Triac چیست

مقدمه:

از تریستور و Triac می‌توان برای کنترل لامپ ها، موتورها یا بخاری ها و غیره استفاده کرد؛ اما یکی از مشکلات استفاده از تریستور برای کنترل چنین مدارهایی این است که تریستور مانند دیود یک دستگاه یک طرفه است، به این معنی که آن را کنترل می‌کند. جریان را فقط در یک جهت از آند به کاتد عبور می‌دهد. در این سری از مقالات اسکای تک به بررسی Triac می پردازیم.

 برای مدارهای سوئیچینگ DC این مشخصه سوئیچینگ “یک طرفه” ممکن است قابل قبول باشد زیرا پس از راه اندازی تمام توان DC مستقیماً به بار تحویل می‌شود؛ اما در مدارهای سوئیچینگ AC سینوسی، این سوئیچینگ یک جهته ممکن است مشکل ساز باشد، زیرا تنها در طول نیمی از چرخه (مانند یکسو کننده نیمه موج) زمانی که آند بدون توجه به هر کاری که سیگنال گیت انجام می‌دهد مثبت است، هدایت می‌شود. سپس برای عملیات AC فقط نیمی از توان توسط یک تریستور به بار تحویل داده می‌شود.

 برای به دست آوردن کنترل توان تمام موج، می‌توانیم یک تریستور را در داخل یک یکسوساز پل تمام‌موج که در هر نیم موج مثبت فعال می‌شود، وصل کنیم یا دو تریستور را به صورت موازی معکوس (پشت به پشت) به هم متصل کنیم؛ اما این باعث افزایش پیچیدگی و تعداد اجزای مورد استفاده در مدار سوئیچینگ می‌شود.

مزایای:

1. سوئیچینگ دو طرفه: Triac ها می‌توانند جریان را در هر دو جهت هدایت کنند و به آن‌ها اجازه می‌دهد تا توان AC را به طور موثر کنترل کنند. این ویژگی آن‌ها را برای کاربردهایی که نیاز به کنترل دو طرفه دارند، مانند کنترل سرعت موتور و کاهش نور چراغ ها، مناسب می‌کند.
2. اندازه جمع و جور: ترایاک ها در مقایسه با سایر دستگاه های کنترل قدرت از نظر اندازه نسبتا کوچک هستند. این فشردگی آن‌ها را برای کاربردهایی با محدودیت فضا مناسب می‌کند.
3. مقرون به صرفه: Triac ها معمولاً در مقایسه با سایر دستگاه های کنترل قدرت، مانند تریستور یا رله، ارزان تر هستند. این مقرون به صرفه بودن در برنامه های کاربردی حساس به هزینه سودمند است.
4. سرعت سوئیچینگ بالا: آن‌ها می‌توانند به سرعت روشن و خاموش شوند و امکان کنترل دقیق بر توان تحویلی به بار را فراهم کنند. این ویژگی آن‌ها را برای برنامه هایی که نیاز به سوئیچینگ با سرعت بالا دارند مناسب می‌کند.

معایب:

1. کنترل غیر خطی: Triac ها ویژگی های غیر خطی از خود نشان می‌دهند، به این معنی که ولتاژ یا جریان خروجی ممکن است مستقیماً با ورودی کنترل متناسب نباشد. این غیرخطی بودن می‌تواند کنترل دقیق را در برخی از کاربردها پیچیده کند.
2. رتبه بندی ولتاژ و جریان محدود: Triac ها دارای رتبه بندی های ولتاژ و جریان خاصی هستند که حداکثر قابلیت های آن‌ها را تعیین می‌کند. فراتر از این محدودیت ها می‌تواند منجر به خرابی دستگاه یا کاهش طول عمر شود؛ بنابراین، ترایاک ها ممکن است برای کاربردهای با قدرت یا ولتاژ بالا مناسب نباشند.
3.  اتلاف گرما: ترایاک ها می‌توانند در حین کار، گرما تولید کنند، به خصوص زمانی که برای کاربردهای پرقدرت استفاده می‌شوند. ممکن است برای جلوگیری از گرمای بیش از حد و اطمینان از قابلیت اطمینان دستگاه، مکانیسم‌های گرماگیر یا خنک‌کننده کافی لازم باشد.
4. تداخل الکترومغناطیسی (EMI): سوئیچینگ سریع Triac ها می‌تواند نویز الکتریکی و تداخل الکترومغناطیسی را به محیط اطراف وارد کند. ممکن است برای کاهش این مسائل، به ویژه در سیستم های الکترونیکی حساس، فیلتر و محافظ مناسب مورد نیاز باشد.

