Come usare gli SCR correttamente

L’SCR rientrando nella categoria dei componenti attivi, costiuisce un diodo controllato in grado di entrare in conduzione in seguito alla polarizzazione di un elettrodo di controllo. La sua versatilità risulta flessibile nelle applicazioni per modulazione di fase del segnale e gli elevati valori di tensione e corrente che può sopportare ne permettono l’inserimento nel campo della tensione di rete 230 – 380Vac.

La sigla SCR significa in inglese:”Silicon Controlled Rectifier”,ovvero diodo al silicio controllato. Questi componenti sono stati poi denominati internazionalmente Thirystor ovvero Tiristore in italiano. L’SCR è costituito da tre terminali denominati rispettivamente Anodo, Catodo e Gate (FIG.1). Quest’ultimo terminale costituisce per l’appunto l’elemento di controllo del diodo o porta.

Il funzionamento dell’SCR e la sua struttura interna

Passando alla struttura e poi al funzionamento di questo componente, esso risulta costituito da quattro strati di semiconduttore, di cui due con drogaggio di tipo P e due con drogaggio N. Tutto è deducibile tramite l’immagine di Fig.2.

Fig.2: La struttura interna a quattro strati dell’SCR.

La sua struttura interna è associata a due transistor come indicato in Fig.3 che agiscono nel seguente modo: Applicando tra i terminali A e K una tensione continua come in figura 3, l’SCR in assenza di impulso sul gate, rimane disinnescato in quanto T2 rimane interdetto. Fornendo un impulso al gate, T2 entra in conduzione ed avendo il proprio collettore sulla base del PNP T1 pone a sua volta in conduzione questo transistor .Tramite quindi l’impulso sul gate, è possibile controllare l’innesco dell’SCR.

Fig.3: La configurazione interna dell’SCR. Corrisponde a un PNP connesso ad un NPN.

Facendo sempre riferimento alla figura 3, Ib1 coincide con IC2.

Ib1=Ic2=HFE2 *Ib2

Nel transistor T1 la Ic1 vale:

Ic1=HFE1*Ib1

ma sostituendo in questa formula Ib1:

Ic1=HFE1*HFE2*Ib2

Questa corrente ,tramite il collegamento reazionato tra i due transistor,fa si che T2 rimanga sempre in conduzione senza la necessità della costante polarizzazione del gate. Questo funzionamento è valido quando l’SCR lavora in corrente continua. In corrente alternata visto che la sinusoide passa per lo zero,i due transistor tornerebbero interdetti se il gate non rimanesse permanentemente polarizzato. In Fig. 4 è rappresentata la curva tensione corrente del tiristore. Nel normale funzionamento al tiristore viene fornita una tensione diretta inferiore a quella nominale del componente prima che intervenga il fenomeno a valanga.Quando la polarizzazione del gate consente l’innesco del tiristore, la porta stessa non influisce più sullo stato del tiristore. Per portare l’SCR di nuovo in interdizione, è necessario porta-re la corrente diretta al disotto del valore di mantenimento. Nel grafico di fig. 4 i termini a,b,c,d,e indicano le curve ovvero il comportamento dell’SCR in funzione della tensione ad esso applicata.

Fig.4: Le curve caratteristiche in tensione e in corrente che riassumono il comportamento dell’SCR

Il comportamento dell’SCR alimentato in corrente continua

In Fig.4A è rappresentato il comportamento dell’SCR quando questo risulta alimentato agli elettrodi di potenza A e K, in corrente continua. Premendo il pulsante P1 si consente l’ innesco del tiristore e quindi l’accensione della lampada. L’SCR può tornare nella condizione di spento solo aprendo l’interruttore S1. In effetti in corrente continua la struttura interna del tiristore (i due transistor descritti in Fig. 3), fa si che il componente si autoritenga innescato tramite la corrente di mantenimento e solo con l’interruzione di questa si ottiene il disinnesco del tiristore.

Fig.4A: L’SCR polarizzato direttamente al gate e agli elettrodi A-K

Questo permette l’innesco del tiristore. In Fig. 4B e 4C è rappresentata rispettivamente la polarizzazione inversa del gate e poi della giunzione A – K. In entrambe non risulta possibile la conduzione dell’SCR. In Fig.4B non risulta possibile l’innesco del tiristore in quanto per l’accensione del componente il gate deve essere polarizzato direttamente. In Fig .4C la connessione non permette l’innesco dell’SCR in quanto la giunzione A-K comportandosi come quella di un normale diodo non può entrare in conduzione.

