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In figura è rappresentato lo schema di un circuito con TRIAC.

TRIAC RL indic

Il caso del circuito puramente ohmico è stato considerato nell'articolo sul TRIAC.

Quando il carico è ohmico-induttivo la corrente tende a mantenersi e questo comporta ritardi nello spegnimento del TRIAC.

Con una simulazione con foglio di calcolo, derivata dalla stessa utilizzata per articoli sullo stesso argomento (es circuiti in ca), si riesce a vedere l'effetto dell'induttanza su circuiti controllati da TRIAC.

Un'altra simulazone, più efficace perchè si osserva il fenomeno che si evolve nel tempo, è disponibile con Scratch.

La simulazione calcola l'accensione del TRIAC a partire da un istante che viene ritardato dell'angolo θ a partire dal passaggio per lo zero della tensione del generatore (sincronizzazione basata sullo zero crossing).

Nella simulazione è possibile inserire parametri a piacere (riquadro verde) modificando periodo, resistenza, induttanza, valore massimo della tensione del generatore, durata dell'intervallo di integrazione, corrente di mantenimento, durata dell'impulso di gate e, soprattutto, il ritardo dell'impulso di gate in gradi (trigger).TRIAC t70f38 input

La simulazione fornisce i dati di valore medio della potenza e valore efficace della tensione e della corrente determinati con il metodo di integrazione numerica estesa ad un intero periodo dopo che si è esaurito il transitorio (area celeste) e vengono confrontati con i dati calcolati utilizzando le formule derivate analiticamente adatte a forme sinusoidali con angolo di ritardo pari a 0° (area violetta).TRIAC t70f38 valoriMedi

Con il TRIAC le forme non sono più sinusoidali per cui occorre saper applicare il calcolo integrale a parti di sinusoide e loro potenze mentre in questa pagina vengono usati metodi di derivazione ed integrazione numerica.

 

Nel disegno a fianco si indicano le convenzioni principali usati nella casistica esaminata in questa pagina (caso di periodo di durata 20ms quindi 50Hz):

TRIAC angoli

- VG: tensione del generatore (turchese)

- VU: tensione sull'utilizzatore (blu)

- I: corrente sul carico RL (rosso)

- θ: angolo di ritardo del trigger (impulso di innesco)

- α: angolo di conduzione

- β: angolo di interdizione (α+β = 180°)

- φ: angolo di sfasamento tipico dell'impedenza(non indicato)

TRIAC t70f38 paramCalcIn un riquadro sono anche indicati i parametri calcolati di pulsazione, frequenza, reattanza, impedenza, costante di tempo tau, φ e cosφ da usare per i calcoli o per verifiche sulle condizinei di funzionamento o per confronti con caso di conduzione completa.

 

Un riquadro particolare (giallo chiaro) mostra i prametri di conduzione:  corrente al termine dell'impulso, durata della conduzione, α e β.TRIAC t70f38 conduz

Il simulatore è scaricabile da qui in formato ods (Open Office).

La costruzione consente di verificare cosa accade variando θ e L (cioè φ) e si possono esaminare casi particolari.

 

Accorgimenti e precauzioni

L'intervallo minimo di calcolo ∆t consente di vedere più periodi o solo la prima parte di esso, se non ci sono periodi sufficienti, i valori medi non vengono calcolati per la presenza di un transitorio che si deve estinguere (è il caso che si presenta con l'onda intera quando θ<=φ).

Alcuni parametri sono calcolati deducendo il valore dall'ultima riga della tabella di calcolo: non conviene all'utente aggiungere o togliere righe.

Non è possibile inserire un valore nullo per l'induttanza perchè si produce un errore, nel caso serva un valore nullo inserire un valore molto piccolo come 0,000000001H=1nH.

La durata dell'impulso di trigger può essere modificata a piacere, il valore viene comunque limitato per non superare il semiperiodo. La possibilità di costruire impulsi lunghi consente l'attivazione corretta del TRIAC anche con carichi molto induttivi.

 

Grafici

Sono disegnati i grafici con la tensione, la corrente e l'impulso di gate ed i grafici con le potenze (generata, assorbita dalla resistenza ed assorbita dall'induttanza (valore medio nullo)) (nota 1)

 

Esame dei vari casi 

Carico puramente ohmico (usare L=1nH) e θ= 0

TRIAC t0f0 graf

Tensione e corrente sono in fase e le sinusoidi sono complete: si vede che i grafici corrispondono ai casi che si studiano con metodi analitici. 

 

 

 

 

 

 

  

TRIAC t0f0 medieIn particolare si vede che i valori efficaci di tensione e corrente e la potenza media calcolata con metodo analitico e con metodo numerico (quello usato dall'applicazione) coincidono.

Per completezza viene anche fatto calcolare il valore medio della corrente che, trattandosi di corrente alternata, è zero .... ma non è detto che lo sia sempre. 

 

Carico puramente ohmico e θ= 60

TRIAC t60 f0

Si osserva un grafico che presenta una corrente che ricopia la tensione (sono in fase).

La tensione sul carico si attiva istantaneamente insieme al trigger e la corrente si annulla appena la tensione si annulla disattivando il TRIAC.

La deformazione della sinusoide è chiara: manca un pezzo iniziale sia sulla tensione che sulla corrente con uno scalino piuttosto evidente per entrambe le grandezze.

La deformazione introduce componenti armoniche nei circuiti che provocano disfunzioni e disturbi.

 

 

Carico ohmico-induttivo, φ= 30 e θ= 60 (L=2205µH)TRIAC t60 f30

La corrente si annulla dopo che la tensione è passata per lo zero per cui sul carico viene applicata un po' di tensione di segno opposto.

