TRIACUL

TRIACUL

Definitie si simbol grafic

Triacul este o componenta semicon­ductoare, care inlocuieste doua tiristoare montate in antifaza in aceeasi pastila semiconductoare si care este prevazut cu o singura poarta si cu doua borne pentru curentul principal.

Structura interna a unui triac este prezentata in figura 1, iar schema echivalenta a acestuia in figura 2.

Fata de tiristoare, triacul prezinta avantajul ca poate fi trecut in starea de conductie atit in semiperioada pozitiva, cat si negativa a curentului alternativ.

Modul de reprezentare in scheme a triacuJui, conform STAS 11381/13-81 - Dispozitive semiconductoare -, este prezentat in figura 3.

Fig. 1 Structura interna a unui triac

Fig. 2 Schema echivalenta a triacului

Fig.3 Modul de reprezentare a triacului

Caracteristica curent-tensiune a triacului

Pentru definirea caracteristicii curent-tensiune a triacului se considera ca referinta borna ti (fig. 1).

Cand terminalul T2 este pozitiv in raport cu t1, amorseaza tiristorul for­mat din structurile p₄, n₃, p_2, n₁ (daca si potentialul portii G este pozitiv in raport cu cel al terminalului ti); cand terminalul T₂ devine negativ si termi­nalul ti joaca rol de anod, intra in conductie tiristorul p₂, n₃, p₄, n₅ care amorseaza atunci cand poarta este negativa in raport cu ti. Caracteristica curent-tensiune a triacului are forma din figura 4 (pentru I_G2 >I_G1 >0).

Ca si in cazul tiristoarelor, comanda pe poarta triacului se efectueaza prin tensiune continua, alternativa sau in impulsuri.

Fig.4. Caracteristica curent-tensiune a triacului

In absenta semnalului de poarta, I_G = 0, se defineste o tensiune de blocare, u_BR; aceasta tensiune trebuie sa fie mai mare decat amplitudinea tensiunii alternative aplicate intre cei doi anozi T₁ si T₂ ai triacului, pentru a putea exista un control prin poarta asupra triacului.

Din caracteristica curent-tensiune a triacului rezulta ca, pe masura ce creste curentul de comanda aplicat pe poarta, triacul poate bascula la tensiuni din ce in ce mai mici. Triacul este blocat in ambele sensuri atat timp cit I_G = 0 si tensiunea aplicata intre T₁ si T₂ nu depaseste U_BR.

Datorita structurii mai complexe a triacului, functia de comanda a portii se exercita in patru moduri distincte, prezentate in figura 5, moduri cunoscute si consacrate in limbajul tehnic

de specialitate ca ,,functionare in patru cadrane'. Sensibilitatea la comanda a triacului este maxima in cadranul 1, medie in cadranul III si minima in cadranul IV.

Altfel exprimat, sensibilitatea coomenzii este maxima cand ambele tensiuni aferente terminalelor T₁ si T₂ sunt pozitive, ceva mai mica este atunci cand ambele sunt negative, iar sensibilitatea este cea mai mica atunci cand tensiunea de poarta este pozitiva, iar tensiunea anodica este negativa (T₂ negativ fata de T₁).

Ca si tiristoarele, triacul amorseaza la depasirea unei anumite tensiuni anodice, dar pentru ambele polaritati ale acestuia. Aceasta proprietate ii asigura o autoprotectie inerenta fata de tensiunile tranzitorii care pot aparea in circuitului in care se gaseste: la aparitia supratensiunilor, triacul amorseaza de la sine in loc sa se strapunga. Daca aceasta amorsare este necontrolata, atunci ea poate fi nedorita pentru sarcina si trebuie luate masuri pentru eliminarea supratensiunilor pe triac care pot produce amorsarea lui.

Circuite de comanda pentru triac

Utilizarea triacului in contactoarele statice - dispozitive electronice care servesc pentru inchiderea sau deschiderea circuitelor electrice de curent alternativ sau de curent continuu - impune prezentarea modalitatilor de realizare ale comenzilor poarta, cu particularitatile specifice fiecarui tip de comanda.

In figura 6 este prezentat un contactor static cu triac. Intrarea in conductie a triacului se face la cateva microsecunde dupa aplicarea semnalului de comanda pe poarta. Iesirea din conductie a triacului se produce in momentul anularii naturale a curentului din circuitul principal, in cazul sarcinilor pur rezistive acest moment avand loc in momentul trecerii prin zero a tensiunii alternative.

