Cos'è il triac: circuito di commutazione e applicazioni

Potenza interruttori elettronici come BJT, SCR, IGBT, MOSFET, e TRIAC sono componenti molto importanti quando si tratta di circuiti di commutazione come convertitori DC-DC, regolatori di velocità del motore, driver motore, e regolatori di frequenza ecc Ogni dispositivo ha la proprietà unica e quindi hanno le loro applicazioni specifiche. In questo tutorial impareremo a conoscere il TRIAC, che è un dispositivo bidirezionale, il che significa che può condurre in entrambe le direzioni. A causa di questa proprietà TRIAC viene utilizzato esclusivamente in caso di alimentazione CA sinusoidale.

Introduzione a TRIAC

Il termine TRIAC sta per TRI ode per A lternating C urrent. È un dispositivo di commutazione a tre terminali simile a SCR (tiristore) ma può condurre in entrambi i direzionali poiché si costruisce combinando due SCR in stato anti-parallelo. Il simbolo e il pin di TRIAC sono mostrati di seguito.

Poiché il TRIAC è un dispositivo bidirezionale, la corrente può fluire da MT1 a MT2 o da MT2 a MT1 quando viene attivato il terminale di gate. Per un TRIAC questa tensione di trigger che deve essere applicata al terminale di gate può essere positiva o negativa rispetto al terminale MT2. Quindi questo pone il TRIAC in quattro modalità operative come elencato di seguito

• Tensione positiva su MT2 e impulso positivo al gate (quadrante 1)
• Tensione positiva su MT2 e impulso negativo al gate (quadrante 2)
• Tensione negativa su MT2 e impulso positivo al gate (quadrante 3)
• Tensione negativa su MT2 e impulso negativo al gate (quadrante 4)

VI Caratteristiche di un TRIAC

L'immagine sotto mostra lo stato del TRIAC in ogni quadrante.

Le caratteristiche di accensione e spegnimento del TRIAC possono essere comprese guardando il grafico VI caratterizza del TRIAC che è anche mostrato nella figura sopra. Poiché il TRIAC è solo una combinazione di due SCR in direzione antiparallela, il grafico delle caratteristiche del VI è simile a quello di un SCR. Come si può vedere il TRIAC opera prevalentemente nel 1 ^° quadrante e il 3 ^° quadrante.

Caratteristiche di accensione

Per attivare un TRIAC è necessario fornire una tensione / impulso di gate positivo o negativo al pin del gate del TRIAC. Quando viene attivato uno dei due SCR interni, il TRIAC inizia a condurre in base alla polarità dei terminali MT1 e MT2. Se MT2 è positivo e MT1 è negativo, il primo SCR conduce e se il terminale MT2 è negativo e MT1 è positivo, allora il secondo SCR conduce. In questo modo uno degli SCR rimane sempre acceso, rendendo così il TRIAC ideale per applicazioni AC.

La tensione minima che deve essere applicata al pin del gate per attivare un TRIAC è chiamata tensione del gate di soglia (V _GT) e la corrente risultante attraverso il pin del gate è chiamata corrente del gate di soglia (I _GT). Una volta applicata questa tensione al pin del gate, il TRIAC viene polarizzato in avanti e inizia a condurre, il tempo impiegato dal TRIAC per passare dallo stato spento allo stato acceso viene chiamato tempo di accensione (t _on).

Proprio come un SCR, il TRIAC una volta acceso rimarrà acceso a meno che non venga commutato. Ma per questa condizione la corrente di carico attraverso il TRIAC dovrebbe essere maggiore o uguale alla corrente di latch (I _L) del TRIAC. Quindi per concludere un TRIAC rimarrà acceso anche dopo la rimozione dell'impulso di gate fintanto che la corrente di carico è maggiore del valore della corrente di latch.

