Raportti 31.3 - triac.pdf · Raportti 31.3.2009 Yksivaiheinen triac xxxxxxx nimi nimi 0278116 Hans…

  • View
    213

  • Download
    0

Embed Size (px)

Transcript

  • Raportti

    31.3.2009

    Yksivaiheinen triac

    xxxxxxx nimi nimi 0278116 Hans Baumgartner xxxxxxx nimi nimi

    store.hasseb.fi

  • 1 SisltKYTETYT MERKINNT JA LYHENTEET....................................................................................... 2 1. JOHDANTO ..................................................................................................................................... 3 2. KIRJALLISUUSTY ....................................................................................................................... 4

    2.1 Triacin toimintaperiaate ............................................................................................................ 4 2.2 Triacin kytt ............................................................................................................................ 6 2.3 Lhtjnnitteen tehollisarvon yhtl ......................................................................................... 6

    2.3.1 Resistiivinen kuorma......................................................................................................... 6 2.3.2 Induktiivinen kuorma ........................................................................................................ 7

    3. MITTAUKSET ................................................................................................................................. 8 4. SIMULOINTI ................................................................................................................................... 9 5. TULOSTEN ANALYSOINTI .......................................................................................................... 9

    5.1 Hytysuhde ohjauskulman funktiona...................................................................................... 11 5.2 Tehokerroin ............................................................................................................................. 12 5.3 Vristymkerroin ................................................................................................................... 14 5.4 THD ........................................................................................................................................ 16 5.5 Huippukerroin ......................................................................................................................... 18 5.6 Harmoniset komponentit ......................................................................................................... 20

    6. YHTEENVETO .............................................................................................................................. 22 LIITE I .................................................................................................................................................... 23 LIITE II ................................................................................................................................................... 28

  • 2

    KYTETYT MERKINNT JA LYHENTEET

    CF huippukerroin DF vristymkerroin f taajuus I virta P teho t aika T aika THD kokonaisvristym U jnnite hytysuhde

  • 3

    1. JOHDANTO

    Triac on puolijohdekomponentti, jonka toimintaperiaate on sama kuin kahdella vastakkain kytketyll tyristorilla. Triacin avulla voidaan muuttaa vaihtovirran kyrmuotoa ja nin vaikuttaa piiriss kulutettavaan tehoon. Laboratoriotyss on tutustuttu triacin toimintaperiaatteeseen sek testattu ja analysoitu yksinkertaisia triac-kytkentj.

  • 4

    2. KIRJALLISUUSTY

    2.1 Triacin toimintaperiaate

    Triac on puolijohdekomponentti, jonka toimintaperiaate on sama, kuin kahdella vastakkain kytketyll tyristorilla. Triacin ohjauskulmaa muuttamalla pystytn vaikuttamaan vaihtojnnitteen kyrmuotoon ja nin kuormaan saatavaan tehoon. Triacin periaatteellinen piirikaavio ja kytkent on esitetty kuvassa 2.1.

    Kuva 2.1 Triacin piirikaavio

    Triacin ohjauskulmaa muuttamalla voidaan sinimuotoista jnnitett rikkoa, jolloin kuormassa nkyvn jnnitteen kyrmuoto on kuvan 2.2 mukainen.

    Kuva 2.2 Triacin lhtjnnitteen kyrmuoto

    Kytnnss ohjauskulmaa muutetaan kytkennll, joka liipaisee eli saa triacin johtamaan tietyll ajanhetkell. Triac lakkaa johtamasta, kun jnnitteen suunta muuttuu, jonka jlkeen triac on liipaistava uudestaan. Elektronisessa ohjauskytkennss liipaisun ajoitus vaatii jnnitteen nollakohdan tarkkailemista. Kun jnnite ohittaa nollakohdan, alkaa ohjauspiiri laskea aikaa nollakohdan

  • 5 ylittmisest liipaisuhetkeen. Vaihtojnnitteen jaksonajan, liipaisuhetken ajankohdan ja ohjauskulman suhde on yhtln x mukainen.

    o

    Tt 1802 , (1)

    jossa on ohjauskulma, t liipaisuaika ja T jaksonaika Triacin liipaisuun voidaan kytt digitaalista mikrokontrolleria tai analogista kytkent. Mikrokontrolleritoteutukseen voidaan kytt esim. keskeytyst, jolloin kontrolleri alkaa laskea aikaa nollakohdan ylityksest ja liipaisee triacin oikealla hetkell. Liipaisu voidaan toteuttaa mys analogisesti esim. kuvan 2.3 vastuksen ja kondensaattorin muodostamalla kytkennll. Kytkent liipaisee triacin, kun kondensaattoriin on latautunut riittv jnnite liipaisuun (tyypillisesti luokkaa 0.7 V).

    Kuva 2.3 Triacin liipaisukytkent

    Koska triacin liipaisujnnite ei ole symmetrinen, ei kuvan 2.3 kytkennll saatava jnnitteen kyrmuotokaan ole nin ollen symmetrinen. Ongelma voidaan korjata lismll kytkentn diac, joka on komponenttina huomattavasti triacia symmetrisempi. Kuvan 2.4 kytkennll saadaan kuormalle menevst jnnitteest lhes symmetrist.

