiden Polaritäten angelegt wird, wird das Gerät zunächst gesperrt (roter Abschnitt von VAC). Wie ein Trinistor kann der Triac entsperrt werden, wenn die Spannung in einer der beiden Polaritäten der Sinuswelle einen Schwellenwert überschreitet (blauer Abschnitt). Bei elektronischen Schaltern ist dieses Phänomen (Dynistoreffekt) eher schädlich. Sie muss bei der Wahl der Betriebsart vermieden werden. Der Triac öffnet sich, wenn Strom an die Steuerelektrode angelegt wird. Je höher der Strom ist, desto früher öffnet sich die Taste (rot gestrichelter Bereich). Dieser Strom wird durch Anlegen einer Spannung zwischen der Steuerelektrode und der Zustands-Kathode erzeugt. Diese Spannung muss entweder negativ sein oder das gleiche Vorzeichen haben wie die zwischen MT1 und MT2 anliegende Spannung.

Bei einem bestimmten Stromwert öffnet sich der Triac sofort und verhält sich wie eine normale Diode - bis er sich schließt (grün gestrichelte und durchgezogene Flächen). Verbesserungen in der Technologie haben zu einer Verringerung des Stroms geführt, der zum vollständigen Öffnen des Triacs erforderlich ist. Moderne Versionen haben eine Stromaufnahme von bis zu 60 mA und weniger. Allerdings sollte die Stromreduzierung in einer realen Schaltung nicht zu groß sein, da dies zu einem instabilen Öffnen des Triacs führen kann.

Das Schließen erfolgt, wie bei einem herkömmlichen Trinistor, wenn der Strom auf einen bestimmten Grenzwert (nahe Null) abfällt. In Wechselstromkreisen geschieht dies, wenn der Triac erneut den Nullpunkt durchläuft, woraufhin erneut ein Steuerimpuls angelegt werden muss. In Gleichstromkreisen erfordert die kontrollierte Verriegelung des Triacs umständliche technische Lösungen.

Merkmale und Einschränkungen

Einschränkungen bei der Verwendung von Triacs beim Schalten reaktiver (induktiver oder kapazitiver) Lasten. Wenn diese Last in einem Wechselstromkreis vorhanden ist, werden die Spannungs- und Stromphasen zueinander verschoben. Die Richtung der Phasenverschiebung hängt von der Art der reaktiven Komponente ab, und die Größe der Phasenverschiebung hängt von der Art der reaktiven Komponente ab. die Größe der reaktiven Komponente. Es wurde bereits gesagt, dass der Triac ausgeschaltet wird, wenn der Strom durch Null geht. Und die Spannung zwischen MT1 und MT2 kann zu diesem Zeitpunkt recht groß sein. Wenn die Änderungsrate der Spannung dU/dt den Schwellenwert überschreitet, kann es sein, dass der Triac nicht schließt. Um diesen Effekt zu vermeiden, wird der Triac parallel zum Leistungspfad des Triacs geschaltet. Varistoren. Ihr Widerstand hängt von der angelegten Spannung ab, und sie begrenzen die Änderungsgeschwindigkeit der Potenzialdifferenz. Derselbe Effekt kann mit einer RC-Kette (Snubber) erzielt werden.

Die Gefahr einer Überschreitung der Stromanstiegsgeschwindigkeit beim Schalten der Last hängt mit der Auslösezeit des Triacs am Ende des Zyklus zusammen. In dem Moment, in dem der Triac noch nicht geschlossen hat, kann es sein, dass eine hohe Spannung anliegt und gleichzeitig ein ausreichend hoher Durchgangsstrom durch den Leistungspfad fließt. Dies kann dazu führen, dass im Gerät eine hohe Wärmeleistung erzeugt wird und der Kristall überhitzt. Um diesen Fehler zu beseitigen, ist es notwendig, die Reaktanz des Verbrauchers möglichst durch eine Reaktanz mit annähernd gleicher Größe, aber entgegengesetztem Vorzeichen, in Reihe zu schalten.

