ترایاک چیست؟ نحوه کار ترایاک کاربرد راه اندازی TRIAC

سلام. ترایاک چیست؟ نحوه کار، کاربرد ها و مدار نمونه TRIAC را آماده کردیم.

ترایاک چیست ؟

سوئیچ های قدرت الکترونیکی مانند BJT, SCR, IGBI, MOSFET و TRIAC در هنگام تعویض مدار هایی مانند مبدل های DC_DC، کنترل کننده های سرعت موتور، محرک های موتور و کنترل کننده های فرکانس و غیره، اجزای بسیار مهمی هستند.

هر وسیله ویژگی خاص و همچنین کاربرد خاص خود را دارد. در این آموزش ما با TRIAC آشنا خواهیم شد، که یک وسیله دو طرفه ست به این معنی که می تواند در هر دو جهت هدایت شود. با توجه به این ویژگی، TRIAC تنها در جایی مورد استفاده قرار می گیرد که منبع تغذیه سینوسی AC درگیر باشد.

معرفی ترایاک

عبارت TRIAC مخفف TRlode for Alternating Current است. TRIAC یک وسیله سه پایانه شبیه به SCR (تریستور) است، اما آن می تواند در هر دو جهت هدایت شود زیرا از ترکیب  دو SCR در حالت موازی اما غیر همسو، ساخته می شود. نماد و پین خارج از TRIAC در زیر نشان داده شده است.

از آنجا که TRIAC وسیله ای دو جهته است، جریان می تواند در هنگامی که پایانه گیت راه اندازی می شود از MT1 به MT2 یا از MT2 به MT1  جریان یابد. ولتاژ تریگر برای یک TRIAC این است که به پایانه گیت اعمال می شود و با توجه به پایانه MT2 می تواند مثبت یا منفی باشد.

بنابراین این TRIAC را در چهار حالت عملیاتی قرار می دهد که در زیر آمده است.

1. ولتاژ مثبت در MT2 و پالس مثبت‌ به گیت (ربع 1)
2. ولتاژ مثبت در MT2 و پالس منفی به گیت (ربع 2)
3. ولتاژ منفی در MT2 و پالس مثبت به گیت (ربع 3)
4. ولتاژ منفی در MT2 و پالس منفی به گیت (ربع 4)

مشخصات V-I یک ترایاک

تصویر زیر، وضعیت TRIAC را در هر ربع کره (¼) نشان می دهد.

مشخصات خاموش و روشن شدن TRIAC با نگاه به نمودار مشخصات V-I ی TRIAC که آن نیز در تصویر بالا نشان داده شده است. از آنجایی که TRIAC فقط ترکیبی از دو SCR در جهت آنتی پارالل (موازی اما غیر هم جهت) هستند، نمودار مشخصات V-I شبیه به SCR است. همانطور که مشاهده کردید، TRIAC بیشتر در ربع یک و سه فعالیت میکند.

ویژگی های روشن سازی

برای روشن کردن یک TRIAC، باید یک گیت ولتاژ/پالس منفی یا مثبت به پین گیت TRIAC اعمال شود. هنگامی که یکی از دو SCR به داخل وارد شد، TRIAC  شروع به هدایت بر اساس قطب پایانه های MT1 و MT2 می کند. اگر MT2 مثبت باشد و MT1 منفی، اولین SCR هدایت میکند و اگر پایانه ی MT2 منفی باشد و MT1 مثبت، دومین SCR هدایت می کند. بدین ترتیب یکی از SCR ها همیشه  در این راه باقی می ماند، بنابراین TRIAC را برای برنامه های IC ایده آل  می سازد.

حداقل ولتاژی که باید به پین گیت برای روشن سازی TRIAC اعمال شود، ولتاژ آستانه ای گیت (Vgt) نامیده می شود و جریان حاصل از طرق پین گیت را جریان آستانه ای گیت (Igt) می گویند. هنگامی که این ولتاژ به پین گیت اعمال می شود، TRIAC سمت و سو دار پیش میرود و شروع به هدایت میکند. به مدت زمانی که برای تغییر TRIAC از وضعیت خاموش به وضعیت روشن طول می کشد، زمان روشن شدن (Turn-on time) گفته می شود (Ton).

درست همانند یک SCR، یک TRIAC هنگامی که روشن می شود، روشن می ماند مگر اینکه در رفت و آمد باشد. اما در این شرایط بار جریان در میان TRIAC باید بزرگتر یا برابر با جریان چفت شده (IL) ی  TRIAC باشد. پس در نتیجه یک TRIAC تا زمانی که بار جریان بزرگتر از مقدار جریان چفت شده باشد، حتی بعد از حذف پالس گیت نیز روشن خواهد ماند.