Comanda triacului se poate face cu ambele polaritati ale tensiunii semnalului aplicat intre poarta si catod (terminalul T₁ pentru ambele polaritati ale tensiunii dintre anod si catod (intre terminalele T₁ si T₂),

Grupul RC in paralel pe triac actioneaza in sensul eliminarii supratensiunilor care ar putea produce autoamorsarea, acest grup constituind, impreuna cu sarcina, impedanta interna a sursei de supratensiune si impedanta conductoarelor de alimentare un divizor de tensiune. Totodata grupul RC realizeaza si o reducere a vitezei de crestere a tensiunii pe triac. Prezenta grupului RC este indispensabila in cazul sarcinilor puternic inductive, la care iesirea din conductie a triacului se poate produce in apropierea rnaximului semialternantei urmatoare a tensiunii de alimentare, cand pe triac apare brusc tensiunea sursei de alimentare din acel moment.

Fig. 5 Moduri posibile de functionare a triacului

Fig. 6 Contactor static cu triac

Limitarea vitezei de crestere a tensiunii este realizata de capacitatea C, iar rezistenta R reduce curentul de descarcare al capacitatii in momentul amorsarii triacului si totodata realizeaza amortizarea circuitului oscilant alcatuit de inductanta sarcinii si capa­citatea C.

Amorsarea unui triac poate fi obtinuta actionand asupra portii in curent continuu, prin curent alternativ, redresat sau prin impulsuri.

In figura 7 este prezentat un contactor static cu un triac, cu functionare de tip inchis-deschis, la care comanda se face de la o sursa de curent continuu. Daca intrerupatorul I este deschis, pe poarta nu se aplica curent si triacul este blocat. Inchizand intre-rupatorul, tensiunea continua de polarizare furnizeaza un curent de poarta prin inter-mediul rezistentei R, in vederea obtinerii unei sensibilitati de comanda mai mari, tensiunea aplicata portii trebuie sa fie negativa.

Fig. 7 Comanda triacului prin curent continuu

In figura, 8 este prezentat un con­tactor static in care amorsarea triacului se realizeaza in curent alternativ, prin intermediul unui transformator in scurtcircuit. Contactul K fiind deschis, impedanta vazuta la bornele primarului este impedanta de mers in gol a transformatorului, de valoare mare, deci tensiunea pe rezistenta R este mica. Prin inchiderea lui K, la bornele primare se vede impedanta de scurtcircuit a transformatorului, de valoare mica, deci pe R apare o tensiune mare, care va comanda triacul.

Fig. 8 Comanda triacului in curent alternativ

cu transformator in scurtcircuit

In figura 9 este reprezentata schema unui contactor cu un triac cu o functionare de tip inchis-deschis, a carui amorsare se face cu un semnal alternativ de o frecventa de 26 kHz. La aceasta valoare a frecventei rezulta o sectiune a miezului transformatorului mult mai mica decat la 50 Hz.

Fig. 9 Comanda triacului cu semnal 2-6 kHz

Figura 10 prezinta o alta schema de amorsare in curent alternativ. Cand intrerupatorul I este deschis, triacul este blocat. La inchiderea intrerupatorului, la inceputul fiecarei alternante tensiunea intre bornele T₂ si T₁ creste rapid, astfel ca in momentul cand atinge valori de 5-6 V, prin rezistenta R₁ este injectat un curent de poarta suficient pentru a amorsa triacul.

La amorsare, tensiunea intre bornele T₂ si T₁ scade la aproximativ 1,5-2 V, blocand curentul de poarta; triacul amorsat va ramane in conductie pana la sfarsitul semialternantei respective, cand triacul se blocheaza. Procesul se repeta in timpul semialternantei urmatoare, triacul reamorsandu-se imediat la inceputul acesteia. Atat timp cat intrerupatorul I este inchis, triacul este continuu in conductie si toata tensiunea retelei se gaseste practic pe sarcina Zs.

Fig.10 Comanda triacului in curent alternativ

In figura 11 este prezentata o schema de comanda a triacului in curent alternativ redresat. In acest caz, deoarece curentul de poarta circula numai in timpul unei semialternante, triacul este amorsat numai in timpul alternantei pozitive si este blocat in timpul alternantei negative. Aceasta schema de comanda confera triacului un mod de functionare similar cu cel al tiristorului.

