Teoria e pratica degli S.C.R. e TRIAC
PREMESSA
Per corretteza nei vostri confronti tengo a precisare che questo tutorial non è proprio tutta "farina del mio sacco" nel senso che ho trovato spunto su dei vecchi libri di elettronica, ne ho estratto gli argomenti essenziali e fatto un sunto, cercando di semplificare la descrizione per far comprendere meglio l'argomento, a tutti coloro che sono alle prime armi di elettronica. Faccio notare che non sono un mostro di elettronica anche se il mio diploma di perito elettronico risale al lontano 1972 e in tutto questo tempo mi sono dedicato più all'informatica che all'elettronica, però devo onestamente dire che anch'io facendo questo tutorial ho imparato qualcosa in più.
Gli S.C.R. come i TRIAC appartengono alla famiglia dei tiristori. In pratica, funzionano come interruttori elettronici ad alta velocità. Sono dei dispositivi allo stato solido che possono sopportare correnti di decine o centinaia di ampere e dei potenziali che giungono a diverse centinaia di volt.
Sono impiegati per sostituire gli interruttori meccanici ed i relais nei vari sistemi di controllo. Possono regolare l’illuminazione di lampade, la velocità di rotazione dei motori elettrici, sistemi di riscaldamento o equipaggiare i più svariati sistemi d’allarme. In definitiva hanno una moltitudine d’impieghi nelle applicazioni industriali, casalinghe e ovunque serva un automatismo in genere. Inoltre questi dispositivi possono lavorare sia in corrente continua che in corrente alternata.
S.C.R. teoria fondamentale
S.C.R o rettificatore controllato al silicio, è un dispositivo semiconduttore a quattro strati, e normalmente lo si rappresenta con il simbolo mostrato in Fig. 1
Il simbolo rassomiglia ad un normale diodo, ma vi è in più un terminale di controllo detto “gate” . L’S.C.R. può lavorare come un interruttore aperto o chiuso, o come rettificatore al silicio, in relazione all’impiego che si fa del gate.Per aiutare a comprenderne il funzionamento lo si può raffigurare con un circuito equivalente (Fig. 2) realizzato tramite una coppia di transistor. Il funzionamento è il seguente:
Quando il gate diviene positivo rispetto al catodo, si ha una corrente di gate che scorre tramite R1 e R2 nelle giunzione base-emettitore del T1. Se la corrente è sufficientemente ampia, T1 risulta polarizzato e la sua corrente di collettore circola nella base di T2. Questa corrente di base è amplificata da T2 e riportata alla base di T1 ne segue una ulteriore amplificazione e l’intensità è portata a T2.Una volta che S.C.R è innescato e conduce, il gate non esercita più nessun controllo anche se la polarizzazione del gate è completamente eliminata. Concludendo T1 e T2 sono collegati in modo da formare un insieme a reazione positiva, il guadagno offerto da ciascuno si somma a quello dell’altro. Bastano pochi milliampere sul gate per controllare delle correnti anodiche di molti ampere. Oppure basta un potenziale del gate che sia dell’ordine di 1 V per far scattare in conduzione L' S.C.R. controllado tensioni nell’ordine di centinaia di Volt. Quindi si può affermare che il dispositivo presenta un elevato guadagno in tensione e in corrente. Di conseguenza, si ha un guadagno di potenza estremamente elevato. Bastano pochi milliwat applicati al gate per controllare centinaia di Kilowat sul carico.
Una volta che l' s.c.r. è in conduzione, può essere interdetto solamente riducendo momentaneamente a zero la sua corrente anodica, o comunque al di sotto del valore minimo di aggancio o di tenuta. Siccome il passaggio all'inerdizione interviene quando la corrente è diminuita al di sotto del valore critico, ne consegue che nei circuiti in alternata, lo spegnimento interviene automativamente ogni volta che la sinusoide di rete attraversa lo zero, cioè al termine di ogni semiperiodo. Per comprendere come mai lo spegnimento segua la discesa della corrente al valore minimo, dobbiamo riferirci alla figura 2. In pratica, il guadagno in corrente dei due transistor decade, quando la corrente anodica scende, ed il circuito si sgancia dalla condizione reattiva quando la corrente del terminale anodo cala ad un valore tale da provocare un guadagno complessivo pressochè unitario. La minima corrente per la tenuta in conduzione ha un valore tipico di alcuni mA.