مشابه با جریان چفت شده، یک مقدار جریان مهم دیگر نیز وجود دارد که به آن جریان نگه دارنده می گویند. به حداقل مقدار جریانی که TRIAC را در حالت هدایت به جلو نگه می دارد، جریان نگهدارنده (IH) گفته می شود. یک TRIAC تنها بعد از عبور از جریان نگهدارنده و جریان چفت شده، همانطور که در نمودار بالا نشان داده شده، به حالت ادامه ی هدایت وارد می شود. همچنین مقدار جریان چفت شده ی هر TRIAC همیشه بزرگتر از مقدار جریان نگهدارنده خواهد بود.

ویژگی های خاموش  کردن

فرآیند خاموش کردن TRIAC یا هر دستگاه برق دیگر را تحت عنوان جابجایی می نامند و مدار مرتبط با آن برای اجرای کار ، به عنوان یک مدار رفت و برگشتی خوانده می شود. متداول ترین روش مورد استفاده برای خاموش کردن TRIAC ، کاهش جریان بار در TRIAC است تا زمانی که به مقداری پایین تر از سطح جریان نگهدارنده(IH) برسد. این نوع تعویض در مدارهای DC به عنوان رفت و آمد اجباری خوانده می شود. ما در مورد نحوه روشن و خاموش کردن TRIAC از طریق مدارهای کاربردی، اطلاعات بیشتری را یاد خواهیم گرفت.

کاربرد های ترایاک

ترایاک معمولاً در جاهایی مورد استفاده قرار می گیرد که باید توان ولتاژ AC را کنترل کرد ، در رگولاتورهای سرعت پنکه های سقفی ، مدارهای کم نور لامپ AC و غیره استفاده می شود، ما به یک مدار سوئیچینگ ساده ترایاک نگاهی میندازیم تا بفهمیم که چگونه به صورت عملی کار میکند.

در اینجا ما از ترایاک برای روشن و خاموش کردن بار AC از طریق دکمه فشار استفاده کرده ایم.  منبع تغذیه همانطور که در بالا نشان داده شده، به یک لامپ کوچک از طریق ترایاک، سیم کشی می شود. هنگامی که سوئیچ بسته است ، ولتاژ فاز از طریق مقاومت R1 به پین ​​گیت ترایاک اعمال می شود.  اگر این ولتاژ گیت بالاتر از ولتاژ آستانه گیت باشد ، یک جریان از طریق پین گیت جریان می یابد ، که از جریان آستانه گیت بیشتر است.

در این شرایط، ترایاک سمت و سو دار به سمت جلو وارد میشود و بار جریان در میان بالب جاری می شود.  اگر بارها جریان کافی را مصرف کنند ، ترایاک وارد حالت چفت شدن می شود.  اما از آنجا که این منبع تغذیه AC است ، ولتاژ برای هر نیم سیکل به صفر می رسد بنابراین جریان نیز به طور لحظه ای صفر می شود.  از این رو بستن سوئیچ در این مدار امکان پذیر نیست و به محض باز شدن سوئیچ ترایاک خاموش می شود و دراینجا جابه جایی مدار لازم نیست.  به این نوع تعویض ترایاک، تعویض طبیعی گفته می شود. بیاید این مدار را با استفاده از ترایاک BT136 بر روی یک تخته نرد بسازیم و نحوه عملکرد آن را بررسی کنیم.

هنگام کار با منبع تغذیه AC احتیاط زیادی لازم است، ولتاژ عامل به منظور ایمنی کاهش می یابد و قدرت استاندارد AC 230V 50Hz (در هند) با استفاده از ترانسفورماتور 12 ولت ، 50 هرتز کاهش می یابد و یک لامپ کوچک به عنوان یک بار وصل می شود. راه اندازی آزمایشی ، هنگامی که کامل شود شبیه عکس زیر است.

با فشار دادن دکمه ، پین گیت، ولتاژ گیت را دریافت می کند و  ترایاک روشن می شود.  لامپ تا زمانی که دکمه را فشار داده شود نور می دهد.  هنگامی که دکمه آزاد شد ، ترایاک در حالت قفل شده قرار خواهد گرفت ، اما از آنجا که ولتاژ ورودی AC است، جریان از طریق ترایاک به زیر جریان نگهدارنده می رود و ترایاک خاموش خواهد شد، کامل شده ی این کار را می توانید در ویدئوی زیر ببینید.

کنترل TRIAC با استفاده از میکروکنترلر

هنگامی که از TRIAC به عنوان دیمر نور و یا برای کنترل فاز استفاده می شود، پالس گیت که به پین گیت عرضه می شود باید با استفاده از میکروکنترلر کنترل شود. در این حالت ، پین گیت نیز با استفاده از Oppo-coupler جدا خواهد شد. نمودار مدار برای همین در زیر نشان داده شده است.

