Impiego del Tiristore

Dettagli

Categoria: Elettronica

Pubblicato Martedì, 20 Maggio 2014 09:46

Scritto da Super User

Visite: 60975

Il caso più semplice d’impiego per un controllo a tiristore è quello cosiddetto a “senso unico” (vedi figura 1). Consideriamo dapprima il circuito di corrente principale. In questo il tiristore si trova in serie alla tensione alternata di alimentazione, poiché il tiristore, per le sue proprietà particolari, è essenzialmente un interruttore a corrente alternata. Sempre in serie si trova la resistenza di carico R_L. L’intensità di corrente attraverso la resistenza R_L viene controllata dal tiristore.

Consideriamo in primo luogo solo il controllo di corrente in carichi per cui vale la legge di Ohm (ad esempio lampadine elettriche, stufe elettriche, ecc.). Perciò anche nella figura il carico R_L è rappresentato come una resistenza ohmica.

Figura 1

Possiamo adesso prevedere i processi che avvengono nel circuito di corrente principale, in base all'andamento della tensione e della corrente nel tiristore: fornita dalla sorgente di tensione, viene applicata al circuito una tensione alternata U∼.

La figura 2 a) indica la dipendenza del tempo della tensione sinusoidale alternata (U ∼).  

Se all'elettrodo di controllo viene applicata la corrente di controllo i_G, come indicato dalla rappresentazione grafica di figura 2 b), allora la tensione u applicata al tiristore assume l'andamento indicato in figura 2c). Durante lo stato di blocco e sino all'istante dell'innesco , il tiristore è sotto la tensione totale. Dopo l’innesco e durante la conduzione la u diviene praticamente zero.

(La piccola tensione di conduzione residua u_F nel tiristore è minima e può essere trascurata in questo caso).

Durante la conduzione scorre la corrente i e valore medio di corrente continua I_F, attraverso il carico R_L ed attraverso il tiristore. (Vedi figura 2 d).

Figura 2

Per meglio intendere le correlazioni fra carico e tiristore, gli andamenti delle tensioni e delle correnti indicate nella figura 2 devono essere ulteriormente chiariti.

Durante il blocco  è applicata al tiristore la piena tensione U∼ alternata fornita al circuito di corrente. In questo caso la resistenza interna del tiristore è notevolmente più alta della resistenza R_L di carico inserita nel circuito (vedi figura 3 a sinistra). Di conseguenza non abbiamo alcuna caduta di tensione al carico R_L e di conseguenza nessuna corrente attraverso lo stesso.

Durante la conduzione invece  il tiristore non è sottoposto ad alcuna tensione. La sua resistenza interna è ora molto più piccola di quella del carico R_L. La tensione raddrizzata cade di conseguenza ai capi di R_L Da questa caduta di tensione e dalla resistenza del carico viene determinata l’intensità della corrente di carico i, la quale a causa del collegamento in serie del carico e del tiristore scorre anche attraverso di questo (figura 3 a destra).

Vale in forma generale: in caso di resistenze di carico ohmiche, sono determinanti per l'intensità di corrente i prima di tutto la grandezza della resistenza e poi la tensione continua controllata dal tiristore.

Figura 3

Nel collegamento unidirezionale vien controllato, ed è possibile, solo un senso di percorso della corrente alternata fornita. L’altro senso viene interdetto dallo stato di interdizione del tiristore. Se nel circuito principale è inserito un carico per corrente continua, questo viene controllato col valore medio della corrente continua raddrizzata. Per questo caso di impiego vengono utilizzate le due caratteristiche del tiristore, il raddrizzamento e la regolazione di corrente. Se però deve essere controllato un carico a corrente alternata, in molti casi l’interdizione dell'altro senso di corrente non è richiesta, e perfino non desiderata. Per la piena utilizzazione elettrica dell'apparecchio manca quella parte di corrente per il carico, che scorre nel senso dell'interdizione, e che viene bloccata dal tiristore. Anche nel caso di piena conduttività del tiristore la potenza assorbita dalla resistenza di carico può raggiungere solo la metà di quella assorbibile dal carico inserito.