Se L ‘S.C.R è un tiristore unidirezionale nel senso che è attraversato da una corrente unidirezionale che va dall’anodo al catodo, i TRIAC sono dispositivi bidirezionali ossia lasciano circolare la corrente in ambedue le direzioni. Un TRIAC può essere considerato come una coppia di s.c.r. collegati in antiparallelo in un singolo contenitore munito di tre terminali, visto che i gates sono riuniti. Anche i TRIAC possono essere impiegati come interruttori allo stato solido e per il controllo di carichi di elevata potenza. Il TRIAC normalmente è disinnescato, ma entra in conduzione se al gate si applica un segnale di ampiezza adeguata. Il simbolo è mostrato in Fig. 3.
Il TRIAC mostra delle caratteristiche di funzionamento simili a quelle di due s.c.r. in antiparallelo. Il funzionamento è il seguente, facendo riferimento alla fig. 4.
Fig.4
Senza alcun segnale sul gate il triac è disinnescato ed appare come in circuito aperto (tra i terminali A1 e A2). In ambedue le direzioni circola solo un' intensità di corrente trascurabile.
Se il terminale A2 è molto più positivo o negativo di A1 il triac può essere innescato e ciò avviene se si applica un segnale di apiezza sufficiente al gate tramite P1. L'innesco è estremamente veloce: pochi microsecondi. I terminali A1 e A2 assumono l'aspetto di un interruttore chiuso.
Il triac per essere innescato, sul gate serve solo un breve impulso positivo o negativo senza alcun riferimento alla polarizzazione del valore che appare ai terminali principali. Per produrre l'innesco è sufficiente una tensione al gate di uno o due volt con una intensità di qualche decina di milliampere. Così, come nel caso dello s.c.r., ma a maggior ragione, vi è quindi un notevole guadagno di potenza tra il gate del triac ed il carico. Una volta che il triac è innescato resta autoallacciato, il gate perde ogni facoltà di controllo, ed il dispositivo può essere disinnescato solo riducendo pressochè a zero la corrente che circola tra i terminali principali (A1-A2), ovvero al disotto del livello di tenuta. Di conseguenza, quando il triac è impiegato come interruttore per carichi alimentati dalla rete, disinnesca ogni volta che la sinusoide assume un valore zero, cioè al termine di ogni semiperiodo.
Quando il triac è innescato, tra i terminali principali (A1-A2) si sviluppa una tensione di uno o due volt, che deriva dalla saturazione. Quindi se un triac commuta un carico che assorbe 10A a 220V e vi è un potenziale di saturazione di 1,5V, la potenza controllata è di 2200W, ma nel triac va persa una potenza nell'ordine di 15W che possono essere facilmente dissipati con un radiatore adeguato. In sostanza, quindi, il triac costituisce un efficace sitema di controllo per carichi che funzionano in alternata.
Sia gli S.C.R. che i TRIAC funzionano come interruttori di potenza ad alta velocità e hanno un tempo di innesco, o accensione pari a pochi microsecondi.Quando questi dispositivi sono impiegati per commutare la tensione su di un carico, l’elevata velocità di funzionamento genera una serie di armoniche impulsive che ricadono persino nella gamma R.F relativa alla ricezione. L’ampiezza di questi segnali a R.F. è proporzionale alla corrente commutata da questi dispositivi ed è talmente grande da provocare delle interferenze con la ricezione AM, onde medie.
Essi generano due tipi d’interferenza durante la commutazione; uno è rappresentato dalla R.F irradiata direttamente via etere ma è un tipo di disturbo molto debole e quindi trascurabile , semprechè il ricevitore non sia nelle immediate vicinanze.