برای کنترل TRIAC با استفاده از سیگنال 5V / 3.3V از یک کوپلای نوری مانند MOC3021 استفاده می کنیم که دارای یک TRIAC در داخل خود است. این TRIAC را می توان با 5V / 3.3V از طریق دیود تابش نور آغاز کرد. به طور معمول یک سیگنال PWM به پین 1 MOC3021 اعمال می شود و چرخه فرکانس و وظیفه سیگنال PWM برای بدست آوردن خروجی مورد نظر متغیر خواهد بود. این نوع مدار معمولاً برای کنترل روشنایی لامپ یا کنترل سرعت موتور استفاده می شود.

میزان اثر در مدار اسنابر (Snubber)

کلیه TRIAC ها از مشکلی به نام Rate Effect رنج می برند. این در شرایطی است که پایانه ی MT1 به دلیل نویز متغیر یا ناپایدار، در معرض افزایش شدید ولتاژ قرار می گیرد یا TRIAC را زیاد می کند و آن را به عنوان سیگنال متغیر قطع می کند و به صورت خودکار روشن می شود. این به دلیل ظرفیت داخلی موجود در بین پایانه های MT1 و MT2 است.

ساده ترین راه برای رفع این مشکل استفاده از مدار اسنابر است. در مدار فوق ، مقاومتهای  R2 (50R) و خازن C1 (10Nf) با هم یک شبکه RC تشکیل می دهند که به عنوان یک مدار اسنابر عمل می کند. هرگونه ولتاژ شدید عرضه شده به MT1 توسط این شبکه RC مشاهده می شود.

اثر واکنش ترایاک

یکی دیگر از مشکلات رایج که طراحان هنگام استفاده از ترایاک با آن روبرو می شوند ، اثر واکنش است.  این مشکل زمانی رخ می دهد که برای کنترل ولتاژ گیت ترایاک از پتانسیومتر استفاده می شود. هنگامی که پتانسیومتر به حداقل مقدار برسد ، هیچ ولتاژی روی پین گیت اعمال نمی شود و بدین ترتیب بار خاموش می شود.  اما هنگامی که پتانسیومتر به حداکثر مقدار تبدیل شود ترایاک به دلیل اثر خازنی بین پین های MT1 و MT2 روشن نمی شود ، این خازن باید مسیری را برای تخلیه پیدا کند ،زیرا دیگر اجازه نمی دهد ترایاک روشن شود.  این اثر به عنوان اثر واکنش گفته می شود.  این مشکل را می توان با وارد کردن یک مقاومت به صورت سری با مدار سوئیچ برطرف کرد تا مسیری برای تخلیه خازن فراهم شود.

تداخل فرکانس رادیویی (RFI) و ترایاک

مدارهای سوئیچینگ ترایاک بیشتر در معرض تداخل فرکانس رادیویی (EFI) قرار دارند زیرا وقتی بار روشن می شود ، جریان 0A را سریع به حداکثر مقدار کل می رساند ، بنابراین باعث ترکیدگی پالس های برقی می شود که این اتفاق باعث ایجاد خط اتصال فرکانس رادیویی می شود.  هرچه جریان بار بزرگتر باشد ، تداخل بدتر خواهد شد.  استفاده از مدارهای Suppressor مانند LC این مشکل را برطرف می کند.

معایب ترایاک

در صورت نیاز به تغییر شکل موجهای AC در هر دو جهت ، بدیهی است ترایاک اولین انتخاب خواهد بود زیرا تنها سوئیچ الکترونیکی توان دو جهته است. این دقیقاً مانند دو SCR(تریستور) که به صورت متوالی به عقب متصل هستند ، عمل می کند و همین ویژگی ها را با هم به اشتراک می گذارد.  اگرچه هنگام طراحی مدارها با استفاده از ترایاک محدودیت های زیر باید در نظر گرفته شود

• ترایاک، دارای دو ساختار SCR (تریستور) در داخل خود است که یکی در نیمه مثبت و دیگری در نیمه منفی هدایت می کند. اما ، آنها به دلیل اختلاف در نیم سیکل مثبت و منفی خروجی، تقارن ایجاد نمی کنند.
• همچنین از آنجا که سوئیچینگ متقارن نیست ، منجر به ایجاد هارمونیک سطح بالایی می شود که آن سبب القاء نویز در مدار می گردد.
• این مشکل هارمونیک نیز منجر به تداخل الکترومغناطیسی (EMI) خواهد شد.
• در صورتی که از بارهای القایی استفاده شود ، یک خطر بزرگ در جریان ورودی جاری به منبع وجود دارد ، بنابراین باید اطمینان حاصل شود که ترایاک کاملاً خاموش است و بار القایی بدون هیچ خطری از طریق یک مسیر متناوب تخلیه می شود.