トライアック

トライアック

プリント基板に取り付けられた小型プラスチックケース入りトライアックデバイス
タイプ	アクティブ
ピン名	ターミナル1、ゲート、ターミナル2
電子シンボル

トライアック（交流用三極管、双方向三極管サイリスタまたはバイラテラル三極管サイリスタ^{[1]とも呼ばれる）}は、トリガーされるとどちらの方向にも電流を流す3端子電子部品です。トライアックという用語は一般的な商標です。

トライアックはサイリスタのサブセットで(小さな電圧と電流ではるかに大きな電圧と電流を制御できる点でリレーに似ています)、シリコン制御整流器(SCR) に関連しています。トライアックは両方向に電流を流せるのに対し、SCR は一方向にしか電流を流せないという点で SCR と異なります。ほとんどのトライアックは、ゲートに正または負の電圧を印加することでトリガーできます (SCR には正の電圧が必要です)。トリガーされると、ゲート電流が停止しても、主電流が保持電流と呼ばれる特定のレベルを下回るまで、SCR とトライアックは導通し続けます。

ゲート ターンオフ サイリスタ(GTO) は TRIAC に似ていますが、ゲート信号が停止するとオフになるため、より高度な制御が可能です。

TRIAC は双方向性があるため、交流(AC)用の便利なスイッチになります。さらに、主回路の AC の制御された位相角でトリガーを適用すると、負荷に流れる平均電流を制御できます (位相制御)。これは、ユニバーサル モーターの速度制御、ランプの調光、電気ヒーターの制御によく使用されます。TRIAC はバイポーラ デバイスです。

TRIAC の動作を理解するには、MT1 に対するゲート電圧と MT2 電圧の 4 つの可能な組み合わせのそれぞれにおけるトリガーについて考えます。4 つの個別のケース (象限) は、図 1 に示されています。メイン ターミナル 1 (MT1) とメイン ターミナル 2 (MT2) は、それぞれアノード 1 (A1) とアノード 2 (A2) とも呼ばれます。^[2]

相対的な感度は、特定のトライアックの物理的構造によって異なりますが、原則として、象限 I が最も感度が高く (必要なゲート電流が最小)、象限 4 が最も感度が低く (必要なゲート電流が最大) なります。^{[説明が必要なぜ Q-IV が最も感度が低いのでしょうか?議論を参照してください]}

象限 1 と 2 では、MT2 は正で、電流は MT2 から MT1 へ、P、N、P、N 層を通って流れます。MT2 に取り付けられた N 領域は、あまり関与しません。象限 3 と 4 では、MT2 は負で、電流は MT1 から MT2 へ、P、N、P、N 層を通って流れます。MT2 に取り付けられた N 領域はアクティブですが、MT1 に取り付けられた N 領域は、初期トリガーにのみ関与し、バルク電流フローには関与しません。

ほとんどのアプリケーションでは、ゲート電流は MT2 から供給されるため、象限 1 と 3 が唯一の動作モードとなります (ゲートと MT2 は両方とも MT1 に対して正または負)。IC またはデジタル ドライブ回路からの単一極性トリガーを使用するその他のアプリケーションは象限 2 と 3 で動作し、MT1 は通常正電圧 (例: +5V) に接続され、ゲートは 0V (グランド) にプルダウンされます。

第1象限の動作は、ゲートとMT2がMT1に対して正のときに発生します。^図1

このメカニズムは図 3 に示されています。ゲート電流によって等価 NPN トランジスタがオンになり、次に等価 PNP トランジスタのベースから電流が流れ、これもオンになります。ゲート電流の一部 (点線) は p シリコンを横切る抵抗経路で失われ、NPN トランジスタのベースを通過せずに MT1 に直接流れ込みます。この場合、p シリコンに正孔が注入されると、MT1 の下の積層された n、p、n 層が NPN トランジスタのように動作し、ベースに電流が流れるためオンになります。これにより、MT2 の上の p、n、p 層が PNP トランジスタのように動作し、n 型ベースがエミッタ (MT2) に対して順方向バイアスされるためオンになります。したがって、トリガー方式は SCR と同じです。等価回路を図 4 に示します。

