apuntes triac y diac
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APUNTES
TRIAC Y DIAC
David Roque B. [email protected]
Contenido TemáticoDiodo Bidireccional
Características, Constitución y funcionamiento
Instituto Politécnico Nacional CECyT No 1. “Gonzalo Vázquez Vela”
Dispositivos Electrónicos
Ing. David Roque B. SDTM 1
TIRISTORES BIDIRECCIONALES TIPO TRIAC
El rectificador de silicio controlado SCR que se ha descrito anteriormente es capaz de
controlar la corriente que fluye en una dirección y es por tanto un dispositivo unidireccional.
El SCR se usa en muchas aplicaciones que precisan el control de corrientes continuas
además de alternadas. Pero cuando se usa en aplicaciones de CA un SCR por si solo
puede trabajar únicamente con una alternancia de cada periodo de la corriente de la red.
Para lograr el control de todo el periodo entero de la energía de entrada es necesario utilizar
dos tiristores en paralelo o es preciso convertir cada periodo entero de la corriente alterna
en una señal de CC pulsante antes de aplicarla a un solo SCR.
En las aplicaciones en las que es necesario conseguir el control completo de una señal CA
a menudo resulta mucho más fácil emplear un dispositivo que se conoce como tiristor
bidireccional o más comúnmente como un TRIAC. El TRIAC tiene básicamente las mismas
características en ambos sentidos. Esto hace que el TRIAC sea equivalente a dos SCR en
paralelo, pero conectados en direcciones opuestas.
Examinaremos ahora brevemente la construcción básica y el funcionamiento del TRIAC y
seguidamente consideraremos sus importantes características y aplicaciones.
CONSTRUCCIÓN BÁSICA Y FUNCIONAMIENTO
En la figura siguiente se muestra un diagrama simplificado de un TRIAC. Se observará que
tiene tres terminales: terminal 1, terminal 2 y la compuerta. La terminal 1 y 2 están
conectadas cada una a una unión PN en los lados opuestos del dispositivo. La compuerta
está conectada a una unión PN que se encuentra en el mismo lado que la terminal 1. Si se
examina de cerca la estructura entera verá que se puede pasar a través de una serie de
capas PNPN de cuatro capas. Estos dispositivos NPNP y PNPN se comparan a menudo
con dos tiristores conectados en paralelo pero en direcciones opuestas.
A diferencia de un SCR que solo puede controlar corrientes que fluyen en una dirección el
TRIAC puede controlar corrientes que fluyan en una u otra dirección. Así pues se usa
exactamente para controlar la aplicación de potencia en CA en diversos tipos de cargas con
circuitos.
Es un dispositivo semiconductor de seis capas y cinco uniones, de tres terminales llamadas
ánodo 1, ánodo 2 y compuerta, su estructura básica y símbolo esquemático se muestra en
la siguiente figura.
Ing. David Roque B. SDTM 2
G
A2
p
n
p
A1
A2
A1
Gn
n
n
Figura 1. Estructura y símbolo esquemático.
Este dispositivo es capaz de conducir corriente en ambos sentidos entre sus terminales A1
y A2, al igual que el DIAC; con la diferencia que este dispositivo cuenta con tres terminales
y el DIAC solamente con dos.
CARACTERÍSTICAS V-I
En la figura siguiente se muestra la curva característica tensión-corriente correspondiente
a un TRIAC típico. Esta curva muestra la relación entre la corriente que pasa por sus
terminales principales en cada dirección y la tensión aplicada entre sus terminales
principalmente es en cada tensión. Esta curva ha sido trazada sin circular corriente de
disparo por el TRIAC y si usó la terminal principal 1 como punto de referencia para todas
las tensiones e intensidades.
Es un componente simétrico en cuanto a conducción y estado de bloqueo se refiere, pues
las características del cuadrante I, de la curva característica que se muestra a continuación,
es igual a la del cuadrante III.
VBR(F)
VBR(R)VFVR
IH
- IH
IF
IR
Figura 2. Curva característica del TRIAC
Ing. David Roque B. SDTM 3
Circuito equivalente.
