ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ ΘΥΡΙΣΤΟΡ (SCR, TRIAC, DIAC, UJT, PUT)

Transcript

1 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ ΘΥΡΙΣΤΟΡ (SCR, TRIAC, DIAC, UJT, PUT) 1

2 2

3 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 4 ΕΛΕΓΧΟΜΕΝΟΙ ΑΝΟΡΘΩΤΕΣ ΠΥΡΙΤΙΟΥ (SCR)... 6 ΒΑΣΙΚΗ ΔΟΜΗ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ... 6 V - I ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΠΡΑΚΤΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ αμφιδρομα τριοδικα θυριστορ ΒΑΣΙΚΗ ΔΟΜΗ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ V-I ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΑΜΦΙΔΡΟΜΕΣ ΔΙΟΔΟΙ ΣΚΑΝΔΑΛΙΣΜΟΥ ΒΑΣΙΚΗ ΔΟΜΗ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ VI ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΜΙΑΣ ΕΠΑΦΗΣ (UJT) ΒΑΣΙΚΗ ΔΟΜΗ ΣΧΗΜΑ 19: ΤΟ ΒΑΣΙΚΟ UJT ΜΕ ΤΟ ΙΣΟΔΥΝΑΜΟ ΚΥΚΛΩΜΑ ΤΟΥ ΚΑΙ ΤΟ ΣΧΗΜΑΤΙΚΟ ΤΟΥ ΣΥΜΒΟΛΟ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ V-I ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΟΥ UJT ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΖΟΜΕΝΑ UJT (PUT)

4 ΘΥΡΙΣΤΟΡ (Thyristor) Εισαγωγή Ο όρος "θυρίστορ" προσδιορίζει περιοχή υλικών σταθερής κατάστασης τα οποία χρησιμοποιούνται ως ηλεκτρικοί ελεγχόμενοι διακόπτες. Κάθε μία από αυτές τις συσκευές μπορεί να μεταβάλλεται μεταξύ μιας αγώγιμης (on) κατάστασης και μιας μη αγώγιμης (off) κατάστασης, ώστε να επιτρέπει ή να σταματά, αποτελεσματικά, τη διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος. Επιπλέον, κάποια θυρίστορ έχουν τη δυνατότητα να διακόπτουν τη ροή του ρεύματος, σε μία κατεύθυνση, ενώ άλλα θυρίστορ δύνανται να διακόπτουν τη ροή του ρεύματος, σε κάθε κατεύθυνση. Τα θυρίστορ χρησιμοποιούνται, ευρέως, σε εφαρμογές, όπου πρέπει να ελεγχθεί φορτίο ισχύος DC και AC. Αυτές οι συσκευές χρησιμοποιούνται, συχνά, για να τροφοδοτήσουν ένα συγκεκριμένο ποσό ισχύος σε ένα φορτίο ή για να το αφαιρέσουν, εντελώς, από το φορτίο. Εν τούτοις, χρησιμοποιούνται, επίσης, για να κανονικοποιήσουν ή να προσαρμώσουν το παρεχόμενο ποσό ισχύος, σε ένα συγκεκριμένο φορτίο. Για παράδειγμα, ένα θυρίστορ μπορεί να χρησιμοποιηθεί, απλώς, για να "ξεκινήσει" ή να "σταματήσει" ένα ηλεκτρικό κινητήρα ή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ρυθμίσει την ταχύτητα ή τη ροπή στρέψης του κινητήρα, σε μία ευρεία περιοχή λειτουργίας. Τα θυρίστορ δεν πρέπει να συγχέονται με τα διπολικά τρανζίστορ ή με τα τρανζίστορ εγκαρσίου πεδίου (FET). Παρόλο που είναι αλήθεια, ότι τα τρανζίστορ και τα FET μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως ηλεκτρονικοί διακόπτες, οι συσκευές αυτές δεν είναι τόσο επαρκείς και δεν έχουν την ικανότητα χειρισμού ισχύος των θυρίστορ. Τα θυρίστορ είναι συσκευές που χρησιμοποιούνται ρητώς, για το σκοπό ελέγχου της ηλεκτρικής ισχύος, ενώ τα τρανζίστορ και τα FET χρησιμοποιούνται, πρωτίστως, για να παρέχουν ενίσχυση. Μια ποικιλία από θυρίστορ είναι σήμερα διαθέσιμα, αλλά πολλές από αυτές τις 4

5 συσκευές έχουν παρόμοια ή συγγενή χαρακτηριστικά. Οι περισσότερες εφαρμογές, που περιλαμβάνουν έλεγχο ισχύος, χειρίζονται με μερικά βασικά στοιχεία. Τα θυρίστορ που χρησιμοποιούνται, κυρίως, είναι οι ελεγχόμενοι ανορθωτές πυριτίου (SCR), οι αμφίδρομες τρίοδοι (TRIAC), οι αμφίδρομες δίοδοι σκανδαλισμού (DIAC), τα τρανζίστορ μιας επαφής (PUT). Θα εξετάσουμε κάθε μία από τις συσκευές και θα αναλύσουμε τη λειτουργία του ελεγχόμενου ανορθωτή πυριτίου και του τρανζίστορ μιας επαφής. 5

6 Ελεγχόμενοι Ανορθωτές Πυριτίου (SCR) Οι ελεγχόμενοι ανορθωτές πυριτίου είναι το δημοφιλέστερο μέλος της οικογένειας των θυρίστορ. Αυτή η συσκευή, γενικώς, αναφέρεται ως SCR. Σε αντίθεση με το διπολικό τρανζίστορ, που έχει δύο επαφές και παρέχει ενίσχυση, ο SCR έχει τρεις επαφές και χρησιμοποιείται ως διακόπτης. Όπως συνεπάγεται και το όνομά του, η συσκευή είναι, κυρίως, ένας ανορθωτής, ο οποίος άγει ρεύμα σε μία μόνο κατεύθυνση. Εν τούτοις, μπορεί να μετατραπεί έτσι, ώστε να άγει (turn on) ή να σταματήσει να άγει (turn off), ώστε να χρησιμοποιηθεί ως διακόπτης, για τον έλεγχο ηλεκτρικού ρεύματος. Ας παρατηρήσουμε, τώρα από κοντά τον SCR. Κατ' αρχήν, θα εξετάσουμε τη βασική του δομή και λειτουργία και κατόπιν θα μελετήσουμε τα σημαντικά του ηλεκτρικά χαρακτηριστικά και τις βασικές εφαρμογές του. Βασική Δομή και Λειτουργία Ένας SCR είναι μία συσκευή σταθερής κατάστασης, η οποία έχει τέσσερα, εναλλασσόμενα ενισχυμένα ημι-αγώγιμα στρώματα. Η συσκευή, σχεδόν πάντα, είναι κατασκευασμένη από πυρίτιο, αλλά έχει χρησιμοποιηθεί και γερμάνιο. Τα τέσσερα στρώματα του SCR συχνά σχηματίζονται από μία διαδικασία διάχυσης, αλλά επίσης χρησιμοποιείται μία συνδυασμένη μέθοδος διάχυσης - ανάμειξης. Ένα απλουστευμένο διάγραμμα του SCR παρουσιάζεται στο Σχήμα 1-Α. Όπως φαίνεται τα τέσσερα στρώματα του SCR (PNPN) περιβάλλονται, όλα μαζί, από τρεις επαφές. Εν τούτοις, ακροδέκτες συνδέονται σε τρία, μόνο, από τα τέσσερα στρώματα. Οι τρεις αυτοί ακροδέκτες αναφέρονται ως άνοδος, κάθοδος και πύλη. 6

7 ΑΝΟΔΟΣ ΑΝΟΔΟΣ ΑΝΟΔΟΣ Ρ Ρ Ν Ν ΠΥΛΗ Ρ Ν ΠΥΛΗ Ρ Ν Ρ Ν ΠΥΛΗ ΚΑΘΟΔΟΣ ΚΑΘΟΔΟΣ ΚΑΘΟΔΟΣ Α Β Γ Σχήμα 1 : Ο SCR και τα ισοδύναμα του κυκλώματα Ο τρόπος με τον οποίο λειτουργεί ο SCR, δεν μπορεί να προσδιορισθεί εύκολα, εξετάζοντας τη δομή των τεσσάρων στρωμάτων, που παρουσιάζεται στο Σχήμα 1-Α. Εν τούτοις, τα τέσσερα στρώματα του SCR μπορεί να διαιρεθούν έτσι, ώστε να σχηματιστούν δύο συσκευές τριών στρωμάτων, όπως φαίνεται στο σχήμα 1-Β. Οι δύο συσκευές, ξεχωριστά, είναι αποτελεσματικά PNP και ΝΡΝ τρανζίστορ και όταν αλληλοσυνδέονται είναι ισοδύναμες με τη συσκευή τεσσάρων στρωμάτων, που φαίνεται στο Σχήμα 1-Α. Αυτά τα δύο τρανζίστορ μπορούν, να αναπαρασταθούν από τα σχηματικά τους σύμβολα, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1-Γ. Τώρα, θα πολώσουμε το ισοδύναμο κύκλωμα του Σχήματος 1-Γ, όπως ακριβώς θα πολώναμε τον πραγματικό SCR, που φαίνεται στο Σχήμα 1-Α. Πρώτα, θα κάνουμε την άνοδο του κυκλώματος θετική σε σχέση με την κάθοδο, αλλά θα αφήσουμε την πύλη ανοικτή. Υπό αυτές τις συνθήκες, το ΝΡΝ τρανζίστορ δεν θα άγει, διότι η επαφή εκπομπού του δε θα υπόκειται σε μία τάση ορθής πόλωσης, η οποία μπορεί να παράγει ένα ρεύμα βάσης. Αυτό, με τη σειρά του, θα προκαλέσει την απενεργοποίηση του ΡΝΡ τρανζίστορ, διότι το ΝΡΝ δε θα άγει και επομένως δε θα επιτρέπει τη ροή ρεύματος βάσης δια μέσω της επαφής εκπομπού του ΡΝΡ τρανζίστορ. Το ισοδύναμο κύκλωμα 7

