Tutoriel sur les triacs

Le thyristor et le triac peuvent être utilisés pour contrôler des lampes, des moteurs ou des chauffages, etc. Toutefois, l’un des problèmes liés à l’utilisation d’un thyristor pour contrôler de tels circuits est que, comme une diode, le « thyristor » est un dispositif unidirectionnel, ce qui signifie qu’il ne laisse passer le courant que dans une seule direction, de l’anode à la cathode.

Pour les circuits de commutation DC, cette caractéristique de commutation « dans un sens » peut être acceptable, car une fois déclenché, toute la puissance DC est rapidement délivrée à la charge. Mais dans les circuits de commutation AC sinusoïdaux, cette commutation unidirectionnelle peut poser problème, car elle ne conduit qu’une moitié du cycle (comme un redresseur à demi-onde) lorsque l’anode est positive, sans égard pour le signal de commande. Pour le fonctionnement en AC, seule la moitié de la puissance est fournie à la charge par un thyristor.

Pour obtenir un contrôle de puissance en onde entière, nous pourrions connecter un seul thyristor à l’intérieur d’un redresseur en pont pleine onde qui se déclenche à chaque demi-onde positive, ou connecter deux thyristors ensemble en inverse parallèle (dos à dos) comme montré ci-dessous, mais cela augmente à la fois la complexité et le nombre de composants utilisés dans le circuit de commutation.

Configurations de Thyristors

Il existe cependant un autre type de dispositif à semi-conducteurs appelé « Interrupteur AC Triode » ou Triac, qui fait également partie de la famille des thyristors et peut être utilisé comme un dispositif de commutation de puissance à état solide. Mais le plus grand avantage d’un triac par rapport à un redresseur contrôlé par silicium (SCR) est qu’il s’agit d’un dispositif de commutation « bidirectionnel ».

En d’autres termes, un Triac peut être déclenché en conduction par des tensions positives et négatives appliquées à son Anode, avec des impulsions de commande positives et négatives appliquées à sa borne de commande, ce qui en fait un dispositif de contrôle à deux quadrants.

Un Triac se comporte comme deux thyristors conventionnels connectés ensemble en inverse parallèle (dos à dos) l’un par rapport à l’autre. En raison de cette configuration, les deux thyristors partagent une borne de commande commune, le tout dans un seul boîtier à trois bornes.

Puisqu’il conduit dans les deux directions d’une onde sinusoïdale, le concept de borne Anode et de borne Cathode utilisé pour identifier les bornes principales d’alimentation d’un thyristor est remplacé par l’identification de : MT₁, pour Borne Principale 1 et MT₂ pour Borne Principale 2 avec la borne de contrôle G référencée de la même manière.

Dans la plupart des applications de commutation AC, la borne de commande du triac est associée à la borne MT₁, semblable à la relation entre la borne de commande et la cathode du thyristor ou la relation entre la base et l’émetteur du transistor. La construction, le dopage P-N et le symbole schématique utilisé pour représenter un Triac sont donnés ci-dessous.

Symbole et Construction du Triac

Nous savons maintenant qu’un « triac » est un dispositif à 4 couches, PNPN dans la direction positive et NPNP dans la direction négative, un dispositif bidirectionnel à trois bornes qui bloque le courant dans son état « OFF », agissant comme un interrupteur à circuit ouvert. Toutefois, contrairement à un thyristor conventionnel, il peut conduire le courant dans les deux directions lorsqu’il est déclenché par une seule impulsion de commande. Ainsi, un triac a quatre modes possibles de déclenchement de fonctionnement comme suit.

• Ι +  Mode = MT₂ courant positif (+ve), courant de commande positif (+ve)
• Ι –  Mode = MT₂ courant positif (+ve), courant de commande négatif (-ve)
• ΙΙΙ +  Mode = MT₂ courant négatif (-ve), courant de commande positif (+ve)
• ΙΙΙ –  Mode = MT₂ courant négatif (-ve), courant de commande négatif (-ve)

Ces quatre modes de fonctionnement peuvent être observés à l’aide des courbes caractéristiques I-V.

