Piloter un triac avec Arduino ou PIC

Un microcontrôleur ou un petit circuit peuvent piloter un triac de puissance pour allumer ou éteindre une charge secteur : ampoule, chauffage, moteur électrique, etc. Pour la sécurité électrique, il faut une isolation entre la partie commande et la partie secteur.

Schéma de la commande microcontrôleur, optotriac et triac

Voici donc le schéma le plus simple de la commande du triac :

Schéma de commande du triac avec un MOC3023

La commande 0 / 3,3 V peut être une sortie d'un microcontrôleur (broche GPIO configurée simplement en sortie) ou de tout autre circuit logique (porte logique, comparateur, etc) capable de fournir quelques milliampères.

Lorsque la tension est à 0 V, la LED de l'optotriac T1 ne brille pas et il n'y a pas de conduction de l'optotriac (entre les broches 4 et 6 du MOC3023).

Lorsque la tension est à 3,3 ou 5 V, le courant dans la LED permet la conduction de l'optotriac T1. Lorsque T1 est conducteur (il se comporte quasiment comme un fil), il pilote la gachette du triac T2. C'est T2 qui pilote la charge secteur, comme un interrupteur. T1 n'est pas assez "puissant" pour piloter directement la charge secteur, il ne supporte que 100 mA, ce qui ne satisferait pas grand monde.

Lorsque la tension de commande repasse à 0 V, l'optotriac reste passant jusqu'à l'annulation de son courant. La conduction subsiste donc pour le reste de la demie période. Au pire, il y a un retard de 10 ms à l'extinction. L’œil ne remarquera pas le retard de l'extinction d'un luminaire piloté ainsi.

Choix des composants : optotriac, résistances et triac

Le choix des composants est fait autour des contraintes fixées par l'optotriac. La famille MOC3020, MOC3021, MOC3022 et MOC3023 est classique pour piloter un triac de façon isolée.

Optotriac MOC3023

Le MOC3023 garantit une isolation suffisante entre la partie commande (LED, broches 1 et 2) et la partie secteur (triac, broches 4 et 6). Les broches 3 et 5 doivent rester en l'air

L'isolation tient 7500 V pendant 5 secondes, ce qui rend cet optotriac parfait pour des applications secteur. Une distance d'isolation sur le circuit imprimé doit aussi être respectée par garantir l'isolation. Il ne faut pas que les pistes du secteur passent trop près des pistes de commande ou de l'alimentation basse tension du microcontrôleur. On peut laisser une bande de 6 mm sans piste ni composant pour assurer cette isolation. Il n'y aura ainsi pas de danger à toucher le microcontrôleur (ou n'importe quel câble relié à cette partie : câble USB, etc) lorsque le montage est branché.

LED du MOC3023

Le MOC3023 nécessite un courant de 5 mA (pire cas) pour garantir la conduction de sa partie triac. Comme la tension aux bornes de la LED vaut 1,5 V max (donnée à un courant de 10 mA), on peut calculer la résistance maximum à mettre pour garantir les 5 mA.

Optotriac MOC3023 : 5 mA garantissent le déclenchement de l'optotriac

Lorsque la tension de sortie du microcontrôleur (Arduino, PIC, etc) est de 3,3 V en sortie, le courant dans la LED vaut :

R max = (3,3V - 1,.5V) / 5 mA = 1,8 V / 0,005 A = 360 Ohms

La valeur maximum de résistance doit être 360 Ohms

En pratique, un courant dans la LED de 2,5 mA est déjà suffisant pour rendre l'optotriac MOC3023 conducteur.

La valeur de 330 Ohms garantit donc une marge.

De la même façon, on peut réajuster la valeur de la résistance si le microcontrôleur est alimenté en 5V.

Les sorties à collecteur ouvert ne fonctionnent pas avec ce montage. Si la sortie est à collecteur ouvert, il faut relier la résistance au +Vcc (3,3 V, 5 V) et la broche 2 du MOC3023 à la sortie collecteur ouvert.

Triac de puissance

C'est le MOC3023 qui pilote la gâchette du triac de puissance. Lorsque le MOC3023 a amorcé le triac de puissance T2, il ne reste quasiment plus aucune tension à ses bornes. Le MOC3023 ne voit de tension à ses bornes que lorsque la tension secteur vient de passer par zéro. Dès que la tension secteur est suffisante (20 à 40 V environ), le courant dans R2 devient suffisant pour amorcer T2, ce qui annule la tension entre A2 et G (et aussi entre A1 et G).

