Dimmer electrónico con DIAC y TRIAC: control de potencia mediante ángulo de fase
Dimmer electrónico con DIAC y TRIAC: control de potencia mediante ángulo de fase
Introducción
¿Es posible regular el brillo de una lámpara sin utilizar una resistencia variable de gran potencia ni modificar la tensión de la red mediante un transformador? Sí. Una solución clásica consiste en utilizar un circuito electrónico llamado dimmer, que controla la fracción de cada semiciclo de la tensión alterna durante la cual la carga recibe energía.
En esta práctica estudiaremos un dimmer basado en dos componentes fundamentales: el DIAC DB3 y el TRIAC BTA40-600B. El circuito también utiliza resistencias, un potenciómetro, un capacitor y diodos 1N4007 para establecer el instante de disparo del TRIAC.
La aplicación más conocida es la regulación del brillo de lámparas incandescentes, aunque el control por ángulo de fase también se utiliza en determinadas cargas resistivas y motores compatibles con este tipo de regulación.
1. ¿Qué es un dimmer?
Un dimmer es un circuito que permite regular la potencia eléctrica entregada a una carga. En lugar de reducir continuamente la amplitud de la tensión alterna, como podría hacerse con determinados transformadores, el circuito controla el instante en que comienza a conducir durante cada semiciclo.
Para comprenderlo, recordemos que la tensión de la red alterna cambia de polaridad periódicamente:
Durante el semiciclo positivo, la tensión tiene una polaridad.
Durante el semiciclo negativo, la polaridad se invierte.
Cada semiciclo dura la mitad del periodo de la señal.
En una red de 50 Hz, el periodo es de 20 ms y cada semiciclo dura 10 ms.
El dimmer retrasa el encendido electrónico de la carga durante cada semiciclo. Si el TRIAC comienza a conducir temprano, la lámpara recibe energía durante una mayor parte del semiciclo. Si comienza a conducir tarde, recibe energía durante una fracción menor.
Por tanto, al girar el potenciómetro modificamos el instante de disparo y, con ello, la potencia promedio entregada a la carga.
2. El TRIAC: el interruptor electrónico de potencia
El componente U1 del circuito es un TRIAC BTA40-600B. Su función es controlar el paso de corriente hacia la lámpara.
El TRIAC es un dispositivo semiconductor bidireccional. A diferencia de un transistor convencional utilizado como interruptor de corriente continua, puede conducir corriente en ambos sentidos, característica que lo hace especialmente útil en circuitos de corriente alterna.
Sus terminales principales son:
MT1: terminal principal 1.
MT2: terminal principal 2.
G: compuerta o terminal de disparo.
Cuando se aplica a la compuerta un impulso de disparo adecuado, el TRIAC puede pasar del estado de bloqueo al de conducción. Una vez encendido, permanece conduciendo mientras la corriente se mantenga por encima de la corriente de mantenimiento del dispositivo.
En una carga alimentada por corriente alterna, la corriente disminuye hasta cero cerca del final de cada semiciclo. En ese momento, el TRIAC normalmente se apaga y espera un nuevo disparo.
Este comportamiento permite controlar el inicio de la conducción en cada semiciclo de la red.
¿Por qué se utiliza un TRIAC?
Si conectáramos una lámpara directamente a la red, recibiría la tensión alterna completa. El TRIAC permite controlar electrónicamente qué parte de cada semiciclo llega a la carga.
Es importante aclarar que el TRIAC no reduce necesariamente la tensión instantánea de la red mientras conduce. En su estado de conducción presenta una caída relativamente pequeña. El control se consigue principalmente retrasando el momento de encendido.
3. El DIAC DB3: el encargado de disparar el TRIAC
El componente D1 del circuito es un DIAC DB3. Su función es proporcionar un disparo relativamente brusco cuando la tensión entre sus terminales alcanza un determinado valor.
