¿Qué es un TRIAC?

¿Qué tal amigos de Ingtelecto?, hoy hablaremos sobre el TRIAC, sin embargo para darle inicio al tema, es importante tener en consideración que tanto el tiristor como el TRIAC se utilizan para controlar dispositivos como lámparas, motores y calentadores. Sin embargo, uno de los inconvenientes de usar un tiristor en este tipo de circuitos es que, al igual que un diodo, el tiristor es un dispositivo unidireccional, lo que significa que solo permite el paso de corriente en una sola dirección, del ánodo al cátodo.

En circuitos de corriente continua (CC), esta característica unidireccional del tiristor no suele ser un problema, ya que, una vez activado, toda la potencia de CC se dirige directamente hacia la carga. No obstante, en circuitos de corriente alterna (CA), la unidireccionalidad se convierte en un desafío, ya que el tiristor solo conduce durante la mitad del ciclo de la señal de CA (como lo haría un rectificador de media onda). Esto ocurre porque el tiristor solo permite el paso de corriente cuando el ánodo es positivo, independientemente de la señal en la compuerta. Como resultado, solo la mitad de la potencia total es entregada a la carga.

Para obtener un control de potencia de onda completa en un circuito de CA, una solución sería usar un tiristor en un puente rectificador de onda completa, que se dispare en cada media onda positiva. Otra opción sería conectar dos tiristores en paralelo inverso, de modo que uno conduzca durante el ciclo positivo y el otro durante el ciclo negativo. Sin embargo, esto incrementa tanto la complejidad del circuito como el número de componentes necesarios. (vea los dos diagramas).

Configuración de Tiristores

Por eso, en aplicaciones de corriente alterna, el TRIAC es una mejor alternativa. A diferencia del tiristor, el TRIAC puede conducir corriente en ambas direcciones, lo que permite un control de potencia de onda completa con un solo dispositivo, simplificando el diseño del circuito y reduciendo el número de componentes.

Sin embargo, existe otro tipo de dispositivo semiconductor llamado “Interruptor Triodo de CA” o TRIAC, que forma parte de la familia de los tiristores y se utiliza como un dispositivo de conmutación de potencia de estado sólido. La principal ventaja del TRIAC sobre un rectificador controlado por silicio (SCR) es su capacidad de conmutación bidireccional.

En otras palabras, un TRIAC puede activarse para conducir tanto con voltajes positivos como negativos aplicados a su ánodo, mediante pulsos de activación positivos y negativos en su terminal de compuerta. Esto lo convierte en un dispositivo controlado por compuerta que opera en dos cuadrantes.

El TRIAC se comporta como dos tiristores convencionales conectados en paralelo inverso, lo que significa que comparten un terminal de compuerta común dentro de un solo paquete de tres terminales.

Dado que el TRIAC conduce en ambas direcciones de una forma de onda sinusoidal, los términos “ánodo” y “cátodo” que se utilizan para identificar los terminales de potencia principales de un tiristor son reemplazados por las designaciones MT1 y MT2 para los terminales principales, junto con el terminal de compuerta G, que se referencia de la misma manera.

En la mayoría de las aplicaciones de conmutación de CA, el terminal de compuerta del TRIAC está asociado con el terminal MT1, de manera similar a la relación compuerta-cátodo del tiristor o a la relación base-emisor del transistor. A continuación, se presenta la construcción, el dopado PN y el símbolo esquemático utilizado para representar un TRIAC.

Símbolo y Construcción del TRIAC

Ahora sabemos que un TRIAC es un dispositivo bidireccional de tres terminales y cuatro capas, que tiene una estructura PNPN en la dirección positiva y NPNP en la dirección negativa. En su estado "OFF", el TRIAC bloquea la corriente y actúa como un interruptor de circuito abierto. Sin embargo, a diferencia de un tiristor convencional, puede conducir corriente en ambas direcciones cuando se activa con un solo pulso en su terminal de compuerta.

Por lo tanto, un TRIAC tiene cuatro modos posibles de funcionamiento o activación, como se detalla a continuación:

Modo I + = Corriente en $\displaystyle M{{T}_{2}}$ positiva (+), corriente de compuerta positiva (+)
Modo I – = Corriente en $\displaystyle M{{T}_{2}}$ positiva (+), corriente de compuerta negativa (–)
Modo III + = Corriente en $\displaystyle M{{T}_{2}}$ negativa (–), corriente de compuerta positiva (+)
Modo III – = Corriente en $\displaystyle M{{T}_{2}}$ negativa (–), corriente de compuerta negativa (–)

Estos cuatro modos de funcionamiento se representan mediante las curvas de características I-V del TRIAC.