Fig. 11 Comanda triacului in curent alternativ redresat

Fig. 12 Comanda triacului prin tranzistoare

In figura 12 sunt indicate doua modalitati de comanda ale triacurilor folosind tranzistoare. In cazul figurii 12a comanda tranzistorului care amorseaza triacul se face prin curent iar in cazul figurii 12b, comanda se face prin tensiune. In ambele cazuri, prin poarta triacului se injecteaza un curent negativ, ceea ce asigura o sensibilitate marita de comanda. Modul de functionare al contactorului depinde de felul semnalului aplicat pe bazele tranzistoarelor.

Fig. 13 Comanda triacului cu TUJ

Figura 13 prezinta un circuit de comanda al triacului utilizand un tranzistor unijonctiune. Montajul se realizeaza astfel incat prin intermediul transformatorului T sa se aplice pe poarta triacului impulsuri negative.

DIACUL

Definitie si simboluri grafice

Diacul (Diode Alternative Curent switch-DIAC) este o dioda simetrica, prezentand in ambele sensuri, incepand de la o anumita tensiune U_B0 (in general cuprinsa intre 10 si 50 V.). Conform STAS 11381 13- 81- Dispozitive semiconductoare, simbolurile de reprezentare in scheme a diacului sunt cele din figura 14.

Fig. 14 Modul de reprezentare a diacului

Caracteristica curent-tensiune a diacului este prezentata in figura 15. Dupa cum se observa din caracteristica exista un punct de intoarcere U_B0,I_B0), unde rezistenta diferentiala este nula si tensiunea atinge valoarea maxima. De asemenea, se defineste o tensiune de salt U_s , reprezentand dife­renta dintre tensiunea de intoarcere u_B0 si tensiunea la un curent I_a

Fig. 15 Caracteristica curent-tensiune a diacului

Aplicatii ale diacelor

Diacul poate fi utilizat intr-o serie de aplicatii practice.

Fig. 16 Oscilator de relaxare cu diac

In figura 16 este prezentata schema unui oscilator de relaxare cu diac. Tensiunea de alimentare U₀ trebuie sa fie mai mare decat tensiunea U_Bo. Dupa conectarea alimentarii, capacitorul C incepe sa se incarce prin rezistorul R₁; tensiunea pe capacitor va creste pana va ajunge la valoarea tensiunii de basculare a diacului, u_B0. In acest moment diacul intra in conductie si capacitorul C₁ se descarca prin el. Alegand valoarea rezistorului, R₁ astfel incat U₀ /R₁ << Ibo diacul va reveni in starea blocat dupa descarcarea capacitorului, ciclul de incarcare-descarcare descris mai inainte reluandu-se. Rezistenta R₂ <<R₁ se conecteaza in circuit pentru limitarea curentului de descarcare al capacitorului in vederea protejarii dia-cului. Forma de unda a tensiunii la bornele capacitorului C si cea de la bornele rezistorului R₂ (unde se obtin impulsuri scurte pozitive) este prezen­tata in figura 17.

Fig. 17 Forma tensiunii la bornele capacitorului C si ale rezistorului R₂

Figura 18 prezinta schema electrica a unui circuit basculant astabil (multivibrator) realizata cu diacuri.

Fig. 18 Circuit basculant astabil realizat cu diacuri

Tensiunea de alimentare se alege astfel incat sa fie indeplinita conditia U₀>U_B0. La conectarea alimentarii, unul din diacuri este blocat si celalalt este in conductie. Presupunem ca diacul D₁ este in conductie si diacul D₂ este blocat. In aceasta situatie capacitorul C incepe sa se incarce si curentul de incarcare, trecand prin rezistorul R₂ coboara tensiunea pe diacul D₂, impiedicand si in acest mod sa conduca simultan cu primul.

Cand tensiunea pe capacitor atinge valoarea Ubo corespunzatoare dia­cului D₂, acesta intra in conductie, iar diacul D₁ se blocheaza; in felul acesta multivibratorul isi schimba starea. De data aceasta capacitorul se incarca prin rezistorul R₁ si prin diacul D₁ Cand tensiunea pe capacitor devine egala cu Ubo₁, diacul d₁ intra iarasi in conductie, iar D₂ se blocheaza. In continuare ciclul se reia.

