Un TRIAC ( triodo para corriente alterna ; también tiristor triodo bidireccional o tiristor triodo bilateral [1] ) es un componente electrónico de tres terminales que conduce corriente en cualquier dirección cuando se activa. El término TRIAC es una marca comercial genérica .
Los TRIAC son un subconjunto de los tiristores (análogos a un relé en el sentido de que un voltaje y una corriente pequeños pueden controlar un voltaje y una corriente mucho mayores) y están relacionados con los rectificadores controlados por silicio (SCR). Los TRIAC se diferencian de los SCR en que permiten el flujo de corriente en ambas direcciones, mientras que un SCR solo puede conducir corriente en una sola dirección. La mayoría de los TRIAC se pueden activar aplicando un voltaje positivo o negativo a la compuerta (un SCR requiere un voltaje positivo). Una vez activados, los SCR y los TRIAC continúan conduciendo, incluso si la corriente de la compuerta cesa, hasta que la corriente principal cae por debajo de un cierto nivel llamado corriente de mantenimiento .
Los tiristores de apagado de compuerta (GTO) son similares a los TRIAC pero proporcionan más control al apagarse cuando cesa la señal de compuerta.
La bidireccionalidad de los TRIAC los convierte en interruptores convenientes para corriente alterna (CA). Además, la aplicación de un disparador en un ángulo de fase controlado de la CA en el circuito principal permite controlar la corriente promedio que fluye hacia una carga ( control de fase ). Esto se usa comúnmente para controlar la velocidad de un motor universal , atenuar lámparas y controlar calentadores eléctricos. Los TRIAC son dispositivos bipolares.
Para entender cómo funcionan los TRIAC, considere la activación en cada una de las cuatro combinaciones posibles de voltajes de compuerta y MT2 con respecto a MT1. Los cuatro casos separados (cuadrantes) se ilustran en la Figura 1. El Terminal Principal 1 (MT1) y el Terminal Principal (MT2) también se conocen como Ánodo 1 (A1) y Ánodo 2 (A2) respectivamente. [2]
La sensibilidad relativa depende de la estructura física de un triac en particular, pero por regla general, el cuadrante I es el más sensible (se requiere la menor corriente de compuerta) y el cuadrante 4 es el menos sensible (se requiere la mayor corriente de compuerta). [ Se necesita aclaración ¿Por qué Q-IV es el menos sensible? Ver discusión ]
En los cuadrantes 1 y 2, MT2 es positivo y la corriente fluye desde MT2 a MT1 a través de las capas P, N, P y N. La región N unida a MT2 no participa significativamente. En los cuadrantes 3 y 4, MT2 es negativo y la corriente fluye desde MT1 a MT2, también a través de las capas P, N, P y N. La región N unida a MT2 está activa, pero la región N unida a MT1 solo participa en la activación inicial, no en el flujo de corriente en masa.
En la mayoría de las aplicaciones, la corriente de compuerta proviene de MT2, por lo que los cuadrantes 1 y 3 son los únicos modos de funcionamiento (tanto la compuerta como el MT2 son positivos o negativos respecto del MT1). Otras aplicaciones con activación de polaridad única desde un CI o un circuito de control digital funcionan en los cuadrantes 2 y 3, donde el MT1 suele estar conectado a un voltaje positivo (p. ej., +5 V) y la compuerta se baja a 0 V (tierra).
La operación del cuadrante 1 ocurre cuando la compuerta y MT2 son positivos con respecto a MT1. Figura 1
El mecanismo se ilustra en la Figura 3. La corriente de compuerta hace que se encienda un transistor NPN equivalente, que a su vez extrae corriente de la base de un transistor PNP equivalente, encendiéndolo también. Parte de la corriente de compuerta (línea de puntos) se pierde a través del camino óhmico a través del silicio p, fluyendo directamente hacia MT1 sin pasar por la base del transistor NPN. En este caso, la inyección de agujeros en el silicio p hace que las capas n, p y n apiladas debajo de MT1 se comporten como un transistor NPN, que se enciende debido a la presencia de una corriente en su base. Esto, a su vez, hace que las capas p, n y p sobre MT2 se comporten como un transistor PNP, que se enciende porque su base de tipo n se polariza directamente con respecto a su emisor (MT2). Por lo tanto, el esquema de activación es el mismo que el de un SCR. El circuito equivalente se representa en la Figura 4.
