Thyristors, triacs, opto-triacs et diacs

Le thyristor est un élément semi-conducteur assez similaire à la diode à jonction, utilisée pour le redressement du courant alternatif. Comme la diode, il laisse passer le courant électrique dans un seul sens, de l’anode (A) à la cathode (K). Cependant, le thyristor possède une troisième électrode: la gâchette (G, en anglais gate). Le thyristor ne conduira que si un courant minimum et positif est fourni à la gâchette.

On pourrait résumer en disant que le thyristor est une diode commandée et plus précisément une diode de redressement commandée. En anglais, il est désigné par l'acronyme SCR, pour Silicon Controlled Rectifier (redresseur commandé au silicium).

Le thyristor est un semi-conducteur constitué d'un sandwich de quatre couches de silicium, alternativement P et N. Il existe en modèles de faible, moyenne ou forte puissance.

Le thyristor ne conduit, on l'a vu, que lorsqu'il est "amorçé". L’amorçage, par le courant de gâchette, peut se faire en courant continu. Il suffit de fermer l’interrupteur de commande pendant un court instant pour obtenir un courant de gâchette de faible valeur. A partir de ce moment le thyristor s’amorce (on dit en anglais qu'il est on state) et reste amorcé, même après ouverture de l’interrupteur. Dans la pratique, l'interrupteur est souvent un générateur d’impulsions.

On désamorce le thyristor en faisant chuter la tension anode-cathode: dès que le courant descend en dessous du courant de maintien, le thyristor ne conduit plus (on dit en anglais qu'il est off state).

Caractéristique d'un thyristor. Pour le rendre conducteur (on state), on doit d'abord lui injecter un courant de gâchette suffisant. Ensuite, tant que le courant dans la charge reste supérieur à I_L (L pour latch, verrou), et même en l'absence de courant de gâchette, le thyristor continue de conduire. Pour le bloquer, le courant dans la charge doit descendre sous une valeur I_H (H pour hold, maintien) pendant un temps suffisant. Comparez la caractéristique du thyristor avec celle d'une diode.

Le thyristor est utilisé en continu ou en alternatif dans les circuits électroniques et électrotechniques de puissance. On y a recours notamment pour faire varier la vitesse des moteurs à courant continu (par exemple, sur certaines locomotives).

Le triac (TRIode Alternating Current, en anglais) est un dispositif semi-conducteur à trois électrodes qui autorise la mise en conduction et le blocage des deux alternances d'une tension alternative, en général celle du secteur 230 V. Le triac peut passer d'un état bloqué à un régime conducteur dans les deux sens de polarisation, et repasser à l'état bloqué par inversion de tension (passage par le "zéro secteur", zero crossing en anglais) ou par diminution de la valeur du courant de maintien.

Par analogie (et d'ailleurs le symbole le suggère), on pourrait dire qu'un triac est constitué de deux thyristors montés "tête-bêche", en anti-parallèle.

Les trois électrodes du triac sont dénommées gâchette (électrode de commande, appelée gate en anglais), et A1 et A2 (pour Anodes 1 et 2) ou, en anglais, MT1 et MT2 (Main Terminals). Ces deux dernières électrodes assurent la conduction principale.

Le principe de fonctionnement du triac est (très schématiquement) le suivant: un courant de commande très faible (environ 50 mA) déclenche le triac, qui reste amorcé jusqu'au passage par zéro de la sinusoïdale secteur. La puissance fournie à la charge est maximale lorsque le déclenchement a lieu juste après le passage par zéro de la tension alternative, mais en retardant l'impulsion de déclenchement, on peut faire varier à volonté l'intensité appliquée à la charge.

Caractéristique d'un triac. Contrairement au thyristor, on voit que le triac peut conduire dans les deux sens de polarisation.

Le triac est avant tout destiné à piloter des charges raccordées au secteur 230 V, par exemple une ampoule (charge non-inductive) ou un moteur électrique (charge inductive). Il permet de réaliser des gradateurs (variateurs) de lumière, des variateurs de vitesse pour les moteurs des appareils électro-ménagers ou de bricolage; il permet aussi, associé à un capteur (photorésistance...) de commander un dispositif de commutation ou de régulation (chauffage, électrovanne...) par ouverture ou fermeture du circuit. Les applications, on le voit, sont diverses et nombreuses.