Note : Ne pas confondre les anodes A1 et A2 sur le triac. Si on se trompe d'anode, la commande ne fonctionnera pas. Le MOC3023 relie G à A2 et non à A1. Pour le raisonnement, si on voulait faire une comparaison (même si comparaison n'est pas raison, comme le dit un proverbe), l'anode A1 jouerait plutôt le rôle de l'émetteur d'un transistor et l'anode A2 le rôle du collecteur. Le potentiel de G est toujours proche de A1.

Brochage des triacs BTA (isolé) et BTB (boitier relié à A2)

La résistance R2 est choisie 1 k 1 W pour garantir les pires cas :

- courant crête dans l'optotriac T1 < 400 mA (1,2 A en crête non répétitive d'après datasheet)

- modèle 1 W pour encaisser d'éventuelles tensions transitoires de 300 V

On peut choisir une résistance de 470 Ohms 1 W aussi.

Le triac de puissance choisi est un BTA16-600BW. Il a les avantages suivants :

- triac snubberless (suffixe "BW") : pas besoin de snubber (RC : 100 Ohms 1 W / 100 nF 250 V AC)

- isolation garantie entre le boitier et le triac lui-même (lettre "A"). On peut donc fixer le triac BTA directement sur un radiateur relié au chassis. Attention, les triacs BTB n'ont pas cette isolation. Le boitier est alors relié à A2.

- courant de 16 A largement suffisant pour toutes sortes d'applications : charges secteur telles qu'ampoules, moteurs, chauffages électrique, etc.

Si vous avez un doute sur l'isolation du triac, montez le radiateur bien à l'écart de toute partie qu'on peut toucher. Sans isolation dans le triac, le radiateur est au potentiel du secteur directement !

Il faut monter le triac sur un radiateur (petite plaque en alu) si le courant dans la charge dépasse 1A (charge : 230 Watts environ).

Schéma de commande de triac avec MOC3021

Vous avez un MOC3021 et vous aimeriez l'utiliser à la place du MOC3023 ? Pas de souci ! Comme le MOC3021 a besoin d'un courant de LED de 15 mA au lieu de 5 mA pour le MOC3023, il faut le piloter avec un transistor. N'importe quel transistor bipolaire NPN fera l'affaire : 2N3904, BC547, BC548, 2SC945, etc

Différence entre MOC3021 et MOC3023 : courant de déclenchement dans la LED

Voici le schéma de la commande du triac avec MOC3021 :

Commande de triac avec MOC3021 : schéma

Le transistor pilote la LED de l'optotriac MOC3021. En fonction de la tension d'alimentation, on dimensionne la résistance pour qu'il y ait un courant de 20 mA environ (15 mA minimum) lorsque le transistor est passant (saturé). On peut d'ailleurs prélever le courant destiné aux LED des optotriacs d'une alimentation différente de celle qui alimente la commande (Arduino, comparateur, ampli op, etc).

Exemple de carte de commande DMX 4 voies (4 x 1000 W) utilisant des MOC3021 et des BTA16-600B

La partie en haut (secteur) et la partie en bas (commande DMX, microcontrôleur, etc) sont bien isolées par 6 mm de distance sur la carte. Il n'y a que les MOC3021 qui sont à cheval sur cette barrière d'isolation. Les résistances 120 Ohms sont issues d'une alimentation 5 V et les LED des MOC3021 sont pilotées par des sorties à collecteur ouvert.

Attention : danger électrique

Comme il s'agit d'un circuit destiné à être directement relié au secteur, il est dangereux et la partie triac ne doit jamais être touché lorsque le montage est sous tension ! En revanche, côté LED, alimentation 3,3 V et microcontrôleur, il n'y a pas de danger électrique.

Applications des commandes secteur par optotriac et triac

Cette commande de charge secteur par triac et microcontrôleur (Arduino, PIC ou autre) peut être reproduite à de nombreux exemplaires pour piloter plusieurs charges.

- Toutes les anodes A2 des triacs de puissance peuvent être reliées ensemble (phase)

- Toutes les bornes du bas des charges peuvent être reliées ensemble (neutre)

On peut réaliser de l'automatisation pour la domotique, des chenillards à ampoules halogène jusqu'à 1000 W, piloter des chauffages, des luminaires, etc à partir d'une simple tension de commande ou d'un microcontrôleur grand public.