El DIAC es un dispositivo bidireccional que normalmente permanece en estado de bloqueo. Cuando la tensión aplicada alcanza su tensión de ruptura, comienza a conducir y permite que circule una corriente suficiente para producir el disparo de la compuerta del TRIAC, siempre que el circuito esté correctamente dimensionado.
En el modelo DB3, la tensión de ruptura suele estar alrededor de 30 V, aunque debe verificarse la tolerancia especificada por el fabricante.
Podemos resumir su funcionamiento en tres etapas:
El capacitor C1 se carga progresivamente a través de la red de resistencias y del potenciómetro.
Cuando la tensión del capacitor alcanza la tensión de ruptura del DIAC, este comienza a conducir.
Se genera un impulso de corriente que llega a la compuerta del TRIAC y lo dispara.
El DIAC permite que el disparo se produzca de forma relativamente abrupta, en lugar de aplicar a la compuerta una corriente que aumenta lentamente junto con la tensión del capacitor.
¿Por qué no conectar directamente el capacitor a la compuerta?
El DIAC establece un umbral de tensión para iniciar el disparo. Esto ayuda a conseguir un comportamiento más definido y una regulación más uniforme entre los semiciclos positivos y negativos.
Además, el circuito debe limitar adecuadamente la corriente de compuerta. No basta con alcanzar la tensión de disparo: también se necesitan una corriente y unas condiciones de disparo compatibles con las especificaciones del TRIAC.
4. La red de temporización: resistencias, potenciómetro y capacitor
En el esquema encontramos los siguientes componentes de temporización:
R1 = 100 kΩ.
R2 = 100 kΩ.
R3 = 100 kΩ.
RV1 = 500 kΩ.
C1 = 100 nF.
Estos componentes participan en el establecimiento del tiempo que tarda el capacitor en alcanzar la tensión de disparo del DIAC.
El potenciómetro RV1 permite modificar la resistencia efectiva de la red de carga. Al cambiar esa resistencia, cambia la rapidez con la que se carga el capacitor y, por tanto, el instante en que se produce el disparo.
En términos generales:
Una carga más rápida del capacitor hace que el DIAC alcance antes su tensión de ruptura.
Una carga más lenta retrasa el disparo.
El cambio en el instante de disparo modifica el intervalo de conducción del TRIAC.
El intervalo de conducción determina la potencia entregada a la carga.
No conviene asignar un ángulo exacto de disparo a cada posición del potenciómetro sin analizar o medir el circuito. La relación no depende únicamente de RV1, sino también de la tensión instantánea de la red, de la red completa de resistencias, del comportamiento del capacitor y de las características del DIAC.
¿Qué función cumplen los cuatro diodos 1N4007?
D2, D3, D4 y D5 forman una red de diodos que participa en el acondicionamiento de la señal de temporización.
En este tipo de dimmer, una red de diodos puede utilizarse para que el capacitor y el circuito de disparo tengan un comportamiento comparable durante las dos polaridades de la corriente alterna.
La simetría es importante porque, si el circuito dispara de manera muy diferente en los semiciclos positivo y negativo, la tensión aplicada a la carga puede quedar desequilibrada. Esto puede provocar un funcionamiento irregular y, en determinadas cargas, componentes de corriente continua no deseados.
La función exacta de esta red depende de cómo están conectados sus diodos en el esquema. Por ello, antes de trasladar el circuito a una placa física, conviene comprobar las conexiones y las formas de onda de ambos semiciclos en Proteus.
5. Funcionamiento durante un semiciclo
Veamos cómo trabaja el circuito durante un semiciclo de la tensión de red.
Etapa 1. Inicio del semiciclo
La tensión alterna comienza a cambiar y el TRIAC permanece inicialmente bloqueado. La corriente hacia la carga es prácticamente nula, salvo las pequeñas corrientes propias del circuito.
Etapa 2. Carga del capacitor
C1 se carga a través de la red de temporización. La tensión que aparece en el capacitor depende del instante de la onda y de los valores de los componentes.
