دیاک (DIAC) چیست؟

در این آموزش، قطعه‌ای دیگر به نام دیاک را معرفی می‌کنیم. سوئیچ جریان متناوب دیودی (Diode AC Switch) یا به اختصار «دیاک» (DIAC)، یکی دیگر از قطعات نیمه‌هادی حالت جامد است که سه لایه و دو پیوند دارد. برخلاف ترانزیستور، دیاک اتصال بیس ندارد و به همین دلیل، یک قطعه دو پایه یا دو سر است. این دو سر، با نام‌های A1 و A2 مشخص می‌شوند.

دیاک‌ها قطعاتی هستند که قابلیت کنترل یا تقویت کنندگی ندارند، اما بسیار شبیه به یک دیود سوئیچینگ دو طرفه عمل می‌کنند و می‌توانند جریان را با وجود هر پلاریته‌ای در منبع ولتاژ‌ AC هدایت کنند.

قبلاً در آموزش‌های مربوط به تریستور و ترایاک دیدیم که در کاربردهای سوئیچینگ روشن – خاموش یا ON-OFF می‌توان این قطعات را با مدارهای ساده‌ای تحریک کرد که یک جریان گیت حالت ماندگار تولید می‌کنند (شکل زیر را ببینید).

در شکل بالا، وقتی کلید S1 باز است، جریان گیت برقرار نخواهد بود و لامپ خاموش است. وقتی کلید S1 بسته شود، جریان گیت IG برقرار شده و تریستور فقط در نیم تناوب‌های مثبت هدایت می‌کند، زیرا عملکرد آن در ربع I است.

همچنین می‌دانیم که وقتی گیت تحریک شود، تریستور فقط زمانی دوباره خاموش می‌شود که ولتاژ منبع به مقداری برسد که جریان آند آن (IA) کمتر از مقدار جریان نگهدارنده (IH) شود.

اگر بخواهیم مقدار میانگین جریان لامپ را کنترل کنیم، علاوه بر ON و OFF کردن، می‌توانیم یک پالس کوتاه جریان گیت را در یک نقطه از قبل تنظیم شده اعمال کنیم تا تریستور بیشتر از یک نیم موج، جریان را هدایت کند. در نتیجه، مقدار میانگین جریان لامپ با تغییر تأخیر زمانی T بین شروع هر تناوب و نقطه تریگر یا فرمان تغییر خواهد کرد. این روش به «کنترل فاز» (Phase Control) معروف است.

برای کنترل فاز دو مورد لازم است. اول، یک مدار جابه‌جایی فاز متغیر (معمولاً یک مدار پسیو RC) و دوم مدار یا قطعه تریگر یا فرمان یا تحریک که بتواند پالس گیت لازم را وقتی که شکل موج تأخیر یافته به یک سطح معین می‌رسد، تولید کند. یکی از قطعات نیمه‌هادی حالت جامد که برای تولید این پالس‌های گیت طراحی شده، دیاک است. ساختار دیاک، مانند یک ترانزیستور است؛ با این تفاوت که جریان بیس ندارد و به همین دلیل می‌توان آن را به مدار با هر پلاریته‌ای متصل کرد.

دیاک‌ها بیشتر به عنوان قطعات تریگر در تحریک فاز و کاربردهای کنترل توان متغیر به کار می‌روند؛ زیرا دیاک، یک تریگر پالس تیزتر فراهم می‌کند (برخلاف ولتاژ شیب) که برای روشن کردن قطعه سوئیچینگ اصلی به کار می‌رود.

نماد و منحنی‌های مشخصه ولتاژ-جریان دیاک، در شکل زیر نشان داده شده‌اند.

همان‌طور که در منحنی‌های مشخصه می‌بینیم، دیاک جریان را در هر دو جهت سد می‌کند. این سدکنندگی تا جایی ادامه دارد که ولتاژی بزرگتر از VBR اعمال شود و در قطعه شکست رخ دهد. در این حالت، دیاک مانند یک دیود زنر جریان بزرگی را در ولتاژ‌ بالا از خود عبور ‌‌می‌دهد. نقطه VBR ولتاژ‌ شکست دیاک نامیده می‌شود.

در یک دیود زنر معمولی، وقتی جریان افزایش می‌یابد، ولتاژ‌ ثابت می‌ماند. اما در دیاک، عمل ترانزیستوری سبب می‌شود با افزایش جریان، ولتاژ‌ کاهش یابد. در حالت هدایت، مقاومت دیاک به یک مقدار بسیار پایین افت می‌کند و به همین دلیل، اجازه عبور جریان فراوانی را می‌دهد. در اغلب دیاک‌های معمولی مانند ST2 یا DB3، ولتاژ‌ شکست معمولاً حدود ±25 تا 35 ولت است. دیاک‌هایی با ولتاژ شکست بالاتر، مانند DB4 با ولتاژ‌ 40 ولت نیز در دسترس هستند.

