Triac是什么元件?开关电路和应用介绍

BJT、SCR、IGBT、MOSFET和TRIAC等电力电子开关在DC-DC转换器、电机速度控制器、电机驱动器和频率控制器等开关电路中是非常重要的元件。每个器件都有自己独特的特性和因此它们有自己的特定应用。在本教程中，我们将了解TRIAC，这是一种双向设备，这意味着它可以双向进行。由于这一特性，TRIAC 专门用于涉及正弦交流电源的情况。

TRIAC简介

TRIAC是一种类似于可控硅（晶闸管）的三端开关器件，但由于它是由两个处于反并联状态的可控硅组合而成，因此它可以双向导电。TRIAC 的符号和引脚如下所示。

由于 TRIAC 是双向器件，当栅极端子被触发时，电流既可以从 MT1 流向 MT2，也可以从 MT2 流向 MT1。对于 TRIAC，要施加到栅极端子的触发电压相对于端子 MT2 可以是正的或负的。因此，这将 TRIAC 置于以下列出的四种操作模式

• MT2 的正电压和栅极的正脉冲（象限 1）
• MT2 的正电压和栅极的负脉冲（象限 2）
• MT2 处的负电压和栅极的正脉冲（象限 3）
• MT2 处的负电压和栅极的负脉冲（象限 4）

TRIAC的VI特性

下图说明了 TRIAC 在每个象限中的状态。

TRIAC 的开启和关闭特性可以通过查看 TRIAC 的 VI 特性图来理解，该图也显示在上图中。由于 TRIAC 只是两个反向平行方向的 SCR 的组合，VI 特性图看起来类似于 SCR。如上所示，TRIAC 主要在第一象限和第三象限中运行。

开启特性

要开启 TRIAC，必须向 TRIAC 的栅极引脚提供正或负栅极电压/脉冲。当触发内部的两个 SCR 之一时，TRIAC 根据 MT1 和 MT2 端子的极性开始导通。如果 MT2 为正且 MT1 为负，则第一个 SCR 导通，如果 MT2 端子为负且 MT1 为正，则第二个 SCR 导通。这样，任一 SCR 始终保持开启，从而使 TRIAC 成为交流应用的理想选择。

必须施加到栅极引脚以开启 TRIAC 的最小电压称为阈值栅极电压 (V GT )，通过栅极引脚产生的电流称为阈值栅极电流 (I GT )。一旦向栅极引脚施加该电压，TRIAC 就会正向偏置并开始导通，TRIAC 从关断状态变为导通状态所需的时间称为导通时间 (t on )。

就像 SCR 一样，TRIAC 一旦打开，将保持打开状态，除非它被换向。但在这种情况下，通过 TRIAC 的负载电流应大于或等于 TRIAC的锁存电流 (I L )。因此得出结论，只要负载电流大于锁存电流的值，即使在去除栅极脉冲后，TRIAC 仍将保持开启状态。

与锁存电流类似，还有一个重要的电流值，称为保持电流。将 TRIAC 保持在正向导通模式的电流最小值称为保持电流 (I H )。如上图所示，TRIAC 只有在通过保持电流和锁存电流后才会进入连续导通模式。此外，任何 TRIAC 的锁存电流值将始终大于保持电流的值。

关断特性

关闭 TRIAC 或任何其他功率器件的过程称为换向，与之相关的用于执行任务的电路称为换向电路。用于关闭 TRIAC 的最常用方法是降低通过 TRIAC 的负载电流，直到其低于保持电流 (I H ) 的值。这种类型的换向在直流电路中称为强制换向。我们将通过应用电路了解更多关于如何打开和关闭 TRIAC 的信息。

TRIAC 应用

TRIAC 非常常用于必须控制交流电源的地方，例如，它用于吊扇的速度调节器、交流灯泡调光器电路等。让我们看一个简单的 TRIAC 开关电路来了解它的实际工作原理。

在这里，可以使用 TRIAC 通过按钮打开和关闭交流负载。然后，主电源通过 TRIAC 连接到一个小灯泡，如上图所示。当开关闭合时，相电压通过电阻器 R1 施加到 TRIAC 的栅极引脚。如果该栅极电压高于栅极阈值电压，则电流流过栅极引脚，该电流将大于栅极阈值电流。

