Elettronica di potenza

L'elettronica di potenza si occupa della regolazione della potenza erogata a un carico che lavora con tensioni e/o correnti elevate mediante componenti elettronici. Questa soluzione è superiore a quella che fa uso di componenti elettromeccanici come relè e contattori perché questi ultimi:

• richiedono correnti di pilotaggio superiori
• sono molto più lenti (quindi adatti per impieghi tipo marcia-arresto ma certamente non per la regolazione PWM!)
• sono meno affidabili

La soluzione circuitale e i componenti da utilizzare si scelgono in base ai valori di corrente e tensione e al tipo di circuito - in alternata o continua.

I principali componenti utilizzati sono:

• transistor: BJT, darlington, MOSFET e IGBT
• tiristori: SCR, DIAC, TRIAC e GTO

I transistor sono indicati per potenze minori (fatta eccezione per gli IGBT) e circuiti in continua. L'impiego è quello da interruttore dove il transistor si comporta:

• come un interruttore aperto nello stato OFF
• come un generatore di tensione costante (V_CEsat) per i BJT o come una resistenza (R_on) per i MOSFET nello stato ON

In entrambi i casi si ha una dissipazione di potenza sul componente calcolabile con:

• `P_D=V_{CEsat}I_C`
• `P_D=R_{on}I_{D}^2`

Questa potenza è contenuta, perché i valori di V_CEsat e R_on sono molto bassi (meno di un Volt e meno di un Ohm per transistor di potenza), ma non trascurabile e va dissipata sotto forma di calore ceduto all'ambiente (facilitata se si installa un dissipatore)¹⁾.

Il pilotaggio dei transistor è abbastanza semplice e richiede piccole correnti, erogabili anche da porte logiche. In entrambi casi con tensione nulla si ha lo stato OFF mentre per lo stato ON:

• per i BJT occorre dimensionare la resistenza R_B, considerando la tensione di comando e il carico, per portare il BJT in saturazione (vedi appunti di elettronica di quarta)
• per per i MOSFET basta imporre una V_GS maggiore di quella di soglia indicata nei datasheet (in genere 10 Volt, meno di 5V per i MOSFET logic-level) per avere piena conduzione

I MOSFET sono molto utilizzati per pilotare carichi di potenza perché:

• sono facili da pilotare
• non assorbono corrente a riposo²⁾
• sono più stabili nell'utilizzo (non c'è il fenomeno della fuga termica dei BJT)

I BJT di potenza hanno sempre un guadagno in corrente h_FE minore di quelli di segnale (minore di 100). Per pilotare correnti elevate con piccole correnti si può ricorrere ai BJT Darlington. Si tratta di due BJT con il collettore il comune e l'emettitore del primo collegato alla base del secondo.

Questa configurazione equivale ad un BJT con un guadagno che è il prodotto dei due guadagni e una V_CEsat aumentata di 0,7 Volt (pari alla V_BE del secondo transistor).

Gli IGBT (insulated gate bipolar transistor) sono un particolare tipo di transistor che combina un MOSFET in ingresso e un BJT in uscita. Questa soluzione sta soppiantando le precedenti tecnologie nelle applicazioni in commutazione per potenze medio-alte (inverter, alimentatori) perché offre sia i vantaggi dei BJT (tensioni di lavoro elevate e bassa V_CE) che quelli dei MOSFET (alta impedenza di ingresso e facilità di pilotaggio).

Vedi anche:

• pagina di All About Circuits sugli IGBT e l'interessante confronto con BJT e MOS
• questa e questa pagina del sito di Vincenzo Villa sugli IGBT e il loro pilotaggio (vedere anche il datasheet dell'IGBT di cui si parla)

I tiristori in senso stretto sono gli SCR ma spesso, con questo termine, si intendono anche altri componenti a semiconduttore della stessa famiglia come i DIAC, i TRIAC e i GTO. Questo tipo di dispositivi si usano prevalentemente in alternata (fanno eccezione i GTO) e richiedono un circuito di innesco per il loro pilotaggio.

L'SCR (Silicon Controlled Rectifier) è un diodo controllato che dispone di un terzo terminale, oltre ad anodo e catodo, detto gate.

