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    TRIACS Introducción 

    El éxito obtenido con la introducción del tiristor convencional en el campo de la electrónica,

    indujo a los investigadores a desarrollar otro tiristor más apto para el control de potencia decorriente alterna. El triac (triode altern current) es un semiconductor capaz de bloquear tensión y

    conducir corriente en ambos sentidos entre los terminales principales T1 y T2. Su estructura básica,

    símbolo y curva característica aparece en la figura 1. Es un componente simétrico en cuanto a

    conducción y estado de bloqueo se refiere, pues las características en el cuadrante I de las curvas

    uT2  – T1  iT2  son iguales a los del III. Las fugas que posee en bloqueo y la caída de tensión en

    conducción prácticamente iguales a las de un tiristor y el hecho de que entra en conducción, si se

    supera la tensión de ruptura en cualquier sentido, lo hace inmune a destrucción por sobretensión.

    La estructura contiene seis capas, aunque funciona siempre como un tiristor de cuatro. En

    sentido T2 - T1 conduce a través de P1 N1P2 N2. Figura 3.2

    En sentido T1 - T2 conduce a través de P2 N1P1 N4 (Figura 3.3). La capa N3 facilita el disparo

    con intensidad de puerta negativa.

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    La complicación de su estructura lo hace más delicado que un tiristor en cuanto a

    di/dt y capacidad para soportar sobreintensidades. Se fabrican para intensidades de desde algunosamperios hasta unos 100 A eficaces y desde 50 V hasta 1000 V de tensión de pico repetitivo.

    Modos de funcionamiento.El Triac puede ser disparado en cualquiera de los dos cuadrantes I y III mediante la

    aplicación entre los terminales puerta y T1 de un impulso positivo o negativo. Esto le da una

    facilidad de empleo grande y simplifica mucho el circuito de disparo. Veamos cuales son los

    fenómenos internos que tienen lugar en los cuatro modos posibles de disparo.

     Modo I  +: Terminal T2 positivo respecto a T1 

    Intensidad de puerta entrante.

    Funcionan las capas P1 N1P2 N2 como tiristor. La corriente de puerta circula internamente hasta T1,

    en parte por la unión P2 N2 y en parte a través de la zona P2 (Figura 3.4.b).

    Se produce la natural inyección de electrones de N2 a P2, que es favoreciera en el área próxima a la puerta por la caída de tensión que produce en P2  la circulación lateral de corriente de puerta. Esta

    caída de tensión se ha simbolizado en la figura por signos + y -.

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    Parte de los electrones inyectados alcanzan por difusión la unión P2 N1, que bloquea el potencial

    exterior, y son acelerados por ella iniciándose la conducción.

    figuira

     Modo I   - : Terminal T2 positiva respecto a T1

    Intensidad de puerta saliente.

    El disparo es similar al de los llamados tiristores de puerta de unión. Inicialmente conduce la

    estructura auxiliar P1 N1P2 N3 y luego la principal P1 N1P2 N2. Figura 3.5 a y c

    El disparo de la primera se produce como en un tiristor normal actuando T1 de puerta y P de

    cátodo. Toda la estructura auxiliar se pone a la tensión positiva de T2 y polariza fuertemente la

    unión P2 N2  que inyecta electrones hacia el área de potencial positivo. La unión P2 N1  de la

    estructura principal, que soporta la tensión exterior, es invadida por electrones en la vecindad de laestructura auxiliar, entrando en conducción. Figura 3.6 a y c

     Modo III  + : Terminal T2 negativo respecto a T1.

    Intensidad de puerta entrante.

    El disparo tiene lugar por el procedimiento llamado de puerta remota. Entra en conducción la

    estructura P2 N1P1 N4. Figura 3.7

    La inyección de electrones de N2 a P2 es igual a la descripta en el modo I +.

