Triaki z wbudowanym zabezpieczeniem przepięciowym

W przypadku wykorzystania triaków jako przełączników napięcia przemiennego sieci konstruktor zwykle patrzy na dwa podstawowe parametry: maksymalną wartość ciągłego prądu, który może być przez triak przewodzony oraz dopuszczalne napięcie blokowania. Niemniej w praktyce wartość prądu ma mniejsze znaczenie, bo czterowarstwowa (N-P-N-P) struktura półprzewodnikowa charakteryzuje się najlepszymi własnościami w zakresie możliwości przeciążania dużą wartością prądu spośród wszystkich półprzewodnikowych elementów mocy.

Typowo w ciągu półokresu napięcia sieci (10 ms dla 50 Hz) triak jest w stanie przewodzić prąd 6-10 razy większy od wartości nominalnej rms. Co więcej, dla krótkich impulsów np. 1 ms przeciążenie niepowodujące uszkodzenia to 20-40 razy. Dokładna wartość określana jest przez parametr ITSM w postaci krzywych dla przeciążenia dłuższego niż 10 ms i krótszego. W praktyce zatem nie ma konieczności przewymiarowania parametrów z uwagi na prąd rozruchowy, np. silników lub oświetlenia żarowego.

Uszkodzenie triaka na skutek przekroczenia maksymalnego prądu przewodzonego to także rzadkie zjawisko, gdyż proces załączenia jest bardzo szybki (typowo 100 ns), wyłączenie następuje przy zerowym napięciu i zatem w praktyce znaczenie mają jedynie straty cieplne wynikające z przewodzenia i prąd jest limitowany przez maksymalną temperaturę otoczenie, i warunki odprowadzania ciepła z triaka. Sterowanie silnikiem o mocy kilkudziesięciu watów za pomocą triaka w obudowie TO-92 to normalny widok na płytkach drukowanych.

O wiele gorzej wygląda kwestia napięcia, a dokładniej zdolność do radzenia sobie z przepięciami i wysokimi potencjałami w sieci przy współpracy z urządzeniami indukcyjnymi. Triak jest włączany szeregowo z obciążeniem, co oznacza, że w stanie wyłączenia odkłada się na nim szczytowa wartość napięcia sieci. Dla jednofazowej po doliczeniu dopuszczalnych wahań napięcia jest to 277 V rms, czyli 390 V w szczycie. Zakładając 15-procentowy margines bezpieczeństwa, napięcie na triaku może przyjąć 448 V, co oznacza, że trzeba sięgać nie po wersje 400-woltowe, ale 600-woltowe.

Obciążenie indukcyjne

Rys. 1. Koncepcyjne schematy aplikacyjne do triaków ACS

Gdy obciążenie ma charakter indukcyjny, sprawa się komplikuje. Triak załączający uzwojenie silnika jest niewrażliwy na prąd udarowy, niemniej w momencie wyłączenia obracający się wirnik wywołuje powstanie siły przeciwelektromotorycznej. Jej wielkość zależy od typu silnika, konfiguracji uzwojeń i materiału, z którego wykonany jest rotor, ale w najbardziej niekorzystnym przypadku (np. silników synchronicznych z magnesami trwałymi) może to być nawet 30-50% napięcia sieci.

Zatem przy obciążeniu indukcyjnym trzeba zwiększyć znacząco marginesy, bo napięcie na triaku może sięgnąć 550-650 V, a gdy dodatkowo w układzie są kondensatory rozruchowe, to jeszcze 100 V więcej. 800-woltowy triak załączający pompę lub sprężarkę nie jest zatem żadną przesadą.

To nie wszystko, bo gwałtowne zmiany wartości prądu w obciążeniu indukcyjnym w czasie wyłączania powodują powstawanie oscylacji, szpilkowych przepięć, które dodają się do napięcia zasilającego i są w stanie zniszczyć strukturę. Dodatkowo konstruktorzy zapominają, że triak może się w niekontrolowany sposób załączyć na skutek szybko narastającego napięcia na jego zaciskach.