Curvas características de I-V del TRIAC

En el Cuadrante I, el TRIAC generalmente se activa en conducción por una corriente de compuerta positiva, etiquetada anteriormente como modo I+. Sin embargo, también puede activarse mediante una corriente de compuerta negativa, lo que corresponde al modo I–. De manera similar, en el Cuadrante III, es común la activación con una corriente de compuerta negativa (–$\displaystyle {{I}_{G}}$), que corresponde al modo III–, junto con el modo III+.

No obstante, los modos I– y III+ son configuraciones menos sensibles, lo que significa que requieren una corriente de compuerta mayor para provocar la activación, en comparación con los modos de activación más comunes del TRIAC, I+ y III–.

Además, al igual que los rectificadores controlados por silicio (SCR), los TRIAC también requieren una corriente de mantenimiento mínima ($\displaystyle {{I}_{H}}$) para mantener la conducción en el punto de cruce de las formas de onda. Aunque los dos tiristores están combinados en un solo dispositivo, aún muestran características eléctricas individuales, como diferentes voltajes de ruptura, corrientes de mantenimiento y niveles de voltaje de disparo, exactamente igual que lo que esperaríamos de un dispositivo SCR individual.

Aplicaciones del TRIAC

El TRIAC es uno de los semiconductores más utilizados en la conmutación y control de potencia en sistemas de corriente alterna (CA), debido a su capacidad de encenderse mediante un pulso de compuerta positivo o negativo, sin importar la polaridad de la fuente de CA en ese momento. Esta característica lo convierte en una excelente opción para el control de lámparas, motores o cualquier carga de CA. Un circuito de conmutación simple utilizando un TRIAC, ideal para estas aplicaciones, se muestra a continuación.

Circuito básico de conmutación TRIAC

El circuito anterior muestra un sencillo circuito de conmutación de potencia activado por un TRIAC controlado por corriente continua (CC). Cuando el interruptor SW1 está abierto, no fluye corriente hacia la compuerta del TRIAC, por lo que la lámpara permanece "APAGADA". Al cerrar $\displaystyle S{{W}_{1}}$, la corriente de compuerta proveniente de la batería $\displaystyle {{V}_{G}}$​ pasa a través de la resistencia $\displaystyle R$, activando el TRIAC en plena conducción. En este estado, el TRIAC funciona como un interruptor cerrado, permitiendo que la lámpara reciba toda la energía de la fuente de corriente alterna (CA).

Como la batería suministra una corriente de compuerta positiva al TRIAC mientras el interruptor $\displaystyle S{{W}_{1}}$ permanece cerrado, el TRIAC se activa continuamente en los modos Ι+ y ΙΙΙ+, sin importar la polaridad del terminal $\displaystyle M{{T}_{2}}$.

No obstante, un inconveniente de este sencillo circuito de conmutación es que necesitaríamos una fuente de alimentación adicional, ya sea positiva o negativa, para activar el TRIAC. Sin embargo, también es posible activar el TRIAC utilizando la propia tensión de alimentación de CA como señal de activación para la compuerta. El siguiente circuito ilustra esta configuración.

Circuito de Conmutación TRIAC

El circuito muestra un TRIAC utilizado como un interruptor estático de alimentación de CA, proporcionando una función de “ENCENDIDO”-“APAGADO” similar al funcionamiento del circuito de CC anterior. Cuando el interruptor $\displaystyle S{{W}_{1}}$ está abierto, el TRIAC actúa como un interruptor abierto, y no circula corriente a través de la lámpara. Al cerrar $\displaystyle S{{W}_{1}}$, el TRIAC se activa a través de la resistencia limitadora de corriente $\displaystyle R$ y se bloquea automáticamente poco después del inicio de cada medio ciclo, conmutando así la potencia total a la carga de la lámpara.

Dado que la fuente de alimentación es una señal de CA sinusoidal, el TRIAC se apaga automáticamente al final de cada semiciclo, cuando el voltaje de suministro instantáneo cae a cero, lo que provoca que la corriente de carga también disminuya brevemente a cero. Sin embargo, se vuelve a activar en el siguiente semiciclo utilizando la mitad opuesta del tiristor, siempre que el interruptor permanezca cerrado. Este tipo de control de conmutación se denomina generalmente control de onda completa, ya que se controla la conducción en ambas mitades de la onda sinusoidal.

Como el TRIAC es esencialmente dos SCR conectados en antiparalelo, podemos llevar este circuito de conmutación más allá, modificando la forma en que se activa la compuerta, como se muestra a continuación.

Circuito de Conmutación Modificado

Como se indicó anteriormente, si el interruptor $\displaystyle S{{W}_{1}}$ está en la posición A, no hay corriente hacia la compuerta, por lo que la lámpara permanece “APAGADA”. Al mover el interruptor a la posición B, la corriente de compuerta fluye en cada medio ciclo, igual que antes, y la lámpara recibe toda la potencia, ya que el TRIAC opera en los modos I+ y III–.