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    Los que alcanzan por difusión la unión P2 N1 son absorbidos por su potencial de unión, haciéndose

    mas conductora. El potencial positivo de puerta polariza mas positiva el área de la unión P2 N1 

    Próxima a ella, provocándose una inyección de huecos desde P 2 a N1 que alcanza en parte la unión

     N1P1 encargada de bloquear la tensión exterior y se produce la entrada en conducción.

     Modo III  - : Terminal T2 negativo respecto a T1.

    Intensidad de puerta saliente.

    También se dispara por el procedimiento de puerta remota, conduciendo las capas P2 N1P1 N4.

    La capa N3  inyecta electrones en P2 que hacen más conductora la unión P2 N1. La tensión

     positiva de T1 polariza el área próxima de la unión P2 N1 mas positiva que la próxima a la puerta.

    Esta polarización inyecta huecos de P2 a N1 que alcanzan en parte de la unión N1P1 y la hacen pasara conducción. Figura 3.8

    Los cuatro modos de disparo descriptos tienen diferente sensibilidad, siendo los modos I + y

    III - los modos más sensibles, seguidos de cerca por I -. El modo III + es el disparo más difícil ydebe evitarse su empleo en lo posible, por ser justamente un método no seguro.

    El fabricante proporciona datos de características eléctricas en bloqueo, conducción y de

    disparo por puerta de forma similar a lo explicado para el tiristor.

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    En algunos manuales indican cual es la corriente para cada uno de los distintos disparos, a

    continuación se muestra para el BTA30-800CW3G.

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    La figura de Definiciones de los cuadrantes no es la misma que la que utilizamos, puesto que sus

    ejes están referidos la corriente de compuerta

    Construcción y encapsulado 

    La pastilla se fabrica a partir de un substrato tipo N mediante un proceso de dopados sucesivossimilar al empleado en los tiristores. Se utilizan máscaras para el dopado selectivo de las áreas que

    darán lugar a las zonas N2, N3 y N4. En la figura 4 puede verse una pastilla seccionada por un plano

    diametral. El espesor se ha exagerado a los fines didácticos.

    La cápsula también es igual a la empleada en los tiristores. El tipo escogido depende de la

    intensidad nominal del Triac. El encapsulado metálico de tornillo representado en la figura 4 se

    emplea en toda la gama de 5 a 100 A eficaces. Para aplicaciones de gran consumo se usó bastanteuna cápsula metálica como la de la figura 5 que se fija al disipador introduciéndolo a presión en un

    taladro de diámetro algo menor al de la cápsula. El sistema se adapta bien al montaje de grandes

    series con útiles especiales y se emplea en triacs de 10 a 25 A eficaces, así como en diodos y

    tiristores de intensidad parecida. Actualmente se emplea mucho la cápsula TO –  220 en triacs de 6

    a 15 A y la TO-3 de 25 a 40 Amperes.

    Rapidez en el Aumento de la Corriente (di/dt) Cuando un triac se enciende aplicando un pulso de disparo de compuerta, la conducción no se

     produce instantáneamente en toda la pastilla. La circulación inicial de corriente está concentrada en

    regiones muy pequeñas cercanas al contacto de compuerta. Se requiere un intervalo de tiempo

     breve para que la corriente se difunda lo suficiente para que toda la pastilla este conduciendo. Si la

    rapidez con la que la corriente de carga aumenta, es elevada en comparación con la rapidez que se

    difunde la corriente lateralmente a través de la pastilla, se concentrará considerable energía en la

    regiones de encendido, pudiéndose desarrollarse regiones de alta temperatura localizada (puntos

    calientes). Estos puntos calientes pueden afectar adversamente las demás características del triac, o

    en casos extremos, causar daño permanente en la pastilla semiconductor. Por estas razones los

    fabricantes de triac, especifican generalmente un valor límite de aumento de estado ON para estos

     productos.

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    La forma de onda para probar la capacidad di/dt es la siguiente:

    Estos valores se especifican para un valor determinado de corriente de compuerta.

