Mikroelektronika a villamossági eszközökben IV.
2014/9. lapszám | Porempovics József | 33 022 |
Figylem! Ez a cikk 12 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
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. A következőkben ezt a két elektronikai alkatrészt járjuk körül az eddigiekben is megszokott, elsősorban a gyakorlatban is használható információk mentén.
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 triak pedig tulajdonképpen nem más, mint két antiparallel (ellenpárhuzamosan) kapcsolt tirisztor, hogy a váltakozó áram mindkét periódusában vezessen (a két tirisztort ebben az esetben külön-külön kell vezérelni).
Tirisztor
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). Egyenáramú készülékeknél így kiválóan alkalmas pl. kontaktusmentes kapcsolóként funkciónálni (akkutöltők, tirisztoros gyújtás stb.). Váltakozó áramú alkalmazásokban főként teljesítményszabályozóként és vezérelt egyenirányítóként funkcionál.
 |
 |
 |
A tirisztort a „G” jelzésű kapu- vagy vezérlőelektródára adott jellel lehet vezérelni, bekapcsolni („begyújtani”). 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. 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 begyújtott állapot addig marad fenn, amíg az anód-katód feszültség túl nem megy a billenési feszültségen, és a tirisztoron átfolyó áram az úgynevezett reteszelési érték alá nem kerül.
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 (3. ábra).
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. Egyenáramú alkalmazásoknál nincs null-átmenet, ezért külön áramkör gondoskodik a tirisztor biztonságos kioltásáról.
Triak
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 (lásd 1. ábra). Különbség még a tirisztorhoz képest, hogy a szintén „G” kapuelektródán pozitív és negatív vezérlőárammal egyaránt begyújtható.
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. Találkozhatunk vele vezérelhető kontaktusmentes kapcsolóként vagy fényerőszabályozókban, termosztátokban, egyfázisú motorok szabályozóiban stb.
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. A triakos szabályozók legtöbbje az úgynevezett fázishasítás, illetve gyújtásszög-vezérlés elvén oldják meg a fogyasztók teljesítményszabályzását. Másik teljesítményszabályozási módszer az úgynevezett oltásszög-vezérléses szabályozás, mely kapacitív jellegű fogyasztókhoz használható, mint pl. elektronikus előtétes törpefeszültségű halogénizzó – bár itt már gyakran a MOSFET-ek veszik át a főszerepet. 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, a triak mindkét félhullámot átengedi az éppen ráadott vezérlőjel gyújtásszögének megfelelő mértékben.
Egy egyszerű triakkal működő dimmer elvi kapcsolási rajza látható az 5. ábrán. 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 kapcsoló utáni lassú olvadó biztosíték szinte minden dimmernél előírás, sokszor nem része a megvásárolt dimmernek, de mindenképpen beépítendő.
A konkrét teljesítményszabályozást tehát a triak végzi gyújtásszög-hasítással, az áramkör többi eleme pedig védelmi és vezérlési célokat szolgál. A triak kapuelektródájához csatlakoztatott DIAK nevű eszköz a vezérlés egyik fontos szereplője, a diak szolgáltatja a triak kisellenállású állapotba történő átbillentéséhez, vagyis a begyújtáshoz szükséges vezérlőjelet minden nullátmenet után, mert a triak a null-átmenet közelében újra és újra kikapcsol.
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 kapcsolásában szereplő néhány hétköznapi alkatrésszel egy működő dimmert lehet építeni.
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 áramkörben tehát a P potenciométer beállítása szabja meg, hogy a nullátmenet után mennyi idő múlva kapcsolja rá a triak a fogyasztóra a váltakozó áramot, vagyis milyen mértékben engedje át a szinuszhullám periódusait.
Az R2, C2 alkatrészek védelmi funkciókat töltenek be, védik a triakot a be- és kikapcsolás hatásaitól, valamint némi zavarvédelmet is biztosítnak. 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. A tirisztorok és a triakok kis vezérlő teljesítmények mellett nagyobb áramok (akár több 100 A) szabályozására, kapcsolására is alkalmasak.A nullátmeneteknél történő lekapcsolásuk miatt viszonylag kicsi a disszipációjuk, ezért láthatunk olyan áramköröket is – ha szétszedjük –, ahol még hűtőbordát sem szerelnek rájuk, elegendő a saját tokozatuk hőelvezetése.
