Triac

Die Heizung im Wasserkocher mit Temperaturregler, der Motor einer Waschmaschine, der Lüfter im Badezimmer mit Nachlauf, ein Halbleiterrelais im Schaltschrank: Überall, wo Netzwechselstrom ohne Relaiskontakt ein- und ausgeschaltet oder in der Leistung gesteuert wird, sitzt meist ein Triac. Der Name steht für Triode for Alternating Current. Ein Triac verhält sich wie zwei antiparallel geschaltete Thyristoren mit einem gemeinsamen Gate und leitet deshalb in beiden Stromrichtungen. Er zündet auf einen kurzen Gate-Impuls und erlischt von selbst im nächsten Nulldurchgang des Stroms – einfacher lässt sich Wechselstrom kaum schalten.

Aufbau und Funktionsweise

Für eine Wechselstromlast bräuchtest du zwei Thyristoren, einen für jede Halbwelle, jeder mit eigener Ansteuerung. Der Triac fasst beide auf einem Chip zusammen. Seine Schichtfolge ist so verschachtelt, dass zwischen den Hauptanschlüssen in jeder Richtung eine Vierschichtstruktur liegt; zusätzliche Hilfsstrukturen am Gate erlauben es, beide mit einem einzigen Steueranschluss zu zünden – und zwar mit positivem wie mit negativem Gate-Strom.

Die drei Anschlüsse heißen A1 und A2 (englisch MT1 und MT2 oder T1 und T2) sowie G für das Gate. Anders als beim Diac sind A1 und A2 nicht vertauschbar: Gate-Spannung und Gate-Strom beziehen sich immer auf A1. Wie das Einrasten physikalisch funktioniert, erklärt Thyristoreffekt.

Nach der Zündung bleibt der Triac leitend, bis der Strom unter den Haltestrom I_H fällt. Am Wechselstrom geschieht das kurz vor jedem Nulldurchgang. Für die nächste Halbwelle muss er neu gezündet werden.

Schaltzeichen

Das Schaltzeichen besteht aus zwei antiparallelen Dreiecken zwischen zwei Querbalken, mit einer Gate-Leitung an der A1-Seite. Ohne Gate ist es der Diac. Weitere Symbole findest du unter Schaltzeichen.

Die vier Zündquadranten

Weil Hauptspannung und Gate-Strom jeweils positiv oder negativ sein können, gibt es vier Kombinationen, die Zündquadranten. Bezugspunkt ist immer A1.

Daraus folgen zwei übliche Ansteuerungen:

• Gate-Strom gleicher Polarität wie A2 (Q1 und Q3): Das ergibt sich von selbst, wenn du den Gate-Strom über einen Widerstand oder einen Opto-Triac aus A2 entnimmst – die klassische Netzschaltung.
• Immer negativer Gate-Strom (Q2 und Q3): Bei einer Ansteuerung aus einer Gleichspannung, etwa einem Mikrocontroller, dessen Masse an A1 liegt. Die Logik wird dann an „plus“ mit A1 verbunden und zieht den Gate-Strom nach unten.

Viele moderne Triacs sind 3Q-Typen (Hersteller nennen sie Snubberless, Hi-Com oder ähnlich). Sie zünden nur in Q1 bis Q3, vertragen dafür aber steilere Spannungs- und Stromänderungen bei der Kommutierung. Q4 darfst du bei ihnen nicht benutzen.

Kennwerte

Am Beispiel des verbreiteten BT136-600 im TO-220-Gehäuse:

Varianten mit Buchstaben hinter der Spannung (etwa BT136-600E oder -600D) haben ein empfindlicheres Gate mit 10 mA beziehungsweise 5 mA Zündstrom. Für größere Ströme gibt es BT137 (8 A), BT138 (12 A) und die BTA-/BTB-Reihen bis 40 A.

Kommutierung: das heikle Ausschalten

Ein Triac erlischt, wenn der Strom gegen null geht. Unmittelbar danach liegt aber die Spannung der anderen Halbwelle an. An einer ohmschen Last ist das harmlos, denn Strom und Spannung gehen gleichzeitig durch null. An einer induktiven Last – Motor, Transformator, Magnetventil – eilt der Strom der Spannung nach (siehe Leistungsfaktor). Wenn der Strom null wird, steht die Netzspannung schon bei einem hohen Wert und springt schlagartig auf den Triac. Sind im Chip noch Ladungsträger der vorigen Halbwelle vorhanden, zündet er sofort in der Gegenrichtung wieder – er verliert die Kontrolle und bleibt dauernd an.