Attention! Il convient d'insister sur le fait que le triac, même s'il est d'un fonctionnement très sûr, est un composant à manipuler avec de grandes précautions, dans la mesure où il est relié au secteur. Dès qu'un montage est relié au secteur, pensez sécurité!

Voici un extrait de la fiche technique (en anglais, une fois de plus...) d'un modèle de triac très répandu:

Triac BTA/BTB08-800B (general purpose AC switching and phase control operation)

Symbol	Parameter		Value	Unit
V_DRM	Repetitive peak off-state voltage		800	V
I_GT	Gate trigger current	T_j = 25 °C	5 to 50	mA
I_T(RMS)	RMS on-state current (full sine wave)	T_c = 100 °C	8	A
I_TSM	Non repetitive surge peak on-state current (full cycle)	t = 20 ms	80	A
I_GM	Peak gate current	T_j = 125 °C	4	A

Ce modèle supporte des tensions pouvant atteindre 800 V. Il est commandé par un courant de gâchette I_GT allant de 5 à 50 mA et il peut délivrer 8 ampères (valeur efficace), voire des pointes (non répétitives) de 80 ampères. Sur le modèle référencé BTA, la languette métallique du boîtier TO-220 est isolée, ce qui n'est pas le cas pour le modèle BTB (la languette métallique est reliée à A2).

Le diac (DIode Alternating Current, en anglais) est une diode bidirectionnelle: elle peut être bloquée ou passante dans les deux sens, selon le sens du courant alternatif. Son rôle essentiel est de servir au déclenchement d'un triac.

Le diac ne conduit pas le courant (à l'exception d'un courant de fuite négligeable) tant que sa tension nominale n'est pas atteinte. Cette tension (breakover voltage, en anglais) se situe, suivant le modèle, vers 32 ou 40 V. Lorsque cette tension est atteinte, il se produit un phénomène de conduction en avalanche et la tension de seuil du composant chute aux alentours de 5 V (valeur typique). Le courant qui traverse le diac est alors suffisant pour déclencher un triac.

Caractéristique d'un diac. Le diac bloque les tensions dans les deux sens, jusqu'à ce que sa tension nominale (breakover Voltage) V_(BO) soit atteinte. La tension de sortie V_o chute alors à une valeur bien moindre.

Pour une utilisation du triac en gradateur, on recourt souvent à un réseau RC, le cas échéant associé à un diac, diode bidirectionnelle permettant d'obtenir un déphasage encore plus important. On fait varier l'intensité dans la charge par l'intermédiaire de la résistance variable.

Schéma de principe d'un triac utilisé en gradateur, ici associé à un diac. Le potentiomètre de réglage permet de faire varier l'intensité lumineuse de l'ampoule (100 W maxi).

Deux points importants: dans le cas d'une charge inductive (moteur...), il est nécessaire de rajouter un circuit de protection du triac, en branchant en parallèle une résistance et un condensateur, et un circuit d'antiparasitage, comportant une self accompagnée ou non de condensateurs. De plus, dès que la puissance dépasse 100 W, le triac doit être équipé d'un dissipateur (radiateur).

Enfin, il ne faut jamais oublier que le triac est directement relié au secteur et qu'il convient par conséquent de prendre à cet égard toutes les précautions utiles, à commencer par une parfaite isolation du montage.

Pour une utilisation du triac en commutateur, il est préférable de faire appel à un composant spécialisé, l'opto-triac, encore appelé photo-coupleur (référence MOC 3041, par exemple), qui est conçu pour cette application et qui dispose en outre de deux avantages appréciables: une isolation de 7500 V et un courant de commande de l'ordre de 10 mA seulement. La mise en oeuvre de ce dispositif est des plus simples, puisqu'il suffit d'appliquer un niveau positif basse tension sur la DEL de l'opto-triac, qui commande à son tour le triac. L'opto-triac fait donc figure d'interface, en quelque sorte, entre le circuit de commande et le circuit commandé.