پیکربندی ترمیستور:

با این حال، نوع دیگری از دستگاه های نیمه هادی به نام “سوئیچ AC Triode” یا به اختصار Triac نیز وجود دارد که یکی از اعضای خانواده تریستور است که می‌تواند به عنوان یک دستگاه سوئیچینگ قدرت حالت جامد استفاده شود؛ اما بزرگ‌ترین مزیتی که ترایاک نسبت به یکسو کننده کنترل شده سیلیکونی (SCR) دارد این است که یک دستگاه سوئیچینگ “دو جهته” است.

 به عبارت دیگر، یک Triac می‌تواند با هر دو ولتاژ مثبت و منفی اعمال شده به آند و با اعمال پالس های مثبت و منفی بر روی ترمینال گیت، به سمت آن هدایت شود و آن را به یک دستگاه کنترل شده سوئیچینگ دو ربع تبدیل کند. یک ترایاک دقیقاً مانند دو تریستور معمولی که به‌صورت موازی معکوس (پشت به پشت) به یکدیگر متصل شده اند، رفتار می‌کند و به دلیل این ترتیب، دو تریستور یک ترمینال گیت مشترک دارند که همه در یک بسته سه ترمینال واحد هستند.

از آنجایی که در هر دو جهت شکل موج سینوسی هدایت می‌شود، مفهوم ترمینال آند و ترمینال کاتدی که برای شناسایی پایانه های برق اصلی یک تریستور استفاده می‌شود با شناسه های: MT1، برای ترمینال اصلی 1 و MT2 برای ترمینال اصلی 2 جایگزین می‌شود. ترمینال Gate G به همین مورد اشاره کرد. در اکثر کاربردهای سوئیچینگ AC، ترمینال گیت Triac  با ترمینال MT1 مرتبط است، مشابه رابطه گیت-کاتد تریستور یا رابطه پایه-امیتر ترانزیستور. ساختار، دوپینگ P-N و نماد شماتیک مورد استفاده برای نشان دادن یک Triac در زیر آورده شده است.

نماد و ساختار Triac:

 اکنون می‌دانیم که “triac” یک دستگاه 4 لایه است، PNPN در جهت مثبت و NPNP در جهت منفی، دستگاه دو طرفه سه ترمینالی که جریان را در حالت “OFF” خود مسدود می‌کند و مانند یک کلید مدار باز عمل می‌کند. برخلاف تریستورهای معمولی، هنگامی که توسط یک پالس گیت راه اندازی می‌شود، می‌تواند جریان را در هر جهت هدایت کند. سپس یک Triac دارای چهار حالت عملیاتی احتمالی به شرح زیر است.

        Ι +  Mode = MT2 current positive (+ve), Gate current positive (+v)

        Ι –  Mode = MT2 current positive (+ve), Gate current negative (-ve)

        ΙΙΙ +  Mode = MT2 current negative (-ve), Gate current positive (+v)

        ΙΙΙ –  Mode = MT2 current negative (-ve), Gate current negative (-ve)

و این چهار حالتی که در آن می‌توان کار کرد با استفاده از منحنی های ویژگی های I-V نشان داده شده است.

منحنی های ویژگی های I-V:

در Ι ربع ، triac معمولاً توسط یک جریان گیت مثبت که در بالا به عنوان حالت Ι+ نشان داده شده است، به سمت هدایت هدایت می‌شود؛ اما همچنین می‌تواند توسط جریان گیت منفی، حالت Ι– فعال شود. به طور مشابه، در Quadrant <ΙΙΙ، راه اندازی با جریان گیت منفی، –ΙG نیز رایج است، حالت ΙΙΙ– همراه با حالت ΙΙΙ+. با این حال، حالت‌های Ι– و ΙΙΙ+ پیکربندی‌هایی با حساسیت کمتری هستند که نسبت به حالت‌های رایج‌تر راه‌اندازی Triac از Ι+ و ΙΙΙ– نیاز به جریان گیت بیشتری برای ایجاد راه‌اندازی دارند.

