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 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 única dirección. La mayoría de los TRIAC se pueden activar aplicando un voltaje positivo o negativo a la puerta (un SCR requiere un voltaje positivo). Una vez activados, los SCR y TRIAC continúan conduciendo, incluso si la corriente de puerta cesa, hasta que la corriente principal cae por debajo de un cierto nivel llamado corriente de retención .
Los tiristores de apagado de puerta (GTO) son similares a los TRIAC, pero brindan más control al apagarse cuando cesa la señal de puerta.
La bidireccionalidad de los TRIAC los convierte en interruptores convenientes para corriente alterna (CA). Además, aplicar 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 comprender cómo funcionan los TRIAC, considere el disparo en cada una de las cuatro combinaciones posibles de voltajes de puerta y MT2 con respecto a MT1. Los cuatro casos separados (cuadrantes) se ilustran en la Figura 1. La Terminal principal 1 (MT1) y la Terminal principal (MT2) también se denominan Ánodo 1 (A1) y Ánodo 2 (A2), respectivamente. [2]
La sensibilidad relativa depende de la estructura física de un triac en particular, pero como 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 de MT2 a MT1 a través de las capas P, N, P y N. La región N adjunta a MT2 no participa de manera significativa. En los cuadrantes 3 y 4, MT2 es negativo y la corriente fluye de MT1 a MT2, también a través de las capas P, N, P y N. La región N adjunta a MT2 está activa, pero la región N adjunta a MT1 solo participa en el disparo inicial, no en el flujo de corriente en masa.
En la mayoría de las aplicaciones, la corriente de la puerta proviene de MT2, por lo que los cuadrantes 1 y 3 son los únicos modos de funcionamiento (tanto la puerta como el MT2 son positivos o negativos frente a MT1). Otras aplicaciones con disparo de polaridad única desde un circuito integrado o un circuito de control digital operan en los cuadrantes 2 y 3, donde MT1 generalmente está conectado a un voltaje positivo (por ejemplo, +5 V) y la compuerta se baja a 0 V (tierra).
La operación del cuadrante 1 ocurre cuando la puerta y MT2 son positivos con respecto a MT1. Figura 1
El mecanismo se ilustra en la Figura 3. La corriente de puerta activa 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 tanto, el esquema de activación es el mismo que el de un SCR. El circuito equivalente se muestra en la Figura 4.
Sin embargo, la estructura es diferente a la de los SCR. En particular, TRIAC siempre tiene una pequeña corriente que fluye directamente desde la puerta a MT1 a través del silicio p 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 punteada y es la razón por la cual un TRIAC necesita más corriente de compuerta para encenderse que un SCR de clasificación comparable. [3]
Generalmente, este cuadrante es el más sensible de los cuatro. Esto se debe a que es el único cuadrante donde 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 puerta 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 de MT1 fluye hacia la puerta a través de la unión pn debajo de la puerta. Éste enciende una estructura compuesta por un transistor NPN y un transistor PNP, que tiene la puerta como cátodo (el encendido de esta estructura se indica con "1" en la figura). A medida que aumenta la corriente en la puerta, el potencial del lado izquierdo del silicio p debajo de la puerta aumenta hacia MT1, ya que la diferencia de potencial entre la puerta y MT2 tiende a disminuir: esto establece una corriente entre el lado izquierdo y el derecho. lado del silicio p (indicado por "2" en la figura), que a su vez enciende el transistor NPN debajo del terminal MT1 y, como consecuencia, también el transistor pnp entre MT2 y el lado derecho del silicio p superior. Entonces, al final, la estructura que es atravesada por 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 puerta y MT2 son negativos con respecto a MT1. Figura 1
Todo el proceso se describe en la Figura 6. Aquí también el proceso ocurre en diferentes pasos. En la primera fase, la unión pn entre el terminal MT1 y la puerta 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 puerta. 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 la base se denomina control remoto de puerta ). La capa p inferior funciona como colector de este transistor PNP y su voltaje aumenta: esta capa p también actúa como base de un transistor NPN formado por las últimas tres capas justo encima del terminal MT2, que, a su vez, se activa. Por lo tanto, la flecha roja marcada con un "3" en la Figura 6 muestra el camino de conducción final de la corriente. [3]
La operación del cuadrante 4 ocurre cuando la puerta es positiva y MT2 es negativa con respecto a MT1. Figura 1
La activación en este cuadrante es similar a la activación en el cuadrante III. El proceso utiliza un control de puerta remoto y se ilustra en la Figura 7. A medida que la corriente fluye desde la capa p debajo de la puerta hacia la capa n debajo de MT1, se inyectan portadores minoritarios en forma de electrones libres en la región p y algunos de ellos son recogidos por la unión np subyacente y pasan a la región n contigua sin recombinarse. Como en el caso de una activación 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 contiguas. La capa p inferior funciona como colector de este transistor PNP y su voltaje aumenta: esta capa p también actúa como base de un transistor NPN formado por las últimas tres capas justo encima del terminal MT2, que, a su vez, se activa. Por lo tanto, la flecha roja marcada con un "3" en la Figura 6 muestra el camino de conducción final de la corriente. [3]
Generalmente, este cuadrante es el menos sensible de los cuatro. [2] Además, algunos modelos de TRIAC (nivel lógico y tipos sin snuberless) no se pueden disparar en este cuadrante sino solo en los otros tres.