Per portare in conduzione un SCR occorre:

• polarizzarlo direttamente con una V_AK positiva
• applicare un impulso di corrente al gate

La corrente applicata al gate che porta in conduzione l'SCR non è più necessaria una volta avvenuto l'innesco. Per spegnere l'SCR bisogna che la corrente tra anodo e catodo scenda sotto un valore minimo detto corrente di mantenimento I_H (holding current) o che si inverta la tensione tra anodo e catodo. Questo tipo di funzionamento permette di pilotare un SCR (quindi grandi correnti) con correnti impulsive di breve durata ma presenta una serie di complicazioni per l'innesco e lo spegnimento.

Il funzionamento in realtà è più complesso ed è descritto da questa caratteristica.

Come si vede, per entrare in conduzione, è necessario superare la corrente di latching I_L; inoltre un SCR può entrare in conduzione anche senza corrente di gate se la tensione tra anodo e catodo supera la tensione di breakover V_BO. Questa condizione indesiderata di auto-innesco potrebbe verificarsi anche in seguito a brusche variazioni di tensioni - ad esempio per fenomeni induttivi - e va evitata ricorrendo a circuiti smorzatori da porre in parallelo all'SCR.

La serie RC smorza le brusche variazioni di tensione limitandole anche in ampiezza. L'impiego di una resistenza permette di regolare lo smorzamento del circuito ma comporta una dissipazione di potenza³⁾.

Lo spegnimento di un SCR non è problematico nelle applicazioni in corrente alternata⁴⁾, perché ogni mezzo periodo la tensione si inverte portandolo in interdizione. L'innesco invece deve essere sincronizzato con la semionda positiva; questo richiede un apposito circuito di innesco in grado di accendere l'SCR al momento giusto in modo da regolare la potenza.

La figura seguente illustra questo tipo di regolazione, detta a controllo di fase.

L'impulso di gate, regolato e sincronizzato con la tensione di alimentazione con un apposito circuito di innesco, porta in conduzione l'SCR nella semionda positiva, parzializzando la tensione e regolando così la potenza al carico. Si chiama:

• angolo di innesco, quello che corrisponde al ritardo dell'impulso di corrente
• angolo di conduzione, quello durante il quale l'SCR conduce

Regolando l'angolo di innesco si ritarda l'entrata in conduzione dell'SCR regolando la potenza.

Un possibile circuito⁵⁾ che realizza il controllo di fase è quello in figura (qui la simulazione per Multisim, qui il calcolo dell'angolo di innesco).

Il ramo con la resistenza variabile e il condensatore permette di innescare l'SCR nel momento desiderato (aumentando la R la carica del condensatore rallenta e l'innesco avviene più tardi); il diodo fa sì che la tensione sul gate sia solo positiva.

Un circuito migliore è questo:

Naturalmente l'SCR non può condurre durante la semionda negativa quindi la potenza massima sarà al massimo la metà di quella disponibile. Per ovviare a questo problema è possibile usare due SCR in opposizione oppure un altro tipo di tiristore, il TRIAC (o un raddrizzatore a ponte tra alimentazione e circuito). Un'altra soluzione è quella di anteporre un ponte a diodi integrato al circuito con l'SCR.

Gli SCR, essendo diodi controllati, sono sostanzialmente dispositivi unidirezionali. I TRIAC⁶⁾ son dispositivi con caratteristiche simili ma bidirezionali. Si comportano come due SCR in antiparallelo con un unico terminale di gate. La caratteristica di un TRIAC è simile a quella di un SCR ma si differenzia perché:

• può condurre sia nel primo che nel terzo quadrante
• il verso della corrente di gate non è importante e il TIRAC entra in conduzione sia con corrente entrante che con corrente uscente

Come per l'SCR occorre tener conto della corrente di mantenimento I_H, sotto la quale il TRIAC si spegne, e della tensione di breakover V_BO, oltre la quale il TRIAC si innesca anche in assenza di corrente sul gate.

Il simbolo del TRIAC è rappresentato in figura:

Come si vede non c'è un catodo ma due anodi, chiamati A₁ e A₂ (ma anche T₁ e T₂ o MT₁ e MT₂⁷⁾), e un terminale di gate G. E' importante osservare che i TRIAC hanno comunque un verso; MT1 e MT2 non sono interscambiabili e la corrente del gate deve provenire dal lato di MT2 (il gate deve essere a un potenziale positivo rispetto a MT1).

