آموزش ترایاک (Triac) به زبان ساده 

در این آموزش قصد داریم شما را یا آموزش تریاک که یک قطعه حالت جامد سرعت بالا است که می‌تواند سوئیچ کند و توان AC را در هر دو جهت یک شکل موج سینوسی کنترل کند، آشنا سازیم.

تریاک قطعه الکترونیکی

از دستگاه‌های حالت جامد، تریستورها می‌توانند برای کنترل لامپ‌ها، موتورها یا هیترها و غیره استفاده شوند. اگرچه، یکی از مشکلات استفاده از یک تریستور برای کنترل کردن چنین مدارهایی این است که همانند یک دیود، “تریستور” یک قطعه تک جهته است  یعنی جریان را تنها در یک جهت از آند به کاتد عبور می‌دهد.

برای مدارهای سوئیچینگ این مشخصه سوئیچینگ “تک مسیره” هنگامی که یکبار تریگر شد ممکن است قابل قبول باشد و تمام توان‌های DC مستقیم به بار تحویل داده می‌شود. اما در مدارهای سویچینگ AC سینوسی، این سوئیچینگ تک جهته ممکن است یک مشکل باشد زیرا که آن تنها در طول نصف سیکل (مانند یک یکسوساز نصف موج)  هدایت می‌کند هنگامی که آند مثبت است صرف نظر از اینکه سیگنال گیت چه کاری را انجام می‌دهد. سپس برای عملیات AC تنها نصف توان توسط یک تریستور به بار می‌رسد.

برای به دست آوردن کنترل توان موج کامل می‌توان یک تریستور واحد را درون یک یکسوساز پل موج کامل که در هر نصف موج مثبت تریگر روشن می‌شود وصل کرد یا برای وصل کردن دو تریستور به یکدیگر به صورت موازی و برعکس (پشت به پشت) است، که در زیر نشان داده شده است اما این هر دو پیچیدگی و تعداد مولفه‌ها استفاده در مدار سوئیچینگ را افزایش می‌دهد.

پیکربندی تریستور

اگرچه، نوع دیگر قطعه نیمه رسانا یک “سوئیچ AC تریود” یا به اختصار تریاک نامیده می‌شود که همچنین یک عضو خانواده تریستور است که به عنوان یک قطعه سوئیچینگ توان حالت جامد  استفاده می‌شود اما مهمتر اینکه آن یک قطعه “دو جهته” است.  در بیان دیگر، یک Triac می‌تواند به هدایت توسط هر دو جهت ولتاژ مثبت و منفی اعمال شده به آند آن و با پالس‌های مثبت و منفی تریگر اعمال شده به پایانه گیت آن تریگر شود که آن را یک قطعه کنترل‌کننده گیت سوئیچینگ دو ربعی می‌کند.

یک تریاک مانند دو تریستور قراردادی متصل به یکدیگر در توازی معکوس (پشت به پشت) با توجه به یکدیگر رفتار می‌کند و به خاطر این آرایش دو تریستور یک ترمینال گیت مشترک را درون یک بسته سه ترمینال واحد سهیم می‌شوند.

از آنجا که یک تریاک در هر دو جهت شکل موج سینوسی هدایت می‌کند، مفهوم یک پایانه آند و یک پایانه کاتد استفاده شده برای تشخیص پایانه‌های توان اصلی یک تریستور با جایگزین شده است:

MT1 برای پایانه اصلی 1 و MT2 برای پایانه اصلی 2 با پایانه گیت Gکه به صورت یکسان رفرنس شده‌اند.

در اکثر کاربردهای سوئیچینگ AC، پایانه گیت تریاک با پایانه MT1 مشابه با رابطه گیت – کاتد تریستور یا رابطه بیس – امیتر تریستور همراه شده است. سپس ساختار دوپینگ P – N و نماد شماتیک استفاده شده برای نمایش یک Triac بصورت زیر ارائه شده است:

نماد و ساختار تریاک

اکنون می‌دانیم که “Triac” یک قطعه  دو جهته سه پایانه، 4 لایه PNPN در جهت مثبت و یک NPNP در جهت منفی است که جریان را در حالت “خاموش” خود مسدود می‌کند و مانند یک سوئیچ مدار باز عمل می‌کند اما برخلاف یک تریستور قراردادی، Triac می‌تواند جریان را در هر دو جهت هنگامی که توسط یک پالس گیت واحد تریگر شد هدایت می‌کند. سپس یک تریاک دارای 4 حالت تریگر ممکن عملیاتی به صورت زیر است:

I + حالت = جریان مثبت MT2 (+ve)، مثبت جریان گیت (+ve)

I- حالت = مثبت جریان MT2 (+ve)، منفی جریان گیت (-ve)

III+ حالت = منفی جریان MT2 (-ve)، مثبت جریان گیت (+ve)

III- حالت = منفی جریان MT2 (-ve) ، منفی جریان گیت (-ve)

و این 4 حالت، به طوری که درآن تریاک می تواند عمل کند نشان داده شده‌اند که از منحنی‌های مشخصات I-V تریاک استفاده می‌کند.