8 SCR δε θα επιτρέπει τη ροή ρεύματος, από την κάθοδο του στην άνοδό του, υπό αυτές τις συνθήκες. Αν η πύλη του ισοδύναμου κυκλώματος SCR γίνει, προς στιγμήν, θετική σε σχέση με την κάθοδο, η επαφή εκπομπού του ΝΡΝ τρανζίστορ θα πολωθεί ορθώς και το τρανζίστορ θα άγει. Αυτό, με τη σειρά του, θα προκαλέσει τη ροή ενός ρεύματος βάσης, δια μέσω του ΡΝΡ τρανζίστορ, το οποίο θα γίνει αιτία ώστε το τρανζίστορ να άγει. Εν τούτοις, το ρεύμα συλλέκτη, ρέοντας δια μέσω του ΡΝΡ τρανζίστορ, προκαλεί ροή ρεύματος βάσης, δια μέσω του ΝΡΝ τρανζίστορ. Έτσι, τα δύο τρανζίστορ συγκρατούν το ένα το άλλο σε αγώγιμη κατάσταση, επιτρέποντας τοιουτοτρόπως, τη συνεχή ροή ρεύματος από την κάθοδο στην άνοδο του κυκλώματος. Είναι σημαντικό να σημειώσουμε ότι αυτό το γεγονός συμβαίνει, ακόμη και όταν η τάση στην πύλη εφαρμόζεται μόνο για μία στιγμή. Η στιγμιαία τάση πύλης προκαλεί τη μετάβαση του κυκλώματος στην αγώγιμη κατάσταση και παραμένει σε αυτή, ακόμη και όταν αφαιρείται η τάση πύλης. Για να επαναφέρουμε το ισοδύναμο κύκλωμα SCR πίσω στη μη αγώγιμη κατάστασή του, είναι απαραίτητο να ελαττώσουμε την τάση ανόδου - καθόδου του, σχεδόν στο μηδέν. Αυτό θα προκαλέσει την απενεργοποίηση των δύο τρανζίστορ και θα παραμείνουν έτσι, έως ότου εφαρμοσθεί πάλι η τάση πύλης. Ο SCR στο Σχήμα 1-Α λειτουργεί ακριβώς όπως το ισοδύναμο κύκλωμα, στο Σχήμα 1-Γ. Με άλλα λόγια, ο SCR μπορεί να ενεργοποιηθεί από μία θετική τάσης πύλης εισόδου και πρέπει να απενεργοποιηθεί, ελαττώνοντας την τάση ανόδου - καθόδου του. Όταν ο SCR είναι ενεργοποιημένος και άγει ένα υψηλό ρεύμα από την κάθοδο προς την άνοδο, η συσκευή λέγεται ότι άγει στην ορθή κατεύθυνση. Αν η πολικότητα της, καθόδου προς άνοδο, τάσης πόλωσης αντιστραφεί, η συσκευή άγει μόνο ένα μικρό ρεύμα διαρροής, το οποίο θα ρέει κατά την αντίθετη κατεύθυνση. Ο SCR, συνήθως, παριστάνεται με το σχηματικό σύμβολο, που φαίνεται στο Σχήμα 2. Σημειώστε ότι το σύμβολο είναι, στην πραγματικότητα, το σύμβολο μιας κανονικής διόδου, με ένα επιπρόσθετο ακροδέκτη πύλης. Ο κύκλος που περιβάλλει τη δίοδο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ή όχι και οι ακροδέκτες ανόδου, πύλης και καθόδου του SCR μπορεί να σημειωθούν ή όχι. Όταν οι ακροδέκτες σημειωθούν, συνήθως 8

9 παριστάνονται με τα γράμματα A, G. & K, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2. ΑΝΟΔΟΣ (Α) ΠΥΛΗ (G) ΚΑΘΟΔΟΣ (Κ) Σχήμα 2 : Σχηματικό σύμβολο ενός SCR Ένας, καταλλήλως, πολωμένος SCR φαίνεται, σχηματικώς, στο Σχήμα 3. Σημειώστε ότι ένας διακόπτης (S) χρησιμοποιείται για να εφαρμόσει ή να αφαιρέσει την τάση πύλης εισόδου, η οποία επιτυγχάνεται από μία πηγή τάσης και μία αντίσταση R G. Αυτή η αντίσταση χρησιμοποιείται για να περιορίσει το ρεύμα πύλης (Ι G ), σε μία συγκεκριμένη τιμή. Η τάση ανόδου - καθόδου του SCR παρέχεται από μία άλλη πηγή τάσης, αλλά επίσης χρησιμοποιείται μια αντίσταση φορτίου (R L ) συνδεδεμένη σε A IA R1 S G K + RG Σχήμα 3 : Ένας, καταλλήλως, πολωμένος SCR 9

10 σειρά, για να περιορίσει το ρεύμα, από την κάθοδο στην άνοδο, του SCR, σε μία ασφαλή τιμή, όταν η συσκευή ενεργοποιείται, Δίχως αυτή την αντίσταση, ο SCR θα άγει ένα πολύ υψηλό ρεύμα, από την κάθοδο στην άνοδο (επίσης αναφέρεται ως ρεύμα ανόδου ή Ι Α ) και μπορεί να καταστραφεί, οριστικώς). V - I Χαρακτηριστικά Μια καλύτερη κατανόηση της λειτουργίας του SCR μπορεί να αποκτηθεί, εξετάζοντας την καμπύλη τάσης - ρεύματος (V-I), που φαίνεται στο Σχήμα 4. Αυτή η καμπύλη δείχνει τις V-I χαρακτηριστικές ενός τυπικού SCR. Η καμπύλη αυτή σχεδιάζεται μεταβάλλοντος σε μία ευρεία περιοχή, την τάση καθόδου - ανόδου του SCR, παρατηρώντας ταυτοχρόνως το ρεύμα ανόδου του SCR. Κατόπιν, σημειώνονται οι αντίστοιχες τιμές και μία συνεχής καμπύλη σχηματίζεται. Ο SCR, στην αρχή, είναι πολωμένος στην ορθή κατεύθυνση, ενώ η πύλη του είναι ανοικτή, όπως φαίνεται στο Σχήμα 4. Η τάση καθόδου - ανόδου του SCR σημειώνεται ως V F, για την ώρα. Η καμπύλη δείχνει ότι καθώς η V F συνεχίζει να αυξάνεται από το μηδέν, ο SCR άγει μόνο ένα μικρό ρεύμα ορθής φοράς (σημειώνεται ως Ι F ), οφειλόμενο στη διαρροή. Καθώς η V F συνεχίζει να αυξάνεται, το Ι F παραμένει πολύ χαμηλό και σχεδόν σταθερό, αλλά τελικώς σε κάποιο σημείο, το Ι F αυξάνεται ραγδαίως και η V F πέφτει σε μία χαμηλή τιμή (παρατηρείστε την οριζόντια διακεκομμένη γραμμή). Η τιμή της V F, που χρειάζεται για να προκληθεί αυτή η ξαφνική αλλαγή, αναφέρεται ως ορθή τάση διάσπασης (forward break-over voltage). Όταν επιτευχθεί αυτή η τιμή της V F, ο SCR διασπάται και άγει ένα υψηλό Ι F, το οποίο περιορίζεται μόνο από την εξωτερική αντίσταση, που είναι συνδεδεμένη σε σειρά με τη συσκευή. Ο SCR μεταπηδά από τη μη αγώγιμη, στην αγώγιμη κατάσταση, αυτή τη χρονική στιγμή. Η πτώση της V F οφείλεται στο ότι η αντίσταση του SCR πέφτει σε μία εξαιρετικώς χαμηλή τιμή και το μεγαλύτερο μέρος της τάσης πηγής εμφανίζεται στην εν σειρά αντίσταση. 10

11 Όταν ο SCR βρίσκεται στην αγώγιμη κατάσταση, απαιτείται μόνο μία πολύ μικρή αύξηση της V F, για να προκληθεί μια τρομακτική αύξηση του Ι F (η καμπύλη είναι σχεδόν κατακόρυφη και ευθεία). Επιπλέον, ο SCR θα παραμείνει στην αγώγιμη κατάσταση, όσο το Ι F παραμένει σε μία ουσιαστική τιμή. Μόνο όταν το Ι F μειωθεί κάτω από μία συγκεκριμένη ελάχιστη τιμή, ο SCR θα μεταβεί πίσω στη μη αγώγιμη κατάστασή του. Αυτή η ελάχιστη τιμή του Ι F, η οποία κρατά τον SCR σε αγώγιμη κατάσταση, αναφέρεται ως ρεύμα συγκράτησης (holding current) του SCR και συνήθως παριστάνεται ως Ι Η. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 4, η τιμή Ι Η εντοπίζεται στο σημείο, όπου συμβαίνει η διάσπαση (ακριβώς στα αριστερά της οριζόντιας διακεκομμένης γραμμής). IF + αναστροφή τάση διάσπασης ρεύμα συγκράτησης VF - VF VR VF - ορθή τάση διάσπασης VR + VR IR IR Σχήμα 4 : V - I Χαρακτηριστικές ενός τυπικού SCR με ανοικτή πύλη Όταν μία ανάστροφη τάση εφαρμόζεται στον SCR, όπως φαίνεται στο Σχήμα 4, η συσκευή λειτουργεί, περίπου με τον ίδιο τρόπο, όπως μια αναστρόφως πολωμένη ΡΝ δίοδος επαφής. Καθώς η ανάστροφη τάση (V R ) στον SCR αυξάνεται από το μηδέν, μόνο ένα μικρό ανάστροφο ρεύμα (Ι R ) θα ρέει δια μέσω της συσκευής, οφειλόμενη στη διαρροή. Αυτό το ρεύμα θα παραμένει μικρό, έως ότου η V R γίνει αρκετά μεγάλη, ώστε 11

