آشنایی با ترایاک (Triac) به شماره BTA12 و BT136 و اپتوترایاک (OptoTriac)

آشنایی با ترایاک (Triac)

در این مقاله شمارا با یکی از مهمترین قطعات الکترونیک صنعتی به نام ترایاک (TRIAC) و اپتوترایاک (Opto Traic) آشنا خواهیم کرد. بعد از معرفی مقدماتی راجع به این قطعه شما با پایه ها، نماد الکترونیکی، نحوه کارکرد و کاربردهای آن آشنا خواهید شد.

مقدمه: ترایاک چیست؟

TRIAC یا Triode در کاربردهای جریان متناوب، یک قطعه نیمه هادی سه پایه ای است که اغلب در کاربردهای الکترونیک قدرت برای کنترل جریان استفاده می شود. با توجه به اینکه TRIAC می تواند در هر دو نیمه سیکل متناوب (مثبت و منفی) کار کند، بنابراین می تواند به عنوان یک قطعه ایده آل برای کنترل برق AC محسوب شود. این قطعه الکترونیکی تا توان های 16 کیلووات در بازار یافت می شوند. بسته بندی مختلف این قطعه به صورت زیر در بازار یافت می شود:

نحوه عملکرد

TRIAC در اصل یک سوئیچ کنترل شده دو طرفه است. عملکرد آن شبیه به عملکرد دو تریستور است که آند و کاتد آن ها بطور معکوس با هم موازی شده اما دارای یک گیت مشترک است. بنابراین در ترایاک، آند و کاتد نداریم به این معنی که این قطعه یک تجهیز دو طرفه است.

ساختار اصلی یک TRIAC شامل سه لایه است که ساختارهای NPN (منفی-مثبت-منفی) و PNP (مثبت-منفی-مثبت) را تشکیل می دهند و آند و کاتد در لایه های بیرونی قرار دارند. TRIAC را می توان با جریان یا ولتاژ کمی که به ترمینال گیت اعمال می شود روشن کرد.

دو ترمینال اصلی به نام های MT1 و MT2 وجود دارد که همان A1 و A2 آندها هستند و ترمینال باقی مانده ترمینال گیت است.

نماد الکترونیکی و ساختار ترایاک

نمایش نمادین یک TRIAC شامل سه پایه است: آند 1 (A1)، آند 2 (A2) و گیت (G). آند 1 و آند 2 قابلیت جابجایی دارند زیرا TRIAC دو جهته است. ترمینال گیت (G) برای کنترل میزان عبور جریان در نیم سیکل های مختلف استفاده می شود.

حالت های کاری ترایاک

TRIAC در چهار حالت مختلف کار می کند:

ربع اول  (Q1): ولتاژ و جریان مثبت در آند  به همراه جریان مثبت در گیت.

MT2 با توجه به MT1 مثبت است و پلاریته گیت با توجه به MT1 مثبت است و این هنگامی رخ می دهد که جریان از مسیر P1-N1-P2-N2 عبور می کند. در اینجا، P1-N1 و P2-N2 بایاس مستقیم هستند اما N1-P2 بایاس معکوس است. گفته می شود که تریاک در منطقه ای با بایاس مثبت عمل می کند. گیت مثبت با توجه به MT1 بایاس های مستقیم P2-N2 و شکست رخ می دهد.

ربع دوم Q2: ولتاژ و جریان مثبت در آند  به همراه جریان منفی در گیت.

MT2 با توجه به MT1 مثبت است و پلاریته گیت با توجه به MT1 منفی است در این شرایط جریان از مسیر P1-N1-P2-N2 می گذرد. اما P2-N3 بایاس مستقیم است و حامل های جریان به P2 در ترایاک تزریق می شوند.

ربع سوم Q3: ولتاژ و جریان منفی در آند  به همراه جریان منفی در گیت.

MT2 با توجه به MT1 منفی است و پلاریته گیت با توجه به MT1 منفی است لذا جریان از مسیر P2-N1-P1-N4 می گذرد. دو اتصال P2-N1 و P1-N4 بایاس مستقیم هستند اما اتصال N1-P1 بایاس معکوس است. گفته می شود که تریاک در ناحیه با بایاس منفی قرار دارد.

ربع چهارمQ4 : ولتاژ و جریان منفی در آند  به همراه جریان مثبت در گیت.

