Inhoudsopgave De thyristor, diac en triac

Transcriptie

1

2 Inhoudsopgave Inhoudsopgave... 2 Thyristor... 3 Algemeen... 3 Werking... 3 Toepassing... 3 Triac... 4 Algemeen... 4 Werking... 4 Toepassing... 5 Diac... 5 Algemeen... 5 Werking... 5 Toepassing met gelijkspanning (thyristor)... 6 Algemeen... 6 Een praktisch voorbeeld... 7 Toepassing met wisselspanning... 7 Voorbeelden van DIAC... 8 Bijlage 1: faseaansnijding De thyristor, diac en triac

3 Thyristor Algemeen Een thyristor is een halfgeleider met de werking van een elektronische schakelaar die geschikt is om grote vermogens bij hoge spanningen met betrekkelijk weinig verlies te schakelen. Als men deze vermogens gaat regelen spreekt men over faseaansnijding (bijlage 1). Werking Een thyristor gedraagt zich als een schakelbare diode, die met een extra stuuraansluiting (de z.g. gate), te bedienen is. De kathode wordt gemeenschappelijk gebruikt voor hoofdstroom en stuurstroom. Bij het aanleggen van een positieve gelijkspanning op de anode ten opzichte van de kathode kan de thyristor door een triggerpuls op de gate in geleiding gebracht worden; er loopt dan een stroom door de thyristor en door de belasting. Als er eenmaal stroom loopt blijft deze lopen ongeacht de spanning op de gate. Dit is goed te zien in het vervangingsschema: beide transistoren sturen elkaar open. Wel neemt de dissipatie (warmteontwikkeling) in de thyristor toe naarmate er meer stroom door de gate loopt. Daarom wordt in professionele regelingen een reeks korte pulsjes (pulstrein) gebruikt. De thyristor schakelt pas weer uit als de stroom erdoor onder een minimumwaarde daalt. Deze grens wordt de houdstroom (I H ) genoemd en verschilt per type thyristor. Een thyristor kan daarom alleen bij gelijkgerichte wisselspanning worden gebruikt, want tijdens de nuldoorgang is de stroom kleiner dan de houdstroom, zie afbeelding. Als de anodespanning negatief wordt gedraagt de thyristor zich als isolator. Toepassing De thyristor wordt veel gebruikt binnen de vermogenselektronica, waar door middel van faseaansnijding gelijkstroommotoren aangestuurd worden. Een 3-fase thyristorbrug is vergelijkbaar met een 3-fase diodebrug. Enkel is de uitgangsspanning bij een thyristorbrug regelbaar: zo kan men het toerental en het koppel van de aan te sturen motor laten variëren. De directe aansturing door middel van thyristoren word de laatste jaren minder toegepast, omdat er steeds meer driefasig asynchrone motoren gebruikt worden; deze kan geregeld worden met een frequentieregelaar of een frequentieomvormer. Alleen voor grote vermogens, in de ordegrootte van een megawatt, worden uitsluitend thyristorchoppers toegepast De thyristor, diac en triac

4 Triac Algemeen Een triac (triode for alternating current) is een elektronische component die tot de categorie van de halfgeleiderschakelaars behoort. Een triac kan opgebouwd worden gedacht als twee antiparallel geschakelde thyristoren en daarmee als een speciale variant van de thyristor worden gezien. In werkelijkheid is de triac echter opgebouwd uit één halfgeleiderkristal. Een triac heeft drie aansluitingen: elektrode 1, elektrode 2 en gate, er kan niet van anode en kathode gesproken worden omdat de polariteit bij deze component niet vast ligt, zoals bij de thyristor. Toch hanteren sommige fabrikanten de aanduiding A1 en A2. In het Engels spreekt men van main terminal, MT1 en MT2. Werking De werking van de triac lijkt sterk op de werking van de thyristor. Dit component wordt in geleiding gestuurd door een stroompuls via de gate van de triac de sturen, dit heet de ontsteekpuls. Uit de grafiek kan worden afgeleid dat de triac zonder puls ook in geleiding kan worden gestuurd, namelijk door de spanning over het component hoger te maken dan Ubo. Dit is echter niet de juiste, gecontroleerde methode om de triac in geleiding te brengen, het verhoogt het risico op beschadiging. Om geleiding te bewerkstelligen is een ontsteekpuls op de gate en een voldoende hoge spanning over de hoofdaansluitingen van de triac nodig. Tijdens geleiding is de spanning over de component 0,6 tot 1,0 volt. Afhankelijk van het type en de koeling kan de triac stromen verwerken tussen 100 ma en vele honderden ampères. In tegenstelling met de thyristor die alleen tijdens de positieve periode kan schakelen, kan de triac zowel tijdens de positieve als de negatieve periode geleiden. Voor volledige geleiding dient de triac te worden ontstoken tijdens de positieve en de negatieve periode, daarbij speelt de polariteit van de ontsteekpuls geen rol. Bij het ontsteken wordt in de regel gebruik gemaakt van een puls of een reeks van pulsen in plaats van een constante spanning, net als bij de thyristor. Dit beperkt de vermogendissipatie in de component De thyristor, diac en triac

