ترایاک (TRIAC) چیست؟

 در این آموزش، قطعه‌ای دیگر به نام ترایاک را معرفی می‌کنیم. «ترایاک» (Triac) یا تریاک، قطعه حالت جامد سرعت بالایی است که قابلیت سوئیچ شدن و کنترل توان AC یک شکل موج سینوسی را دارد.

 برای کنترل روشنایی لامپ‌ها، موتورها یا هیترها می‌توان از تریستور استفاده کرد. هرچند، یکی از چالش‌های کنترل مدار با تریستور این است که مانند دیود قطعه‌ای یک طرفه است؛ یعنی جریان را فقط در یک جهت و از آند به کاتد هدایت می‌کند.

در مدارهای سوئیچینگ DC، این هدایت یک طرفه مشکلی ایجاد نمی‌کند، زیرا تمام تمان AC مستقیماً به بار منتقل می‌شود. اما در مدارهای سوئیچینگ AC، این یک طرفه بودن ممکن است باعث ایجاد مشکل شود، زیرا وقتی آند بدون توجه به سیگنال گیت، مثبت باشد، فقط یک نیم موج هدایت می‌شود (مانند یکسوکننده نیم موج). در نتیجه، در حالت عملکرد AC فقط نصف توان از طریق تریستور به بار منتقل می‌شود.

برای رسیدن به کنترل توان تمام موج می‌توانیم از یک پل تریستوری استفاده کنیم که در هر نیم دوره مثبت به آن فرمان داده می‌شود. همچنین می‌توانیم دو تریستور را به صورت موازی معکوس (پشت به پشت) مطابق شکل زیر به یکدیگر وصل کنیم. البته این کار پیچیدگی و تعداد اجزای به کار رفته در مدار سوئیچینگ را افزایش می‌دهد.

قطعه نیمه‌هادی دیگری وجود دارد که «کلید AC سه پایه» (Triode AC Switch) یا به اختصار «ترایاک» (Triac) نامیده می‌شود. ترایاک نیز از خانواده تریستورها است که می‌توان آن را به عنوان قطعات سوئیچینگ توان حالت جامد به کار برد. اما چیزی که درباره ترایاک‌ها اهمیت دارد، این است که این قطعات «دو طرفه» هستند. به عبارت دیگر، می‌توان یک ترایاک را با اعمال ولتاژهای مثبت و منفی به آند و نیز پالس مثبت و منفی به گیت، در حالت هدایت قرار داد. این امر سبب می‌شود ترایاک یک قطعه سوئیچینگ کنترل شده با گیت دو ربعی (Two-Quadrant) باشد.

تریاک دقیقاً مانند دو تریستور معمولی عمل می‌کند که به صورت موازی معکوس (پشت به پشت) به یکدیگر متصل شده‌اند و به دلیل این ساختار، دو تریستور یک پایه گیت مشترک خواهند داشت. بنابراین، ترایاک قطعه‌ای سه سر است.

از آن‌جایی که ترایاک شکل موج سینوسی را در هر دو جهت عبور می‌دهد، از نامگذاری یک سر آند و یک سر کاتد با نام‌های MT1 برای ترمینال اصلی ۱، MT2 برای ترمینال اصلی ۲ و G برای ترمینال گیت در آن استفاده می‌شود.

در بسیاری از کاربردهای سوئیچینگ AC، ترمینال گیت ترایاک مشابه رابطه گیت – کاتد تریستور یا رابطه بیس – امیتر ترانزیستور، با MT1 مرتبط است.

پیوند P-N و نماد شماتیک یک ترایاک در شکل زیر نشان داده شده است.

همان‌طور که می‌بینیم، ترایاک یک قطعه چهار لایه PNPN در جهت مثبت و NPNP در جهت منفی و نیز سه سر است که در حالت OFF مانند مدار باز عمل کرده و جریان را سد می‌کند. اما برخلاف یک تریستور معمولی، ترایاک با فرمان گرفتن از طریق پالس گیت، جریان را در دو جهت از خود عبور می‌دهد. بنابراین، می‌توان گفت ترایاک چهار حالت ممکن تحریک برای عملکرد دارد:

• حالت +I: جریان MT2 مثبت (ve+) و جریان گیت مثبت (ve+)
• حالت -I: جریان MT2 مثبت (ve+) و جریان گیت منفی (ve-)
• حالت +III: جریان MT2 منفی (ve-) و جریان گیت مثبت (ve+)
• حالت -III: جریان MT2 منفی (ve-) و جریان گیت منفی (ve-)

این چهار حالت عملکردی را می‌توان در منحنی مشخصه I-V شکل زیر نشان داد.

