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Aplicações Básicas para TRIACs (MEC170)

Os Triacs, com sua capacidade de controlar correntes alternadas de alta intensidade, são cada vez mais usados no controle de equipamentos que tenham motores ou cargas alimentadas pela rede de energia. Os Triacs podem, em muitos casos, substituir os relés com vantagens, mas é preciso saber como fazer isso. Neste artigo mostramos algumas aplicações básicas dos Triacs, incluindo a de relé de estado sólido, muito empregada nas aplicações industriais.

 

Os Triacs são dispositivos semicondutores da família dos Tiristores, sendo capazes de conduzir a corrente nos dois sentidos.

Com um Triac é possível controlar correntes alternadas intensas a partir de sinais externos relativamente fracos que podem ser gerados por sensores, circuitos de todos os tipos e chaves de baixa capacidade de corrente.

No entanto, como todo o semicondutor de ação rápida existem algumas características que devem ser consideradas quando se usa um Triac numa aplicação e que podem implicar em diferenças quando comparamos este tipo de dispositivo a um relé comum de contactos mecânicos ou mesmo a uma chave comutadora manual.

Neste artigo vamos discutir algumas das aplicações do Triac e também analisar estas características de comutação que o tornam um dispositivo que necessita de cuidados especiais nas aplicações.

 

O TRIAC

O Triac é um dispositivo semicondutor de quatro camadas da família dos tiristores, tendo a estrutura básica mostrada na figura 1.

 

 

Estrutura do TRIAC
Estrutura do TRIAC

 

 

Se bem que possamos compará-lo a dois SCRs ligados em paralelo e contra-fase com um gate comum, na prática seu comportamento não equivale a esta configuração.

Um Triac apresenta a curva característica mostrada na figura 2.

 

 

Curva característica.
Curva característica.

 

 

Para disparar o Triac existem 4 possibilidades ou 4 modos que dependem do quadrante em que ele vai funcionar, conforme mostra a seguinte tabela:

 

Polaridade de MT2 Comporta (gate) Quadrante de operação (modo)
+ + I+
+ - I-
- + III+
- - III-

 

 

As sensibilidades nos diferentes modos de operação varia, sendo os modos I+ e III- aqueles em que se obtém mais sensibilidade.

Nos casos típicos a corrente típica necessária ao disparo nestes quadrantes pode ser de 4 a 5 vezes menor do que a necessária para o disparo nos outros quadrantes.

Por este motivo, na maioria das aplicações práticas, os Triacs são usados com circuitos de disparo nestes quadrantes.

 

Box: Os triacs são dispositivos semicondutores de potência que controlam a corrente nos dois sentidos. Num triac temos 3 terminais denominados MT1, MT2 e G (terminal principal 1, terminal principal 2 e gate), conforme mostra a figura A.

 


 

O terminal MT2 normalmente é ligado à carga, o MT1 à terra e o sinal de controle a comporta. Tipos com correntes de alguns ampères a mais de 100 ampères são comuns. Uma das séries mais usadas em aplicações gerais é a TIC, que começa com o TIC106 para 3 ampères e vai até o TIC263 para 25 ampères.

 

 

VANTAGENS E DESVANTAGENS

Quando usados como relés, os Triacs apresentam tanto desvantagens como vantagens em relação aos relés de contatos mecânicos.

 

As vantagens:

a) Não há repique - quando os contactos de um relé abrem ou fecham eles levam uma fração de segundo para completar esta operação e durante este intervalo fortes variações da corrente podem ser geradas. Em cargas fortemente indutivas estes repiques podem causar a geração de pulsos de alta tensão e em muitos circuitos também são geradas interferências eletromagnéticas (EMI), conforme mostra a figura 3. Num Triac o estabelecimento da corrente ou interrupção ocorrem de forma constante.

 

Ação do TRIAC no controle de uma carga sem repique.
Ação do TRIAC no controle de uma carga sem repique.

 

 

b) Não há formação de arco - nos relés de contatos mecânicos que controlem cargas fortemente indutivas a abertura do circuito pode fazer com que tensões muito altas sejam geradas provocando o aparecimento de faíscas ou arcos. Estas faíscas ou arcos reduzem a vida útil dos contatos causando posteriormente falhas de funcionamento. Nos circuitos com Triac isso não ocorre.

 

c) Não existem partes móveis - os relés possuem partes móveis que estão sujeitas a falhas de funcionamento, o que não ocorre no caso dos Triacs.

 

d) Maior velocidade - os contatos mecânicos precisam de um tempo muito maior para abrir ou fechar o circuito do que os Triacs. A velocidade de operação dos Triacs é muito maior.

 

e) Maior rendimento - os relés exigem mais potência aplicada à bobina do que o Triac à comporta para comutar uma carga de determinada potência. Isso ocorre porque nos relés é preciso haver uma força mecânica mínima aplicada aos contatos para mantê-los firmes fechados a qual determina a corrente de disparo. No Triac a potência necessária ao disparo é menos.