MT2 با توجه به MT1 منفی است و پلاریته گیت با توجه به MT1 مثبت است لذا P2-N2 در آن شرایط بایاس مستقیم است. حامل های جریان تزریق می شوند تا تریاک روشن شود. این حالت یک عیب دارد که نباید برای مدارهایی با (di/dt) بالا استفاده شود. 

حساسیت تریگر در حالت 2 و 3 زیاد است و در صورت نیاز به قابلیت تریگر حاشیه ای باید از پالس های گیت منفی استفاده کرد. راه اندازی در حالت 1 نسبت به حالت 2 و حالت 3 حساس تر است.

درک این ربع های عامل برای اجرای صحیح TRIAC ها در مدارهای مختلف مهم است.

هنگامی که قطعه روشن می شود، جریان سنگینی از آن عبور می کند که ممکن است به دستگاه آسیب برساند، بنابراین برای محدود کردن جریان باید یک مقاومت محدود کننده جریان از خارج به آن متصل شود. با اعمال سیگنال گیت مناسب می توان زاویه آتش قطعه را کنترل کرد. مدارهای راه اندازی گیت باید برای راه اندازی مناسب گیت استفاده شود. می توانیم از دیاک برای راه اندازی پالس گیت استفاده کنیم. برای تریگر قطعه با زاویه آتش مناسب می توان از یک پالس گیت تا مدت زمان 35 میکرو ثانیه استفاده کرد.

هنگامی که ترایاک برای کنترل بارهای راکتیو (سلفی یا خازنی) استفاده می شود، باید دقت شود که ترایاک در پایان هر نیم سیکل AC در مدار اصلی به درستی خاموش شود. ترایاک ها می توانند به تغییرات سریع ولتاژ (dv/dt) بین MT1 و MT2 حساس باشند، بنابراین تغییر فاز بین جریان و ولتاژ ناشی از بارهای راکتیو می تواند منجر به یک مرحله ولتاژ شود که می تواند ترایاک را به اشتباه روشن کند. موتور الکتریکی معمولاً یک بار القایی است و منابع تغذیه آفلاین - همانطور که در اکثر تلویزیون ها و رایانه ها استفاده می شود - خازنی هستند.

با استفاده از یک مدار اسنابر (معمولا از نوع مقاومت/خازن یا مقاومت/خازن/سلف) بین MT1 و MT2 می توان از روشن شدن های ناخواسته جلوگیری کرد. مدارهای اسنابر همچنین برای جلوگیری از تحریک زودرس، به عنوان مثال در اثر افزایش ولتاژ در منبع تغذیه استفاده می شود.

از آنجایی که روشن‌ شدن ها به دلیل جریان‌های خازنی داخلی و در نتیجه dv/dt بالا، (یعنی تغییر ولتاژ سریع) به درون گیت می باشد، ممکن است یک مقاومت یا خازن گیت (یا هر دو به صورت موازی) بین گیت و MT1 متصل شود. برای ایجاد یک مسیر با امپدانس کم به MT1 و جلوگیری بیشتر از تحریک نادرست، اسنابر استفاده می شود. با این حال، اسنابر جریان تحریک مورد نیاز را افزایش می دهد یا به دلیل شارژ خازن، تاخیر را اضافه می کند. از طرف دیگر، یک مقاومت بین گیت و MT1 به بیرون کشیدن جریان های نشتی از دستگاه کمک می کند، بنابراین عملکرد TRIAC را در دمای بالا، جایی که حداکثر dv/dt مجاز کمتر است، بهبود می بخشد. مقادیر مقاومت‌های کمتر از 1kΩ و خازن‌های 100nF معمولاً برای این منظور مناسب هستند، اگرچه تنظیم دقیق باید در مدل دستگاه خاص انجام شود.

برای بارهای پرقدرت و جریان های بیشتر، ممکن است به جای یک TRIAC از دو SCR به صورت موازی معکوس استفاده شود. از آنجایی که هر SCR یک نیم سیکل کامل از ولتاژ قطبیت معکوس اعمال شده روی آن خواهد داشت، خاموش شدن SCR ها بدون توجه به ویژگی بار، تضمین می شود. با این حال، به دلیل گیت های جداگانه، راه اندازی مناسب SCR ها پیچیده تر از راه اندازی TRIAC است.

