Triac là gì: chuyển mạch và ứng dụng

Các công tắc điện tử công suất như BJT, SCR, IGBT, MOSFET và TRIAC là những thành phần rất quan trọng khi nói đến các mạch chuyển mạch như bộ chuyển đổi DC-DC, Bộ điều khiển tốc độ động cơ, Bộ điều khiển động cơ và Bộ điều khiển tần số, v.v. Mỗi thiết bị có đặc tính riêng biệt và do đó chúng có các ứng dụng cụ thể của riêng chúng. Trong hướng dẫn này, chúng ta sẽ tìm hiểu về TRIAC, là một thiết bị hai chiều có nghĩa là nó có thể dẫn theo cả hai hướng. Do đặc tính này, TRIAC được sử dụng độc quyền khi có nguồn cung cấp AC hình sin.

Giới thiệu về TRIAC

Thuật ngữ TRIAC là viết tắt của TRI ode for A lternating C urrent. Nó là một thiết bị chuyển mạch ba đầu cuối tương tự như SCR (Thyristor) nhưng nó có thể dẫn theo cả hai hướng vì nó cấu tạo bằng cách kết hợp hai SCR ở trạng thái chống song song. Biểu tượng và mã pin của TRIAC được hiển thị bên dưới.

Vì TRIAC là thiết bị hai chiều nên dòng điện có thể chạy từ MT1 sang MT2 hoặc từ MT2 sang MT1 khi thiết bị đầu cuối cổng được kích hoạt. Đối với TRIAC, điện áp kích hoạt này được áp dụng cho thiết bị đầu cuối cổng có thể là dương hoặc âm đối với đầu cuối MT2. Do đó, điều này đặt TRIAC thành bốn chế độ hoạt động như được liệt kê bên dưới

• Điện áp dương tại MT2 và xung dương tới cổng (Góc phần tư 1)
• Điện áp dương tại MT2 và xung âm tới cổng (Góc phần tư 2)
• Điện áp âm tại MT2 và xung dương tới cổng (Góc phần tư 3)
• Điện áp âm tại MT2 và xung âm tới cổng (Góc phần tư 4)

VI Các đặc điểm của một TRIAC

Hình ảnh dưới đây minh họa trạng thái của TRIAC trong mỗi góc phần tư.

Các đặc tính bật và tắt của TRIAC có thể được hiểu bằng cách nhìn vào đồ thị đặc trưng VI của TRIAC cũng được hiển thị trong hình trên. Vì TRIAC chỉ là sự kết hợp của hai SCR theo hướng ngược song song nên đồ thị đặc tính VI trông tương tự như đồ thị của SCR. Như bạn có thể thấy TRIAC chủ yếu hoạt động ở Góc phần tư ^thứ 1 và Góc phần tư ^thứ 3.

Đặc điểm bật

Để bật TRIAC, điện áp / xung cổng dương hoặc âm phải được cung cấp cho chân cổng của TRIAC. Khi được kích hoạt một trong hai SCR bên trong, TRIAC bắt đầu hoạt động dựa trên cực của các đầu cuối MT1 và MT2. Nếu MT2 dương và MT1 âm thì SCR đầu tiên dẫn và nếu đầu cuối MT2 là âm và MT1 dương thì SCR thứ hai sẽ dẫn. Bằng cách này, một trong hai SCR luôn hoạt động, do đó làm cho TRIAC trở nên lý tưởng cho các ứng dụng AC.

Điện áp tối thiểu phải đặt vào chân cổng để BẬT TRIAC được gọi là điện áp cổng ngưỡng (V _GT) và dòng điện tạo ra qua chân cổng được gọi là dòng cổng ngưỡng (I _GT). Khi điện áp này được cấp vào chân cổng, TRIAC được phân cực thuận và bắt đầu dẫn điện, thời gian cần thiết để TRIAC thay đổi từ trạng thái tắt sang trạng thái bật được gọi là thời gian bật (t _on).

Giống như SCR, TRIAC sau khi được bật sẽ vẫn được bật trừ khi nó được chuyển đổi. Nhưng đối với điều kiện này, dòng tải qua TRIAC phải lớn hơn hoặc bằng dòng chốt (I _L) của TRIAC. Vì vậy, để kết luận một TRIAC sẽ vẫn bật ngay cả sau khi loại bỏ xung cổng miễn là dòng tải lớn hơn giá trị của dòng chốt.