Supponiamo che un carico a corrente alternata abbia la possibilità di assorbire una potenza uguale ad 1. Allora la potenza originale dell'apparecchio inserito potrebbe essere controllata solo fra il valore O ed il valore 0,5 a mezzo del tiristore in collegamento unidirezionale. Immaginatevi ciò a mezzo della superficie tratteggiata nella figura 4:

Figura 4 - Campo di regolazione a corrente alternata a mezzo di un tiristore inserito in un circuito col collegamento a senso unico

Per aggirare questa limitazione nell'impiego del controllo a tiristori, si utilizza il collegamento in antiparallelo per i carichi a corrente alternata, usando due tiristori (vedi figura 5 a sinistra). Il tiristore Th 1 corrisponde per la polarità a quello nel collegamento a senso unico della figura 1.

Vi è stato aggiunto il tiristore Th 2 con polarità invertita. In tal modo si può regolare un senso della corrente col Th 1 e l’altro senso col Th 2. Nella figura 5 a sinistra, a fianco degli elettrodi di controllo sono stati rappresentati gli impulsi di innesco e la loro sequenza, coi quali vengono innescati i tiristori. Con questo collegamento un carico per corrente alternata è totalmente regolabile e la figura 5 a destra indica che la potenza può essere regolata da 0 a 1.

Questo tipo d’impiego, in antiparallelo od a due sensi, è così importante che per questo scopo è stato‘ realizzato un elemento costruttivo semiconduttore: il Triac, o tiristore a due vie . Questo elemento ha le stesse caratteristiche rappresentate nella figura 5 a sinistra, da quella parte racchiusa nel rettangolo tratteggiato.

Figura 5

Consideriamo ora per il collegamento in antiparallelo, anche l'andamento della tensione e della corrente. La figura a) indica la tensione alternata U∼ in funzione del tempo. A mezzo delle differenti correnti d’innesco (figura 6 b) e delle loro direzioni, immesse negli elettrodi di controllo, si generano le tensioni u₁ ed u₂ rispettivamente ai capi dei tiristori Th 1 (figura 6 c) e Th 2 (figura 6 d).

L'andamento di u₁ è identico con quello del collegamento unidirezionale di figura 2 c .L’andamento di u₂ indica che ora, a causa della polarità data al tiristore, si può controllare anche l’altro senso della corrente (figura 6 d).

Dall'andamento di queste due tensioni nei due tiristori risulta l'andamento della corrente principale attraverso il carico R_L. (figura 6 e). Entrambe le direzioni di corrente alternata causano ora un passaggio di corrente attraverso il carico.

Figura 6

Col collegamento unidirezionale, essenzialmente per carichi a corrente continua (figura 1), e col collegamento in antiparallelo, particolarmente per carichi a corrente alternata (figura 5), voi avete studiato i collegamenti basilari per i tiristori.

Questi collegamenti vengono ampliati con una variante notevole del collegamento in antiparallelo, che come conclusione è bene considerare. (Figura 7 a sinistra). Questo collegamento corrisponde a quello in antiparallelo della figura 5, in cui però il tiristore Th 2 è stato sostituito con un diodo D. Caratteristica di questo collegamento è che solo una direzione di corrente può essere regolata a mezzo del tiristore Th. L’altra viene solo permessa in funzione della polarità del diodo D. Ciò significa: anche durante l’interdizione del tiristore Th, scorre sempre una corrente nel carico attraverso il diodo D. Questa parte di corrente non viene influenzata dal tiristore. Si può regolare solo quella parte di corrente che passa attraverso il tiristore, in aggiunta a quella che passa incontrollata attraverso il diodo. Per la resistenza di carico ciò significa: con questo collegamento la potenza assorbita dal carico può essere regolata solo tra la metà del valore massimo assorbibile dal carico ed il suo massimo (figura 7 a destra). A causa di questa proprietà questo collegamento viene anche denominato semiregolazione. Esso viene impiegato in tutti i casi dove la regolazione deve sempre avvenire in prossimità del carico massimo.