5 De triac kan uit geleiding worden gebracht (gaan sperren) als de hoofdstroom door de component onder een bepaalde waarde daalt, deze minimale stroom die dient te vloeien om geleiding in stand te houden wordt de houdstroom (Ih) genoemd. Bij een wisselspanning zal de triac bij elke polariteitwisseling rond de nuldoorgang door deze oorzaak uit geleiding worden gebracht. In een schakeling die door één triac en zijn stuurcircuit wordt gestuurd en gevoed met een AC-spanning, is 100 % geleiding niet mogelijk. Vlak voor de nuldoorgang daalt de stroom tot onder de houdstroom en zal de geleiding wegvallen. Toepassing Lichtdimmers. Zuigkrachtregelingen in stofzuigers. Toerentalregeling van boormachines (niet bij accuboormachines). Discolichtsturingen Diac Algemeen Een diac (diode alternating current switch, een diode wisselstroomschakelaar) is een op halfgeleidertechnologie gebaseerde elektronische component die zich gedraagt als schakelaar voor zowel gelijk- als wisselstroom. De werking berust op het gegeven dat de schakelaar zich sluit zodra de spanning over de beide aansluitingen boven de doorslagspanning of ontsteekspanning uit komt. Deze werking treedt bij positieve en negatieve polariteit op, aangezien de opbouw symmetrisch is. De schakelaar opent zich zodra de stroom erdoor beneden de houdstroom komt. De doorslagspanning is doorgaans ongeveer 33 volt. Werking Het verband tussen de spanning over de diac en de stroom erdoor wordt in de stroomspanningsgrafiek weergegeven De thyristor, diac en triac

6 De diac spert zolang de aangelegde spanning onder de doorslagspanning U BO blijft. De stroom door de diac is in spertoestand minimaal, er zal slechts een minimale sperstroom of lekstroom vloeien. Als de spanning stijgt tot boven de doorslagspanning zal de component 'doorslaan' en volledig gaan geleiden. Wanneer de diac in geleiding komt zal de stroom door de component toenemen en de spanning nagenoeg verdwijnen. Wanneer de stroom door de diac onder een bepaalde waarde daalt, zal de component weer naar de spertoestand terugkeren. De minimale stroom die moet vloeien door de diac om deze in geleiding te houden wordt de houdstroom (Ih) genoemd. Toepassing met gelijkspanning (thyristor) Algemeen De diac wordt vaak als deel van de stuurkring voor een thyristorschakelaar toegepast. In het schema hiernaast zal de condensator zich opladen via de weerstand R1. Wanneer de condensator is opgeladen tot de doorslagspanning van de diac zal deze in geleiding komen. Nu zal de condensator zich ontladen via R2 totdat de stroom door de diac lager wordt dan de houdstroom. Vanaf dit moment zal de diac De thyristor, diac en triac

