مرجع کامل سیستم های صوتی ایران

تریاک ها یک المان سه گانه برای جریان متناوب هستند،که دارای سه پایه بوده و جریان را از هر دوطرف خود میتوانند عبور دهند،در زمانی که تحریک شوند.تریاک ها،زیر مجموعه ای از تایریستور ها هستند،و کارکردشان شبیه به رله های مکانیکی است که در آن،جریان و ولتاژ بسیار کمی،جریان و ولتاژ بزرگی را کنترل میکند.همچنین تریاک ها با SCR ها نیز ارتباط دارند.تریاک ها اما برخلاف SCR ها،اجازه ی عبور جریان از هر دو طرف را میدهند در حالی که SCR ها تنها اجازه ی عبور جریان از یک  جهت را میدهند.همچنین،بیش تر تریاک ها،اجازه ی تحریک شدن هم با پالس مثبت و هم با پالس منفی را میدهند،در حالی که SCR ها فقط با ولتاژ گیت مثبت روشن میشوند.اما تریاکک ها نیز همانند SCR ها،بعد از روشن شدن،به هدایت ادامه داده و در صورت قطع جریان گیت،خاموش نمیشوند،مگر جریان عبوری از آنها از جریان نگه دارنده کمتر شود.تایریستور های خاموش شونده با گیت،یا GTO ها،نوعی از تریاک ها هستند که با قطع جریان گیت،خاموش میشوند.این دو سویه بودن تریاک ها باعث میشود که برای استفاده به عنوان یک کلید الکترونیکی کنترل کننده ی جریان AC،گزینه ی راحتی باشند.در ادامه،توان اعمال تحریک کننده در زاویه مشخصی از سیگنال متناوب ورودی،اجازه میدهد که بتوان متوسط جریان اعمال شده به بار را کنترل کرد(کنترل فاز).این کار تریاک ها را برای کار های کنترل توان موتور های یونیورسال،هیتر ها،لامپ ها،و....مناسب میسازد.تریاک ها المان های دوقطبی ای هستند.

عملکرد:

برای فهمیدن عملکرد تریاک ها،چهار ربع فرضی را در نظر بگیرید،این چهار ربع فرضی در شکل بالا نمایان است.در این شکل،چهار حالت روابط بین گیت،ترمینال MT1 یا آند1،MT2 یا آند 2،نشان داده شده است.

حساسیت نسبی در تریاک ها در هر کدام از این چهار حالت بستگی به ساختمان فیزیکی تریاک دارد اما،طبق قانون،در حالت ربع اول تریاک باید بیش ترین حساسیت را نسبت به جریان گیت داشته باشد(با جریان کمی روشن شود)،و حالت ربع چهارم گیت جریان میکشد،تا تریاک را راه اندازی کند.در حالت عملکرد ربع اول و دوم آند 2 نسبت به آند 1 مثبت است،جریان از لایه های PNP و یک لایه ی N دیگر عبور خواهد کرد،ناحیه ی N متصل به آند 2 البته مشارکت محسوسی ندارد.در ربع 3 و 4 آند 2 منفی است،جریان باز هم از لایه های PNP و یک لایه ی N عبور خواهد کرد اگرچه که ناحیه ی N متصل به آند 1 تنها در لحظه ی تحریک اولیه عبور میکند و نقشی در جریان فله ای که از کل تریاک عبور میکند ندارد.

ربع اول:در این حالت آند 2 نسبت به آند 1 مثبت است.طبق مکانیسمی که در تصویر نشان داده شده است،جریان گیت یک معادل ترانزیستور NPN را به وجود میاورد،که روشن شده است.روشن شدن این ترانزیستور از یک ترانزیستور PNP دیگر،جریان میکشد،و آنرا هم روشن میکند.مقداری از جریان گیت که با خط نقطه چین نشان داده شده،در آند 1 و در ناحیه P،از دست میرود،البته در راهی که در آن مقداری مقاومت اهمی وجود دارد.در این تزریق حفره ها در این نیمه هادی نوع P،لایه های NPN متصل به آند 1 را تبدیل به یک ترانزیستور NPN میکند،که رفتاری مشابه آن نیز دارد،و روشن میشود چون در بیس آن جریان وجود دارد،همچنین لایه های PNP متصل به آند 2،شبیه یک ترانزیستور PNP عمل میکند که روشن میشود چون لایه ی N بیس آن نسبت به امیترش(متصل به آند 2)در حالت مستقیم بایاس شده است.حالت ربع اول همانند روشن شدن یک SCR است،اگرچه ساختار آن نسبت به SCR متفاوت است،و اینکه در آن خطی که با نقطه چین مشخص شده میتوان دریافت که تریاک به دلیل عبور مقداری از جریان گیت از این خط در لایه ی P و بدون عبور از ترانزیستور NPN فرضی،به آند 1،نیاز به جریان گیت بیش تری نسبت به SCR معمولی دارد.حالت این ربع،حساسیت بیش تری نسبت به جریان گیت،در مقایسه با سایر حالت های کارکرد،دارد،چون جریان گیت به بیس یکی از ترانزیستور های فرضی،به صورت مستقیم تزریق میشود.