 همچنین، درست مانند یکسو کننده‌های کنترل‌شده سیلیکونی (SCR)، ترایاک‌ها نیز به حداقل جریان نگهدارنده IH برای حفظ رسانایی در نقطه متقاطع شکل موج نیاز دارند. سپس حتی اگر دو تریستور در یک دستگاه واحد ترکیب شده‌اند، هنوز ویژگی‌های الکتریکی منفرد مانند ولتاژهای شکست متفاوت، جریان‌های نگهدارنده و سطوح ولتاژ ماشه را دقیقاً مشابه آنچه از یک دستگاه SCR انتظار داریم، نشان می‌دهند.

برنامه های کاربردی Triac:

Triac رایج ترین وسیله نیمه هادی است که برای سوئیچینگ و کنترل توان سیستم های AC استفاده می‌شود، زیرا آن  را می‌توان بدون توجه به قطبیت منبع AC در آن زمان، با یک پالس گیت مثبت یا منفی روشن کرد. این باعث می‌شود ترایاک برای کنترل بار لامپ یا موتور AC با مدار کلیدزنی ترایاک بسیار ابتدایی که در زیر آورده شده است ایده آل باشد.

مدار سوئیچینگ  Triac پایه:

مدار بالا یک مدار سوئیچینگ برق Triac با راه اندازی DC ساده را نشان می‌دهد. با باز بودن سوئیچ SW1، هیچ جریانی به گیت ترایاک جریان نمی‌یابد و بنابراین لامپ خاموش است. هنگامی که SW1 بسته است، جریان گیت از منبع تغذیه باتری VG از طریق مقاومت R به ترایاک اعمال می‌شود و مانند یک کلید بسته به رسانایی کامل هدایت می‌شود و برق کامل توسط لامپ از منبع سینوسی گرفته می‌شود.

از آنجایی که باتری هر زمان که سوئیچ SW1 بسته می‌شود یک جریان گیت مثبت به Triac می‌دهد، بنابراین ترایاک بدون توجه به قطبیت ترمینال MT2 به طور مداوم در حالت های Ι+ و ΙΙΙ+ دریچه می‌شود.

 البته، مشکل این مدار سوئیچینگ ترایاک ساده این است که برای راه‌اندازی آن‌ به رسانش، به یک منبع گیت مثبت یا منفی اضافی نیاز داریم؛ اما ما همچنین می‌توانیم  Triac را با استفاده از خود ولتاژ منبع AC واقعی به عنوان ولتاژ راه اندازی گیت راه اندازی کنیم. مدار زیر را در نظر بگیرید.

 مدار سوئیچینگ Triac:

مدار یک Triac را نشان می‌دهد که به عنوان یک کلید برق AC استاتیک ساده استفاده می‌شود که عملکرد “روشن” – “خاموش” مشابه مدار DC قبلی را ارائه می‌دهد. هنگامی که کلید SW1 باز است، ترایاک به عنوان یک کلید باز عمل می‌کند و لامپ جریان صفر را عبور می‌دهد. هنگامی که SW1 بسته است، ترایاک از طریق مقاومت محدود کننده جریان R در حالت روشن قرار می‌گیرد و مدت کوتاهی پس از شروع هر نیم چرخه، خود قفل می‌شود، بنابراین قدرت کامل به بار لامپ تغییر می‌کند.

از آنجایی که منبع تغذیه AC سینوسی است، Triac  به طور خودکار در پایان هر نیم چرخه AC به عنوان ولتاژ منبع تغذیه آنی باز می‌شود و بنابراین جریان بار برای مدت کوتاهی به صفر می‌رسد اما دوباره با استفاده از نیمه تریستور مخالف در نیم سیکل بعدی باز می‌شود. تا زمانی که سوئیچ بسته بماند. این نوع کنترل سوئیچینگ به دلیل کنترل هر دو نیمه موج سینوسی به طور کلی کنترل تمام موج نامیده می‌شود.

