TRIAC

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Dieser Artikel versteht sich als Unterpunkt zum Artikel Leistungselektronik.


Ein Triac ist ein Schalter, der – einmal "gezündet" (angesteuert) – auch ohne weitere Ansteuerung in einem leitenden Zustand bleibt, bis der im Datenblatt spezifizierte "Haltestrom" unterschritten wird. Bei Wechselspannung ist dies spätetens im Nulldurchgang des Stroms der Fall.

Schematische Darstellung eines TRIAC mit den drei Anschlüssen A1 (Anode 1), A2 (Anode 2) und G (Gate

Einleitung

Ein TRIAC besteht vereinfacht gesagt aus der Zusammenschaltung von zwei Thyristoren. Damit können beide Polaritäten der Wechselspannung geschaltet werden. Real besteht der Triac nicht einfach aus zwei antiparallel geschalteten Thyristoren, daher ist sein Aufbau leicht asymmetrisch. Als Folge davon erfolgt die Zündung des Triacs stets zwischen G und A1. Die Höhe des erforderlichen Zündstromes ist dem Datenblatt zu entnehmen.

Vorteile eines TRIAC

  • beide Polaritäten - also Wechselspannung - mit einem Bauteil schaltbar, im Gegensatz zum Thyristor/FET/IGBT
  • Betriebsspannungen bis ca. 1kV möglich.
  • Verlustleistung ist proportional zum Strom (I*V_AK).
  • hohe Überlastfähigkeit für kurze Pulse.
  • mit kurzen Ansteuerpulsen schaltbar.
  • relativ einfache Art der Leistungsregelung in einem Wechselspannungssystem bei rein ohmschen Lasten.

Nachteile eines TRIAC

  • Empfindlich auf hohes dU/dt (Spannungsanstiegsgeschwindigkeit), ungewünschtes Wiederzünden (Über-Kopf-Zünden) und Zerstörung des Bauteiles möglich. Betrifft Ausschaltmoment für induktive Lasten. Der dazu verwendete Snubber darf nur bei „snubberless“-Typen entfallen. Eine niederohmige Verbindung zwischen Gate und A1 verringert die Empfindlichkeit, daher sind snubberless- und leistungsstarke Typen mit einem integrierten Widerstand (um 100 Ω) ausgestattet und erfordern dementsprechend höhere Zündströme. Das beißt sich mit Logik-Level-Typen (Zündstrom ≤ 10 mA).
  • Empfindlich auf hohes dI/dt (Stromanstiegsgeschwindigkeit), Zerstörung des Bauteiles möglich. Betrifft Einschaltmoment für ohmsche Lasten.
  • Nicht für kapazitive Lasten einsetzbar. Das sind typischerweise nicht-dimmbare Energiespar- und LED-Lampen.
  • Nur mit sehr großem Zusatzaufwand abschaltbar. Dieses Problem wird heutzutage durch Ersatz des Triacs durch MOSFETs oder IGBTs gelöst.
  • Hohes Störpotenzial ab 100 Hz, daher aufwendige Funkentstörmaßnahmen erforderlich (Längsdrossel, Enstörkondensator).
  • Eine Sicherung mit zu dem Triac passenden I²t muss ausgewählt werden.

Nomenklatur

Bestimmte Eigenschaften werden vom Hersteller gesondert beworben:

  • Logik-kompatibel = geringer Zündstrom, typisch ≤ 10 mA. Üblich sind sonst bis zu 50 mA.
  • snubberless (dt: „ohne Snubber“) = hohe zulässige Spannungsanstiegsgeschwindigkeit, die durch parasitäre Kapazitäten hinreichend bedämpft wird. Bei Vorschaltung eines Optotriacs muss auch jener „snubberless“ sein, um auf den Snubber komplett verzichten zu können!
  • eigensicher = Überkopfzündung durch zu hohe Spannungsanstiegsgeschwindigkeit dU/dt und/oder zu hohe Spannung U explizit erlaubt. Der Varistor darf eingespart werden, und ein vorgeschalteter Optotriac gleicher Spannungsbelastbarkeit wird mit geschützt.
  • Vierquadranten-steuerbar = Für den Betrieb mit stets positivem Gatestrom optimiert (Mikrocontroller-GND an A1 möglich)
  • Isolierter Tab = innere Isolation der Kühlfahne gegen A2. Keine Isolierzwischenlage am geerdetem Kühlkörper erforderlich

Hinweis: Eigensicher ist nicht gleichzeitig snubberless! Allzu häufiges unerwünschtes Überkopfzünden muss man dann trotzdem mit einem Snubber begegnen.

Einsatzmöglichkeiten

Ein Triac wird hauptsächlich für Phasenanschnittsteuerungen im 230V Netz eingesetzt. Der EINschaltvorgang erfolgt nicht im Nulldurchgang der Spannung: Bei der Phasenanschnittsteuerung wird der Strom während der Halbwelle ein- und zum nächsten Nulldurchgang des Stroms abgeschaltet.