ربع دوم:در این حالت آند 2 نسبت به 1 همچنان مثبت است ولی پالس تحریک گیت منفی است.در تصویر زیر پروسه ی تحریک شدن تریاک در این حالت را میبینید،روشن شدن تریاک در این حالت سه مرحله دارد که در تصویر مشخص شده است،ابتدا جریان در گیت سرازیر میشود و از لایه ی P-N زیر گیت عبور میکند،این کار باعث روشن شدن یک ترانزیستور NPN یک ترانزیستور PNP که از آند 2 تا گیت تشکیل شده،میشود که گیت را به عنوان کاتد دارد.در مرحله ی اول آنرا میبینید.زمانی که جریانی که به گیت میرود زیاد میشود،پستانسیل لایه P زیر گیت نسبت به آند 1 زیاد میشود،همینطور که پتانسیل بین گیت و آند 2 کم میشود،این کار باعث جاری شدن یک جریان از سمت چپ به راست سیلیکون P میشود که با عدد 2 نشان داده شده.این جریان باعث روشن شدن کلید ترانزیستوری NPN زیر ترمینال آند 1 شده و و در نتیجه ترانزیستور PNP متصل به آند 2 و همچنین ترانزیستور NPN  که لایه P آن که بیس آن است،همان قسمت سمت راست لایه ی P بالا است،روشن شده و در نتیجه جریان شروع به عبور از مسیر 3 کرده و تریاک روشن میشود،و جریان اصلی همانند ربع اول از آند 2 به 1 سرازیر میشود.(مسیر 3)

ربع سوم:این حالت زمانی اتفاق میافتد که آند 2 و گیت نسبت به آند 1 منفی باشد،همانطور که مشاهده میکنید یک پروسه ی متفاوتی برای کارکرد این ربح وجود دارد.در مرحله ی اول،پیوند PN بین آند 1 و گیت در حالت مستقیم بایاس شده است(مرحله 1).بایاس مستقیم این پیوند باعث میشود که با تزریق حامل های اقلیت در این دولایه ی متصل به پیوند،الکترون ها به لایه ی P زیر گیت بروند(لایه P باریک)،البته برخی از این الکترون ها دوباره در این لایه ی P جمع نمیشوند و به لایه ی N زیری فرار میکنند(مرحله 2).این کار باعث کم شدن پتانسیل لایه N گیت میشود،که همانند بیس یک ترانزیستور PNP عمل میکند،و آنرا روشن میکند.(روشن کردن یک ترانزیستور بدون پایین آوردن مستقیم اختلاف پتانسیل،کنترل ریموتی گیت نام دارد.).لایه ی باریک P پایینی،همانند کلکتور این ترانزیستور PNP عمل میکند و ولتاژش افزایش میابد،همچنین این لایه ی P پایینی همانند بیس یک ترانزیستور NPN نیز که به سه لایه بالای آند 2 متصل شده(Nگیت،لایه P باریک بالا،و لایه بزرگ N وسط)،نیز عمل میکند،که در نوبت بعدی،فعال میشود.در نهایت با فعال شدن این ترانزیستور جریان اصلی که توسط یک خط با عدد 3 کنارش مشخص شده،از آند 1 به آند 2 عبور میکند و تریاک روشن میشود.