    Por ejemplo para el BTA140B600, tiene una di/dtmax =50 A/s, para una IG = 200 mA y unaIA = 30A

    Rapidez en el aumento de la tensión (dv/dt) El triac puede sufrir la aplicación de una tensión brusca en sus terminales T1 y T2. Los orígenes de

    estas tensiones son diversos, a modo de ejemplo podríamos citar algunos: salida de servicio de un

    Trafo en la cercanías del sistema de potencia, desconexión de otra carga inductiva (motores), cierre

    de una llave con carga capacitiva o regenerativa, etc. Si este aumento de tensión en el tiempo

    (dv/dt), excede el régimen del dispositivo, el triac puede pasar del estado OFF al estado ON en

    ausencia de una corriente de compuerta. Esta conmutación es causada por la capacitancia interna

    del triac. Una tensión que aumenta rápidamente, en los terminales principales del dispositivo, hace

     pasar una corriente de carga de capacitancia a través del dispositivo. Esta corriente de carga

    dt 

    dvC i   .  es una función del aumento de la tensión de estado OFF aplicada, la corriente de carga de

    capacitancia excede la corriente de disparo de compuerta y produce el encendido del dispositivo. Elfuncionamiento a temperaturas de juntura elevadas reduce la aptitud del triac para soportar una

    tensión en rápido aumento (dv/dt alta) porque se requiere menor corriente de compuerta para el

    encendido. El efecto de la temperatura en dv/dt en el estado OFF se ve en la siguiente figura:

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    MÉTODOS DE DISPARO PARA TRIACS:

    Circuitos RC de control de puerta El circuito de disparo más simple para un triac se muestra en la figura 8, en la misma el

    condensador C se carga a través de R 1  y R 2 durante la porción del semiciclo correspondiente al

    ángulo de disparo. Durante el semiciclo positivo, MT2 es positivo respecto de MT1, y C se cargacon el positivo en su placa superior. Cuando el voltaje en C es lo suficientemente grande para

    entregar a través de R 3 la corriente de puerta (IGT) necesaria para disparar el triac, el triac se dispara

    o ceba. 

    Durante el hemiciclo negativo, C se carga con el negativo en su placa superior.

     Nuevamente, cuando el voltaje a través del condensador es lo suficiente para entregar a través de R 3 

    la corriente necesaria de puerta en la dirección inversa para disparar el triac, el triac se ceba.

    La velocidad de carga del condensador C se ajusta por medio de la resistencia variable R 2.

    Con una R 2 grande, la velocidad de carga es lenta, produciendo un ángulo de disparo grande y un

     promedio de corriente en la carga pequeña. Si hacemos R 2  de pequeño valor, C se cargara

    rápidamente, haciendo que la disponibilidad de corriente sea menor, lo cual nos da como resultado

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    que el triac se cebara en un corto tiempo (ángulo de disparo pequeño), haciendo la corriente

     promedio en la carga mayor que en el caso anterior.

    Al igual que con los circuitos de disparo para los SCR, una red RC simple no puede retardar

    el disparo de un Triac muy por encima de los 90º. Para establecer un rango de ajuste amplio del

    ángulo de disparo, la red RC doble de la figura 9 es la mas utilizada.Uno de los inconvenientes de este sistema es la no repetibilidad de los eventos, por ello

    existen otros métodos de disparo que más adelante veremos.

    Circuitos con DIAC para control de puerta:Uno elemento interesante desde el punto de vista del disparo del triac es el DIAC.

    El DIAC (diodo de disparo bidireccional de silicio), cuya curva característica podemos ver en la

    figura 8

    La curva muestra que para voltajes aplicados en sentido directo menores que el voltaje de

    ruptura directo (+VBO), el DIAC prácticamente no permite flujo de corriente. Una vez alcanzado

    el voltaje de ruptura directo, el diac, conmuta a conducción y la corriente aumenta rápidamente a la

    vez que el voltaje a través de los terminales disminuye. Este aumento rápido de la corriente en la

    curva característica explica la habilidad del diac para producir pulsos de corriente, lo cual nos sirve

     para el disparo de Triacs o de Tiristores.

