Qu'est-ce que le triac: circuit de commutation et applications

Puissance interrupteurs électroniques tels que BJT, SCR, IGBTs, MOSFETs, et TRIAC sont des éléments très importants en matière de circuits de commutation comme convertisseurs DC-DC, Contrôleurs de moteur de vitesse, les pilotes moteur et contrôleurs de fréquence, etc. Chaque appareil a sa propre propriété unique et ainsi ils ont leurs propres applications spécifiques. Dans ce didacticiel, nous allons en apprendre davantage sur le TRIAC, qui est un appareil bidirectionnel, ce qui signifie qu'il peut conduire dans les deux sens. En raison de cette propriété, TRIAC est exclusivement utilisé là où une alimentation CA sinusoïdale est impliquée.

Introduction à TRIAC

Le terme TRIAC signifie TRI ode pour A lternating C urrent. C'est un dispositif de commutation à trois bornes similaire au SCR (Thyristor) mais il peut conduire dans les deux sens puisqu'il se construit en combinant deux SCR dans un état anti-parallèle. Le symbole et la broche de TRIAC sont indiqués ci-dessous.

Puisque le TRIAC est un dispositif bidirectionnel, le courant peut circuler de MT1 à MT2 ou de MT2 à MT1 lorsque la borne de porte est déclenchée. Pour un TRIAC, cette tension de déclenchement qui doit être appliquée à la borne de grille peut être positive ou négative par rapport à la borne MT2. Ainsi, cela place le TRIAC dans quatre modes de fonctionnement comme indiqué ci-dessous

Tension positive à MT2 et impulsion positive à la porte (Quadrant 1)
Tension positive à MT2 et impulsion négative à la porte (Quadrant 2)
Tension négative à MT2 et impulsion positive à la porte (Quadrant 3)
Tension négative à MT2 et impulsion négative à la porte (Quadrant 4)

VI Caractéristiques d'un TRIAC

L'image ci-dessous illustre l'état de TRIAC dans chaque quadrant.

Les caractéristiques d'activation et de désactivation du TRIAC peuvent être comprises en regardant le graphique des caractéristiques du VI du TRIAC qui est également montré dans l'image ci-dessus. Puisque le TRIAC n'est qu'une combinaison de deux SCR dans une direction anti-parallèle, le graphique des caractéristiques du VI ressemble à celui d'un SCR. Comme vous pouvez le voir le TRIAC fonctionne principalement dans le 1 ^er quadrant et le 3 ^ème quadrant.

Caractéristiques de mise en marche

Pour activer un TRIAC, une tension / impulsion de grille positive ou négative doit être fournie à la broche de grille du TRIAC. Lorsqu'il est déclenché l'un des deux SCR à l'intérieur, le TRIAC commence à conduire en fonction de la polarité des bornes MT1 et MT2. Si MT2 est positif et MT1 est négatif, le premier SCR est conducteur et si la borne MT2 est négative et MT1 est positive, alors le second SCR est conducteur. De cette façon, l'un ou l'autre des SCR reste toujours allumé, ce qui rend le TRIAC idéal pour les applications AC.

La tension minimale qui doit être appliquée à la broche de grille pour activer un TRIAC est appelée tension de grille de seuil (V _GT) et le courant résultant à travers la broche de grille est appelé courant de grille de seuil (I _GT). Une fois que cette tension est appliquée à la broche de grille, le TRIAC est polarisé en direct et commence à conduire, le temps nécessaire au TRIAC pour passer de l'état désactivé à l'état activé est appelé temps d'activation (t _on).

Tout comme un SCR, le TRIAC une fois allumé restera allumé à moins qu'il ne soit commuté. Mais pour cette condition, le courant de charge à travers le TRIAC doit être supérieur ou égal au courant de verrouillage (I _L) du TRIAC. Donc, pour conclure, un TRIAC restera allumé même après avoir supprimé l'impulsion de porte tant que le courant de charge est supérieur à la valeur du courant de verrouillage.