ربع چهارم:حالت چهارم زمانی اتفاق میافتد که آند 2 نسبت آند 1 منفی ولی پالس بیس مثبت است.بریم برای شرح این حالت:

تحریک در این حالت شبیه به تحریک در حالت سوم است که از کنترل ریموتی گیت یکی از ترانزیستور ها،برای روشن شدن تریاک استفاده میشود.همانطور که میبینید عبور جریان از لایه ی P زیر گیت به لایه N متصل به آند 1،حامل های اقلیت در فرم الکترون ها،به لایه ی P تزریق میشوند و برخی از آنها توسط پیوند NP پایینی،جمع میشوند و به ناحیه N مجاور بدون جمع شدن دوباره میروند.همانند حالت سومی،در این حالت نیز پتانسیل لایه ی N پایین آمده و ترانزیستور PNP که متشکل شده از لایه ی N و دو لایه ی P بالا،در مجاورت هم،روشن میشود.(Pگیت،Nآند 1 و P لایه باریک زیری).حال لایه P پایینی همانند کلکتور عمل کرده و ولتاژش افزایش میابد،همچنین این لایه ی باریک P به عنوان بیس یک ترانزیستور NPN نیز عمل کرده که در سه لایه بالا تر از آند 2 قرار دارد،که با این پروسه آن نیز فعال میشود.در نهایت با روشن شدن هر دو ترانزیستور،جریان نهایی از آند 1 به آند 2 طبق خط 3 عبور میکند و تریاک روشن میشود.

این حالت نیاز به جریان بیشتری در گیت برای روشن شدن نسبت به سه حالت دیگر دارد برای همین جریان گیتش زیاد است.برخی از مدل های خاص تریاک نیز توانایی تحریک و روشن شدن در این حالت را ندارند.

مشکلات:برای استفاده از تریاک ها تعدادی محدودیت وجود دارد که برای استفاده از آنها باید از این محدودیت ها با خبر باشید،در ادامه به تعدادی از این محدودیت ها اشاره میکنیم:

جریان نگهدارنده گیت،جریان قفل و جریان نگهدارنده تریاک:یک تریاک زمانی شروع به هدایت میکند که جریانی به اندازه ی کافی مربوط به یکی از چهار ربع عملکرد،به گیت وارد یا از آن خارج شود.حداقل جریان مورد نیاز برای این کار،به جریان نگهدارنده گیت معروف است،و با I_GT نشان داده میشود.در یک تریاک معمولی،جریان نگهدارنده گیت در حد چند میلی آمپر است،اما باید این موارد را نیز در نظر گرفت که:

1-I_GTوابسته به دما است،هرچه دما بالا تر باشد،جریان نشتی از پیوند های معکوس بیش تر خواهد بود،در نتیجه،حامل های بیش تری در محدوده گیت خواهید داشت و در نهایت به جریان گیت کمتری برای روشن کردن تریاک نیاز خواهیم داشت.

2-I_GTبستگی به این دارد که تریاک در کدام ربع میخواهد کار کند،به خاطر اینکه هر کدام از ربع ها،روش متفاوتی برای تحریک شدن دارند.اگر تریاک در ربع اول باشد بیش ترین حساسیت و کمترین جریان گیت را خواهیم داشت در صورتی که در ربع چهارم برعکس است.

3-هنگامی که میخواهید از حالت خاموش،تریاک را به حالت روشن ببریم،I_GT وابسته به ولتاژی که بین آند 1 و 2 موجود میباشد دارد.یعنی،ولتاژ بالا بین آند 1 و 2،باعث میشود که جریان نشتی بین پیوند های معکوس،زیاد شود،در نتیجه به جریان گیت کمتری احتیاج خواهیم داشت(شبیه وابستگی به دما که هرچه بیش تر میشد جریان نشتی نیز بیش تر میشد و جریان گیت کمتری مورد نیاز بود).

در دیتاشیت ها معمولا I_GT را در ولتاژ مشخصی بین دو آند و در یک دمای مشخص،ذکر میکنند.

هنگامی که جریان گیت را قطع میکنیم اگر جریان بین دو ترمینال آند بالا تر از جریانی که به آن جریان قفل میگوییم باشد،تریاک قفل کرده و به هدایت ادامه میدهد.جریان قفل،حداقل جریانی است که تریاک را بعد از قطع جریان گیت روشن نگه میدارد.البته مقدار این جریان نیز متغیر است که به عوامل زیر بستگی دارد:

1-پالس جریان گیت،از نظر:شکل،اندازه(پهنا)،و دامنه

2-دما

3-ربع عملکردی.

