Rozdíl mezi triakem a tyristorem: funkčnost, zařízení

Tyristory a triaky jsou polovodičová zařízení v pevné fázi, která dokážou regulovat zapínání/vypínání elektrického proudu v užitečné zátěži, proto se používají jako elektronické klíče (spínače). Oba prvky jsou alternativou ke klasickým kontaktním spínačům (stykače, spouštěče, elektromechanická relé). Rozdíl mezi triakem a tyristorem je způsoben rozdílným počtem pn přechodů a jejich strukturní konfigurací.

Zvláštnosti pn-přechodu

Klíčovým konstrukčním „stavebním kamenem“ většiny polovodičových prvků používaných pro navrhování elektrických obvodů je p-n přechod.

Základním polovodičem je nejčastěji monokrystalický křemík – Si. Oblasti s elektronovou a děrovou vodivostí vznikají dodatečným vnášením nečistot (doping). Hraniční vrstva mezi p- a n-oblastmi se nazývá pn-přechod. Jeho odpor je zanedbatelný, když je na n-vrstvu přiloženo napětí záporné polarity („mínus“) a na p-vrstvu „plus“. Když se změní polarita, přechodový odpor se prudce zvýší, vodivost klesne a v obvodu není žádný proud.

Jak funguje tyristor

Polovodičový tyristor, sestávající ze tří pn přechodů, má tři kontaktní elektrody: anodu (A), katodu (K) a řídicí elektrodu (G) – hradlo. Čtyřvrstvý „sendvič“ se skládá ze střídajících se dírových (p) a elektronových (n) vrstev.

Tyristor funguje jako ventil a prochází jím proud výhradně v jednom směru od anody ke katodě („otevřená“ fáze). V tomto případě je anoda připojena k plusu a katoda k mínusu.

Proud přes tyristor přestane protékat („fáze uzavřena“), když:

• Probíhá odpojování užitečného zatížení.
• Velikost provozního proudu bude menší než přídržný proud I_У (minimální hodnota proudu zaznamenaná ve fázi „otevřeno“).

Tyristor se zapne přivedením malého pulzního signálu na řídicí elektrodu. Zařízení tedy přejde do stavu „otevřeno“ aktivací napětí na bráně a do stavu „zavřeno“, když provozní proud klesne pod hodnotu I_У.

Tyristor je tedy zařízení, které má pouze dva stavy: buď „otevřený“ nebo „zavřený“. Hlavní funkcí tohoto prvku je zapínat/vypínat části elektrických obvodů, to znamená fungovat jako elektronický klíč.

Podobné řídicí zařízení lze implementovat pomocí dvou bipolárních tranzistorů, jedná se však o pracnější a těžkopádnější variantu.

Zařízení tyristoru

Simistor je zkrácený název pro polovodičový prvek. Jeho celé jméno je symetrický triodový tyristor. Další používanou latinskou zkratkou je TRIAC (trioda pro střídavý proud), což v překladu znamená trioda pro střídavý proud. Triak je v podstatě rozvinutím myšlenky tyristoru a používá se také jako elektronický spínač v obvodech střídavého napětí. TRIAC je schopen propouštět elektrický proud v dopředném i zpětném směru.

Na obrázku je znázorněna struktura pn-přechodů, z níž vyplývá, že díky přítomnosti dalších p- a n-vrstev (alespoň čtyř) jsou v jednom monokrystalu vytvořeny dva antiparalelní tyristory. Pro hlavní, výkonové elektrody (MT1 a MT2, někdy označované A1, A2) nejsou v tomto případě názvy anoda-katoda vhodné, protože v této roli mohou působit obě. Proto se v triaku nazývají „Pin 1“ a „Pin 2“. Nechybí ani řídící elektroda G – brána.

