DIAK (DIAC, diode for alternating current) to dwukierunkowy element półprzewodnikowy stosowany przede wszystkim jako układ wyzwalający. Najczęściej spotyka się go w regulatorach fazowych: ściemniaczach oświetlenia, prostych regulatorach prędkości silników AC oraz obwodach sterowania grzałkami.
W stanie blokowania DIAK przewodzi jedynie bardzo mały prąd upływu. Gdy napięcie między jego zaciskami osiągnie napięcie przełączenia, element gwałtownie przechodzi w stan przewodzenia, a napięcie na nim spada mimo wzrostu prądu. To zjawisko ujemnej rezystancji dynamicznej pozwala uzyskać krótki, powtarzalny impuls wyzwalający.
DIAK należy do rodziny elementów tyrystorowych, ale nie ma bramki i nie wzmacnia sygnału. Jego zadaniem jest symetryczne wyzwalanie w obu połówkach sinusoidy, zwykle we współpracy z TRIAC-iem.
Poniżej omawiamy budowę, zasadę działania, charakterystykę V-I oraz typowe zastosowania DIAK-a w praktycznych układach zasilanych prądem przemiennym.
Co to jest DIAK?
DIAK to dwukierunkowa dioda wyzwalająca do obwodów prądu przemiennego. W typowej postaci ma trzy warstwy półprzewodnikowe i dwa złącza, a jego zachowanie można porównać do przełącznika, który pozostaje wyłączony do chwili osiągnięcia określonego napięcia.
Na pierwszy rzut oka struktura DIAK-a może przypominać tranzystor bipolarny. Różnica jest zasadnicza: DIAK nie ma wyprowadzenia bazy. Ma tylko dwa zaciski, najczęściej oznaczane jako A1 i A2 albo MT1 i MT2.
Element nie zapewnia wzmocnienia. Działa jak dwukierunkowa dioda przełączająca: po przekroczeniu napięcia przełączenia przewodzi niezależnie od polaryzacji przyłożonego napięcia, dopóki prąd nie spadnie poniżej prądu podtrzymania.
DIAK-i występują w małych obudowach przewlekanych, takich jak DO-35, oraz w wersjach SMD, na przykład SOT-23. Dobór obudowy zależy od sposobu montażu, miejsca na płytce i wymagań produkcyjnych.
Jaki jest symbol DIAC?
Symbol DIAK-a przedstawia zwykle dwa przeciwstawnie skierowane symbole diod umieszczone w jednej strukturze. Pokazuje to, że element może przełączać się w obu kierunkach, a jego zaciski nie mają stałej polaryzacji.
Symbol DIAK-a
Źródło: Wikimedia Commons
Zaciski mogą być oznaczone jako A1/A2 albo MT1/MT2. Ponieważ DIAK jest elementem dwukierunkowym, w wielu prostych aplikacjach nie ma znaczenia, którą stroną zostanie włączony do obwodu. W przeciwieństwie do TRIAC-a nie ma zacisku bramki.
Budowa DIAK-a
Podstawowy DIAK ma symetryczną strukturę półprzewodnikową. Warstwy są dobrane tak, aby napięcie przełączenia dla dodatniej i ujemnej polaryzacji było możliwie podobne. To właśnie symetria jest najważniejszą cechą elementu w układach sterowania fazowego.
Przykładowa struktura warstwowa DIAK-a
Po przyłożeniu napięcia jedna część struktury jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia, a druga w kierunku zaporowym. Dopiero po osiągnięciu napięcia przełączenia złącze zaporowe ulega przebiciu lawinowemu, a element przechodzi w stan przewodzenia. Przy odwróceniu polaryzacji proces zachodzi analogicznie po drugiej stronie struktury.
Zasada działania DIAK-a
Jeżeli zacisk MT1 jest dodatni względem MT2, aktywna staje się jedna część struktury półprzewodnikowej. Prąd może popłynąć dopiero po przekroczeniu napięcia przełączenia, gdy złącze spolaryzowane zaporowo przejdzie w stan przebicia.
W tej polaryzacji prąd płynie od MT1 do MT2. Jedno ze złączy jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a drugie blokuje prąd do momentu osiągnięcia napięcia przełączenia.