منحنی مشخصات I-V تریاک

در ربع I، تریاک به هدایت توسط یک جریان گیت مثبت تریگر شده است که در بالا به صورت حالت I+ برچسب‌گذاری شده است. اما آن همچنان می‌تواند توسط یک جریان گیت منفی حالت I- تریگر شود. متشابها، در ربع > III، تریگر شدن با یک جریان گیت منفی –IG همچنین رایج است، حالت III همراه با حالت III+،‌ حالات I- و III+، اگرچه، پیکربندی‌های کم حساس نیازمند یک جریان گیت بزرگتر نسبت به حالات تریگر کردن تریاک I+ و III-  برای تریگر کردن است.

همچنین، همانند یکسو‌ساز کنترل شده سیلیکون (SCR)، تریاک همچنین نیازمند یک جریان نگه دارنده مینیمم IH برای حفظ هدایت در نقطه قطع شکل موج‌ها است. سپس حتی اگر دو تریستور در یک قطعه Triac واحد ترکیب شوند، آنها همچنان مشخصات مستقل همانند ولتاژهای شکست متفاوت، جریان‌های نگه‌دارنده و سطوح ولتاژ تریگر دقیقا همانند چیزی که از یک قطعه SCR واحد انتظار می‌رود، را نشان می‌دهند.

کاربردهای تریاک

تریاک متداول‌ترین قطعه نیمه هادی برای سوئیچ و کنترل توان سیستم‌های AC است زیرا تریاک می‌تواند با استفاده از یک پالس گیت مثبت یا منفی صرف نظر از قطبیت منبع تغذیه AC در آن زمان روشن شود. این تریاک را  برای کنترل لامپ یا بار موتور AC با یک مدار سوئیچینگ تریاک پایه که در زیر آورده شده است، مناسب می‌کند.

مدار سوئیچینگ تریاک

مدار فوق یک مدار سوئیچینگ توان تریاک تریگر شده DC ساده را نشان می‌دهد. با باز بودن کلید SW1، هیچ جریانی در تریاک گیت شارش نمی‌یابد و درنتیجه لامپ “خاموش” است. هنگامی که  SW1 بسته است، جریان گیت به Triac از تغذیه باتری V_G از طریق مقاومت R اعمال شده است و تریاک به هدایت کامل رفته است  و مانند یک سوئیچ کاملا بسته عمل می‌کند و توان کامل توسط لامپ از تغذیه سینوسی کشیده شده است.

با تغذیه یک جریان گیت مثبت به تریاک توسط باتری هر زمان که کلید SW1 بسته است، درنتیجه تریاک به صورت پیوسته در حالات I+ و III+ بدون توجه به قطبیت پایانه MT2 تغییر می‌کند.

البته، ایراد این مدار سوئیچینگ تریاک ساده این است که ما نیازمند یک تغذیه گیت منفی یا مثبت اضافی برای تریگر کردن Triac به هدایت خواهیم بود. اما همچنان می‌توان تریاک را با استفاده از ولتاژ تغذیه AC واقعی به عنوان ولتاژ تریگر گیت، تریگر کرد. مدار زیر را در نظر بگیرید.

مدار فوق نشان می‌دهد که تریاک به عنوان یک سوئیچ توان AC استاتیک ساده به کار برده شده است که یک تابع “روشن” – “خاموش” مشابه در عملیات مدار DC قبلی ارائه می‌دهد. هنگامی که کلید SW1 باز است، تریاک مانند یک سوئیچ باز عمل می‌کند و لامپ جریان صفر را عبور می‌دهد. هنگامی که SW1 بسته است تریاک از طریق مقاومت محدود کننده جریان R به “روشن” تغییر می‌کند و به صورت کوتاه بعد از آغاز هر نصف سیکل خود را قفل می‌کند درنتیجه به صورت توان کامل به بار لامپ سوئیچ می‌کند.

از آنجا که تغذیه AC سینوسی است، Triac به صورت خودکار در پایان هر نصف سیکل AC به دلیل ولتاژ تغذیه لحظه ای باز می‌شود و درنتیجه جریان بار به صورت سریع به صفر می‌رسد اما با استفاده از نصف تریستور مقابل در نصف سیکل بعدی تا جایی که سوئیچ بسته می‌ماند خود را دوباره قفل گشایی می‌کند. این نوع از کنترل سوئیچینگ عموما به خاطر این حقیقت که هر دو نصف موج سینوسی کنترل می‌شوند، کنترل موج کامل نامیده می‌شود.

از آنجا که تریاک به صورت موثر دو SCR متصل به یکدیگر به صورت پشت به پشت است، می‌توان این مدار سوئیچینگ Triac را بیشتر توسط تغییر اینکه چگونه گیت تریگر می‌شود استفاده کرد که در زیر نشان داده شده است.

مدار سوئیچینگ اصلاح شده Triac

طبق مدار بالا، اگر سوئیچ SW1 در موقعیت A باز باشد، هیچ جریان گیتی وجود ندارد و لامپ “خاموش” است. اگر سوئیچ به موقعیت B حرکت کند جریان در هر نصف سیکل شارش می‌یابد همانند قبل و توان کامل توسط لامپ هنگامی که تریاک در حالات I+ و III+ عمل می‌کند، کشیده می‌شود.

