工業電子學 Industrial Electronics

工業電子學Industrial Electronics 張勁燕　編著

工業電子學Industrial Electronics 第五章　雙向三極體和雙向二極體

本章章節 • 5.1　緒論 • 5.2Triac的電氣特性 • 5.3　元件結構和工作原理 • 5.4　金氧半閘控Triac • 5.5　包裝外型及接腳量測 • 5.6　基本觸發電路 • 5.7　緩衝和電源界面 • 5.8　雙向觸發二極體 • 5.9Diac-Triac相位控制電路

Triac的電路符號 • Triac的元件符號和基本電路如圖5.1所示。Triac的三個端點分別是M1、M2和G（或T1、T2和G，或MT1、MT2和G，或A1、A2和G）。M：main主要的。T：terminal，端點或端子。MT：main terminal主要的端點。A：anode，陽極。Triac有二個陽極，沒有陰極。圖5.1Triac的(a)電路符號，(b)電路接線圖

Triac/SCR等效電路 • 其實triac就像兩個並聯的SCR一樣。Triac／SCR的等效電路，如圖5.2所示。當V2＞V1，SCR2作用，當V2＜V1，SCR1作用，對triac而言，也有電流上升速率太快，而使元件燒壞的效用，防止方法也和SCR相似。圖5.2Triac/SCR等效電路

偏壓下閘極電流和各電壓情況 • 當triac的外加偏壓使主端點2（MT2）較正，亦即順向或正向主端點偏壓時，由閘極流向主端點1（MT1）的電流會觸發triac，使其導通。圖5.3(a)即表示此種狀況下的電壓極性和電流方向。此時triac的觸發和SCR完全一樣。圖5.3(a)正向主端點偏壓，(b)反向主端點偏壓，閘極電流和各電壓情況

Triac的主端點電壓波形和其負載電壓波形 圖5.4Triac的主端點電壓波形和其負載電壓波形

常用的Triac的電性規格 • 最大功率的triac，電壓高到1600 V，電流超過300 A。Triac使用的交流頻率限制於60或400赫，如果頻率過高，triac在導通之後，可能無法截止。SCR只在間隔半週之內導通，可以工作於比較高的頻率。

Triac的元件結構 • Triac的結構比傳統的閘流體（thyristor）複雜的多，如圖5.5所示。它是一個六層的結構，有五個p－n接面，三個電極短路。Triac可以被看成以pnp結構為主，擴散三個n區。除了p1－n1－p2－n2構成主要的四層，還有一個接面閘極n3區、一個n4區。以M1使p2和n2短路，以M2使p1和n4短路，以閘極電極使n3和p2短路。圖5.5Triac的元件結構

Triac的四種不同觸發模式 • 此元件在不同偏壓狀況的工作情形，如圖5.6所示。當端點M2的電位大於M1，正電壓加到閘極，如圖5.6(a)所示，元件像一個傳統的閘流體，接面J4和J5為逆向偏壓，非主動。主電流由元件左側p1－n1－p2－n2流動。圖5.6(b)，M2電位大於M1，而且負電壓加到閘極，J4為順向偏壓，電子從n3發射到p2，輔助的閘流體p1－n1－p2－n3啟動，由於電晶體n3－p2－n1的放大作用，因而觸發左側p1－n1－p2－n3閘流體導通。當M2的電位低於M1，主閘流體為右側p2－n1－p1－n4，其餘圖5.6(c)、圖5.6(d)的原理和動作情形相似。圖5.6Triac的四種不同觸發模式