  • 6

    Kuva 2.4 Triacin liipaisu diacin avulla

    Kytkentj suunniteltaessa on hyv ottaa huomioon mys kytkentjen erotus. Koska tulojnnitteen nollakohdan havaitseminen vaati toimiakseen ohjauskytkennn kytkemisen verkkojnnitteen nollajohtoon, on ohjauspiirin ja kuorman erottamiseen tarvittaessa kiinnitettv huomiota. Erotukseen voidaan kytt esim. liipaisujnnitteen optista erotusta, johon lytyy valmiita optoerottimella varustettuja triac:ja.

    2.2 Triacin kytt

    Triacin virta ja jnnitekestoisuudet rajoittavat sen kytt ja sit kytetnkin pienitehoiseen vaihtoshkn stn mm. lampun himmentimiss, tuulettimien stn tai pienitehoisten vaihtoshkmoottorien stn. Triacin kytt on nykyn vhentynyt tasashksovellusten lisntymisen myt.

    2.3 Lhtjnnitteen tehollisarvon yhtl

    Sinimuotoisen jnnitteen tehollisarvo Urms saadaan yhtlst

    022

    0 )(sin1 dttUU rms (2)

    2.3.1 Resistiivinen kuorma

    Ksitelln yksinkertaistettua piiri jossa on triac, virtalhde ja resistiivinen kuorma. Kytkent on esitetty kuvassa 2.5.

  • 7

    Kuva 2.5 Triac resistiivisell kuormalla

    Resistiivisell kuormalla piirin jnnite on )sin()sin( 00 tRItU (3)

    Lisksi piiriss on viel triacin jnnitehvi mutta se voidaan sisllytt tss tarkastelussa kuormaan. Kun triacin syttymiskulmaa merkitn :lla, on jnnitteen kyrmuoto kuvan 2.2 mukainen. Jnnitteen tehollisarvo saadaan yhtlst (2) muuttamalla integrointivli. Resistiivisell kuormalla ei triacilla ole merkittv sammumisviivett, joten se jtetn tss huomioimatta. Syttymiskulmalla saadaan tehollisarvon yhtl muotoon

    dUU

    dUU

    rms

    rms

    20

    220

    sin1

    )(sin1

    (4)

    Ottamalla integraali ja sijoittamalla integrointirajat saadaan

    42sin

    221

    0 UU rms (5)

    2.3.2 Induktiivinen kuorma

    Induktiivisella kuormalla lhtjnnitteen mrittminen on hieman hankalampaa, koska triacin sammumisaika riippuu voimakkaasti kuormasta. Induktiivinen kuorma sytt piiriin energiaa, joka

  • 8 hidastaa sammumista. Oletetaan piirin koostuvan virtalhteest sek resistiivisest ja induktiivisesta kuormasta kuvan 2.6 mukaisesti. Kuorman resistiivinen osuus sislt triacin jnnitehvin.

    Kuva 2.6 Triac kuormitettuna induktiivisella ja resistiivisell kuormalla

    Piirin jnnitteen kyrmuoto on pienill induktanssin arvoilla kuvan 2.7 mukainen. on sammumisviive. Sammumisajankohta = + .

    Kuva 2.7 Triacin jnnitteen kyrmuodot induktiivisella kuormalla

    Kuvasta 2.7 jnnitteen kyrmuodon pinta-alasta saadaan jnnitteen tehollisarvoksi

    dUU rms2

    0 sin1 (6)

    3. MITTAUKSET

    Kuvien 2.5 ja 2.6 kytkennist mitattiin triacin tulojnnite, -virta ja -teho, sek lhtjnnite, -virta ja -teho eri ohjauskulman arvoilla. Resistiivisell kuormalla kytetyt ohjauskulman arvot olivat 0, 45, 90 ja 135 astetta ja induktiivisella kuormalla 0, 18, 36, 72, 108 ja 126 astetta. Lisksi oskilloskoopilla

  • 9 mitattiin triacin lhtjnnitteen ja -virran kyrmuodot. Mittaustulokset on esitelty myhemmin. Oskilloskoopin kuvaajat ovat liitteess I.

    4. SIMULOINTI

    Mitattuja kytkentj simuloitiin OrCAD Capture simulointiohjelmistolla, kuvan 4.1 kytkennll.

    Kuva 4.1 Simuloinnissa kytetty kytkent

    Kuvan 4.1 kytkennss on triacin rinnalle jouduttu laittamaan snubber-kytkent, jotta simulointi onnistuisi mys induktiivisella kuormalla. Ilman snubber-kytkent triac j johtamaan jatkuvasti ensimmisen sytytyspulssin jlkeen. Traicin simulointi osoittautui muutenkin rimmisen vaikeaksi erityisesti induktiivisella kuormalla. Triacia ei ole tarkoitettu ohjaamaan induktiivisia kuormia, joten toimivan simulointikytkennn lytminen oli erittin haastavaa. Simulointitulosten kuvaajat on esitetty liitteess II.

    5. TULOSTEN ANALYSOINTI

    Taulukkoon 5.1 on listattu triacin lhtjnnitteen teoreettiset-, mitatut- ja simuloidut tehollisarvot. Triacin lhtjnnitett induktiivisella kuormalla ei voida laskea teoreettisesti, vaan siihen tarvitaan komponenttikohtaisia, monimutkaisia numeerisia menetelmi, joten nit arvoja ei ole merkattu taulukkoon.

  • 10

    Taulukko 5.1 Triacin lhtjnnitteen mitatut, teoreettiset ja simuloidut arvot

    Resistiivinenkuor