Thyristors: applicazioni pratiche

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di Raffaele Ilardo

Thyristors: Applicazioni pratiche

Gli SCR ed i triacs sono componenti ideali per il controllo della potenza col sistema "switching" (termine che in italiano si potrebbe tradurre come "accendi-spegni"), particolarmente per circuiti ad alta potenza come quelli che impiegano elementi riscaldanti (forni, stufe, ecc.). La potenza che arriva al carico può essere facilmente controllata da un segnale di modesta ampiezza, evitando di ricorrere a dispositivi elettromeccanici come ad esempio i relè.
Un circuito oramai classico che utilizza i tiristors è il "lamp dimmer", ovvero regolatore di luce per lampade. Un triac particolarmente adatto a questa applicazione è il BT138 della Philips: in primo luogo, potendo controllare picchi di corrente fino a 90 A, esso è in grado di sopportare il notevole flusso di corrente che si produce all'accensione della lampada, quando questa è ancora fredda; il BT130 può inoltre sostenere transienti di tensione bidirezionali di valore elevato, mentre, grazie alla bassa impedenza termica della sua struttura, non ha particolari necessità di alette di dissipazione del calore. In figura 1 si vede lo schema del circuito nella sua configurazione più semplice; segue una breve e semplificata descrizione del suo funzionamento.


figura 1	figura 2

Poichè il circuito viene collegato alla corrente alternata di rete, ai capi del triac saranno presenti, alternandosi da un istante all'altro, la semionda positiva e quella negativa. Se noi facessimo arrivare sul gate degli impulsi prefettamente sincronizzati con l'inizio di ogni semionda, il triac sarebbe sempre in conduzione, ed in pratica la lampada si accenderebbe alla massima potenza. Questo caso è rappresentato nel grafico di figura 2: si vede che gli impulsi sul gate arrivano esattamente all'inizio di ogni semionda; ogni impulso innesca il triac, facendolo condurre per tutta la durata della semionda che segue.

figura 3

Supponiamo invece di inviare gli impulsi sul gate ritardati rispetto all'inizio delle semionde, ovvero "sfasati"; come si vede in figura 3, poichè il triac è bloccato, la corrente non potrà scorrere in corrispondenza di ogni semionda di tensione, ma solo dopo che l'arrivo di un impulso sul gate avrà innescato il triac. Poichè, come si vede, solo una parte della corrente attraversa il carico, e cioè la lampada, succede che il valore medio della corrente stessa risulta minore, e quindi alla lampada arriva meno potenza. Più gli impulsi sul gate saranno sfasati rispetto alle semionde della tensione applicata al triac, più sarà breve il tempo per cui passerà la corrente. Ad ottenere questo sfasamento, provvede il circuito visto in figura 1, ed esattamente le due resistenze R1+R2 insieme al condensatore C1. La resistenza R2 è regolabile: aumentando il suo valore, C1 impiega più tempo a caricarsi, e quindi gli impulsi sul gate giungono più in ritardo. Ogni impulso è infatti prodotto dalla carica accumulata da C1; quando la tensione ai capi del condensatore raggiunge la tensione di breakover del DIAC, questo va in conduzione e scarica sul gate del triac l'energia che si è accumulata in C1. Il triac passa a sua volta in conduzione, e vi resta per tutta la durata della semionda, cioè fino a che questa torna al valore zero.

Il circuito di figura 1 può essere migliorato con l'aggiunta di altri componenti, come si vede in figura 4. L'aggiunta di un secondo condensatore (C2) e di un'altra resistenza (R3) permette di ridurre sensibilmente l'effetto di isteresi che si manifesta in questi circuiti.

figura 4

Un esempio di isteresi è il seguente: supponiamo di ruotare la manopola collegata alla resistenza variabile di controllo (R2), fino al punto in cui la lampada comincia ad accendersi; successivamente aumentiamo la potenza, ruotando ancora la manopola. Allorchè si torna indietro, per spegnere la lampada, notiamo che questa non si spegne nel punto in cui si era accesa, ma in un punto successivo.

La resistenza R4 è utile per mantenere entro limiti sicuri l'ampiezza dell'impulso di trigger, così come la resistenza VDR (U 350V/1mA) protegge il Triac in caso di sovratensioni.
Il condensatore C e l'induttanza L costituiscono una cella di filtro che ha lo scopo di ridurre i disturbi causati dal funzionamento del circuito e trasmessi agli altri utilizzatori collegati alla rete (televisori, impianti Hi-Fi, ecc.). I valori di tali componenti possono essere di 0,15 µF per il condensatore e 2,5 µH per l'induttanza.