Fig: 4B: L’SCR polarizzato inversamente al gate e direttamente agli elettrodi A-K. Questo collegamento non consente l’accensione del tiristore.
Fig.4C: L’SCR polarizzato direttamente al gate e inversamente agli elettrodi A-K. Questa connessione non consente l’innesco del tiristore

Il comportamento dell’SCR alimentato in corrente alternata agli elettrodi A-K

In Fig. 4D l’SCR risulta polarizzato agli elettrodi di potenza A-K da una tensione alternata, mentre polarizzato al gate in corrente continua. Come un normale diodo l’SCR condurrà attraverso la giunzione A-K solo durante i semiperiodi positivi della sinusoide, rimanendo interdetto durante quelli negativi. Questo fa si che alla lampada giunga la metà della tensione di alimentazione.In questo circuito il tiristore, può accendersi solo premendo P1, disinnescandosi all’apertura del pulsante. Questo perché la sinusoide passando per lo zero, priva il componente della corrente di mantenimento utile per lasciarlo innescato.

Fig.4D: L’SCR polarizzato direttamente al gate e in alternata agli elettrodi A-K. Questa connessione permette l’accensione della lampada al valore di 6V

Affinché la lampada possa accendersi pienamente a 12V è necessario associare all’SCR un ponte a diodi come indicato in figura 4E. Questa connessione consente al tiristore di essere attraversato da una tensione raddrizzata pulsante permettendo al componente di rimanere innescato per tutto il periodo della sinusoide. La tensione alternata applicata ad un terminale del ponte può fluire tramite l’altro verso la lampada lasciandola alimentata al valore di 12V. Premendo P1 la lampada può accendersi. Portando il pulsante di nuovo a riposo questa si spegne

Fig.4E L’SCR collegato all’uscita del ponte raddrizzatore. Questo permette al tiristore di rimanere innescato anche nei semiperiodi negativi della tensione alternata

Caratteristica diretta ed inversa dell’SCR

Polarizzando il tiristore inversamente, come un normale diodo, rimane interdetto permettendo la circolazione di una piccola corrente inversa. Un successivo aumento della tensione inversa, causa il raggiungimento della tensione di Zener con il conseguente danneggiamento del componente. In senso diretto e senza impulso di gate l’SCR entra in conduzione con il raggiungimento della tensione di “ break- over”, assumendo le caratteristiche di un diodo normale e con una caduta di conduzione di circa 1,5volt La precedente Fig. 4 espleta quanto detto. Negli SCR si identificano i seguenti parametri fondamentali:
Igt: corrente di innesco minima richiesta al gate per passare in conduzione.

Ih: corrente di mantenimento diretta per mantenere in conduzione il tiristore( da anodo a catodo).
It(av): massima corrente diretta nel semiperiodo.
It(rms):massima corrente diretta efficace a 180° di conduzione.
Vfm: massima caduta di tensione in conduzione diretta.
Vgt: tensione di innesco tra gate e catodo utile per dar luogo alla corrente di innesco.
In genere tale tensione può assumere valori che vanno dagli 0,8 V ai 2 V.
Vdrm:massima tensione inversa di picco ripetitiva, che l’SCR è in grado di bloccare se interdetto.

Tempo di innesco e disinnesco

Si definisce tempo di innesco o tempo di “Turn on”, il tempo utile per portare in conduzione il tiristore. Questo tempo risulta nell’ordine dei microsecondi, rappresentando però la durata utile per poter innescare il tiristore. Con i carichi induttivi l’impulso di innesco deve avere una durata maggiore in quanto la giunzione anodo-katodo deve raggiungere il valore minimo di mantenimento. Il tempo di disinnesco, definito anche come tempo di spegnimento, costistituisce il tempo utile per ristabilire l’interdizione dell’ SCR. Tale tempo assume valori compresi tra 20 e 100 microsecondi. I tiristori trovano largo impiego in campo industriale, in particolare come regolatori di fase consentendo la regolazione della velocità dei motori, ma anche come regolatore di eccitazione per i rotori degli alternatori, presso le centrali di produzione. Altre applicazioni: conversione della corrente alternata in continua a tensione regolabile per comandare motori in continua o caricare batterie. Sistemi inverter da continua ad alternata, permettendo di regolarne tensione e frequenza.