Tương tự như dòng điện chốt, có một giá trị quan trọng khác của dòng điện được gọi là dòng điện giữ. Giá trị dòng điện tối thiểu để giữ TRIAC ở chế độ dẫn chuyển tiếp được gọi là dòng điện giữ (I _H). TRIAC sẽ chỉ chuyển sang chế độ dẫn liên tục sau khi đi qua dòng điện giữ và dòng điện chốt như thể hiện trong biểu đồ trên. Ngoài ra, giá trị Dòng điện bắt của bất kỳ TRIAC nào sẽ luôn lớn hơn giá trị của dòng điện giữ.

Đặc điểm tắt

Quá trình tắt TRIAC hoặc bất kỳ thiết bị điện nào khác được gọi là giao hoán, và mạch liên kết với nó để thực hiện nhiệm vụ được gọi là mạch giao hoán. Phương pháp phổ biến nhất được sử dụng để tắt TRIAC là giảm dòng tải qua TRIAC cho đến khi nó đạt dưới giá trị của dòng giữ (I _H). Loại giao hoán này được gọi là giao hoán cưỡng bức trong mạch điện một chiều. Chúng ta sẽ tìm hiểu thêm về cách Bật và Tắt TRIAC thông qua các mạch ứng dụng của nó.

Ứng dụng TRIAC

TRIAC được sử dụng rất phổ biến ở những nơi cần điều khiển nguồn điện xoay chiều, ví dụ, nó được sử dụng trong bộ điều tốc của quạt trần, mạch điều chỉnh độ sáng bóng đèn xoay chiều, v.v… Chúng ta hãy xem xét một mạch chuyển đổi TRIAC đơn giản để hiểu cách hoạt động thực tế của nó.

Ở đây chúng tôi đã sử dụng TRIAC để bật và tắt tải AC thông qua một nút nhấn. Sau đó, nguồn điện chính được đấu vào một bóng đèn nhỏ thông qua TRIAC như hình trên. Khi công tắc đóng, điện áp pha được đặt vào chân cổng của TRIAC thông qua điện trở R1. Nếu điện áp cổng này cao hơn điện áp ngưỡng cổng thì dòng điện chạy qua chân cổng sẽ lớn hơn dòng điện ngưỡng cổng.

Ở điều kiện này, TRIAC đi vào phân cực thuận và dòng tải sẽ chạy qua Bóng đèn. Nếu tải tiêu thụ đủ dòng điện, TRIAC sẽ chuyển sang trạng thái chốt. Nhưng vì đây là nguồn điện xoay chiều nên điện áp sẽ đạt đến 0 trong mỗi nửa chu kỳ và do đó dòng điện cũng sẽ về 0 trong giây lát. Do đó không thể chốt trong mạch này và TRIAC sẽ tắt ngay sau khi công tắc được mở và không cần mạch chuyển mạch ở đây. Loại giao hoán này của TRIAC được gọi là giao hoán tự nhiên. Bây giờ chúng ta hãy xây dựng mạch này trên breadboard sử dụng BT136 TRIAC và kiểm tra xem nó hoạt động như thế nào.

Cần hết sức thận trọng khi làm việc với nguồn điện AC, điện áp hoạt động được giảm xuống vì mục đích an toàn Nguồn AC tiêu chuẩn 230V 50Hz (Ở Ấn Độ) được giảm xuống 12V 50Hz bằng máy biến áp. Một bóng đèn nhỏ được kết nối như một tải. Thiết lập thử nghiệm trông giống như sau khi hoàn thành.

Khi nhấn nút, chân cổng nhận được điện áp cổng và do đó TRIAC được BẬT. Bóng đèn sẽ phát sáng miễn là nhấn giữ nút. Sau khi nhả nút, TRIAC sẽ ở trạng thái chốt, nhưng vì điện áp đầu vào là AC nên dòng điện mặc dù TRIAC sẽ xuống dưới dòng giữ và do đó TRIAC sẽ tắt, hoạt động hoàn chỉnh cũng có thể được tìm thấy trong video được đưa ra ở cuối hướng dẫn này.

Điều khiển TRIAC bằng Vi điều khiển

Khi TRIAC được sử dụng làm bộ điều chỉnh độ sáng hoặc cho ứng dụng điều khiển Pha, xung cổng được cung cấp cho chân cổng phải được điều khiển bằng vi điều khiển. Trong trường hợp đó, chân cổng cũng sẽ được cách ly bằng cách sử dụng bộ ghép quang. Sơ đồ mạch cho tương tự được hiển thị bên dưới.

