三端雙向可控硅（Triac）教程

三端雙向可控硅（Triac）是一種高速固態(tài)器件，可以在正弦波形的兩個(gè)方向上切換和控制交流電源。

晶閘管和三端雙向可控硅都可以用于控制燈具、電機或加熱器等。然而，使用晶閘管控制此類(lèi)電路的一個(gè)問(wèn)題是，像二極管一樣，晶閘管是一種單向器件，意味著(zhù)它只在一個(gè)方向上傳遞電流，從陽(yáng)極到陰極。

對于直流開(kāi)關(guān)電路，這種“單向”開(kāi)關(guān)特性可能是可以接受的，因為一旦觸發(fā)，所有直流電源都會(huì )直接傳遞到負載。但在正弦交流開(kāi)關(guān)電路中，這種單向開(kāi)關(guān)可能是一個(gè)問(wèn)題，因為它只在陽(yáng)極為正的半個(gè)周期內導通（如半波整流器），無(wú)論門(mén)極信號如何。因此，在交流操作中，晶閘管只能向負載提供一半的功率。

為了獲得全波功率控制，我們可以在全波橋式整流器中連接一個(gè)晶閘管，在每個(gè)正半波觸發(fā)，或者將兩個(gè)晶閘管反向并聯(lián)（背靠背）連接，如下所示，但這增加了開(kāi)關(guān)電路的復雜性和使用的組件數量。

晶閘管配置

晶閘管配置

然而，還有一種稱(chēng)為“三端交流開(kāi)關(guān)”或簡(jiǎn)稱(chēng)Triac的半導體器件，也是晶閘管家族的一員，可以用作固態(tài)功率開(kāi)關(guān)器件。但Triac相對于可控硅整流器（SCR）的最大優(yōu)勢在于它是一種“雙向”開(kāi)關(guān)器件。

換句話(huà)說(shuō)，Triac可以通過(guò)施加到其陽(yáng)極的正負電壓以及施加到其門(mén)極的正負觸發(fā)脈沖觸發(fā)導通，使其成為兩象限開(kāi)關(guān)門(mén)控器件。

Triac的行為就像兩個(gè)傳統的晶閘管反向并聯(lián)（背靠背）連接在一起，由于這種安排，兩個(gè)晶閘管共享一個(gè)共同的門(mén)極端子，全部封裝在一個(gè)三端封裝中。

由于它在正弦波形的兩個(gè)方向上導通，用于識別晶閘管主電源端子的陽(yáng)極和陰極端子的概念被替換為：MT1，用于主端子1和MT2用于主端子2，門(mén)極端子G的引用相同。

在大多數交流開(kāi)關(guān)應用中，Triac的門(mén)極端子與MT1端子相關(guān)聯(lián)，類(lèi)似于晶閘管的門(mén)極-陰極關(guān)系或晶體管的基極-發(fā)射極關(guān)系。用于表示Triac的結構、P-N摻雜和原理圖符號如下所示。

Triac符號和結構

Triac符號

我們現在知道，“Triac”是一種4層、PNPN在正方向和NPNP在負方向的三端雙向器件，在“關(guān)閉”狀態(tài)下阻止電流，像開(kāi)路開(kāi)關(guān)一樣，但與傳統的晶閘管不同，它可以在任一方向上通過(guò)單個(gè)門(mén)極脈沖觸發(fā)導通。然后，Triac有四種可能的觸發(fā)操作模式，如下所示。

Ι + 模式 = MT2電流為正（+ve），門(mén)極電流為正（+ve）

Ι – 模式 = MT2電流為正（+ve），門(mén)極電流為負（-ve）

ΙΙΙ + 模式 = MT2電流為負（-ve），門(mén)極電流為正（+ve）

ΙΙΙ – 模式 = MT2電流為負（-ve），門(mén)極電流為負（-ve）

這些操作模式可以使用其I-V特性曲線(xiàn)顯示。

I-V特性曲線(xiàn)

Triac特性曲線(xiàn)