از آنجایی که triac عملاً دو SCR متصل به پشت است، می‌توانیم این مدار سوئیچینگ ترایاک را با تغییر نحوه راه‌اندازی گیت مانند شکل زیر، بیشتر کنیم.

مدار سوئیچینگ اصلاح شده:

همان‌طور که در بالا گفته شد، اگر کلید SW1 در موقعیت A باز باشد، جریان گیت وجود ندارد و لامپ خاموش است. اگر سوئیچ به موقعیت B منتقل شود، جریان در هر نیم سیکل مانند قبل جریان می‌یابد و قدرت کامل توسط لامپ گرفته می‌شود زیرا triac در حالت های Ι+ و ΙΙΙ– کار می‌کند.

 با این حال این بار هنگامی که سوئیچ به موقعیت C وصل می‌شود، دیود از راه اندازی گیت در زمانی که MT2 منفی است، جلوگیری می‌کند زیرا دیود بایاس معکوس است؛ بنابراین فقط در نیم چرخه های مثبت که فقط در حالت I+ کار می‌کنند هدایت می‌شود و لامپ با نصف توان روشن می‌شود. سپس بسته به موقعیت سوئیچ، بار خاموش، در حالت نیمه قدرت یا کاملا روشن است.

کنترل فاز Triac:

نوع متداول دیگر مدار سوئیچینگ از کنترل فاز برای تغییر مقدار ولتاژ و در نتیجه توان اعمال شده به بار، در این مورد موتور، برای هر دو نیمه مثبت و منفی شکل موج ورودی استفاده می‌کند. این نوع کنترل سرعت موتور AC یک کنترل کاملاً متغیر و خطی می‌دهد زیرا ولتاژ را می‌توان از صفر تا ولتاژ اعمال شده کامل مطابق شکل تنظیم کرد.

نتیجه گیری:

در نتیجه، triac یک جزء الکترونیکی پرکاربرد است که به عنوان یک کلید قابل کنترل برای مدارهای جریان متناوب (AC) عمل می‌کند. این یک دستگاه سه ترمینال است که می‌تواند جریان را در هر دو جهت هدایت کند که به طور مناسب راه اندازی شود. توانایی ترایاک در کنترل جریان برق متناوب، آن را برای کاربردهای مختلف مانند دیمر، کنترل سرعت موتور، کنترل دما و تنظیم قدرت مناسب می‌کند.

یکی از مزایای کلیدی میتوان سادگی و فشرده بودن آن است که امکان ادغام آسان در مدارهای الکترونیکی را فراهم می‌کند. این نیاز به مدارهای رله پیچیده را از بین می‌برد و عملکرد سوئیچینگ کارآمد و قابل اعتماد را ارائه می‌دهد. علاوه بر این، قابلیت کنترل جریان دو طرفه triac آن را برای برنامه های کنترل برق AC مناسب می‌کند.

با این حال، توجه به این نکته مهم است که triac ها برای اطمینان از عملکرد صحیح و جلوگیری از آسیب، نیاز به بررسی دقیق رتبه بندی ولتاژ و جریان خود دارند. علاوه بر این، به دلیل ماهیت مدارهای AC، ترایاک ها می‌توانند تداخل الکترومغناطیسی (EMI) ایجاد کنند و نیاز به فیلتر کردن و اقدامات محافظ مناسب برای به حداقل رساندن هرگونه اختلال احتمالی دارند.

 به طور کلی، تطبیق پذیری، قابلیت اطمینان و مقرون به صرفه بودن triac را به یک جزء اساسی در طیف گسترده ای از دستگاه های الکترونیکی و برنامه های کاربردی که نیاز به کنترل برق AC دارند تبدیل کرده است. توانایی آن در تحمل بارهای مقاومتی و القایی، همراه با سهولت ادغام، اهمیت آن را در الکترونیک و سیستم های الکتریکی مدرن تقویت کرده است.