ترایاک (Triac) یک المان حالت جامد با سرعت بالا است که میتواند برق متناوب را در هر دو جهت شکل موج سینوسی سوئیچ و کنترل کند.
در مقالات قبلی دیدیم که تریستور به عنوان یک دستگاه حالت جامد میتواند برای کنترل لامپ‌ها، موتورها یا هیترها استفاده شود. اما یکی از مشکلات استفاده از تریستور برای کنترل چنین مدارهایی این است که تریستور مانند یک دیود یک المان یک طرفه است؛ بدین معنی که جریان را فقط در یک جهت از آند به کاتد می‌گذراند.
برای مدارهای سوئیچینگ DC این مشخصه سوئیچینگ “یک طرفه” ممکن است قابل قبول باشد زیرا پس از راه‌اندازی تمام توان DC مستقیماً به بار تحویل می‌شود. اما در مدارهای سوئیچینگ AC سینوسی، این سوئیچینگ یک طرفه ممکن است مشکل‌ساز باشد زیرا فقط در طول نیمی از چرخه (مانند یکسوکننده نیم‌موج)، زمانی که آند بدون توجه به سیگنال گیت مثبت است، هدایت می‌کند. بنابراین، برای کاربرد 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 پل یکسوساز تمام‌موج که در هر نیم موج مثبت فعال می‌شود، وصل کنیم یا دو تریستور را به صورت موازی معکوس (پشت به پشت) به هم، همانطور که نشان داده شده، وصل کنیم اما این باعث افزایش پیچیدگی و تعداد اجزای مورد استفاده در مدار سوییچینگ می‌شود.
تنظیمات تریستور
با این حال، نوع دیگری از قطعات نیمه هادی به نام “سوئیچ AC تریود ” (Triode AC Switch) یا به اختصار ترایاک نیز وجود دارد که یکی از اعضای خانواده تریستور است و میتواند به عنوان یک دستگاه سوئیچینگ توان حالت جامد استفاده شود. بزرگترین مزیت ترایاک نسبت به یکسوکننده کنترل‌شده سیلیکونی (SCR) این است که یک دستگاه سوایچینگ “دو جهته” است.
به عبارت دیگر، یک ترایاک میتواند توسط ولتاژهای مثبت و منفی اعمال شده به آند و با اعمال پالس‌های مثبت و منفی به ترمینال گیت وارد حالت هدایت شود و آن را به یک دستگاه کنترل‌شده گیت سوئیچینگ دو ربعی تبدیل کند.
یک ترایاک دقیقاً مانند دو تریستور معمولی که به صورت موازی معکوس (پشت به پشت) به یکدیگر متصل شده‌اند، رفتار می‌کند و به دلیل این آرایش، دو تریستور یک ترمینال گیت مشترک در یک بسته سه ترمینالی دارند.
از آنجایی که ترایاک در هر دو جهت شکل موج سینوسی هدایت می‌کند، مفهوم ترمینال آند و کاتد که برای شناسایی پایانه‌های توان اصلی یک تریستور استفاده می‌شود با شناسه‌های MT1 برای ترمینال اصلی 1 و MT2 برای ترمینال اصلی 2 با ترمینال گیت G مشترک، جایگزین می‌شوند.
در بیشتر کاربردهای سوئیچینگ AC، ترمینال گیت ترایاک با ترمینال MT1 مرتبط است، که مشابه رابطه گیت-کاتد تریستور یا رابطه بیس-امیتر ترانزیستور است. ساختار دوپینگ P-N (P-N doping) و نماد شماتیک مورد استفاده برای نشان دادن یک ترایاک در زیر آورده شده است.
نماد و ساختار ترایاک
اکنون می‌دانیم که “ترایاک” یک المان 4 لایه است، PNPN در جهت مثبت و NPNP در جهت منفی، دستگاه دو طرفه سه ترمینالی که جریان را در حالت “خاموش” خود مسدود می‌کند و مانند یک کلید مدار باز عمل می‌کند. برخلاف تریستورهای معمولی، زمانی که توسط یک پالس گیت راه‌اندازی شود، ترایاک میتواند جریان را در هر جهتی هدایت کند. بنابراین، یک تریاک دارای چهار حالت عملیاتی احتمالی به شرح زیر است.
حالت +Ι = جریان MT2 مثبت (ve+)، جریان گیت مثبت (ve+)
حالت -Ι = جریان MT2 مثبت (ve+)، جریان گیت منفی (ve-)
حالت +ΙΙΙ = جریان MT2 منفی (ve-)، جریان گیت مثبت (ve+)
حالت – ΙΙΙ = جریان MT2 منفی (ve-)، جریان گیت منفی (ve-)
و این چهار حالت که در آنها یک ترایاک میتواند کار کند با استفاده از منحنی‌های مشخصه‌های I-V ترایاک نشان داده می‌شوند.
