Què és triac: circuit de commutació i aplicacions

Els commutadors electrònics de potència com BJT, SCR, IGBT, MOSFET i TRIAC són components molt importants a l’hora de canviar circuits com convertidors DC-DC, controladors de velocitat del motor, controladors de motor i controladors de freqüència, etc. Cada dispositiu té la seva propietat única i per tant, tenen les seves pròpies aplicacions específiques. En aquest tutorial coneixerem el TRIAC, que és un dispositiu bidireccional que significa que pot conduir en ambdues direccions. A causa d’aquesta propietat, TRIAC s’utilitza exclusivament quan es tracta d’un subministrament de CA sinusoidal.

Introducció a TRIAC

El terme TRIAC significa oda TRI per a un Lternant C urrent. Es tracta d'un dispositiu de commutació de tres terminals similar a SCR (Tiristor), però pot conduir-se en la direcció direccional ja que es construeix combinant dos SCR en estat anti-paral·lel. A continuació es mostra el símbol i el pin de TRIAC.

Com que el TRIAC és un dispositiu bidireccional, el corrent pot fluir de MT1 a MT2 o de MT2 a MT1 quan s’activa el terminal de la porta. Per a un TRIAC, aquest voltatge d’activació que s’ha d’aplicar al terminal de la porta pot ser positiu o negatiu respecte al terminal MT2. Per tant, això posa el TRIAC en quatre modes de funcionament tal i com es detallen a continuació

• Voltatge positiu a MT2 i impuls positiu a la porta (Quadrant 1)
• Voltatge positiu a MT2 i pols negatiu a la porta (Quadrant 2)
• Voltatge negatiu a MT2 i impuls positiu a la porta (Quadrant 3)
• Voltatge negatiu a MT2 i pols negatiu a la porta (Quadrant 4)

VI Característiques d'un TRIAC

La imatge següent il·lustra l’estat de TRIAC a cada quadrant.

Els caràcters d'activació i apagat del TRIAC es poden entendre veient el gràfic VI caracteritza el TRIAC, que també es mostra a la imatge anterior. Com que el TRIAC és només una combinació de dos SCR en direcció anti-paral·lela, el gràfic de característiques del VI té un aspecte similar al d’un SCR. Com podeu veure, el TRIAC opera principalment al ^1r Quadrant i al ^3r Quadrant.

Característiques d'activació

Per engegar un TRIAC, s’ha de subministrar un voltatge / impuls positiu o negatiu al pin de porta del TRIAC. Quan s’activa un dels dos SCR que hi ha a l’interior, el TRIAC comença a conduir en funció de la polaritat dels terminals MT1 i MT2. Si MT2 és positiu i MT1 és negatiu, el primer SCR es condueix i si el terminal MT2 és negatiu i MT1 és positiu, es duu a terme el segon SCR. D’aquesta manera, qualsevol dels SCR es manté sempre activat, de manera que el TRIAC és ideal per a aplicacions de corrent altern.

La tensió mínima que s’ha d’aplicar al pin de porta per activar un TRIAC s’anomena tensió de porta de llindar (V _GT) i el corrent resultant a través del pin de porta s’anomena corrent de porta de llindar (I _GT). Una vegada que s’aplica aquest voltatge, el pin de porta que el TRIAC avança esbiaixat i comença a conduir-se, el temps que triga el TRIAC a canviar d’estat apagat a estat activat s’anomena temps d’activació (t _on)

Igual que un SCR, el TRIAC un cop activat romandrà activat tret que es commuti. Però per a aquesta condició, el corrent de càrrega a través del TRIAC ha de ser superior o igual al corrent de bloqueig (I _L) del TRIAC. Per tant, per concloure, un TRIAC seguirà encès fins i tot després d’eliminar el pols de la porta, sempre que el corrent de càrrega sigui superior al valor del corrent de bloqueig.

De manera similar al corrent de retenció, hi ha un altre valor important del corrent anomenat corrent de retenció. El valor mínim de corrent per mantenir el TRIAC en el mode de conducció directa s’anomena corrent de retenció (I _H). Un TRIAC entrarà en mode de conducció contínua només després de passar pel corrent de retenció i el corrent de bloqueig, tal com es mostra al gràfic anterior. També el valor del corrent de bloqueig de qualsevol TRIAC sempre serà superior al valor del corrent de retenció.

Característiques de desactivació

El procés d’apagar un TRIAC o qualsevol altre dispositiu d’alimentació s’anomena comutació i el circuit que s’hi associa per realitzar la tasca s’anomena circuit commutacional. El mètode més comú que s’utilitza per apagar un TRIAC és reduir el corrent de càrrega mitjançant el TRIAC fins que no arriba al valor del corrent de retenció (I _H). Aquest tipus de commutació es coneix com a commutació forçada en circuits de CC. Aprendrem més sobre com s’activa i desactiva un TRIAC mitjançant els seus circuits d’aplicació.

Aplicacions TRIAC

TRIAC s’utilitza molt sovint en llocs on s’ha de controlar l’alimentació de CA, per exemple, s’utilitza en els reguladors de velocitat dels ventiladors de sostre, circuits de regulació de bombetes de CA, etc.

Aquí hem utilitzat el TRIAC per activar i desactivar una càrrega de CA mitjançant un polsador. La font d'alimentació es connecta a una petita bombeta a través del TRIAC, tal com es mostra més amunt. Quan l’interruptor es tanca, la tensió de fase s’aplica al pin de la porta del TRIAC a través de la resistència R1. Si aquesta tensió de la porta és superior a la tensió del llindar de la porta, aleshores hi passa un corrent a través del pin de la porta, que serà superior al corrent del llindar de la porta.