Es sollte auch bedacht werden, dass der Triac im offenen Zustand etwa 1-2 V abfällt. Da es sich jedoch um Hochleistungs-Hochspannungsschalter handelt, hat diese Eigenschaft keine Auswirkungen auf die praktische Anwendung von Triacs. Ein Verlust von 1-2 Volt in einem 220-V-Stromkreis ist vergleichbar mit einem Fehler bei der Spannungsmessung.

Beispiele für Anwendungen

Triacs werden hauptsächlich als Schalter in Wechselstromkreisen verwendet. Es gibt keine prinzipiellen Einschränkungen für die Verwendung eines Triacs als Gleichstromschalter, aber es macht auch keinen Sinn, dies zu tun. In diesem Fall ist es einfacher, den billigeren und häufigeren Trinistor zu verwenden.

Wie jeder Schlüssel wird auch ein Triac in Reihe mit der Last geschaltet. Durch Ein- und Ausschalten des Triacs wird die Versorgungsspannung des Verbrauchers gesteuert.

Der Triac kann auch als Spannungsregler für Lasten verwendet werden, bei denen die Form der Spannung keine Rolle spielt (z. B. bei Glühlampen oder thermoelektrischen Heizungen). In diesem Fall sieht der Steuerkreis wie folgt aus.

Hier wird eine Phasenverschiebungsschaltung mit den Widerständen R1, R2 und dem Kondensator C1 gebildet. Durch Einstellen des Widerstands wird der Beginn des Impulses in Bezug auf den Nulldurchgang der Netzspannung verschoben. Für die Erzeugung des Impulses ist ein Dynistor mit einer Öffnungsspannung von etwa 30 Volt zuständig. Wenn dieser Wert erreicht wird, öffnet er sich und lässt Strom zur Steuerelektrode des Triacs fließen. Dieser Strom hat offensichtlich die gleiche Richtung wie der Strom durch den Leistungspfad des Triacs. Einige Hersteller produzieren Halbleitergeräte, die Quadrac genannt werden. Diese haben einen Triac und einen Diistor im Steuerelektrodenkreis im gleichen Gehäuse.

Diese Schaltung ist einfach, aber die Stromaufnahme ist stark unsinusförmig und es kommt zu Störungen im Netz. Um sie zu unterdrücken, sollten Filter - zumindest die einfachste RC-Kette - verwendet werden.

Vorteile und Nachteile

Die Vorteile des Triacs sind die gleichen wie die der oben beschriebenen Trinistoren. Sie können auch in Wechselstromkreisen eingesetzt werden und sind im AC-Betrieb leicht zu steuern. Allerdings gibt es auch einige Nachteile. Diese beziehen sich hauptsächlich auf den Anwendungsbereich, der durch die reaktive Komponente der Last begrenzt ist. Die oben vorgeschlagenen Schutzmaßnahmen sind nicht immer möglich. Zu den Nachteilen gehören auch die folgenden

• Erhöhte Empfindlichkeit gegenüber Rauschen und Störungen im Steuerelektrodenkreis, die zu falsch positiven Ergebnissen führen können;
• Die Notwendigkeit, Wärme vom Kristall abzuleiten - die Anordnung von Kühlkörpern kompensiert die geringe Größe des Geräts, und für das Schalten schwerer Lasten ist die Verwendung von Schütze sind Relais den Schützen vorzuziehen;
• Begrenzung der Betriebsfrequenz - beim Betrieb mit industriellen Frequenzen von 50 oder 100 Hz spielt dies keine Rolle, schränkt aber den Einsatz in Spannungswandlern ein.

Um Triacs sachkundig einsetzen zu können, muss man nicht nur die Prinzipien des Geräts kennen, sondern auch seine Schwächen, die die Grenzen der Triac-Anwendung bestimmen. Nur dann wird das Gerät lange und zuverlässig funktionieren.

 

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