Tyristor je zapojen do série s užitečným zatížením. Ve stavu „zavřeno“ není žádný proud a zátěž je odpojena. Když je na bránu přivedeno otevírací napětí („otevřená“ fáze), začne protékat elektrický proud a zátěž je připojena. V „otevřeném“ stavu triak umožňuje proudění proudu v obou směrech. Je schopen setrvat v tomto stavu, dokud pracovní proud procházející MT1 a MT2 nebude menší než přídržný proud. Tuto vlastnost má jak tyristor, tak triak. Tady jsou si podobné. To znamená, že zátěž v obvodu střídavého napětí bude odpojena, když elektrický proud protékající elektrodami změní svůj směr (v okamžiku změny polarity elektrického napětí).

Jakýkoli tyristor lze nahradit dvěma tyristory nainstalovanými v protiparalelním schématu zapojení. Tento způsob zapínání umožňuje proudění elektrického proudu ve dvou směrech. Tím se vyrovná nevýhoda tyristorů, která spočívá v jejich schopnosti pracovat s polovičním výkonem v elektrickém obvodu.

Podobné, ale ne dvojčata

Simistory se liší od tyristorů, navzdory vnější podobnosti, stejnému počtu vývodů (tři) a přítomnosti určitého počtu pn-přechodů ve struktuře. Hlavní rozdíly mezi těmito zařízeními jsou:

• Tyristory se skládají ze čtyř polovodičových vrstev tvořících tři pn přechody. K vytvoření triaku je potřeba alespoň pět p- a n-vrstev, které vytvoří čtyři p-n-přechody.
• Tyristorovými kontakty jsou katoda, anoda a řídicí elektroda. Tyristor má také řídící elektrodu – hradlo. Ale elektrody MT1 a MT2 mohou být jak anodou, tak katodou, což umožňuje triaku propouštět proud v obou směrech.
• Voltampérová charakteristika (VAC) triaku se liší od VAC tyristoru.
• Tyristor je jednosměrný měnič.

Výhody a nevýhody tyristorů

Mezi výhody by mělo patřit:

• Nízká cena.
• Značná životnost.
• Žádné mechanické kontakty, které způsobují „chvění“, které generuje rušení.

• Nízká odolnost vůči šumu, vnějšímu rušení a přechodným procesům.
• Omezený (nízký) rozsah spínací frekvence.
• Potřeba použít další radiátory k odstranění Jouleova tepla. Často je jeden z terminálů vyroben ve formě šroubu se závitem pro upevnění k radiátoru pomocí matice.
• Pro regulaci výkonu na zátěži je nutná tyristorová a triaková řídicí jednotka, jejíž výstupní parametry jsou určeny rozdílem v činnosti těchto polovodičových zařízení.

Aplikace

Protože tyristory jsou schopny propouštět elektrický proud v obou směrech, používají se ve střídavých obvodech, kde tyristor díky své jednosměrnosti „nepřidává“ výkon. Nejčastěji se toto polovodičové zařízení používá v následujících zařízeních:

• Zařízení, která regulují jas světelných zdrojů (stmívače).
• Regulátory otáček pro elektrické nářadí (šroubováky, vrtačky, přímočaré pily atd.).
• Elektronické regulátory teploty pro indukční sporáky.
• Chladicí zařízení pro pozvolný start.
• Domácí spotřebiče (šicí a pračky, vysavače).
• Reverzibilní usměrňovače.

Historické informace

Zajímavostí je, že triak byl vynalezen v SSSR již v roce 1963. Oficiální přihlášku vynálezu podali autoři z Mordovského elektrotechnického institutu jen o šest měsíců dříve než přihlášku inženýrů ze slavné americké firmy General Electric. Název „triak“, navržený našimi vynálezci, se na Západě neujal. Tam tomu raději říkají TRIAC.

Závěr

Rozdíl ve strukturálních vlastnostech triaku a tyristoru je způsoben rozdílným počtem pn-přechodů ve složení těchto rádiových prvků. Oba mohou sloužit jako elektronické spínače sloužící k regulaci výkonu dodávaného do užitečné zátěže.

Související videa

Základem moderních stabilizátorů napětí je automatický transformátor. Řízení zátěže přiváděné do jeho vinutí za účelem normalizace parametrů výstupního proudu se provádí pomocí relé, servopohonu nebo elektronické metody. Ten zajišťuje bezhlučnost, nízkou setrvačnost a nejvyšší přesnost stabilizace.