    En la región de voltaje negativo, la operación es idéntica. Cuando el voltaje aplicado en

    sentido inverso es menor que el voltaje inverso de ruptura (-VBO) el diac no permite flujo de

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    corriente. Cuando el voltaje aplicado alcanza – VBO, el diac conmuta a conducción en la dirección

    opuesta.

    Los diacs se fabrican de manera que son relativamente estables con la temperatura y tienen

    una pequeña tolerancia en los voltajes de ruptura. Hay una pequeñisima diferencia entre los valores

    del voltaje de ruptura directo y el voltaje de ruptura inverso en un diac. La diferencia típica esmenor que 1 volt. Esto permite que el circuito de disparo mantenga prácticamente iguales los

    ángulos de disparo en ambos semiciclos de la fuente AC.

    El funcionamiento del circuito de la figura 11 es igual al de la figura 8 con excepción que el

    voltaje en el condensador debe aumentar hasta alcanzar el voltaje de ruptura del diac para poder

    entregar corriente de puerta al triac. Para un diac, el voltaje de ruptura sería bastante mas alto que

    el necesario en la figura 8. El valor más popular del voltaje de ruptura para los diacs es 32 V (+

    VBO = +32 V,

    -VBO = - 32 V. Por tanto cuando el voltaje en el condensador llega a 32 V, en cualquiera de las

     polaridades, el diac se dispara, entregando el pulso de corriente para Conducción a la puerta del

    triac. Dado que el voltaje del condensador debe alcanzar un valor mas alto cuando se utiliza un

    diac, la constante de tiempo de carga debe reducirse. Esto significa que la figura 11 deberá tenercomponentes de valor más pequeño (los valores de resistencias y capacidades) que los de la figura

    9.

    Teoría y operación de un SBS: Hay otro dispositivo de disparo el cual es capaz de disparar los triacs. Su nombre es el interruptor

     bilateral de silicio (Silicon Bilateral Switch), y es popular en circuitos de control de bajo voltaje.

    Los SBS tienen un voltaje de ruptura menor que el de los diacs, es valor más común es ± 8 V. La

    curva característica voltaje-corriente de un SBS es similar a la del diac, pero el SBS tiene una

    región de “resistencia negativa” más pronunciada. Es decir, su declinación en voltaje-corriente es

    más drástica después que entra en el estado de conducción  n. La figura 12 muestra

    esquemáticamente un SBS. Su curva característica voltaje-corriente se muestra en la figura 13.

     Nótese que cuando el SBS conmuta al estado de conducción el voltaje a través de sus ánodos cae

    casi a cero (del orden de 1 V). Se dice que el SBS tiene un voltaje de descenso de 7 V, porque el

    voltaje entre A2 y A1 decrece en casi 7 V cuando entra en Conducción.

    La curva característica de la figura 13 es para cuando el terminal de puerta del SBS esté

    desconectado. El terminal de puerta puede utilizarse para alterar la operación básica voltaje-

    corriente de un SBS, como lo veremos enseguida. Sin embargo, el SBS es bastante útil aun sin su

    terminal de puerta, debido a su virtud de ruptura drástica de A2 a A1.

    Para utilizar un SBS sin su terminal de puerta, éste debe instalarse en lugar del diac de la

    figura 11. Debido al bajo VBO  del SBS, los componentes de tiempo de la res RC tendrán queaumentarse en valor. SE preguntará por que se quiere utilizar un SBS en un circuito de control en

    lugar de un Diac. Bien, en términos generales el SBS es un dispositivo superior comparado con el

    diac. El SBS no solamente presenta unas características de conmutación más vigorosas, como lo

    indica la figura 13, sino que el SBS es más estable con temperaturas y más simétrico y presenta una

    dispersión de grupo menor que la del diac.