Courbes Caractéristiques I-V

Dans le quadrant Ι, le triac est généralement déclenché en conduction par un courant de commande positif, étiqueté ci-dessus comme mode Ι+. Mais il peut également être déclenché par un courant de commande négatif, mode Ι–. De même, dans le quadrant ΙΙΙ, le déclenchement avec un courant de commande négatif, –Ι_G, est également courant, mode ΙΙΙ– en plus du mode ΙΙΙ+. Les modes Ι– et ΙΙΙ+ sont cependant des configurations moins sensibles nécessitant un courant de commande plus élevé pour provoquer le déclenchement que les modes de déclenchement de triac plus communs, Ι+ et ΙΙΙ–.

De plus, tout comme les redresseurs contrôlés par silicium (SCR), les triac nécessitent également un courant de maintien minimum I_H pour maintenir la conduction au point de croisement des formes d’onde. Même si les deux thyristors sont combinés en un seul dispositif, ils présentent toujours des caractéristiques électriques individuelles telles que des voltages de claquage différents, des courants de maintien et des niveaux de tension de déclenchement exactement comme nous nous y attendrions d’un seul dispositif SCR.

Applications du Triac

Le Triac est le dispositif à semi-conducteurs le plus couramment utilisé pour la commutation et le contrôle de puissance des systèmes AC, car le triac peut être commuté « ON » par une impulsion de commande positive ou négative, indépendamment de la polarité de l’alimentation AC à ce moment-là. Ceci rend le triac idéal pour contrôler une lampe ou une charge de moteur à courant alternatif avec un circuit de commutation triac très basique donné ci-dessous.

Circuit de Commutation Triac de Base

Le circuit ci-dessus montre un circuit de commutation de puissance triac déclenché par DC. Avec l’interrupteur SW1 ouvert, aucun courant ne passe à travers la borne de commande du triac et la lampe est donc « OFF ». Lorsque SW1 est fermé, un courant de commande est appliqué au triac depuis l’alimentation de la batterie V_G via la résistance R et le triac est poussé à la conduction complète, agissant comme un interrupteur fermé et toute la puissance est absorbée par la lampe à partir de l’alimentation sinusoïdale.

Puisque la batterie fournit un courant de commande positif au triac chaque fois que l’interrupteur SW1 est fermé, le triac est donc constamment activé en modes Ι+ et ΙΙΙ+, indépendamment de la polarité de la borne MT₂.

Bien sûr, le problème avec ce simple circuit de commutation triac est que nous aurions besoin d’une alimentation de commande positive ou négative supplémentaire pour déclencher le triac en conduction. Mais nous pouvons également déclencher le triac en utilisant la tension d’alimentation AC elle-même comme tension de déclenchement. Considérons le circuit ci-dessous.

Circuit de Commutation Triac

Le circuit montre un triac utilisé comme un simple interrupteur de puissance AC statique fournissant une fonction « ON »-« OFF » similaire à celle du circuit DC précédent. Lorsque l’interrupteur SW1 est ouvert, le triac agit comme un interrupteur ouvert et la lampe ne reçoit aucun courant. Lorsque SW1 est fermé, le triac est activé « ON » par le courant limité par la résistance R et se verrouille peu après le début de chaque demi-cycle, commutant ainsi la puissance totale à la charge de la lampe.

Comme l’alimentation est en AC sinusoïdal, le triac se déverrouille automatiquement à la fin de chaque demi-cycle AC lorsque la tension d’alimentation instantanée et donc le courant de la charge tombent temporairement à zéro, mais se verrouille à nouveau en utilisant le thyristor opposé lors du prochain demi-cycle tant que l’interrupteur reste fermé. Ce type de contrôle de commutation est généralement appelé contrôle en onde entière en raison du fait que les deux moitiés de l’onde sinusoïdale sont contrôlées.

Comme le triac est effectivement deux SCR connectés dos à dos, nous pouvons pousser ce circuit de commutation triac plus loin en modifiant la manière dont la commande est déclenchée, comme montré ci-dessous.

Circuit de Commutation Modifié

Comme ci-dessus, si l’interrupteur SW1 est ouvert à la position A, il n’y a pas de courant de commande et la lampe est « OFF ». Si l’interrupteur est déplacé à la position B, le courant de commande s’écoule à chaque demi-cycle comme avant et la lampe tire toute la puissance alors que le triac fonctionne en modes Ι+ et ΙΙΙ–.