منحنی‌های مشخصه‌های I-V ترایاک
در ربع Ι، ترایاک معمولاً توسط یک جریان گیت مثبت که در بالا به عنوان حالت Ι+ نشان داده شده است، هدایت می‌کند. همچنین میتواند توسط جریان گیت منفی، حالت Ι- فعال شود. به طور مشابه، در ربع <ΙΙΙ، راه‌اندازی با جریان گیت منفی ΙG– نیز رایج است، حالت ΙΙΙ- همراه با حالت ΙΙΙ+. با این حال، حالت‌های Ι- و ΙΙΙ+ پیکربندی‌هایی با حساسیت کمتر هستند که نسبت به حالت‌های رایج‌تر راه‌اندازی ترایاک Ι+ و ΙΙΙ-، نیاز به جریان گیت بیشتری برای ایجاد راه‌اندازی دارند.
همچنین، درست مانند یکسوکننده‌های کنترل‌شده سیلیکونی (SCR)، ترایاک‌ها نیز به حداقل جریان نگهدارنده IH برای حفظ رسانایی در نقطه تقاطع شکل موج نیاز دارند. بنابراین اگرچه دو تریستور در یک دستگاه ترایاک ترکیب شده‌اند، باز هم ویژگی‌های الکتریکی منفرد مانند ولتاژهای شکست، جریان‌های نگهدارنده و سطوح ولتاژ راه‌اندازی مختلف را نشان می‌دهند که دقیقاً همان چیزی است که از یک قطعه SCR انتظار داریم.
کاربردهای ترایاک
تریاک رایج‌ترین وسیله نیمه هادی است که برای سوئیچینگ و کنترل برق سیستم‌های AC استفاده شود، زیرا ترایاک را می‌توان بدون توجه به قطبیت منبع AC در زمان، با یک پالس گیت مثبت یا منفی روشن کرد. این ویژگی باعث می‌شود تریاک برای کنترل یک لامپ یا بار موتور AC با مدار کلیدزنی تریاک بسیار ابتدایی که در زیر آورده شده است، ایده‌آل باشد.
مدار سوئیچینگ ترایاک
مدار بالا یک مدار سوییچینگ برق ترایاک با راه‌اندازی DC ساده را نشان می‌دهد. با باز بودن سوئیچ SW1، هیچ جریانی به گیت تریاک جریان نمی‌یابد و بنابراین لامپ خاموش است. هنگامی که SW1 بسته است، جریان گیت از منبع تغذیه باتری VG از طریق مقاومت R به تریاک اعمال می‌شود و تریاک مانند یک کلید بسته به حالت هدایت کامل می‌رود و توان توسط لامپ از منبع سینوسی گرفته می‌شود.
از آنجایی که باتری هر زمان که سوئیچ SW1 بسته می‌شود یک جریان گیت مثبت به تریاک می‌دهد، بنابراین گیت تریاک بدون توجه به قطبیت ترمینال MT2 به طور مداوم در حالت های ΙΙΙ+ و Ι+ مثبت می‌شود.
البته مشکل این مدار سوئیچینگ ترایاک ساده این است که برای بردن ترایاک به حالت رسانایی، به یک منبع ورودی مثبت یا منفی اضافی نیاز داریم. اما همچنین می‌توانیم ترایاک را با استفاده از خود ولتاژ منبع AC واقعی به عنوان ولتاژ راه‌اندازی گیت، راه‌اندازی کنیم. مدار زیر را در نظر بگیرید.
مدار سوئیچینگ ترایاک
مدار شکل بالا، یک ترایاک را نشان می‌دهد که به‌عنوان یک کلید برق AC استاتیک ساده استفاده می‌شود که عملکرد «روشن» – «خاموش» مشابه مدار DC قبلی را ارائه می‌کند. هنگامی که کلید SW1 باز است، ترایاک به عنوان یک کلید باز عمل می‌کند و لامپ هیچ جریانی را عبور نمی‌دهد. هنگامی که SW1 بسته است، تریاک از طریق مقاومت محدودکننده جریان R در حالت روشن قرار می‌گیرد و اندکی پس از شروع هر نیم چرخه، خود قفل می‌شود، بنابراین کل توان به بار لامپ سوییچ می‌شود.
از آنجایی که منبع تغذیه AC سینوسی است، ترایاک به طور خودکار در پایان هر نیم چرخه AC همانطور که ولتاژ منبع تغذیه آنی و بنابراین جریان بار برای مدت کوتاهی به صفر می‌رسد، باز می‌شود اما دوباره با استفاده از نیمه تریستور متقابل، در نیم سیکل بعدی دوباره قفل 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 ترایاک عملاً دو SCR به هم متصل است، می‌توانیم این مدار سوئیچینگ تریاک را با تغییر نحوه راه‌اندازی گیت مانند شکل زیر، توسعه دهیم.
مدار سوییچینگ ترایاک 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 گیت در هر نیم سیکل مانند قبل جریان می‌یابد و توان کامل توسط لامپ گرفته می‌شود زیرا ترایاک در حالت های Ι+ و ΙΙΙ– کار می‌کند.