在象限Ι中，Triac通常通過(guò)正門(mén)極電流觸發(fā)導通，標記為模式Ι+。但它也可以通過(guò)負門(mén)極電流觸發(fā)，模式Ι–。同樣，在象限ΙΙΙ中，觸發(fā)負門(mén)極電流，–ΙG也很常見(jiàn)，模式ΙΙΙ–以及模式ΙΙΙ+。然而，模式Ι–和ΙΙΙ+是較不敏感的配置，需要比更常見(jiàn)的Triac觸發(fā)模式Ι+和ΙΙΙ–更大的門(mén)極電流來(lái)觸發(fā)。

此外，就像可控硅整流器（SCR）一樣，Triac也需要最小保持電流IH以在波形交叉點(diǎn)維持導通。然后，即使兩個(gè)晶閘管組合成一個(gè)單一器件，它們仍然表現出單獨的電氣特性，如不同的擊穿電壓、保持電流和觸發(fā)電壓水平，與我們期望的單個(gè)SCR器件完全相同。

Triac應用

Triac是最常用的半導體器件，用于交流系統的開(kāi)關(guān)和功率控制，因為T(mén)riac可以通過(guò)正或負門(mén)極脈沖“開(kāi)啟”，無(wú)論當時(shí)交流電源的極性如何。這使得Triac非常適合控制燈具或交流電機負載，如下所示的基本Triac開(kāi)關(guān)電路。

基本Triac開(kāi)關(guān)電路

Triac作為開(kāi)關(guān)

上面的電路顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單的直流觸發(fā)Triac功率開(kāi)關(guān)電路。當開(kāi)關(guān)SW1打開(kāi)時(shí)，沒(méi)有電流流入Triac的門(mén)極，因此燈“關(guān)閉”。當SW1關(guān)閉時(shí)，門(mén)極電流通過(guò)電阻R從電池電源VG施加到Triac，Triac被驅動(dòng)到完全導通，像閉合開(kāi)關(guān)一樣，燈從正弦電源中汲取全功率。

由于電池在開(kāi)關(guān)SW1關(guān)閉時(shí)向Triac提供正門(mén)極電流，因此無(wú)論MT2端子的極性如何，Triac都會(huì )在模式Ι+和ΙΙΙ+中持續門(mén)控。

當然，這個(gè)簡(jiǎn)單的Triac開(kāi)關(guān)電路的問(wèn)題是我們需要額外的正或負門(mén)極電源來(lái)觸發(fā)Triac導通。但我們也可以使用實(shí)際的交流電源電壓本身作為門(mén)極觸發(fā)電壓來(lái)觸發(fā)Triac?？紤]下面的電路。

Triac開(kāi)關(guān)電路

Triac開(kāi)關(guān)電路

該電路顯示了一個(gè)Triac用作簡(jiǎn)單的靜態(tài)交流電源開(kāi)關(guān)，提供“開(kāi)啟”-“關(guān)閉”功能，類(lèi)似于之前的直流電路。當開(kāi)關(guān)SW1打開(kāi)時(shí)，Triac充當開(kāi)路開(kāi)關(guān)，燈通過(guò)零電流。當SW1關(guān)閉時(shí)，Triac通過(guò)限流電阻R門(mén)控“開(kāi)啟”，并在每個(gè)半周期開(kāi)始后不久自鎖，從而將全功率切換到燈負載。

由于電源是正弦交流電，Triac在每個(gè)交流半周期結束時(shí)自動(dòng)解鎖，因為瞬時(shí)電源電壓和負載電流短暫降至零，但只要開(kāi)關(guān)保持關(guān)閉，就會(huì )在下一個(gè)半周期使用相反的晶閘管半部重新鎖定。這種類(lèi)型的開(kāi)關(guān)控制通常稱(chēng)為全波控制，因為正弦波的兩個(gè)半波都被控制。