Sin embargo, la estructura es diferente a la de los SCR. En particular, el TRIAC siempre tiene una pequeña corriente que fluye directamente desde la compuerta hasta MT1 a través del p-silicio sin pasar por la unión pn entre la base y el emisor del transistor NPN equivalente. Esta corriente se indica en la Figura 3 mediante una línea roja de puntos y es la razón por la que un TRIAC necesita más corriente de compuerta para encenderse que un SCR de capacidad comparable. [3]
En general, este cuadrante es el más sensible de los cuatro, ya que es el único en el que la corriente de compuerta se inyecta directamente en la base de uno de los transistores del dispositivo principal. [4]
La operación del cuadrante 2 ocurre cuando la compuerta es negativa y MT2 es positiva con respecto a MT1. Figura 1
La figura 5 muestra el proceso de activación. El encendido del dispositivo es triple y comienza cuando la corriente procedente de MT1 fluye hacia la compuerta a través de la unión pn situada debajo de la misma. Esto activa una estructura compuesta por un transistor NPN y un transistor PNP, que tiene la compuerta como cátodo (el encendido de esta estructura se indica con un "1" en la figura). A medida que aumenta la corriente que entra en la compuerta, el potencial del lado izquierdo del silicio p situado debajo de la compuerta aumenta hacia MT1, ya que la diferencia de potencial entre la compuerta y MT2 tiende a disminuir: esto establece una corriente entre el lado izquierdo y el lado derecho del silicio p (indicado con un "2" en la figura), que a su vez activa el transistor NPN situado debajo del terminal MT1 y, como consecuencia, también el transistor pnp situado entre MT2 y el lado derecho del silicio p superior. Por lo tanto, al final, la estructura que atraviesa la mayor parte de la corriente es la misma que la operación del cuadrante I ("3" en la figura 5). [3]
La operación del cuadrante 3 ocurre cuando la compuerta y MT2 son negativos con respecto a MT1. Figura 1
El proceso completo se describe en la Figura 6. El proceso también ocurre en diferentes pasos aquí. En la primera fase, la unión pn entre el terminal MT1 y la compuerta se polariza directamente (paso 1). Como la polarización directa implica la inyección de portadores minoritarios en las dos capas que unen la unión, los electrones se inyectan en la capa p debajo de la compuerta. Algunos de estos electrones no se recombinan y escapan a la región n subyacente (paso 2). Esto a su vez reduce el potencial de la región n, actuando como la base de un transistor pnp que se enciende (encender el transistor sin reducir directamente el potencial de base se llama control remoto de compuerta ). La capa p inferior funciona como el colector de este transistor PNP y tiene su voltaje elevado: esta capa p también actúa como la base de un transistor NPN formado por las últimas tres capas justo sobre el terminal MT2, que, a su vez, se activa. Por lo tanto, la flecha roja etiquetada con un "3" en la Figura 6 muestra la ruta de conducción final de la corriente. [3]
El funcionamiento del cuadrante 4 se produce cuando la compuerta es positiva y MT2 es negativa con respecto a MT1. Figura 1
El disparo en este cuadrante es similar al del cuadrante III. El proceso utiliza un control remoto de compuerta y se ilustra en la Figura 7. A medida que la corriente fluye desde la capa p debajo de la compuerta hacia la capa n debajo de MT1, los portadores minoritarios en forma de electrones libres se inyectan en la región p y algunos de ellos son recogidos por la unión np subyacente y pasan a la región n adyacente sin recombinarse. Como en el caso del disparo en el cuadrante III, esto reduce el potencial de la capa n y enciende el transistor PNP formado por la capa n y las dos capas p adyacentes. La capa p inferior funciona como el colector de este transistor PNP y tiene su voltaje elevado: esta capa p también actúa como la base de un transistor NPN formado por las últimas tres capas justo sobre el terminal MT2, que, a su vez, se activa. Por lo tanto, la flecha roja etiquetada con un "3" en la Figura 6 muestra la ruta de conducción final de la corriente. [3]
Generalmente, este cuadrante es el menos sensible de los cuatro. [2] Además, algunos modelos de TRIAC (triacs de alta conmutación de tres cuadrantes denominados por diferentes proveedores como tipos "de nivel lógico", "sin amortiguador" o "Hi-Com") no pueden activarse en este cuadrante sino solo en los otros tres.