Triac的順向和逆向特性 • Triac的I－V特性曲線，如圖5.7所示。但這個曲線只表示出閘極未加觸發電壓的曲線。圖5.7Triac的順向和逆向特性

Triac的觸發模式 • 與SCR的情況一樣，一般triac加至T2與T1的電壓，都比VDROM為小，因為在閘極與T2之間還加一個觸發的閘極信號電壓。再參考圖5.8，我們可歸納下列四項要點： • 1. 正導通方向，電流是從triac的T2流至T1（可對照圖5.6(a)和(b)）。 • 2. 負導通方向，電流是由triac的T1流至T2（可對照圖5.6(c)和(d)）。 • 3. 不管是在正或負導通的期間，只要T1－T2間的電流低於保持電流Ih以下，triac就如同開關一樣，由導通狀態變成截止狀態。 • 4. 不管在那一種方向，一旦triac導通後，T1－T2間的電壓降大約為1 V左右。因此，當triac導通時，流經triac的電流大小是由負載電阻RL所限制。

Triac加閘極電流觸發之I－V特性 • 當triac加上閘極電流之後，導通電壓降低，如圖5.8所示。第一象限如同SCR，閘極電流越大，導通電壓越小。Triac在第三象限的I－V和第一象限成對稱關係。圖5.8Triac加閘極電流觸發之I－V特性

V字槽MOS閘控triac結構圖及其I－V特性 • 以金氧半（MOS）閘極控制製作的V字槽閘流體，如圖5.9所示。閘極結構必須延伸進入n漂移區（drift regien），陽極－陰極加正電壓VAK，當閘極電壓等於金氧半元件的臨限電壓（threshold voltage），閘極氧化物下的半導體反轉（inversion），電子從上層n＋射出，經p基極，到n漂移區，使n漂移區的電位下降，p＋陽極和n漂移區的順向偏壓加大，元件像閘流體一樣導通，陽極－陰極電壓大幅下降。圖5.9V字槽MOS閘控triac，(a)結構圖，(b)I－V特性

MOS閘斷閘流體結構其及等效電路 • 另一個金氧半元件，可以利用正閘極電壓使其導通，負閘極電壓使其截止，如圖5.10所示。原因是負閘極電壓使PMOS導通，因而使npn BJT的射極－基極（EB）短路。此元件的工作像一個閘斷開關（gate turn off switch，GTO）。圖5.10MOS閘斷閘流體，(a)結構，(b)等效電路

Triac的判別 • 判斷此元件為triac或SCR，測試其接腳是否正常（不短路、不開路）可用三用電錶，將電錶放在R×1檔。T1和T2之間應該為高阻抗（近乎無窮大），G與T1之間應為低阻抗（約在10Ω左右）。Triac的接腳測試，如表5.3所列。圖5.11Triac接腳的判別

Triac接腳量測-1 • 1. 先把電錶黑棒放在T2，而紅棒放在T1點上。如圖5.12所示，此時電錶不動。圖5.12Triac接腳之量測－Ⅰ

Triac接腳量測-2 • 2. 將T2點與G點接觸，然後離開。此時錶頭指針將右轉至10Ω附近。（注意：黑棒仍然不可離開T1，而紅棒不可離開T2），如圖5.13所示，此時電錶右轉。圖5.13Triac接腳之量測－Ⅱ

Triac的包裝外觀 圖5.14Triac的包裝外型

Triac的基本靜態開關 • 此電路利用手動開關變換位置，以控制閘極的觸發電壓，當開關放在電阻R的位置時，有電流流經R加到triac的閘極上，使triac導通。如果開關仍然放在位置，triac繼續導通。若開關撥到位置，triac將在電源次半週截止。有時triac的兩端也接上一個RC電路，可預防triac作錯誤的導通，此RC分路也引掉過多的突波（spike）電流。圖5.15Triac的基本靜態開關

Triac的雙向觸發 • Triac雖然可以雙向導通，但必須於交流的每一半週內在閘極上加觸發電壓，才能使triac導通，如圖5.16所示，正半週時G點上的觸發信號必須為正電位，triac才能導通。當電源為負半週時，G點上的觸發信號必須為負電位，否則triac就會截止。圖5.16Triac的雙向觸發