El TRIAC se puede considerar como dos SCR conectados en anti-paralelo, con conexión
de compuerta en común, así como también, se puede representar por medio de
transistores; ambos circuitos se muestran en la siguiente figura.
A2Q2
A2
Q4
Q3
G
A1
Q1
G
A1
SCR1
SCR2
Figura 3. Circuitos equivalentes: con SCR y Transistores
Encendido del TRIAC.
Dado que el TRIAC se comporta como dos SCR en ambos sentidos, sus formas de
encendido son las mismas para este dispositivo, las cuales se listan a continuación:
Pulso en compuerta
Exceso de voltaje
Térmico
Pulso en compuerta.
Para poder activar el dispositivo debe cumplirse las siguientes condiciones
Para una polarización en directo, es decir, la terminal A1 debe ser positiva y la terminal A2
negativa, el pulso de compuerta debe ser positivo. Con esto se asegura la conducción de
la corriente que fluirá desde la terminal A1 hacia la terminal A2
Para la polarización en inversa, esto es, la terminal A2 es positiva con respecto a A1, al
dispositivo debe aplicarse un pulso negativo en la compuerta, de esta manera la corriente
fluirá de la terminal A2 hacia A1.
Ing. David Roque B. SDTM 4
Mientras menor sea el voltaje entre las terminales del dispositivo A1 y A2, en directo o en
inverso, se requerirá de aplicar una corriente mayor de compuerta para que el dispositivo
comience a conducir. Esto se muestra en la siguiente figura.
IF
IH
-IH
VBR(F)
VBR(R)VR VF
IG2IG1
V2 V1
-V1 -V2
-IG2-IG1
Figura 4. Curvas de acuerdo a la corriente de compuerta.
Exceso de voltaje.
Cuando la terminal A1 es positiva con respecto a A2, y el voltaje en directo sobrepasa de
cierto voltaje de ruptura en directo VBR(F), (ver curva característica), el dispositivo conduce
en la parte izquierda de sus circuitos equivalentes, es decir, el SCR1 en el caso del circuito
equivalente por SCR. Y en el caso del circuito equivalente por transistores son el transistor
Q1 y Q2; y la corriente fluye del ánodo 1 hacia el ánodo 2.
Para el caso donde el A2 es más positivo que el A1, y el voltaje es mayor al voltaje de ruptura
en inversa VBR(R), el SCR2, de su circuito equivalente correspondiente, comenzará a circular
corriente por él; en el caso de los transistores Q3 y Q4, son los que conducirán la corriente,
que fluirá desde el A2 al A1.
Térmica.
Ya se dijo que la temperatura crea pares de electrón-hueco, lo que aumenta las corrientes
de fuga, y esto puede llegar a activar el tiristor (TRIAC), siempre y cuando sus terminales
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estén polarizadas en uno u otro sentido. También sea dicho que, este tipo de encendido es
incierto y que debe evitarse, no obstante es una opción para el disparo del dispositivo.
Apagado del TRIAC.
Se mencionó que el TRIAC es un dispositivo similar al SCR, por lo que las formas del
apagado son similares para este dispositivo y son las siguientes:
Interrupción de corriente.
Serie
Paralelo.
Refiérase al tema de apagado del SCR y utilice los mismos circuitos para estos Métodos.
Aplicaciones del TRIAC.
Puesto que el TRIAC conduce el uno y otro sentido se presta idealmente a aplicaciones en
las que se requiera controlar potencia de CA El dispositivo puede usarse como un micro-
interruptor del CA o puede emplearse para regular efectivamente la cantidad de potencia
aplicada a una carga. Un circuito aplica toda la tensión de la red a la resistencia de carga o
la desconecta por completo cuando se cierra o se abre respectivamente el interruptor S.
