logo

logo

logo

logo

logo

الترياك

ترياك

Triac -

 الترياك

الترياك

هاشم ورقوزق

آلية عمل الترياك سوية التوترات والتيارات للترياك وأنواعه
خواص الترياك استخدام الترياك عند حمل أومي وتحريضي
الخواص الديناميكية للترياك (الفصل والوصل) التطبيقات الهندسية للترياك
 

كلمة ترياك TRIAC هي مختصر لقاطع تيار متناوب ثلاثي المآخذ (Three Terminal AC Switch)، كما يطلق عليه ثنائي الاتجاه bi-directional. يشير رمز الترياك الأساسي المتداول (الشكل 1) إلى أنه مكون من ثايرستورين على التفرع، موصولين بشكل متعاكس، مندمجين ببوابة واحدة. المأخذ الأول -والذي يحمل التيار الرئيس وهو مهبط أحد الثايرستورات- يطلق عليه رمزMT1 أو A1. المأخذ الثاني يطلق عليه رمز MT2 أو A2، ولهما ذات الميزات والخواص. يُستخدم الترياك على نحو واسع في تطبيقات التحكم في الاستطاعة المتناوبة، حيث إنه قادر على التبديل عند سويات توتر وتيار عالية وفي جزأي موجة التوتر المتناوب. هذا يجعل من دوائر الترياك مثالية الاستخدام في تطبيقات الاستطاعة المتنوعة.

الشكل (1) بنية الترياك والرموز المتداولة.

آلية عمل الترياك

يعمل الثايرستور في الربع الأول من إحداثيات التوتر والتيار عند تطبيق توتر مصعد موجب وتيار بوابة موجب وكافٍ للقدح، ومرور تيار بين المصعد والمهبط بقيمة أكبر من تيار الاستمرار بالإشعال أو تيار التمسك بالإشعال holding current. ويحجز الثايرستور عند انخفاض تيار المصعد لقيمة أقل من تيار الاستمرار بالإشعال، ويلزم للمساعدة على الفصل حذف النبضة عن البوابة، وتطبيق توتر سالب على المصعد بالنسبة إلى توتر المهبط. لدى انعكاس قطبية التوتر يحجز الثايرستور، ولا يمرر أي تيار في الربع الثالث من إحداثيات التوتر والتيار. عندما تكون قطبية التوتر المطبق على المربط MT2 موجباً بالنسبة إلى المربط MT1، وتطبيق نبضة قدح بتيار موجب على البوابة سوف يعمل الترياك في الربع الأول من إحداثيات التوتر والتيار. عندما يصبح توتر المربط الثاني MT2 سالباً بالنسبة إلى المربط الأول وتطبيق نبضة قدح سالبة أيضاً؛ ينتقل الترياك إلى التوصيل (ON)، ويمر عندئذٍ تيار باتجاه معاكس للتيار الأول، ويعني هذا أن الترياك عمل بسهولة في الربعين الأول والثالث، وقدّم توتراً موجباً سالباً مع إمكان إزاحة النبضة وخلق فرق طور بين التوتر المطبق ولحظة تطبيق النبضة، وهكذا يتم التحكم في القيمة الفعالة للتوتر المتناوب في الخرج، والحصول على توتر وتيار أقل من توتر المنبع وتبعاً لزاوية التأخير المطبقة على نبضة القدح.

خواص الترياك

يوضح الشكل (2) أن الترياك يتحمل توتراً أمامياً موجباًقبل أن ينتقل إلى التوصيل (ON)، في حال عدم تطبيق نبضة قدح، ولدى تجاوز توتر المنبع هذه القيمة الخاصة لكل ترياك ينهار الترياك ويمرر تيار أمامي كبير، لا يحد من هذا التيار سوى مقاومة الحمل المطبق. و يُلاحظ أن أدنى تيار لاستمرار التوصيل هو تيار الاستمرار بالإشعال IH. ويعاد تكرار ذلك في الربع الثالث لكن عند توتر مربط سالب ونبضة قدح سالبة.

الشكل (2) الخواص الساكنة للترياك وآلية العمل في ربعين من إحداثيات التوتر والتيار.

يبين الشكل (2) الخواص الساكنة للترياك، وهو يعمل في ربعين من إحداثيات التوتر والتيار؛ وهذا يؤكد فكرة ربط ثايرستورين على التفرع، ويوضح أن الخواص في الربعين الأول والثالث متماثلة تقريباً، وأن الخواص في الربع الأول تماثل خواص الثايرستور.