由于Triac實(shí)際上是兩個(gè)背靠背連接的SCR，我們可以通過(guò)修改門(mén)極觸發(fā)方式進(jìn)一步改進(jìn)這個(gè)Triac開(kāi)關(guān)電路，如下所示。

改進(jìn)的開(kāi)關(guān)電路

改進(jìn)的開(kāi)關(guān)電路

如上所述，如果開(kāi)關(guān)SW1在位置A打開(kāi)，則沒(méi)有門(mén)極電流，燈“關(guān)閉”。如果開(kāi)關(guān)移動(dòng)到位置B，門(mén)極電流在每個(gè)半周期流動(dòng)，與之前相同，Triac在模式Ι+和ΙΙΙ–中操作，燈汲取全功率。

然而，這次當開(kāi)關(guān)連接到位置C時(shí)，二極管將阻止在MT2為負時(shí)觸發(fā)門(mén)極，因為二極管反向偏置。因此，它只在正半周期導通，僅在模式I+中操作，燈將以半功率點(diǎn)亮。然后，根據開(kāi)關(guān)的位置，負載關(guān)閉、半功率或全開(kāi)。

Triac相位控制

另一種常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)電路使用相位控制來(lái)改變電壓量，從而改變施加到負載（在這種情況下是電機）的功率，用于輸入波形的正負半波。這種類(lèi)型的交流電機速度控制提供了完全可變和線(xiàn)性的控制，因為電壓可以從零調整到全施加電壓，如圖所示。

相位控制

相位控制

這個(gè)基本的相位觸發(fā)電路使用Triac與電機串聯(lián)在交流正弦電源上?？勺冸娮鑆R1用于控制Triac門(mén)極上的相移量，從而通過(guò)在不同時(shí)間在交流周期內開(kāi)啟它來(lái)控制施加到電機的電壓量。

Triac的觸發(fā)電壓來(lái)自VR1 – C1組合通過(guò)Diac（Diac是一種雙向半導體器件，有助于提供尖銳的觸發(fā)電流脈沖以完全開(kāi)啟Triac）。

在每個(gè)周期開(kāi)始時(shí)，C1通過(guò)可變電阻VR1充電。這持續到C1上的電壓足以觸發(fā)Diac導通，從而使電容器C1放電到Triac的門(mén)極，使其“開(kāi)啟”。

一旦它被觸發(fā)導通并飽和，它有效地短路了與其并聯(lián)連接的門(mén)極觸發(fā)相位控制電路，并在剩余的半周期內接管控制。

正如我們在上面看到的，Triac在半周期結束時(shí)自動(dòng)關(guān)閉，VR1 – C1觸發(fā)過(guò)程在下一個(gè)半周期重新開(kāi)始。

然而，由于Triac在每個(gè)操作模式中需要不同量的門(mén)極電流，例如Ι+和ΙΙΙ–，因此Triac是不對稱(chēng)的，這意味著(zhù)它可能不會(huì )在每個(gè)正負半周期的完全相同點(diǎn)觸發(fā)。

這個(gè)簡(jiǎn)單的Triac速度控制電路不僅適用于交流電機速度控制，還適用于燈調光器和電加熱器控制，實(shí)際上與許多家庭中使用的Triac調光器非常相似。然而，商業(yè)Triac調光器不應用作電機速度控制器，因為通常Triac調光器僅用于電阻負載，如白熾燈。

然后，我們可以通過(guò)總結其主要點(diǎn)來(lái)結束這個(gè)Triac教程：

“Triac”是另一種4層、3端晶閘管器件，類(lèi)似于SCR。

它可以在任一方向上觸發(fā)導通。

它有四種可能的觸發(fā)模式，其中2種是首選的。

當正確使用時(shí)，使用Triac進(jìn)行電氣交流功率控制非常有效，用于控制電阻型負載，如白熾燈、加熱器或便攜式電動(dòng)工具和小型電器中常見(jiàn)的通用電機。

但請記住，這些器件可以直接連接到主交流電源，因此在測試電路時(shí)應斷開(kāi)電源控制器件與主電源的連接。請記住安全第一！