Để điều khiển TRIAC bằng tín hiệu 5V / 3.3V, chúng tôi sẽ sử dụng một bộ ghép quang như MOC3021 có TRIAC bên trong nó. TRIAC này có thể được kích hoạt bởi 5V / 3.3V thông qua Diode phát quang. Thông thường, tín hiệu PWM sẽ được áp dụng cho chân ^{thứ nhất} của MOC3021 và tần số và chu kỳ nhiệm vụ của tín hiệu PWM sẽ được thay đổi để có được đầu ra mong muốn. Loại mạch này thường được sử dụng để điều khiển độ sáng đèn hoặc điều khiển tốc độ động cơ.

Hiệu ứng tỷ lệ - Mạch Snubber

Tất cả các TRIAC đều gặp phải một vấn đề gọi là Hiệu ứng Tỷ lệ. Đó là khi thiết bị đầu cuối MT1 bị tăng điện áp mạnh do nhiễu chuyển mạch hoặc quá độ hoặc tăng áp, TRIAC sẽ ngắt nó như một tín hiệu chuyển mạch và tự động BẬT. Điều này là do điện dung bên trong của hiện tại giữa các đầu cuối MT1 và MT2.

Cách dễ nhất để khắc phục sự cố này là sử dụng mạch Snubber. Trong mạch trên, Điện trở R2 (50R) và Tụ điện C1 (10nF) cùng nhau tạo thành một mạng RC hoạt động như một mạch Snubber. Bất kỳ điện áp đỉnh nào được cung cấp cho MT1 sẽ được quan sát bởi mạng RC này.

Hiệu ứng phản ứng dữ dội

Một vấn đề phổ biến khác mà các nhà thiết kế sẽ phải đối mặt khi sử dụng TRIAC là hiệu ứng Backlash. Sự cố này xảy ra khi một chiết áp được sử dụng để điều khiển điện áp cổng của TRIAC. Khi POT được chuyển sang giá trị nhỏ nhất, không có điện áp nào được áp dụng cho chân cổng và do đó Tải sẽ bị tắt. Nhưng khi POT được quay đến giá trị lớn nhất, TRIAC sẽ không bật do hiệu ứng điện dung giữa các chân MT1 và MT2, tụ điện này phải tìm một con đường để phóng điện khác, nó sẽ không cho phép TRIAC o BẬT. Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng Backlash. Vấn đề này có thể được khắc phục bằng cách chỉ cần đưa một điện trở mắc nối tiếp với mạch chuyển mạch để cung cấp một đường dẫn cho tụ điện phóng điện.

Nhiễu tần số vô tuyến (RFI) và TRIAC

Các mạch chuyển đổi TRIAC dễ bị nhiễu tần số vô tuyến (EFI) hơn vì khi tải được bật, dòng điện đột ngột tăng dạng 0A lên giá trị cực đại, do đó tạo ra một loạt xung điện gây ra Giao diện tần số vô tuyến. Dòng tải càng lớn thì nhiễu càng nặng. Sử dụng mạch Suppressor như một bộ triệt LC sẽ giải quyết được vấn đề này.

TRIAC - Hạn chế

Khi được yêu cầu chuyển đổi dạng sóng AC theo cả hai hướng, rõ ràng TRIAC sẽ là lựa chọn hàng đầu vì đây là công tắc điện tử công suất hai hướng duy nhất. Nó hoạt động giống như hai SCR được kết nối ngược lại và cũng chia sẻ các thuộc tính giống nhau. Mặc dù trong khi thiết kế mạch sử dụng TRIAC, các hạn chế sau đây phải được xem xét

• TRIAC có hai cấu trúc SCR bên trong nó, một cấu trúc dẫn trong nửa dương và một dẫn trong nửa âm. Tuy nhiên, chúng không kích hoạt đối xứng gây ra sự khác biệt trong nửa chu kỳ âm và dương của đầu ra
• Cũng vì việc chuyển mạch không đối xứng nên dẫn đến sóng hài mức cao sẽ gây ra nhiễu trong mạch.
• Vấn đề sóng hài này cũng sẽ dẫn đến nhiễu điện từ (EMI)
• Trong khi sử dụng tải cảm ứng, có nguy cơ lớn về dòng điện khởi động chạy về phía nguồn, do đó cần đảm bảo rằng TRIAC đã được tắt hoàn toàn và tải cảm ứng được xả một cách an toàn qua một đường dẫn thay thế