Cuando el interruptor S se encuentra abierto el TRIAC puede conducir en ninguna de las
alternancias positiva o negativa de cada periodo de la tensión de la red, pues dicha tensión
no excede el valor de la tensión de disparo del TRIAC en ninguna dirección. Sin embargo,
cuando se cierra el interruptor S la resistencia 1 deja pasar suficiente corriente de cebado
por el TRIAC en cada alternancia que asegura que conduzca. El TRIAC por tensión aplica
a la carga toda la potencia disponible de la red, mientras que el circuito SCR comparable
solo es capaz de aplicar en la carga la mitad de potencia de la red.
La ventaja de este circuito es que la corriente de cebado de pequeña intensidad puede
controlar una corriente una carga intensa.
El circuito siguiente muestra esta aplicación.
Ing. David Roque B. SDTM 6
G
A1
RL
R2
R1
IL
A2
TRIAC
DIAC
Disparo
Figura 5. Circuito de control de potencia de onda completa.
El funcionamiento de este circuito debe ser entendido de acuerdo a lo visto anterior, como
es que los dispositivos tiristores trabajan, tanto el TRIAC como el DIAC. También se debe
conocer la naturaleza de las señales alternas.
Cuando el semiciclo positivo se presenta en la entrada del circuito, la corriente se divide,
siendo una parte para la rama resistiva que se encargará del disparo del DIAC, que a su
vez proporcionará la corriente de compuerta necesaria para el disparo del TRIAC
Si la resistencia variable R2, se encuentra en su mínimo valor, la corriente no encontrará
oposición por lo que la conducción del DIAC será rápida al paso del semiciclo positivo, de
esta manera la corriente en la compuerta del TRIAC se encontrará rápido, disparándose,
con lo cual se obtiene una señal en la carga; como la mostrada en la figura siguiente
Disparo
Figura 6. Señal en la carga, disparo inmediato
Ing. David Roque B. SDTM 7
Cuando se varía la resistencia R2 a un valor mucho mayor, controlamos el tiempo de disparo
y con ello controlamos la fase de la señal de entrada, debido a que la corriente que circula
por R2 determina el disparo del DIAC y este a la vez el disparo del TRIAC. Así que, con la
variación de esta resistencia se controla la potencia de la señal de entrada como podemos
observar en la siguiente figura
Disparo a 45°
Disparo a 90°
Figura 7. Disparo del TRIAC en 45° y 90°
DIAC
Diodo bidireccional de disparo, llamado también comúnmente un DIAC o diodo bidireccional
para corriente alterna.
CONSTRUCCIÓN BÁSICA Y FUNCIONAMIENTO
El diodo bidireccional de disparo se construye de manera muy semejante a un transistor
bipolar, tiene tres capas de material semiconductor dopadas alternadamente como se
muestra en la figura 1. Sin embargo difiere de transistor bipolar en que las concentraciones
de impurezas que rodean ambas uniones son iguales y solo se ponen terminales en las
capas exteriores. No se hace ninguna conexión eléctrica en su región del medio. Como el
diodo bidireccional solo tiene dos terminales a menudo se encapsula en una cajita de metal
o plástico que tiene patillas axiales. Por tanto el dispositivo se asemeja algunas veces a un
diodo de unión PN corriente. Sin embargo el dispositivo algunas veces se encapsula como
un transistor bipolar convencional pero con solo dos patillas.
Puesto que sus dos uniones están adoptadas igualmente este diodo tiene el mismo efecto
en las corrientes que circulen en uno u otro sentido por sus terminales. En cualquier sentido,
una unión siempre estará polarizada en sentido inverso. En cada caso, la unión polarizada
a la inversa controla principalmente la corriente que fluye por el diodo y este se comporta
como si estuviera dos diodos de unión PN que estuvieran en serie pero conectados en anti-
paralelo.
Ing. David Roque B. SDTM 8
El diodo permanece en el estado de reposo en uno u otro sentido hasta que la tensión
aplicada en cualquier sentido sea lo bastante alta para hacer que su unión respectiva
polarizada en sentido inverso cambie al estado de conducción. Al ocurrir esto, el dispositivo
enciende y la corriente aumenta súbitamente a un valor que en esencia solo queda limitado
por la resistencia en serie con el dispositivo, por tanto, el diodo se comporta como un
interruptor bidireccional que se cierra y conduce siempre que se excede su tensión crítica
de disparo.