Etapa 3. Disparo del DIAC y encendido del TRIAC
Cuando se alcanza la tensión de ruptura del DIAC, aparece un impulso de corriente de compuerta y el TRIAC comienza a conducir.
Etapa 4. Conducción hasta el final del semiciclo
El TRIAC permanece encendido mientras circule suficiente corriente. Cerca del cruce por cero, la corriente disminuye y el dispositivo se apaga, listo para repetir el proceso en el siguiente semiciclo.
En el semiciclo siguiente, la polaridad de la red se invierte. El circuito debe permitir que el proceso se repita también en esa mitad de la onda.
6. Interpretación de las formas de onda en Proteus
La gráfica incluida en la simulación permite visualizar la diferencia entre la tensión sinusoidal de entrada y la señal recortada que resulta del control de fase.
En la gráfica se distinguen dos comportamientos:
Señal verde: representa la onda sinusoidal de entrada.
Señal roja: representa la tensión recortada por la acción del TRIAC, según las señales identificadas en la simulación.
Durante una parte inicial de cada semiciclo, la señal roja permanece próxima a cero porque el TRIAC todavía no conduce. Cuando se produce el disparo, la tensión de la carga sigue aproximadamente el resto de la onda sinusoidal hasta el final del semiciclo.
El mismo proceso se repite con polaridad opuesta en el siguiente semiciclo.
La gráfica permite observar cómo la conducción no comienza necesariamente en el cruce por cero, sino después de un retraso controlado por la red de temporización.
¿Qué ocurre cuando modificamos RV1?
Al variar el potenciómetro se modifica el instante de disparo. Según el ajuste y la topología exacta del circuito, podemos obtener diferentes intervalos de conducción:
Disparo temprano: el TRIAC conduce durante una fracción mayor del semiciclo y la carga recibe más potencia.
Disparo tardío: el TRIAC conduce durante una fracción menor y la carga recibe menos potencia.
Por eso el dimmer permite regular el brillo de una lámpara incandescente.
Hay que distinguir, sin embargo, entre tensión eficaz y potencia. La tensión de la carga deja de ser una sinusoide completa y su valor eficaz cambia con el ángulo de disparo. Para una carga resistiva, la potencia depende del cuadrado de la tensión eficaz aplicada, no simplemente de la altura de un pico aislado.
7. Ángulo de disparo y potencia entregada
El control de fase se describe mediante el ángulo de disparo, normalmente representado por la letra griega alfa (α).
Este ángulo indica cuánto se retrasa el encendido del TRIAC desde el comienzo de cada semiciclo.
En una carga resistiva ideal:
Si α se aproxima a 0°, la conducción comienza casi al inicio del semiciclo y la potencia se acerca a su máximo.
Si α aumenta, el TRIAC conduce durante menos tiempo y la potencia disminuye.
Si α se aproxima a 180°, la conducción se reduce al mínimo.
El ángulo de disparo está relacionado con el tiempo de retraso. En una red de 50 Hz, cada semiciclo dura 10 ms; por tanto, un retraso de 5 ms corresponde a 90°.
La relación es:
α = 180° × (tiempo de retraso / duración del semiciclo)
Esta expresión es útil para interpretar una medición con el osciloscopio. Por ejemplo, si se observa que el TRIAC dispara 2,5 ms después del inicio de un semiciclo de 10 ms, el ángulo de disparo es aproximadamente 45°.
En un dimmer real, la relación entre el giro del potenciómetro y el ángulo de disparo no suele ser lineal. Por eso el brillo no necesariamente cambia de forma uniforme al girar RV1.
8. ¿Qué cargas pueden controlarse con este dimmer?
La aplicación clásica es el control de lámparas incandescentes y otras cargas resistivas compatibles.
No obstante, no todas las lámparas ni todos los motores son adecuados para cualquier dimmer.
Las lámparas incandescentes suelen responder bien al control de fase.