کاربردهای ترایاک

TRIAC به دلیل توانایی در کنترل مقادیر مختلفی از توان و ولتاژ به طور گسترده در کاربردهای متعدد استفاده می شود. این شامل:

الف) کنترل برق متناوب: TRIAC ها برای کنترل برق متناوب، معمولاً با تنظیم زاویه فاز شکل موج ولتاژ استفاده می شوند. این کاربرد در دیمرهای نور و کنترل سرعت موتور رایج است.

ب)کاربردهای سوئیچینگ: در وسایل خاصی مانند بخاری ها و لامپ ها، TRIAC ها به عنوان سوئیچ های الکترونیکی عمل می کنند.  

این توانایی در کنترل برق AC و کار به عنوان سوئیچ، TRIAC ها را به بخشی ضروری از بسیاری از دستگاه ها و سیستم های الکترونیکی تبدیل می کند.

ج) سیستم‌های کنترل دما: در سیستم‌هایی که نیاز به کنترل دقیق دما دارند، مانند اجاق‌ها یا دستگاه‌های تهویه مطبوع، از TRIAC برای کنترل برق تامین‌شده به عناصر گرمایش یا سرمایش استفاده می‌شود.

د) کنترل سرعت موتور القایی: از TRIAC ها برای کنترل سرعت موتورهای القایی در لوازم خانگی مختلف مانند فن ها یا ابزار برقی با تغییر میزان توان اعمال شده به موتور استفاده می شود.

مزایا و معایب بکارگیری ترایاک

مانند هر قطعه دیگر، TRIAC ها دارای مجموعه ای از مزایا و معایب خود هستند که باید در حین اجرای آنها در نظر گرفته شوند.

مزایا: مزیت اصلی TRIAC توانایی آن در کنترل هر دو نیمه سیکل AC است که آن را برای کاربردهای کنترل برق AC بسیار کارآمد می کند. آنها همچنین مقرون به صرفه و جمع و جور هستند که آنها را برای وسایل کوچک مناسب می کند.

معایب: TRIAC ها در عملیات ربع سوم حساسیت کمتری دارند که منجر به مشکلاتی با تریگر قابل اعتماد می شود. آنها همچنین در مقابل تغییرات  dV/dt حساس هستند، به این معنی که یک تغییر سریع در ولتاژ می تواند سهواً TRIAC را روشن کند.

ترایاک BT136

BT136  با حداکثر جریان ترمینال 4A است. ولتاژ آستانه گیت BT136 نیز بسیار کم است، بنابراین می تواند توسط مدارهای دیجیتال تحریک شود.

از آنجایی که TRIAC ها سوییچ های دو جهته هستند، معمولاً برای سوئیچینگ کاربردهای AC استفاده می شوند. بنابراین اگر به دنبال تغییر کنترل (کنترل نور، کنترل سرعت) یک بار AC با مصرف کمتر از 6 آمپر باه کمک قطعات دیجیتالی مانند میکروکنترلر یا ریزپردازنده هستید، ممکن است BT136 برای شما مناسب باشد.

مشخصات BT136

ترایاک BTA12-600B

ترایاک BTA12-600B  برای سوئیچینگ جریان متناوب برق با هدف عمومی مناسب است. آنها را می توان در کاربردهایی مانند رله های استاتیک، تنظیم گرمایش و مدارهای راه اندازی موتور القایی به عنوان عملکرد روشن/خاموش استفاده کرد. آنها همچنین برای عملیات کنترل فاز در دیمرهای نور و کنترل کننده های سرعت برای موتورهای لوازم خانگی توصیه می شوند.

مشخصات:

ترایاک با جریان متوسط

مقاومت حرارتی کم با اتصال برشی

سرامیک عایق با مقاومت حرارتی پایین برای BTA عایق شده

قابلیت کموتاسیون بالا (4Q) یا کموتاسیون بسیار زیاد (3Q).

مناسب برای سوئیچینگ AC با هدف عمومی.

موارد کاربرد: رله های استاتیک، تنظیم گرمایش، مدارهای راه اندازی موتور القایی، عملکرد کنترل فاز در دیمرهای نور، کنترل کننده های سرعت موتور.

دیتاشیت سایر ترایاک ها مثل BTA139 و BTA16 را خودتان می توانید مطالعه کنید.