Figura 7

Consideriamo ancora gli andamenti della tensione e della corrente. La figura 8 a) indica ancora la tensione U∼ fornita al circuito principale. La corrente di innesco fornita al tiristore (figura 8 b) provoca in esso l’andamento di tensione u_TH (figura c). Indipendente dalla corrente d’innesco si ha la tensione u_D applicata al diodo (figura 8 d). La corrente i che attraversa il carico è formata ora da quella attraverso il tiristore e da quella attraverso il diodo.

Figura 8

Finora ci siamo occupati esclusivamente del circuito principale di un collegamento con tiristore. Occupiamoci ora del circuito di controllo.

La generazione degli impulsi d’innesco ed il loro spostamento di fase può essere ottenuta nel modo più semplice con un condensatore, al quale viene applicata una tensione, e la cui scarica provoca la corrente di controllo. Inserendovi in serie una resistenza R ohmica, la carica del condensatore C può essere ritardata nel tempo. In questo modo si può spostare l’attimo di scarica del condensatore e così anche spostare il momento dell'innesco. La figura 9 a sinistra mostra l’elemento RC con la resistenza variabile R. La tensione alternata u∼ applicata, viene raddrizzata dal diodo D. Il modo in cui la tensione u_C applicata al condensatore viene modificata variando la R, è indicato dalla figura 9 a destra.

Se R = 0, si ha la piena tensione u applicata a C, cioè u_C= u. Aumentando R si riduce u_C, poiché ora si ha una notevole caduta di tensione attraverso R. Contemporaneamente col crescere di R si sposta la posizione di fase di u_C rispetto ad u sino a 90°.

Questo avviene perché in ogni condensatore la tensione è in ritardo sulla corrente, cioè sfasata di 90°. Nel nostro schema di collegamento (figura 9 a sinistra) la corrente viene regolata dal valore della resistenza R. ln essa la corrente è in fase con la tensione u, e di conseguenza sfasata di 90° con u_C.

Figura 9

Se si applicasse la tensione u_C direttamente all'elettrodo di controllo, si potrebbe molto presto osservare che non sarebbe possibile un esatto pilotaggio del tiristore. Le ragioni di ciò sono da attribuirsi alla forma della curva di salita della tensione u_C al suo colmo, alla curva caratteristica del circuito di controllo stesso ed agli scostamenti tra l’una e l’altra delle singole curve caratteristiche dello stesso tipo di transistore, tra esemplare ed esemplare.

I suddetti inconvenienti non appaiono se si inserisce nel circuito un diodo particolare.

Questo diodo viene anche chiamato diodo a quattro strati o diodo Shockley. Esso può assumere i seguenti stati di funzionamento:

1. interdire (come in un normale diodo o tiristore),
2. bloccare,
3. condurre.

Gli ultimi due stati possono entrambi presentarsi, come nel tiristore, se al diodo è applicata una tensione positiva (figura 10 a sinistra). Gli stati di funzionamento sono strettamente imparentati con quelli del tiristore. Anche la costruzione stratificata del cristallo di silicio (figura 10 a destra) è identica a quella del tiristore. In realtà manca solo l’elettrodo di controllo. Il passaggio dallo stato di blocco a quello di conduzione avviene qui per innesca spontaneo .

Figura 10

Se il circuito di figura 9 viene completato col diodo Shockley SD, si ottiene una unità di controllo, come rappresentata nella figura 11 a sinistra. Per comprendere il funzionamento di questo diodo d’innesco, consideriamo il comportamento della tensione al condensatore in relazione alla tensione di sblocco del diodo d’innesco. Nella figura 11 a destra è indicata la tensione u_C al condensatore C per diversi valori della. resistenza R. Inoltre è riportata la tensione di sblocco u_K (vedi figura 10) del diodo Shockley. Ogni volta che la tensione al condensatore raggiunge il valore della tensione di blocco del diodo d’innesco, cioè nei punti d’intersezione delle curve (punti A, B, C), questo si innesca spontaneamente, e ne risulta in questo punto un impulso di pilotaggio che si applica all'elettrodo di controllo del tiristore. Con questo schema di collegamento il tiristore è controllabile da 0° (punto A) a 180° (punto C) o pressapoco. A condizione però che il valore di u_C per alti valori della resistenza R sia almeno uguale al valore di u_K! (figura 11 a destra punto C).