 

As Desvantagens:

a) Maior sensibilidade à sobrecarga - os Triacs são mais sensíveis a uma sobrecarga do que os relés. Os Triacs podem queimar com muito mais facilidade.

b) Sensível a curto-circuito - os Triacs são danificados com muito mais facilidade do que os relés se ocorrer um curto-circuito no circuito da carga que está sendo controlada.

c) Disparo por transientes - os Triacs são muito mais sensíveis a transientes no circuito de disparo que pode levar a um falso disparo. Os relés, por exigirem mais potência e por serem fortemente indutivos são menos sensíveis a estes transientes.

d) Queda de tensão maior - nos relés a queda de tensão nos contatos é praticamente nula e, portanto, praticamente nenhuma potência é dissipada. Nos triacs existe uma queda de tensão da ordem de 2 V no disparo que faz com que tanto potência seja dissipada na forma de calor que também uma certa perda seja introduzida no circuito.

e) Falha de comutação - os triacs podem falhar ao ligar ou desligar sob determinadas condições o que é mais difícil de ocorrer com os relés.

f) Necessidade de dissipador de calor - pela queda de tensão que ocorre na condução os Triacs precisam ser montados em dissipadores de calor cujas dimensões dependem da potência da carga controlada.

g) Isolamento - não há isolamento elétrico entre o circuito de disparo e o circuito controlado. Para que este isolamento seja obtido é preciso usar circuitos adicionais tais como transformadores de disparo, opto-acopladores, etc.

 

 

APLICAÇÕES

Na aplicação típica o Triac tem a carga ligada em série com o terminal MT2 enquanto que o sinal de disparo é aplicado entre a comporta e o terminal MT1 que está aterrado, conforme mostra a figura 4.

 

Usando o TRIAC.
Usando o TRIAC.

 

 

O sinal para o disparo pode ser retirado antes ou depois da carga, conforme mostra a figura 5.

 

Alimentação do circuito de disparo.
Alimentação do circuito de disparo.

 

 

Com este procedimento temos a operação nos quadrantes I+ ou III+ em que se obtém maior sensibilidade.

 

a) Interruptor de Potência

Uma primeira aplicação prática para um Triac como os da série TIC é mostrada na figura 6.

 

Interruptor de potência
Interruptor de potência

 

 

Neste circuito a corrente de disparo é limitada pelo interruptor (S1) ficando em algumas dezenas de miliampères.

Podemos usar em lugar do interruptor um reed-switch, um reed-relé ou outro sensor mecânico de baixa corrente.

O Triac deve ser dotado de radiador de calor compatível com a potência da carga que deve ser controlada.

 

 

Sufixos

Para os triacs da série TIC os sufixos na forma de letras indicam a tensão de pico de trabalho conforme a seguinte tabela:

 Sufixo Tensão de Trabalho 
 Y 30 V 
 F 50 V 
A 100 V
B 200 V
 C  300 V
D 400 V
E 500 V
M 600 V

 

b) Interruptor de meia onda

Na figura 7 temos uma aplicação interessante em que o pulso de disparo é aplicado em somente metade dos semiciclos da tensão alternada da rede de energia.

 

Interruptor de meia onda
Interruptor de meia onda

 

Com isso, temos a aplicação de metade da potência na carga a ser controlada. Podemos usar esta configuração para ter duas potências num chuveiro, num elemento de aquecimento ou numa lâmpada incandescente.

Outra aplicação é como controle de duas velocidades para um motor universal.

 

c) Chave remota isolada

Uma aplicação muito interessante para Triacs e com utilidade na indústria é o interruptor remoto seguro usando um Triac e que é mostrado na figura 8.

 

Chave remota isolada
Chave remota isolada

 

Neste circuito, ajusta-se o trimpot para que a tensão aplicada a comporta do Triac fique no limiar do disparo quando o interruptor remoto está aberto.

Quando o interruptor é fechado ele põe em curto o enrolamento de baixa tensão do transformador levando este curto a se refletir no enrolamento primário como uma queda de impedância.

Isso faz com que a tensão na comporta do triac suba e ele dispare alimentando a carga.

Vantagens importantes podem ser citadas para este circuito:

A corrente no interruptor de controle é muito baixa assim como a tensão

O circuito do interruptor é totalmente isolado do circuito de carga pelo transformador.

O interruptor pode ser colocado em lugar remoto conectado por fios comuns de baixa corrente.

 

d) Usando Opto Acoplador

Os acopladores ópticos oferecem uma opção importante para os projetos que envolvem o uso de triacs como relés de estado sólido.

Com o uso destes acopladores adicionamos o isolamento entre o circuito de controle e o circuito controlado que é uma das desvantagens do uso do Triac sozinho, em relação aos relés comuns, conforme já vimos.

Para este tipo de aplicação existem acopladores ópticos que utilizam como elementos sensíveis opto-diacs, ou seja, diacs sensíveis à luz, como no caso do MOC3010 (110 V) e MOC3020 (220 V).