簡單的閘極控制電路及其改良型 • 最簡便型的triac觸發電路示於圖5.17(a)，在每半週的延遲角時間內，電容器C可經由R1和R2充電。於正半週時，MT2的電壓較MT1為正，電容器C的上面板極性為正，當C上的電壓足以經R3供應triac觸發所需的閘極電流（IGT）時，triac即導通。在負半週時，C的極性相反，下面板極性為正，上面板為負，當C上的負壓若足以供應由MT1進入，而由R3流出的閘極觸發電流時，triac也會導通。圖5.17(a)簡單的閘極控制電路，(b)改良型閘極控制電路

以二極體、電阻做triac導通相位控制 • 圖5.19所示為二個二極體D1、D2和一個可變電阻VR構成的triac觸發電路，實際上的電路當然沒有這種組態，但此電路可以幫助我們瞭解triac的控制電路。當交流電源為正半週時，電流經D1和VR加到triac的閘極，當觸發電位夠大，triac導通。改變VR的電阻，即可控制激發角和導通角。圖5.19　以二極體、電阻做triac導通相位控制

Triac的相位控制 • 所謂相位控制（phase control）即是藉控制交流電壓，以控制每一週期內允許流入負載的電流。圖5.18為一基本的triac相移控制（phase shift control）電路與全波相位控制的負載電壓波形。圖5.18Triac的相位控制

Triac的簡單緩衝作用 • 對於交流triac緩衝，電流必須在二個主端點來回流動，電容器必須相等的充電、放電。不可以並聯一個電阻和一個二極體，因為這樣雖然可以快速充電，但放電時電流卻被限制住了。最簡單的triac緩衝方法是將SCR緩衝器電路去掉二極體，如圖5.20Triac的簡單緩衝作用。圖5.20Triac的簡單緩衝作用

雙網路Triac緩衝器 • 以此結構，截止閘流體時，可將電源自負載移開。這樣才是安全的作法。如果把負載接到電源熱線，而切換中性線，觸發會比較簡單，但是非常危險。當閘流體截止，它是非主動的。它的兩端接到熱線，觸摸此非主動負載的任一端，會觸到電源熱線，可能會電死！圖5.21　雙網路triac緩衝器

光耦合Triac驅動器概略圖 • 光耦合的triac驅動器的概略圖和接腳，如圖5.22所示。此元件包括一光控矽雙向開關耦合一發光二極體（LED）。當LED導通，矽雙向開關被啟動。以60赫驅動LED，導通時間80μS，觸發器電流大於600 mA，可提供給SCR或triac使其導通。圖5.22　光耦合的triac驅動器概略圖

比較器Triac驅動器界面電路 • 一導火電路如圖5.23所示。要使矽雙向開關導火，才可觸發SCR或triac，就必須先啟通LED。圖5.23　比較器－triac驅動器界面電路

Diac的結構、特性及元件符號 • Diac的結構，I－V特性和元件符號，如圖5.24所示。Diac也有負電阻區，diac的正反轉態電壓很接近，但不對稱，如一邊16 V，另一邊12 V。較大的那端會加個圓圈以做識別。圖5.24Diac的(a)結構，(b)I－V特性，(c)元件符號

雙向pnpn開關的結構 • 另一種雙向p－n－p－n開關也可以當作diac，它是二個傳統的蕭克萊二極體（Shockley diode）反相並聯而成，結構如圖5.25(a)所示，它能適應二種極性的交流訊號。此M1代表主端點1，M2代表主端點2。利用短路陰極原理，我們可以將此安排集合為一個二端點雙向二極體，如圖5.25(b)所示。此結構的對稱使得任意極性的電源電壓均有相同的結果。圖5.25　雙向pnpn開關的結構

雙向二極體的元件符號及其I－V特性 • Diac有對稱的I－V特性，如圖5.26所示。和蕭克萊二極體相似，雙向二極體可以利用，使它超過轉折電壓或利用dv/dt激發使其導通。因為再生回授的動作，雙向p－n－p－n二極體開關比起交流激發的二極體，負電阻較大和順向壓降較小。圖5.26(a)雙向二極體的元件符號，(b)I－V特性