Per valori maggiori di u_K (nella figura 11 a destra indicato con u_K) ed anche per valori minori di un (indicati con u_K”), non è possibile un controllo sino a 180°. Fissiamo bene in mente: per il controllo totale e completo del tiristore, i valori di R e di C (a causa del conseguente Valore di u_C) e la tensione di sblocco del diodo SD di Shockley devono essere mutuamente correlati.

Figura 11

La figura indica il completo circuito di un tiristore unidirezionale, composto da un circuito di pilotaggio e da un circuito principale di utilizzazione. Il circuito di controllo è alimentato dalla sorgente a tensione alternata U∼ (così come il circuito principale). Il diodo D raddrizza questa tensione e provvede alla esatta polarizzazione della corrente di controllo. Attraverso la resistenza R variabile il condensatore viene caricato. Quando la tensione del condensatore raggiunge la tensione d’innesco spontaneo del diodo d’innesco SD, questo diviene conduttore e fornisce un impulso di corrente di controllo attraverso la resistenza R_s all'elettrodo di controllo del tiristore Th.

R_s è una resistenza limitatrice. Essa limita la corrente di controllo, allo scopo di prevenire una distruzione termica del tiristore.

L’impulso di controllo innesca il tiristore e lo porta in stato di conduzione, così che ora quella parte di tensione U∼ raddrizzata dal tiristore viene applicata al carico R_L e fa scorrere attraverso questo (ed anche attraverso il tiristore) una corrente i La tensione continua applicata al carico R_L. e la corrente che ne risulta dipendono dalla posizione di fase dell'impulso di controllo.

Figura 12

Considerate ora il circuito, completo di circuito di controllo e circuito principale, con un collegamento di due tiristori antiparallelo (vedi figura 13). Il circuito di controllo si compone di due unità di controllo unidirezionale (figura 12) collegate assieme. Abbiamo nuovamente la combinazione diodo D, resistenza R, condensatore C con l’appropriato diodo d’innesco SD e la resistenza di sicurezza contro il sovraccarico R_s. Gli elementi relativi al tiristore Th 1 portano l’indice 1, e quelli del tiristore Th 2, l’indice 2. Osservate che è prevista una sola resistenza R per entrambi i tiristori. Ciò è dovuto al fatto che entrambe le direzioni di corrente vengono controllate <em una dall'altra. Questo schema di collegamento è un tipico esempio di controllo della luminosità di lampade ad incandescenza (in inglese light-dimmer).

Figura 13

Il circuito di controllo che abbiamo visto, viene usato ovunque sia possibilmente richiesta una piccola spesa per l’impianto. Esso viene perciò acquistato in commercio, poiché con questo tipo di controllo non si pone il problema di una grande precisione. Inoltre con i questo tipo di regolazione non si possono costruire circuiti di regolazione automatica.

Il campo d’impiego di questo diffusissimo tipo di controllo è perciò compreso nell'ordine delle potenze prelevabili da una normale presa di corrente domestica (cioè circa 2000 W). Si possono perciò controllare piccoli apparecchi per l’industria o per la casa. È il caso di sottolineare che per questi usi questo tipo di controllo è pienamente sufficiente. Per particolari impieghi nella tecnica delle forti correnti, il costo necessario è maggiore.

Finora abbiamo sempre considerato delle resistenze ohmiche nel circuito . principale. sostituiamo ora la resistenza in questo schema con un motore ad eccitazione separata, (vedi figura 14), caricato con un momento torcente costante.

Nella figura 3 venne precisato che il valore della corrente principale viene determinato primariamente dal carico. In questo motore sino a piccole tensioni applicate la corrente resta costante, cosicché anche il momento torcente che è proporzionale alla corrente I_A, resta costante. (1)

La tensione U applicata al motore invece è dipendete dalla regolazione del tiristore (figura 12), cioè non costante. Poiché però il numero di giri del motore è dipendente dalla tensione (2), abbiamo in questo modo trovato una regolazione dei giri del motore, durante la quale il momento torcente del motore entro un ampio campo di tensione, resta uguale. La regolazione del numero di giri a mezzo di tiristori è perciò preferita tra gli altri sistemi di regolazione (ad es. a mezzo di resistenze d’inserzione).