Il secondo e il più fastidioso è la R.F. introdotta nell’impianto elettrico e re-irradiata da questo. Questo tipo di disturbo giunge ad essere captato dai televisori e dai vari tipi di ricevitori che sono alimentati tramite il medesimo cavo di rete. E’ possibili eliminarlo collegando un semplice filtro di tipo L-C in serie con la rete , che serve da trappola per le armoniche e le riduca ad un valore non significante. Chiarendo meglio il concetto, se il circuito è impiegato con un carico induttivo (motore elettrico) la stessa induttanza del carico smorza alquanto i disturbi R.F. Se il carico è resistivo, il circuito deve essere completato con un semplice filtro L-C.
Quanto detto sopra ora presenterò alcuni schemi.
La semplicità dei circuiti è stata fatta solo per far comprendere meglio il funzionamento di base dei triac e s.c.r.
Naturalmente tutti i circuiti potranno essere modificati per renderli più affidabili e sicuri..........ma questo è un'altro discorso.
Circuiti base con S.C.R. in corrente continua
Le Fig. 5 e 6 mostrano un semplice circuito interruttore che controlla una lampadina a filamento tramite una tensione a 12 V. I due circuiti si differenziano solo nella parte di disinnesco dell' s.c.r tramite S2.
Comè ovvio, la lampadina può essere sostituita da un carico equivalente, volendo, ma se si impiega un sistema induttivo, questo deve essere shuntato da un diodo di smorsamento (D1), per evitare ogni danno provocato dalla tensione inversa che interviene allorchè l' s.c.r. è commutato in conduzione o interdizione.
La corrente del gate è erogata dalla resistenza limitatrice R1 e pigiando brevemente il pulsante S1. il circuito rimane in funzione anche lasciando andare il pulsante stesso. La R2 collegata tra il gate ed il catodo migliora la stabilità nella stessa maniera in cui la migliora una analoga resistenza collegata tra la base e l'emettitore di un transistor. Per interdire il funzionamento, occorre ridurre momentaneamente la tensione anodica a zero pigiando brevemente S2 (Fig. 5) o cortocircuitando l' s.c.r. con S2 (Fig.6).
La Fig. 7 è un semplice allarme antifurto "anti taglio dei cavi" . Il sistema entra in funzione non appena si preme uno dei pulsanti , da S4 a S6, oppure viene aperto uno dei contatti (S1-S3) o tagliando il cavo. I pulsanti possono essere sostituiti da microswitch, o contatti a reed per la protezione di porte e finestre. C1 serve per l'annullamento dei rumori parassitari ed assicura che non si abbiano azionamenti spuri dovuti a vibrazioni o colpi che facciano tremolare le superficidi contatto.
Circuiti base con S.C.R. in corrente alternata
La Fig. 8 mostra un circuito di accensione e spegnimento, funzionante a semionda. Chiudendo S1 all'inizio di ogni semiperiodo positivo, l's.c.r. rimane ancora interdetto, anche se la tensione di rete giunge al gate tramite D1 ed R1. man mano che il periodo di rete procede, al gate giunge una tensione abbastanza ampia per produrre di reazione interna che abbiamo visto sopra, nei dettagli, e la lampada si accende. Nel momento in cui l' s.c.r. conduce, la sua tensione anadica cala pressochè a zero, ed in tal modo il pilotaggio tramite il gate non ha ulteriore effetto. In queste condizioni nell' s.c.r. circola una corrente intensa e il semiconduttore resta autoallacciato per tutto il semiperiodo. Si disinnesca automaticamente quando il semiperiodo finisce e la corrente anodica cala a zero. Tale funzione si ripete di continuo, come dire che l' s.c.r. innesca poco dopo che è iniziato il semiperiodo positivo, semprechè S1 sia chiuso, e praticamente metà della potenza di rete è applicata alla lampada. L' s.c.r e la lampada si spengono quando S1 è riaperto. La R1 ha un valore piuttosto basso, ed in tal modo l' s.c.r. è innescato il più tardi possibile, in ciascun semiperiodo. D1 previene la polarizzazione inversa del gate, come avverrebbe durante le semionde negative.