سپس،اگر زمان پالس گیت به اندازه کافی بزرگ باشد که تریاک را به طور موفق تحریک کند و روشن شود،و پس از آن جریان گیت قطع شود،حال در حالی که تریاک روشن است اگر جریان عبور کننده از آند ها را به حداقل جریان قفل برسانیم،که به آن جریان نگه دارنده میگویند،که حداقل جریانی است که لازم است تا تریاک روشن بماند و خاموش نشود.در دیتا شیت تریاک ها جریان قفل را با I_L و جریان نگه دارنده را با I_H  نشان میدهند.معمولا مقدار این جریان ها در حد چند میلی آمپر هستند.

مشخصه ی استاتیک dv/dt:اگر این نسبت بین پایه های آند 1 و 2 بالا باشد یعنی به طور خیلی سریع اختلاف پتانسیلی بین دو آند به وجود آوریم،میتواند باعث روشن شدن ناخواسته تریاک شود.مقدار dv/dt بر حسب ولت بر میکرو ثانیه است.روشن شدن سریع تریاک ناشی از وجود خازن های پارازیتی پیوند ها از ترمینال گیت و آند 2،میباشد که اجازه میدهند جریان از ترمینال 2 وارد گیت شود و تریاک را روشن کند،اگر تغییرات ولتاژ بسیار سریع اتفاق بیوفتد.یک راه برای از بین بردن این عیب،طراحی یک مدار RC یا RLC مناسب است.در این کار در بسیاری از مواقع،کافی است آمپدانس گیت نسبت به آند 1 را کم کنیم،با قرار دادن یک مقاومت،یا یک خازن،یا هر دوی آنها به صورت موازی،بین این دو ترمینال.جریانی که خازن از تریاک میکشد،باعث میشود تا دیر تر تریاک فعال شود.حتما قبل از طراحی این فیلتر اسنابر،دیتا شیت قطعه ی مورد نظر را خوانده باشید و قبل از تولید انبوه،آنرا با مدل سازی،تست کنید.معمولا ظرفیت خازن بین گیت و آند 1 حدود 100nf و مقدار مقاومت بین 10 اهم تا 1 کیلو اهم متغیر است.البته برخی از تریاک ها به جز نمونه های کوچک و حساس،این مدار را به طور داخلی در بسته بندی خود دارند تا در برابر تغییرات سریع ولتاژ به زمان حساسیت کمتری داشته باشند.

di/dt حیاتی:اگر جریان گذرنده از آند 1 به آند 2 بسیار سریع به مقدار بالایی برسد،میتواند منجر به آسیب و یا سوختن تریاک شود(تبدیل به شیره میشود😂)،حتی اگر در زمان کوتاهی این اتفاق بیوفتد.علت آن،این است که در زمان کموتاسیون،اتلاف توان،به طور یکنواخت بین کل ساختمان تریاک صورت نمیگیرد.آن هم به این خاطر که هنگامی که تریاک روشن میشود،شروع به هدایت جریان از طریق مسیری که نباید جریان اصلی از آنجا عبور کند،مینماید،(که در بالا و در ربع ها نشان داده شد که در لحظه ی روشن شدن جریان ابتدا از چه مسیرایی و سپس از چه مسیری همانند قسمت 1 و 2 ربع چهار و سپس قسمت 3،عبور میکند).در هنگام روشن شدن تریاک،جریان ابتدا از مسیر های دیگر در لحظه ای به مقدار چند نانو یا میکرو ثانیه،عبور مینماید،و بعد از مداری دیگر عبور میکند اما تا لحظه ی تکمیل شدن این مدار،که زمان بیش تری میبرد،برای همین اگر در این لحظات جریان بسیار بالایی از تریاک عبور دهیم منجر به بالا رفتن دما در پیوند های آن شده و در نهایت میتواند منجر به سوختن و یا آسیب به آن شود.در دیتا شیت ها di/dt بر حسب چند ده آمپر به میکرو ثانیه نشان داده میشود.