在这种情况下，TRIAC 进入正向偏置，负载电流将流过灯泡。如果负载消耗足够的电流，则 TRIAC 进入锁存状态。但由于这是一个交流电源，电压每半个周期就会达到零，因此电流也会瞬间达到零。因此，在该电路中不可能进行锁存，并且一旦开关打开，TRIAC 就会关闭，并且此处不需要换向电路。TRIAC 的这种换向称为自然换向。现在让我们使用BT136 TRIAC在面包板上构建这个电路并检查它是如何工作的。

使用交流电源时需要高度小心，为安全起见降低工作电压 230V 50Hz（在印度）的标准交流电源使用变压器降压至 12V 50Hz。连接一个小灯泡作为负载。完成后的实验设置如下所示。

当按下按钮时，栅极引脚接收栅极电压，从而打开 TRIAC。只要按住按钮，灯泡就会发光。一旦松开按钮，TRIAC 将处于锁存状态，但由于输入电压为 AC，通过 TRIAC 的电流将低于保持电流，因此 TRIAC 将关闭，完整的工作也可以在视频中找到在本教程的末尾给出。

使用微控制器的 TRIAC 控制

当 TRIAC 用作调光器或相位控制应用时，必须使用微控制器控制提供给栅极引脚的栅极脉冲。在这种情况下，栅极引脚也将使用光耦合器进行隔离。相同的电路图如下所示。

要使用 5V/3.3V 信号控制 TRIAC，我们将使用内部有 TRIAC的 MOC3021 之类的光耦合器。该 TRIAC 可以通过发光二极管由 5V/3.3V 触发。通常 PWM 信号将施加到MOC3021的第一个引脚，并且 PWM 信号的频率和占空比将发生变化以获得所需的输出。这种电路通常用于灯的亮度控制或电机速度控制。

速率效应 – 缓冲电路

所有 TRIAC 都存在一个称为速率效应的问题。即当 MT1 端子由于开关噪声或瞬变或浪涌而导致电压急剧增加时，TRIAC 将其误中断为开关信号并自动导通。这是因为端子 MT1 和 MT2 之间存在内部电容。

克服这个问题的最简单方法是使用缓冲电路。在上述电路中，电阻器 R2 (50R) 和电容器 C1 (10nF) 一起形成一个 RC 网络，充当缓冲电路。该 RC 网络将观察到提供给 MT1 的任何峰值电压。

反冲效应

设计人员在使用 TRIAC 时将面临的另一个常见问题是反冲效应。当电位器用于控制 TRIAC 的栅极电压时，会出现此问题。当 POT 调到最小值时，栅极引脚上不会施加电压，因此负载将被关闭。但是当 POT 调到最大值时，由于 MT1 和 MT2 引脚之间的电容效应，TRIAC 将不会开启，该电容应该找到放电路径，否则它将不允许 TRIAC 开启。这种效应称为反冲效应。这个问题可以通过简单地引入一个与开关电路串联的电阻器来为电容器提供放电路径来解决。

射频干扰 (RFI) 和 TRIAC

TRIAC 开关电路更容易受到射频干扰 (EFI) 的影响，因为当负载开启时，电流会突然从 0A 上升到最大值，从而产生电脉冲突发，从而导致射频接口。负载电流越大，干扰越严重。使用像 LC 抑制器这样的抑制器电路可以解决这个问题。

TRIAC – 限制

当需要在两个方向上切换交流波形时，显然 TRIAC 将是首选，因为它是唯一的双向电力电子开关。它的作用就像两个背靠背连接的 SCR，并且也共享相同的属性。尽管在使用 TRIAC 设计电路时必须考虑以下限制

• TRIAC 内部有两个 SCR 结构，一个在正半部分导通，另一个在负半部分导通。但是，它们不会对称触发，导致输出的正负半周期不同
• 此外，由于开关不对称，它会导致高电平谐波，从而在电路中产生噪声。
• 这种谐波问题也会导致电磁干扰 (EMI)
• 使用感性负载时，浪涌电流流向源极的风险很大，因此应确保 TRIAC 完全关闭，感性负载通过备用路径安全放电

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