Stromość zboczy musi być ograniczana za pomocą obwodów RC, a szpilkowe przepięcia ograniczane za pomocą warystorów lub transili. Brak takich zabezpieczeń jest powszechny, łatwy do zauważenia w wielu układach elektronicznych i jest to główne źródło kłopotów. Nierzadko obwody zabezpieczające nie są dobrane do warunków pracy aplikacji, bez dokonywania pomiarów, a wartości elementów obwodów gasikowych przepisuje się w ciemno z innego schematu, zapominając, że w tamtym układzie był używany inny silnik.

Obwód gasikowy i warystor zajmują miejsce na płytce, zwiększają prąd pobierany z sieci w stanie wyłączonym i są źródłem strat mocy. Efekt jest taki, że w źle dobranych układach triaki ulegają uszkodzeniu, a konstruktorzy idą na łatwiznę i wybierają przekaźnik elektromagnetyczny.

Triaki ACS, czyli AC Switch

Tabela. Główne parametry wybranych wersji triaków ACS

ST Microelectronics wytwarza serię triaków wykonanych w technologii ASD (application-specifi c discrete), w których zabezpieczenie przepięciowe zostało wbudowane do wnętrza struktury. Są one dostępne także w wersjach na małe prądy znamionowe już od 0,2 A i w obudowach do montażu SMT takich jak SOT-223.

Mają niewielki prąd bramki wymagany do załączenia oraz przesuwnik napięcia, co pozwala na ich bezpośrednie sterowanie z niskonapięciowych wyjść mikrokontrolera GPIO. Nie wymagają one dołączania zewnętrznych obwodów ochronnych po to, aby spełnić wymagania norm IEC 61000-4-4 i -4-5. Producent nazywa te elementy przełącznikami napięcia przemiennego AC switch (ACS), aby podkreślić ich obszar aplikacyjny. Są one przeznaczone do sterowania pompami, zaworami, wentylatorami, elektromagnesami i silnikami w napędach AGD, bramach itp.

W ramach serii dostępnych jest kilkanaście typów tych elementów na prądy znamionowe od 0,2 do 16 A i napięcia 600, 700 i 800 V. W zależności od wykonania progowy prąd bramki wynosi od 5 do 35 mA, w tym są wersje 10 mA ukierunkowane na współpracę z mikrokontrolerami. Oczywiście mogłoby się wydawać, że im mniejszy wymagany do włączenia prąd bramki, tym lepiej, bo układ sterujący może pobierać mniejszą moc.

Niemniej im czulszy triak, tym większe prawdopodobieństwo tego, że nie będzie się chciał on wyłączyć i zatrzaśnie się w stanie załączenia. Takie zjawisko (latch-up) jest niestety bolączką wielu podzespołów tego typu i warto odnotować, że ST Microelectronics gwarantuje w elementach z tej rodziny pewne wyłączanie przy obciążeniu indukcyjnym i prądzie bramki 10 mA.

Kolejnym drobiazgiem, ale także bardzo istotnym z punku widzenia pewności działania, jest to, że omawiane komponenty są odporne na strome zbocza napięć narastających na zaciskach w stanie wyłączenia. Innymi słowy, przepięcia szpikowe (do 2 kV/μs - jedna z największych wartości na rynku dla takich produktów) nie wywołują przypadkowych załączeń.

Elementy są wytwarzane w wielu typach odbudów: TO-220 dla wersji o dużej obciążalności, ale także DPAK, D²PAK, TO-92, SO-8, SO-20 i SOT-223, co ułatwia integrację nawet w niewielkich urządzeniach.

Producent deklaruje, że triaki ASD nie wymagają do pracy dodatkowych warystorów ani tłumików RC i nadają się do aplikacji pracujących 24/7.

Aby upewnić konstruktorów o wysokiej jakości triaków wykonanych w technologii ASD, producent przeprowadził wiele testów jakościowych, poza standardowymi HB i HTRB badana była odporność na wysokiej wartości prąd rozruchowy, zatrzymany wirnik w silniku, testy dI/dt i dU/dt, i inne.