在家用电器中,诸如马达、阀门、灯管和加热器等电气负载的功率需要能够接通或切断,有些还要求输入功率能在一定范围内变化。固态功率控制电路,采用双向可控硅(TRIAC),因其简单、可靠且价格低廉,在可变负载功率的家电中得到广泛应用。然而,使用普通TRIAC控制感性负载时可能会出现不受控的情况,而新型的三象限TRIAC解决了这一问题。
通过相位控制来改变功率,家电中的马达无论是分段调节还是连续调节,大多采用串联式交流马达。使用电子转速控制电路可以提高平均驱动电压,以维持较稳定的输出速度。对于成本要求低的系统,使用TRIAC的相位控制电路是一个很好的选择。
正确设计相位控制电路,并选择合适的TRIAC,可以实现可靠、简单、经济的控制电路。例如,一个简单的电路可能只包含六个元件:一个TRIAC、两个电阻器、一个电容器、一个用于触发TRIAC的双向触发二极管(DIAC),以及一个用于设定触发延迟时间的可变电阻器。这个电路中没有包含满足EMC要求所需的滤波元件。
相位控制电路也广泛用于电灯的亮度调节。这个电路可以用于电阻性负载,也可以用于电感性负载。这两种负载对TRIAC的要求有很大的差别,因此需要根据不同的情况选择合适的TRIAC。
对于TRIAC来说,电阻性负载是容易控制的,因为负载上电流的波形与输入电压的波形相同,TRIAC换向时电流的变化速度(dI/dt)相当平缓;电压与电流波形相位相同,因此换向后的电压上升变化(dV/dt)也相当平缓。然而,对于电感性负载,问题就复杂多了。由于负载电流的波形与输入电压不同,且电感性负载会抗拒电流的任何改变,因此电流的上升缓慢,引起峰值出现时间延迟,但回到0则很快,dI/dt相当高。这可能导致TRIAC在尝试回到阻断状态时,移动载流子会越来越多地集中到TRIAC中的结上,如果集中程度很高,这些载流子就会流到TRIAC结,引起不必要的触发电流。
任何标准的TRIAC都能够成功地控制电阻性负载。然而,在用标准的TRIAC来控制电感性负载时,为了避免不受控的情况出现,就必须增加一些保护元件。这些元件包括:跨接TRIAC电源两端的电阻器与电容器串联的阻尼电路,它能够限制电压变化率dV/dt;在负载上串联一个几毫亨利的非饱和电感器,它能够在TRIAC遇到问题时限制电流变化率dI/dt。
这些额外的元件会增大体积,增加成本。在许多情况下,它们甚至会使TRIAC受到过大的电流冲击,从而降低电路长期使用的可靠性。例如,如果阻尼电路设计不当,其中的电阻过低(低于100Ω),每当TRIAC在阻断时的高电压下触发时,可能会造成过大的TRIAC峰值电流、过高的电流变化率(dI/dt)。这些过大的电流、过高的电流变化率重复出现的话,在导开始导通的区域,有的部位电流会太大,从而逐渐降低控制极的可靠性。结果是:使用时间越久,控制极的灵敏度越低,最终可能永远无法触发。从成本、尺寸以及可靠性的角度来看,解决这个问题最好的方法是减小保护元件的尺寸,甚至完全不要。使用三象限的双向可控硅(3Q-Triac)就可以做到这点。
三象限双向可控硅的局限性在于,它去掉了控制极重叠的功能,这样移除可以让它能够在高电压(dv/dt)以及电流(dI/dt)变动的情况下转向,但如果有的话,这个作法仅有的一点缺点是完全失去了任何的3+触发能力,不过对大部份的应用来说这并不重要,因为在3+象限的运作通常会因为TRIAC的更低灵敏度、更差的导通效能以及更低许可的负载电流变化(dIT/dt)而避免。
三象限Triac同时也提供了比四象限Triac更好的转向表现。在为应用选择三象限Triac时,设计者必须要在灵敏度以及失控免役力之间做最好的权衡,并尽可能地采用二极交流开关来做触发电路,并选择拥有最高触发电流(IGT)的最差灵敏度Triac,同时指定最佳的转向效能,当驱动电路能够吸入的闸极电流有所限制时,应该选用拥有最高闸极电流的Triac以便让驱动电流能够正确地动作,基本上,在驱动电路能够在没有太大困难情况下吸入更多闸电流时,自动指定拥有最高灵敏度的Triac并不是一个好的作法。
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