Semblable au courant de verrouillage, il existe une autre valeur importante du courant appelée courant de maintien. La valeur minimale du courant pour maintenir le TRIAC en mode de conduction directe est appelée courant de maintien (I _H). Un TRIAC entrera en mode de conduction continue seulement après avoir traversé le courant de maintien et le courant de verrouillage comme indiqué dans le graphique ci-dessus. De plus, la valeur du courant de verrouillage de tout TRIAC sera toujours supérieure à la valeur du courant de maintien.

Caractéristiques de désactivation

Le processus de mise hors tension d'un TRIAC ou de tout autre dispositif d'alimentation est appelé commutation, et le circuit qui lui est associé pour effectuer la tâche est appelé circuit de commutation. La méthode la plus courante utilisée pour éteindre un TRIAC consiste à réduire le courant de charge à travers le TRIAC jusqu'à ce qu'il atteigne la valeur du courant de maintien (I _H). Ce type de commutation est appelé commutation forcée dans les circuits CC. Nous en apprendrons plus sur la façon dont un TRIAC est activé et désactivé via ses circuits d'application.

Applications TRIAC

Le TRIAC est très couramment utilisé dans les endroits où le courant alternatif doit être contrôlé par exemple, il est utilisé dans les régulateurs de vitesse des ventilateurs de plafond, les circuits de gradateurs d'ampoules AC, etc.

Ici, nous avons utilisé le TRIAC pour allumer et éteindre une charge CA via un bouton poussoir. La source d'alimentation secteur est ensuite câblée à une petite ampoule via le TRIAC comme illustré ci-dessus. Lorsque l'interrupteur est fermé, la tension de phase est appliquée à la broche de grille du TRIAC via la résistance R1. Si cette tension de grille est supérieure à la tension de seuil de grille, un courant passe à travers la broche de grille, qui sera supérieur au courant de seuil de grille.

Dans cette condition, le TRIAC entre en polarisation directe et le courant de charge circulera à travers l'ampoule. Si les charges consomment suffisamment de courant, le TRIAC entre en état de verrouillage. Mais comme il s'agit d'une source d'alimentation CA, la tension atteindra zéro pour chaque demi-cycle et ainsi le courant atteindra également zéro momentanément. Par conséquent, le verrouillage n'est pas possible dans ce circuit et le TRIAC s'éteindra dès que l'interrupteur est ouvert et aucun circuit de commutation n'est nécessaire ici. Ce type de commutation de TRIAC est appelé commutation naturelle. Maintenant, construisons ce circuit sur une maquette en utilisant le BT136 TRIAC et vérifions son fonctionnement.

Une grande prudence est de mise lorsque vous travaillez avec des alimentations CA. La tension de fonctionnement est abaissée pour des raisons de sécurité. L'alimentation CA standard de 230 V 50 Hz (en Inde) est réduite à 12 V 50 Hz à l'aide d'un transformateur. Une petite ampoule est connectée en tant que charge. La configuration expérimentale ressemble à ceci ci-dessous une fois terminée.

Lorsque le bouton est enfoncé, la broche de grille reçoit la tension de grille et ainsi le TRIAC est allumé. L'ampoule brillera tant que le bouton est maintenu enfoncé. Une fois le bouton relâché, le TRIAC sera dans l'état verrouillé, mais comme la tension d'entrée est AC, le courant à travers le TRIAC passera en dessous du courant de maintien et ainsi le TRIAC s'éteindra, le fonctionnement complet peut également être trouvé dans la vidéo donné à la fin de ce tutoriel.

Contrôle TRIAC à l'aide de microcontrôleurs

Lorsque les TRIAC sont utilisés comme variateurs de lumière ou pour une application de contrôle de phase, l'impulsion de grille fournie à la broche de grille doit être contrôlée à l'aide d'un microcontrôleur. Dans ce cas, la broche de grille sera également isolée à l'aide d'un opto-coupleur. Le schéma de circuit correspondant est illustré ci-dessous.