Valori di tensione e di corrente utili per l’innesco del tiristore

Tra i parametri caratteristici dell’SCR abbiamo definito Igt come il valore di corrente minimo da fornire al gate per permettere l’innesco del componente. Questo valore di corrente per gli SCR più sensibili può avere un valore compreso tra i 4 e i 15 milliamper in alcuni casi pari anche a 200uA, mentre per quelli meno sensibili un valore compreso tra i 20 e i 50 milliamper.
Abbiamo poi definito Vgt come il valore di tensione di innesco tra gate e catodo necessario per permettere la corrente di innesco. Questo valore di tensione varia in genere asseconda del tipo di SCR ed in genere ha un valore compreso tra 0,5 e 2,5 volt. I tiristori possono sopportare tra anodo e catodo elevati valori di tensione pari a 600, 800 volt ma questo permette comunque di impiegare questi componenti anche per tensioni notevolmente minori ad esempio per eccitare un relè a 12 volt o per alimentare piccoli motori. Nelle caratteristiche di ogni SCR il costruttore fornisce inoltre la corrente nominale di lavoro ossia quella massima che può fluire tra anodo e catododo.Questo parametro può avere un valore compreso tra 3 e 10 amper nei tiristori per applicazioni generali e valori anche di 250 amper per tiristori utilizzati in applicazioni industriali.

Seguono ora alcune applicazioni pratiche sugli SCR con lo scopo di esaminarne il comportamento sia in corrente continua che in corrente alternata. Il tiristore utilizzato è il TIC116 e tramite è possibile conoscere i parametri fondamentali:

Itrms pari a 8 amper, tensione nominale sopportabile tra A e K nella con-dizione di off del tiristore, pari a 800V

Per eccitare un relè in corrente continua
Tramite il circuito di FIG.5, è possibile eccitare e diseccitare un relè. Ormai sappiamo che per consentire l’innesco dell’SCR nel normale funzionamento,è necessaria la polarizzazione del gate ed in particolare in continua è necessario un solo impulso di innesco.
Schema elettrico
Per l’innesco del tiristore è necessario un impulso compreso tra gli 0,8 egli 1,5 volt ad una corrente di gate compresa tra 8 e 20milliamper e questo ad una temperatura del contenitore pari a 25°C. Quindi per il dimensionamento della resistenza di polarizzazione di gate bisogna tener conto di questi parametri. Normalmente la bobina di un relè a 12 volt in continua assorbe una corrente di 30 milliamper alla quale, nel nostro caso, va sommata quella di polarizzazione del led di segnalazione. Si avrebbe una corrente di carico di circa 40milliamper. Considerando di nuovo i parametri del data sheet possiamo scegliere una Vgt pari ad 1 volt ed una corrente di gate pari a 10 milliamper. Quindi la resistenza di limitazione di gate sarà pari a :
Rl= (Vi-1V)/0,01 R1= 1100ohm
che approssimeremo ad 1 Kohm

Fig.5: L’impiego dell’SCR per eccitare un relè a 12Vcc

Premendo P1 ( normalmente aperto ), giunge al gate l’impulso di innesco che chiude la giunzione anodo- catodo del tiristore e con ciò il relè si eccita.
Aprendo S1 ( normalmente chiuso), viene tolta alimentazione sia al relè che si diseccita, che al tiristore che si disinnesca. Tecnicamente viene tagliata la corrente di mantenimento Ih utile per lasciare in conduzione la configurazione dei due transistor illustrata all’inizio del nostro articolo in figura 2 e questo comporta il disinnesco dell’ SCR.

Elenco componenti
SiglaValore
R11K? 1/4W
R210K? 1/4W
R3820?
C147nF
D11N4004
DL1Diodo led
S1Interruttore
SCRTIC116
Relè12Vcc- 230V- 10A
P1Pulsante

Importante: In tutti gli schemi elettrici che seguiranno l’SCR risulta inserito come regolatore e interruttore di potenza collegato direttamente a 230V della tensione di rete. Questo comporta che l’interessato si attenga a quanto segue:
Durante il montaggio dello stampato si faccia attenzione che tutti i componenti siano collegati in modo corretto. L’errato montaggio degli stessi, collegando il circuito alla tensione di rete, provoca seri danni anche a persone. I circuiti vanno utilizzati inserendoli in appositi contenitori ben chiusi e isolati da contatto elettrico. Se installati all’esterno utilizzare contenitori stagni. Quando i circuiti vengono alimentati non vanno assolutamente toccati in quanto le piste sono polarizzate direttamente al valore di 220V. Chi non rispetta quanto consigliato se ne assume le proprie responsabilità a proprio rischio e pericolo.

Timer per tempi brevi con SCR

Tramite il circuito di Fig.6, è possibile realizzare un timer per l’accensione di una lampada ad incandescenza da 100W a 230V tramite l’ impiego di SCR sempre nel TIC116. Nell’applicazione l’SCR risulta inserito come interruttore allo stato solido in grado di lavorare al valore della tensione di rete di 230V.