しかし、その構造はSCRとは異なります。特にTRIACでは、同等のNPNトランジスタのベースとエミッタ間のpn接合を通過せずに、ゲートからpシリコンを介してMT1に直接流れる小さな電流が常に存在します。この電流は図3の赤い点線で示されており、TRIACが同等の定格のSCRよりもオンにするためにより多くのゲート電流を必要とする理由です。^[3]

一般的に、この象限は4つの中で最も敏感です。これは、ゲート電流がメインデバイストランジスタの1つのベースに直接注入される唯一の象限だからです。^[4]

第2象限の動作は、ゲートが負で、MT2がMT1に対して正のときに発生します。^図1

図 5 はトリガー プロセスを示しています。デバイスのターンオンは 3 段階に分かれており、MT1 からの電流がゲートの下の pn 接合部を通ってゲートに流れ込むと開始します。これにより、ゲートをカソードとする NPN トランジスタと PNP トランジスタで構成される構造がオンになります (この構造のターンオンは図の「1」で示されています)。ゲートへの電流が増加すると、ゲートと MT2 の電位差が小さくなるため、ゲートの下の p シリコンの左側の電位が MT1 に向かって上昇します。これにより、p シリコンの左側と右側の間に電流が流れ (図の「2」で示されています)、MT1 端子の下の NPN トランジスタがオンになり、その結果、MT2 と上部の p シリコンの右側の間の pnp トランジスタもオンになります。したがって、最終的に、電流の大部分が通過する構造は、象限 I の動作と同じです (図 5 の「3」)。^[3]

第3象限の動作は、ゲートとMT2がMT1に対して負のときに発生します。^図1

プロセス全体の概要は、図 6 に示されています。ここでも、プロセスはさまざまなステップで発生します。最初のフェーズでは、MT1 端子とゲート間の pn 接合が順方向バイアスされます (ステップ 1)。順方向バイアスは、接合を結合する 2 つの層に少数キャリアを注入することを意味するため、電子はゲートの下の p 層に注入されます。これらの電子の一部は再結合せず、下にある n 領域に逃げます (ステップ 2)。これにより、n 領域の電位が低下し、スイッチがオンになる pnp トランジスタのベースとして機能します (ベース電位を直接下げずにトランジスタをオンにすることをリモート ゲート制御と呼びます)。下の p 層は、この PNP トランジスタのコレクタとして機能し、その電圧が高くなります。この p 層は、MT2 端子のすぐ上にある最後の 3 つの層で構成される NPN トランジスタのベースとしても機能し、次にアクティブになります。したがって、図 6 の「3」とラベル付けされた赤い矢印は、電流の最終的な伝導パスを示しています。^[3]

第4象限の動作は、ゲートが正で、MT2がMT1に対して負のときに発生します。^図1

この象限でのトリガーは、象限 III でのトリガーに似ています。このプロセスではリモート ゲート制御が使用され、図 7 に示されています。ゲートの下の p 層から MT1 の下の n 層に電流が流れると、自由電子の形で少数キャリアが p 領域に注入され、その一部は下にある np 接合によって収集され、再結合せずに隣接する n 領域に渡されます。象限 III でのトリガーの場合と同様に、これにより n 層の電位が低下し、n 層とその隣の 2 つの p 層で形成される PNP トランジスタがオンになります。下の p 層はこの PNP トランジスタのコレクタとして機能し、その電圧が高くなります。この p 層は、MT2 端子のすぐ上にある最後の 3 つの層で構成される NPN トランジスタのベースとしても機能し、MT2 端子がアクティブになります。したがって、図 6 の「3」のラベルが付いた赤い矢印は、電流の最終的な伝導パスを示しています。^[3]

一般的に、この象限は4つの中で最も感度が低いです。^[2]さらに、一部のTRIACモデル（さまざまなサプライヤーによって「ロジックレベル」、「スナバレス」、または「Hi-Com」タイプと名付けられている3象限高整流トライアック）は、この象限ではトリガーできず、他の3つの象限でのみトリガーされます。