En aquesta condició, el TRIAC entra en biaix cap endavant i el corrent de càrrega fluirà per la bombeta. Si les càrregues consumeixen prou corrent, el TRIAC entra en estat de bloqueig. Però com que es tracta d’una font d’alimentació de CA, la tensió arribarà a zero per cada mig cicle i, per tant, el corrent també arribarà a zero momentàniament. Per tant, el bloqueig no és possible en aquest circuit i el TRIAC s’apagarà tan bon punt s’obri l’interruptor i no es requereix cap circuit de commutació. Aquest tipus de commutació de TRIAC s’anomena comutació natural. Ara construïm aquest circuit en una taula de treball mitjançant el BT136 TRIAC i comprovem el seu funcionament.

Es necessita molta precaució quan es treballa amb fonts d’alimentació de CA. El voltatge de funcionament es redueix per motius de seguretat. La potència de CA estàndard de 230V 50Hz (a l’Índia) es redueix a 12V 50Hz mitjançant un transformador. Una petita bombeta es connecta com a càrrega. La configuració experimental té aquest aspecte a continuació quan es completi.

Quan es prem el botó, el pin de la porta rep el voltatge de la porta i, per tant, el TRIAC s'encén. La bombeta brillarà sempre que es mantingui premut el botó. Un cop deixeu anar el botó, el TRIAC estarà en estat bloquejat, però com que la tensió d'entrada és de corrent altern, el TRIAC passarà per sota del corrent de retenció i, per tant, el TRIAC s'apagarà, el funcionament complet també es pot trobar al vídeo donat al final d’aquest tutorial.

Control TRIAC mitjançant microcontroladors

Quan s’utilitzen TRIAC com a reguladors de llum o per a aplicacions de control de fase, s’ha de controlar el pols de la porta subministrat al pin de la porta mitjançant un microcontrolador. En aquest cas, el pas de la porta també s’aïllarà mitjançant un optoacoblador. El diagrama del circuit per al mateix es mostra a continuació.

Per controlar el TRIAC mitjançant un senyal de 5V / 3,3V utilitzarem un optoacoblador com el MOC3021 que té un TRIAC al seu interior. Aquest TRIAC pot ser activat per 5V / 3,3V a través del díode emissor de llum. Normalment, un senyal PWM s'aplicarà a la 1 ^st pin d'MOC3021 i el cicle de freqüència i treball del senyal PWM es varia per obtenir la sortida desitjada. Aquest tipus de circuit s'utilitza normalment per al control de la brillantor de la làmpada o el control de la velocitat del motor.

Efecte de velocitat - Circuits Snubber

Tots els TRIAC pateixen un problema anomenat Efecte de taxa. És aleshores quan el terminal MT1 està sotmès a un fort augment de la tensió a causa del soroll de commutació o de transitoris o sobretensions, el TRIAC l’interromp com a senyal de commutació i s’encén automàticament. Això es deu a la capacitat interna present entre els terminals MT1 i MT2.

La forma més senzilla de superar aquest problema és mitjançant un circuit Snubber. En el circuit anterior, la resistència R2 (50R) i el condensador C1 (10nF) formen junts una xarxa RC que actua com un circuit Snubber. Aquesta xarxa RC observarà els voltatges màxims subministrats a MT1.

Efecte de reacció

Un altre problema comú al qual s’enfrontaran els dissenyadors mentre utilitzen TRIAC és l’efecte Backlash. Aquest problema es produeix quan s'utilitza un potenciòmetre per controlar la tensió de la porta del TRIAC. Quan el POT es gira al valor mínim, no s’aplicarà cap voltatge al pas de la porta i, per tant, la càrrega s’apagarà. Però quan el POT es gira al valor màxim, el TRIAC no s'encén a causa de l'efecte de capacitat entre els pins MT1 i MT2, aquest condensador hauria de trobar un camí per descarregar-se, sinó permetrà que el TRIAC o s'encengui. Aquest efecte es coneix com a efecte de reacció. Aquest problema es pot corregir simplement introduint una resistència en sèrie amb circuit de commutació per proporcionar un camí perquè el condensador es descarregui.

Interferències de radiofreqüència (RFI) i TRIAC

Els circuits de commutació TRIAC són més propensos a la interferència de radiofreqüència (EFI) perquè quan s’activa la càrrega, el corrent augmenta de forma 0A al valor màxim de cop i crea una explosió de polsos elèctrics que causa la interfície de radiofreqüència. Com més gran sigui el corrent de càrrega, pitjor serà la interferència. L’ús de circuits supressors com un supressor de LC solucionarà aquest problema.

TRIAC - Limitacions

Quan es requereixi per canviar formes d'ona de CA en ambdues direccions, evidentment TRIAC serà la primera opció, ja que és l'únic interruptor electrònic de potència bidireccional. Funciona igual que dos SCR connectats de forma esquena amb esquena i també comparteixen les mateixes propietats. Tot i que durant el disseny de circuits mitjançant TRIAC cal tenir en compte les limitacions següents

• El TRIAC té dues estructures SCR al seu interior, una condueix durant la meitat positiva i l’altra durant la meitat negativa. Però, no es desencadenen de manera simètrica, provocant diferències en el mig cicle positiu i negatiu de la sortida
• A més, ja que la commutació no és simètrica, condueix a harmònics d'alt nivell que induiran soroll al circuit.
• Aquest problema d’harmònics també conduirà a interferències electromagnètiques (EMI)
• Mentre s’utilitzen càrregues inductives, hi ha un gran risc de corrent d’entrada que flueix cap a la font, de manera que s’ha d’assegurar que TRIAC estigui completament apagat i que la càrrega inductiva es descarregui de manera segura a través d’un camí alternatiu.