Bei der Phasenabschnittsteuerung wird der Strom im Nulldurchgang ein- und noch vor dem nächsten Nulldurchgang abgeschaltet. Da eine vorzeitige Abschaltung eines TRIACs jedoch nur mit einem deutlich größeren Aufwand möglich ist, werden für solche Schaltungen heute meist MOSFETs oder IGBTs genutzt.


Vorsicht
Mit einfacher "RC-Diac-Standardansteuerung" absolut ungeeignet für elektronische Transformatoren bzw. Spannungswandler, Leuchtstoff- oder Energiesparlampen. Für diese Anwendungen sollte ein speziell darauf zugeschnittener Ansteuerbaustein verwendet werden.

Gate-Ansteuerung

Für fast alle Triacs gilt: Es sind entweder nur 3 Zündquadranten definiert oder der vierte mit deutlich höherem Zündstrom. Der Fall negative Spannung an A2 und positive an G gegenüber A1 ist bereits prinzipbedingt der ungünstigste. Daher arbeiten alle bekannten Gate-Ansteuerungen:

  • Mit gleicher Polarität von A2 und G. Das betrifft alle einfachen RC-Dimmer sowie das Vorschalten eines Optotriacs
  • Mit negativer Polarität an G. Das betrifft alle netzverbundenen Phasenanschnitt-Steuerungen, inklusive eigene netzverbundene Mikrocontroller-Schaltungen. Daher wird hier stets UCC an A1 gelegt und GND an –5V.

Phasenanschnittsteuerung

Beispiel für ein Phasenanschnittsteuerung mit Triac & Optotriac

Integrierte Ansteuerbausteine

Die Ansteuerung eines TRIAC im Phasenanschnitt, mit oder ohne Mikrocontroller, wird durch integrierte Ansteuerbausteine ohne Nullspannungsschalter vereinfacht.

Der sogenannte Optotriac beinhaltet eine optische Trennstrecke und einen TRIAC für geringe Leistungen. Mit diesem Bauteil wird dann der Leistungs-TRIAC gezündet. Der Nutzer muß sich hier nur mehr um die „Zündung“ des Optotriacs nebst Randbeschaltung kümmern. Der Baustein selbst zündet den Haupt-TRIAC nur wenige Mikrosekunden später.

Integrierte Ansteuerbausteine mit optischer Isolation (ohne Nullspannungsschalter)
Bezeichnung Spannungsfestigkeit
max.
Verwendbarkeit erforderlicher
LED Triggerstrom
MOC3009 3010, 3012, 3012 250 V Nur für 120 V~ geeignet! 30, 15, 10, 5 mA
MOC3020 3021, 3022, 3023 400 V Für 230 V~ und ohmsche Last 30, 15, 10, 5 mA
MOC3051, 3052 600 V Allgemein für 230V~ 15, 10 mA
MOC3071, 3072 800 V Für 400 V~ oder 230V~ an induktiver Last 15, 10 mA
IS6005 400 V billig, kleiner Triggerstrom 5mA
VOM160NT 600 V sehr klein, SMD 5mA

Betrieb mit ohmscher Last

Bei jedem Einschaltvorgang nicht im Nulldurchgang springt der Strom von Null auf den Elongationswert mit einer hohen Netzrückwirkung durch die hohe Stromänderungsgeschwindigkeit. Dieses dI/dt löst an parasitären Induktivitäten einen entsprechend hohen Selbstinduktionsspannungspuls (dU=-L*dI/dt) aus, der den Triac zerstören kann. Weitere Auswirkungen sind ein gestörter Radioempfang und gegebenenfalls ein Besuch der Rundfunkbehörde. Die Netzfilterung ist vergleichsweise aufwändig.

Betrieb mit induktiver Last

Der Einschaltvorgang ist sanft und störarm, da der Strom nicht springen kann. Der Gatestrom muss länger anliegen: Solange bis der Haltestrom überschritten wurde. Bei Abschalten im Strom-Nulldurchgang springt die Spannung am Triac schlagartig auf die Netzspannung. Sind (parasitäre) Kapazitäten vorhanden, können diese Spannungsspitzen auch höher als die Netzspannung sein. Das betrifft vor allem drehrichtungssteuerbare Kondensatormotoren wie solche in Rollläden. Dieses dU/dt bewirkt über die Miller-Kapazität von A2 nach G das Wiederzünden, das sogenannte Überkopfzünden des Triacs, was diesen im Regelfall zerstört. (Es gibt auch eigensichere Typen.)

Der übermäßige Spannungsanstieg muss mit einem Snubber reduziert werden: Eine Reihenschaltung aus R (typ. 100 Ω) und C (typ. 47 nF in voller Spannungshöhe) parallel zum Triac A2 und A1.

Die Netzfilterung gegen Funkstörungen ist weniger aufwändig, da nur hochfrequente Komponenten ausgesiebt werden müssen. Niederfrequente Störungen werden von der Last gefiltert.