Po odwróceniu napięcia, czyli gdy MT2 jest dodatni względem MT1, przewodzi druga część struktury. Mechanizm pozostaje taki sam: do chwili przełączenia DIAK blokuje prąd, a po przełączeniu przewodzi w kierunku od MT2 do MT1.
Dzięki temu DIAK jest elementem dwukierunkowym. Nie wymaga sygnału bramki, a moment jego włączenia zależy od napięcia między zaciskami oraz parametrów konkretnego typu.
Jakie są cechy V-I DIAC?
Charakterystyka prądowo-napięciowa DIAK-a leży w pierwszej i trzeciej ćwiartce układu współrzędnych, ponieważ element działa dla obu polaryzacji napięcia. W idealnym przypadku obie części charakterystyki są niemal symetryczne.
Pierwsza ćwiartka opisuje dodatnią połówkę przebiegu, gdy prąd płynie od MT1 do MT2. Trzecia ćwiartka opisuje połówkę ujemną, gdy kierunek prądu jest przeciwny.
Przy napięciu niższym od napięcia przełączenia DIAK pozostaje w stanie blokowania i ma dużą rezystancję. Przepływa wtedy tylko niewielki prąd upływu. Ten obszar charakterystyki jest istotny, bo decyduje o tym, że element nie wyzwala układu zbyt wcześnie.
Gdy napięcie osiąga wartość przełączenia, rezystancja dynamiczna gwałtownie maleje. DIAK zaczyna przewodzić, prąd szybko rośnie, a napięcie na elemencie spada do niższej wartości przewodzenia.
Charakterystyka DIAK-a
Dla popularnych elementów z rodziny DB3 typowe napięcie przełączenia wynosi około 32 V, a zakres katalogowy często mieści się w przedziale 28-36 V. Wersje DB4 mają zwykle wyższe napięcie przełączenia, około 40 V. Dokładną wartość zawsze należy sprawdzić w karcie katalogowej wybranego komponentu.
Po przejściu w stan przewodzenia DIAK pozostaje włączony tylko tak długo, jak prąd jest większy od prądu podtrzymania. Gdy prąd spadnie poniżej tej wartości, na przykład pod koniec połówki sinusoidy, element wraca do stanu blokowania.
Jak używać DIAK-a z TRIAC-iem
Najczęściej DIAK pracuje w obwodzie bramki TRIAC-a. Sam TRIAC może wyzwalać się nieco inaczej w dodatniej i ujemnej połówce napięcia, zwłaszcza gdy układ sterujący dostarcza niesymetryczny impuls bramkowy.
Taka asymetria powoduje zniekształcenie przebiegu wyjściowego i zwiększa zawartość harmonicznych. W regulatorach fazowych przekłada się to na większe zakłócenia elektromagnetyczne, nierówną regulację mocy albo słyszalne zakłócenia w obciążeniu.
DIAK ogranicza ten problem, ponieważ nie przepuszcza prądu do bramki TRIAC-a, dopóki napięcie na kondensatorze w obwodzie RC nie osiągnie progu przełączenia. Po przełączeniu kondensator rozładowuje się krótkim impulsem przez DIAK do bramki TRIAC-a.
W efekcie TRIAC otrzymuje bardziej powtarzalny impuls w obu połówkach sinusoidy. To poprawia symetrię sterowania i ułatwia uzyskanie stabilnej regulacji mocy.
Zastosowania DIAK-a
DIAK jest przede wszystkim elementem wyzwalającym, dlatego stosuje się go w prostych układach sterowania mocą AC.
Sterowanie temperaturą w układach z grzałkami.
Ściemniacze oświetlenia z regulacją fazową.
Regulatory prędkości silników prądu przemiennego.
Poniżej opisujemy, jak DIAK pracuje w typowych obwodach tego rodzaju.
Przykładowy obwód wyzwalania DIAK-TRIAC
Ściemniacz lampy
W klasycznym ściemniaczu potencjometr i kondensator tworzą obwód RC. Po podaniu napięcia sieciowego kondensator ładuje się w każdej połówce sinusoidy. Szybkość ładowania zależy od ustawienia potencjometru.