يمكن تشغيل الترياك في الإحداثيات الأربع للتوتر والتيار تبعاً للقطبيات المبينة فيما يأتي:

1- توتر المربط MT2 موجب بالنسبة إلى المربط MT1: يمر التيار خلال المسار بين الوصلتين العلويتين P1-N1-P2-N2، وتكون نبضة القدح موجبة. تكون الوصلة N1-P2 منحازة عكسياً، ويُقال: إن الترياك منحاز أمامياً الشكل (1).

2- توتر المربط MT2 موجب: يمر التيار كما في الربع الأول خلال المسار P1-N1-P2-N2، وتكون نبضة القدح سالبة بالنسبة إلى المربط MT1. تنقل حوامل التيار المحقونة في المنطقة P2 الترياك إلى التوصيل، أما الوصلة P3-N3، فتكون منحازة أمامياً.

3- توتر المربط MT2 والبوابة سالبان بالنسبة إلى المربط MT1: يمر التيار خلال المسار P2-N1-P1-N4، وتكون نبضة القدح سالبة. تكون الوصلة P1-N1 منحازة عكسياً، ويقال عندئذٍ: إن الترياك منحاز عكسياً. تعمل آلية نبضة سالبة على البوابة بالنسبة إلى ـMT1 على حقن حوامل التيار للوصلة المنحازة أمامياً، وتسبب في نقله إلى حالة التوصيل.

4- توتر المربط MT2 سالب لكن نبضة القدح موجبة بالنسبة إلى المربط MT1: يمر التيار كما في الربع الثالث خلال المسار P2-N1-P1-N4، وتكون نبضة القدح موجبة بالنسبة إلى المربط MT1، لكن الوصلة P2-N2 تكون منحازة أمامياً. حوامل التيار تحقن كما سبق، وينتقل الترياك إلى التوصيل.

ليس من المستحب العمل في الربع الرابع، ويكون التشغيل الأفضل عند تحكم متعدد الاتجاهات في الربعين الأول والثالث.

يبين الشكل (3) حالات التشغيل الأربع الواردة آنفاً، حيث نُسِبَت جميع القطبيات إلى المربط MT1، ويُلاحظ أن العمل في الربعين الأول والثاني يكون خلال نصف الدور الموجب من موجة التوتر المتناوب، ويكون العمل في الربعين الثالث والرابع خلال النصف السالب من موجة التوتر المتناوب.

الشكل (3) تشغيل الترياك في الإحداثيات الأربع للتوتر والتيار.

يوضح الشكل (4) البنية البلورية ومسار التيار خلال فترة التوصيل والدارة المكافئة للترياك في حالة العمل في الربع الأول. أما الشكل (5) فيوضح البنية البلورية ومسار التيار خلال فترة التوصيل والدارة المكافئة للترياك في حالة العمل في الربع الثالث.

الشكل (4) حالة العمل في الربع الأول.

الشكل (5) حالة العمل في الربع الثالث.

الخواص الديناميكية للترياك (الفصل والوصل)

يتصرف الترياك بطريقة مماثلة للثايرستور لدى تطبيق نبضة القدح على بوابة الترياك عند ورود نبضة قدح ذات استطاعة كافية كما هو مبين في الشكل (6)، يعرّف زمن التأخير للانتقال إلى التوصيل بأنه مجموع زمن التأخير وزمن الصعود، وقد يصل حتى 2 مكرو ثانية. ويُعدّ صغيراً عند التشغيل بتردد 50 هرتز. تتناسب قيمة تيار البوابة Igt الواجب حقنه مع ربع إحداثيات التوتر والتيار الذي يُعمل فيه مع أصغر تيار لازم حقنه في الربع الأول. أما التيار اللازم في الربعين الثاني والثالث فيكون متقارباً، لكن يلزم مرور تيار أكبر بـ (+20-50%) من تيار الربع الأول، أما في الربع الرابع فيلزم تيار بوابة أكبر بـ (1.5- 2) مرّة تيار بوابة الربع الأول.

الشكل (6) دارة قيادة البوابة المثالية.

يوجد حالياً في الأسواق ترياك حساس يعمل عند تيار بوابة يراوح بين (5-25) ميلي أمبير، ويصل تيار البوابة في ترياك قياسي standard إلى القيم (25-50) ميلي أمبير. وعموماً يجب حقن تيار بوابة بقيم تساوي 5 مرات تيار البوابة الاسمي كي يعمل الترياك على نحو مثالي.