Die Datenblätter nennen dafür die zulässige Spannungssteilheit bei der Kommutierung (du/dt)_c und die Stromsteilheit kurz vor dem Nulldurchgang (di/dt)_c. Abhilfe schaffen:

• ein RC-Snubber parallel zum Triac, typisch 100 Ω in Reihe mit 47 bis 100 nF, der die Spannungsflanke abflacht (RC-Glied);
• ein 3Q-Triac, der deutlich höhere Kommutierungswerte verträgt;
• eine kleine Drossel in Reihe, die die Stromänderung am Nulldurchgang bremst.

Bauformen

Kleine Triacs wie der Z0103 (1 A) stecken im TO-92. Die Mittelklasse von 4 bis 40 A sitzt im TO-220. Hier kommt es auf einen Buchstaben an: Bei vielen Herstellern hat die BTB-Reihe eine metallische Kühlfahne, die mit A2 verbunden ist und damit Netzspannung führt; die BTA-Reihe hat eine isolierte Kühlfahne, die du direkt auf einen geerdeten Kühlkörper schrauben darfst. Für SMD-Platinen gibt es D-PAK und D²PAK. Ein Halbleiterrelais für Wechselstrom ist im Kern nichts anderes als ein Triac oder zwei Thyristoren mit Opto-Ansteuerung in einem vergossenen Gehäuse.

Typische Schaltungen

Mikrocontroller schaltet Netzlast über Opto-Triac

Die sichere Standardlösung trennt Logik und Netz galvanisch mit einem Optokoppler, dessen Ausgang selbst ein kleiner Triac ist. Die LED auf der Logikseite zündet den Opto-Triac, dieser liefert über R2 den Gate-Strom aus A2 – also immer in Q1 oder Q3. Es gibt zwei Sorten: Opto-Triacs mit Nullspannungsschalter (etwa MOC3063) zünden nur, wenn die Netzspannung gerade nahe null ist. Das schont die Last und erzeugt kaum Störungen; ideal für Heizungen. Opto-Triacs ohne Nullspannungsschalter (etwa MOC3052) zünden sofort und eignen sich für Phasenanschnitt mit einem Mikrocontroller, der den Nulldurchgang selbst erfasst.

Phasenanschnitt

Zündet der Triac nicht im Nulldurchgang, sondern erst einige Millisekunden später, erreicht nur der Rest jeder Halbwelle die Last. Damit dimmst du Glühlampen und steuerst die Drehzahl von Universalmotoren, etwa in Bohrmaschinen und Staubsaugern. Wie der Zündwinkel die mittlere Spannung bestimmt, zeigt Thyristortriode: zünden und löschen; die klassische Analogschaltung mit RC-Glied und Diac steht unter Diac. Phasenanschnitt erzeugt Oberschwingungen und Funkstörungen. Netzfilter mit Drossel und X-Kondensator sind deshalb Pflicht.

Auswahl und Praxistipps

• Sperrspannung: Am 230-V-Netz mindestens 600 V, besser 800 V für Lasten mit Spannungsspitzen.
• Strom über die Wärme wählen: Nenn-Effektivstrom gilt nur mit idealer Kühlung. Motoren und Glühlampen ziehen beim Einschalten ein Vielfaches ihres Nennstroms; prüfe I_TSM.
• Induktive Lasten: 3Q-Triac verwenden und einen Snubber vorsehen. Für Motoren mit großem Anlaufstrom genügt der Snubber im Opto-Triac-Datenblatt meist nicht.
• Isolierte Fahne bevorzugen: BTA-Typen oder vollisolierte Gehäuse sparen die Glimmerscheibe und verhindern, dass der Kühlkörper Netzspannung führt.
• LED-Lampen sind keine Glühlampen: Viele LED-Lampen arbeiten mit Phasenanschnittdimmern schlecht, weil sie weniger Strom ziehen, als der Triac zum Einrasten und Halten braucht. Sie flackern oder brummen.
• Luft- und Kriechstrecken: Zwischen Netzseite und Logik gehören mehrere Millimeter Abstand, auch unter dem Optokoppler. Den Mindestabstand ermittelst du mit dem Rechner Leiterabstand.

Selbsttest