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    Para decirlo con números, un SBS actualmente tiene un coeficiente de temperatura del orden

    de +0,02% /ºC. Esto significa que su VBO, aumenta en solamente 0,02% por grado centígrado de

    cambio de temperatura, lo cual significa solamente una variación de 0,16 V /100 ºC, que es un

    índice de muy buena estabilidad térmica.

    Los SBS son simétricos con un margen de casi 0,3 V. Es decir, la diferencia en magnitud entre +VBO y –  VBO es menor que 0,3 V Esto prácticamente proporciona ángulos de disparo idénticos en

    los semiciclos positivo y negativo.

    La variación de grupo que presentan los SBS es menor que 0,1 V. Esto significa que la diferencia

    en VBO entre todos los SBS de un mismo grupo es menor que 0,1 V. En contraste, la variación de

    grupo de los diacs es del orden de 4 V.

    El terminal de puerta de un SBS puede utilizarse para alterar su operación básica de disparo.

    Por ejemplo, si se conecta un diodo zener entre G y A1, como se indica en la figura 14.

    El voltaje directo de disparo (+VBO) cambia aproximadamente al Vz del diodo zener. Con

    un diodo zener de 3,3 V conectado, +VBO, será igual a 3,3 V + 0,6 V (hay una unión pn interna).

    Esto dará:

    + VBO = 3,9 V.

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    El voltaje de disparo inverso no será afectado y permanecerá en  – 8 V. Este modo de operación sería

    útil si se deseara obtener ángulos de disparo diferentes para los semiciclos positivo y negativo (lo

    cual no es muy usual).

    Eliminación de la histéresis del triac con un SBS.Una de las cosas más importantes acerca de la utilización de un SBS con terminal de puerta en los

    circuitos de disparo de triacs es que puede eliminar el efecto de histéresis o centelleo. Entendamos

     primero en que consiste el problema de histeresis. La explicación de la histeresis es un poco

    complicada, así que veámosla.

    Refirámonos a la figura 11. Supongamos que R 2  está ajustada de tal forma que C no puede

    descargarse completamente a los 32V en ninguna de las dos direcciones. Es este caso, el diac nunca

    se disparará y la carga estará completamente desenergizada. Si la carga fuese almacenada, siempre

    comienza un semiciclo con una carga residual de la polaridad contraria. Es decir cuando comienza

    un semiciclo positivo de la fuente AC, la carga inicial en C es tal que su placa superior es negativa y

    la inferior positiva; esta carga ha sido dejada por el semiciclo negativo precedente. Igualmente,

    cuando comienza un semiciclo negativo de la fuente de la fuente AC, la carga inicial en C es tal quesu placa superior es positiva y la inferior negativa, dejada por el semiciclo precedente. El efecto de

    esta carga inicial es que el condensador tomará más tiempo en cargarse al voltaje de disparo del

    diac.

    Supongamos ahora que hacemos decrecer lentamente el valor de R 2  hasta cuando el

    condensador escasamente se cargue al VBO del diac. Asumamos que la primera ruptura ocurre en el

    semiciclo positivo (da lo mismo que ocurra en el semiciclo positivo o negativo). Cuando el diac se

    dispara, descarga parte de la carga + que se ha almacenado en la placa superior de C. El camino de

    descarga es a través del circuito de G a MT1 del triac. Durante el resto del semiciclo positivo, no se

    sucede más carga de C, porque el triac cortocircuita la totalidad del circuito de disparo cuando entra

    en Conducción. Por tanto cuando termina el semiciclo positivo, comienza el próximo semiciclo

    negativo y la carga + inicial en la placa superior de C es menor de lo que fue para los semiciclos

    negativos precedentes. Esta vez el condensador tiene un “arranque rápido”, a la vez que intenta

    cargarse a –  VBO.

    Debido a este arranque rápido, C alcanzará el valor -VBO  mas temprano en el semiciclo

    negativo que para el caso de + VBO, en el precedente semiciclo positivo. Además dado que C

     perderá parte de la carga  –   de su placa superior cuando el diac se dispare durante el semiciclo

    negativo, comenzará el próximo semiciclo positivo con menos carga inicial que antes. Por tanto se

    disparará mas temprano en el próximo semiciclo positivo.