اگرچه، این دفعه هنگامی که کلید به موقعیت C وصل می‌شود، دیود از تریگر شدن گیت هنگامی که MT2 منفی است و دیود بایاس معکوس است، ممانعت می‌کند. درنتیجه، تریاک تنها در موقعیت نصف سیکل هدایت می‌کند و تنها در حالت I+ عمل می‌کند و لامپ در نصف توان روشن خواهد شد. سپس با توجه به موقعیت سوئیچ، بار در نصف توان یا روشن کامل، خاموش است.

کنترل فاز Triac

نوع رایج دیگر مدار سوئیچینگ تریاک از کنترل فاز برای تغییر مقدار ولتاژ  و درنتیجه توان اعمال شده به بار در این وضعیت یک موتور برای نصف شکل موج ورودی مثبت و منفی استفاده می‌کند. این نوع از کنترل سرعت موتور AC یک کنترل خط و کاملا متغیر ارائه می‌کند زیرا که ولتاژ می‌تواند از صفر تا کامل ولتاژ اعمال شده تنظیم شود که در زیر نشان داده شده است.

این مدار Triac فاز پایه از تریاک به صورت سری با موتور در دو سر تغذیه سینوسی AC استفاده می‌کند. مقاومت متغیر VR1 برای کنترل مقدار شیفت فاز درگیت تریاک که به نوبه خود مقدار ولتاژ اعمال شده به موتور را توسط روشن کردن آن در زمان های مختلف در طو سیکل AC کنترل می‌کند، به کار رفته است.

ولتاژ تریگر تریاک از ترکیب VR1-C1 از طریق دیاک (دیاک یک قطعه نیمه رسانا دو جهته است که کمک به مهیا کردن یک پالس جریان تریگر تیز برای روشن کردن کامل تریاک می‌کند) گرفته شده است.

در آغاز هر سیکل، خازن C1 از طریق مقاومت متغیر VR1 شارژ می‌شود. این تا زمانی که ولتاژ دو سر C1 برای تریگر کردن دیاک به حالت هدایت کافی باشد ادامه می‌یابد که به نوبه خود به خازن C1 برای تخلیه به گیت تریاک اجازه می‌دهد و آن را “روشن” می‌کند.

یکبار که تریاک به هدایت  و اشباع تریگر شد آن، مدار کنترل فاز تریگر گیت متصل به صورت موازی در دو سر آن را اتصال کوتاه می‌کند و تریاک برای باقیمانده نصف سیکل کنترل می‌کند.

همانطور که در بالا دیدیم، تریاک به صورت خودکار در پایان نصف سیکل خاموش می‌شود و فرایند تریگر Vr1-C1 در نصف سیکل بعدی دوباره آغاز می‌شود.

اگرچه، از آنجا که تریاک نیازمند مقادیر مختلف جریان گیت در هر حالت سوئیچینگ عملیاتی است، برای مثال  I+ و III- یک تریاک در نتیجه به صورت نا متقارن به این معنی است که  آن ممکن است در همان نقطه  برای هر نصف سیکل مثبت و منفی تریگر نشود.

این مدار کنترل سرعت تریاک ساده نه تنها برای کنترل سرعت موتور AC اما نیز برای تنظیم کننده‌های لامپ و کنترل هیتر الکتریکی مناسب است و در حقیقت بسیار شبیه به یک تنظیم‌کننده روشنایی تریاک استفاده شده در اکثر خانه‌ها است. اگرچه، یک تنظیم کننده تریاک اقتصادی نباید به عنوان یک کنترل‌کننده سرعت موتور  استفاده شود زیرا که به صورت کلی تنظیم‌کننده‌های روشنایی تریاک تمایل دارند تا تنها با بارهای مقاومتی مانند لامپ‌های رشته‌ای استفاده شوند.

خلاصه آموزش ترایاک

سپس می‌توان این آموزش تریاک را با خلاصه کردن نکات اصلی آن به صورت زیر بیان کرد:

 یک “تریاک” یک قطعه 4 لایه، 3 پایانه تریستور دیگر  مشابه با SCR است.

تریاک می‌تواند به حالت هدایت در هر دو جهت تریگر شود.

4 حالت تریگر ممکن برای یک تریاک که دو تای آنها ترجیج می‌شوند وجود دارد.

کنترل توان AC الکتریکی که از یک تریاک استفاده می‌کند بسیار موثر است هنگامی که به صورت مناسب برای کنترل بارهای نوع مقاومتی مانند لامپ‌های رشته‌ای هیترها یا موتورهای جهانی کوچک  که به صورت رایج در ابزارهای توان قابل حمل و وسایل کوچک یافت می‌شوند، استفاده می‌شود.

اما لطفا به خاطر بسپارید که این قطعات می‌توانند مستقیما به کار روند و به منبع تغذیه توان AC اصلی وصل شوند بنابراین آزمایش تنها زمانی که قطعه کنترل توان از تغذیه توان اصلی قطع شده باید انجام شود. لطفا در ابتدا ایمنی را به خاطر بسپارید.