Conforme mostra a figura 9, estes dispositivos têm características de disparo que os tornam ideais para levar os Triacs à condução rapidamente aumentando assim sua eficiência.

 

Opto-diac
Opto-diac

 

 

Para as aplicações práticas existem duas famílias de Opto-diacs da Motorola que são extremamente importantes para os projetistas.

A primeira é a do MOC3010 para a rede de 110 V que pode controlar diretamente Triacs da série TIC de até 32 ampères ou mesmo mais, conforme mostra a figura 10.

 

Usando o MOC3010
Usando o MOC3010

 

Para a rede de 220 V, controlando os mesmos Triacs, mas com tensões maiores temos a série MOC3020 que é mostrada na figura 11.

 

Usando o MOC3020
Usando o MOC3020

 

Os circuitos mostrados são para cargas resistivas. Para cargas indutivas devem ser feitas as modificações que são mostradas na figura 12.

 

Circuito para cargas indutivas.
Circuito para cargas indutivas.

 

O disparo é obtido quando uma corrente de 8 mA no MOC3010 e 15 mA no MOC3020 circula pelo diodo emissor de infravermelho (LED) do acoplador.

Nas mesmas famílias existem acopladores mais sensíveis como o MOC3012 para 110 V que precisa de apenas 3 mA no LED e o MOC3023 que precisa de 5 mA nos circuitos de 220 V.

Estas características permitem que estes acopladores sejam disparados diretamente pela saída de circuitos lógicos digitais das famílias TTL e CMOS sem a necessidade de etapas de amplificação de corrente.

 

EMI

A comutação rápida dos Triacs passando da condução para a não condução em tempos extremamente curtos faz com que interferência eletromagnética (EMI) seja gerada podendo afetar equipamentos de telecomunicações, rádios, televisores, etc. nas proximidades.

Normalmente, os sinais gerados pelos circuitos com Triacs possuem um espectro de interferência que tem as características mostradas na figura 13, com a intensidade irradiada diminuindo muito acima dos 30 MHz.

 

A faixa interferida mais intensamente vai até uns 30 MHz.
A faixa interferida mais intensamente vai até uns 30 MHz.

 

 

Para amortecer os pulsos de altas frequências que são gerados pelos Triacs existem diversas técnicas que podem ser adotadas para se evitar problemas com este tipo de componente.

Na figura 14 temos um primeiro circuito de filtro bastante comum em eletrodomésticos que evita que a interferência gerada se propague pela linha de alimentação chegando a outros equipamentos ligados à mesma rede ou mesmo evitando que esta linha funcione como antena irradiando os sinais.

 

 

Um filtro contra interferência via rede.
Um filtro contra interferência via rede.

 

 

As bobinas normalmente são formadas por algumas espiras de fio de espessura compatível com a corrente do equipamento num núcleo de ferrite que pode ser ou não toroidal.

Os núcleos toroidais, em especial são muito mais eficientes neste tipo de aplicação.

Os capacitores usados são de poliéster com tensão de trabalho de pelo menos 200 V na rede de 110 V e pelo menos 400 V na rede de 220 V.

A ligação à terra para oferecer um percurso aos sinais de alta frequência é muito importante para aumentar a eficiência do filtro.

Veja que sem o terra, os capacitores põem em curto os sinais enquanto que com o terra o sinal é desviado para a terra, conforme mostra a figura 15.

 

 

Percurso dos sinais interferentes sem o terra.
Percurso dos sinais interferentes sem o terra.

 

 

Um outro tipo de filtro é o mostrado na figura 16 que é formado por uma rede RLC em série-paralelo com o Triac.

 

 

”Snubber” para evitar EMI
”Snubber” para evitar EMI

 

 Este circuito amortece os pulsos gerados na comutação do Triac evitando que eles gerem sinais irradiados ou que se propaguem pela rede de alimentação até outros equipamentos.

A bobina é formada por 70 espiras de fio esmaltado num bastão de ferrite. O fio usado deve estar de acordo com a intensidade de corrente no circuito.

Este tipo de filtro é recomendado para cargas inferiores a 1 kW.

 

CONCLUSÃO

O uso de Triacs oferece soluções importantes para projetos de eletrodomésticos e aplicações industriais.

No entanto, devemos estar atentos para as deformações que a presença de um dispositivo deste tipo pode causar na forma de onda da energia fornecida a outros equipamentos de uma instalação e que podem trazer problemas como os que abordamos quando falamos disso no artigo "True RMS" (veja no site).

Isso significa que todos os projetistas que pretendam usar Triacs no controle de potências elevadas devem estar atentos aos picos e transientes que eles podem gerar e tomar as devidas precauções para que não venham influenciar no funcionamento de outros equipamentos.

O próprio uso do Triac também implica em se observar até que ponto a maneira como ele controla uma carga é eficiente.

Com as indicações que demos neste artigo o leitor já tem uma idéia do que deve observar e se for necessário procurar literatura adicional.

 

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N° do componente 

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