7 weer sperren en zal de condensator weer opgeladen worden tot zij opnieuw de doorslagspanning bereikt. Elke keer dat de condensator door de diac wordt ontladen vloeit een groot gedeelte van deze stroom door de gate van de thyristor, waardoor deze in geleiding wordt gebracht. Pas als de stroom die zo door de belasting vloeit tot onder de houdstroom van de thyristor komt zal deze geleiding worden opgeheven. Dit zal het geval zijn als de voedingsspanning een pulserend karakter heeft, zoals bij enkelzijdige gelijkrichting het geval is. Een praktisch voorbeeld Als de diac een doorslagspanning heeft van 54 V, is dit de hoogste spanning waartoe de condensator zal worden opgeladen. Als bij een spanning van 15 V de stroom door de diac onder de houdstroom daalt, zal de condensator vanaf dit punt telkens weer opgeladen worden. De spanning over de condensator zal zo afwisselend met 39 volt toe- en afnemen. Als de tijdsconstante 1 seconde is (R1 C2 = 1 s), zal de toename van de condensatorspanning na 0,78 seconde 46% zijn van het spanningsverschil tussen de voedingsspanning van 100 V en de condensatorspanning van 15 V. De condensatorspanning is dat moment dus 15 V + 39 V = 54 V, de doorslagspanning van de diac. Het ontladen van C2 gebeurt veel sneller omdat de gate-kathodeovergang van de thyristor parallel aan R2 een veel kleinere weerstandswaarde heeft, wat resulteert in een veel kleinere tijdsconstante. Met deze schakeling kan het vermogen in de belasting elektronisch geregeld worden als het opladen van C2 via een regelbare uitvoering van R1 sneller of langzamer kan worden gemaakt. Na aanvang van de periode van de voedingsspanning zal de thyristor dan meteen of iets later inschakelen. De thyristor zal weer uitschakelen als de voedingsspanning tot nul is gedaald. Toepassing met wisselspanning Met dezelfde schakeling kan als bronspanning ook gebruik gemaakt worden van de netspanning (230V AC enkelfase). Als de weerstand R1 groter wordt, zal de spanning over de condensator C2 kleiner worden en zal deze spanning ook meer gaan naijlen op de bronspanning. Zo zal de condensatorspanning later de doorslagspanning van de diac De thyristor, diac en triac

8 bereiken. Hoe lager de weerstand van potentiometer T1 wordt ingesteld, des te vroeger wordt de thyristor in geleiding gestuurd. Diode = 1N4007 of equivalent. De negatieve periode van de bron zal via de diode worden afgeleid naar de massa, omdat de gate van de thyristor geen grote negatieve pulsen kan verdragen. Hierdoor zal het vermogen dat deze schakeling kan leveren maximaal ¼ van P Max zijn (P = U I = U/2 I/2 = P Max /4). Met een triac wordt de diac echter het meeste gebruikt. Zo wordt de wisselspanning in beide richtingen benut. Er zijn ook triacs met een geïntegreerde diac. Voorbeelden van DIAC BR100 (35 V, 150 mw, DO-41) ER900 (D30) (33 V, 150 mw, DO-3) DB3 (32 V, 100 µa, DO-35) DB4 (40 V, 100 µa, DO-35) 1N5758 (20 V, 100 ma, TO-92) TMMDB3 (32 V, 100 µa, SMD) De thyristor, diac en triac

9 Bijlage 1: faseaansnijding Faseaansnijding is een schakelprincipe voor wisselspanning waarmee het vermogen in een belasting kan worden gereduceerd. Het ingekleurde deel van de golfvorm stelt de ingeschakelde spanning voor, die wordt aangeboden aan de belasting Elke halve periode van de sinusvormige spanning wordt pas een gegeven tijd na de nuldoorgang ingeschakeld, zodat slechts het laatste deel van de curve benut wordt. De tijd die er tussen de nuldoorgang en het inschakelmoment verstrijkt, kan worden bepaald door een simpele RC combinatie, een Diac, maar kan ook geavanceerder vanuit digitale schakelingen. Om er zeker van te zijn dat het schakelelement ook daadwerkelijk reageert op dit signaal wordt het vaak als heel korte, smalle pulsjes aangeboden aan de stuuringang. Een nadeel van faseaansnijding is dat de golfvorm nogal verandert, waardoor hogere harmonischen opgewekt worden, die op hun beurt weer storing kunnen veroorzaken in andere apparatuur. Voor deze "ontstoring" is weer extra elektronica nodig. Een slecht ontstoorde dimmer kan bijvoorbeeld een brom veroorzaken in audioapparatuur die in de buurt staat. Een voordeel van faseaansnijding is dat in de schakeling zelf nauwelijks energie verloren gaat, zodat met een kleine schakeling betrekkelijk grote vermogens geregeld kunnen worden. Bij vermogensreductie door middel van een voorschakelweerstand wordt een deel van het totale vermogen door de weerstand opgenomen, waardoor deze heet wordt en gekoeld moet worden. Faseaansnijding gebeurt met thyristors en triacs, eventueel vergezeld van een diac. Het kan ook worden toegepast bij enkelzijdig gelijkgerichte wisselspanning De thyristor, diac en triac