تعرف لحظة الفصل للثايرستور بأنها لحظة مرور التيار بالقيمة صفر. وعند لحظة الفصل تُلاحظ ظاهرتان: الأولى هي تيار سالب ذو قيمة غير محددة تتغير تبعاً لقيمة تيار الاستمرار بالإشعال ودرجة حرارة الوصلة. والثانية هي ظهور تيار سعوي ناجم عن معدل تغير التوتر dv/dt السالبة المعاد تطبيقها على طرفي الترياك. قد تسبب هاتان الظاهرتان مرور تيار تسريب سالب أكبر من تيار الاستمرار بالإشعال الكافي لعمل الترياك في النصف الثاني من الدور. هذا يعني حدوث تشغيل عشوائي، وقد يسبب حالة توصيل دائم للترياك. يوضح الشكل (7) هذه الحالة من التشغيل.

الشكل (7) دارة قيادة البوابة الرمزية في حالة التوصيل الدائم.

لوحظ توليد بعض التوافقيات في موجة الخرج نتيجة لعدم التماثل بين نصفي الترياك، ويستخدم للتخفيف من عدم التناظر صمام ثنائي للمساهمة في قدح الترياك، يقوم بتوصيل التيار الكهربائي فقط بعد الوصول إلى جهد الانكسار (الدياك) Diode For Alternating Current (DIAC)؛ فهو بذلك يقدم آلية تناظر للعمل في كلا نصفي الموجة المتناوبة الجيبية.

سوية التوترات والتيارات للترياك وأنواعه

تراوح سوية التوترات التي يعمل عندها الترياك بين 100 فولط و800 فولط، كما أن تيار الترياك يبدأ من ميلي أمبير وصولاً إلى 100 أمبير، وهذا يفسر نوعية التطبيقات الهندسية الممكن استخدام الترياك فيها.

أدى تطور التقانات الحديثة إلى بناء نموذجين من الترياك وتصنيعهما، عدا الترياك القياسي، وهما:

أ- ترياك ذو سوية منطقية (logic level TRIAC): يُلاحظ في هذا النوع أن الترياك حساس، ويعمل عند تيار بوابة لا يتجاوز 5 ميلي أمبير للنوع TW ، وبحدود 10 ميلي أمبير للنوع SW، كما أن معدل تزايد التيار عند الحمل الأومي يكون بحدود 0.1 فولط/مكرو ثانية، وللحمل التحريضي 20 فولط/مكرو ثانية.

ب - ترياك من دون مصيدة (snubberless TRIAC): يغطي هذا النوع من الترياك المجال حتى 25 أمبير؛ يعمل عند تيار بوابة 35 ميلي أمبير، ويرمز له بـ (CW)، ويعمل النوع (BW) عند تيار بوابة 50 ميلي أمبير. يمكن لهذه الأنواع التبديل من حالة الوصل ON إلى حالة الفصل OFF من دون دارة حماية خارجية (مصيدة) مهما كان نوع الحمل.

تزود دارات الترياك القياسي بمصائد snubbers مكونة من مقاومة ومكثف، توفّر عدم تعرض العنصر لمعدل تغير كبير في التوتر dv/dt في حالات التشغيل العابرة (الشكل 8). هذه الدارة مهمّة عند النظر إلى سلوك الترياك عند التبديل commutation. ويتوقف اختيار قيم المقاومة والمكثف على نوعية العوامل التالية: الحمل الأومي، والتردد للمنبع المستخدم، والقيمة الفعالة لتيار الحمل. ويجب أن تكون مقاومة المصيدة كبيرة بقدرٍ كافٍ لتخميد الاهتزاز وتجنب رفع التوتر، وباستطاعة لا تقل عن نصف واط. وتحسب سعة المكثف عند توتر التشغيل الاسمي وتبعاً لعامل استطاعة الحمل، وتتناسب قيمتها طرداً مع التحريضية للحمل والتيار الفعال وثابت معيّن وعكساً مع معدل تغير التوتر المحتمل للترياك dv/dt.

الشكل (8) ترياك مزود بمصيدة للحماية من ارتفاع التوتر العابر.

استخدام الترياك عند حمل أومي وتحريضي

1- حالة حمل أومي:

يكون التيار المار عند حمل أومي من طور التوتر نفسه الناجم عن الترياك، وينعدم التيار لدى فصل الترياك لحظة مرور التوتر بالصفر في النصف الثاني من الموجة، ويعود التوتر للتزايد، وكذلك التيار، فمعدل تزايد التوتر تابع لموجة التوتر، ومعدل تزايد التيار يساوي القيمة العظمى للتيار مضروباً بالسرعة الزاوية w للمنبع. يوضح الشكل (9) شكل التوتر والتيار عند الحمل الأومي. يمكن ملاحظة عدم وجود أي تيار بعد مرور التوتر بالصفر سواء خلال النصف الموجب أم السالب.