از آن‌جایی که دیاک یک قطعه متقارن است، برای ولتاژ‌های مثبت و منفی، مشخصه مشابهی دارد. مقاومت منفی، دیاک را به قطعه‌ای مناسب برای تریگر کردن یا فرمان دادن تریستورها یا ترایاک‌ها تبدیل کرده است.

کاربردهای دیاک

همان‌طور که در بخش‌های قبل گفتیم، دیاک برای تریگر کردن سایر قطعات سوئیچینگ نیمه‌هادی، به ویژه ترایاک و تریستور به کار می‌رود. ترایاک‌ها کاربردهای فراوانی مانند دیمر یا کم کننده نور و کنترل کننده‌های سرعت موتور دارند. در این موارد، دیاک‌ها برای فراهم کردن کنترل تمام موج منبع AC همراه با ترایاک به کار می‌روند.

شکل زیر، مدار کنترل فاز AC را نشان می‌دهد که دیاک در آن به کار رفته است.

با افزایش ولتاژ منبع AC در ابتدای هر تناوب، خازن C که با مقاومت ثابت R1 و پتانسیومتر VR1 سری است، شارژ شده و ولتاژ‌ آن افزایش می‌یابد. وقتی ولتاژ شارژ به مقدار ولتاژ‌ شکست (حدود 30V برای دیاک ST2) برسد، دیاک دچار شکست شده و خازن در آن تخلیه می‌شود.

تخلیه خازن، یک پالس جریان ناگهانی تولید می‌کند که اصطلاحاً ترایاک را به حالت هدایت آتش می‌کند. زاویه فازی را که ترایاک در آن فرمان آتش می‌گیرد، می‌توان با VR1 تغییر داد که سرعت شارژ خازن را کنترل می‌کند. مقاومت R1 جریان گیت را برای تضمین یک مقدار مطمئن وقتی VR1 در مقدار حداقل است، محدود می‌کند.

 

وقتی ترایاک فرمان آتش می‌گیرد و به حالت هدایت می‌رود، مقدار جریان گذرنده از بار از آن عبور می‌کند؛ در حالی که ولتاژ ترکیب مقاومت-خازن با ولتاژ‌ ON ترایاک محدود شده و تا پایان نیم‌ دوره شکل موج AC در همان مقدار باقی می‌ماند. 

در پایان هر نیم تناوب، ولتاژ‌ منبع به صفر کاهش می‌یابد و سبب کاهش جریان گذرنده از ترایاک به پایین‌تر از مقدار جریان نگهدارنده IH می‌شود. در نتیجه، ترایاک خاموش شده و دیگر هدایت نمی‌کند. در ادامه، ولتاژ منبع وارد نیم تناوب بعدی می‌شود و ولتاژ خازن دوباره شروع به افزایش می‌کند (این بار در جهت مخالف) و چرخه آتش ترایاک تکرار می‌شود.

همان‌طور که گفتیم، دیاک قطعه بسیار مفیدی است که از آن برای تحریک ترایاک‌ها استفاده می‌شود و به دلیل مشخصه مقاومت منفی که دارد، با رسیدن به یک سطح ولتاژ‌ اعمالی مشخص، سریعاً به حالت ON می‌رود. البته، این بدین معنی است که اگر بخواهیم از یک ترایاک برای کنترل توان AC استفاده کنیم، به یک دیاک جدا نیاز داریم. خوشبختانه، گاهی ‌می‌توان یک دیاک و تریاک جداگانه را با قطعه سوئیچینگی به نام کوادراک «Quadrac» تعویض کرد.

کوادراک

کوادراک اساساً ترکیبی از یک دیاک و ترایاک است که با هم یک قطعه را تشکیل می‌دهند. این قطعه، «ترایاک تریگر داخلی» نیز نامیده می‌شود. کوادراک، با هر پلاریته‌ای از ولتاژ ترمینال اصلی کنترل شده با گیت است. این بدین معنی است که کوادراک می‌تواند در کاربردهایی مانند کنترل هیتر، دیمر لامپ، کنترل سرعت موتور AC و… به کار رود.

مشابه ترایاک، کوادراک نیز یک قطعه سوئیچینگ نیمه‌هادی سه سر یا سه پایه است که MT2 ترمینال اصلی یک (معمولاً آند)، MT۱ ترمینال اصلی دو (معمولاً کاتد) و G ترمینال گیت آن را نشان می‌دهد. کوادراک، بسته به الزامات ولتاژ و جریان سوئیچینگ، در انواع مختلف در دسترس است.