12 να προκαλέσει τη διάσπαση του SCR. Έπειτα, το I R θα αυξηθεί ραγδαίως, αν η V R αυξηθεί ακόμη και πολύ λίγο, πάνω από το σημείο διάσπασης (η καμπύλη είναι σχεδόν κατακόρυφη και ευθεία). Η ανάστροφη τάση (V R ), όπου απαιτείται για τη διάσπαση του SCR, αναφέρεται ως ανάστροφη τάση διάσπασης (reverse breakdown voltage) του SCR. Αν επιτραπεί υπερβολικό ρεύμα να ρεύσει δια μέσω του SCR, αφότου συμβεί η διάσπαση, η συσκευή μπορεί να καταστραφεί, οριστικώς. Εν τούτοις, αυτή η κατάσταση, υπό φυσιολογικές συνθήκες, αποφεύγεται, διότι ο SCR συνήθως υποβάλλεται σε τάσεις λειτουργίας οι οποίες είναι αρκετά μικρότερες από την ονομαστική τιμή της διάσπασης. Η V-I καμπύλη στο Σχήμα 4 δείχνει τη σχέση μεταξύ της V F και του I F, όταν η πύλη του SCR είναι ανοικτή. Με άλλα λόγια, δεν παρέχεται τάση στην πύλη του SCR και δέ ρέει ρεύμα πύλης, δια μέσω της συσκευής. Ως εκ τούτου, η καμπύλη στο Σχήμα 4 μπορεί να σημειωθεί, ώστε να δείχνει ότι το ρεύμα πύλης είναι ίσο με το μηδέν. Όταν η τάση στη πύλη είναι θετική σε σχέση με την κάθοδο, τότε θα ρέει ρεύμα πύλης και τα ορθά χαρακτηριστικά της SCR θα επηρεάζονται. Οι αλλαγές, που θα λάβουν χώρα στα ορθά χαρακτηριστικά της SCR, παριστάνονται γραφικώς στο Σχήμα 5. Σε αυτό το σχήμα, τρεις V-I καμπύλες σχεδιάστηκαν, για να δείξουν πως οι αλλαγές στο ρεύμα πύλης (σημειώνεται ως I G ) επηρεάζουν τη σχέση ανάμεσα στην ορθή τάση του SCR και στο ρεύμα ορθής φοράς. Η καμπύλη "Ι G =0" δείχνει τη σχέση μεταξύ V F και I F, όταν το ρεύμα πύλης ισούται με μηδέν και ως εκ τούτου, είναι απλώς μία λεπτομερέστερη αναπαράσταση των ορθών χαρακτηριστικών, που φαίνονται στο Σχήμα 4. Η καμπύλη I G1 σχεδιάστηκε για μία συγκεκριμένη, αλλά σχετικώς χαμηλή, τιμή του ρεύματος, πύλης. Σημειώστε, ότι αυτή η καμπύλη έχει το ίδιο γενικό σχήμα με την καμπύλη "Ι G =0", αλλά το ορθό σημείο διάσπασης συμβαίνει πιο νωρίς (σε μία χαμηλότερη τιμή της V F ). Η καμπύλη I G2 σχεδιάστηκε για ένα ελαφρώς μεγαλύτερο ρεύμα πύλης και επίσης έχει το ίδιο γενικό σχήμα, όπως οι άλλες δύο καμπύλες. Εν τούτοις, το σημείο διάσπασης συμβαίνει ακόμη πιο νωρίς, σε αυτή τη μεγαλύτερη τιμή του ρεύματος πύλης. Οι καμπύλες του Σχήματος 5 δείχνουν ότι η ορθή τάση διάσπασης του SCR μειώνεται καθώς το ρεύμα πύλης αυξάνεται. Στην πραγματικότητα, το ρεύμα πύλης 12

13 δύναται να αυξηθεί μέχρι ενός σημείου, όπου η τάση διάσπασης θα είναι τόσο χαμηλή, ώστε η συσκευή θα έχει χαρακτηριστικές, οι οποίες θα είναι παρόμοιες μιας συνηθισμένης ΡΝ διόδου επαφής. Η ικανότητα μίας πύλης να ελέγχει το σημείο όπου συμβαίνει η διάσπαση, αποτελεί πλεονέκτημα σε πολλούς τύπους ηλεκτρονικών κυκλωμάτων. Οι καμπύλες του Σχήματος 5 αποκαλύπτουν τα σημαντικότερα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του SCR. Κυρίως, αυτές οι καμπύλες δείχνουν ότι για κάθε δεδομένο ρεύμα πύλης, μια συγκεκριμένη ορθή τάση διάσπασης πρέπει να επιτευχθεί, πριν ενεργοποιηθεί ο SCR. Εν τούτοις, οι καμπύλες επίσης δείχνουν ότι για κάθε δεδομένη ορθή τάση στον SCR, μια συγκεκριμένη τιμή του ρεύματος πύλης πρέπει να επιτευχθεί, πριν ενεργοποιηθεί η συσκευή. Ως εκ τούτου, μπορεί να ενεργοποιηθεί, μόνο, όταν υπόκειται στο σωστό συνδυασμό τιμών ρεύματος πύλης και ορθής τάσης. IF IG2 IG1 IG0 IG0 VF Ορθή τάση διάστασης Σχήμα 5 : Ορθές χαρακτηριστικές του SCR, για διάφορες τιμές του ρεύματος πύλης Πρακτικές Εφαρμογές Σε φυσιολογική λειτουργία, ο SCR υπόκειται σε ορθές τάσεις, οι οποίες είναι μικρότερες από την τάση διάσπασης και ο SCR είναι κατασκευασμένος έτσι, ώστε να ενεργοποιείται από την εφαρμογή ενός κατάλληλου ρεύματος πύλης. Αυτό το ρεύμα, 13

14 συνήθως, είναι τόσο υψηλό, ώστε να εξασφαλίζει ότι ο SCR θα βρίσκεται στην αγώγιμη κατάσταση, την κατάλληλη στιγμή. Επιπλέον, το ρεύμα πύλης συνήθως παρέχεται για μία στιγμή, στη μορφή ενός παλμού ρεύματος. Για την ενεργοποίηση του SCR, δεν απαιτείται συνεχές ρεύμα πύλης, το οποίο θα προκαλούσε, μόνο, περισσότερη ισχύ, που θα διασκορπιζόταν μέσα στη συσκευή. Αφού ενεργοποιηθεί ο SCR, μπορεί να απενεργοποιηθεί, μόνο, μειώνοντας το ρεύμα ορθής φοράς, κάτω από τη σχετική του τιμή ρεύματος συγκράτησης. Ο SCR, πρωτίστως, χρησιμοποιείται για να ελέγχει την εφαρμογή DC ή AC ισχύος, σε διάφορους τύπους φορτίων. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ανοίξει ή να κλείσει ένα κύκλωμα ή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να μεταβάλλει το ποσό ισχύος που παρέχεται σε ένα φορτίο. Ένα πολύ χαμηλό σήμα ρεύματος πύλης μπορεί να ελέγξει ένα πολύ μεγάλο ρεύμα φορτίου. Ο SCR, στο Σχήμα 3, χρησιμοποιείται ως διακόπτης, για την παροχή DC ισχύος σε μία αντίσταση φορτίου (R 2 ), αλλά σε αυτό το βασικό κύκλωμα δεν υπάρχουν αποτελεσματικά μέσα απενεργοποίησης του SCR και, τοιουτοτρόπως, αφαίρεση ισχύος από το φορτίο. Εν τούτοις, αυτό το πρόβλημα μπορεί, ευκόλως, να λυθεί, συνδέοντας απλώς ένα διακόπτη στον SCR. Αυτός ο διακόπτης μπορεί να κλεισθεί, προς στιγμήν, αποκόπτοντας τον SCR και μειώνοντας την τάση ανόδου - καθόδου στο μηδέν. Αυτό θα μειώσει το ορθό ρεύμα του SCR, κάτω από την τιμή συγκράτησης και θα προκαλέσει την απενεργοποίηση του SCR. Ένα πιο πρακτικό κύκλωμα SCR φαίνεται στο Σχήμα 6. Σε αυτό το κύκλωμα, οι μηχανικοί διακόπτες έχουν τελείως εξαφανιστεί. Σε αυτό το υψηλής ταχύτητας κύκλωμα, ο SCR 1 χρησιμοποιείται για να ελέγχει την DC ισχύ, που παρέχεται στην αντίσταση φορτίου R 1 και ο SCR 2, μαζί με ένα πυκνωτή (C) και μία αντίσταση (R 1 ), χρησιμοποιούνται για να απενεργοποιήσουν το κύκλωμα. Όταν ένα στιγμιαίο ρεύμα πύλης ρέει δια μέσω του SCR 1, ενεργοποιείται και επιτρέπει μία DC τάση να τροφοδοτήσει την R 1. Αυτή γειώνει, αποτελεσματικά, τον αριστερό οπλισμό του πυκνωτή (C) και του επιτρέπει να φορτιστεί, δια μέσω της R 1. Έτσι, ο δεξιός οπλισμός του πυκνωτή γίνεται θετικός, σε σχέση με τον αριστερό οπλισμό. Όταν ένας στιγμιαίος παλμός ρεύματος πύλης παρέχεται στον SCR 2, τον ενεργοποιεί και ο δεξιός οπλισμός του πυκνωτή γειώνεται έτσι, ώστε να τοποθετηθεί ο πυκνωτής απέναντι του SCR 1. Η τάση κατά μήκος του πυκνωτή προκαλεί τώρα την ανάστροφη πόλωση του SCR 1. Αυτή 14

15 η ανάστροφη πόλωση προκαλεί την πτώση του ορθού ρεύματος, δια μέσω του SCR 1, κάτω από την τιμή συγκράτησης, προκαλώντας έτσι την απενεργοποίηση του SCR 1 και την απομάκρυνση ισχύος από την R 1. Επομένως, ένα στιγμιαίο ρεύμα πύλης, δια μέσω του SCR 1, θα ενεργοποιήσει το κύκλωμα και ένα στιγμιαίο ρεύμα πύλης, δια μέ σω του SCR 2, θα απενεργοποιήσει το κύκλωμα. + V R1 C R1 A - + SCR1 K ON OFF G K SCR2 Σχήμα 6 : Ένας πρακτικός DC SCR διακόπτης ελέγχου Χρησιμοποιώντας τον SCR σε DC διακοπτόμενα κυκλώματα, είναι συχνά απαραίτητο, να χρησιμοποιηθούν πρόσθετα στοιχεία (όχι πάντοτε επιπρόσθετα SCR), για την παροχή μέσων απενεργοποίησης των κυκλωμάτων. Το προηγούμενο παράδειγμα δείχνει μόνο ένα τρόπο, για να επιτευχθεί κάτι τέτοιο. Ένας SCR μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για να ελέγξει την εφαρμογή AC ισχύος, σε ένα φορτίο. Εν τούτοις, όταν χρησιμοποιείται σε AC κυκλώματα, η συσκευή είναι ικανή να λειτουργεί μόνο σε μία εναλλαγή κάθε AC κύκλου εισόδου. Ένα απλό διακοπτόμενο AC κύκλωμα φαίνεται στο Σχήμα 7. Ο SCR μπορεί να άγει μόνο σε 15