La Fig. 9 infine, mostra due s.c.r collegati in antiparallelo per alimentare un carico su ambedue le semionde.
Quando S1 è aperto, i due gates non sono polarizzati. e il carico non è alimentato. Chidendo S1, durante il semiperiodo positivo delle rete, D1 ed R2 polarizzano il gate di s.c.r. 1 mentre durante il semiperiodo negativo D2 ed R2 polarizzano il gate di s.c.r. 2. Ottenendo in tal modo il controllo ad onda intera sul carico.
Circuiti base con TRIAC
La Fig. 10 mostra lo schema di un interruttore di rete che impiega un triac munito di polarizzazione in c.c per il gate.
La Fig. 11 mostra invece come si possa impiegare un triac come semplice interruttore, con trigger ricavato direttamente dalla rete. Il triac innesca quando si chiude S1 e la tensione attracerso R1 giunge al gate. In pratica si ha l'accensione ad ogni semiperiodo. Il pilotaggio del gate tramite R1 è tolto automaticamente quando il triac innesca, ed in tal modo la corrente minore che attraversa S1 è dell'ordine di pochi milliampere, mentre quella massima è di circa 2 A, nell'istante della chiusura; si tratta comunque di una intensità di picco. Tale corrente di picco può essere ridotta a pochi mA con altri accorgimenti ....ma questo è un altro discorso.
La Fig. 12 è equivalente alla 11, aggiungo solo che il diodo fa passare solo i semiperiodi positivi, cosicchè la lampada è alimentata a metà della tensione.
Principi di funzionamento dei sistemi di controllo dei carichi basati sullo sfasamento.
I circuiti presentati sino ad ora erano sostanzialmente dei semplici interruttori elettronici tutto acceso o tutto spento.
La caratteristica fondamentale degli s.c.r. e dei triac, è quella di poter alimentare carichi che richiedono tensione di rete in modo graduale, da zero al massimo. Il sistema più diffusamente impiegato per realizzare dei controlli di potenza variabile, è quello detto a regolazione tramite fase. Il principio di funzionamento di questo tipo di circuito, è mostrato nello schama a blocchi di fig. 13.
La figura mostra il circuito di utilizzo di un triac che regola la potenza applicata ad un carico. Il carico è posto in serie al triac. Il segnale per il trigger del gate, è derivato da A2 vedi Fig. 3 tramite un sistema di ritardo della fase ed un trigger.
Il ritardatore della fase, fa si che la tensione alternata all'ingresso del circuito di trigger possa essere variata, idealmente, nei confronti di A2 da 0° a 180°, come dire per tutta la durata di un semiperiodo di rete. Il dispositivo di trigger è una sorta di "interruttore" comandato dalla tensione che ha un funzionamento a scatto ed accende il triac quando è presente il livello di tensione prefisso all'uscita del ritardatore di fase o al termine del periodo di ritardo nello sfasamento. Le forme d'onda che vediamo sono quelle che compaiono nei diversi punti del circuito con tre diverse regolazioni del sistema di sfasamento.
Vin = tensione di rete
Vgt = tensione sul gate
Vq1 = tensione ai capi del triac
Vl = tensione applicata al carico
Regolazioni del sistema di ritardo della fase:
10° - il triac riceverà il trigger 10° dopo l'inizio di ciascun semiperiodo. Al carico si applica quasi tutta la tensione di rete.
90° - il si accende verso la metà di ciascun semiperiodo. Al carico è applicata solo la metà della potenza.
170° - Il triac non si accende altro che a 10° dal termine del semiperiodo. Al carico è applicata una potenza veramente minima.
Siccome il triac è o alla saturazione o all'interdizione, nel dispositivo si "perde" una potenza minima sotto forma di dissipazione, e si ottiene un regolatore molto efficiente.