Diac的交流測試電路於A、C二點間的波形圖 • 一個diac交流電壓測試的電路，如圖5.27(a)所示。R1是保護用電阻，可變電阻VR可調整充放電的波形。C1的耐壓為150 V。交流電源經R1－VR－C1充電，當C1之端電壓超過diac的崩潰電壓，C1經diac和R2而放電，AC二點間的波形，如圖5.27(b)所示的鋸齒狀，無論交流電源的正半週或負半週均有鋸齒波出現。圖5.27Diac的(a)交流測試電路，(b)A、C二點間的波形圖

Diac的直流測試電路 • 將電路修改，前端加二極體D1和電容C2作半波整流，以直流電加到R1上，如圖5.28所示。電路的充放電路徑和前圖相同，但C2兩端為直流電。若將D1和C2的極性同時反轉，可得負向直流電測試電路。圖5.28diac的直流測試電路

Diac的充放電電路及波形圖 • 若電源的極性倒轉，電壓波形就如圖5.29(c)所示。以diac觸發triac的電路，實際就是利用圖5.29(b)和圖5.29(c)的波形，由diac傳送到triac（或SCR）的閘極，作為觸發脈波。圖5.29Diac的充放電電路及波形圖

基本Diac弛張振盪電路及波形 • 圖5.30所示為基本的diac弛張振盪器（relaxation oscillator）電路。當電源VS加上時，diac處於截止狀況，而電流經R2向電容器C充電。當電容器C兩端電壓上升至diac的轉態電壓VBR時，diac導通而電容器C經diac放電，於電阻器R1上產生脈波輸出。圖5.30　基本diac弛張振盪電路及波形

Diac弛振盪器用於激發閘流體電路 • 圖5.31中，diac弛張振盪器頻率仍取決於R1、R2與C的充電時間常數。R3電阻器是用來限制電容器C的放電電流，若改變R3電阻值，可以調整輸出脈波的寬度。圖5.31Diac弛振盪器用於激發閘流體電路

Diac做 Triac的觸發元件 • 圖5.32為diac-triac的相位控制電路，利用VR1和C1充放電，調整VR1作相角控制，R2C2是用來保護triac的緩衝器（snubber）。圖5.32Diac做triac的觸發元件，(a)電路，(b)波形圖

減少遲滯現象的Diac－Triac電路 • 新增加的電阻10 kΩ是避免VR1變為零時，電容C的充電速率太快。電阻56 kΩ和電容0.1μF是緩和電容C1的放電現象。圖5.33　減少遲滯現象的diac－triac電路

Diac和Triac組成的相位控制電路 • 圖5.34(a)所示，為由triac TIC226B和diac 1N5411組成的相位控制調光電路。圖5.34(a)由diac和triac組成的相位控制電路 (b)VC、VG、VA2－A1和VL的波形

相位控制電路的遲滯現象及改善遲滯的電路 • 遲滯現象表示當電阻R由最大值慢慢調小時，燈泡的亮度控制不是漸漸增強，而是突然增強的。欲改善遲滯現象，多加二個電阻R和VR2及一個電容C即可，如圖5.35(b)所示，VR2100 kΩ、電阻68 kΩ和電容0.1μF，即可改善遲滯。圖5.35　相位控制電路的(a)遲滯現象，(b)改善遲滯的電路

Triac作調光器電阻 • 利用triac作調光器，如圖5.36所示。利用diac－triac的基本相位控制電路，配合插座、氖氣管（BEN－2）插座上插燈泡，燈泡可用10W～100W或以上。調整可變電阻VR（或稱電位計potentiometer）的大小，來控制燈泡的亮度。圖5.36Triac作調光器電阻

Diac－triac控制光感測自動點燈電路 • 以diac－triac控制電路，配合硫化鎘（CdS）光敏電阻（photo sensitive resistance），可作光感測自動點燈器，適於夜間室外用，如圖5.37所示。圖5.37 Diac－triac控制光感測自動點燈電路

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