Pour contrôler le TRIAC en utilisant un signal 5V / 3.3V, nous utiliserons un opto-coupleur comme le MOC3021 qui a un TRIAC à l'intérieur. Ce TRIAC peut être déclenché par 5 V / 3,3 V via la diode électroluminescente. Normalement, un signal PWM sera appliqué à la ^1ère broche du MOC3021 et la fréquence et le cycle de service du signal PWM seront modifiés pour obtenir la sortie souhaitée. Ce type de circuit est normalement utilisé pour le contrôle de la luminosité de la lampe ou le contrôle de la vitesse du moteur.

Effet de taux - Circuits d'amortissement

Tous les TRIAC souffrent d'un problème appelé effet de taux. C'est à ce moment que la borne MT1 est soumise à une forte augmentation de tension due à un bruit de commutation ou à des transitoires ou à des surtensions, le TRIAC l'interrompt en tant que signal de commutation et s'allume automatiquement. Ceci est dû à la capacité interne de présence entre les bornes MT1 et MT2.

Le moyen le plus simple de résoudre ce problème consiste à utiliser un circuit d'amortissement. Dans le circuit ci-dessus, la résistance R2 (50R) et le condensateur C1 (10nF) forment ensemble un réseau RC qui agit comme un circuit d'amortissement. Toutes les tensions de crête fournies à MT1 seront observées par ce réseau RC.

Effet de jeu

Un autre problème courant auquel seront confrontés les concepteurs lors de l'utilisation de TRIAC est l'effet Backlash. Ce problème se produit lorsqu'un potentiomètre est utilisé pour contrôler la tension de grille du TRIAC. Lorsque le POT est mis à la valeur minimale, aucune tension ne sera appliquée à la broche de grille et ainsi la charge sera désactivée. Mais lorsque le POT est tourné à la valeur maximale, le TRIAC ne s'allumera pas à cause de l'effet de capacité entre les broches MT1 et MT2, ce condensateur devrait trouver un chemin pour se décharger sinon il ne permettra pas au TRIAC de s'allumer. Cet effet est appelé effet Backlash. Ce problème peut être résolu en introduisant simplement une résistance en série avec un circuit de commutation pour fournir un chemin pour que le condensateur se décharge.

Interférences radioélectriques (RFI) et TRIAC

Les circuits de commutation TRIAC sont plus sujets aux interférences de radiofréquence (EFI) car lorsque la charge est allumée, le courant augmente soudainement de 0A à la valeur maximale, créant ainsi une rafale d'impulsions électriques qui provoque une interface de radiofréquence. Plus le courant de charge est élevé, pire sera l'interférence. L'utilisation de circuits de suppression comme un suppresseur LC résoudra ce problème.

TRIAC - Limitations

Lorsqu'il est nécessaire de commuter des formes d'onde CA dans les deux sens, le TRIAC sera évidemment le premier choix puisqu'il s'agit du seul commutateur électronique de puissance bidirectionnel. Il agit comme deux SCR connectés dos à dos et partagent également les mêmes propriétés. Bien que lors de la conception de circuits à l'aide de TRIAC, les limitations suivantes doivent être prises en compte

Le TRIAC a deux structures SCR à l'intérieur, l'une conduit pendant la moitié positive et l'autre pendant la moitié négative. Mais, ils ne se déclenchent pas symétriquement provoquant une différence dans le demi-cycle positif et négatif de la sortie
De plus, comme la commutation n'est pas symétrique, elle conduit à des harmoniques de haut niveau qui induiront du bruit dans le circuit.
Ce problème d'harmoniques entraînera également des interférences électromagnétiques (EMI)
Lors de l'utilisation de charges inductives, il existe un risque énorme que le courant d'appel circule vers la source, il faut donc s'assurer que TRIAC est complètement éteint et que la charge inductive est déchargée en toute sécurité par un autre chemin.