ترایاک چیست ؟

یکی از مشکلات استفاده از تریستور ،یک جهته بودن آن است ،به این معنی که جریان تنها از یک جهت (آند به کاتد) می تواند عبور کند. برای مدارات سوئیچینگ DC ویژگی های تریستور ممکن است قابل قبول باشد ،به عنوان این که یک بار روشن شود و جریان را به بار تحویل دهد. اما در مدارات سوئیچینگ AC ،این یک جهته بودن قابل قبول نیست ،زیرا فقط در نیم سیکل مثبت زمانی که آند مثبت تر از کاتد است هدایت می کند ،صرف نظر از سیگنال گیت ،و تنها نیمی از توان توسط تریستور به بار می رسد.

به منظور به دست آوردن و کنترل کل توان ،ما می توانیم یک تریستور را درون یک یکسوساز تمام موج که در هر نیم سیکل مثبت با تحریک گیت کل توان به بار برسد یا این که دو تریستور را به صورت موازی و برعکس مانند شکل زیر بکار ببریم.

اما این اجزا باعث پیچیده تر شدن مدار مدار می شود. اما نوعی دیگر از قطعات نیمه هادی به نام Triode AC switch یا به اختصار ترایاک (triac) وجود دارد که عضوی از خانواده تریستور ها و مهمتر از آن دوطرفه می باشد. به عبارت دیگر ،به ترایاک می توان هر دو ولتاژ منفی و مثبت را اعمال کرد و با اعمال ولتاژ مثبت یا منفی به پایه ی گیت ،آن را در هر دو جهت کنترل کرد.

ترایاک درست رفتاری مانند دو تریستور موازی و معکوس دارند که به یک دیگر متصل شده اند ،این ترتیب قرار گرفتن دو تریستور باعث می شود ،از یک ترمینال مشترک به عنوان گیت در یک بسته بندی سه پایه استفاده کرد.

از آنجایی که یک ترایاک در هر دو جهت شکل موج سینوسی هدایت می کند ،پایه ی آند و پایه ی کاتدی که در تریستور استفاده می شد در ترایاک مفهومی ندارد و پایه های ترایاک با MT1 برای پایه ی 1 و MT2 برای پایه ی 2 شناسایی می شوند و پایه ی گیت با همان G شناخته می شود.

در اکثر کاربرد های ترایاک به عنوان سوئیچینک AC ،پایه ی گیت به پایه ی MT1 متصل است ،شبیه ارتباط گیت کاتد در تریستور و بیس امیتر در ترانزیستور است.

ساختار PN و نماد مداری ترایاک در شکل زیر آمده است

نماد و ساختار ترایاک

اکنون می دانیم که ترایاک متشکل از چهار لایه نیمه هادی PNPN جهت عبور جریان مثبت و چهار لایه NPNP جهت عبور جریان منفی است. ترایاک یک قطعه سه پایه و همانطور که گفته شد دو جهته است که در حالت OFF جریان را مسدود می کند و معادل مدار باز است. اما برخلاف تریستور ،ترایاک می تواند جریان را در هر جهت (مثبت یا منفی) زمانی که پالس گیت اعمال شده باشد هدایت کند. ترایاک دارای چهار حالت تحریک (آتش کردن) ممکن است به شرح زیر:

حالت 1- جریان پایه ی MT2 مثبت و جریان گیت مثبت

حالت 2- جریان پایه ی MT2 مثبت و جریان گیت منفی

حالت 3- جریان پایه ی MT2 منفی و جریان گیت مثبت

حالت 4- جریان پایه ی MT2 منفی و جریان گیت منفی

در این چهار حالت ترایاک می تواند آتش شود و هدایت کند و ویژگی های آن در شکل زیر (منحنی مشخصه ی VI) نشان داده شده است.

منحنی مشخصه ی V-I ترایاک

در ربع اول ترایاک معمولا با اعمال یک جریان مثبت به گیت (در صورت وجود سیگنال دو سر MT1 , MT2) هدایت می کند اما می تواند با یک جریان منفی نیز آتش شود. به طور مشابه در ربع سوم ،با یک جریان منفی (-IG) گیت آتش می شود اما با اعمال یک جریان مثبت نیز آتش می شود. با این حال، حالت های 2 و 4 حساسیت کمتری دارند و برای تحریک نیاز به جریان بزرگتری دارند به همین علت حالت های 1 و 3 بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند. همچنین درست مانند تریستور ،ترایاک نیز برای روشن ماندن به یک جریان نگه دارنده نیاز دارد که در شکل ،مشخص است.

کاربردهای ترایاک

ترایاک بیشتر به عنوان سوئیچینگ و کنترل توان سیستم های AC کاربرد دارد. ترایاک قادر است با اعمال یک پالس مثبت یا منفی به گیت آن ،از حالت OFF به حالت ON تغییر وضعیت بدهد بدون در نظر گرفتن قطب منبع تغذیه ی AC در آن زمان ،که آیا مثبت است یا منفی. این باعث می شود ترایاک برای کنترل لامپ و موتور AC ایده آل به حساب آید مانند مدار ساده ی شکل زیر:

مدار سوئیچینگ ترایاک

مدار فوق یک مدار سوئیچینگ ساده با استفاده از تحریک DC را نشان می دهد. زمانی که SW1 باز است هیچ جریانی در گیت ترایاک جاری نمی شود بنابراین ترایاک و لامپ خاموش هستند. هنگامی که SW1 بسته است جریان به گیت اعمال می شود و ترایاک از طریق منبع تغذیه ی VG و مقاومت R تغذیه می شود. در این حالت ترایاک به طور کامل هدایت می کند و مانند یک کلید بسته رفتار می کند و توان به طور کامل به لامپ اعمال می شود. پس اگر باتری به عنوان تامین کننده ی جریان گیت ترایاک باشد ،در هر زمان که کلید SW1 بسته شود گیت ترایاک به طور مستمر در حالت های 1 و 3 کار می کند بدون در نظر گرفتن قطب پایه ی MT2 . البته مشکل مدار این است که همیشه به یک منبع تغذیه ی اضافه جهت آتش کردن گیت ترایاک برای هدایت نیاز دارد. اما ما می توانیم از منبع ولتاژ AC اصلی جهت آتش کردن گیت تریستور استفاده کنیم مانند مدار زیر:

مدار فوق نشان می دهد که ترایاک در یک مدار سوئیچینگ AC مورد استفاده قرار گرفته است در صورتی که عمل روشن و خاموش شدن مشابه عملکرد مدار DC قبلی است. هنگامی که کلید SW1 باز است ترایاک مانند یک کلید باز عمل می کند و هیچ جریانی از لامپ عبور نمی کند. زمانی که SW1 بسته است جریان از گیت از طریق مقاومت R تامین می شود که کمی بعد از شروع هر نیم سیکل توان به لامپ می رسد. در منبع AC سینیوسی ،ولتاژ ترایاک به طور خودکار در پایان هر نیم سیکل به طور آنی کاهش قابل ملاحضه ای دارد در نتیجه جریان بار به صفر کاهش می یابد اما دو باره تثبیت می شود و از تریستور معکوس مقابل برای نیم سیکل بعدی استفاده می شود و تا زمانی که کلید بسته است این روند ادامه دارد. این نوع از کنترل سوئیچینگ را تمام موج می نامند به دلیل این که هر دو نیم سیکل یک موج سینوسی کنترل می شوند.

ما می توانیم با اصلاح کردن چگونگی آتش شدن ترایاک آن را در مدارات بیشتری به کار ببریم مانند مدار زیر

مدار سوئیچینگ اصلاح شده

همانطور که مشاهده می کنید اگر SW1 باز باشد هیچ جریانی در گیت وجود ندارد و لامپ خاموش است .اگر کلید را به حالت B تغییر دهیم جریان گیت در هر نیم سیکل تامین می شود ،همانند مدار قبل و همه ی توان جذب لامپ می شود که ترایاک در دو حالت 1 و 3 کار می کند. زمانی که کلید برروی موقیت C است ،دیود زمانی که MT2 منفی است مانع از اتش کردن گیت می شود ،زیرا دیود در بایاس معکوس قرار دارد. بنابراین ترایاک تنها در نیم سیکل مثبت هدایت می کند (در حالت 1) و نیمی از توان جذب لامپ می شود. پس با توجه به موقعیت کلید ،بار یا خاموش است یا با نیمی از توان کار می کند یا به طور کامل روشن است.

مدار کنترل فاز ترایاک

یکی از انواع مدارات سوئیچینگ ترایاک است که با استفاده از فاز ،مقدار ولتاژ را کنترل می کند در نتیجه قدرت اعمال شده به بار ،در هر نیم سیکل از شکل موج قابل کنترل می باشد. کنترل به طور کامل متغیر و خطی است.

در مدار بالا ترایاک با بار سری است و دوسر آن منبع AC سینوسی قرار دارد. مقاومت متغیر VR1 برای کنترل میزان فاز گیت ترایاک مورد استفاده قرار می گیرد که با خازن C1 یک ثابت زمانی ایجاد می کنند که در طول هر سیکل با چرخش مقاومت متغیر ،مقدار ولتاژ اعمال شده به بار را می توان کنترل کرد. ولتاژ آتش ازVR1 و  C گرفته می شود و از طریق دیاک به گیت ترایاک می رسد. (دیاک یک نیمه هادی دو جهته است که برای گیت ترایاک یک پالس با جریان شدید و نوک تیز به منظور روشن شدن کامل تریستور فراهم می کند)

نحوه ی کار کرد مدار به این صورت است که در آغاز هر سیکل خازن C1 توسط مقاومت متغیر VR1 شارژ می شود. شارژ تا زمانی که ولتاژ C1 برای آتش کردن دیاگ کافی باشد ادامه می یابد سپس C1 در دیاک تخلیه می شود و آن را روشن می کند. پس از آن ترایاک شروع به هدایت می کند. با تغییر مقاومت ثابت زمانی شارژ خازن تغییر می کند و زمان روشن شدن ترایاک را می توان کنترل کرد و از این طریق توان بار کنترل می شود.

ترایاک به طور اتوماتیک در پایان هر نیم سیکل خاموش می شود و فرآیند تحریک دوباره آغاز می شود. با این وجود ترایاک نیاز به مقدار جریانهای گیت متفاوت جهت کار در حالت های کاری خود دارد برای مثال در حالت های 1 و 3 ، تحریک در نیم سیکل مثبت و منفی متقارن نیست.

این مدار در کنترل سرعت موتور ،دیمر لامپ و کنترل بخاری برقی کاربرد دارد ،در واقع بسیار شبیه به دیمر های استفاده شده در خانه ها است.

خلاصه

– ترایاک نیز یکی از قطعات نیمه هادی است که از سه پایه تشکیل شده است و بسیار شبیه به تریستور است

– تریاک را می توان در هر دو جهت از سیگنال AC با اعمال جریان به گیت آن کنترل کرد

– 4 حالت ممکن برای آتش کردن ترایاک وجود دارد که دو حالت آن ترجیح داده می شود

– ترایاک برای کنترل توان AC ایده آل است خصوصا جهت کنترل بارهای مقاومتی، مانند لامپ های رشته ای و هیتر ها ، موتور های کوچک مناسب هستند.