16 εκείνες τις εναλλαγές, οι οποίες κάνουν την άνοδό του θετική, σε σχέση με την κάθοδό του. Επιπλέον, ο διακόπτης S πρέπει να είναι κλειστός, ώστε το ρεύμα πύλης να ρέει δια μέσω του SCR και να του επιτρέπει να άγει. Η αντίσταση R 1 περιορίζει την τιμή κορυφής αυτού του ρεύματος πύλης και η δίοδος D 1 εμποδίζει την εμφάνιση μίας αναστροφής τάσης, δια μέσω της πύλης και της καθόδου του SCR, κατά τη διάρκεια του ανάστροφου τμήματος κάθε κύκλου. Κλείνοντας το διακόπτη S, επιτρέπεται στον SCR να άγει σε μία εναλλαγή κάθε κύκλου εισόδου και να τροφοδοτεί αυτό το τμήμα του AC κύκλου, για να φορτίσει την αντίσταση R 1. Όταν ο διακόπτης S είναι ανοικτός, ο SCR θα απενεργοποιηθεί, μέσα σε μισό κύκλο του AC σήματος. Με άλλα λόγια, όταν κανένα ρεύμα πύλης δέ θα μπορεί να ρέει δια μέσω του SCR, η συσκευή θα απενεργοποιείται τόσο σύντομα, όσο η AC τάση χρειάζεται για να πέσει στο μηδέν. Αντιθέτως, τα επιπρόσθετα στοιχεία χρησιμοποιούνται για να διασφαλίσουν την ενεργοποίηση του SCR, κατά τη διάρκεια AC ΕΙΣΟΔΟΣ R1 SCR Σχήμα 7 : Απλός AC SCR διακόπτης A K G S του κατάλληλου τμήματος κάθε κύκλου. Είναι, επίσης, σημαντικό να σημειωθεί ότι το διακοπτόμενο κύκλωμα μπορεί να μεταφέρει μόνο τη μισή από τη διαθέσιμη AC ισχύ στο φορτίο, καθώς ο SCR μπορεί να άγει μόνο κατά τη μία εναλλαγή κάθε AC κύκλου. Εν τούτοις, διευθετήσεις άλλες κύκλωμα μπορεί να χρησιμοποιηθούν, οι οποίες θα επιτρέψουν την παροχή ολόκληρης της AC ισχύος, στο φορτίο. Αυτό συχνά επιτυγχάνεται, ανορθώνοντας αρχικώς το AC σήμα εισόδου, έτσι ώστε και οι δύο εναλλαγές κάθε κύκλου εισόδου να πολώσουν, καταλλήλως, τον SCR στην αγώγιμη κατάσταση. Με άλλα λόγια, οι θετικές ή μόνο αρνητικές εναλλαγές. Οι παλμοί τότε θεωρούνται ότι παράγουν DC συνεχείς παλμούς. D1 στο 16

17 Τα κυκλώματα, στα Σχήματα 6 και 7, χρησιμοποιούνται για να παρέχουν ή να αφαιρούν ηλεκτρικά ισχύ και να αντικαθιστούν ένα μηχανικό διακόπτη. Εν τούτοις, συγκρινόμενα με μηχανικούς διακόπτες ή ηλεκτρονόμους, αυτά τα SCR κυκλώματα έχουν πολλά πλεονεκτήματα. Δεν κατατρίβονται όπως οι μηχανικές συσκευές και δεν έχουν συνδέσεις, οι οποίες μπορεί να αναπηδήσουν ή να κολλήσουν, προκαλώντας διακοπτόμενη λειτουργία. Τα SCR κυκλώματα, με τη σειρά του, μπορεί να ελεγχθούν μηχανικών ή ηλεκτρικώς. Σε κάθε περίπτωση, για τον έλεγχο του SCR, είναι απαραίτητο μέσο ένα πολύ μικρό ρεύμα πύλης. Εάν αυτό γίνει μηχανικώς, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένας, σχετικώς φθηνός διακόπτης, με μικρές ονομαστικές τιμές τάσης και ρεύματος. Ο SCR μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί, για να μεταβάλλει το ποσό της παρεχόμενης ισχύος σε ένα φορτίο, αντί απλώς να ελέγχει την παροχή ή μη, της ισχύος. Στην πραγματικότητα, χρησιμοποιείται ευρέως σε εφαρμογές ελέγχου ισχύος, όταν η πηγή ισχύος είναι 60 Hz AC. Ένα από τα βασικότερα AC κυκλώματα ελέγχου ισχύος, που χρησιμοποιείται SCR, φαίνεται στο Σχήμα 8. Το κύκλωμα αυτό αναφέρεται συνήθως ως κύκλωμα ελέγχου φάσεως ημίσεως κύματος (half- ware phase control circuit). Χρησιμοποιεί μόνο ένα SCR και δύναται και ελέγχει την AC ισχύ, που παρέχεται στην αντίσταση φορτίου R 1. R1 SCR A D2 R1 AC ΕΙΣΟΔΟΣ G K D1 - C + Σχήμα 8 : SCR κύκλωμα ελέγχου φάσεως ημίσεως κύματος Η AC τάση, που παρέχεται στο κύκλωμα ελέγχου του Σχήματος 8, είναι το 17

18 κανονικό 120 volts, 60 Hz ημιτονικό κύμα. Δύο ολοκληρωμένοι κύκλοι αυτής της κυματομορφής φαίνεται στο Σχήμα 9-Α. Σε κάθε αρνητική εναλλαγή της τάσης εισόδου, ο πυκνωτής C φορτίζεται δια μέσω της ορθώς πολωμένης διόδου D 2 και ο SCR πολώνεται στην ανάστροφη κατεύθυνση, έτσι ώστε να μην μπορεί να άγει. Επίσης, σε κάθε αρνητική εναλλαγή, η δίοδος D 1 πολώνεται αναστρόφως και δεν επιτρέπει το ρεύμα πύλης να ρέει δια μέσω του SCR. Κατά τη διάρκεια κάθε θετικής εναλλαγής, ο SCR είναι αναστρόφως πολωμένος, έτσι ώστε να άγει ρεύμα ορθής φοράς, δια μέσω της R 1, εάν το ρεύμα πύλης είναι αρκετά υψηλό, ώστε να τον ενεργοποιήσει. Εν τούτοις, το ρεύμα πύλης του SCR ελέγχεται από την αντίσταση R 1 και τον πυκνωτή C. Ο πυκνωτής θα εκφορτισθεί και κατόπιν θα επαναφορτισθεί δια μέσω της R 1, κατά τη διάρκεια των θετικών εναλλαγών, καθώς η D 2 είναι αναστρόφως πολωμένη, κατά τη διάρκεια αυτών των τμημάτων του AC κύκλου. Επιπλέον, ο ρυθμός με τον οποίο φορτίζεται ο πυκνωτής, μπορεί να ελεγχθεί, ρυθμίζοντας την αντίσταση R 1. Αν η αντίσταση R 1 μηδενισθεί, ο πυκνωτής C θα φορτιστεί σχεδόν αμέσως και η τάση στον πυκνωτή C ( ο οποίος συνδέεται με την πύλη του SCR δια μέσω της D 1 ) θα αυξηθεί ταχέως σε ένα επίπεδο, όπου θα προκαλέσει την ενεργοποίηση του SCR. Στην πραγματικότητα, όταν η R 1 είναι ίση με μηδέν, ο SCR θα ενεργοποιηθεί σχεδόν με το ξεκίνημα κάθε θετικής εναλλαγής και θα παρέχει ισχύ στην R 1 είναι ίση με μηδέν, ο SCR συμπεριφέρεται όπως μία συνηθισμένη δίοδος επαφής και άγει κατά τη διάρκεια κάθε θετικής εναλλαγής της AC τάσης εισόδου. Αυτό προκαλεί την εμφάνιση τάσης στην R 1, στη μορφή που φαίνεται στο Σχήμα 9-Β. 18

19 Α + O O- - ΧΡΟΝΟΣ Β + O - ΧΡΟΝΟΣ Γ + O - ΧΡΟΝΟΣ Δ + O - ΧΡΟΝΟΣ Ε + O - ΧΡΟΝΟΣ Σχήμα 9 : Κυματομορφές για SCR κυκλώματα ελέγχου φάσεως ημίσεως κύματος Όταν η αντίσταση R 1 αυξηθεί ελαφρώς, ο πυκνωτής C δεν μπορεί να εκφορτισθεί και κατόπιν να επαναφορτισθεί, το ίδιο γρήγορα, κατά τη διάρκεια κάθε θετικής εναλλαγής. Αυτό σημαίνει ότι θα χρειαστεί λίγο περισσότερος χρόνος, ώστε η τάση στον πυκνωτή C να ανέλθει σε ένα επίπεδο, όπου θα προκαλέσει την ενεργοποίηση του SCR. Εν τούτοις, όταν τελικώς ενεργοποιείται ο SCR, παραμένει ενεργοποιημένος για το υπόλοιπο της κάθε θετικής εναλλαγής. Αυτό σημαίνει ότι ο SCR ενεργοποιείται λίγο μετά την έναρξη κάθε θετικής εναλλαγής και όχι στο ξεκίνημα 19