回路で TRIAC を使用する場合、知っておくべき制限がいくつかあります。このセクションでは、そのいくつかをまとめます。

トライアックは、ゲートに流入または流出する電流が動作象限内の関連する接合をオンにするのに十分になると導通を開始します。これを行うことができる最小電流はゲートしきい値電流と呼ばれ、通常は I _GTで示されます。一般的なトライアックでは、ゲートしきい値電流は通常数ミリアンペアですが、次の点も考慮する必要があります。

• I _{GT は}温度に依存します。温度が高いほど、ブロックされた接合部の逆電流が高くなります。これは、ゲート領域に自由キャリアが多く存在することを意味するため、必要なゲート電流が低下します。
• I _{GT は}動作象限によって異なります。異なる象限は異なるトリガー方法を意味するためです (こちらを参照)。原則として、第 1 象限は最も感度が高く (つまり、オンにするために必要な電流が最も少なくなります)、第 4 象限は最も感度が低くなります。
• オフ状態からオン状態に切り替える場合、I _{GT は}2 つのメイン端子 MT1 と MT2 間の電圧に依存します。MT1 と MT2 間の電圧が高いほど、ブロックされた接合部の逆電流が大きくなり、デバイスをトリガーするために必要なゲート電流が少なくなります (高温動作と同様)。データシートでは、I _{GT は}通常、MT1 と MT2 間の指定された電圧に対して示されます。

ゲート電流が遮断されたとき、2 つの主端子間の電流がラッチング電流と呼ばれる値を超えると、デバイスは導通を継続します。ラッチング電流は、ゲート電流がない場合でもデバイスの内部構造をラッチ状態に維持する最小電流です。このパラメータの値は、次の要素によって変化します。

• ゲート電流パルス（振幅、形状、幅）
• 温度
• 動作の象限

特に、ゲート電流のパルス幅が十分に大きい場合（通常は数十マイクロ秒）、ゲート信号が中断され、ラッチ電流が保持電流と呼ばれる最小レベルに達したときに、トライアックはトリガープロセスを完了します。保持電流は、内部構造のすべての部分で整流を達成した後、デバイスをオンに保つために 2 つのメイン端子間を流れる必要最小限の電流です。

データシートでは、ラッチング電流は I _Lとして示され、保持電流は I _Hとして示されます。これらは通常、数ミリアンペアのオーダーです。

MT2 と MT1 間の電圧が高いと、TRIAC がオフのときにオンになることがあります。臨界静的 d v /d tの一般的な値は、ボルト/マイクロ秒で表されます。 ${\displaystyle \operatorname {d} v \over \operatorname {d} t}$

ターンオンは、ゲート端子と MT2 端子の寄生容量結合によるもので、MT2 での大きな電圧変化率に応じてゲートに電流が流れ込みます。この制限に対処する 1 つの方法は、適切な RC または RCLスナバネットワークを設計することです。多くの場合、これでゲートから MT1 へのインピーダンスを下げるのに十分です。この 2 つの端子の間に抵抗器または小さなコンデンサ (または両方を並列に接続) を配置すると、過渡時に生成された容量性電流はデバイスをアクティブにすることなくデバイスから流れ出ます。メーカーが提供するアプリケーション ノートを注意深く読み、特定のデバイス モデルをテストして、適切なネットワークを設計する必要があります。ゲートと MT1 間のコンデンサと抵抗器の一般的な値は、最大 100 nF と 10 Ω ～ 1 kΩ です。^{[5]通常のトライアック (}高感度ゲートとして販売されている低電力タイプを除く) ^[6]には、スプリアス dv/dt トリガーに対する保護のために、このような抵抗器がすでに組み込まれています。これにより、マルチメータを使用して TRIAC をテストするときに、ゲートの想定されるダイオード型の動作がマスクされます。