    El resultado total de este fenómeno es: Podemos ajustar el valor de R 2 para escasamente cebar altriac, esperando obtener una luz muy tenue de la lámpara, pero tan pronto se sucede el primer

    cebado, todos los cebados siguientes se suceden más temprano en el semiciclo. Es imposibleobtener un ajuste fino desde la condición de apagado completa a la condición de encendido tenue.

    En lugar de esto, la lámpara centellea.

    Lo que se puede hacer, una vez que la lámpara se ha encendido, es reajustar la resistencia R 2 a un

    valor más alto para retardar el disparo del diac un poco más en el semiciclo. En otras palabras,

    debemos girar el potenciómetro hacia atrás para poder obtener una luz verdaderamente tenue. Esto

    se puede demostrar con casi cualquier atenuador luminoso comercial en casa.

    Lo que tenemos aquí es una situación en la cual un mismo valor dado de R 2 pude producir

    dos resultados completamente distintos de circuito, dependiendo de la dirección en la cual R 2 

    cambien. Este fenómeno ocurre con bastante frecuencia en electrónica y de hecho, en la naturaleza.

    Su nombre es histéresis. El centelleo de un triac es un ejemplo específico de histéresis.

    La histéresis del triac puede eliminarse casi completamente con el circuito de la figura 16.Para entender como funciona, investiguemos la operación de SBS cuando fluye una pequeña

    cantidad de corriente por su terminal de puerta. Refirámonos a las figuras 17 y 18.

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    La figura 17 muestra una resistencia R colocada en el terminal de puerta de un SBS y una

    cierta cantidad de corriente, IG, fluyendo de A2 a G. Esto implica que el voltaje aplicado a la

    resistencia es negativo respecto a A2.

    Si fluye una pequeña corriente de puerta entre A2 y G, la característica de ruptura directa se cambia

    drásticamente. El voltaje +VBO cae casi a 1 V, como se muestra en la figura 18. Esto significa queel SBS se disparará tan pronto como el voltaje de A2 a A1 alcance 1V. Como muestra la curva –  

    VBO no es afectado por la corriente de puerta de A2 a G.

    Miremos ahora la figura 16. Supongamos que R 2  está ajustada de tal manera que el

    condensador no puede alcanzar los ± 8V para disparar el SBS. El triac no se cebará, y la lampara

    estará apagada.

    Durante el semiciclo positivo, C se

    cargará con el positivo en su placa

    superior y el negativo en la inferior.

    Veamos ahora que sucede cuando la

    fuente AC completa el semiciclo

     positivo y se aproxima a 0 V.Cuando la línea superior de la fuente

    es cercana a cero con relación a la

    línea inferior, esto significa que el

    extremo superior de R 3 es cercano a

    cero voltios con relación al extremo

    inferior de C. Sin embargo, el

    extremo superior de C es positivo

    respecto a su extremo inferior es

    este instante, porque el condensador

    está cargado. Por tanto hay un

    voltaje aplicado entre A2 y el extremo superior de R 3; este voltaje es positivo en A2 y negativo en

    el extremo superior de R 2. El diodo D1 queda polarizado directamente y permite que fluya una

     pequeña corriente de puerta al SBS. El camino es hacia el SBS por A2 y fuera de este por G, a

    través de D1, y a través de R 3. Con esta pequeña corriente de puerta IG, aún con un pequeño voltaje

    directo de A2 a A1 el SBS se dispara, vacía la carga del condensador a través de R 4. Por tanto el

    semiciclo negativo de la fuente AC comienza con el condensador descargado casi por completo. El

    resultado total es que el condensador comenzará a cargarse con la misma carga inicial (casi cero)

    independiente de sí el triac se ha cebado o no. Por tanto se elimina la histéresis del triac.

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