Triacs: bidirectionnel, angle de phase, gradateur

Triacs: bidirectionnel, angle de phase, gradateur

Les triacs sont des composants électroniques semi-conducteurs de la famille des thyristors. Contrairement aux thyristors standards (SCR) qui sont unidirectionnels, les triacs sont bidirectionnels, ce qui signifie qu’ils peuvent conduire le courant dans les deux sens. Cette caractéristique les rend particulièrement utiles dans les applications de contrôle de puissance en courant alternatif (CA), comme les gradateurs de lumière et les variateurs de vitesse pour moteurs.

Principe de fonctionnement du triac

Le triac reste bloqué (pas de courant entre A1 et A2) tant qu’aucun courant suffisant n’est appliqué à la gâchette. Lorsqu’une impulsion de courant est appliquée à la gâchette, le triac s’amorce et conduit le courant. La particularité du triac est qu’il peut être amorcé par une impulsion positive ou négative sur la gâchette, quelle que soit la polarité de la tension entre A1 et A2. Une fois amorcé, le triac continue de conduire jusqu’à ce que le courant traversant le triac (courant de maintien) descende en dessous d’une valeur minimale, généralement proche de zéro. Cela se produit naturellement à chaque demi-alternance du courant alternatif.

Contrôle de l’angle de phase

Le contrôle de l’angle de phase est une technique essentielle pour utiliser les triacs dans les applications de variation de puissance. En contrôlant le moment précis où le triac est amorcé pendant chaque demi-alternance du courant alternatif, on peut ajuster la puissance moyenne délivrée à la charge. Cet angle, mesuré en degrés ou en radians, est appelé angle de phase (ou angle de retard) et est souvent noté \(\alpha\).

• Si \(\alpha = 0^{\circ}\), le triac conduit pendant toute la demi-alternance (puissance maximale).
• Si \(\alpha = 180^{\circ}\), le triac ne conduit jamais (puissance nulle).
• Si \(0^{\circ} < \alpha < 180^{\circ}\), la puissance est proportionnelle à l’angle de phase.

Applications des triacs : les gradateurs

Les gradateurs de lumière sont l’application la plus courante des triacs. Un circuit gradateur typique utilise un potentiomètre pour ajuster l’angle de phase. En tournant le potentiomètre, on modifie le temps de charge d’un condensateur, ce qui contrôle le moment où la tension aux bornes du condensateur atteint le seuil de déclenchement d’un diac, qui à son tour déclenche le triac. Le diac est un composant bidirectionnel qui se déclenche lorsqu’une tension de seuil spécifique est atteinte, quelle que soit sa polarité.

Exemples et solutions

Voici cinq exemples d’applications et d’analyses de circuits utilisant des triacs:

1. Exemple 1: Un gradateur de lumière est utilisé pour contrôler une lampe à incandescence de 100W alimentée par une tension secteur de 230V (rms). Si l’angle de phase est réglé à 90°, calculez la puissance dissipée par la lampe.

   Solution: En utilisant la formule \(V_{rms} = V_{in,rms} \sqrt{1 – \frac{\alpha}{\pi} + \frac{\sin(2\alpha)}{2\pi}}\), avec \(V_{in,rms} = 230V\) et \(\alpha = \frac{\pi}{2}\) radians: \[V_{rms} = 230 \sqrt{1 – \frac{\pi/2}{\pi} + \frac{\sin(\pi)}{2\pi}} = 230\sqrt{1 – 0.5} = 230\sqrt{0.5} \approx 162.6V\] La puissance initiale est de 100W, et la tension initiale est 230V. La nouvelle puissance sera:\( P = \frac{V_{rms}^2}{R} \), et la résistance R: \( R = \frac{230^2}{100} = 529 \Omega \) \[P = \frac{(162.6)^2}{529} \approx 50W \] La lampe dissipe donc environ 50W.

2. Exemple 2: Un variateur de vitesse pour un petit moteur à courant alternatif utilise un triac. Le moteur est conçu pour fonctionner à 120V (rms). Pour réduire la vitesse du moteur, l’angle de phase est réglé à 120°. Quelle est la tension efficace appliquée au moteur ?