در ربع اول، ترایاک معمولاً با یک جریان گیت مثبت به حالت هدایت می‌رود. این حالت با +I نشان داده شده است. همچنین می‌توان آن را با یک جریان منفی گیت (حالت -I) تحریک کرد. به طریق مشابه، در ربع سوم، تحریک با یک جریان گیت منفی −IG و در دو حالت -III و +III انجام می‌شود. هرچند حالت‌های -I و +III پیکربندی‌هایی با حساسیت کمتر هستند، اما نسبت به دو حالت دیگر +I و -III به جریان گیت بزرگتری برای تریگر کردن نیاز دارند. 

ترایاک‌ها مشابه تریستورها برای ماندن در حالت هدایت در نقطه گذر از صفر شکل موج، به حداقل جریان نگهدارنده‌ (IH) نیاز دارند. حتی اگر دو تریستور با هم ترکیب شده و یک ترایاک را بسازند، هر کدام از آن‌ها مشخصه‌های الکتریکی خاص خود و ولتاژهای شکست، جریان نگهدارنده و سطوح ولتاژ تریگر متفاوتی دارند؛ مانند آنچه که از یک تریستور تکی انتظار داریم.

کاربردهای ترایاک

ترایاک متداول‌ترین قطعه نیمه‌هادی است که برای سوئیچینگ و کنترل توان مدارهای AC به کار می‌رود، زیرا این قطعه قابلیت ON شدن با پالس گیت مثبت و منفی را بدون توجه به پلاریته منبع در آن لحظه دارد. این ویژگی، ترایاک را برای کنترل یک لامپ یا بار موتور AC ایده‌آل می‌‌کند.

شکل بالا یک مدار سوئیچینگ ترایاک را نشان می‌دهد. وقتی کلید SW1 باز است، جریانی به گیت وارد نمی‌شود و بنابراین، لامپ خاموش خواهد بود. وقتی SW1 بسته شود، از منبع VG و از طریق مقاومت R جریان به گیت اعمال شده و ترایاک جریان را کاملاً از خود عبور می‌دهد و کل توان منبع سینوسی به لامپ منتقل می‌شود. با بسته بودن کلید SW1، تریاک بدون توجه به پلاریته MT2 به صورت مداوم در دو حالت +I و +III کار خواهد کرد.

 

البته مشکل این مدار سوئیچینگ ساده ترایاک این است که به یک منبع اضافه مثبت یا منفی برای فرمان دادن به گیت و بردن آن به وضعیت هدایت نیاز دارد. اما می‌توانیم ترایاک را با استفاده از ولتاژ‌ خود منبع AC به عنوان ولتاژ فرمان گیت تحریک کنیم. مدار شکل زیر، نحوه انجام این کار را نمایش می‌دهد.

مدار بالا، ترایاکی را نشان می‌دهد که در یک کلید توان AC استاتیکی ساده به کار رفته و مثل مدار قبل، تابع ON-OFF را می‌سازد. وقتی کلید SW1 باز باشد، ترایاک مانند یک مدار باز عمل می‌کند و جریانی از لامپ نمی‌گذرد. اما هنگامی که SW1 را ببندیم، گیت ترایاک با مقاومت محدود کننده جریان R تحریک شده و لحظه کوتاهی پس از شروع هر نیم دوره، هدایت کرده و توان کامل سوئیچینگ را بار منتقل می‌کند.

از آن‌جایی که منبع AC سینوسی است، ترایاک به صورت خودکار در پایان هر نیم دوره AC جریان را هدایت نمی‌کند و جریان بار در یک لحظه به صفر افت خواهد کرد. اما دوباره در نیم تناوب بعدی و تا زمانی که کلید بسته باقی بماند، با استفاده از تریستور مخالف، جریان هدایت خواهد شد. این نوع کنترل سوئیچینگ، عموماً کنترل تمام موج نامیده می‌شود؛ زیرا هر دو نیم موج کنترل می‌شوند.