In cazul multivibratorului simetric, R₁= R₂=R; U_B01=U_Bo2, tensiunea la iesire are forma dreptunghiulara simetrica.

Figura 19 prezinta una din cele mai importante aplicatii ale diacului si anume comanda triacului. La punerea in functiune a montajului, capacitatea C incepe sa se incarce; cand tensiunea la bornele ei atinge valoarea tensiunii de basculare a diacului, acesta se deblocheaza si capacilorul se descarca, furnizand circuitului de poarta un impuls de curent care amorseaza triacul.

Fig. 19 Circuit de comanda a triacului cu diac

Diacul va furniza doua impulsuri de semn contrar, defazate unul fata de celalalt la 180° (fig. 20). Constanta de limp CR, reglabila in cazul schemei prezentate, conditioneaza defazajul acestor impulsuri in raport cu tensiunea de comanda U_c.

Fig. 20 Comanda triacului cu diac- Fig.21 Capsula TO-220

forma tensiunilor

Scheme practice realizate cu diace si triace

Din anul 1980, Intreprinderea de Piese Radio si Semiconductoare - Baneasa a pus in fabricatie, prin cercetare proprie, triace de medie putere, ale caror caracteristici sunt date in tabelul I. Precizam ca aceste triace sunt realizate in capsula TO-220.

Tabelul I

Semnificatiile notatiilor din tabel sunt urmatoarele:

I_T - curentul eficace de durata pe care-l poate suporta triacul;

V_D - tensiune directa;

vr - tensiune inversa;

I_GT - curentul de poarta, de declansare, maxim;

V_GT- tensiunea de poar­ta, de declansare, maxima (valabila pentru cadranele I, II, III); V_TM- tensiunea de conductie maxima;

dV/dt - viteza de crestere a tensiunii de blocare, consecutiva starii de conductie in sens opus.

Urmare a inceperii productiei de triace de medie putere, un an mai tarziu au fost asimilate prin efort propriu diacele care, ulterior au fost introduse in fabricatie, la I.P.R.S. Baneasa. Sorturile de diace fabricate la noi in tara sunt prezenlate in tabelul II (capsula F-126).

Tabelul II

In figura 22 este prezentata sche­ma unui contactor static cu un triac, in care sarcina se poate alimenta fie cu intreaga putere fie cu o putere de jumatate din valoare.

In pozitia 1 a comutatorului K, circuitui de poarta al triacului nu este alimentat, deci contactorul este blocat. In pozitia 2 a contactorului K, circuitul de poarta al triacului este alimentat, numai in timpul semialternantelor pozitive ale tensiunii de alimentare, deci in sarcina circula pulsuri de curent pozitive, iar puterea dezvoltata in impedanta de sarcina este jumatate din puterea maxima ce i se poate transmite, la o tensiune data a retelei. In pozitia 3 a comutatorului triacul este amorsat la fiecare alternanta a tensiunii alternative, in sarcina circula curent alternativ, iar puterea dezvoltata este maxima pentru tensiunea si sarcina data.

Fig. 22 Contactor static cu triac cu doua trepte de putere

In cazul functionarii pe pozitia 2 a comutatorului, triacul realizeaza o redresare monoalternanta a tensiunii aplicate, deci in circuit circula si o componenta de curent continuu care poate sa produca o magnetizare a miezului transformatorului retelei de distributie, marind astfel curentul lui de magnetizare si pierderile in fier. La acest tip de contactor, in contactul K circula curent numai pana in momentul amorsarii triacului.

Avand in vedere valoarea redusa a curentului de poarta necesar pentru amorsare, contactele comutatorului K pot fi de foarte mica putere (micro-contacte).

Asa cum s-a aratat, contactoarele statice servesc pentru inchiderea sau desehiderea circuitelor electrice de cu­rent alternativ sau de curent continuu. In functie de modul de constructie si comanda a contactoarelor statice ele pot servi pentru realizarea alimentarii diverselor receptoare de energie cu putere constanta sau variabila.

Contactoarele statice care realizeaza alimentarea receptoarelor de energie cu putere variabila se numesc, in literatura de specialitate si variatoare de putere.