20 κάθε εναλλαγής, όπως έκανε προηγουμένως. Αυτό προκαλεί την εμφάνιση τάσης στην R 1, στη μορφή που φαίνεται στο Σχήμα 9-Γ. Η αντίσταση R 1 μπορεί να αυξηθεί περισσότερο, ώστε να αυξηθεί πιο πολύ ο απαιτούμενος χρόνος για την ενεργοποίηση του SCR, κατά τη διάρκεια κάθε θετικής εναλλαγής. Το Σχήμα 9-Δ δείχνει την τάση στην R 1 όταν η R 1 αυξάνεται έως το σημείο, όπου ο SCR άγει μόνο κατά το μισό κάθε θετικής εναλλαγής και το Σχήμα 9-Ε δείχνει την τάση στην R 1 είναι ακόμη μεγαλύτερη. Αν η τιμή της R 1 αυξηθεί ακόμη περισσότερο, ο SCR δέ θα άγει καθόλου και δέ θα παρέχεται ισχύς στην R 1. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 9, το κύκλωμα ελέγχου φάσεως ημίσεως κύματος είναι ικανό να ελέγχει το ποσό της ισχύος, που παρέχεται στο φορτίο. Με αυτό το κύκλωμα, η παρεχόμενη ισχύς στο φορτίο, μπορεί να μεταβληθεί από το μηδέν έως περίπου 50% της AC ισχύος εισόδου. Είναι επίσης, δυνατό να χρησιμοποιηθεί ένας SCR, για να ελέγχει το ρεύμα, κατά τη διάρκεια και των εναλλαγών ενός AC σήματος εν τούτοις, είναι απαραίτητο, αρχικώς, να ανορθώσει το AC σήμα, έτσι ώστε και οι δύο εναλλαγές κάθε κύκλου να μπορούν να ρέουν στην ίδια κατεύθυνση (γνωστό ως ανόρθωση πλήρους κύματος), πριν τροφοδοτήσουν τον SCR. Μία άλλη μέθοδος, για να επιτευχθεί πλήρης έλεγχος ενός AC σήματος, είναι να χρησιμοποιηθούν δύο SCR, οι οποίοι είναι παραλλήλως συνδεδεμένοι, αλλά σε αντίθετες κατευθύνσεις. Η διευθέτηση αυτή επιτρέπει στους SCR να άγουν εναλλακτικά. Κάθε μία από αυτές τις δύο μεθόδους επιτρέπουν πλήρη έλεγχο του AC σήματος εισόδου, έτσι ώστε η ισχύς, που παρέχεται στο φορτίο, μπορεί να μεταβληθεί από το μηδέν έως την πλήρη τιμή της AC εισόδου. 20

21 Αμφίδρομα Τριοδικά Θυρίστορ Ο ελεγχόμενος ανορθωτής πυριτίου (SCR), που περιγράφηκε προηγουμένως, είναι ικανός να ελέγχει ρεύμα σε μία κατεύθυνση και, επομένως, είναι συσκευή μίας κατεύθυνσης. Ο SCR χρησιμοποιείται σε πολλές εφαρμογές, οι οποίες περιλαμβάνουν έλεγχο τόσο συνεχών και εναλλασσομένων ρευμάτων. Δυστυχώς, όταν χρησιμοποιείται σε AC εφαρμογές, ένας απλός SCR είναι ικανός να λειτουργεί μόνο σε εναλλαγή κάθε AC κύκλου εισόδου. Για την επίτευξη πλήρους ελέγχου, είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθούν δύο SCR συνδεδεμένοι παραλλήλως ή είναι απαραίτητο να μετατραπεί ολόκληρος κάθε AC κύκλος, σε ένα παλμικό DC σήμα, πριν αυτό τροφοδοτήσει ένα απλό SCR. Στις εφαρμογές όπου είναι απαραίτητο να επιτύχουμε πλήρη έλεγχο ενός AC σήματος, είναι πολύ πιο εύκολο να χρησιμοποιήσουμε μία συσκευή, γνωστή ως αμφίδρομο τριοδικό θυρίστορ. Αυτή η συσκευή είναι πιο γνωστή ως triac. Το triac έχει, βασικώς, τα ίδια χαρακτηριστικά διακόπτη, όπως ένας SCR, εν τούτοις, επιδεικνύει αυτά τα ίδια χαρακτηριστικά και στις δύο κατευθύνσεις. Αυτό κάνει το triac ισοδύναμο με δύο SCR συνδεδεμένα παραλλήλως, αλλά σε αντίθετες κατευθύνσεις. Θα εξετασθεί τώρα, εν συντομία, η βασική δομή και λειτουργία του triac και μετά θα μελετηθούν τα σημαντικά χαρακτηριστικά και εφαρμογές του. Βασική Δομή και Λειτουργία Ένα απλοποιημένο διάγραμμα ενός triac φαίνεται στο Σχήμα 10-Α. Σημειώστε ότι η συσκευή έχει τρεις αγωγούς σύνδεσης, οι οποίοι προσδιορίζονται ως κύριος ακροδέκτης 1, κύριος ακροδέκτης 2 και πύλη. Ο κύριος ακροδέκτης 1 και ο κύριος ακροδέκτης 2 είναι συνδεδεμένοι σε μία ΡΝ επαφή, σε αντίθετα άκρα της συσκευής. Η πύλη είναι επίσης συνδεδεμένη σε μία ΡΝ επαφή, η οποία στο ίδιο άκρο, με τον ακροδέκτη 1. Αν εξετάσετε προσεκτικά ολόκληρη την κατασκευή, θα παρατηρήσετε ότι από τον ακροδέκτη 1 στον ακροδέκτη 2, μπορείτε να περάσετε δια μέσω μιας σειράς στρωμάτων ΝΡΝΡ ή ΡΝΡΝ. Με άλλα λόγια, το triac είναι μία συσκευή τεσσάρων 21

22 στρωμάτων ΝΡΝΡ, παραλλήλως συνδεδεμένη με μία συσκευή τεσσάρων στρωμάτων ΡΝΡΝ. Αυτές οι ΝΡΝΡ, ΡΝΡΝ συσκευές συχνά παραβάλλονται με δύο SCR, οι οποίοι είναι συνδεδεμένοι παραλλήλως, αλλά σε αντίθετες κατευθύνσεις. Το ισοδύναμο SCR κύκλωμα φαίνεται στο Σχήμα 8-10Β. Η περιοχή πύλης του triac είναι πιο πολύπλοκη και μία λεπτομερής ανάλυση της λειτουργίας του δέ θα μελετηθεί αυτή τη στιγμή. Εν τούτοις, η πύλη είναι κυρίως ικανή να θέσει, απευθείας ή από απόσταση, οποιονδήποτε από τους ισοδύναμους SCR σε κατάσταση αγωγιμότητας. Σημειώστε ότι και οι δύο πύλες των ισοδύναμων SCR είναι συνδεδεμένες μεταξύ τους, για να δείξουν την ισοδύναμη σχέση τους. Το κύκλωμα στο Σχήμα 10-Β δεν είναι πάντα ισοδύναμο του triac. Το κύκλωμα αυτό χρησιμοποιείται, απλώς, για να εξηγήσει τη βασική ιδέα. Η κύρια διαφορά είναι ότι δύο ισοδύναμοι SCR θα απαιτούσαν, στην πραγματικότητα, διαφορετικά ρεύματα πύλης, για να τεθούν σε κατάσταση αγωγιμότητας, αλλά το triac είναι σχεδιασμένο να ανταποκρίνεται σε ρεύματα που ρέουν δια μέσω του απλού ακροδέκτη πύλης. ΚΥΡΙΟΣ ΑΚΡΟΔΕΚΤΗΣ 2 ΚΥΡΙΟΣ ΑΚΡΟΔΕΚΤΗΣ 2 Ν Ρ Ν Ν Ρ Ν ΠΥΛΗ ΚΥΡΙΟΣ ΑΚΡΟΔΕΚΤΗΣ 1 ΠΥΛΗ ΚΥΡΙΟΣ ΑΚΡΟΔΕΚΤΗΣ 1 A B Σχήμα 10 : Το triac και το ισοδύναμο κύκλωμά του Σε αντίθεση με τον SCR, που μπορεί να ελέγχει ρεύματα που ρέουν μόνο σε μία κατεύθυνση, το triac μπορεί να ελέγχει ρεύματα που ρέουν σε οποιαδήποτε κατεύθυνση. Το triac επομένως, χρησιμοποιείται ευρέως για τον έλεγχο εφαρμογής AC 22

23 ισχύος σε διάφορους τύπους φορτίων ή κυκλωμάτων. Οι συνθήκες που απαιτούνται για την ενεργοποίηση ή απενεργοποίηση ενός triac, σε οποιαδήποτε κατεύθυνση, είναι παρόμοιες με τις συνθήκες που απαιτούνται για τον έλεγχο του SCR. Αμφότερες οι συσκευές μπορούν να ενεργοποιηθούν, από ένα ρεύμα πύλης και να απενεργοποιηθούν, μειώνοντας τα ανοδικά ρεύματα λειτουργίας, κάτω από τις σχετικές τιμές συγκράτησής τους. Στην περίπτωση του SCR, το ρεύμα πρέπει να ρέει στην ορθή κατεύθυνση, από την κάθοδο προς την άνοδο. Εν τούτοις, το triac είναι σχεδιασμένο να άγει και ορθά και ανάστροφα ρεύματα, δια μέσω των κυρίων ακροδεκτών του. Το σχηματικό σύμβολο, που χρησιμοποιείται, συνήθως, για να αναπαραστήσει το triac φαίνεται στο Σχήμα 11. Σημειώστε ότι το σύμβολο συνίσταται από δύο παράλληλες διόδους, συνδεδεμένες σε αντίθετες κατευθύνσεις, με ένα απλό ακροδέκτη συνδεδεμένο. Η συσκευή, συνήθως, τοποθετείται μέσα σε ένα κύκλο, όπως φαίνεται, και οι κύριοι ακροδέκτες του, κάποιες φορές, σημειώνονται ως ΜΤ 1 και ΜΤ 2, όπως δεικνύετε : ΚΥΡΙΟΣ ΑΚΡΟΔΕΚΤΗΣ 2 (ΜΤ2) ΠΥΛΗ (G) ΚΥΡΙΟΣ ΑΚΡΟΔΕΚΤΗΣ 1 (ΜΤ1) Σχήμα 11 : Σχηματικό σύμβολο ενός triac V-I Χαρακτηριστικές Η χαρακτηριστική καμπύλη τάσης - ρεύματος (V-I) για ένα τυπικό triac, φαίνεται στο Σχήμα 12. Η καμπύλη αυτή δείχνει τη σχέση μεταξύ της ροής ρεύματος 23