کموتاسیون dv/dt و کموتاسیون di/dt:کموتاسیون(خاموش شدن)dv/dt هنگامی اتفاق میوفتد که تریاک در حالت روشن است ولی تلاش میکند که خاموش شود،اگر بار متصل شده به آن راکتیو باشد،همانند یک سلف یا موتور.میدانیم که در سلف ولتاژ و جریان خارج از فاز یکدیگر اند،پس اگر در زمانی که جریان افت میکند و به زیر مقدار نگه دارنده میرود،تریاک تلاش میکند خاموش شود اما به دلیل اختلاف فاز بین جریان و ولتاژ،یک ولتاژ ناگهانی بین آند 1 و 2 قرار میگیرد که دوباره باعث روشن شدن تریاک میشود.در دیتاشیت این پارامتر با (dv/dt)_c در دیتا شیت نشان داده میشود و بر حسب چندین ولت بر میکروثانیه است.دلیل اینکه کموتاسیون dv/dt از dv/dt استاتیکی کمتر است،این است که قبل از خاموش شدن تریاک،هنوز حامل های اقلیت در داخل ساختمان تریاک وجود دارند و در نتیجه به هدایت کمک میکنند،هنگامی که تریاک میرود که خاموش شود،این شار ها پتانسیل لایه بین آند 1 و گیت را تغییر میدهند،به همین دلیل برای این خاصیت های خازنی،راحت است که در این لحظه دوباره تریاک را راحت روشن کنیم.اگرچه که این کار معایبی نیز به همراه دارد،نیاز به جریان بیش تر برای تحریک،و نیز دیر تر تحریک شدن در مواقعی که میخواهیم تریاک تحریک شود،

یک پارامتر مهم دیگر در هنگام کموتاسیون از حالت روشن به خاموش،di/dt است که جریان گذرنده بین آند 1 و 2 را نسبت به زمان مشخص میکند،این شبیه به زمان ریکاوری در دیود های معمولی است،بالا تر بودن این مشخصه به معنی جریان معکوس بیش تر است.به دلیل اینکه در تریاک ها مقاومت های پارازیتی وجود دارد،یک جریان معکوس بین پیوند های pn داخل آن میتواند باعث افت ولتاژ بین آند 1 و گیت شود که باعث میشود تریاک روشن بماند.در دیتاشیت این پارامتر با (di/dt)_c نشان داده میشود و معمولا چند آمپر بر میکروثانیه است.

کموتاسیون dv/dt بسیار مهم است هنگامی که از تریاک برای کنترل بار با اختلاف فاز بین ولتاژ و جریان استفاده میشود،همانند یک سلف،فرض کنید یکی میخواهد این سلف را خاموش کند،اگر جریان به صفر نزدیک شود و جریانی برای گیت نیز وجود نداشته باشد،تریاک میرود که خاموش شود،اما به دلیل بالا رفتن ولتاژ به دلیل اختلاف فاز،در تریاک،اگر از مقدار کموتاسیون dv/dt فراتر رود،تریاک دوباره روشن شده و خاموش نمیشود.

مدار های اسنابر:هنگامی که از بار های سلفی یا خازنی استفاده میکنیم باید مراقب باشیم که تریاک در هر نیم سیکل AC،خاموش شود،و همیشه روشن نماند.همانطور که گفته شد تریاک ها نسبت به تغییرات سریع ولتاژ بین آند 1 و آند 2 حساس اند و در بار های با اختلاف فاز،باعث میشود که ولتاژ یک پله جلو تر باشد و به اشتباه،تریاک را روشن نگه دارد(به دلایلی که در بالا ذکر شد).یک موتور بار القایی و منایع تغذیه کامپیوتر-تلوزیون بار خازنی دارند.

از روشن شدن های ناخواسته در صورت استفاده از تریاک در این مدارات را میتوان با مدار های اسنابر از بین برد.(معمولا با استفاده از خازن+مقاومت،یا مدارات خازن+مقاومت+سلف)بین آند1 و آند 2.همچنین مدارات اسنابر از روشن شدن زودرس تریاک ناشی از پالس های منبع تغذیه،جلوگیری میکنند.