Existen algunas limitaciones que conviene conocer al utilizar un TRIAC en un circuito. En esta sección se resumen algunas de ellas.
Un TRIAC comienza a conducir cuando una corriente que fluye hacia adentro o hacia afuera de su compuerta es suficiente para activar las uniones relevantes en el cuadrante de operación. La corriente mínima capaz de hacer esto se llama corriente umbral de compuerta y generalmente se indica mediante I GT . En un TRIAC típico, la corriente umbral de compuerta es generalmente de unos pocos miliamperios, pero también hay que tener en cuenta que:
Cuando se interrumpe la corriente de compuerta, si la corriente entre los dos terminales principales es mayor que la denominada corriente de enclavamiento , el dispositivo continúa conduciendo. La corriente de enclavamiento es la corriente mínima que mantiene la estructura interna del dispositivo bloqueada en ausencia de corriente de compuerta. El valor de este parámetro varía con:
En particular, si el ancho de pulso de la corriente de compuerta es suficientemente grande (generalmente algunas decenas de microsegundos), el TRIAC ha completado el proceso de activación cuando la señal de compuerta se interrumpe y la corriente de enclavamiento alcanza un nivel mínimo llamado corriente de mantenimiento . La corriente de mantenimiento es la corriente mínima requerida que fluye entre los dos terminales principales que mantiene el dispositivo encendido después de que ha logrado la conmutación en cada parte de su estructura interna.
En las hojas de datos, la corriente de enclavamiento se indica como IL , mientras que la corriente de mantenimiento se indica como I H. Por lo general, son del orden de algunos miliamperios.
Una tensión alta entre MT2 y MT1 puede activar el TRIAC cuando está apagado. Los valores típicos de d v /d t estático crítico se expresan en voltios por microsegundo.
El encendido se debe a un acoplamiento capacitivo parásito del terminal de la compuerta con el terminal MT2, que permite que entren corrientes en la compuerta en respuesta a una gran tasa de cambio de voltaje en MT2. Una forma de hacer frente a esta limitación es diseñar una red de snubber RC o RCL adecuada . En muchos casos, esto es suficiente para reducir la impedancia de la compuerta hacia MT1. Al colocar una resistencia o un condensador pequeño (o ambos en paralelo) entre estos dos terminales, la corriente capacitiva generada durante el transitorio fluye fuera del dispositivo sin activarlo. Es necesario leer atentamente las notas de aplicación proporcionadas por el fabricante y probar el modelo de dispositivo particular para diseñar la red correcta. Los valores típicos para los condensadores y resistencias entre la compuerta y MT1 pueden ser de hasta 100 nF y de 10 Ω a 1 kΩ. [5] Los TRIAC normales, excepto los tipos de baja potencia comercializados como compuerta sensible , [6] ya tienen una resistencia de este tipo incorporada para protegerse contra la activación dv/dt espuria. Esto enmascarará el supuesto comportamiento de tipo diodo de la puerta al probar un TRIAC con un multímetro .
En las hojas de datos, el d v /d t estático generalmente se indica como y, como se mencionó anteriormente, está en relación con la tendencia de un TRIAC a encenderse desde el estado apagado después de una gran tasa de aumento de voltaje incluso sin aplicar ninguna corriente en la compuerta.