Un modo diverso di ottenere l'innesco di un triac è quello di far giungere sul gate una tensione alternata di basso valore, in fase con quella applicata ai "main terminals" MT1 ed MT2. In figura 5 si vede un esempio di tale applicazione, che ripropone il circuito già visto nella lezione 5 sulle fotoresistenze, opportunamente modificato.

figura 5

Il circuito, che serviva a comandare l'accensione di un utilizzatore in funzione della luce ambiente, utilizzava a tale scopo un relè pilotato da un transistor. In questo caso, il relè viene eliminato, ed al suo posto si utilizza un triac, con le stesse funzioni di dispositivo "switching".
Come si vede, il circuito del Triac, che comprende la lampada L (utilizzatore), è disegnato in viola, e costituisce un circuito a parte, derivato direttamente dalla tensione di rete a 220 V. La tensione alternata che arriva sul gate del triac viene prelevata da un secondo avvolgimento (S2) del trasformatore utilizzato per l'alimentazione di tutto il circuito; si tratta di un avvolgimento anch'esso a bassa tensione, in grado di fornire pochi volt e qualche centinaio di mA di corrente. Questa bassa tensione di controllo arriva al gate attraverso la resistenza RG e la foto-resistenza FTG;

figura 6 - foto-accoppiatore realizzato montando in un tubetto un led ed una fotoresistenza, sigillati per essere insensibili alla luce esterna

quando la FTG è illuminata, la sua resistenza diventa molto bassa e consente il passaggio di una corrente in grado di innescare il triac. Ad illuminare la fotoresistenza provvede il led inserito sul circuito di collettore del transistor che, nel vecchio circuito, comandava il relè. L'accoppiamento del led con la fotoresistenza FTG, che permette di abbinare il funzionamento di due circuiti, senza collegarli dal punto di vista elettrico, si definisce "opto-isolato"; in pratica esiste un accoppiamento di tipo ottico, mentre si mantiene l'isolamento elettrico fra il circuito di comando e quello del Triac.
Perchè l'accoppiamento funzioni, il led e la fotoresistenza, montati uno di fronte all'altro, devono essere racchiusi in un involucro che non consenta il passaggio della luce esterna (figura 6).
I valori delle resistenze RG ed FTG cambiano in funzione della tensione del secondario S2 e delle caratteristiche del triac che si usa; orientativamente, per RG può essere adatto un valore di circa 4,7kΩ, mentre la fotoresistenza FTG deve avere un valore dell'ordine delle centinaia di kΩ al buio e di pochi kΩ alla luce.

figura 7 - (fotoaccoppiatore SFH615)

Per ottenere la giusta fase della tensione di gate rispetto alla tensione principale applicata ai main terminals del triac, può essere necessario invertire il collegamento dei fili al secondario S2.
In ogni caso, in commercio esistono, già confezionati, dei foto-accoppiatori, come il tipo SFH615 (figura 7), costituito da un diodo GaAs quale emettitore di infrarossi e da un transistor planare al silicio, come rivelatore, il tutto incapsulato in un involucro plastico DIP-4, ed in grado di garantire un sicuro isolamento fino a una tensione di lavoro di 400 Vrms.

ATTENZIONE: PERICOLO DI FOLGORAZIONE!

Coloro che intendono realizzare praticamente i circuiti qui descritti, devono porre in atto tutte le misure atte a garantire la personale incolumità; si ricorda infatti che, mentre i circuiti visti nelle lezioni precedenti erano alimentati a pile o a bassa tensione, i componenti come i Triac risultano direttamente collegati alla tensione 220 V di rete, con pericolo di scariche elettriche anche mortali per l'operatore. Si raccomanda quindi di:
- lavorare solo su piani di lavoro isolanti, come formica o legno
- scollegare l'alimentazione ogni volta che si procede ad una modifica del circuito
- lavorare stando seduti su pedane isolanti, facendo attenzione a non essere sudati e ad avere le mani ben asciutte
- se possibile, effettuare le sperimentazioni interponendo un trasformatore 1:1 o "separatore di rete", in modo tale da essere in ogni caso elettricamente isolati dalla rete.

email: raffaeleilardo@libero.it

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