Fig.6: Schema elettrico del timer per tempi brevi

Schema elettrico
Il temporizzatore è costituito dall’ NE555 inserito come monostabile. Premendo il pulsante P l’uscita dell’NE555 si porta a livello alto innescan- do l’ SCR. Il condensatore C6, attraverso R1+RV1 ,inizia lentamente a caricarsi tendendo a Vcc. Quando la tensione ai suoi capi raggiunge i 2/3 di Vcc , la sua uscita si riporta a 0 volt disinnescando l’SCR. La durata della conduzione del tiristore è stabilita dalla formula:

T= 0,011 (R1+RV1) C6
dove R1 e P1 sono espressi in Kohm e C6 in uF, e T in secondi. In questo circuito l’ SCR lavora in corrente pulsante quindi, affinché rimanga innescato per tutta la temporizzazione desiderata, è necessario che il gate rimanga per tutto il tempo polarizzato tramite il livello alto fornito dal pin 3 dell’NE555. In questo circuito all’SCR viene richiesta una corrente maggiore e nel caso di una lampada da 100 WATT il tiristore dovrebbe fornire circa 450 milli amper. In questo caso scegliamo una Vgt pari a 2volt ed una Igt pari a 20milliamper. Considerando la caduta sul diodo in uscita all’NE555:

R3=(11,3-2)/0.02 R3= approssimeremo a 470 ohm – 0.5W.

Con i valori impostati per R1,P1 e C6 si ottiene una temporizzazione da un minimo di circa 11 secondi ad un massimo di circa 62 secondi. L’accensione di DL1 indica che l’NE555 ha iniziato la temporizzazione. In questa connessione diretta alla rete l’SCR va posto su un dissipatore con resistenza termica pari a 5°c/W.

Elenco componenti
Sigla Valore
R1100K? 1/4W
R210K? 1/4W
R3470? 1/2W
R410K? 1/4W
R51,5K? 1/4W
RV1Pot. Lin. 470k?
C1330uF-25V Elettrol.
C2100nF
C3100nF
C4150uF-25V Elettrol.
C5100nF
C6100uF-25V Elettrol.
C7100nF
C810nF
D11N4004
DL1Diodo led
U17812
IC2NE555-LM555
SCRTIC116
Fig. 7: Il circuito stampato del prototipo. Lato componenti.
Fig.8: Il circuito stampato del prototipo.Lato rame

Montaggio del circuito

Per il montaggio del circuito stampato si procede partendo con la sal-datura della cavetteria del potenziometro, del trasformatore di alimentazione , della tensione di rete a 230V e quella dell’ utenza.La cavetteria dei 230V e dell’utenza deve essere con una sezione di almeno 0.7mmq e di lunghezza idonea. Successivamente si passa al montaggio e saldatura dello zoccolo dell’ NE555. Segue poi il montaggio dei componenti passivi rispettivamente resistenze e potenziometro, condensatori in poliestere o ceramici e poi elettrolitici. A seguire si passa al montaggio dei due diodi, DL1 e D1. Si passa poi al montaggio dell’ SCR. I pin del tiristore vanno distanziati nella parte terminale con cura. Si preferisce distanziarli per motivi di sicurezza essendo il componente alimentato a 230V. Segue il montaggio del 7812. Si conclude con il montaggio dei due ponti raddrizzatori. Il tiristore va fissato su dissipatore con Rt: 5°C/W. Terminate le saldature l’ NE555 può essere montato sullo zoccolo.

Fig.9: Il prototipo del timer per tempi brevi

Come si realizza un variatore di luminosità con l’SCR?

Come già accennato l’SCR viene definito come “ Diodo controllato al silicio e questo implica che il suo innesco, nel normale funzionamento dipenda dall’impulso sul gate. Se quindi la tensione con cui lavorano l’anodo e il catodo risulta in fase con quella di gate, fornendo ma alla porta stessa degli impulsi ritardati nei confronti dell’ anodo, risulta possibile ottenere il controllo di fase, utile ad esempio per variare l’intensità luminosa di una lampada, oppure per regolare la velocità di un motore. Associando l’SCR ad un UJT ( Transistor unigiunzione ), è possibile realizzare questo particolare circuito. Prima della descrizione del circuito, è necessario conoscere le caratteristiche e il funzionamento dell’UJT,che costituisce il cuore del circuito.