Cependant, cette fois lorsque l’interrupteur est connecté à la position C, la diode empêchera le déclenchement de la commande lorsque MT₂ est négatif, car la diode est polarisée inversement. Ainsi, elle ne conduira que sur les demi-cycles positifs, fonctionnant uniquement en mode I+ et la lampe s’allumera à moitié puissance. Selon la position de l’interrupteur, la charge sera Éteinte, à Moitié Puissance ou Entièrement Allumée.

Contrôle de Phase du Triac

Un autre type courant de circuit de commutation utilise le contrôle de phase pour varier la quantité de tension, et donc de puissance, appliquée à une charge, dans ce cas un moteur, pour les deux moitiés positives et négatives de la forme d’onde d’entrée. Ce type de contrôle de vitesse de moteur AC offre un contrôle entièrement variable et linéaire, car la tension peut être ajustée de zéro à la pleine tension appliquée comme indiqué.

Contrôle de Phase

Ce circuit de déclenchement de phase de base utilise le triac en série avec le moteur à travers une alimentation AC sinusoïdale. La résistance variable, VR1, est utilisée pour contrôler la quantité de décalage de phase sur la commande du triac, ce qui contrôle à son tour la quantité de tension appliquée au moteur en le mettant sous tension à différents moments pendant le cycle AC.

La tension de déclenchement du triac est dérivée de la combinaison VR1 – C1 via le Diac (Le diac est un dispositif à semi-conducteurs bidirectionnel qui aide à fournir une impulsion de courant de déclenchement nette pour activer complètement le triac).

Au début de chaque cycle, C1 se charge via la résistance variable, VR1. Celacontinue jusqu’à ce que la tension à travers C1 soit suffisante pour déclencher le diac en conduction, ce qui permet alors au condensateur, C1, de se décharger dans la borne de commande du triac, le mettant « ON ».

Une fois qu’il est déclenché en conduction et saturé, il court-circuite effectivement le circuit de contrôle de phase de commande à la borne de commande connecté en parallèle et prend le contrôle durant le reste de la demi-cycle.

Comme nous l’avons vu ci-dessus, le triac s’éteint automatiquement à la fin de la demi-cycle et le processus de déclenchement VR1 – C1 recommence au prochain demi-cycle.

Cependant, parce que le triac nécessite des quantités différentes de courant de commande dans chaque mode de commutation de fonctionnement, par exemple Ι+ et ΙΙΙ–, un triac est donc asymétrique, signifiant qu’il peut ne pas se déclencher au même point pour chaque demi-cycle positif et négatif.

Ce simple circuit de contrôle de vitesse triac est adapté non seulement au contrôle de la vitesse des moteurs AC, mais également aux variateurs de lampes et au contrôle des chauffages électriques. En fait, il est très similaire à un variateur de lumière triac utilisé dans de nombreux foyers. Cependant, un variateur triac commercial ne devrait pas être utilisé en tant que contrôleur de vitesse de moteur, car en général les variateurs de lumière triac sont destinés à être utilisés uniquement avec des charges résistives telles que les lampes à incandescence.

Nous pouvons donc conclure ce Tutoriel sur le Triac en résumant ses principaux points comme suit :

• Un « Triac » est un autre dispositif thyristor à 4 couches et 3 bornes similaire au SCR.
• Il peut être déclenché en conduction dans les deux directions.
• Il a quatre modes de déclenchement possibles, dont 2 sont préférés.

Le contrôle de la puissance électrique AC utilisant un Triac est extrêmement efficace lorsqu’il est utilisé correctement pour contrôler des charges de type résistif telles que des lampes à incandescence, des chauffages ou de petits moteurs universels couramment trouvés dans des outils portables et des petits appareils électroménagers.

Mais n’oubliez pas que ces dispositifs peuvent être utilisés et branchés directement à la source d’alimentation AC du secteur, donc les tests de circuit doivent être effectués lorsque le dispositif de contrôle de puissance est débranché de l’alimentation principale. N’oubliez pas que la sécurité passe en premier !