Un símbolo que se emplea comúnmente en los esquemas para representar este diodo es
el que se muestra en la figura 1.
El DIAC es un dispositivo semiconductor de cinco capas p-n y cuatro uniones, de dos
terminales llamadas Ánodo 1 (A1) y Ánodo 2 (A2); en ocasiones se nombran como MT1 y
MT2. Este dispositivo puede conducir en ambas direcciones, es decir, son bilaterales o
bidireccionales. La siguiente figura muestra la estructura interna de un DIAC y sus símbolos
esquemáticos.
n
A2
p
n
p
A1
A2
A1
n
A1
A2
ó
Figura 8. Estructura Interna y Símbolos Esquemáticos
Características V-I
La curva características de tensión corriente perteneciente a un diodo bidireccional típico
se muestra en la figura siguiente. Esta curva muestra la relación entre la corriente que
circula por el dispositivo en uno u otro sentido y la correspondiente tensión entre sus
extremos en cada dirección.
La conducción del DIAC comienza cuando alcanza un voltaje de ruptura VBR, con cualquier
polaridad, a través de sus terminales, la corriente fluye dependiendo la polaridad que este
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tenga. El dispositivo se apaga cuando la corriente cae por debajo del valor de retención IH.
La siguiente figura muestra la curva característica de este dispositivo.
VBR(F)
VBR(R)VFVR
IH
- IH
IF
IR
Figura 9. Curva característica del DIAC
Como se puede observar en la curva característica del DIAC trabaja en el primero y tercer
cuadrante de la curva característica de los tiristores. Aunque ambos lados de la curva
parecieran iguales; en ocasiones lo son, el voltaje de ruptura en directo VBR(F) podría varía
de acuerdo al voltaje de ruptura en inversa VBR(R), de la misma manera ocurre con la
corriente de retención IH en inversa y directa.
El circuito equivalente del DIAC consta de cuatro transistores que se forman según se
muestra en la siguiente figura.
Q1
Q2
Q3
Q4
A1
A2
Figura 10. Circuito equivalente con transistores
Ing. David Roque B. SDTM 10
Encendido o disparo del DIAC
Las formas de disparo del DIAC son las siguientes:
Exceso de voltaje
Térmica
Exceso de voltaje
Ya se dijo que la conducción de este dispositivo se da cuando se excede su voltaje de
ruptura en directo V BR (F), si esto ocurre, el transistor Q1 y el transistor Q2 son los que operan,
de la misma manera que ocurren con un SCR cuando se activa por exceso de voltaje y la
corriente fluye del ánodo 1 al ánodo 2. Si se excede el voltaje de ruptura en inversa V BR(R),
los transistores que operan en esta forma serán Q3 y Q4, y la corriente fluye del ánodo 2 al
ánodo 1.
Térmica.
Al igual que otros tiristores el exceso de temperatura generan corriente de fuga debido a la
separación de pares electrón-hueco, cuando esto ocurre si el dispositivo cumple las
condiciones de polarización este conducirá, en una u otro sentido. El control de disparo por
este método debe guardar ciertas restricciones por lo cual no se recomienda el uso del
mismo.
Apagado del DIAC
El apagado o bloqueo del DIAC solo se cumple cuando se interrumpe la corriente del A1 al
A2 o viceversa. El circuito siguiente muestra cómo se logra esto:
A1
IA = 0
+V
RA
RA
+V
IA = 0
IA < IH
Interruptor serie Interruptor paralelo
A2
A1
A2
N.C.
N.O.
Figura 11. Formas de apagado del DIAC
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Interrupción de la corriente serie. Se logra colocando un interruptor normalmente cerrado
(NC) en a lo largo del flujo de corriente y en serie con el DIAC, logrando con esto que al
activar el interruptor, este se abra, no circulando la corriente por el dispositivo, llegando por
debajo de la corriente de retención IH y con ellos el bloqueo o apagado del DIAC.