Il sistema sfasatore può avere due forme basilari. Può consistere in uno sfasatore R-C singolo o multiplo, oppure in un sistema di ritardo, sempre R-C, che simuli lo sfasamento tramite l'equivalente di un temporizzatore. Il trigger è in pratica un qualche interruttore allo stato solido che può avere un certo numero di versioni pratiche.
Prima di iniziare con la descrizione dettagliata del funzionamento della fig. 13 è bene sapere cosa si tratta effettivamente del "sistema di trigger" illustrato nella stessa figura. Il "sistema di trigger" in realtà è un semplice componente elettronico chiamato "diac" il cui simbolo elettrico è quello raffigurato in fig. 14. Come dicevo il diac è un sistema di trigger bilaterale ed impiega una speciale struttura simile a quella di un transistor ma a tre strati che mostra un tratto di funzionamento a resistenza negativa nel punto di scatto. Ha una tensione di innesco di circa 35v. In tal modo, se al dispositivo si applica una tensione crescente, tramite una resistenza limitatrice, il diac si comporta come un interruttore aperto sino a che il potenziale non raggiunge i 35v: a questo punto, il semiconduttore innesca ed eroga un impulso dall'ampiezza di 5v al carico. La tensione rimanente, 30v, cade ai capi del diac. Il dispositivo può essere collegato in circuito con qualunque polarità.
La fig. 14 mostra il circuito base di un semplice regolatore graduale della luminosità di una lampada. R1 e C1 formano un divisore di potenziale combinato con un variatore di fase. Il diac, è impiegato come trigger che innesca quando C1 giunge ad una tensione di circa 35v (quale sia la polarità), quindi scarica parzialmente il C1 nel gate del triac accendendolo. Non appena la carica di C1 scende a 30v o simili, il diac torna ad inibirsi.
Quando R1 è regolato per un valore molto basso, si ha una piccola attività nella ripartizione del potenziale e nella variazione di fase, sicchè il valore di tensione ai capi di C1 segue i valori di rete sino a che si raggiunge il valore di trigger per il diac e il triac innesca e si accende la lampada, rimuovendo il pilotaggio del sistema R1 - C1. In queste condizioni, il triac si accende poco dopo all'inizio di ciascun semiperiodo, quindi al carico è applicata quasi tutta l'alimentazione.
Quando R1 invece è regolato per un valore alto, si ha un vero sistema divisore del potenziale, in quanto la tensione di picco ai capi di C1 potrà potrà raggiungere appena la tensione di 35v e lo sfasamento introdotto da C1 sarà di circa 90°. Siccome il picco di un semiperiodo avviene a 90° dopo l'inizio di un semiperiodo, in tal caso C1 provocherà l'accenzione del triac con un ritardo di circa 170°. In queste condizioni, il triac non innesca altro che ha 10° dalla fine di ciarcun semiperiodo, quindi il carico è alimentato al minimo. Quindi in via teorica il sistema R1 - C1 ed il diac permette di innescare il triac con angoli di fase tra 10° a 170° in ciascun semiperiodo e indubbiamente, un sistema del genere rappresenta un efficacie controllo per il carico ma..........il circuito presenta notevoli difetti e vediamo quali.
Siccome il triac commuta bruscamente, e tratta correnti piuttosto elevate, la forma d'onda commutata è molto ricca di armoniche. Nel circuito mostrato, le armoniche sono iniettate direttamente sulla rete-luce e possono provocare delle interferenze abbastanza serie alla ricezione ad onde medie o lunghe (AM). La prima modifica è l'aggiunta di un filtro R.F. che minimizzi le armoniche dette (vedere sopra quanto detto a tal proposito). La seconda modifica è di porre in serie a R1 una resistenza limitatrice in modo che quando R1 è prossimo al minimo valore, la corrente che carica C1 non lo danneggi. Lo schema della fig. 15 mostra tali miglioramenti.
La R2 è la resistenza limitatrice della corrente di carica del condensatore e la L1- C2 forma il filtro R.F.
