Laboratorio misure elettroniche ed elettriche: regolatori di tensione a tiristori

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1 Laboratorio misure elettroniche ed elettriche: regolatori di tensione a tiristori Circuiti di accensione per tiristori (Tavole E E.1.2) Considerazioni teoriche Per le debite considerazioni si fa riferimento al testo di teoria: Modulo E - U.D. E.3. Generalità (Tavola E.1.1 schema A) L innesco dei tiristori, con l angolo di ritardo desiderato, viene effettuato applicando ai terminali di gate un impulso di caratteristiche opportune in modo da garantire una corrente di gate sufficiente a portare in zona di sicura conduzione il tiristore interessato; la durata dell impulso dovrà anche garantire il raggiungimento della corrente di mantenimento, soprattutto nel caso in cui il carico alimentato sia induttivo. Nei casi più generali il ponte raddrizzatore controllato è inserito in un sistema di regolazione automatica di tipo analogico, che fornisce una tensione continua di controllo variabile generalmente da 0 a 10 V; il circuito di accensione dovrà, mediante un modulatore, convertire detta tensione continua in impulsi, sincronizzati con la tensione alternata che alimenta il ponte. Rispetto al passaggio per lo zero di detta tensione, gli impulsi saranno opportunamente sfasati con un angolo di ritardo che è funzione del segnale continuo di controllo. Modulatore per circuiti di accensione (Tavola E.1.1 schema B) Un modulatore presenta due ingressi: uno di controllo che riceve la tensione continua proveniente dal regolatore U cont, ed uno di sincronizzazione, alimentato da un trasformatore collegato alla tensione della rete alternata U sinc che alimenta il ponte. Per effettuare la regolazione in manuale, la tensione di controllo, anziché dal regolatore, verrà generalmente fornita da un potenziometro. I modulatori possono essere realizzati in diversi modi; corrispondono in genere allo schema di principio della tavola citata e comprendono: un rilevatore del passaggio a zero della tensione di sincronismo U sinc ; un generatore di rampa sincronizzata con il passaggio dello zero della tensione U sinc ; un circuito di soglia, che paragona il livello della rampa U ds con quella della tensione di controllo U cont e commuta la propria uscita U cp quando detto livello viene superato; un circuito monostabile che genera, in corrispondenza del fronte di salita del segnale U cp gli impulsi di comando U i1 e U i2. Sull uscita il modulatore fornirà quindi gli impulsi di comando U i da inviare ai gate dei tiristori mediante un circuito amplificatore/separatore denominato driver. I circuiti modulatori possono essere realizzati facendo uso di componenti discreti o più convenientemente ricorrendo a circuiti integrati dedicati che con l ausilio di pochissimi componenti esterni svolgono tutte le funzioni elencate precedentemente.

2 Driver di pilotaggio per tiristori (Tavola E.1.2) I circuiti di comando, o driver, per l accensione dei tiristori hanno il duplice compito: realizzare il necessario adattamento in tensione e corrente tra il modulatore e i gate dei tiristori; isolare galvanicamente il circuito di comando e regolazione, alimentato in bassa tensione, da quello di potenza, in genere a tensione più elevata. Molto spesso essi sono realizzati mediante piccoli trasformatori di impulsi pilotati da un transistor (Tavola E.1.2 schema A) o più semplicemente facendo uso di fotoaccoppiatori con uscita a transistor (Tavola E.1.2 schema C) oppure a tiristore (Tavola E.1.2 schema D). Qualora per ragioni funzionali fosse necessario erogare impulsi di durata elevata (carichi di tipo induttivo) può essere conveniente portare, invece di un impulso unico, un treno di impulsi (Tavola E.1.2 schema B) con frequenza dell ordine di una decina di kilohertz. Il treno di impulsi viene ottenuto facendo transitare l impulso, di durata opportuna fornito dal modulatore, attraverso una porta logica controllata da un oscillatore funzionante alla frequenza desiderata e che può eventualmente essere comune per tutti i modulatori. Nella figura E.1.1 viene proposto un semplice schema, di facile realizzazione a scopo didattico, che fa uso per il pilotaggio del tiristore (V4), di un oscillatore a rilassamento impiegante un transistor unigiunzione UJT (V3). La tensione applicata al circuito è derivata da quella che alimenta il tiristore mediante un trasformatore abbassatore e viene squadrata e stabilizzata dal diodo zener V2, durante la semionda positiva, mentre la semionda negativa sarà bloccata. Il condensatore C inizia a caricarsi all inizio della semionda positiva con una costante di tempo che dipende dal valore impostato sul potenziometro RP, quando la tensione di carica supera la soglia di conduzione dell UJT questo entra in conduzione e scarica il