با این حال، این بار هنگامی که سوئیچ به موقعیت C متصل می‌شود، دیود از راه‌اندازی گیت در زمانی که MT2 منفی است، جلوگیری می‌کند زیرا دیود بایاس معکوس است. بنابراین تریاک فقط در نیم سیکل‌های مثبت که فقط در حالت I+ کار می‌کند، هدایت می‌کند و لامپ با نصف توان روشن می‌شود. در نتیجه بسته به موقعیت سوئیچ، بار در حالت می‌توان، خاموش یا کاملا روشن است.
کنترل فاز ترایاک
یکی دیگر از انواع رایج مدارهای سوئیچینگ ترایاک از کنترل فاز برای تغییر مقدار ولتاژ و در نتیجه توان اعمال شده به یک بار، در این مورد یک 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 کل ولتاژ اعمال شده، مطابق شکل، تنظیم کرد.
مدار کنترل فاز ترایاک
این مدار تحریک فاز اولیه، از ترایاک به صورت سری با موتور و یک منبع سینوسی AC استفاده می‌کند. مقاومت متغیر VR1 برای کنترل میزان تغییر فاز در گیت تریاک استفاده می‌شود که به نوبه خود میزان ولتاژ اعمال شده به موتور را با روشن کردن آن در زمان‌های مختلف در طول چرخه AC، کنترل می‌کند.
ولتاژ راه‌اندازی ترایاک از ترکیب VR1 – C1 و از طریق دیاک گرفته می‌شود.
دیاک چیست؟ دیاک یک المان نیمه‌هادی دو طرفه است که به ارائه یک پالس جریان تحریک تیز برای روشن کردن کامل ترایاک کمک می‌کند.
در شروع هر چرخه، C1 از طریق مقاومت متغیر VR1 شارژ می‌شود. این کار تا زمانی ادامه می‌یابد که ولتاژ در C1 کافی باشد تا دیاک را به حالت هدایت ببرد که به نوبه خود به خازن C1 اجازه می‌دهد تا در گیت ترایاک تخلیه شود و آن را روشن کند.
هنگامی که ترایاک وارد حالت رسانایی شده و اشباع می‌شود، به طور موثر مدار کنترل فاز راه‌اندازی گیت را که به صورت موازی آن متصل شده است، اتصال کوتاه می‌کند و ترایاک کنترل را برای باقیمانده نیم چرخه به دست می‌گیرد.
همانطور که در بالا دیدیم، ترایاک به طور خودکار در پایان نیم چرخه خاموش می‌شود و فرآیند راه اندازیVR1 – C1 دوباره در نیم چرخه بعدی شروع می‌شود.
با این حال، از آنجایی که ترایاک به مقادیر متفاوتی از جریان گیت در هر حالت سوئیچینگ نیاز دارد، به عنوان مثال Ι+ و ΙΙΙ–، بنابراین تریاک نامتقارن است به این معنی که ممکن است برای هر نیم سیکل مثبت و منفی دقیقاً در نقطه یکسانی راه‌اندازی نشود.
این مدار کنترل سرعت تریاک ساده، نه تنها برای کنترل سرعت موتور AC بلکه برای دیمرهای لامپ و کنترل هیتر برقی مناسب است و در واقع بسیار شبیه یک کاهش‌دهنده نور (light dimmer) ترایاک است که در بسیاری از خانه‌ها استفاده می‌شود. با این حال، دیمر تریاک تجاری نباید به عنوان کنترل‌کننده سرعت موتور استفاده شود، زیرا معمولاً دیمرهای نور ترایاک فقط برای بارهای مقاومتی مانند لامپ‌های رشته‌ای استفاده می‌شوند.
بنابراین، می‌توانیم این آموزش تریاک را با خلاصه کردن نکات اصلی آن به شرح زیر پایان دهیم:
- “ترایاک” یک دستگاه تریستور 4 لایه و 3 ترمینالی دیگر مشابه SCR است.
- ترایاک می تواند در هر دو جهت به حالت رسانایی برود.
- چهار حالت راه اندازی ممکن برای ترایاک وجود دارد که 2 حالت ترجیح داده می‌شود.
کنترل برق متناوب AC با استفاده از ترایاک زمانی برای کنترل بارهای نوع مقاومتی مانند لامپ‌های رشته‌ای، گرم‌کننده‌ها (هیترها) یا موتورهای همه‌کاره کوچک که معمولاً در ابزارهای برقی قابل حمل و وسایل کوچک یافت می‌شوند، بسیار مؤثر است.
اما به یاد داشته باشید که این دستگاه‌ها را می‌توان مستقیماً به منبع برق AC شهری وصل کرد، بنابراین آزمایش مدار باید زمانی انجام شود که دستگاه کنترل توان از منبع تغذیه جدا شده است. لطفا اول ایمنی را به خاطر بسپارید!.