Transmiterea in sarcina, de la reteaua de curent alternativ, a unei puteri variabile se realizeaza prin comutarea periodica a sarcinii puterea medie fiind determinata de raportul dintre durata si perioada de repetitie a comutarii. In mod practic sunt utilizate doua metode: comutare la tensiune nula si comanda cu control de faza (fig. 23).

a

Fig. 23 Metode de comanda utilizate in contactoarele statice cu triacuri:

a)     contactor static cu triac; b) comanda prin comutare la tensiune nula;

c )comanda prin control de faza

In prima situatie dispozitivele sunt comandate in momente de trecere prin zero a tensiunii de alimentare, puterea medie dezvoltata in sarcina fiind de­pendenta de raportul dintre numarul de alternante in care curentul circula prin dispozitive si numarul de al­ternante in care acestea sunt blocate; in cazul al doilea, curentul circula prin dispozitivele comandate in cadrul fiecarei alternante pe intervale (π -α), puterea medie depinzand de unghiul α de comanda.

In cazul circuitelor de comanda, la trecerea prin zero a tensiunii de ali­mentare semnalul de comanda pe poarta triacului trebuie aplicat numai in acele momente in care se produce trecerea prin zero a tensiunii de ali­mentare sau, in cazul sarcinilor complexe, trecerea prin zero a curentului. Astfel, comutarea triacului in cireuitele de putere la tensione si curent zero la intrarea si respectiv la iesirea din conductie permite reducerea regimului de intrferenta electromagnetica cu alte instalatii conectate la aceeasi retea (rnai ales in cazul radioreceptiei in modulatie de amplitudine) si a posibilitatii de amorsare prin efect dU/dt (viteza de crestere a tensiunii de blocare, consecutiva starii de conduetie in sens opus). In figura 24 este prezentat un circuit de comanda pentru triac la trecerea prin zero a tensiunii de ali­mentare. Capacitorul C al sursei de alimentare se incarca pana la tensiunea stabilizata de dioda Zener D₆, prin D si R₂. Tranzistorul T₂ comanda curentul de poarta negativ al triacului furnizat de sarcina acumulata pe capacitatea C, prin rezistorul R₅. Semnalul de comanda se aplica pe baza lui T₃ de la iesirea unui circuit SAU-NU compus din tranzistoarele T₄ si T_2.

Fig. 24 Circuit pentru conmanda triacului

la trecerea prin zero a tensiunii de alimentare

Tranzistorul T₁, puntea de diode D₁-D₄ , rezistoarele R₁ si R₂ constituie un detector de trecere prin zero. Cand tensiunea sursei de alimentare trece prin zero (spre valori pozitive sau nega­tive), tranzistoarele T₁ si T₂ sunt blocate, iar T₃ este in conductie (numai daca semnalul de intrare pe T₄ este in zero) permitand comanda triacului la tensiune nula. In rest, curentul prin D₂, D₃ si R₃ determina conductia la saturatie a lui T₁ si T₂, T₃ fiind blocat.

Triacul va primi deci comanda numai in punctele de zero ale tensiunii de alimentare, impulsurile de comanda fiind de durata relativ mica in comparatie cu perioada tensiunii de alimentare.

Circuitele de comanda la trecere prin zero ale tensiunii de alimentare, echipate cu elemente discrete devin destul de complexe atunci cand creste numarul de dispozitive comandate sau cand se impun unele conditii stricte privind semnalul de comanda si precizia comenzii. Pentru a inlatura, aceste neajunsuri au fost realizate circuite inte­grate de comanda cu arie si posibilitati de utilizare mai largi. Dintre acestea mentionez circuitele integrate U 106BS si CA 3058 (cu variantele sale CA 3059. CA 3079) destinate comenzii tiristoarelor si triacurilor la trecerea prin zero a tensiunii de alimentare, cu aplica-bilitate in circuitele de control al puterii in procese lent variabile.

Bibliografie

1. Dascalu, D., Turic, L., Huffman, I., (1981), Circuite electronice, Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti.

2. Danila, T., Baiciu, V., Dispozitive si Circuite Electronice.

3. Lazaroiu, D. F., Lazaroiu, I., Electronica Industriala, Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti.

4. Bitoiu, A  s.a., (1984) Practica electronistului amator, Editura Albatros, Bucuresti.