Figura 14

Per utilizzare in pieno l’energia delle reti a corrente alternata, vengono spesso utilizzati collegamenti a ponte con tiristori, per carichi da corrente continua. Un esempio semplice di ponte monofase con 4 tiristori si vede nella figura 15 a sinistra. Le frecce colorate nello schema indicano che ora entrambe le direzioni di corrente forniscono corrente attraverso il carico (che qui è un motore a corrente continua). Con una completa apertura del tiristore (α = 0°) si ottiene al carico una corrente continua media, come indicato dalla figura a destra. Per ogni periodo T si formano due semionde nello stesso senso. Il ponte monofase vien perciò denominato schema a due impulsi.

Figura 15

Se un carico a corrente continua deve essere alimentato con una rete di corrente trifase, ciò può avvenire utilizzando un collegamento a ponte trifase (figura 16 a sinistra).

Per ogni fase della rete vengono impiegati due tiristori, così che per tutto il  ponte sono necessari 6 tiristori.

Il ponte monofase è uno schema a due impulsi. Per il ponte trifase occorre perciò uno schema a sei impulsi di controllo (figura 16 a destra).

Si osserva che la corrente raddrizzata da una corrente trifase ha una minore ondulazione di quella ottenuta da un ponte monofase (paragona con la figura a destra della figura 15). Per livellare la corrente di una rete trifase raddrizzata da un ponte trifase, necessitano perciò meno condensatori, impedenze e resistenze. Per la regolazione di grossi carichi viene perciò data preferenza a schemi a impulsi plurimi.

Figura 16

Il ponte trifase appartiene già all'elettronica di potenza, che è il principale campo d’applicazione dei tiristori. Il tiristore ha, nel campo dell’elettronica di potenza, cioè delle forti correnti, lo stesso significato del transistore nel campo delle correnti deboli. Negli ultimi tempi il concetto di “tecnica delle forti correnti” è stato abbandonato, e sostituito dal concetto di “elettronica di potenza”, perché questa parte del campo dell'elettrotecnica è passato’, a causa del tiristore, in quello dell'elettronica.

Nell'elettronica di potenza non viene utilizzato solo “il raddrizzamento di corrente” e la “regolazione”, possibili con il tiristore. Inoltre col tiristore si possono costruire degli schemi che vanno al di là di queste proprietà. Di conseguenza si può in generale formulare che:

Il compito principale del tiristore nell’elettronica di potenza è quello di trasformare l'energia elettrica.

Il vantaggio particolare dei tiristori è che oltre al fatto che la trasformazione può essere compiuta senza perdite di energia degne di considerazione, si ha di poter inserire degli alti carichi elettrici senza movimento di contatti meccanici. Si sono quindi presentate delle possibilità d’impiego che prima non si potevano realizzare.

In prima posizione negli impieghi del tiristore si pone quello di raddrizzatore nell'elettronica di potenza. Esso trasforma l’energia elettrica di una rete monofase o trifase alternata in energia elettrica di corrente continua. La trasformazione di grandi potenze elettriche ha lo stesso significato della trasformazione di alte tensioni e di grandi correnti. Poiché un solo transistore non può pilotare grandi potenze, vengono usati schemi di combinazioni con molti tiristori (ad esempio collegamenti in serie per sopportare alte tensioni, o, più spesso, collegamenti in parallelo per suddividere forti correnti). Queste particolarità schematiche non sono importanti per il principio del raddrizzatore, cosicché per noi è sufficiente considerare solo il simbolo del blocco raddrizzatore (vedi figura 17).

Un carico qui una macchina a corrente continua riceve energia attraverso un gruppo di tiristori TS, che è collegato alla rete N a mezzo di un trasformatore Tr. TS viene pilotato dal gruppo di regolazione St, che è alimentato dalla rete N, e quindi inserito direttamente sulla rete. Con questa disposizione non solo si può regolare la fornitura di corrente ma anche calibrarla, ad es. per un determinato numero di giri (questa parte di circuito aggiuntivo è tratteggiata nella figura 17). Il valore del numero dei giri effettivo viene paragonato in un dispositivo di controllo R col valore prestabilito del numero di giri; il dispositivo di controllo poi, in caso di variazione della regolazione influirà sul gruppo di regolazione St. Il raddrizzatore di corrente quindi, in caso di necessità, non solo potrà pilotare l’afflusso di energia di un utilizzatore ma anche regolarne l’intensità.

