Misurazioni su circuiti pilotati da un TRIAC con il metodo della variazione di fase
Un TRIAC serve a parzializzare la tensione alternata su un carico in modo che la tensione sia applicata sul carico solo per parte del periodo.
Precisamente ad ogni semiperiodo si ritarda elettronicamente la chiusura del circuito, circola corrente nel carico solo a partire da quell'istante ed in seguito il circuito si apre automaticamente quando la corrente si annulla.
In questo modo, regolando il valore efficace della tensione, si ottiene la regolazione della potenza e magari della velocità dell'apparecchiatura alimentata.
L'apparato di misura comprende:
-
il TRIAC, che viene inserito in serie al carico (righe in blu) e funge da interruttore ultraveloce: si chiude quando arriva l'impulso al "gate" (G) e si apre quando la corrente si annulla
- il carico che può essere ohmico, come un forno o una lampada ad incandescenza oppure ohmico induttivo ... sono casi da esaminare separatamente
- il circuito generatore di impulsi di gate, righe in violetto, sincronizzato con la rete che produce impulsi con ritardo variabile
Impostazione dell'esercitazione e precauzioni di sicurezza
Per condurre le misurazioni si fa uso di un oscilloscopio OWON DS7102 e di un tester digitale Lafayette MAD-32 per misurare alcuni valori (nota 1)
Per ragioni di sicurezza il circuito di potenza è alimentato con una tensione ridotta prelevata al secondario di un trasformatore 230/17, 100W con il vantaggio di ridurre le correnti di corto circuito e di non introdurre tensioni pericolose sui circuiti (nota 2).
Per le stesse ragioni vengono separati i circuiti funzionanti in corrente alternata dai circuiti funzionanti in corrente continua tramite optoisolatori, o fotoaccoppiatori, che consentono il passaggio dei segnali necessari alla sincronizzazione ed al pilotaggio senza contatti elettrici (separazione galvanica) (nota 3).
IN OGNI CASO LE MISURAZIONI DEVONO ESSERE EFFETTUATE DA PERSONE ESPERTE.
Schema elettrico
A destra il circuito elettrico completo con l'indicazione dei punti usati per le misurazioni con l'oscilloscopio.
La tensione c.a. è di 17V.
Componenti usati
Circuito di sincronizzazione: ponte di raddrizzatori da 100mA ed adeguato alla tensione in ca, R1= 100kΩ, R2=2,2kΩ, diodo LED del 4N25
Circuito di produzione dell'impulso di zero crossing: fototransistor del 4N25, R3=2,2kΩ
Circuito di generazione del ritardo di fase: scheda Arduino/Genuino Uno, potenziometro da 10kΩ lineare, R5=1kΩ, diodo LED del MOC3020
Circuito di generazione dell'impulso: fotoTRIAC del MOC3020 e R4=1kΩ
Circuito di potenza: TRIAC TAG 136D, resistore da 56Ω, 10W
Per generare l'impulso è stato usato il software TRIAC_test_03 (vedi AS: plotare un TRIAC con Arduino).
E' disponibile una scheda di dettaglio per descrivere il funzionamento del circuito.
Rilevazioni
Circuito di sincronizzazione (misure valide per tutti i tipi di carico)
Scale: t=2ms/div, rossa 5V/div, gialla 1V/div
La tensione alternata viene raddrizzata (VAC inrosso) e produce una corrente nel diodo che ha un andamento semi-sinusoidale simile a quello della tensione solo che la corrente si annulla un po' prima del passaggio per lo zero della tensione. Infatti, quando la tensione sul diodo scende sotto il valore di soglia, rappresentato dalla tensione necessaria a polarizzare la giunzione PN, il diodo smette di condurre (per il diodo LED del 4N25 la tensine minima di giunzione vale 1,1V).
In giallo si vede la tensione VBC sul diodo. In prossimità dello zero la tensione crolla con andamento ripido e si ripresenta con andamento altrettanto ripido (nota 4).
Sono impulsi negativi di zero-crossing.
Si possono misurare
- il periodo: 10ms
- il valore massimo della tensione raddrizzata: 24V (dettaglio a destra)
- la durata dell'impulso: 600µs circa
Questo si traduce in un effetto interessante sul fototransistor accoppiato: viene prodotto in uscita un impulso positivo di tensione che si presenta in prossimità del passaggio della tensione per lo zero: è lo zero crossing pulse.