Quando la correne si estingue, il TRIAC si spegne e sul carico non c'è più tensione (si vede la spaccatura tipica)

 

 

 

 

La potenza Pg generata è dunque in parte negativa ... ma è l'effetto dell'induttanza che in quel frangente restituisce al generatore parte dell'energia immagazzinata (PL); il valore medio della potenza induttiva è zero (come è ovvio).

TRIAC t60 f30 p

La potenza Pj dissipata dalla resistenza è sempre positiva ... come è ovvio.

Quando VU è nullo per effetto del TRIAC spento anche la I è nulla quindi non c'è scambio di potenza.

 

Si possono quindi esaminare vari casi modificando il ritardo del trigger e dedurre il comportamento di un circuito controllato da un TRIAC.

Provare vari ritardi e vari valori di cosfi.

Prestare attenzione al valore medio della corrente che deve essere sempre zero.

Se il valore medio non è zero e la simulazione corrisponde alla realtà, ci sono problemi per la rete elettrica.

 

Casi particolari di carichi fortemente induttivi

Sono i casi di comando di grandi motori o trasformatori funzionanti a vuoto dove la produzione del campo magnetico, che prevede assorbimento di energia induttiva e l'assenza di carico realizzano una situazione complessiva di cosfi molto basso.

 

caso: durata dell'impulso troppo breve

TRIAC dp insuffLa durata dell'impulso deve esere sufficiente ad innescare il TRIAC anche con i carichi induttivi che hanno un tasso di aumento della corrente che può essere così basso da non permettere alla corrente di raggiungere il valore di mantenimento Ih (holding current) al termine dell'impulso.

Per esercizio provare ad aumentare Ih con impulsi brevi: si vede che il TRIAC non innesca.

Con L=0,010H, dp=0,5ms, θ=30°, Ih=2A il TRIAC non si accende; la corrente al termine dell'impulso è di 1,049, inferiore a Ih.

 

 

 

caso φ>θ (sfasamento del carico maggiore dell'angolo di ritardo del trigger)TRIAC t30f70 graf

Il primo impulso accende il TRIAC. L'impulso successivo interviene quando la corrente non è ancora estinta e quindi non è efficace. Il risultato è che la corrente è unidirezionale per mancanza della corrente negativa. (vedi anche qui)

Con φ= 70 e θ= 30 (L=10495µH) il calcolo del valore medio della corrente è 5,6A (visibile se si disegnano molti periodi con ∆t=0,02) e la durata della conduzione risulta di 12,68 ms, ben oltre il semiperiodo.

Questa situazione non si deve verificare!

L'unico modo per garantire comunque una corrente alternata è di assicurare l'accensione di entrambe le semionde e questo si realizza allungando l'impulso almeno fino a quando si estingue la corrente del precedente semiperiodo. In pratica si allunga l'impulso fino al termine del semiperiodo in modo che l'innesco venga indotto appena il TRIAC si spegne. (nota 3).

Il risultato è il seguente (figura a sinistra):TRIAC t30f70 graf dpmax 

Il TRIAC viene riacceso appena si spegne, in pratica non si spegne mai e si ha una corrente alternata sinusoidale completa i cui valori medi ed efficaci sono gli stessi che si avrebbero in assenza del TRIAC (nota 3).

Nella figura è stato indicato un impulso lungo ma può essere sostituito da un treno di impulsi.

In questo modo, si vede che dopo l'estinzione della corrente di sicuro si presenta un impulso che riaccende il TRIAC ristabilendo la continuità del circuito.

 

Ritardi di trigger più grandi ripristinano la funzione regolatrice del TRIAC.TRIAC t90 f70

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Per saperne di più sul comando di un TRIAC e sulla necessità di inviare treni di impulsi vedi Fairchild AN

Altri articoli interessanti: reoitalia: regolatori di potenza a tyristori

ENA: controllo di fase con TRIAC

 

Curiosità (o errore?)

In qualche circostanza, usando Ih elevato, si ha un picco di potenza induttiva a causa del metodo di calcolo usato che annulla drasticamente la corrente in prossimità dello spegnimento. Questo falsifica il bilancio energetico ma ho deciso di non sopprimere questo esito del calcolo in quanto deve rappresentare qualcosa che avviene in realtà dato che lo spegnimento può effettivamente avvenire in modo troppo rapido con strappo della correne e con conseguenti sovratensioni a carico del TRIAC da tenere sotto controllo.

 

note

nota 1: che non è la potenza reattiva che, invece, non è nulla. Anzi, è complesso calcolare in presenza di deformazione della sinusoide, vedi http://www.elma.it/testo/pfc/pfc11_surp3.htm.

nota 2: lo scalino di corrente produce una sollecitazione gravosa sulla giunzione che non deve superare il di/dt limite del componente.

nota 3: è la soluzione adottata nei relè allo stato solido dove viene inviato un treno di impulsi per l'intera durata del periodo e viene ripetuto fino a quando il TRIAC deve restare chuso (acceso). In questo modo si comporta esattamente come un interruttore con il vantaggio che la chiusura si può fare avvenire sempre al passaggio della tensione per lo zero e l'apertura avviene sempre al passaggio per lo zero della corrente che significa minore stress sui circuiti e meno disturbi a radiofrequenza. Inoltre la chiusura e l'apertura possono essere telecomandate come avviene per i relè meccanici. Ricordarsi che non c'è separazione galvanica per cui non possono fungere da sezionatori di sicurezza.

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