به دلیل آنکه ترایاک از دو تریستور پشت به پشت تشکیل شده است، می‌توانیم با اصلاح تحریک گیت، یک مدار سوئیچینگ جدید بسازیم. شکل زیر، این مدار را نشان می‌دهد.

همان‌طور که از شکل بالا مشخص است، اگر کلید SW1 در وضعیت A باشد، جریان گیت وجود نخواهد داشت و لامپ خاموش خواهد بود. اگر کلید به وضعیت B حرکت کند، مانند قبل جریان گیت در هر نیم تناوب عبور خواهد کرد و توان کامل به لامپ منتقل خواهد شد، زیرا ترایاک در حالت‌های +I و -III کار می‌کند.

اگر کلید در وضعیت C قرار گیرد، وقتی MT2 منفی باشد، دیود از تحریک گیت جلوگیری می‌کند، زیرا بایاس معکوس شده است. بنابراین، ترایاک فقط در نیم تناوب‌های مثبت در حالت +I عمل می‌کند و لامپ با نصف توان روشن می‌شود. در نتیجه، بسته به وضعیت کلید، لامپ ممکن است خاموش باشد، در نصف توان کار کند یا کاملاً روشن باشد.

کنترل فاز با ترایاک

در یک نوع متداول دیگر از مدارهای سوئیچینگ ترایاک، از کنترل فاز برای تغییر ولتاژ استفاده می‌شود. به همین دلیل، در این حالت برای نیم تناوب‌های مثبت و منفی شکل موج ورودی، توان به بار (در اینجا موتور) منتقل می‌شود. با این نوع کنترل سرعت موتور AC می‌توان یک کنترل کاملاً خطی و متغیر داشت؛ زیرا ولتاژ از صفر تا حداکثر ولتاژ اعمالی قابل تنظیم است. شکل زیر این موضوع را نشان می‌دهد.

در مدار پایه تریگر فاز، از ترایاک‌های سری با موتور متصل به منبع AC سینوسی استفاده می‌شود. مقاومت متغیر VR1 برای کنترل مقدار جابه‌جایی فاز روی گیت ترایاک به کار می‌رود که به نوبه خود، مقدار ولتاژ‌ اعمالی به موتور را در زمان‌های مختلف تناوب AC کنترل می‌کند. ولتاژ تریگر ترایاک، از ترکیب VR1 و C1 با دیاک (قطعه نیمه‌هادی دوجهته‌ای که یک پالس جریان تریگر تیز را برای روشن کردن ترایاک فراهم می‌کند) به دست می‌آید.

در آغاز هر دوره تناوب، C1 توسط مقاومت متغیر VR1 شارژ می‌شود. این اتفاق تا زمانی ادامه پیدا می‌کند که ولتاژ C1 برای بردن دیاک به حالت هدایت کافی باشد که اجازه می‌دهد خازن C1 در گیت ترایاک تخلیه شود و آن را به وضعیت ON ببرد. وقتی ترایاک به حالت هدایت رفت و به اشباع رسید، مدار کنترل فازِ تحریکِ گیتِ موازی با خود را اتصال کوتاه کرده و باقیمانده نیم موج را کنترل می‌کند.

همان‌طور که در بالا دیدیم، ترایاک در پایان هر نیم تناوب به صورت خودکار خاموش می‌شود و فرایند اعمال تحریک توسط ترکیب VR1 و C1 دوباره در نیم تناوب بعدی آغاز می‌شود. هرچند، از آن‌جایی که ترایاک در هر حالت سوئیچینگ (مثلاً +I و -III)، به مقادیر مختلف جریان گیت نیاز دارد، یک قطعه یک نامتقارن است؛ به این معنی که ممکن است دقیقاً در نقطه مشابهی برای هر نیم تناوب مثبت و منفی فعال نشود.

کنترل توان AC با استفاده از ترایاک، برای بارهای مقاومتی مانند هیترها، موتورهای یونیورسال کوچک و لامپ‌ها مؤثرتر است.

به عنوان جمع‌بندی می‌توان به نکات زیر اشاره کرد:

• ترایاک، قطعه‌ای چهار لایه و سه‌ سر مشابه تریستور است.
• ترایاک را می‌توان در هر جهتی به حالت هدایت برد.
• چهار حالت فعال‌سازی ممکن برای ترایاک وجود دارد که دو مورد از آن‌ها ارجح هستند.