Circuito di generazione dello sfasamento
Scale: t=2ms/div, rossa 2V/div, gialla 5V/div
La tensione in uscita dal fototransistor VX (rosso) produce impulsi di ampiezza 5V, quindi adatti per gli ingressi digitali di Arduino/Genuino.
L'impulso viene usato per comandare un interrupt sul fronte di discesa che Arduino utilizza per generare un impulso sul pin digitale 9 VY (giallo) ritardato di un tempo stabilito dalla posizione del cursore del potenzimetro in A0 (qui è stato impostato un ritardo di 4ms dallo zero crossing che si trova ametà dell'impulso in rosso).
Dal dettaglio (base tempi 500µs/cm) si vede che l'impulso compare 4ms dopo lo zero-crossing (che interviene a metà della cresta dell'impulso positivo in rosso) e dura 100µs.
Questo impulso viene inviato, tramite optoisolatore, al gate del TRIAC.
Carico puramente ohmico.
Con carichi puramente ohmici i valori istantanei stanno nel rapporto precisato dalla legge di Ohm per cui la tensione e la corrente hanno lo stesso andamento grafico.
Con carico costituito da un resistore da 56Ω, 10W si osserva il seguente risultato:
Tensione VFH sul carico ohmico (in rosso) e tensione VEH sul TRIAC (in giallo)
Scale: t=5ms/div, rossa 10V/div, gialla 10V/div
Poichè TRIAC e Carico sono in serie, la tensione di rete è la somma delle due tensioni:
Vca = VEH +VHF
Avendo scelto come riferimento per la misura delle tensioni il punto H, risulta che la tensione sul Carico visibile sull'oscilloscopio è invertita.
Utiizzando un comando apposito si inverte detta tensione sul carico così da poter osservare la tensione totale Vca sovrapponendo i due grafici si ottiene la tensione vca:
Si può misurare il ritardo di 4ms con cui la tensione di rete appare sul carico.
Questo significa che l'impulso, pur di breve durata (100µs) è sufficiente ad innescare il TRIAC.
In dettaglio si può osservare la corrispondenza temporale fra impulso prodotto al pin digitale 9 e attivazione del TRIAC.
Questo viene realizzato connettendo la linea di alimentazione con il potenziale GND di Arduino. E' POSSIBILE FARLO SOLO PERCHE' I DUE CIRCUITI SONO ISOLATI E NON CONNESSI A TERRA DATO CHE IL CIRCUITO IN CORRENTE ALTERNATA E' DISPONIBILE AL SECONDARIO DI UN TRASFORMATORE E L'ALIMENTAZIONE DI ARDUINO E' SEPARATA.
Base tempi: 1ms/div
E con base tempi di 20µs/cm si può vedere che c'è un ritardo di circa 18µs.
Un successivo articolo esamina il caso di circuito fortemente induttivo
Altri articoli:
seguito con carico induttivo su LB: TRIAC con Arduino, misurazioni 2
come funziona un ENC: il TRIAC,
ENA: controllo di fase con TRIAC.
note
nota 1: il tester digitale non assicura che le misure rappresentino il valore efficace delle grandezze in gioco; probabilmente (non ci sono dichiarazioni n proposito e non è dicharato "true-RMS") mostra valori efficaci solo nel caso di tensioni e correnti sinusoidali complete
nota 2: ricordo che gli oscilloscopi hanno sonde con il terminale a "coccodrillo" collegato alla massa dell'apparecchio. Connettere questo terminale ad uno dei fili di fase della rete a 230V significa "portare" una tensione pericolosa sia sull'oscilloscopio, che così non dovrebbe essere toccato se non con estrema cautela, sia su tutte le parti del circuito e strumenti collegati al circuito che quindi non andrebbero toccati anch'essi compromettendo la possibilità di eseguire misurazioni. Questo se va bene perchè può anche darsi il caso che tramite la massa dell'oscilloscopio si crei un corrente verso terra capace di fare intervenire subito le protezioni ed impedire le misurazioni ... nella migliore delle ipotesi .... e nella peggiore farsi male.
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: con tensioni più elevate la ripidità è maggiore. L'andamento "appiattito" della tensione è dovuto alla bassa resistenza interna del diodo che produce una caduta di tensione proporzionale alla corrente ma piccola rispetto alla tensione di giunzione