اپتوترایاک و عملیات ایزولاسیون ولتاژ خطرناک از بخش کنترل

در برخی از کاربردها، به منظور صرفه جویی در هزینه ترانسفورماتور، می توان از اپتوترایاک به منظور ایزولاسیون بین ولتاژ بالا و بخش کنترلی به خصوص وقتی از میکروکنترلرها برای تحریک گیت استفاده می شود، استفاده کرد.

یک اپتوترایاک از یک تریاک که گیت آن به نور حساس است و یک LED تشکیل شده است. هنگامی که یک جریان مستقیم IF ایجاد شده توسط یک واحد میکروکنترلر از طریق led جریان می یابد، فوتون های نوری را تولید و به سمت Triac منتقل می شوند. اگر این جریان بالاتر از جریان تحریک ال ای دی (IFT) باشد، تریاک روشن می شود و در این " حالت روشن" باقی خواهد ماند

تا زمانی که جریان از طریق (IT) ترایاک کمتر از جریان نگهدارنده آن (IH) کاهش یابد. پس از عبور از این آستانه از ترایاک به حالت عدم هدایت برمی گردد.

دسته‌ای از فوتوتریاک دارای یک تراشه آشکارساز اضافی هستند که تنها زمانی که ولتاژ متناوب نزدیک صفر است راه‌اندازی را ممکن می‌سازد. این درایور نوری تریاک به خانواده «زیرو کراس» تعلق دارد و در مقایسه با فتوتریاک که فاقد این مشخصه است، به محدود کردن جریان هجومی در هنگام روشن شدن کمک می کند (عمدتاً مشکل در بار مقاومتی) و نویز ایجاد شده کمتری را ایجاد می کند. کنترل بار با زاویه فاز فقط با فتوتریاک متقاطع غیر صفر(Non-Zero Cross) (همچنین فاز تصادفی نامیده می شود) امکان پذیر است. برعکس، فوتوتریاک‌ها با ZVS تعبیه‌شده (سوئیچینگ ولتاژ صفر) برای راه‌اندازی یک دستگاه با بارگذاری در حالت پیوسته مناسب هستند.

یک طراحی ساده برای تحریک ترایاک با اپتوترایاک به صورت زیر است:

برای راه اندازی فتوتریاک، یک جریان IF به led (1) وارد می شود.

• وقتی جریان عبوری از led از IFT بیشتر شود، Phototriac روشن می شود. در این زمان، گیت و آند تریاک اصلی از طریق R1 به هم متصل می شوند. به دلیل اختلاف ولتاژ بین آند و گیت، یک جریان گیت در تریاک اصلی (2) ایجاد می شود و آن را از حالت مسدود به حالت هدایت می برد(3). ولتاژ در ترایاک اصلی به مقدار کم کاهش می یابد (چون اکنون ولتاژ به بار اعمال می شود و جریان بار و جریان از طریق Triac)، و در نتیجه جریان در فوتوتریاک کمتر از جریان نگهدارنده آن کاهش می یابد و باعث می شود phototriac خاموش شود. این تغییر در حالت مسدود کردن حتی اگر جریان IFT هنوز در led وجود داشته باشد، رخ می دهد.

• ترایاک، در حالت هدایت، در نوبت خود خاموش می شود یعنی زمانی که جریان بار کمتر از حد انتظار می شود و این حالت زمانی رخ می دهد که جریان در انتهای هر نیم موج سینوسی خط AC به صفر نزدیک می شود(4)

• اگر IFT همچنان از طریق led وجود داشته باشد، دوباره راه اندازی می شود (5)

با پیروی از این حالت کار، می‌توان نتیجه گرفت که یک Triac کنترل شده با phototriac همیشه از ربع‌های (1) و (3)  استفاده می‌کند و هرگز از ربع های (2) و (4) استفاده نمی کند.