24 διαμέσου των κυρίων ακροδεκτών του, σε κάθε κατεύθυνση (συμβολίζονται ως +Ι Τ και -Ι Τ ) και της παρεχόμενης τάσης στους κύριους ακροδέκτες του, σε κάθε κατεύθυνση (συμβολίζονται ως +V και -V). Επιπλέον, αυτή η καμπύλη σχεδιάστηκε δίχως ροή ρεύματος διαμέσου του triac και ο κύριος ακροδέκτης 1 χρησιμοποιήθηκε ως σημείο αναφοράς, για όλες τις τιμές τάσης και ρεύματος. +IT MT2 ΘΕΤΙΚΟΣ IH - V - VBO - V - VBO + VBO + V + V IH MT2 ΑΡΝΗΤΙΚΟΣ -IT Σχήμα 12 : V-I χαρακτηριστικές ενός τυπικού triac Το Σχήμα 12 δείχνει ότι όταν ο κύριος ακροδέκτης (ΜΤ 2 ) είναι θετικός σε σχέση με τον ΜΤ 1 (ή όταν η τάση τροφοδοσίας είναι ίση με +V), το ρεύμα δια μέσω της συσκευής (+Ι Τ ) παραμένει σε μία χαμηλή τιμή διαρροής, έως ότου η +V ξεπεράσει την τάση διάσπασης (+V BO ) της συσκευής. Σε αυτή την περίπτωση, το triac μεταβαίνει από τη μη αγώγιμη στην αγώγιμη κατάσταση και το +Ι Τ μειώνεται, ουσιαστικώς, από την εξωτερική αντίσταση του κυκλώματος. Το triac πρέπει να παραμείνει την αγώγιμη κατάσταση, έως ότου το +Ι Τ μειωθεί κάτω από την τιμή ενός συγκεκριμένου ρεύματος συγκράτησης (Ι Η ), όπως φαίνεται. Αυτό είναι ακριβώς ότι συμβαίνει, όταν ένας SCRυ υπόκειται σε μία ορθή τάση, η οποία υπερβαίνει τη σχετική της ορθή τάση διάσπασης. 24

25 Όταν ο MT 2 είναι αρνητικός σε σχέση με τον ΜΤ 1, το triac παρουσιάζει την ίδια βασική V-I χαρακτηριστική, εφόσον το ρεύμα δια μέσω της συσκευής (-Ι Τ ) παραμένει σε μία χαμηλή τιμή διαρροής, έως ότου η -V υπερβεί την τιμή διάσπασης (- V ΒΟ ) της συσκευής. Σε αυτή τη στιγμή, το triac μεταβαίνει από τη μη αγώγιμη στην αγώγιμη κατάσταση και παραμένει έτσι, ώσπου το -Ι Τ πέσει κάτω από το Ι Η. Η καμπύλη V-I στο Σχήμα 12, επομένως, δείχνει ότι το triac παρουσιάζει τα χαρακτηριστικά ενός SCR, σε οποιαδήποτε κατεύθυνση. Εν τούτοις, αυτή η καμπύλη δέ δείχνει, πως η πύλη του triac χρησιμοποιείται για να ελέγχει τη λειτουργία του. Όπως στον SCR που περιγράφηκε προηγουμένως, η τάση διάσπασης του triac (σε οποιαδήποτε κατεύθυνση) μπορεί να μεταβληθεί, ελέγχοντας το ποσό του ρεύματος πύλης, που ρέει δια μέσω της συσκευής. Όταν το ρεύμα πύλης αυξάνεται, η τάση διάσπασης ελαττώνεται. Εν τούτοις, υπάρχει ακόμη μία πολύ σημαντική διαφορά μεταξύ των χαρακτηριστικών λειτουργίας πύλης του SCR και εκείνων ενός triac. Ο SCR πάντα απαιτεί μια θετική τάση πύλης, αλλά το triac ανταποκρίνεται είτε σε θετική είτε σε αρνητική τάση πύλης. Με άλλα λόγια, η τάση διάσπασης του triac (σε οποιαδήποτε κατεύθυνση) μπορεί να ελαττωθεί, κάνοντας την πύλη πιο θετική ή πιο αρνητική, σε σχέση με τον ΜΤ 1, ο οποίος χρησιμοποιείται ως ακροδέκτης αναφοράς. Αυτή η θετική ή αρνητική τάση πύλης, αντιστοίχως, παράγει ένα ρεύμα πύλης, το οποίο ρέει έξω από ή προς τον αγωγό σύνδεσης της πύλης. Αυτά τα ρεύματα, με τη σειρά τους, ρυθμίζουν το σημείο στο οποίο η συσκευή ενεργοποιείται. Όπως ο SCR, το triac συνήθως υπόκειται σε τάσεις λειτουργίας, οι οποίες είναι μικρότερες από την τάση διάσπασής του (σε οποιαδήποτε κατεύθυνση). Η συσκευή ενεργοποιείται, υποβάλλοντάς την, σε ένα επαρκώς υψηλό ρεύμα πύλης, το οποίο ρέει προς ή από τον αγωγό σύνδεσης πύλης. Η συσκευή απενεργοποιείται, απλώς ελαττώνοντας το ρεύμα λειτουργίας της (+Ι Τ ή -Ι Τ ) κάτω από τη σχετική του τιμή Ι Η. Το triac είναι περισσότερο ευαίσθητο, όταν υποβάλλεται σε τιμές +V και +Ι Τ, σε συνδυασμό με θετική τάση πύλης. Υπό αυτές τις συνθήκες, η συσκευή απαιτεί το ελάχιστο ρεύμα πύλης, για να ενεργοποιηθεί για κάθε δεδομένη τιμή +V. Άλλοι συνδυασμοί τάσεων λειτουργίας και ρευμάτων λειτουργίας έχουν ως αποτέλεσμα μία απώλεια ευαισθησίας. Για να βοηθήσουν το σχεδιαστή του κυκλώματος να προσδιορίσει τις απαραίτητες συνθήκες για την ενεργοποίηση ενός triac, οι 25

26 κατασκευαστές αυτών των στοιχείων, συνήθως, καθορίζουν ελάχιστες ή τυπικές τιμές του ρεύματος πύλης (σε οποιαδήποτε κατεύθυνση), που απαιτούνται για την ενεργοποίηση της συσκευής. Αυτές οι τιμές δίνονται για μία συγκεκριμένη τάση λειτουργίας, η οποία παρέχεται πρώτη στη μία κατεύθυνση και μετά στην άλλη (+V και -V). Με αυτήν την πληροφορία, ο σχεδιαστής του κυκλώματος διασφαλίζει ότι επαρκείς ρεύμα πύλης χρησιμοποιείται για να ενεργοποιήσει το triac, την κατάλληλη στιγμή. Όπως και στα κυκλώματα SCR, αυτό το ρεύμα πύλης χρειάζεται να εφαρμοσθεί, στιγμιαίως, για να προκαλέσει την αλλαγή κατάστασης του triac. Εφαρμογές Καθώς το triac άγει σε οποιαδήποτε κατεύθυνση, προσφέρεται περισσότερο για εφαρμογές όπου πρέπει να ελεγχθεί η AC ισχύς. Η συσκευή μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ένας AC διακόπτης ή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο του ποσού AC ισχύος, που παρέχεται σε ένα φορτίο. Ένα τυπικό παράδειγμα της χρήσης του, ως ένας AC διακόπτης, φαίνεται στο Σχήμα 13. R1 R1 AC ΕΙΣΟΔΟΣ MT2 S G MT1 Σχήμα 13 : Απλός AC διακόπτης Το κύκλωμα αυτό μπορεί να τροφοδοτήσει ολόκληρη την τάση εισόδου, στην αντίσταση φορτίου R 1 ή να την αφαιρέσει εντελώς, όταν ο διακόπτης S είναι κλειστός ή ανοικτός, αντιστοίχως. Όταν ο διακόπτης S είναι ανοικτός, το triac δεν μπορεί να άγει ούτε στις θετικές ούτε στις αρνητικές εναλλαγές κάθε AC κύκλου εισόδου. Αυτό 26

27 συμβαίνει διότι η τάση εισόδου δεν υπερβαίνει την τάση διάσπασης του triac, σε οποιαδήποτε κατεύθυνση. Εν τούτοις, όταν ο διακόπτης S είναι κλειστός, η αντίσταση R 1 επιτρέπει αρκετό ρεύμα πύλης να ρέει δια μέσω του triac, σε κάθε εναλλαγή, για να διασφαλίσει ότι η συσκευή είναι ενεργοποιημένη. Το triac, επομένως, παρέχει ολόκληρη τη διαθέσιμη ισχύ εισόδου στο φορτίο, ενώ ένα αντίστοιχο SCR κύκλωμα (αναφερθείτε στο Σχήμα 7) είναι ικανό να τροφοδοτήσει μόνο το μισό της ισχύος εισόδου στο φορτίο. Το πλεονέκτημα αυτού του κυκλώματος είναι ότι ένα μικρό ρεύμα πύλης μπορεί να ελέγξει ένα μεγάλο ρεύμα φορτίου. Ένα τυπικό κύκλωμα triac, που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να μεταβάλλει το ποσό της AC ισχύος, που παρέχεται σε ένα φορτίο, φαίνεται στο Σχήμα 14. Το κύκλωμα αυτό αναφέρεται ως κύκλωμα ελέγχου φάσεως πλήρους κύματος (full-wave phase, control circuit) και λειτουργεί με ένα παρόμοιο τρόπο με το SCR κύκλωμα, που φαίνεται στο Σχήμα 8. Η κύρια διαφορά είναι ότι το triac μεταβαίνει στην περιοχή αγωγιμότητας και στις θετικές και στις αρνητικές εναλλαγές κάθε AC κύκλου εισόδου, ενώ ο SCR στο Σχήμα 8, άγει μόνο στις θετικές εναλλαγές. Επίσης, μία ειδική συσκευή σκανδαλισμού χρησιμοποιείται για να διασφαλίσει ότι το triac ενεργοποιείται στην κατάλληλη στιγμή. Ο πυκνωτής C φορτίζεται δια μέσω της R 1, πρώτα στη μία κατεύθυνση και μετά R1 R1 MT2 AC ΕΙΣΟΔΟΥ ΣΥΣΚΕΥΗ ΣΚΑΝΔΑΛΙΣΜΟΥ G MT1 C Σχήμα 14 : Κύκλωμα ελέγχου φάσεως πλήρους κύματος στην άλλη, κατά των θετικών και των αρνητικών εναλλαγών του AC σήματος εισόδου. Κατά τη διάρκεια κάθε εναλλαγής, το triac ενεργοποιείται, όταν η τάση στον πυκνωτή 27

