Cerca

modulo attività

modulo tecnica

Controllo di fase con TRIAC

La tensione alternata su un carico può essere regolata con il controllo di fase che permette di diminuire il valore efficace della tensione ritardando l'innesco della sinusoide.

Il TRIAC consente questa operazione perchè permette il passaggio della corrente solo dal momento in cui riceve un impulso al terminale di "gate" e rimane in conduzione fino a quando la corrente si annulla.

Viene illustrato il funzionamento di un circuito che utilizza Arduino/Genuino per generare il ritardo dell'impulso.

 

TRIAC circuitoIl circuito comprende un TRIAC in serie al carico per controllare la potenza in corrente alternata per mezzo della variazione di fase realizzata con Arduino, vedi" AS: pilotare un TRIAC con Arduino" (nota 1).

Funzionamento

Di solito un circuito elettrico comprende un interruttore che consente la manovra di apertura e chiusura del circuito in modo che il carico possa essere alimentato a piena tensione oppure essere scollegato dal generatore: o funziona a piena potenza (acceso) o non funziona (spento); è il comando a tutto-niente già considerato nell'articolo ENA: il PWM e il controllo della potenza.

Il TRIAC viene inserito in serie al carico al posto dell'interruttore per funzionare in due modi diversi:

- come relè statico o come interruttore, sostituisce l'interruttore solo che è comandabile elettronicamente

- come parzializzatore della tensione: ritardando l'accensione ad ogni semiperiodo, il carico viene alimentato solo per una parte del tempo a disposizione. Si tratta di una alimentazione ad intermittenza che assomiglia molto al PWM ma è adatto ai circuiti in corrente alternata

 

Qui si illustra il funzionamento da parzializzatore controllato da un circuito a ritardo di fase.

Principio di funzionamento:

TRIAC 60

a- in un certo momento la corrente è nulla, senza segnale di gate (G) il TRIAC non conduce ed il carico non è alimentato

b- appena viene inviato il segnale di gate il TRIAC si pone in conduzione e vi rimane alimentando il carico anche se il segnale di gate non è più presente (nota 2)

c- appena la corrente (non la tensione) si annulla il TRIAC si spegne

Nota: in corrente alternata c'è sempre un momento in cui la corrente si annulla, in corrente continua no.

 

Il segnale di gate non può essere inviato a caso ma deve essere sincronizzato con la tensione di rete in modo che il ritardo stabilito sia calcolato a partire dall'istante in cui la tensione passa per lo zero.

Il circuito di trigger che deve inviare l'impulso con il ritardo sincronizzato desiderato comprende

- un circuito di zero-crossing per la sincronizzazione che individua l'istante del passaggio per lo zero della tensione,

- un circuito che genera il ritardo

- un circuito che produce l'impulso della durata necessaria

- un circuito che impedisce che l'impulso di gate sconfini nel semiperiodo successivo.

I circuiti che si usano per i lamp-dimmer realizzano queste funzioni con pochi componenti analogici e sono economici. Per realizzare un controllo a ritardo di fase con apparati digitali (vedi nota 1) occorre riprodurre le funzioni appena descritto.

 

Il circuito proposto per realizzare un apparato sperimentale utile per esercitazioni didattiche ha le seguenti caratteristiche:

a- separazione galvanica dei circuiti di potenza dal circuito di comando (nota 3)

b- circuito di potenza in bassa tensione alternata (nota 4)

c- comando del ritardo di fase con potenziometro tramite Arduino 

 

Schema elettricoTRAC sch gen

A destra il circuito elettrico completo

La separazione galvanica viene assicurata come segue:

- in centro: con una fascia gialla si evidenzia la separazione galvanica fra i due circuiti che viene realizzata con l'uso di optoisolatori o fotoaccoppiatori.

- a sinistra: circuiti in corrente alternata

- a destra: circuiti in bassa tensione a corrente continua

 

Gli optoisolatori trasmettono segnali per mezzo della luce e non per mezzo della corrente elettrica. Tra i due circuiti si interpone quindi un isolante che assicura la separazione galvanica.  La luce assicura la trasmissione del segnale, la separazone galvanica assicura l'isolamento fra i due circuiti che quindi possono assumere potenziali indipendenti (nota 5). In genere per la produzione della luce si impiega un diodo LED inserito nel circuito di ingresso; il lampo di luce agisce sulla base di un fototransistor (4N25) o sul gate di un fototriac (MOC3020) inserito nel circuito di uscita.

 

Blocchi funzionali:

Zero crossing: in alto a sinistra il circuito che permette di individuare l'istante in cui la tensione alternata passa per lo zero (circuito di "zero crossing"). Il circuito produce un impulso ogni volta che la tensione passa per lo zero. In questo modo, il circuito successivo si sincronizza con la tensione di rete e produce un ritardo a partire dal passaggio per lo zero. 

