トライアックとは：スイッチング回路とアプリケーション

BJT、SCR、IGBT、MOSFET、TRIACなどのパワーエレクトロニクススイッチは、DC-DCコンバータ、モーター速度コントローラー、モータードライバー、周波数コントローラーなどのスイッチング回路に関して非常に重要なコンポーネントです。各デバイスには独自の特性があり、したがって、それらには独自の特定のアプリケーションがあります。このチュートリアルでは、双方向デバイスであるTRIACについて学習します。これは、双方向に伝導できることを意味します。この特性により、トライアックは正弦波AC電源が関係する場合にのみ使用されます。

トライアック入門

用語のトライアックは、の略TRIのための頌歌A lternating Cのurrent。SCR（サイリスタ）に似た3端子スイッチングデバイスですが、逆並列状態の2つのSCRを組み合わせて構成されているため、両方向に導通できます。トライアックの記号とピン配列を以下に示します。

トライアックは双方向デバイスであるため、ゲート端子がトリガーされると、電流はMT1からMT2に、またはMT2からMT1に流れることができます。トライアックの場合、ゲート端子に印加されるこのトリガー電圧は、端子MT2に対して正または負のいずれかになります。したがって、これにより、トライアックは以下に示す4つの動作モードになります。

MT2の正の電圧とゲートへの正のパルス（象限1）
MT2の正の電圧とゲートへの負のパルス（象限2）
MT2での負の電圧とゲートへの正のパルス（象限3）
MT2での負電圧とゲートへの負パルス（象限4）

VIトライアックの特徴

次の図は、各象限でのトライアックのステータスを示しています。

トライアックのオンとオフの特性は、上の写真にも示されているトライアックのVI特性グラフを見ると理解できます。トライアックは逆平行方向の2つのSCRの組み合わせであるため、VI特性グラフはSCRのグラフと似ています。あなたが見ることができるようにトライアックは、ほとんどが1で動作し^、ST象限と3^番目のクアドラント。

ターンオン特性

トライアックをオンにするには、正または負のゲート電圧/パルスをトライアックのゲートピンに供給する必要があります。内部の2つのSCRの1つがトリガーされると、トライアックはMT1およびMT2端子の極性に基づいて導通を開始します。 MT2が正でMT1が負の場合、最初のSCRが導通し、MT2端子が負でMT1が正の場合、2番目のSCRが導通します。このように、SCRのいずれかが常にオンのままであるため、トライアックはACアプリケーションに最適です。

トライアックをオンにするためにゲートピンに印加する必要のある最小電圧は、しきい値ゲート電圧（V _GT）と呼ばれ、ゲートピンを流れる電流はしきい値ゲート電流（I _GT）と呼ばれます。この電圧がゲートピンに印加されると、トライアックは順方向にバイアスされて導通を開始し、トライアックがオフ状態からオン状態に変化するのにかかる時間は、ターンオン時間（t _on）と呼ばれます。

SCRと同様に、一度オンにしたトライアックは、転流しない限りオンのままになります。ただし、この状態の場合、トライアックを流れる負荷電流は、トライアックのラッチング電流（I _L）以上である必要があります。したがって、負荷電流がラッチング電流の値よりも大きい限り、ゲートパルスを除去した後でもトライアックはオンのままになります。

ラッチング電流と同様に、保持電流と呼ばれる電流のもう1つの重要な値があります。トライアックを順方向導通モードに保つための電流の最小値は、保持電流（I _H）と呼ばれます。トライアックは、上のグラフに示すように、保持電流とラッチング電流を通過した後にのみ連続導通モードに入ります。また、トライアックのラッチング電流の値は、常に保持電流の値よりも大きくなります。

ターンオフ特性

トライアックまたはその他のパワーデバイスをオフにするプロセスは転流と呼ばれ、タスクを実行するためにそれに関連付けられた回路は転流回路と呼ばれます。トライアックをオフにするために使用される最も一般的な方法は、トライアックを流れる負荷電流を保持電流の値（I _H）を下回るまで減らすことです。このタイプの転流は、DC回路では強制転流と呼ばれます。トライアックがアプリケーション回路を介してどのようにオンおよびオフになるかについて詳しく学習します。

トライアックアプリケーション

トライアックは、AC電源を制御する必要がある場所で非常に一般的に使用されます。たとえば、天井ファンの速度レギュレーター、AC電球調光回路などで使用されます。簡単なトライアックスイッチング回路を調べて、実際にどのように機能するかを理解しましょう。

ここでは、トライアックを使用して、プッシュボタンを介してAC負荷をオンまたはオフにしました。次に、主電源は、上記のようにトライアックを介して小さな電球に配線されます。スイッチが閉じると、相電圧が抵抗R1を介してトライアックのゲートピンに印加されます。このゲート電圧がゲートしきい値電圧を超えると、ゲートピンに電流が流れます。これはゲートしきい値電流よりも大きくなります。