Figura 17

Il convertitore di corrente trasforma l’energia di corrente continua in modo da poter alimentare, ad es. a mezzo di un accumulatore, un carico a corrente alternata. Poiché il convertitore deve stabilire frequenza e livello della tensione alternata d’uscita, esso vien detto "autoregolato" .

Lo schema di principio è indicato in figura 18. Ad una batteria B di corrente continua è collegato un avvolgimento di trasformatore con presa centrale, collegato a due tiristori Th 1 e Th 2. Quando Th 1 è in conduzione, attraverso una parte dell'avvolgimento scorre una corrente che provoca nel carico (allacciato all'altro avvolgimento del trasformatore) una corrente con direzione 1 →. Si innesca il tiristore Th 2 ed ecco che nell'avvolgimento collegato al carico R_L scorre una corrente diretta in senso contrario alla prima: 2←. Bisogna però provvedere a che il tiristore Th l venga interdetto con un impulso dall’esterno, quando si innesca Th 2. Poiché al tiristore Th 1 è applicata una corrente continua, esso non può disinnescarsi da solo (come avviene ad es. con una corrente alternata).  

Perciò tra Th 1 e Th 2 vien inserito un condensatore C che all'inizio del ciclo viene caricato ad es. dalla corrente che passa in Th 1. Quando si innesca Th 2 il condensatore si scarica attraverso entrambi i tiristori. La corrente di scarica però è in senso contrario nel tiristore Th 1 alla corrente di conduzione, cosicché le due correnti in Th 1 si annullano. Lo stato di conduzione viene interrotto e Th 1 viene bloccato. Lo stesso vale per lo spegnimento di Th 2, quando Th 1 viene nuovamente innescato. La frequenza della tensione alternata che ne risulta viene determinata dalla sequenza degli impulsi di apertura e chiusura di Th 1 e Th 2, cioè dalla sequenza degli impulsi di regolazione del gruppo regolatore. (Per una maggior chiarezza nella figura 18, questo gruppo non è stato indicato).

Figura 18

Il variatore di corrente continua modifica una tensione continua fissa in una tensione continua regolabile, senza contatti ne resistenze di perdita. Con- temporaneamente esso può restituire l’energia risparmiata se il carica viene frenato alla batteria. Ciò può ad esempio far aumentare l'autonomia dei veicoli elettrici.

Nel variatore di corrente continua il tiristore viene utilizzato come inseritore e disinseritore (vedi figura 19). Quando il tiristore è in conduzione, tutta la tensione U_Ba della batteria è applicata al carico (figura 19 a destra a, U_L= U_Ba). Quando il tiristore è bloccato non viene applicata alcuna tensione al carico (U_LU_L (vedi figura19 a destra a). A mezzo di un particolare dispositivo di disinserzione occorre anche qui, come nel raddrizzatore, provvedere al fatto che il tiristore Th si blocchi nell’istante desiderato.

Al bloccarsi del tiristore (U_Li attraverso il tiristore quando entra in conduzione (figura 19 a destra b). Il diodo D con l'induttanza L ed il carico spianano la corrente principale i, in modo da evitare che la corrente segua l’interruzione della tensione U_L.

I tre impieghi principali nella elettronica di potenza che avete visto nelle ultime tre figure non esistono solo come singoli apparecchi per i particolari compiti esaminati. Molto meglio, i tre impieghi possono venir combinati. Con ciò è possibile convertire energia elettrica di una certa grandezza, frequenza e numero di fasi, in altra energia elettrica di determinata grandezza, frequenza e numero di fasi. Questo è il più generale ed importante impiego dei tiristori. Questi apparecchi vengono chiamati convertitori. Vi potete inoltre informare sul vasto campo d'impiego e sulle molteplici possibilità d’inserzione dei tiristori.

Chi desidera approfondire questo campo, deve munirsi della necessaria letteratura tecnica.

• < Prec
• Succ >