28 C ξεπεράσει την απαιτούμενη τιμή. Εν τούτοις, η τάση αυτή δεν παρέχεται απευθείας στους ακροδέκτες της πύλης και του ΜΤ 1 του triac. Αντιθέτως, παρέχεται δια μέσω μιας ειδικής συσκευής σκανδαλισμού, η οποία έχει αμφίδρομα διακοπτόμενα χαρακτηριστικά. Συσκευή σκανδαλισμού μπορεί να είναι κάθε στοιχείο, που μπορεί να ενεργοποιεί ή να άγει, όταν υπόκειται σε μία συγκεκριμένη τιμή τάσης και να απενεργοποιεί, όταν η τάση μειώνεται σε μία μικρότερη τιμή. Μία από τις ευρύτερα χρησιμοποιούμενες συσκευές σκανδαλισμού θα περιγραφεί αργότερα. Εν τούτοις, στην παρούσα στιγμή, θα υποθέσουμε απλώς ότι η συσκευή είναι ένα στοιχείο σταθερής κατάστασης, με τα διακοπτόμενα χαρακτηριστικά που μόλις περιγράφηκαν. Κατά τη διάρκεια κάθε εναλλαγής, η τάση στον πυκνωτή C ανεβαίνει σε ένα επίπεδο, όπου ενεργοποιείται η συσκευή σκανδαλισμού. Αυτό προκαλεί τη στιγμιαία ροή ρεύματος, δια μέσω του αγωγού σύνδεσης της πύλης του triac και το τελευταίο μεταβαίνει στην αγώγιμη κατάσταση. Το ρεύμα πύλης ρέει για πολύ λίγο, αφού ο πυκνωτής εκφορτισθεί δια μέσω του triac και χάνει τη συσσωρευμένη του τάση, η οποία προκαλεί την απενεργοποίηση της συσκευής σκανδαλισμού. Πόσο σύντομα ενεργοποιείται το triac, κατά τη διάρκεια κάθε εναλλαγής, καθορίζεται από την τιμή της R 1. Όταν η αντίσταση R 1 μηδενισθεί, το triac ενεργοποιείται αμέσως στην αρχή κάθε εναλλαγής και παρέχεται πλήρης AC ισχύς στην αντίσταση φορτίου R 1. Καθώς η αντίσταση R 1 αυξάνεται, η ενεργοποίηση συμβαίνει αργότερα κατά τη διάρκεια κάθε εναλλαγής και η μέση ισχύς που παρέχεται στο φορτίο μειώνεται. Οι κυματομορφές τάσης, που φαίνονται στο Σχήμα 9, μπορεί επίσης να αναπαραστήσουμε την τάση στην R 1, στο κύκλωμα triac, αν εισαχθούν και οι αρνητικές εναλλαγές (οι οποίες είναι ταυτόσημες αλλά συμπληρωματικές προς τις θετικές εναλλαγές). Η συσκευή σκανδαλισμού είναι αναγκαία, διότι το triac δεν είναι το ίδιο ευαίσθητο σε ρεύματα πύλης που ρέουν στην αντίθετη κατεύθυνση, όπως εξηγήθηκε προηγουμένως. Η συσκευή σκανδαλισμού βοηθά να ισοσκελισθούν τα μη συμμετρικά και τα ανομοιόμορφα χαρακτηριστικά σκανδαλισμού του triac. Η τάση που απαιτείται για την ενεργοποίηση της συσκευής σκανδαλισμού, είναι η ίδια και στις δύο κατευθύνσεις και η συσκευή σχεδιάζεται έτσι ώστε να επηρεάζεται, όσο το δυνατόν, λιγότερο από τις αλλαγές της θερμοκρασίας. Η συσκευή σκανδαλισμού λειτουργεί σε συνεργασία με την αντίσταση R 1 και τον πυκνωτή C, για να παράγει συνεχώς ακριβείς 28

29 παλμούς ρεύματος πύλης, οι οποίοι είναι αρκετά υψηλοί, ώστε να ενεργοποιήσουν το triac, την κατάλληλη στιγμή, σε οποιαδήποτε κατεύθυνση. Οι παραγόμενοι παλμοί ρεύματος πύλης μπορεί να είναι πολύ σύντομοι σε διάρκεια (μερικά μικροδευτερόλεπτα είναι συνήθως επαρκή). Παρόλο που το triac έχει την ικανότητα να ελέγχει ρεύματα σε οποιαδήποτε κατεύθυνση και να αποκρίνεται σε ρεύματα πύλης και ρέουν σε οποιαδήποτε κατεύθυνση η συσκευή έχει κάποια μειονεκτήματα, σε σχέση με τον SCR. Γενικώς, τα triac έχουν χαμηλότερες ονομαστικές τιμές ρεύματος από τους SCR και δεν μπορούν να τους συναγωνιστούν σε εφαρμογές, όπου ιδιαιτέρως μεγάλα ρεύματα πρέπει να ελεγχθούν. Τα triac μπορούν να χειριστούν ρεύματα (συνήθως μετρούμενα σε ονομαστικές τιμές), της τάξης των 25 amperes. Σε σύγκριση, οι SCR μπορούν να λειτουργήσουν σε ρεύματα (συνήθως εκφρασμένα σε μέσες τιμές ανά μισό κύκλο), της τάξης των 700 με 800 amperes και μερικοί SCR με ακόμη υψηλότερα. Επίσης και οι δύο συσκευές μπορούν να έχουν μέγιστες ή στιγμιαίες τιμές ρεύματος, οι οποίες να είναι υψηλότερες από τις σχετικές ονομαστικές ή μέσες τιμές τους. Τα triac συχνά έχουν δυσκολία στο να διακόψουν την ισχύ που παρέχεται σε επαγωγικά φορτία. Αυτό το πρόβλημα υπάρχει, επίσης και στους SCR, αλλά σε μικρότερο βαθμό. Όταν χρησιμοποιούνται triac για τον έλεγχο της παρεχόμενης ισχύος σε επαγωγικά φορτία, όπως τυλίγματα μηχανών ή πηνία θερμαντήρων, είναι πάντοτε απαραίτητο να χρησιμοποιηθούν επιπρόσθετα στοιχεία για τη βελτίωση της λειτουργίας τους. Επίσης, τα triac σχεδιάζονται για εφαρμογές χαμηλών συχνοτήτων (50 με 400 Hz), ενώ οι SCR μπορεί να χρησιμοποιηθούν για συχνότητες έως 30 Hz. Επομένως, σε συγκεκριμένες εφαρμογές, όπου απαιτείται πλήρης έλεγχος του AC σήματος, οι SCR μπορούν να λειτουργήσουν πιο ικανοποιητικώς, από ότι τα triac, ενώ σε άλλες εφαρμογές συμβαίνει το αντίθετο. 29

30 Αμφίδρομες Δίοδοι Σκανδαλισμού Όπως εξηγήθηκε προηγουμένως, μία συσκευή σκανδαλισμού χρησιμοποιείται με το triac, διότι το triac δεν έχει συμμετρικά χαρακτηριστικά σκανδαλισμού. Διάφοροι τύποι συσκευών σκανδαλισμού μπορεί να χρησιμοποιηθούν μαζί με το triac, αλλά μία από τις δημοφιλέστερες συσκευές είναι γνωστή ως αμφίδρομη δίοδος σκανδαλισμού, η οποία κοινώς αναφέρεται ως diac. Θα εξετάσουμε τώρα, εν συντομία, τη δομή και λειτουργία αυτής της σημαντικής συσκευής σκανδαλισμού. Έπειτα, θα δούμε πως χρησιμοποιείται σε συνεργασία με το triac. Βασική Δομή και Λειτουργία Το diac είναι κατασκευασμένο, περίπου με τον ίδιο τρόπο, όπως ένα διπολικό τρανζίστορ. Η συσκευή έχει τρία, εναλλασομένως, ενισχυμένα, ημιαγώγιμα στρώματα, όπως φαίνεται στο Σχήμα 15-Α. Εν τούτοις, διαφέρει από το διπολικό τρανζίστορ, διότι οι ενισχυμένες συγκεντρώσεις, γύρω από τις δύο επαφές, είναι ίσες και αγωγοί είναι συνδεδεμένοι μόνο στα εξωτερικά στρώματα. Δεν υπάρχουν ηλεκτρικές συνδέσεις στη μεσαία του περιοχή. Καθώς το diac έχει μόνο δύο αγωγούς - ακροδέκτες, συχνώς τοποθετείται μέσα σε μέταλλο ή πλαστικό, σε περίπτωση που έχει μεταλλικούς ακροδέκτες. Επομένως, η συσκευή μερικές φορές πακετάρεται, όπως ένα συμβατικό διπολικό τρανζίστορ, αλλά μόνο με δύο ακροδέκτες. Καθώς οι δύο επαφές του είναι το ίδιο ενισχυμένο, το diac έχει το ίδιο αποτέλεσμα σε ρεύματα που ρέουν, σε οποιαδήποτε κατεύθυνση, δια μέσο των ακροδεκτών του. Σε οποιαδήποτε κατεύθυνση, η μία επαφή θα είναι ορθώς πολωμένη, ενώ η άλλη αντιστρόφως. Σε κάθε περίπτωση, η αναστρόφως πολωμένη επαφή, πρωτίστως, ελέγχει το ρεύμα που ρέει δια μέσο του diac και η συσκευή λειτουργεί Σα να περιείχε δύο ΡΝ διόδους επαφής σε σειρά, αλλά συνδεδεμένες πλάτη με πλάτη. Δες Σχήμα 15-Γ. 30

31 P N P A Β Γ To diac παραμένει σε μία μη αγώγιμη κατάσταση (άγει μόνο ένα μικρό ρεύμα διαρροής) σε οποιαδήποτε κατεύθυνση, έως ότου η παρεχόμενη τάση, σε κάθε κατεύθυνση είναι αρκετά υψηλή, ώστε να προκαλέσει τη διάσπαση της σχετικής του ορθώς πολωμένης επαφής. Όταν αυτό συμβαίνει, η συσκευή ενεργοποιείται και το ρεύμα ανεβαίνει απότομα σε μία τιμή, η οποία ουσιωδώς περιορίζεται από την εν σειρά αντίσταση, με τη συσκευή. Το diac, επομένως, λειτουργεί όπως ένας αμφίδρομος διακόπτης, που ενεργοποιείται όταν η τάση διάσπασής του (σε κάθε κατεύθυνση) ξεπερασθεί. Ένα σχηματικό σύμβολο που, συνήθως, χρησιμοποιείται για να αναπαραστήσει το diac, φαίνεται στο Σχήμα 15-Β. Σημειώστε ότι είναι παρόμοιο με το σύμβολο του triac, εκτός του ότι δεν απαιτείται ο αγωγός σύνδεσης της πύλης. 31