Sin embargo, al conectar el interruptor a la posición C, el diodo evita la activación de la compuerta cuando $\displaystyle M{{T}_{2}}$ es negativo, ya que en este caso el diodo se polariza en sentido inverso. Por lo tanto, el TRIAC solo conduce durante los semiciclos positivos, funcionando únicamente en el modo I+, lo que hace que la lámpara se encienda a media potencia. Así, dependiendo de la posición del interruptor, la carga estará apagada, a media potencia o completamente encendida.

Control de Fase del TRIAC

Otro tipo común de circuito de conmutación utiliza el control de fase para ajustar la cantidad de voltaje, y por lo tanto la potencia, aplicada a una carga, en este caso un motor, tanto en la mitad positiva como en la negativa de la forma de onda de entrada. Este método de control de velocidad en motores de CA ofrece un ajuste completamente variable y lineal, ya que el voltaje puede regularse desde cero hasta el valor máximo de la tensión aplicada, como se muestra.

Este circuito básico de control de fase utiliza un TRIAC en serie con el motor conectado a una fuente de alimentación de CA sinusoidal. La resistencia variable ($\displaystyle V{{R}_{1}}$) permite ajustar el ángulo de fase en la compuerta del TRIAC, lo que a su vez regula el voltaje aplicado al motor al encenderlo en distintos puntos del ciclo de la corriente alterna.

El voltaje de activación del TRIAC se genera mediante la combinación de $\displaystyle V{{R}_{1}}$ y el capacitor $\displaystyle {{C}_{1}}$, a través de un DIAC (un dispositivo semiconductor bidireccional que ayuda a generar un pulso de corriente preciso para activar completamente el TRIAC).

Al comienzo de cada ciclo, $\displaystyle {{C}_{1}}$ se carga a través de la resistencia variable $\displaystyle V{{R}_{1}}$ hasta que el voltaje en $\displaystyle {{C}_{1}}$ es suficiente para activar el DIAC. En ese momento, el DIAC permite que el capacitor $\displaystyle {{C}_{1}}$ se descargue en la compuerta del TRIAC, encendiéndolo.

Una vez que el TRIAC se activa y conduce, satura el circuito de control de fase conectado en paralelo, tomando el control del resto del semiciclo de corriente. Al final de cada semiciclo, el TRIAC se apaga automáticamente, y el proceso de carga y descarga de $\displaystyle V{{R}_{1}}$ y $\displaystyle {{C}_{1}}$ se repite en el siguiente semiciclo.

No obstante, debido a que el TRIAC requiere diferentes niveles de corriente de compuerta en cada modo de conmutación, como en los modos Ι+ y ΙΙΙ–, su comportamiento es asimétrico. Esto significa que el TRIAC podría no dispararse exactamente en el mismo punto en cada semiciclo, ya sea positivo o negativo.

Este sencillo circuito de control de fase con TRIAC es útil no solo para controlar la velocidad de motores de CA, sino también para regular la intensidad de lámparas y el control de calentadores eléctricos. De hecho, su funcionamiento es muy similar al de un atenuador de luz basado en TRIAC que se usa comúnmente en los hogares. Sin embargo, es importante tener en cuenta que los atenuadores comerciales de luz TRIAC no deben emplearse para controlar motores, ya que están diseñados principalmente para cargas resistivas, como lámparas incandescentes.

En Resumen sobre el TRIAC

El TRIAC es un dispositivo semiconductor de conmutación utilizado en aplicaciones de control de potencia en corriente alterna. Su capacidad para conducir en ambas mitades del ciclo de CA lo hace ideal para controlar la velocidad de motores, la intensidad de lámparas y el funcionamiento de dispositivos de calefacción.

En los circuitos de control de fase, el TRIAC se activa en puntos específicos del ciclo de CA, lo que permite ajustar la cantidad de voltaje que llega a una carga. Mediante el uso de componentes como resistencias variables ($\displaystyle V{{R}_{1}}$) y capacitores ($\displaystyle {{C}_{1}}$), se controla el ángulo de disparo del TRIAC, modificando cuándo se enciende durante cada semiciclo. Además, el DIAC ayuda a proporcionar un pulso preciso para activar el TRIAC de manera eficiente.

Aunque el TRIAC permite un control preciso y eficiente, tiene una naturaleza asimétrica, lo que puede hacer que su comportamiento varíe ligeramente entre los semiciclos positivos y negativos. Por esta razón, aunque los circuitos con TRIAC son útiles en muchas aplicaciones, es importante utilizar los dispositivos adecuados para cada tipo de carga, evitando, por ejemplo, el uso de atenuadores de luz TRIAC con motores, ya que estos están diseñados para cargas resistivas.

En resumen, el TRIAC es una herramienta versátil en el control de potencia de CA, y su aplicación en circuitos de control de fase lo convierte en un componente clave en el diseño de sistemas de regulación de velocidad, iluminación y calefacción.