Una alta tasa de aumento de la corriente entre MT1 y MT2 (en cualquier dirección) cuando el dispositivo se está encendiendo puede dañar o destruir el TRIAC incluso si la duración del pulso es muy corta. La razón es que durante la conmutación, la disipación de potencia no se distribuye uniformemente a través del dispositivo. Al encender, el dispositivo comienza a conducir corriente antes de que la conducción termine para extenderse por toda la unión. El dispositivo generalmente comienza a conducir la corriente impuesta por el circuito externo después de algunos nanosegundos o microsegundos, pero el encendido completo de toda la unión lleva mucho más tiempo, por lo que un aumento de corriente demasiado rápido puede causar puntos calientes locales que pueden dañar permanentemente el TRIAC.
En las hojas de datos, este parámetro suele indicarse como y suele estar en el orden de decenas de amperios por microsegundo. [2]
La clasificación de conmutación d v /d t se aplica cuando un TRIAC ha estado conduciendo e intenta apagarse con una carga parcialmente reactiva, como un inductor. La corriente y el voltaje están desfasados, por lo que cuando la corriente disminuye por debajo del valor de mantenimiento, el TRIAC intenta apagarse, pero debido al cambio de fase entre la corriente y el voltaje, se produce un salto repentino de voltaje entre los dos terminales principales, lo que vuelve a encender el dispositivo.
En las hojas de datos, este parámetro suele indicarse como y generalmente está en el orden de hasta algunos voltios por microsegundo.
La razón por la que la dv/dt conmutativa es menor que la dv/dt estática es que, poco antes de que el dispositivo intente apagarse, todavía hay algún exceso de carga minoritaria en sus capas internas como resultado de la conducción anterior. Cuando el TRIAC comienza a apagarse, estas cargas alteran el potencial interno de la región cercana a la compuerta y MT1, por lo que es más fácil que la corriente capacitiva debida a d v /d t vuelva a encender el dispositivo.
Otro factor importante durante una conmutación de estado encendido a estado apagado es la d i /d t de la corriente de MT1 a MT2. Esto es similar a la recuperación en diodos estándar: cuanto mayor sea la d i /d t , mayor será la corriente inversa. Debido a que en el TRIAC hay resistencias parásitas, una corriente inversa alta en las uniones pn en su interior puede provocar una caída de tensión entre la región de la compuerta y la región MT1, lo que puede hacer que el TRIAC permanezca encendido.
En una hoja de datos, la conmutación d i /d t generalmente se indica como y generalmente está en el orden de algunos amperios por microsegundo.
La d v /d t de conmutación es muy importante cuando el TRIAC se utiliza para accionar una carga con un desfase entre la corriente y el voltaje, como una carga inductiva. Supongamos que se desea apagar el inductor: cuando la corriente llega a cero, si no se alimenta la compuerta, el TRIAC intenta apagarse, pero esto provoca un escalón en el voltaje a través de él debido al desfase mencionado anteriormente. Si se excede el valor nominal de d v /d t de conmutación , el dispositivo no se apagará.
Cuando se utiliza para controlar cargas reactivas ( inductivas o capacitivas), se debe tener cuidado para garantizar que el TRIAC se apague correctamente al final de cada semiciclo de la CA en el circuito principal. Los TRIAC pueden ser sensibles a cambios rápidos de voltaje (dv/dt) entre MT1 y MT2, por lo que un cambio de fase entre la corriente y el voltaje causado por cargas reactivas puede conducir a un paso de voltaje que puede encender el tiristor erróneamente. [3] Un motor eléctrico es típicamente una carga inductiva y las fuentes de alimentación fuera de línea, como las que se usan en la mayoría de los televisores y computadoras, son capacitivas.
Se pueden evitar activaciones no deseadas utilizando un circuito amortiguador (normalmente del tipo resistencia/condensador o resistencia/condensador/inductor) entre MT1 y MT2. Los circuitos amortiguadores también se utilizan para evitar activaciones prematuras, causadas, por ejemplo, por picos de tensión en la red eléctrica.