Zařízení navíc nevyžaduje téměř žádnou údržbu a může sloužit více než 15 let. V důsledku toho poptávka po elektronických zařízeních roste mílovými kroky, a to i přes jejich stále vysokou cenu.

Elektronický stabilizátor napětí pracuje na principu podobném principu činnosti elektromechanických a reléových zařízení.

Kromě automatického transformátoru schéma zapojení takového zařízení zahrnuje:

• Elektronický řídicí obvod;
• Frekvenční filtry;
• Senzory parametrů operačního systému;
• Elektronické vypínače (simistory nebo tyristory).

Typ elektronických klíčů, které znovu spojují závity vinutí transformátoru během procesu normalizace parametrů výstupního proudu, určuje kategorii zařízení pro stabilizaci napětí a v souladu s tím jeho konstrukční a funkční vlastnosti.

Hlavní rozdíly a spotřebitelské kvality

Simistory a tyristory jsou polovodičová zařízení, jejichž vlastnosti jsou určeny přítomností vrstev s různými indexy vodivosti v polovodičové desce. Zásadní rozdíl mezi těmito dvěma typy elektronických klíčů je v tom Tyristory propouštějí proud v jednom směru, zatímco triaky to dělají v obou směrech.

1 triak tedy nahradí tyristorový pár s prvky zapojenými podle kontraparalelního principu. To znamená, že návrh obvodu tyristorového stabilizátoru napětí je levnější.

Tento typ elektronických klíčů navíc poskytuje nejvyšší výkonové ukazatele systému pro normalizaci parametrů síťového proudu. A to má klíčový význam při ochraně výkonných a vysoce citlivých spotřebitelů před anomáliemi vstupního a výstupního proudu.

ČTĚTE TAKÉ: Nepřerušitelný zdroj napájení pro tepelné čerpadlo: typy a kritéria výběru

Stejně jako tyristorové zařízení pracuje i tyristorový stabilizátor napětí pod kontrolou mikroprocesoru. Ten zajišťuje vysokou přesnost a rychlost porovnávání a zpracování vstupních a výstupních proudových parametrů. V tomto případě se všechna přepojení elektronických klíčů provádějí pouze tehdy, když sinusovka vstupního napětí prochází nulovou značkou, což zcela eliminuje zkreslení parametrů sítě na výstupu.

Pokud porovnáme tyristorový a triakový stabilizátor napětí, mají klíče druhého z nich značnou nevýhodu. Spočívá v nízké odolnosti proti náhlým rázům nebo poklesům vstupního proudu, například při indukční zátěži. Spolehlivost tyristorových stabilizátorů je proto zajištěna pomocí dodatečných ochranných opatření.

Velké množství tyristorových stabilizátorů je prezentováno v sortimentu oficiálního prodejce společnosti Energia.

Princip činnosti, silné a slabé stránky tyristorových stabilizátorů

Tyristorový stabilizátor napětí funguje následovně:

1. Při změně vstupního proudu je fáze zpoždění (asi 20 ms) použita k měření aktuálních parametrů napětí na vstupu;
2. Po porovnání skutečné a požadované proudové charakteristiky vydá procesor příkaz k vyrovnání výstupního napětí;
3. Pokud odchylky vstupního proudu nepřekročí přípustné meze, stabilizátor vyrovná výstupní napětí na jmenovitou úroveň 220V;
4. V případě náhlých nadměrných proudových rázů na vstupu systém ochrany zařízení nouzově vypne napájení;
5. Při poklesu vstupního napětí stabilizátor zvedne svou hodnotu na výstupu tak, jak dovolí výkon transformátoru.

Jednofázový tyristorový stabilizátor napětí reguluje výstupní napětí opětovným připojením závitů na vinutí přídavného transformátoru. Třífázová zařízení vybavená systémem synchronizace fázového bloku pracují stejným způsobem.