الشكل (9) شكل التوتر والتيار عند الحمل الأومي.

2-حالة حمل تحريضي:

يوجد فرق طور بين التيار وتوتر المنبع عند حمل تحريضي، فعندما يمر توتر المنبع بالصفر؛ لا يهبط التيار إلى الصفر، لذا يبقى الترياك موصلاً خلال فترة معيّنة من نصف الدور الثاني. عندما تنتهي القدرة المخزنة في حثية الحمل؛ ينتهي التيار إلى الصفر، ويفصل الترياك، ولا بد من الإشارة إلى استخدام نبضات قدح ضيقة قد لا تكفي لتشغيل النظام على نحو طبيعي الشكل (10).

الشكل (10) عمل الترياك عند الحمل التحريضي باستخدام نبضات عرض ضيقة وعريضة.

يجب استخدام نبضات قدح عريضة حتى يمكن العمل في نصفي موجة التوتر المتناوب. وعندما تكون النبضة ضيقة -والحمل تحريضي- يُشاهد عدم انتهاء تيار الترياك إلى الصفر عند مرور موجة التوتر بالصفر، ولدى تطبيق نبضة القدح للعمل في النصف الثاني يكون الترياك ما زال موصلاً، والتيار موجباً، وقد تنتهي النبضة المطبقة قبل انتهاء التيار الموجب إلى الصفر، وهذا يعني عدم العمل في ربعين من الإحداثيات كما هو مطلوب.

دارات القيادة للبوابة

يمكن استخدام تقنيات متعددة لنقل الترياك إلى التوصيل في نصفي موجة التوتر المتناوب. يمكن أن تكون نبضة القدح ضيقة في حال كون الحمل أوميّاً، ولا يتجاوز زمن استمرارها عدة درجات كهربائية من نصف موجة توتر الدخل. لكنه عند كون الحمل تحريضيّاً فإن عرض نبضات ضيقاً قد لا يساعد الترياك على الاستمرار في التوصيل، ذلك لأن التحريضية الموجودة في الحمل التحريضي تمنع تزايد التيار، وقد لا يصل التيار إلى قيم أكبر من تيار الاستمرار في الإشعال، وتكون النبضة قد انتهت، وعندئذٍ يفصل الترياك، أي إن النبضة عملت على توصيله فقط خلال فترة تطبيقها. وينصح دائماً استخدام الدياك للقدح. يبين الشكل (11) دارات تعمل باستخدام الدياك.

الشكل (11) دارات قيادة الترياك وقدحه.

التطبيقات الهندسية للترياك

لدى استخدام الترياك يُفضل العمل عند تردد منخفض، وخاصة التردد الصناعي 50 هرتزاً، و وألّا يزيد التوتر في التطبيق على 600 فولط؛ لأنه يؤثر في تقليل الفاقد والتكلفة. وفيما يلي بعض التطبيقات الرئيسية التي يستخدم فيها الترياك:

  • تنظيم التوتر وقيادة المحركات في التطبيقات المنزلية: كالغسالات، والبرادات، والأفران التحريضية.

  • تنظيم التوتر في أنظمة الإنارة: كالتحكم في سوية الإنارة لمصابيح ذات تفريغ ذاتي، مقلعات، مدرجات، منظمات شدة إنارة.

  • تنظيم التوتر في أنظمة التهوية، والتكييف، وسخانات الماء.

  • تنظيم التوتر في التجهيزات المكتبية، ومبدِّلات التوتر، ودارات المغنطة.

  • التحكم في الحواكم الساكنة، واللحام بالقوس الكهربائيّة، والتحكم في المحركات .

  • مراجع للاستزادة

    - J. S. Chitode, Power Electronics: Devices Converters and Applications, 2020.

    - Icon Group International, ‎ Triac: Webster’s Timeline History, 1762 - 2005, ICON Group International, Inc., 2010.

    - T. C. Hayes, Learning the Art of Electronics: A Hands-On Lab Course, ‎Cambridge University Press 2016.

     


التصنيف : كهرباء وحاسوب
النوع : كهرباء وحاسوب
المجلد: المجلد الثامن
رقم الصفحة ضمن المجلد : 0
مشاركة :

اترك تعليقك



آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

هل تعلم ؟؟

عدد الزوار حاليا : 1051
الكل : 43827909
اليوم : 111304