Simile alla corrente di mantenimento, esiste un altro valore importante di corrente chiamato corrente di mantenimento. Il valore minimo di corrente per mantenere il TRIAC in modalità di conduzione diretta è chiamato corrente di mantenimento (I _H). Un TRIAC entrerà in modalità di conduzione continua solo dopo aver superato la corrente di mantenimento e la corrente di latch come mostrato nel grafico sopra. Anche il valore della corrente di mantenimento di qualsiasi TRIAC sarà sempre maggiore del valore della corrente di mantenimento.

Caratteristiche di spegnimento

Il processo di spegnimento di un TRIAC o di qualsiasi altro dispositivo di alimentazione è chiamato commutazione e il circuito ad esso associato per eseguire l'attività è chiamato circuito di commutazione. Il metodo più comune utilizzato per disattivare un TRIAC consiste nel ridurre la corrente di carico attraverso il TRIAC fino a quando non raggiunge il valore di mantenimento della corrente (I _H). Questo tipo di commutazione è chiamata commutazione forzata nei circuiti CC. Impareremo di più su come un TRIAC viene acceso e spento attraverso i suoi circuiti applicativi.

Applicazioni TRIAC

TRIAC è molto comunemente utilizzato in luoghi in cui è necessario controllare l'alimentazione CA, ad esempio, viene utilizzato nei regolatori di velocità di ventilatori a soffitto, circuiti dimmer a lampadina CA ecc. Esaminiamo un semplice circuito di commutazione TRIAC per capire come funziona praticamente.

Qui abbiamo usato il TRIAC per accendere e spegnere un carico AC tramite un pulsante. La fonte di alimentazione di rete viene quindi collegata a una piccola lampadina attraverso il TRIAC come mostrato sopra. Quando l'interruttore è chiuso, la tensione di fase viene applicata al pin del gate del TRIAC attraverso il resistore R1. Se questa tensione di gate è superiore alla tensione di soglia del gate, una corrente fluisce attraverso il pin del gate, che sarà maggiore della corrente di soglia del gate.

In questa condizione il TRIAC entra in polarizzazione diretta e la corrente di carico fluirà attraverso la lampadina. Se i carichi consumano abbastanza corrente, il TRIAC entra in stato di blocco. Ma poiché si tratta di una fonte di alimentazione CA, la tensione raggiungerà lo zero per ogni mezzo ciclo e quindi anche la corrente raggiungerà lo zero momentaneamente. Quindi il blocco non è possibile in questo circuito e il TRIAC si spegnerà non appena l'interruttore viene aperto e non è richiesto alcun circuito di commutazione. Questo tipo di commutazione del TRIAC è chiamata commutazione naturale. Ora costruiamo questo circuito su una breadboard usando il BT136 TRIAC e controlliamo come funziona.

È necessaria la massima cautela mentre si lavora con alimentatori CA, la tensione di esercizio viene ridotta per motivi di sicurezza. L'alimentazione CA standard di 230 V 50 Hz (in India) viene ridotta a 12 V 50 Hz utilizzando un trasformatore. Una piccola lampadina è collegata come carico. La configurazione sperimentale è simile alla seguente una volta completata.

Quando il pulsante viene premuto, il pin del gate riceve la tensione del gate e quindi il TRIAC viene attivato. La lampadina si accenderà fintanto che si tiene premuto il pulsante. Una volta rilasciato il pulsante, il TRIAC sarà in stato di blocco, ma poiché la tensione di ingresso è AC la corrente sebbene il TRIAC scenderà al di sotto della corrente di mantenimento e quindi il TRIAC si spegnerà, il funzionamento completo può anche essere trovato nel video fornito alla fine di questo tutorial.

Controllo TRIAC tramite microcontrollori

Quando i TRIAC vengono utilizzati come dimmer della luce o per applicazioni di controllo di fase, l'impulso di gate fornito al pin del gate deve essere controllato utilizzando un microcontrollore. In tal caso anche il pin del gate verrà isolato utilizzando un optoaccoppiatore. Lo schema del circuito per lo stesso è mostrato di seguito.