Debido a que los encendidos son causados por corrientes capacitivas internas que fluyen hacia la compuerta como consecuencia de un d v /d t alto (es decir, un cambio rápido de voltaje), se puede conectar una resistencia o un capacitor de compuerta (o ambos en paralelo) entre la compuerta y MT1 para proporcionar una ruta de baja impedancia a MT1 y evitar aún más disparos falsos. Sin embargo, esto aumenta la corriente de disparo requerida o agrega latencia debido a la carga del capacitor. Por otro lado, una resistencia entre la compuerta y MT1 ayuda a extraer corrientes de fuga del dispositivo, mejorando así el rendimiento del TRIAC a alta temperatura, donde el d v /d t máximo permitido es menor. Los valores de resistencias menores a 1 kΩ y capacitores de 100 nF son generalmente adecuados para este propósito, aunque el ajuste fino debe realizarse en el modelo de dispositivo particular. [5]
Para cargas más exigentes y de mayor potencia, se pueden utilizar dos SCR en paralelo inverso en lugar de un TRIAC. Debido a que a cada SCR se le aplicará un semiciclo completo de voltaje de polaridad inversa, se garantiza el apagado de los SCR, sin importar el carácter de la carga. Sin embargo, debido a las compuertas separadas, la activación adecuada de los SCR es más compleja que la activación de un TRIAC.
Los TRIAC también pueden no encenderse de manera confiable con cargas reactivas si el cambio de fase de la corriente hace que la corriente del circuito principal sea inferior a la corriente de retención en el momento de activación. Para superar el problema, se puede utilizar CC o un tren de pulsos para activar repetidamente el TRIAC hasta que se encienda.
Los TRIAC de baja potencia se utilizan en muchas aplicaciones, como reguladores de luz , controles de velocidad para ventiladores eléctricos y otros motores eléctricos , y en los circuitos de control computarizados modernos de muchos electrodomésticos grandes y pequeños .
Cuando los TRIAC de tensión de red se activan mediante microcontroladores, se utilizan frecuentemente optoaisladores ; por ejemplo, se pueden utilizar optotriacs para controlar la corriente de compuerta. Alternativamente, cuando la seguridad lo permite y el aislamiento eléctrico del controlador no es necesario, uno de los rieles de alimentación del microcontrolador se puede conectar a una de las fuentes de alimentación de la red. En estas situaciones, es normal conectar el terminal neutro al riel positivo de la fuente de alimentación del microcontrolador, junto con A1 del triac, con A2 conectado a la corriente. La compuerta del TRIAC se puede conectar a través de un transistor optoaislado y, a veces, una resistencia al microcontrolador, de modo que al reducir el voltaje al cero lógico del microcontrolador, se extrae suficiente corriente a través de la compuerta del TRIAC para activarlo. Esto garantiza que el TRIAC se active en los cuadrantes II y III y evita el cuadrante IV, donde los TRIAC suelen ser insensibles. [7]
Los TRIAC de tres cuadrantes solo funcionan en los cuadrantes 1 a 3 y no se pueden activar en el cuadrante 4. Estos dispositivos están hechos específicamente para mejorar la conmutación y a menudo pueden controlar cargas reactivas sin el uso de un circuito amortiguador.
Los primeros TRIAC de este tipo fueron comercializados por Thomson Semiconductors (ahora ST Microelectronics ) bajo el nombre de "Alternistor". Las versiones posteriores se venden bajo la marca comercial "Snubberless" y "ACS" (AC Switch, aunque este tipo también incorpora un búfer de compuerta, lo que impide aún más el funcionamiento en el cuadrante I). Littelfuse también utiliza el nombre "Alternistor". Philips Semiconductors (ahora NXP Semiconductors ) originó la marca comercial "Hi-Com" (High Commutation).
A menudo, estos TRIAC pueden funcionar con una corriente de compuerta más pequeña para ser controlados directamente por componentes de nivel lógico.
Medios relacionados con Triacs en Wikimedia Commons