به دلیل اینکه روشن شدن های نا خواسته ناشی از خازن های پارازیتی و تحریک با جریان آنها به گیت و در نتیجه ی بالا بودن dv/dt است،یک مقاومت یا یک خازن که به گیت و آند 1 متصل است میتواند باعث ایجاد راهی با امپدانس پایین تر برای عبور جریان به آند 1 باشد و از تحریک به صورت خطا جلوگیری کند.اگرچه که در این صورت،به جریان گیت بیش تری برای تحریک نیاز است و زمان روشن شدن در زمانی که واقعا میخواهیم تریاک روشن شود،کمی بالا میرود،ناشی از نیاز خازن به شارژ شدن در زمان تحریک.در دستی دیگر،یک مقاومت بین گیت و آند 1 باعث میشود که جریان های نشتی از طریق آن به خارج از تریاک بروند،که در زمان بالا بودن دما نیز به این امر کمک میکند،در جایی که حداکثر dv/dt مجاز پایین میاید اما این مقاومت آنرا بالا میبرد.مقاومت 1 کیلو و خازن 100 نانو برای این کار مناسب هستند اما باید با توجه به موقعیت و کارکرد مدار آنها را تنظیم کرد و با مدل،تست کرد.

برای توان های بالا و یا بار هایی با خاصیت راکیتیو بالا،میتوان از دو scr به صورت موازی و معکوس با هم،استفاده کرد،به جای تریاک.به خاطر اینکه در scr ها،هر کدام فقط در یک نیم سیکل روشن میشوند،خاموش شدن و قطع کردن آنها به محض تمام شدن نیم سیکل،مورد اطمینان تر است،و مهم نیست بار چقدر خاصیت سلفی یا خازنی داشته باشد.اگرچه که به خاطر دو گیت مجزا از هم در این حالت انتخاب راهی برای تحریک scr ها سخت تر از تحریک یک تریاک است.

همچنین از دیگر معایب تریاک ها میتوان به این اشاره کرد که مثلا در بار های راکتیو اگر به دلیل اختلاف فاز جریان،در لحظه ی مورد نیاز برای تحریک،مقدار جریان کمتر از جریان نگه دارنده باشد.برای حل این مشکل میتوان از جریان dc و یا موج پالسی برای تحریک استفاده کرد تا بالاخره در زمان بالا رفتن جریان از میزان نگه دارنده تریاک روشن شود اما این مطلوب نیست چون دستور زمانی ما بدون اجرا شدن در زمان مشخص و زاویه ی خواسته شده،انجام میشود.

کاربرد ها:از تریاک های با توان کمتر در دیمر ها،مدار کنترل هواکش و فن ها،و دیگر موتور ها میتوان استفاده کرد،و یا در مدارات با کنترل های کامپیوتری،از کوچک تا بزرگ.در زمانی که از تریاک ها برای کنترل مدارات با برق شهری به همراه تحریک با میکروکنترلر استفاده میشود،از اپتوایزولاتور ها برای کنترل آنها استفاده میشود،مثلا برخی از تریاک ها دارای این قطعه درون خود هستند که به آنها اپتوتریاک میگویند.(اپتوتریاک دانشگاه رفته اسمش باکلاس شده).اگر دستورات ایمنی در مکانی اجازه بدهند که ایزوله شدن الکتریکی بین کنترلر،لازم نباشد،مثلا ممکن است یکی از پایه های میکروکنترلر به نول برق اصلی متصل باشد و همچنین آند 1 تریاک،آند 2 به فاز متصل است.گیت تریاک میتواند با یک اپتوایزولاتور ترانزیستوری یا یک مقاومت،به خروجی میکروکنترلر متصل شود،بنابراین اگر ولتاژ را به اندازه ی صفر منطقی میکرو کنترلر پایین بیاوریم،به اندازه کافی از گیت تریاک جریان کشیده میشود تا آنرا روشن کند،در این حالت تریاک در ربع 2 و 3 کار میکند و میتوان اطمینان حاصل کرد که در ربع چهارم نیست،که کمترین حساسیت را دارد.

برخی از تریاک ها به نحوی طراحی شده اند که تنها در ربع های اول تا سوم کار میکنند ولی در ربع چهارم نه،این تریاک ها که ملقب به آلترنیستور نیز هستند،دیگر بدون نیاز به مدارات اسنابر میتوانند بار های که راکتیو بالایی دارند را درایو  و کنترل کنند.

جدول مشخصات تریاک ها:برای اینکه بتوانید دیتاشیت تریاک ها را راحت بخوانید برای شما این جدول را با برخی از مشخصات تریاک ها آماده کرده ایم: