三端雙向可控硅（Triac）教程

三端雙向可控硅（Triac）是一種高速固態器件，可以在正弦波形的兩個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電路的一個問題是，像二極管一樣，晶閘管是一種單向器件，意味著它只在一個方向上傳遞電流，從陽極到陰極。

對于直流開關電路，這種“單向”開關特性可能是可以接受的，因為一旦觸發，所有直流電源都會直接傳遞到負載。但在正弦交流開關電路中，這種單向開關可能是一個問題，因為它只在陽極為正的半個周期內導通（如半波整流器），無論門極信號如何。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晶閘管，在每個正半波觸發，或者將兩個晶閘管反向并聯（背靠背）連接，如下所示，但這增加了開關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，還有一種稱為“三端交流開關”或簡稱Triac的半導體器件，也是晶閘管家族的一員，可以用作固態功率開關器件。但Triac相對于可控硅整流器（SCR）的最大優勢在于它是一種“雙向”開關器件。

換句話說，Triac可以通過施加到其陽極的正負電壓以及施加到其門極的正負觸發脈沖觸發導通，使其成為兩象限開關門控器件。

Triac的行為就像兩個傳統的晶閘管反向并聯（背靠背）連接在一起，由于這種安排，兩個晶閘管共享一個共同的門極端子，全部封裝在一個三端封裝中。

由于它在正弦波形的兩個方向上導通，用于識別晶閘管主電源端子的陽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，門極端子G的引用相同。

在大多數交流開關應用中，Triac的門極端子與MT1端子相關聯，類似于晶閘管的門極-陰極關系或晶體管的基極-發射極關系。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“關閉”狀態下阻止電流，像開路開關一樣，但與傳統的晶閘管不同，它可以在任一方向上通過單個門極脈沖觸發導通。然后，Triac有四種可能的觸發操作模式，如下所示。

Ι + 模式 = MT2電流為正（+ve），門極電流為正（+ve）

Ι – 模式 = MT2電流為正（+ve），門極電流為負（-ve）

ΙΙΙ + 模式 = MT2電流為負（-ve），門極電流為正（+ve）

ΙΙΙ – 模式 = MT2電流為負（-ve），門極電流為負（-ve）

這些操作模式可以使用其I-V特性曲線顯示。

I-V特性曲線

Triac特性曲線

在象限Ι中，Triac通常通過正門極電流觸發導通，標記為模式Ι+。但它也可以通過負門極電流觸發，模式Ι–。同樣，在象限ΙΙΙ中，觸發負門極電流，–ΙG也很常見，模式ΙΙΙ–以及模式ΙΙΙ+。然而，模式Ι–和ΙΙΙ+是較不敏感的配置，需要比更常見的Triac觸發模式Ι+和ΙΙΙ–更大的門極電流來觸發。

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

Triac應用

Triac是最常用的半導體器件，用于交流系統的開關和功率控制，因為Triac可以通過正或負門極脈沖“開啟”，無論當時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開關電路。

基本Triac開關電路

Triac作為開關

上面的電路顯示了一個簡單的直流觸發Triac功率開關電路。當開關SW1打開時，沒有電流流入Triac的門極，因此燈“關閉”。當SW1關閉時，門極電流通過電阻R從電池電源VG施加到Triac，Triac被驅動到完全導通，像閉合開關一樣，燈從正弦電源中汲取全功率。

由于電池在開關SW1關閉時向Triac提供正門極電流，因此無論MT2端子的極性如何，Triac都會在模式Ι+和ΙΙΙ+中持續門控。

當然，這個簡單的Triac開關電路的問題是我們需要額外的正或負門極電源來觸發Triac導通。但我們也可以使用實際的交流電源電壓本身作為門極觸發電壓來觸發Triac。考慮下面的電路。

Triac開關電路

Triac開關電路

該電路顯示了一個Triac用作簡單的靜態交流電源開關，提供“開啟”-“關閉”功能，類似于之前的直流電路。當開關SW1打開時，Triac充當開路開關，燈通過零電流。當SW1關閉時，Triac通過限流電阻R門控“開啟”，并在每個半周期開始后不久自鎖，從而將全功率切換到燈負載。

由于電源是正弦交流電，Triac在每個交流半周期結束時自動解鎖，因為瞬時電源電壓和負載電流短暫降至零，但只要開關保持關閉，就會在下一個半周期使用相反的晶閘管半部重新鎖定。這種類型的開關控制通常稱為全波控制，因為正弦波的兩個半波都被控制。

由于Triac實際上是兩個背靠背連接的SCR，我們可以通過修改門極觸發方式進一步改進這個Triac開關電路，如下所示。

改進的開關電路

改進的開關電路

如上所述，如果開關SW1在位置A打開，則沒有門極電流，燈“關閉”。如果開關移動到位置B，門極電流在每個半周期流動，與之前相同，Triac在模式Ι+和ΙΙΙ–中操作，燈汲取全功率。

然而，這次當開關連接到位置C時，二極管將阻止在MT2為負時觸發門極，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，燈將以半功率點亮。然后，根據開關的位置，負載關閉、半功率或全開。

Triac相位控制

另一種常見的開關電路使用相位控制來改變電壓量，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。這種類型的交流電機速度控制提供了完全可變和線性的控制，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

這個基本的相位觸發電路使用Triac與電機串聯在交流正弦電源上。可變電阻VR1用于控制Triac門極上的相移量，從而通過在不同時間在交流周期內開啟它來控制施加到電機的電壓量。

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

在每個周期開始時，C1通過可變電阻VR1充電。這持續到C1上的電壓足以觸發Diac導通，從而使電容器C1放電到Triac的門極，使其“開啟”。

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

正如我們在上面看到的，Triac在半周期結束時自動關閉，VR1 – C1觸發過程在下一個半周期重新開始。

然而，由于Triac在每個操作模式中需要不同量的門極電流，例如Ι+和ΙΙΙ–，因此Triac是不對稱的，這意味著它可能不會在每個正負半周期的完全相同點觸發。

這個簡單的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，實際上與許多家庭中使用的Triac調光器非常相似。然而，商業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，我們可以通過總結其主要點來結束這個Triac教程：

“Triac”是另一種4層、3端晶閘管器件，類似于SCR。

它可以在任一方向上觸發導通。

它有四種可能的觸發模式，其中2種是首選的。

當正確使用時，使用Triac進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工具和小型電器中常見的通用電機。

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