Gdy napięcie na kondensatorze przekroczy napięcie przełączenia DIAK-a, element zaczyna przewodzić i rozładowuje kondensator przez bramkę TRIAC-a. Impuls bramkowy włącza TRIAC na pozostałą część danej połówki przebiegu.
Zmiana rezystancji w obwodzie RC zmienia kąt zapłonu TRIAC-a. Im później w połówce sinusoidy nastąpi wyzwolenie, tym mniejsza część energii zostanie dostarczona do lampy. W ten sposób układ reguluje jasność.
DIAK poprawia powtarzalność zapłonu dla dodatniej i ujemnej połówki napięcia, dlatego ściemniacz pracuje stabilniej i z mniejszą asymetrią przebiegu.
Elektryczny obwód sterujący grzejnikiem
W regulatorze grzałki zasada jest podobna: obwód RC ustala moment wyzwolenia TRIAC-a, a DIAK dostarcza do bramki krótki impuls po osiągnięciu napięcia progowego. Zmiana rezystancji pozwala regulować średnią moc dostarczaną do grzałki.
W praktycznych układach dodaje się również elementy ograniczające szybkość narastania napięcia i tłumiące zakłócenia, na przykład obwód RC typu snubber podłączony równolegle do TRIAC-a. Chroni to układ przed przypadkowym wyzwalaniem i poprawia kompatybilność elektromagnetyczną.
Różnica między DIAC a TRIAC
| DIAK | TRIAK |
|---|---|
| 1. Ma dwa zaciski: MT1 i MT2. | Ma trzy zaciski: MT1, MT2 i bramkę. |
| 2. Przewodzi w obu kierunkach dopiero po osiągnięciu napięcia przełączenia między zaciskami. | Również przewodzi w obu kierunkach, ale zwykle wymaga impulsu sterującego na bramce. |
| 3. Ma małą zdolność przenoszenia mocy i służy głównie do wyzwalania. | Może sterować znacznie większą mocą obciążenia AC. |
| 4. Można go traktować jak symetryczny element przełączający podobny do dwóch przeciwstawnych diod wyzwalających. | Funkcjonalnie przypomina dwa tyrystory połączone przeciwrównolegle ze wspólną bramką. |
| 5. W obszarze przełączania wykazuje ujemną rezystancję dynamiczną. | TRIAC nie jest używany jako element progowy; po wyzwoleniu przewodzi do spadku prądu poniżej prądu podtrzymania. |
| 6. Wyzwala się po przyłożeniu do zacisków napięcia równego lub większego od napięcia przełączenia. | Wyzwala się przez doprowadzenie odpowiedniego prądu bramki przy napięciu między MT1 i MT2. |
Zalety i wady DIAK-a
Zalety
DIAK ułatwia płynną regulację mocy w układach z TRIAC-iem.
Ma symetryczną charakterystykę przełączania dla obu polaryzacji napięcia.
Wyłącza się samoczynnie, gdy prąd spadnie poniżej prądu podtrzymania.
Pomaga ograniczyć asymetrię sterowania i część niepożądanych harmonicznych.
Charakteryzuje się niskim napięciem w stanie przewodzenia po przełączeniu.
Wady DIAK-a
DIAK nie jest elementem do blokowania wysokich napięć ani do bezpośredniego sterowania dużą mocą.
Przewodzi dopiero po przekroczeniu napięcia przełączenia, które w popularnych typach wynosi około 30-40 V.
Ma ograniczoną obciążalność prądową, dlatego w układach mocy pracuje jako element wyzwalający, a nie jako główny łącznik.
Podsumowanie
DIAK to niewielki, ale bardzo użyteczny element w układach sterowania prądem przemiennym. Dzięki dwukierunkowej i symetrycznej charakterystyce przełączania dobrze sprawdza się jako element wyzwalający TRIAC w ściemniaczach, regulatorach obrotów oraz prostych regulatorach grzałek.
Jeżeli projektujesz płytkę z układem sterowania mocą AC, warto dobrać DIAK i TRIAC na podstawie kart katalogowych, warunków obciążenia oraz wymagań EMC. OurPCB może pomóc w przygotowaniu PCB, montażu komponentów i analizie DFM; po przesłaniu plików Gerber i BOM otrzymasz wycenę w 12 godzin roboczych.