Mezi výhody tyristorových normalizátorů patří:

• Tichý provoz;
• Odolnost (1 tyristor zajišťuje více než 1 miliardu operací);
• Při vyrovnávání výstupního proudu nedochází k výbojům oblouku;
• Nízká spotřeba energie;
• Kompaktní rozměry;
• Vysoký výkon;
• Malá chyba normalizace (ne více než +/- 3 % nominální hodnoty);
• Široký rozsah parametrů vstupního proudu (v rozsahu 100-300 V).

ČTI TAKÉ: Základní typy relé

Nevýhody takového zařízení jsou:

• Postupná stabilizace výstupního napětí;
• Potřeba restartovat zařízení v případě „zamrznutí“ elektronického obvodu;
• Vysoká cena.

Tyristorová stabilizační zařízení zajišťují vyrovnání výstupního proudu v rozmezí 214-226 V, což je velmi vysoký ukazatel. Zároveň vyžadují spolehlivou ochranu proti přehřátí a proudovému přetížení, což vede ke složitější konstrukci zařízení.

Tyristorové stabilizátory: hlavní výhody a nevýhody

Tyristorový stabilizátor napětí funguje na podobném principu jako tyristorový, má však řadu vlastností, které je třeba zohlednit při výběru.

Za prvé, Jeden triak zabírá plochu dostatečnou pro umístění 4-6 tyristorů. Díky tomu se zvětšují rozměry a hmotnost celého stabilizačního zařízení.

Za druhé, tyristory se zahřívají mnohem více než tyristorové klíče, zejména když se vyskytují rozběhové proudy, které jsou několikanásobně vyšší než provozní proudy. Zvyšuje se tím riziko selhání elektronických klíčů v důsledku nedostatku výstupní výkonové rezervy stabilizátoru, která by měla činit minimálně 25 % jmenovité spotřeby.

Za třetí, Jak třífázové, tak i jednofázové tyristorové stabilizátory napětí během provozu generují krátkodobé rázy a poklesy zátěže podobně jako stabilizátory relé. Spotřebiče citlivé na rušení a proudové anomálie, připojené k takovému normalizátoru, musí být proto dodatečně vybaveny prvky, které umožňují kompenzaci odchylek v napěťových parametrech, například varistory.

Začtvrté, Tyristorová stabilizační zařízení jsou velmi složitá na ovládání, které je implementováno prostřednictvím specifického firmwaru regulátoru. Ten může selhat za abnormálních provozních podmínek, například kvůli snížení kvality chlazení nebo dlouhým přebytečným impulzům na vstupu, stejně jako může kdykoli „vylétnout“ firmware. Výměna obvodu není levná záležitost, ale hlavním problémem je obnovení programu, protože výrobci zřídka distribuují jeho obsah.

Mezi další nevýhody tyristorového zařízení patří:

• Postupné nastavení parametrů výstupního proudu, které lze kompenzovat pouze zvýšením počtu kroků (určených poměrem počtu závitů vinutí transformátoru k počtu elektronických klíčů);
• Vysoká cena;
• Složitost nastavení a údržby;
• Pracnost a složitost oprav a výměn komponentů.

ČTĚTE TAKÉ: Výběr stabilizátoru napětí pro letní dům: typy, vlastnosti a vlastnosti

Pokud jde o výhody, tyristorové normalizátory mají alespoň několik z nich:

• Vysoká rychlost odezvy systému – ne více než 10-20 ms, což je polovina nebo pouze jedna fáze sinusovky zatížení;
• Zcela tichý provoz;
• Trvanlivost služby;
• Vysoká účinnost.

Konečně jsou to tyristorová stabilizační zařízení, která mají nejlepší poměr spolehlivosti v provozu a ceně, což určuje jejich rychle rostoucí oblibu na trhu.

Další doporučení pro výběr

Při výběru elektronického stabilizátoru napětí je nesmírně důležité zvážit podmínky, ve kterých bude používán. Například tyristorová zařízení nemohou pracovat v místnostech s vlhkostí vzduchu nad 80 % a triaková zařízení často vyžadují dodatečné chlazení a ochranu před anomáliemi proudu.

V každém případě pouze pečlivé studium a srovnání charakteristik zástupců obou kategorií elektronických stabilizátorů usnadní nalezení modelu splňujícího požadavky na ochranu konkrétní elektrické sítě.