Трехквадрантные симисторы, их особенности и преимущества 3Q-триаков перед 4Q

Современная бытовая техника разрабатывается так, чтобы сделать процесс эксплуатации максимально комфортным для пользователя.
Многие приборы имеют встроенные схемы управления мощностью. Регулируемые светильники, вентиляторы, миксеры и пылесосы сегодня можно встретить практически в каждом доме. А человек, обладающий навыками пайки, может купить симистор и самостоятельно собрать регулятор для прибора, в котором данная функция изначально не предусмотрена.
Симистор (или триак) делает управление мощностью предельно простым и удобным, практически не влияя на КПД. Это надежный элемент, не содержащий механических деталей и не подверженный износу (при соблюдении рекомендуемых условий эксплуатации). И всё же у традиционного четырехквадрантного (4Q) симистора есть один существенный недостаток – плохая приспособленность к работе на индуктивную нагрузку. Поэтому сегодня набирают популярность трехквадрантные триаки (3Q), лишенные данного недостатка.

Что представляют собой квадранты симистора

рисунок-1.jpg

рис.1 Схематическое обозначение симистора и его ВАХ

У традиционного симистора есть четыре режима, в которых возможно его открывание. Они определяются двумя секторами ВАХ (рисунок 1) и двумя вариантами полярности управляющего вывода. Каждому из режимов соответствует один из квадрантов, называемых Q1, Q2, Q3 и Q4 (применяется несколько вариантов обозначения, соответствие между ними смотрите в таблице 1).


Подробное

T2+,G+

T2+,G–

T2–,G–

T2–,G+

Сокращенное

1+

1–

3–

3+

Стандартное

1

2

3

4

I

II

III

IV

таблица 1 Соответствие разных обозначений квадрантов симистора


Последний квадрант плох тем, что в данном режиме снижается стабильность работы прибора и резко возрастает ток через управляющий вывод. Это может сжечь микроконтроллер, при помощи которого осуществляется управление мощностью. Чтобы предотвратить переход симистора в четвертый квадрант используются специальные схемы защиты.

На рисунке 2 показаны режимы работы симистора во всех квадрантах.
Цифрами 1 и 3 обозначены секторы ВАХ (смотрите рисунок 1).
Знаки + и - показывают полярность управляющего вывода.

спецификация-квадрантов-2.jpg
 
рис.2 Квадранты симистора

Чем 3Q-триак отличается от 4Q?

Характерный недостаток традиционных четырехквадрантных триаков заключается в том, что в цепях с реактивной нагрузкой (электродвигатели, трансформаторы) у них случаются ложные срабатывания из-за помех. Чтобы их компенсировать, необходима защитная схема. Обычно её роль играет демпферная RC-цепочка, устанавливаемая между силовыми электродами симистора. Она позволяет ограничить скорость нарастания напряжения. Если требуется ограничить скорость нарастания тока, в цепь симистора устанавливается индуктивность.
Защитные и демпфирующие компоненты удорожают схему и увеличивают её габариты, а за счет большего числа элементов может пострадать и надежность готового прибора. Кроме того, работоспособность схемы зависит от правильного подбора номиналов. Если сопротивление сделать слишком высоким, демпферная цепочка может работать нестабильно, а при слишком низком сопротивлении симистор может открываться из-за напряжения на заряженном конденсаторе. Для бытовых приборов обычно используется конденсатор на 0,1 мкФ и резистор на 100 Ом или больше.
Основное отличие 3Q-триаков от 4Q заключается в том, что они вообще не нуждаются в демпферных цепочках, благодаря чему готовая схема получается компактной и надежной, а её себестоимость даже ниже, несмотря на использование более совершенного полупроводникового прибора. Современные трехквадрантные симисторы выпускаются в корпусах SOT223, SOT408 и SOT404, что позволяет разрабатывать миниатюрные регуляторы для компактной бытовой электроники.

Применение 3Q-триаков

Раньше в бытовой технике управление осуществлялось при помощи механических реле и переключателей. Некоторые приборы и сегодня используют данный подход. К примеру, температура подошвы утюга удерживается в заданном диапазоне за счет постоянного включения и выключения нагревательного элемента. Аналогичным образом работают холодильники, кондиционеры и некоторые другие устройства.
Главный недостаток механических переключателей – ограниченный ресурс работы. При коммутации возникает искра, из-за которой контакты обгорают, постепенно ухудшая эксплуатационные характеристики. Типичное значение коммутационной износостойкости реле, устанавливаемых в бытовую технику, составляет порядка 10-20 тысяч циклов. Для симметричных тиристоров подобных ограничений не существует, поскольку они не содержат механических элементов, подверженных износу.

Сегодня 3Q-триаки успешно вытесняют устаревшие способы управления в таких устройствах как:


• электроплиты и духовки;
• вытяжки и вентиляторы;
• регулируемые пылесосы;
• швейные машины;
• стиральные и посудомоечные машины с разными режимами;
• миксеры и прочая техника.

Современный трехквадрантный триак представляет собой эффективное и долговечное устройство для управления практически всеми видами бытовых приборов. Схемы на симисторах отличаются высокой надежностью и универсальностью.
Главным преимуществом 3Q-симисторов является возможность применять их в цепях с любыми видами нагрузки, включая двигатели и мощные трансформаторы. В качестве примера, приведем схему управления пылесосом мощностью до 1500 Вт.

рисунок-3.jpg

рис.3 Схема управления мощностью пылесоса на 3Q-триаке

Особенности работы 4Q-триака

Четвертый квадрант (обозначается как Q4, 3+ или G+) создает сразу несколько неудобств:
1. Чтобы обеспечить гарантированное открывание, управляющий ток должен быть выше, чем в остальных квадрантах.
2. Время переключения триака в режим проводимости также значительно дольше, чем в других квадрантах.
3. Самое низкое значение допустимой скорости нарастания тока коммутации. Это может приводить к сгоранию триака в момент включения холодной лампы накаливания и прибора с емким конденсатором на входе.
Кроме того, возможны самопроизвольные включения в квадранте 3+ при резком росте напряжения на закрытом симисторе. Также в некоторых режимах работы 4Q-триак может потерять способность закрываться в нужный момент. Это влияет на стабильность работы устройства и требует усложнять схему защитными цепями.
Особенности работы 3Q-триака
Трехквадрантный триак лишен перечисленных выше недостатков. Управлять им в квадранте 3+ (Q4) невозможно, но стабильность работы намного выше, исключены самопроизвольные включения и не требуется усложнять схему дополнительными элементами.
  рисунок-4.jpg

рис.4  Индуктивная нагрузка создает высокое  dVCOM/dt

3Q-триак не нуждается в RC-цепочке при работе с реактивной нагрузкой

В большинстве схем рабочими являются только 2 квадранта. При управлении переменным током (с применением переменного резистора) задействованы квадранты 1+ и 3-. При управлении постоянным током (с применением микроконтроллера) используются квадранты 1- и 3-. Таким образом, отказ от управления в квадранте 3+ вообще не создаёт неудобств.

Преимущества трехквадрантных симисторов

1. Высокое предельное значение dVcom/dt
В цепях с реактивной нагрузкой возникает существенный фазовый сдвиг тока и напряжения. При прохождении тока через нулевое значение триак должен выключиться, однако из-за реактивной нагрузки на силовых выводах тиристора будет присутствовать ненулевое напряжение. Если оно будет при этом меняться со скоростью, превышающей допустимое значение dVcom/dt, симистор может не закрыться в заданный момент.
Это явление зависит от температуры полупроводникового прибора. Поэтому неправильно рассчитанная схема при испытаниях может работать корректно, а при эксплуатации – давать сбои.

рисунок-5.jpg

рис.5 Переходные процессы в цепях с реактивной нагрузкой приводят к повышению dVcom/dt

Для компенсации данного эффекта схема дополняется демпфирующей RC-цепочкой. Однако, как было отмечено выше, чувствительность и стабильность симисторов зависит от температуры. Поэтому при определенных условиях даже демпфирующая цепочка не сможет обеспечить достаточный уровень защиты. 3Q-триаки лишены указанного недостатка.

2. Высокое предельное значение dVD/dt
Если по каким-то причинам на закрытом 4Q-триаке напряжение нарастает с большой скоростью, это может спровоцировать его открывание. Подобные ситуации также возникают в цепях с индуктивной нагрузкой. Кроме того, скачки напряжения могут возникать из-за внешних факторов, например, грозовых разрядов.
Если в какой-то момент напряжение на силовых выводах триака будет меняться со скоростью, превышающей допустимое значение dVD/dt, в приборе может возникнуть ток (за счет внутренней емкости). Этого тока может хватить для открывания симистора. Для устранения данной проблемы также используется RC-цепь. 3Q-триак лишён подобного недостатка и в защитной схеме не нуждается.

3. Высокое предельное значение dIcom/dt
Если симистор коммутирует двигатель постоянного тока, подключенный к нему через диодный мост, возникает ещё один нежелательный эффект. Двигатель в определенные моменты работает как генератор, создавая ЭДС, обратную приложенному напряжению. Из-за этого ток нагрузки становится несинусоидальным, а dIcom/dt может оказаться достаточно высоким, чтобы не позволить 4Q-триаку запереться в нужный момент времени.
Для решения данной проблемы обычно используется индуктивность (несколько мГн), включаемая последовательно с триаком, чтобы ограничить резкий рост или понижение тока коммутации. 3Q-триак может эффективно коммутировать ток с высокими значениями dIcom/dt без ограничивающей индуктивности.
Лабораторные исследования трехквадрантных триаков продемонстрировали их превосходство над четырехквадрантными аналогами в большинстве рабочих режимов. Отдельно следует подчеркнуть, что недостатки четырехквадрантных триаков усиливаются при повышении температуры. Поэтому даже идеально рассчитанные защитные цепочки обеспечивают стабильную работу только в ограниченном температурном диапазоне. Если же в процессе эксплуатации полупроводниковый прибор перегреется, могут возникнуть сбои в работе.
3Q-триаки продемонстрировали стабильную работу даже при 150 °C, что на 25 градусов превышает предельное эксплуатационное значение для бытовых полупроводниковых приборов.