Existen algunas limitaciones que uno debe conocer al usar un TRIAC en un circuito. En esta sección se resumen algunos.
Un TRIAC comienza a conducir cuando una corriente que fluye dentro o fuera de su puerta es suficiente para activar las uniones relevantes en el cuadrante de operación. La corriente mínima capaz de hacer esto se llama corriente umbral de puerta y generalmente se indica con I GT . En un TRIAC típico, la corriente umbral de la puerta es generalmente de unos pocos miliamperios, pero también hay que tener en cuenta que:
Cuando se interrumpe la corriente de la puerta, si la corriente entre los dos terminales principales es mayor que lo que se llama corriente de enclavamiento , el dispositivo continúa conduciendo. La corriente de enclavamiento es la corriente mínima que mantiene bloqueada la estructura interna del dispositivo en ausencia de corriente de puerta. El valor de este parámetro varía con:
En particular, si el ancho del pulso de la corriente de la puerta es suficientemente grande (generalmente algunas decenas de microsegundos), el TRIAC ha completado el proceso de activación cuando se interrumpe la señal de la puerta y la corriente de enclavamiento alcanza un nivel mínimo llamado corriente de retención . La corriente de mantenimiento es la corriente mínima requerida que fluye entre los dos terminales principales y que mantiene encendido el dispositivo después de haber logrado la conmutación en cada parte de su estructura interna.
En las hojas de datos, la corriente de enclavamiento se indica como I L , mientras que la corriente de mantenimiento se indica como I H. Normalmente son del orden de algunos miliamperios.
Un nivel alto entre MT2 y MT1 puede encender el TRIAC cuando está apagado. Los valores típicos de estática crítica d v /d t están en términos de voltios por microsegundo.
El encendido se debe a un acoplamiento capacitivo parásito del terminal de puerta con el terminal MT2, que permite que entren corrientes en la puerta 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 protección RC o RCL adecuada . En muchos casos esto es suficiente para reducir la impedancia de la puerta hacia MT1. Al colocar una resistencia o un pequeño condensador (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 en particular para diseñar la red correcta. Los valores típicos para condensadores y resistencias entre la puerta 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 puerta sensible , [6] ya tienen una resistencia incorporada para proteger contra disparos espurios de dv/dt. Esto enmascarará el supuesto comportamiento de tipo diodo de la puerta al probar un TRIAC con un multímetro .
En las hojas de datos, el valor estático d v /d t 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 un gran aumento de voltaje, incluso sin aplicar corriente en el puerta.
Una alta tasa de aumento de la corriente entre MT1 y MT2 (en cualquier dirección) cuando el dispositivo se enciende 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 energía no se distribuye uniformemente en todo el dispositivo. Al encenderse, el dispositivo comienza a conducir corriente antes de que la conducción termine de extenderse por toda la unión. Normalmente, el dispositivo 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 generalmente se indica y suele ser del 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 paso repentino de voltaje entre los dos terminales principales, que enciende el dispositivo nuevamente.
En las hojas de datos, este parámetro generalmente se indica como y generalmente es del orden de hasta algunos voltios por microsegundo.