Ritardatore di impusi sincronizzati: in alto a destra il circuito che produce il segnale di sincronismo per la scheda Arduino/Genuino. I valori di tensione ai pin 2 e 3 sono compatibili con i valori di tensione ammissibili in ingresso perchè viene usata la stessa alimentazione fornita dalla scheda Arduino che, ovviamente, va alimentata a parte (nota 6). La scheda Arduino/Genuino viene utilizzata per produrre un ritardo dipendente dalla posizione del cursore del potenziometro collegato alla porta analogica A0

Generatore del trigger: in basso a sinistra il circuito che genera l'impulso di gate (trigger) per il TRIAC che alimenta il carico. Il lampo proveniente dal diodo LED svolge la funzione di impulso di gate per il fototriac (nota 7) interno al MOC3020 che va in conduzione e chiude il circuito di gate del TRIAC principale.

 

Componenti usati

Circuito di sincronizzazione: ponte di raddrizzatori da 100mA ed adeguato alla tensione in ca, R1= 100kΩ, R2=2,2kΩ, diodo del 4N25

Circuito di produzione dell'impulso di zero crossing: transistor del 4N25, R3=2,2kΩ

Circuito di generazione del ritardo di fase: scheda Arduino/Genuino Uno, potenziometro da 10kΩ lineare, R5=1kΩ, diodo del MOC3020

Circuito di generazione dell'impulso: TRIAC del MOC3020 e R4=1kΩ

TRIAC TAG 136D

 

Altro materiale di approfondimento

ETT: circuiti ohmico-induttivi con TRIAC

AS: pilotare un TRIAC con Arduino per conoscere lo sketch usato

LB: TRIAC con Arduino, misurazioni 1 (con carico ohmico)

LB: TRIAC con Arduino, misurazioni 2 (con carico ohmico-induttivo)

Video con simulazione realizzata con Scratch.

 

note

nota 1: L'uso della scheda Arduino, che è un componente digitale, è svantaggioso sul piano economico ma ha un valore didattico interessante per la possibilità di poter intervenire sul ritardo di impulso con molta finezza senza contare che tramite software è possibile aggiungere funzioni come il fading o la prevenzione di guasti da di/dt con lampade ad incandescenza oppure il controllo della durata dell'impulso o la produzione di treni di impulsi od anche decidere di fare funzionare il circuito come un relè allo stato solido. Il tutto con la possibilità di regolazione automatica determinata da sensori esterni direttamente applicati alla scheda.

nota 2: si può usare una similitudine "domestica": la porta di una stanza viene spesso "sbattuta" da una corrente di aria specie se la corrente d'aria cambia direzione. Notare che la porta si apre solo se la corrente d'aria spinge nella direzione di apertura consentendo un ulteriore passaggio di aria. Se la corrente di aria si inverte la porta viene chiusa, si dice che "sbatte", e la corrente d'aria si interrompe fino a quando l'aria stessa spinge di nuovo dalla parte giusta per aprire la porta. In questo modo la porta si comporta come un diodo: la corrente stessa apre  o chiude la porta e di fatto può circolare solo in una direzione, non in quella opposta perchè è la corrente stessa che chiude la porta. Se si mette una maniglia, quando la porta è chiusa l'aria non riesce ad aprire la porta anche se "spinge" nella direzione giusta fino a quando la maniglia viene abbassata: da quel momento è l'aria stessa che mantiene aperta la porta, la maniglia non serve più a niente. Sarà la corrente che richiuderà la porta quando invertirà la direzione agganciando pure la serratura della maniglia.

nota 3: per separazione galvanica si intende il fatto che non esiste contatto elettrico fra due circuiti; essi possono assumere potenziali molto diversi senza che venga compromesso il funzionamento e possono essere interessati a sistemi di protezione in caso di guasto anche diversi. In particolare il circuito di potenza, che è connesso alla rete elettrica, può avere tensioni verso terra di 230V mentre il circuito di comando, che può venire a trovarsi a contatto di una persona per incidente o per necessità, può funzionare a bassa tensione di sicurezza.

nota 4: ho preferito lavorare in bassa tensione per minimizzare i rischi in caso di errori di montaggio o di errori dell'operatore durante le misurazioni. Viene anche ridotta la potenza di cortocircuito grazie alla presenza del trasformatore.

nota 5: per potenziali indipendenti si intende la possibilità che il circuito a destra possa essere connesso a terra o non esserlo senza pregiudicare il funzionamento (vedi nota 3) mentre viene reso possibile il collegamento della sonda di un oscilloscopio. Infatti la massa dell'osciloscopio è conessa all'impianto di terra della rete di alimentazione per cui non si può connettere il coccodrillo della sonda in un punto qualunque per effettuare misure in qualsiai parte del circuito sotto misura senza creare situazione estremamente pericolose per l'incolumità dell'operatore.

nota 6: non può prelevare l'alimentazione dal circuito di rete direttamente altrimenti si scavalca la separazione galvanica reintroducendo un potenziale pericoloso sul lato dei controlli. L'alimentazione del cicuito di controllo, quello che comprende Arduino/Genuino, è prelevata da un alimentatore con trasformatore di isolamento o da un accumulatore (come avviene per gli esperimenti di misura descritti in altre pagine.

nota 7: si usa un fototriac e non un fotodiodo perchè siamo in alternata per cui l'impulso deve essere generato in entrambi i versi della corrente.

Tu non hai i permessi necessari per i commenti! Devi registrarti.