3 condensatore sulla resistenza R1 e sul circuito di porta del tiristore, fornendogli l impulso di comando. Il ritardo di accensione del tiristore potrà essere regolato agendo sul potenziometro e di conseguenza sarà regolata anche la tensione applicata alla resistenza R4 di carico. Fig. E Pilotaggio di un tiristore mediante UJT. Schema e descrizione di un regolatore in corrente continua con ponte monofase semicontrollato (Tavola E.1.3) Considerazioni teoriche Per le debite considerazioni si fa riferimento al testo di teoria: Modulo E - U.D. E.1 ed E.3. Descrizione del circuito Il circuito proposto, adatto per la regolazione su carichi resistivi, fa uso per la regolazio-

4 ne di potenza di un ponte monofase semicontrollato alimentato da un opportuno trasformatore; per il dimensionamento di questi componenti (eventuale trasformatore abbassatore, diodi, SCR) si faccia riferimento alle considerazioni svolte nel testo teorico. Il circuito di accensione dei tiristori impiega, come modulatore, l integrato TCA 785 (Siemens) di cui, nella figura E.1.2, viene riportato lo schema a blocchi ed i segnali in a) Fig. E a) Modulatore TCA 785 (Siemens): schema a blocchi. b) Modulatore TCA 785 (Siemens): segnali in uscita. b)

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6 uscita. Il circuito driver per gli impulsi fa uso di optoisolatori a transistor. La regolazione della tensione continua, fornita dal ponte, avviene mediante una tensione di controllo variabile fra 0 e 10 V che può essere fornita da un potenziometro o da un circuito esterno di controllo. Un trasformatore T, provvisto di due secondari da 15 V, provvede a fornire la tensione di sincronismo al modulatore e contemporaneamente alimenta un raddrizzatore a diodo che fornisce, previa stabilizzazione mediante diodo zener, sia la tensione V1 per l alimentazione del circuito del modulatore sia la tensione di 10 V di riferimento. L altro circuito secondario del trasformatore T1 alimenta un raddrizzatore dal quale, dopo opportuno livellamento, viene ottenuta la tensione V2 di alimentazione del circuito driver. Il regolatore può essere bloccato in qualsiasi momento mediante il deviatore S che potrà eventualmente essere sostituito da un relè pilotato da un circuito di controllo esterno. Con questi accorgimenti il circuito elettronico della regolazione risulta quindi separato galvanicamente dalla rete di potenza che alimenta il ponte raddrizzatore e potrà quindi essere interfacciato con eventuali circuiti esterni senza creare situazioni di pericolo. Realizzazione e collaudo I componenti del circuito elettronico potranno essere assemblati su una basetta per montaggi sperimentali (bread-board) o più convenientemente realizzando un opportuno circuito stampato. Terminata la realizzazione il collaudo interesserà per primo il circuito del modulatore che verrà attuato nel seguente modo: fornire tensione al circuito mediante il trasformatore T; controllare con un multimetro la presenza della tensione DC di alimentazione (12 V) sul piedino 16 del TCA 785; controllare con l oscilloscopio la presenza della tensione di sincronismo sul piedino 5 dell integrato; controllare la presenza di 12 V sul piedino 6 dell integrato ed eventualmente spostare il deviatore S in modo che questo si verifichi; controllare con l oscilloscopio, accoppiato in DC sul piedino 10 del TCA 785, la presenza della rampa di carica del condensatore e regolare il trimmer RP1 in modo da portare la tensione di picco della rampa a 10 V; mediante un potenziometro o un alimentatore esterno fornire una tensione regolabile nel campo 0 10 V DC all ingresso di controllo e verificare con l oscilloscopio la presenza degli impulsi di pilotaggio sui piedini 14 e 15 dell integrato; visualizzare mediante un oscilloscopio a doppia traccia la tensione di sincronismo e gli impulsi di pilotaggio e verificare che variando la tensione di controllo fra 0 e 10 V il ritardo degli impulsi, rispetto al passaggio a zero della tensione di sincronismo, vari fra 0 e 180. Spostando il deviatore S verificare il blocco degli stessi. Accertato il corretto funzionamento del modulatore si potranno completare i collegamenti di tutto il circuito e verificare la funzionalità inserendo un carico resistivo di prova all uscita del ponte. Mediante un voltmetro, inserito sull uscita del ponte, si dovrà osservare la variazione della tensione sul carico fra 0 e la tensione massima in corrispondenza delle variazioni della tensione di controllo nel campo specificato.