データシートでは、静的 d v /d t は通常 と示され、前述のように、ゲートに電流を流さなくても大きな電圧上昇率の後にトライアックがオフ状態からオンになる傾向に関係しています。 ${\displaystyle \left({\frac {\operatorname {d} v}{\operatorname {d} t}}\right)_{s}}$

デバイスがオンのときにMT1 と MT2 間の電流が急激に上昇すると (どちらの方向でも) 、パルス持続時間が非常に短い場合でも、TRIAC が損傷または破壊される可能性があります。その理由は、整流中に電力消費がデバイス全体に均一に分散されないためです。スイッチオンすると、デバイスは電流の伝導が接合部全体に広がるのを終える前に電流を伝導し始めます。デバイスは通常、数ナノ秒または数マイクロ秒後に外部回路によって課せられた電流を伝導し始めますが、接合部全体のスイッチオンが完全に完了するまでには、はるかに長い時間がかかります。そのため、電流の上昇が速すぎると、TRIAC に恒久的な損傷を与える可能性のある局所的なホット スポットが発生する可能性があります。

データシートでは、このパラメータは通常 と示され、典型的にはマイクロ秒あたり数十アンペアのオーダーである。^[2]${\displaystyle {\frac {\operatorname {d} i}{\operatorname {d} t}}}$

整流 d v /d t定格は、TRIAC が導通していて、インダクタなどの部分的に反応する負荷でオフにしようとするときに適用されます。電流と電圧は位相がずれているため、電流が保持値を下回ると、TRIAC はオフにしようとしますが、電流と電圧の位相シフトにより、2 つのメイン端子間で突然の電圧ステップが発生し、デバイスが再びオンになります。

データシートでは、このパラメータは通常 と示され、一般的にはマイクロ秒あたり数ボルト程度になります。 ${\displaystyle \left({\frac {\operatorname {d} v}{\operatorname {d} t}}\right)_{c}}$

整流 dv/dt が静的 dv/dt より小さい理由は、デバイスがオフになる直前に、前回の導通の結果として内部層にまだ余分な少数電荷が残っているためです。TRIAC がオフになり始めると、これらの電荷によってゲートと MT1 付近の領域の内部電位が変化するため、d v /d tによる容量性電流によってデバイスが再びオンになりやすくなります。

オン状態からオフ状態への転流中のもう 1 つの重要な要素は、MT1 から MT2 への電流の d i /d t です。これは、標準ダイオードの回復に似ています。つまり、 d i /d t が高いほど、逆電流が大きくなります。TRIAC には寄生抵抗があるため、内部の pn 接合部の逆電流が大きいと、ゲート領域と MT1 領域の間で電圧降下が発生し、TRIAC がオンのままになることがあります。

データシートでは、整流 d i /d tは通常 と示され、一般的にはマイクロ秒あたり数アンペアのオーダーになります。 ${\displaystyle \left({\frac {\operatorname {d} i}{\operatorname {d} t}}\right)_{c}}$

整流 d v /d tは、誘導負荷など、電流と電圧の間に位相シフトがある負荷を駆動するために TRIAC を使用する場合に非常に重要です。インダクタをオフにするとします。電流がゼロになったときにゲートに電力が供給されていない場合、TRIAC はオフにしようとしますが、前述の位相シフトにより、TRIAC の両端の電圧にステップが発生します。整流 d v /d t定格を超えると、デバイスはオフになりません。

無効負荷（誘導性または容量性）を制御するために使用する場合、主回路のACの各半サイクルの終わりにTRIACが正しくオフになるように注意する必要があります。TRIACはMT1とMT2間の急速な電圧変化（dv/dt）に敏感であるため、無効負荷によって引き起こされる電流と電圧の位相シフトにより、サイリスタが誤ってオンになる可能性のある電圧ステップが発生する可能性があります。^[3]電気モーターは通常誘導性負荷であり、ほとんどのテレビやコンピューターで使用されているオフライン電源は容量性です。

MT1 と MT2 の間にスナバ回路 (通常は抵抗/コンデンサまたは抵抗/コンデンサ/インダクタ タイプ) を使用することで、不要なターンオンを回避できます。スナバ回路は、たとえば主電源の電圧スパイクによって引き起こされる早期のトリガーを防ぐためにも使用されます。