この状態で、トライアックは順方向バイアスに入り、負荷電流は電球を流れます。負荷が十分な電流を消費すると、トライアックはラッチ状態になります。しかし、これはAC電源であるため、電圧は半サイクルごとにゼロに達し、したがって電流も瞬間的にゼロに達します。したがって、この回路ではラッチングは不可能であり、スイッチが開くとすぐにトライアックがオフになり、ここでは整流回路は必要ありません。このタイプのトライアックの転流は、自然転流と呼ばれます。次に、BT136 TRIACを使用してブレッドボード上にこの回路を構築し、それがどのように機能するかを確認しましょう。

AC電源を使用する場合は、安全のために動作電圧を下げる必要があります。標準のAC電源230V 50Hz（インド）は、変圧器を使用して12V50Hzに下げます。小さな電球が負荷として接続されています。実験のセットアップが完了すると、以下のようになります。

ボタンを押すと、ゲートピンがゲート電圧を受け取り、トライアックがオンになります。ボタンを押している間、電球が点灯します。ボタンを離すとトライアックはラッチ状態になりますが、入力電圧は交流であるため、トライアックは保持電流を下回り、トライアックはオフになりますので、完全な動作はビデオでもご覧いただけます。このチュートリアルの最後に記載されています。

マイクロコントローラーを使用したトライアック制御

トライアックを調光器として、または位相制御アプリケーションに使用する場合、ゲートピンに供給されるゲートパルスはマイクロコントローラを使用して制御する必要があります。その場合、ゲートピンもオプトカプラーを使用して絶縁されます。その回路図を以下に示します。

5V / 3.3V信号を使用してトライアックを制御するには、内部にトライアックを備えたMOC3021のようなオプトカプラーを使用します。このトライアックは、発光ダイオードを介して5V /3.3Vでトリガーできます。通常、PWM信号はMOC3021の¹番目のピンに適用され、PWM信号の周波数とデューティサイクルは目的の出力を得るために変更されます。このタイプの回路は通常、ランプの輝度制御またはモーター速度制御に使用されます。

レート効果–スナバ回路

すべてのトライアックは、レート効果と呼ばれる問題に悩まされています。これは、MT1端子がスイッチングノイズまたはトランジェントによって電圧の急激な上昇にさらされたり、トライアックがスイッチング信号として誤って割り込んで自動的にオンになるサージを発生させたりした場合です。これは、端子MT1とMT2の間に存在する内部容量によるものです。

この問題を克服する最も簡単な方法は、スナバ回路を使用することです。上記の回路では、抵抗R2（50R）とコンデンサC1（10nF）が一緒になって、スナバ回路として機能するRCネットワークを形成します。MT1に供給されるピーク電圧は、このRCネットワークによって監視されます。

バックラッシュ効果

トライアックの使用中に設計者が直面するもう1つの一般的な問題は、バックラッシュ効果です。この問題は、トライアックのゲート電圧を制御するためにポテンショメータが使用されている場合に発生します。POTを最小値にすると、ゲートピンに電圧が印加されないため、負荷がオフになります。ただし、POTを最大値にすると、ピンMT1とMT2の間の静電容量の影響により、トライアックはオンになりません。このコンデンサは、放電するパスを見つける必要があります。そうしないと、トライアックをオンにできません。この効果はバックラッシュ効果と呼ばれます。この問題は、スイッチング回路と直列に抵抗を導入して、コンデンサが放電する経路を提供するだけで修正できます。

無線周波数干渉（RFI）とトライアック

トライアックスイッチング回路は、負荷がオンになると、電流が0Aから最大値まで突然上昇し、電気パルスのバーストを生成して無線周波数インターフェイスを引き起こすため、無線周波数干渉（EFI）が発生しやすくなります。負荷電流が大きいほど、干渉が悪化します。LCサプレッサーのようなサプレッサー回路を使用すると、この問題を解決できます。

トライアック–制限

AC波形を両方向に切り替える必要がある場合は、TRIACが唯一の双方向パワーエレクトロニクススイッチであるため、明らかに最初の選択肢になります。これは、背中合わせに接続された2つのSCRのように機能し、同じプロパティを共有します。トライアックを使用して回路を設計する際には、次の制限を考慮する必要があります。

トライアックには2つのSCR構造があり、1つは正の半分で、もう1つは負の半分で導通します。しかし、それらは対称的にトリガーされず、出力の正と負の半サイクルに違いが生じます
また、スイッチングが対称的ではないため、高レベルの高調波が発生し、回路にノイズが発生します。
この高調波の問題は、電磁干渉（EMI）にもつながります
誘導性負荷を使用している間、突入電流がソースに流れるリスクが非常に高いため、トライアックが完全にオフになり、誘導性負荷が代替パスを介して安全に放電されることを確認する必要があります