La razón por la cual la conmutación dv/dt es menor que la dv/dt estática es que, poco antes de que el dispositivo intente apagarse, todavía hay un exceso de carga minoritaria en sus capas internas como resultado de la conducción previa. Cuando el TRIAC comienza a apagarse, estas cargas alteran el potencial interno de la región cercana a la puerta y MT1, por lo que es más fácil que la corriente capacitiva debida a d v /d t encienda el dispositivo nuevamente.
Otro factor importante durante una conmutación del estado encendido al 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 es d i /d t , mayor es la corriente inversa. Debido a que en el TRIAC hay resistencias parásitas, una corriente inversa alta en las uniones pn de su interior puede provocar una caída de voltaje 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 es del orden de algunos amperios por microsegundo.
La conmutación d v /d t es muy importante cuando el TRIAC se utiliza para controlar una carga con un cambio de fase entre corriente y voltaje, como una carga inductiva. Supongamos que uno quiere apagar el inductor: cuando la corriente llega a cero, si la puerta no está alimentada, el TRIAC intenta apagarse, pero esto provoca un aumento en el voltaje a través de él debido al cambio de fase antes mencionado. Si se excede la clasificación 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 medio ciclo de 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 provocar un paso de voltaje que puede encender el tiristor erróneamente. [3] Un motor eléctrico suele ser una carga inductiva y las fuentes de alimentación fuera de línea, como las que se utilizan en la mayoría de los televisores y computadoras, son capacitivas.
Los encendidos no deseados se pueden evitar utilizando un circuito amortiguador (normalmente del tipo resistencia/condensador o resistencia/condensador/inductor) entre MT1 y MT2. Los circuitos de amortiguación también se utilizan para evitar disparos prematuros, provocados, 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 alto dv / dt , (es decir, un cambio rápido de voltaje), se puede conectar una resistencia o capacitor de la compuerta (o ambos en paralelo) entre la compuerta y 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 puerta y MT1 ayuda a extraer corrientes de fuga del dispositivo, mejorando así el rendimiento del TRIAC a alta temperatura, donde el máximo permitido d v /d t es menor. Los valores de resistencias inferiores a 1 kΩ y condensadores de 100 nF generalmente son adecuados para este propósito, aunque el ajuste fino debe realizarse en el modelo de dispositivo en particular. [5]
Para cargas de mayor potencia y más exigentes, se pueden utilizar dos SCR en paralelo inverso en lugar de un TRIAC. Debido a que a cada SCR se le aplicará un medio ciclo completo de voltaje de polaridad inversa, el apagado de los SCR está asegurado, 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 actual hace que la corriente del circuito principal esté por debajo de la corriente de mantenimiento en el momento del disparo. Para superar el problema, se puede usar 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 atenuadores de luz , controles de velocidad para ventiladores eléctricos y otros motores eléctricos , y en los modernos circuitos de control computarizados de muchos electrodomésticos grandes y pequeños .
Cuando los TRIAC de tensión de red son activados por microcontroladores, con frecuencia se utilizan optoaisladores ; por ejemplo, se pueden utilizar optotriacos para controlar la corriente de la puerta. Alternativamente, cuando la seguridad lo permita y no sea necesario el aislamiento eléctrico del controlador, uno de los rieles de alimentación del microcontrolador se puede conectar a una de las fuentes de alimentación. En estas situaciones lo normal es conectar el terminal neutro al carril positivo de la fuente de alimentación del microcontrolador, junto con el A1 del triac, con el A2 conectado al vivo. La puerta del TRIAC se puede conectar a través de un transistor optoaislado y, a veces, una resistencia al microcontrolador, de modo que bajar el voltaje al cero lógico del microcontrolador extraiga suficiente corriente a través de la puerta 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 pueden activarse en el cuadrante 4. Estos dispositivos están fabricados 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 "Alternistor". Las versiones posteriores se venden bajo la marca "Snubberless" y "ACS" (AC Switch, aunque este tipo también incorpora un amortiguador de puerta, lo que impide aún más el funcionamiento del Cuadrante I). Littelfuse también utiliza el nombre "Alternistor". Philips Semiconductors (ahora NXP Semiconductors ) creó la marca "Hi-Com" (alta conmutación).
A menudo, estos TRIAC pueden funcionar con una corriente de puerta más pequeña para ser impulsados directamente por componentes de nivel lógico.
Medios relacionados con Triacs en Wikimedia Commons