ターンオンは、高い d v /d t（つまり、急激な電圧変化）の結果としてゲートに流れ込む内部容量性電流によって引き起こされるため、ゲートと MT1 の間にゲート抵抗器またはコンデンサ（または両方を並列に接続）を接続して、MT1 への低インピーダンス パスを提供し、誤トリガーをさらに防止することができます。ただし、これにより、必要なトリガー電流が増加したり、コンデンサの充電による遅延が増加したりします。一方、ゲートと MT1 の間に抵抗器を接続すると、デバイスから漏れ電流が引き出され、最大許容 d v /d tが低い高温での TRIAC のパフォーマンスが向上します。この目的には、通常、1kΩ 未満の抵抗器と 100nF のコンデンサ値が適していますが、特定のデバイス モデルで微調整を行う必要があります。^[5]

より高出力で要求の厳しい負荷の場合、1 つの TRIAC の代わりに、逆並列の 2 つのSCR を使用できます。各 SCR には、逆極性の電圧が半サイクル全体にわたって適用されるため、負荷の特性に関係なく、SCR のターンオフが保証されます。ただし、ゲートが別々であるため、SCR を適切にトリガーすることは、TRIAC をトリガーするよりも複雑です。

電流位相シフトにより、トリガー時に主回路電流が保持電流を下回ると、TRIAC はリアクティブ負荷で確実にオンにならないこともあります。この問題を解決するには、DC またはパルス列を使用して、TRIAC がオンになるまで繰り返しトリガーします。

低電力トライアックは、照明の 調光器、電動ファンやその他の電動モーターの速度制御、多くの家庭用小型および大型家電製品の最新のコンピューター制御回路など、多くの用途で使用されています。

主電源電圧トライアックがマイクロコントローラによってトリガーされる場合、オプトアイソレータが頻繁に使用されます。たとえば、オプトトライアックを使用してゲート電流を制御できます。または、安全が確保され、コントローラの電気的絶縁が不要な場合は、マイクロコントローラの電源レールの 1 つを主電源の 1 つに接続できます。このような状況では、中性端子をマイクロコントローラの電源の正のレールに接続し、トライアックの A1 を A2 をライブに接続するのが一般的です。トライアックのゲートは、オプトアイソレーション トランジスタを介して、場合によっては抵抗を介してマイクロコントローラに接続できるため、電圧をマイクロコントローラのロジック ゼロまで下げると、トライアックのゲートに十分な電流が流れ、トリガーされます。これにより、トライアックは象限 II と III でトリガーされ、トライアックが通常鈍感な象限 IV を回避できます。^[7]

3 象限 TRIAC は、第 1 象限から第 3 象限でのみ動作し、第 4 象限ではトリガーできません。これらのデバイスは、整流の改善を目的として特別に作られており、多くの場合、スナバ回路を使用せずに無効負荷を制御できます。

このタイプの最初のトライアックは、トムソン セミコンダクターズ (現在のST マイクロエレクトロニクス) によって「オルタニスタ」という名前で販売されました。後のバージョンは「スナバレス」および「ACS」(AC スイッチ、ただしこのタイプにはゲート バッファも組み込まれているため、象限 I の動作がさらに妨げられます) という商標で販売されています。リテルヒューズも「オルタニスタ」という名前を使用しています。フィリップス セミコンダクターズ (現在のNXP セミコンダクターズ ) は「Hi-Com」(High Commutation) という商標を考案しました。

多くの場合、これらの TRIAC は、ロジック レベルのコンポーネントによって直接駆動されるため、より小さなゲート電流で動作できます。

• DIAC（交流用ダイオード）
• クアドラック
• シリコン制御整流器(SCR)
• 三極管

• サイリスタ理論と設計上の考慮事項、ON Semiconductor、240 ページ、2006 年、HBD855/D。(無料 PDF ダウンロード)

• ウィキメディア・コモンズのトライアック関連メディア