Las lámparas LED necesitan ser específicamente regulables y compatibles con el tipo de dimmer.
Los motores universales pueden admitir determinados controles de fase, siempre que el diseño sea apropiado.
Los motores de inducción y otros motores de corriente alterna no deben conectarse indiscriminadamente a un dimmer de lámpara, ya que pueden calentarse, perder par o funcionar de manera inadecuada.
El tipo de carga es tan importante como el circuito de control. Antes de usar un dimmer con un dispositivo diferente de una lámpara incandescente, debe comprobarse su compatibilidad.
9. Consideraciones de seguridad
Este circuito está relacionado con la red eléctrica, por lo que hay que tratarlo con especial cuidado.
La simulación en Proteus no representa una garantía de seguridad para el montaje físico. Antes de construir una versión real se debe verificar el diseño completo, incluyendo la red de temporización, las conexiones del DIAC y del TRIAC, la capacidad de los diodos, las distancias de aislamiento y la protección de la carga.
También deben tenerse en cuenta estos aspectos:
El circuito de control mostrado no debe considerarse aislado eléctricamente de la red.
No se debe conectar directamente un osciloscopio de banco con la pinza de tierra convencional a nodos de este circuito sin un procedimiento de medición diseñado para tensión de red.
Deben utilizarse fusible, envolvente aislante, terminales protegidos y componentes con tensión y corriente nominal adecuadas.
El TRIAC puede necesitar disipador según la corriente de carga y la disipación real.
No se debe manipular el circuito energizado ni confiar en que desconectarlo garantiza que los capacitores estén descargados.
Para una práctica académica, la opción más segura es estudiar primero el circuito en Proteus y realizar las mediciones físicas únicamente con un montaje de baja tensión aislado o con un equipo comercial debidamente certificado.
10. Actividad práctica propuesta
Después de estudiar el circuito, se propone realizar las siguientes actividades en Proteus:
Identificar el TRIAC, el DIAC, el capacitor, las resistencias y el potenciómetro.
Explicar la función de la red de temporización.
Observar la señal sinusoidal de entrada y la señal aplicada a la carga.
Modificar RV1 y registrar cómo cambia el instante de disparo.
Comparar la conducción en los semiciclos positivo y negativo.
Medir el retraso entre el cruce por cero de la señal de entrada y el comienzo de conducción.
Calcular el ángulo de disparo a partir del tiempo medido.
Relacionar el ángulo de disparo con la tensión eficaz y la potencia entregada a una carga resistiva.
Explicar por qué el TRIAC se apaga cerca del cruce por cero de la corriente.
Investigar qué diferencias deben considerarse al regular una lámpara LED frente a una lámpara incandescente.
Se recomienda registrar los resultados en una tabla con el ajuste del potenciómetro, el tiempo de retraso, el ángulo de disparo estimado y la tensión eficaz de salida.
Conclusión
El dimmer con DIAC DB3 y TRIAC BTA40-600B es una aplicación útil para comprender cómo un circuito de temporización puede controlar un dispositivo de potencia en corriente alterna.
El capacitor y las resistencias determinan el instante de disparo; el DIAC genera el impulso cuando se alcanza su tensión de ruptura, y el TRIAC controla el paso de corriente hacia la carga durante el resto de cada semiciclo.
La observación de las formas de onda permite relacionar los conceptos de carga de capacitores, disparo de semiconductores, ángulo de fase, tensión eficaz y potencia eléctrica.
De esta manera, la práctica integra electrónica analógica, electrónica de potencia e instrumentación, y muestra cómo componentes relativamente sencillos pueden utilizarse para controlar la energía entregada a una carga.
Nota para el montaje físico: antes de construir el circuito de la imagen, verifica el esquema eléctrico completo y la selección de componentes para la tensión de red prevista. El artículo explica el principio de funcionamiento, pero no certifica que el circuito simulado sea seguro para conectarlo directamente a la red.
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