Interrupción de la corriente en paralelo. Se utiliza un interruptor normalmente abierto en
paralelo al DIAC y es cono un camino alterno al flujo de la corriente. Cuando se activa el
interruptor, este se cierra, dividiendo la corriente que circula por dispositivo, con ello se logra
bajar la corriente por debajo del valor de retención, IH. De esta manera se logra apagar el
dispositivo.
APLICACIONES
El diodo bidireccional se emplea muy comúnmente como un dispositivo de disparo para el
control de un TRIAC que a su vez sirve para regular la cantidad de potencia de C. A aplicada
a una carga. En la figura siguiente se muestra esta aplicación.
Figura 12. Circuito de control de onda completa empleando un DIAC y un TRIAC
El circuito ilustrado en esta figura idéntico básicamente al circuito de control de onda
completa que aparece en la figura de la aplicación del TRIAC. La única diferencia estriba
en que en un diodo bidireccional se usa específicamente como dispositivo de disparo. Como
ya se ha explicado antes, el dispositivo de disparo enciende cuando la tensión entre los
extremos del capacitor aumenta al valor requerido.
En este caso, la tensión aplicada al condensador tiene que aumentar para que el diodo
puede cambiar del estado de reposo al de conducción. Cada vez que el diodo se enciende.
Ing. David Roque B. SDTM 12
La corriente de encendido solo fluye momentáneamente pues proviene del condensador
que se descarga rápidamente por las terminales MT1 y de compuerta del TRIAC y el diodo.
El valor de cresta y la duración de impulso de corriente aplicado a la compuerta están
determinados por el valor del capacitor.
Para ayudar a los proyectistas a relacionar estos factores diversos de modo que se obtenga
la debida acción de disparo, los fabricantes de DIACs y TRIACs facilitan generalmente
tablas o curvas aplicables. La relación entre la capacitancia de disparo y la corriente de
punta del DIAC se indican generalmente de esta manera y se emplean en diversas puntas
y la duración de los impulsos de corriente de disparo que pueden aplicarse a un TRIAC.
Se emplea el diodo bidireccional en combinación con el TRIAC para obtener el control de
onda completa de las señales de C. A estos dispositivos se usan comúnmente juntos para
regular la velocidad y el sentido de rotación de motores eléctricos o para regular la
temperatura de elementos calefactores. Se utilizan en instalaciones de aire acondicionado,
calefacción y ventilación y hasta pueden usarse en sistemas electrónicos para abrir y cerrar
las puertas de garajes. También puede usarse simplemente para conmutar o regular la
cantidad de potencia aplicada a diversas lámparas o a sistemas de alumbrado completos.
Por ejemplo, pueden usarse para hacer encenderse y apagarse intermitentemente una
lámpara como señal de aviso para controlar la circulación o para reducir el nivel de
alumbrado de teatros. También pueden usarse para circuitos DIAC- TRIAC para regular la
potencia en sistemas trifásicos empleando combinaciones de circuitos TRIACs múltiples.
Las aplicaciones arriba mencionadas son tan solo unas cuantas de las muchas formas en
que pueden usarse los circuitos DIAC-TRIAC para controlar la potencia. No sería práctico
o ni si quiera posible en estos momentos dar una lista completa de las aplicaciones ya que
constantemente están encontrándose nuevos campos de aplicaciones para estos
dispositivos de estado sólido relativamente versátiles. Las recientes mejoras introducidas
en su diseño y construcción han ampliado enormemente sus posibilidades de manejo de
energía y sus aplicaciones potenciales.
Aunque el diodo bidireccional se emplea extensamente para disparar el TRIAC en
aplicaciones de regulación de potencia es muy importante comprender que también hay
otros dispositivos de disparo. La mayoría de estos dispositivos disparados tienen
características de conmutación bidireccionales que se asemejan mucho a las de un DIAC
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aunque cada dispositivo se construye de manera distinta y cada uno se representa por un
símbolo diferente. El diodo que se acaba de describir sirve de ejemplo representativo de un
moderno dispositivo de estado sólido.