Vollwellensteuerung

Auch Schwingungspaketsteuerung genannt.
Beide Schaltvorgänge erfolgen im Nulldurchgang, d.h. hier wird sowohl im Nulldurchgang ein- und ausgeschaltet.

Diese Art der Ansteuerung eignet sich gut für jede Art von Heizvorgängen oder aber als Ersatz für einen elektronischen Schalter (Solid State Relais). Es gibt noch eine Unterscheidung zwischen Vollwellen- und Halbwellen-Steuerung: Bei größeren Leistungen führt die Halbwellensteuerung zu Unsymmetrie im Dreiphasen-Netz und sollte vermieden werden. Die meisten Energieversorger haben auch entsprechende Vorschriften. Die Vollwellensteuerung bringt sonst praktisch keinen weiteren Vorteil zur Halbwellensteuerung.

Vorteil

  • Vernachlässigbare Funkstörungen, geringe Netzrückwirkungen. Für sehr große Lasten sind Höchstfrequenzen einzuhalten, um periodisch-nervige Helligkeitsänderungen beim Nachbarn zu vermeiden. Mit einer Periodendauer von 1 s ist man bei einer entsprechend trägen Heizung auf der sicheren Seite, und man kann die mittlere Heizleistung in 50 (Vollwellen) oder 100 (Halbwellen) Stufen festlegen.

Nachteil

  • Nicht geeignet zur Leistungsregelung von Trafos, Motoren oder Beleuchtungskörpern

Integrierte Ansteuerbausteine

Die Ansteuerung eines TRIAC in Halb- bzw. Vollwellensteuerung wird durch die nachfolgend aufgelisteten, integrierten Ansteuerbausteine mit Nullspannungsschalter deutlich erleichtert.

Integrierte Ansteuerbausteine mit optischer Isolation (mit Nullspannungsschalter)
Bezeichnung Spannungsfestigkeit
max.
Verwendbarkeit erforderlicher
LED Triggerstrom
MOC3041, 3042, 3043 400 V knapp geeignet für 230V~ 15, 10, 5 mA
MOC3061, 3062, 3063 600 V gut geeignet für 230V~ 15, 10, 5 mA
MOC3081, 3082, 3083 800 V gut geeignet für 400V~ 15, 10, 5 mA

Beispiel Vollwellensteuerung

Beispiel für ein Vollwellenansteuerung mit Triac & Optotriac.
Achtung: Optotriac durch einen mit Nullspannungsschalter ersetzen.

Bauteileauswahl

Bei der Auswahl der Bauteile ist darauf zu achten, dass das jeweilige Bauteil auch für die anliegende Spannung zugelassen ist. Kleinere Bauformen - sowohl bedrahtet, als auch SMD bis incl. 0204 - sind nur bis zu max. 200V zugelassen, daher auch die zwei Widerstände in Serienschaltung (R2+R3). Das zieht sich durch alle Bauteile. Ein 400-V-Triac ist ohne Schutzmaßnahmen nicht für 230 Veff = 325 Vpk geeignet, da im Netz immer Spannungsspitzen aus verschiedensten Quellen auftreten. Grundsätzlich ist parallel zu jedem Triac ein 275-V-Varistor sehr empfehlenswert. Dabei ist darauf zu achten, daß der Varistor vom Netz her gesehen NACH der Sicherung kommt, da Varistoren im Fehlerfall sehr hohe Temperaturen erreichen können und von der Sicherung „abgeschaltet“ werden müssen. Genauso wichtig ist, dass der Snubber-Kondensator unbedingt vom Typ „X2“ sein muss.

Stolperstein: Die Spannungsangabe von Triacs und Suppressordioden bezieht sich auf die Scheitelspannung, die von Varistoren auf den Effektivwert.

Crow-Bar

Ein weiterer Anwendungsfall ist der Einsatz als Schutzelement. Der Triac wird hierbei nach einer Sicherung zwischen die Versorgungsspannungsanschlüsse geschaltet und im Fehlerfall (Überspannung oder Verpolung) ausgelöst. Dabei wird die Ein- bzw. Ausgangsspannung „hart“ kurzgeschlossen, die Sicherung ausgelöst und damit eine Schaltung vor zu hoher oder falscher Betriebsspannung geschützt.

Dabei wird ausgenutzt, dass Thyristoren und Triacs einen zehnfach höheren Spitzenstrom vertragen, wenn dieser nur kurz genug ist. Genaueres siehe Datenblatt.

Ist ein Vollkurzschluss unerwünscht, schaltet man in Reihe zu A2 einen Widerstand. Häufig dient dazu eine billige Quarzglas-Halogenstablampe. Sie hat zweckmäßigerweise einen positiven Temperaturkoeffizienten, und man sieht den Schutzfall deutlich durch Aufleuchten.

Siehe auch

Weblinks