La L1 deve sopportare una corrente superiore a quella assorbita dalla lampada e può essere facilmente realizzata avvolgendo all'incirca 100 spire di rame smaltato su un qualunque supporto del diametro di 12 mm.
Quindi il circuito di Fig.15 è quindi ben utilizzabile, ma è privo di difetti? Beh, uno lo ha. Il potenziometro R1 ha una notevole isteresi di manovra. Se la lampada si spegne quando R1 giunge al valore di 500K, non si accende sino a che non si riduce il valore a circa 400K. In tali condizioni il valore di C1 riesce a raggiunge i 35v che servono per innescare il diac; in tal modo , il triac innescherà a circa 10° prima che il semiperiodo termini, applicando un pilotaggio molto debole alla lampada. Quando il diac innesca durante il semiperiodo, riduce la carica del C1 di soli 5, quindi a 30v.
Di conseguenza, nel successivo semiperiodo, C1 si deve scaricare della tensione a 30v e ricaricarsi a 35v per accendere il diac con una escursione totale di 65v in un semiperiodo. Siccome R1 è sempre regolato a 400K, C1 raggiunge il valore di 35v in ritardo, nel secondo semiperiodo, rispetto al primo, ed il triac si accende molto prima della fine del semiperiodo, quindi alimenta in modo assai più elevato il carico, facendo emettere una luminosità molto più forte. Nel semiperiodo ancora successivo, il circuito lavora più o meno nelle stesse condizioni del secondo semiperiodo e la lampada continua ad essere molto luminosa. Una volta che il circuito sia perfettamente operativo, C1 muta di valore, per ogni semiperiodo, di 65v ed il valore di R1 deve essere portato a circa 450-460K prima che la lampada si spenga, o che giunga a livelli di luminosità molto bassi. Per ridurre questa noiosa isteresi dobbiamo modificare il circuito come quello di Fig. 16. Infatti la R3 riduce l'ampiezza della variazione di tensione su C1 quando il diac innesca.
Il circuito di Fig. 17 riduce ancora l'effetto parassitario. Infatti la carica di C1 si scarica nel C3 tramite la resistenza piuttosto elevata di R3. C1 ha una tensione leggermente più elevata di quella di C3, e C3 fa condurre il diac ogni volta che raggiunge i 35v. Una volta che il diac è innescato, riduce la tensione ai capi di C3 brevissimamente, a 30v. C3 però si ricarica parzialmente tramite C1 ed R3. Si ha quindi una variazione piccola nella carica di C3, come risultato dell'innesco del diac, quindi il circuito mostra un ritardo limitatissimo. L'isteresi può essere ulteriormente ridotta pressochè a zero, collegando una ulteriore resistenza in serie al diac per limitare la scarica del C3, come di vede in Fig. 18.
La Fig. 19 è simile a quella di Fig. 18, salvo che il filtro R.F. costituito da L1- C2 è eliminato (visto che la soppressione dei disturbi è ottenuta automaticamente tramite l'induttanza del motore) e si impiega il filtro contro i picchi di tensione costituito da R5 e C2. Visto che il motore ha una precisa natura induttiva, le tensioni e correnti principali che circolano nel triac sono sfasate. Di conseguenza, si hanno dei transitori della tensione molto elevata quando il triac disinnesca alla fine di ciascun semiperiodo; se non si prevedessero R5 e C2, queste sovrattensioni potrebbero riaccendere in modo parassitario il triac.
Conclusione
Spero di essere stato chiaro nella descrizione di funzionamento di questi due componenti elettronici e di aver toccato tutti gli argomenti giusti per la loro comprensione. Per quanto riguarda i triac, s.c.r. e diac possono essere di qualsiasi tipo, naturalmente, dipendono dalla potenza del carico che si vuole controllare.
Ricordo ancora una volta che i circuiti sono quelli di base, quindi semplici circuiti per far capire meglio come utilizzarli e sono senz'altro migliorabili.
Non mi rimane che salutarvi.....e dato che ci sono augurarvi un felice BUON NATALE.
p.s
scusate gli eventuali errori di battitura e sintassi.