32 VI Χαρακτηριστικές Η χαρακτηριστική καμπύλη τάσης ρεύματος (V-I), για ένα τυπικό diac, φαίνεται στο Σχήμα 16. Η καμπύλη αυτή δείχνει τη σχέση μεταξύ του ρεύματος που ρέει δια μέσω της συσκευής, σε οποιαδήποτε κατεύθυνση (+Ι & -Ι) και της αντίστοιχης τάσης της συσκευής, σε οποιαδήποτε κατεύθυνση (+V & -V). Το Σχήμα 16 δείχνει ότι το ρεύμα, που ρέει δια μέσω του diac, παραμένει σε μία χαμηλή τιμή, έως ότου η τάση της συσκευής αυξηθεί σε ένα σημείο, όπου η συσκευή διασπάται, σε οποιαδήποτε κατεύθυνση. Οι τάσεις αυτές, που απαιτούνται για τη διάσπαση του diac, γενικώς αναφέρονται ως οι τάσεις διάσπασης του diac και συμβολίζονται ως +V BO & -V BO, όπως φαίνεται στο Σχήμα 16. Οι τιμές +V BO & -V BO, για μία τυπική συσκευή, είναι συνήθως μεταξύ 28 και 36 Volts. Σημειώστε ότι όταν οι τιμές +V BO & -V BO επιτευχθούν, το ρεύμα δια μέσω του diac αυξάνεται ραγδαίως, αλλά η τάση στη συσκευή μειώνεται. Με άλλα λόγια, όταν επέρχεται η διάσπαση, η αντίσταση του diac ελαττώνεται ραγδαίως, καθώς το ρεύμα αυξάνεται και το καθαρό αποτέλεσμα είναι η μείωση της τάσης της συσκευής. Επομένως, όταν επιτευχθεί το σημείο διάσπασης το diac παρουσιάζει χαρακτηριστικά αρνητικής αντίστασης. +I - V - VBO + V BO + V -I Σχήμα 16: V-I χαρακτηριστικές ενός τυπικού diac Το diac θεωρείται ότι βρίσκεται στη μh αγώγιμη κατάσταση, έως ότου η τάση διάσπασης (+V BO ή -V BO ) επιτευχθεί. Όταν η +V BO ή η -V BO επιτευχθεί, η συσκευή μεταβαίνει στην αγώγιμη κατάσταση και είναι ικανή να άγει σχετικώς υψηλά ρεύματα. 32

33 Εφαρμογές Το diac, συνήθως, χρησιμοποιείται ως συσκευή σκανδαλισμού για ένα triac, το οποίο με τη σειρά του, χρησιμοποιείται για να ελέγχει το ποσό της Α (ισχύος που παρέχεται σε ένα φορτίο. Αυτή η εφαρμογή φαίνεται στο Σχήμα 17. Το κύκλωμα που φαίνεται σε αυτό το σχήμα, είναι ισοδύναμο προς το κύκλωμα ελέγχου φάσεως πλήρους κύματος, που φαίνεται στο Σχήμα 14. Η μόνη διαφορά είναι ότι ένα diac χρησιμοποιείται, ειδικώς, ως συσκευή σκανδαλισμού. Όπως εξηγήθηκε προηγουμένως, η συσκευή σκανδαλισμού ενεργοποιείται όταν η τάση στον C 1 πρέπει να ανέλθει στην απαιτούμενη τιμή. Σε αυτήν την περίπτωση η τάση στον C 1 πρέπει να ανέλθει είτε στην τιμή +V BO είτε στην -V BO, πριν το diac μεταβεί από τη μη αγώγιμη στην αγώγιμη κατάσταση. Κάθε φορά που ενεργοποιείται το diac, επιτρέπει τη στιγμιαία ροή ρεύματος δια μέσω της πύλης του triac και το ενεργοποιεί. Το ρεύμα πύλης ρέει μόνο για μία στιγμή, διότι παράγεται από τον πυκνωτή C 1, ο οποίος εκφορτίζεται ταχέως, δια μέσω των ακροδεκτών ΜΤ 1 και πύλης του triac, και του diac. Η μέγιστη τιμή και η διάρκεια του παλμού ρεύματος, που παρέχεται στην πύλη, είναι καθορισμένες από την τιμή του C 1, την αντίσταση του diac (η οποία μεταβάλλεται με το ρεύμα) και την αντίσταση μεταξύ των ακροδεκτών της πύλης και του MT 1, του triac. Για να βοηθήσουν τους σχεδιαστές να συσχετίσουν αυτούς τους διάφορους παράγοντες, ώστε να επιτευχθεί ο κατάλληλος σκανδαλισμός πύλης, οι κατασκευαστές diac & triac, γενικώς, παρέχουν εφαρμόσιμους χάρτες ή καμπύλες. Η σχέση μεταξύ χωρητικότητας σκανδαλισμού (η τιμή του C 1 ) και ρεύματος κορυφής για το diac, συνήθως, φαίνεται με αυτόν τον τρόπο και διάφορες καμπύλες χρησιμοποιούνται για να δείχνουν τα μέγιστα και ελάχιστα όρια στο πλάτος κορυφής και στη διάρκεια των παλμών ρευμάτων πύλης, που μπορούν να τροφοδοτηθούν σε ένα triac. 33

34 R 1 MT 2 R 1 TRIAC AC ΕΙΣΟΔΟΣ DIAC G MT 1 C 1 Σχήμα 17: Κύκλωμα ελέγχου φάσεως πλήρους κύματος, που χρησιμοποιεί ένα diac και ένα triac. Το diac χρησιμοποιείται, σε συνεργασία με το triac, για τον έλεγχο πλήρους κύματος των AC σημάτων. Αυτές οι συσκευές χρησιμοποιούνται, συνήθως μαζί, για να ελέγχους την ταχύτητα και την κατεύθυνση των ηλεκτρικών κινητήρων ή για τον έλεγχο στοιχείων θέρμανσης. Χρησιμοποιούνται σε συστήματα κλιματισμού, θέρμανσης, εξαερισμού, ακόμη και σε συστήματα ηλεκτρονικών θυρών γκαράζ. Μπορούν, επίσης, να χρησιμοποιηθούν για να διακόψουν ή να ελέγξουν το ποσό της παρεχόμενης ισχύος σε απλούς λαμπτήρες ή σε πλήρη συστήματα φωτισμού. Για παράδειγμα, μπορούν να ανάψουν στιγμιαίως ένα λαμπτήρα σαν σήμα προειδοποίησης ή να ελέγξουν σηματοδότες κυκλοφορίας, οι οποίοι τοποθετούνται σε διασταυρώσεις δρόμων, για να ρυθμίσουν τη ροή της κυκλοφορίας ή να παρέχουν αμυδρό φως σε θέατρα. Τα κυκλώματα με συνδυασμό diac - triac, μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν γα τον έλεγχο ισχύος σε τριφασικά συστήματα, χρησιμοποιώντας πολλαπλούς διευθετήσεις κυκλωμάτων triac. Παρόλο που το diac χρησιμοποιείται ευρέως για να ενεργοποιήσει το triac, σε εφαρμογές ελέγχου ισχύος, είναι σημαντικό να συνειδητοποιήσουμε ότι και άλλες συσκευές σκανδαλισμού είναι διαθέσιμες. Οι περισσότερες από αυτές τις συσκευές σκανδαλισμού έχουν αμφίδρομα διακοπτόμενα χαρακτηριστικά, τα οποία μοιάζουν πολύ με αυτά του diac, αλλά κάθε συσκευή είναι κατασκευασμένη με διαφορετικό τρόπο και κάθε μία παριστάνεται από διαφορετικό σχηματικό σύμβολο. Το άρτι 34

35 περιγραφέν diac χρησιμεύει ως ένα τυπικό παράδειγμα μιας σύγχρονης συσκευής σκανδαλισμού στερεάς κατάστασης. Τρανζίστορ Μίας Επαφής (UJT) Τώρα θα εξετάσουμε ένα άλλο σημαντικό μέρος της οικογένειας των θυρίστορ, το οποίο είναι γνωστό ως τρανζίστορ μιας επαφής ή απλώς ως UJT. Το UJT έχει φυσικά και ηλεκτρικά χαρακτηριστικά, τα οποία είναι αρκετά διαφορετικά από εκείνα των diac & triac, που περιγράφηκαν προηγουμένως. Το UJT είναι, στην πραγματικότητα, ένας ειδικός τύπος τρανζίστορ, το οποίο χρησιμοποιείται ως ηλεκτρονικός διακόπτης και όχι ως συσκευή ενίσχυση. Επιπλέον, το UJT μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή επαναληπτικών κυματομορφών, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν, για να επιτελέσουν πολλές χρήσιμες λειτουργίες σε ηλεκτρονικά κυκλώματα. Μαζί με το βασικό τρανζίστορ μίας επαφής, ένας ειδικός τύπος UJT επίσης χρησιμοποιείται. Αυτή η συσκευή αναφέρεται, κοινώς, ως προγραμματιζόμενο τρανζίστορ μίας επαφής ή απλώς PUT. Το PUT λειτουργεί, βασικώς, με τον ίδιο τρόπο όπως το UJT, αλλά τα ηλεκτρικά του χαρακτηριστικά μπορεί να γίνουν έτσι ώστε να μεταβάλλονται σε μία ευρεία περιοχή. Θα εξετάσουμε τώρα τα φυσικά και ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του βασικού UJT και θα δούμε πως χρησιμοποιείται ως ηλεκτρονικός διακόπτης και ως γεννήτρια κυματομορφών. Κατόπιν, θα εξετάσουμε το ειδικό PUT και θα μελετήσουμε τα πλεονεκτήματα του, σε σχέση με το UJT. Τα θυρίστορ μπορούν να συσκευασθούν με διάφορους τρόπους, όπως φαίνεται στο Σχήμα 18. Η μεγάλη μονάδα στα αριστερά είναι ένας μεμονωμένος SCR, ο οποίος μπορεί να χτίζεται ρεύματα ύψους 110 amperes και τα τρία στοιχεία, δίπλα του, είναι SCR με χαμηλότερες τιμές ρεύματος. Το στοιχείο στα δεξιά είναι ένας πλαστικός SCR σε κάψουλα με τιμές ρεύματος 4,5 amperes. Το μεγάλο μεμονωμένο στοιχείο, τέταρτο από τα δεξιά, είναι ένας triac με τιμή ρεύματος 50 amperes. 35