Per controllare il TRIAC utilizzando un segnale 5V / 3.3V useremo un optoaccoppiatore come il MOC3021 che ha un TRIAC al suo interno. Questo TRIAC può essere attivato da 5 V / 3,3 V tramite il diodo a emissione di luce. Normalmente un segnale PWM viene applicata al 1 ^° perno MOC3021 e il ciclo frequenza e duty del segnale PWM viene variata per ottenere il risultato desiderato. Questo tipo di circuito viene normalmente utilizzato per il controllo della luminosità della lampada o per il controllo della velocità del motore.

Effetto velocità - Circuiti soppressori

Tutti i TRIAC soffrono di un problema chiamato Rate Effect. Quando il terminale MT1 è soggetto a un forte aumento di tensione a causa di disturbi di commutazione o transitori o sovratensioni, il TRIAC lo interrompe come un segnale di commutazione e si accende automaticamente. Ciò è dovuto alla capacità interna presente tra i terminali MT1 e MT2.

Il modo più semplice per superare questo problema è utilizzare un circuito Snubber. Nel circuito sopra, il resistore R2 (50R) e il condensatore C1 (10nF) insieme formano una rete RC che funge da circuito snubber. Eventuali tensioni di picco fornite a MT1 saranno osservate da questa rete RC.

Effetto contraccolpo

Un altro problema comune che dovrà affrontare i progettisti durante l'utilizzo di TRIAC è l'effetto Backlash. Questo problema si verifica quando si utilizza un potenziometro per controllare la tensione di gate del TRIAC. Quando il POT viene portato al valore minimo, non verrà applicata alcuna tensione al pin del gate e quindi il carico verrà spento. Ma quando il POT è impostato al valore massimo il TRIAC non si accende a causa dell'effetto di capacità tra i pin MT1 e MT2, questo condensatore dovrebbe trovare un percorso per scaricarsi altrimenti non permetterà al TRIAC di accendersi. Questo effetto è chiamato effetto Backlash. Questo problema può essere risolto semplicemente introducendo un resistore in serie con il circuito di commutazione per fornire un percorso per la scarica del condensatore.

Interferenze in radiofrequenza (RFI) e TRIAC

I circuiti di commutazione TRIAC sono più inclini alle interferenze in radiofrequenza (EFI) perché quando il carico è acceso, la corrente sale improvvisamente da 0A al valore massimo creando così una raffica di impulsi elettrici che causa l'interfaccia a radiofrequenza. Maggiore è la corrente di carico, peggiore sarà l'interferenza. L'uso di circuiti soppressori come un soppressore LC risolverà questo problema.

TRIAC - Limitazioni

Quando è richiesto di commutare le forme d'onda CA in entrambe le direzioni, ovviamente TRIAC sarà la prima scelta poiché è l'unico interruttore elettronico di potenza bidirezionale. Funziona proprio come due SCR collegati in modo back to back e condividono anche le stesse proprietà. Sebbene durante la progettazione di circuiti utilizzando TRIAC sia necessario considerare le seguenti limitazioni

• Il TRIAC ha due strutture SCR al suo interno, una conduce durante la metà positiva e l'altra durante la metà negativa. Ma non si attivano simmetricamente causando differenze nel semiciclo positivo e negativo dell'output
• Inoltre, poiché la commutazione non è simmetrica, porta ad armoniche di alto livello che indurranno rumore nel circuito.
• Questo problema di armoniche porterà anche a interferenze elettromagnetiche (EMI)
• Durante l'utilizzo di carichi induttivi, c'è un enorme rischio che la corrente di spunto fluisca verso la sorgente, quindi è necessario assicurarsi che TRIAC sia completamente spento e il carico induttivo venga scaricato in modo sicuro attraverso un percorso alternativo