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Elettronica di potenza

Generalità

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

Transistor

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 (VCEsat) per i BJT o come una resistenza (Ron) per i MOSFET

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_{C}^2`

Questa potenza è contenuta, perché i valori di VCEsat e Ron 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.

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

I MOSFET sono molto utilizzato in questo campo perché:

  • sono facili da pilotare
  • non assorbono corrente a riposo (in commutazione occorre caricare e scaricare il gate)
  • sono più stabili nell'utilizzo (non c'è il fenomeno della fuga termica dei BJT)

I BJT di potenza hanno un guadagno in corrente hFE minore di quelli di segnale. 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.

darlington

Questa configurazione equivale ad un BJT con un guadagno che è il prodotto dei due guadagni e una VCEsat aumentata di 0,7 Volt (pari alla VBE 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 VCE) che quelli dei MOSFET (alta impedenza di ingresso e facilità di pilotaggio).

Tiristori

I tiristori in senso stretti 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.

SCR

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

SCR

Per portare in conduzione un SCR occorre:

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

La corrente applicata al gate porta l'SCR in conduzione ma 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 IH (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.

caratteristica SCR (fonte Wikipedia)

Come si vede, per entrare in conduzione, è necessario superare la corrente di latching IL; inoltre un SCR può entrare in conduzione anche senza corrente di gate se la tensione tra anodo e catodo supera la tensione di breakover VBO. 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.

snummer RC per 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 potenza2).

Lo spegnimento di un SCR non è problematico nelle applicazioni in corrente alternata3), 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.

regolazione con SCR

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 un:

  • 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 circuito che realizza il controllo di fase è quello in figura (in fondo alla pagina una simulazione per Multisim).

controllo di fase SCR

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.

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.

TRIAC e DIAC

Gli SCR, essendo diodi controllati, sono sostanzialmente dispositivi unidirezionali. I TRIAC 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 IH, sotto la quale il TRIAC si spegne, e della tensione di breakover VBO, oltre la quale il TRIAC si innesca anche in assenza di corrente sul gate.

Il simbolo del TRIAC è rappresentato in figura:

TRIAC

Come si vede non c'è un catodo ma due anodi, chiamati A1 e A2 (ma anche T1 e T2 o MT1 e MT2), e un terminale di gate G.

I DIAC sono componenti bidirezionali come i TRIAC ma privi del terminale di gate. Senza una corrente di inessco 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:

DIAC

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

circuito di innesco TRIAC con DIAC e controllo di fase

Alcune osservazioni:

  • regolando R si ritarda l'innesco (aumenta l'angolo di innesco e diminuisce quello di conduzione)
  • 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)

Extra:

Riferimenti

  • 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)
  • 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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2)
l'impiego di diodi di libera circolazione non è possibile in alternata (condurrebbero per mezzo periodo) ma ci sono soluzioni alternative come i varistori (VDR) o transil (TVS)
3)
in continua sono necessari appositi circuiti di spegnimento
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potenza.txt · Ultima modifica: 2018/04/28 10:07 da admin