I DIAC sono componenti bidirezionali come i TRIAC ma privi del terminale di gate. Senza una corrente di inesco entrano in conduzione solo superando la tensione di breakover, che ha un valore tipico intorno ai 30 Volt. Il simbolo di un DIAC è questo:

L'impiego più comune dei DIAC è nei circuiti di innesco dei TRIAC per generare una corrente di gate sincronizzata con la tensione alternata che sarà parzializzata con il TRIAC.

Il circuito che segue contiene un TRIAC che regola la potenza su un carico (ad esempio una lampada) con controllo di fase; per l'innesco viene utilizzato un DIAC.

Alcune osservazioni:

• regolando R si ritarda l'innesco (aumenta l'angolo di innesco e diminuisce quello di conduzione)
• a innesco avvenuto il ramo con il condensatore risulta cortocircuitato
• con un carico induttivo è necessario porre uno smorzatore RC in parallelo al TRIAC (per una lampada o un carico resistivo non serve)
• in questo tipo di applicazioni si usa sempre un filtro LC per limitare i disturbi dovuti alla forma d'onda della tensione parzializzata
• i valori di resistenza e capacità vanno dimensionati opportunamente
• la regolazione non funziona bene per angoli di innesco elevati (potenze basse) e bisogna ricorrere a circuiti di innesco più complicati
• una resistenza posta tra DIAC e gate del TRIAC migliora le prestazioni (limita la corrente e prolunga l'impulso di corrente per avere un innesco certo)

Qui un video di un circuito dimmer con TRIAC e controllo di fase⁸⁾.

Il circuito è questo:

Nel video il circuito è alimentato con tensione elevata ricavata da quella di rete e regolata con un variac, cioè un autotrasformatore con rapporto spire regolabile. Negli autotrasformatori manca però l'isolamento quindi per usare l'oscilloscopio serve un trasformatore d'isolamento a monte del variac che renda flottante la tensione di alimentazione. L'oscilloscopio usa due canali per tracciare il segnale a monte del carico (tensione di rete in giallo) e a valle e sonde con attenuazione 10x. Con il menu 'MATH' facendo la differenza tra i due segnali si traccia la tensione al carico (rossa).

NB il riferimento dei due canali dell'oscilloscopio è collegato al meno dell'alimentazione ma questo si può fare solo se c'è di mezzo un vero trasformatore, con primario e secondario elettricamente isolati tra loro. Con un autotrasformatore infatti il “meno” dell'alimentazione è collegato al neutro e può avere un potenziale diverso rispetto a quello della massa dell'oscilloscopio, che è collegata a terra⁹⁾. Se i due potenziali non coincidono si ha un corto tra i due punti e interviene il differenziale. UPDATE Col recente acquisto della sonda differenziale Testec TT-SI 9001 non è più necessario il trasformatore di isolamento né l'uso di due canali con la funzione math.

Più interessanti:

• simulazioni Multisim con controllo di fase per SCR e TRIAC
• altra simulazione con conrollo di fase, circuito più complicato che riduce l'isteresi¹⁰⁾
• Application note sui tiristori (in particolare da pag. 13, pag. 14 su come bastino angoli di conduzione tra 30° e 150° ma anche il glossario)
• Modulo sui tiristori di Learn About Electronics (in particolare il modulo 6.4 sul controllo di fase e il problema dell'isteresi, ma anche circuito crowbar in continua, circuito equivalente dell'SCR come coppia PNP-NPN)
• un'applicazione dei tiristori sono i soft-starter per motori asincroni (alternativa economica agli inverter o VDF)
• Application Note della Philips sul controllo di potenza con tiristori

Ma anche:

• Application note della ST (pag. 10)
• golden rules
• capitolo sui tiristori di All About Circuits

• sezione 18A del testo di elettronica di quarta (pilotaggio on-off di BJT e MOSFET, BJT darlington, controllo lineare e PWM)
• sezione 18C del testo di elettronica di quarta (SCR, TRIAC, DIAC e circuiti di innesco, simulazione 245NT18C.ms11)
• unità 4 del modulo 7 del testo di TPA di quarta (regolazione con diodi e SCR in alternata, regolazione PWM in continua, transistor come interruttori, SCR, TRIAC, DIAC e circuiti di innesco)

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