   Solution: On utilise à nouveau la formule : \(V_{rms} = V_{in,rms} \sqrt{1 – \frac{\alpha}{\pi} + \frac{\sin(2\alpha)}{2\pi}}\), avec \(V_{in,rms} = 120V\) et \(\alpha = \frac{2\pi}{3}\) radians: \[V_{rms} = 120 \sqrt{1 – \frac{2\pi/3}{\pi} + \frac{\sin(4\pi/3)}{2\pi}} = 120\sqrt{1 – \frac{2}{3} – \frac{\sqrt{3}/2}{2\pi}} \approx 61.4V \] La tension efficace appliquée au moteur est d’environ 61.4V.

3. Exemple 3: Un circuit de commande de chauffage utilise un triac. Le circuit est alimenté par une source de 230V (rms). Si on souhaite que l’élément chauffant dissipe la moitié de sa puissance maximale, quel doit être l’angle de phase ?

   Solution: Si la puissance est la moitié, cela signifie que la tension efficace est divisée par \(\sqrt{2}\). Donc, \(V_{rms} = \frac{V_{in,rms}}{\sqrt{2}}\). On doit résoudre l’équation suivante pour \(\alpha\): \[\frac{1}{\sqrt{2}} = \sqrt{1 – \frac{\alpha}{\pi} + \frac{\sin(2\alpha)}{2\pi}}\] \[\frac{1}{2} = 1 – \frac{\alpha}{\pi} + \frac{\sin(2\alpha)}{2\pi}\] Cette équation n’a pas de solution analytique simple et doit être résolue numériquement. La solution est approximativement \(\alpha = \frac{\pi}{2}\) radians, soit 90°.

4. Exemple 4: Déterminer la valeur du courant de gâchette minimal (\(I_{GT}\)) typique pour un triac, ainsi que son courant de maintien (\(I_H\)) typique. Discutez brièvement de leur importance.

   Solution: Les valeurs exactes de \(I_{GT}\) et \(I_H\) varient considérablement en fonction du modèle spécifique du triac. Cependant, on peut donner des ordres de grandeur typiques:

   • \(I_{GT}\) (Courant de gâchette minimal): Typiquement entre 5 mA et 50 mA. Il s’agit du courant minimal qui doit être fourni à la gâchette pour garantir l’amorçage du triac. Une valeur plus faible de \(I_{GT}\) signifie que le triac est plus sensible et nécessite moins de courant de commande pour s’amorcer.
   • \(I_H\) (Courant de maintien): Typiquement entre 10 mA et 100 mA. Il s’agit du courant minimal qui doit circuler entre A1 et A2 pour maintenir le triac en conduction après qu’il ait été amorcé. Si le courant tombe en dessous de \(I_H\), le triac se bloque. Une valeur plus faible de \(I_H\) permet au triac de rester passant avec un courant de charge plus faible.

5. Exemple 5: Expliquez pourquoi un circuit snubber (RC) est souvent placé en parallèle avec un triac.

   Solution: Un circuit snubber, constitué d’une résistance (R) et d’un condensateur (C) en série, est souvent placé en parallèle avec un triac pour plusieurs raisons :

   • Protection contre les dv/dt élevés : Lorsqu’un triac est utilisé pour commuter des charges inductives (comme des moteurs), la coupure rapide du courant peut générer des variations de tension très rapides (dv/dt élevées) aux bornes du triac. Ces dv/dt peuvent provoquer un amorçage intempestif du triac, même en l’absence de signal de gâchette. Le condensateur du snubber absorbe l’énergie et limite la vitesse de variation de la tension.
   • Protection contre les surtensions: Le circuit snubber peut également aider à amortir les surtensions transitoires qui pourraient endommager le triac.
   • Réduction des émissions électromagnétiques (EMI): La commutation rapide du triac peut générer des interférences électromagnétiques. Le snubber aide à réduire ces interférences en lissant les fronts de commutation.
   Le choix des valeurs de R et C dépend de l’application spécifique et des caractéristiques de la charge.

Tableaux récapitulatifs