مقاومت R1 برای محافظت از فتوتریاک در برابر جریان افزایشی در هنگام روشن شدن فتوتریاک استفاده می شود. در تئوری، R1 می تواند هنگامی که فوتوتریاک های متقاطع صفر(Zero Cross) از بار مقاومتی و جریان محدود به جریان تحریک گیت (IGT) استفاده می کند، از مدار خارج شود.با این وجود، تحریک غیر ارادی فوتوتریاک در خارج از منطقه ولتاژ صفر می تواند جریان هجومی بالایی ایجاد کند و به فتوتریاک آسیب برساند. بدترین مورد نزدیک به پیک ولتاژ اتفاق می افتد. حداقل مقدار R1 باید با توجه به حداکثر جریان افزایشی (surge) (Isurge) و ولتاژ اسمی خط (حداکثر جریان IGM گیت Triac معمولاً بالاتر از Isurge است)

انتخاب شود. این موضوع در معادله زیر تعریف شده است:

مدار درایو اصلاح شده

خطوط برق AC در معرض تغییرات ولتاژ سریع یا نویز قرار می گیرند. همانطور که فوتوتریاک ها به برق متصل هستند، از آنجاییکه ممکن است  dV/dt اعمال شده از dV/dt استاتیک مشخص شده فراتر رود، لذا ممکن است به طور تصادفی فعال شود. مدار قبلی در مقابل نویز خیلی مقاوم نیست و می توان برای اصلاح مدار بالا، مدار زیر را پیشنهاد داد.

برای محدود کردن سرعت افزایش ولتاژ در فتوتریاک، ابتدا یک خازن C1 به موازات ترایاک قدرت قرار می‌گیرد.

این خازن را نمی توان تنها گذاشت: اگر Triac قدرت هنگامی که ولتاژ خازن نزدیک به حداکثر ولتاژ ac است، تحریک شود، یک جریان افزایشی ناگهانی از طریق Triac عبور می کند. این به عملکرد مطمئن ترایاک آسیب می رساند و حتی ممکن است در صورت تجاوز از حداکثر dI/dt حالت روشن، به آن آسیب برساند. یک مقاومت سری R1 که بین C1 و قدرت Triac قرار می گیرد این جریان افزایشی را محدود می کند. این ترکیب از مقاومت و خازن متصل به صورت سری، اسنابر نامیده می شود.

به همین دلیل، مقاومت دوم R2 برای مهار تخلیه جریان C1 از طریق فوتوتریاک در این مورد استفاده می شود.

فتوتریاک زمانی روشن می شود که ولتاژ خازن به حداکثر ولتاژ AC نزدیک باشد.

در نهایت، یک مقاومت RGK بین گیت و A1 مدار درایو را نهایی می کند. هدف از بکارگیری از RGk کاهش تحریک اشتباهی Triac فدرت ناشی از dV/dt که در دمای بالا رخ می دهد، است.

طراحی مقادیر برای مدار بالا:

با فرض اینکه برای ترایاک فرضی استفاده شده IG=10ma و VGT=1.3 v باشد و ولتاژ تحریک برای اپتوترایاک 1.8v باشد و همچنین برای حداکثز ریپل مجاز و مورد لنتظار RGk را 390 اهم انتخاب کنیم از رابطه (1) داریم:

می توان مقاومت های استاندارد R1=40 ohm و R2=150 oh, را انتخاب کرد.

آخرین محدودیت برای طراحی با نرخ افزایش ولتاژ در فتوتریاک داده می شود. بدترین حالت برای فوتوتریاک با ظهور ناگهانی پیک ولتاژ خط در هنگام خاموش شدن Triac ارایه می شود (البته یک مشکل عمدتاً در بار القایی وجود دارد). با استفاده از یک مدل ساده شده که اندوکتانس مدار را نادیده می گیرد، حداکثر dV/dt را در دوسر خازن C1 پیدا می کنیم.

نرخ بحرانی افزایش ولتاژ حالت خاموش برای فوتوتریاک 600 V/μs است که یک مقدار خازنی برای C1  به مقدار 10nF می دهد.

با در نظر گرفتن درجه بندی dV/dt استاتیک با دما (dV/dt استانیک با افزایش دما کاهش می یابد)، ظرفیت  nF 22 برای C1 انتخاب می شود.

برای حفاظت در مقابل افزایش ولتاژ مدار زیر به عنوان مدار تکمیلی استفاده می شود. می توان یک Transil ( همان TVS) را با آند و گیت ترایاک موازی کرد.

البته بازهم در مدار پیشنهادشده اگر بار مقاومتی باشد و در پیک شبکه برق افزایش یابد ولتاژ Triac با dI/dt بسیار بالا روشن می شود که می تواند باعث خرابی آن شود.

برای رفع این مشکل از یک MOV به صورت موازی با ترایاک و سری با بار استفاده می شود.