Il funzionamento dell’UJT

L’UJT è un dispositivo semiconduttore a tre terminali, la sua struttura e il suo simbolo sono riconducibili ai disegni di Fig.10.

Fig.10: La struttura interna dell’UJT e il suo simbolo elettrico

Se la base 1 viene collegata a terra e la base 2 viene polarizzata positivamente, mentre l’emettitore non viene percorso da corrente, il componente si comporta semplicemente come un divisore di tensione la cui resistenza totale risulta compresa tra i 4 e 10Kohm. All’ altezza dell’emettitore esisterà una parte della tensione VBB applicata all’UJT. Questa frazione di tensione chiamata n, rappresenta il parame-tro più importante del componente ed in genere assume un valore tipico compreso tra 0,5 e 0,75 asseconda del tipo di UJT. Se la polarizzazione d’emettitore assume un valore pari a :

Ve < nVBB

La giunzione risulta polarizzata in senso inverso e nell’ emettitore circola una bassa corrente di fuga. Quando Ve assume un valoredi tensione superiore a nVBB, la giunzione viene polarizzata direttamente consentendo la circolazione di una corrente nell’ emettitore. Questa condizione fa si che la resistività di questa zona venga abbassata, aumentando ulteriormente la corrente di emettitore, facendo cadere la tensione di quest’ultimo.

Questo comportamento dell’ UJT consente di affermare che esiste una caratteristica a resistenza negativa, come indicato dalla Fig.11.

Fig.11: Il Grafico con caratteristica a resistenza negativa del transistor uni-giunzione
Fig.12: Il circuito equivalente dell’UJT. Nella tabella la dipendenza di RB1 nei confronti della corrente di emettitore

Nella tabella è indicata la dipendenza di RB1 dalla corrente di emettitore. Il loro legame risulta inversamente proporzionale infatti all’aumentare di Ie il valore di RB1 diminuisce. La tensione di commutazione di un transistor unigiunzione varia in funzione della tensione interbase ed è espressa dalla relezione:

Vc= nVbb+Vd

Dove il valore di varia generalmente tra 0,47 e 0,75 asseconda del tipo di UJT. Si consideri Vd come la caduta di tensione diretta del diodo equivalente alla giunzione di emettitore e vale circa 0,7V. Quest’ ultima tensione diminuisce all’aumentare della temperatura nell’ ordine di -2mV/°C. La resistenza interna Rbb invece aumenta, con l’aumentare della temperatura. Immaginiamo di collegare una resistenza Rb2 in serie con la base 2. Il coefficiente positivo di Rbb provocherà un aumento di Vbb se aumenta la temperatura. Scegliendo opportunamente Rb2, l’aumento di Vbb compensa esattamente la diminuzione che subisce Vd.

Il valore di Rb2 che realizza questa condizione si può calcolare tramite la formula:

Rb2= (0.4 Rbb/ n V1) + ( 1-n)Rb1/n

In cui V1 è la tensione costante di alimentazione e Rb1 è la resistenza eventualmente presente nel collegamento della base1. L’applicazione fondamentale dell’UJT è quella come oscillatore a rilassamento (Fig.13) in cui viene sfruttata una rete di ritardo RC.

Fig.13: Schema elettrico dell’UJT impiegato come oscillatore a rilassamento

Affinché il circuito oscilli è necessario che la retta di carico, intersechi la curva caratteristica dell’UJT nella zona a resistenza negativa come indicato in Fig.14. Tale retta risulta strettamente legata al valore di R, e il valore di tale resistenza deve risultare:

R>Vbb/Iv

Fig.14: Nel grafico di figura è rappresentata l’intersezione tra la retta di carico e la curva dell’UJT nella zona a resistenza negativa

In genere R non assume mai un valore inferiore ai 2Kohm. Il funzionamento dell’oscillatore è il seguente :

All’accensione l’UJT risulta ancora spento ed il valore di Vu può ritenersi nullo Il condensatore C inizia poi a caricarsi attraverso R assumendo un valore che tende a Vbb. Quando la tensione ai suoi capi raggiunge il valore di Vp l’UJT passa in conduzione e C può scaricarsi attraverso la base 1 e R1 in modo molto rapido. Il tutto è deducibile dai grafici di Fig.15a-15b.

Fig.15a-15b: Nel grafico di Fig.a la rappresentazione del carica di C attraverso R. Nel grafico di Fig.b la scarica di C attraverso la base B1

Vu tende quindi ad avere l’andamento impulsivo di Fig. 15b. Il punto di lavoro, passando durante il funzionamento dal punto 2 al punto 3 (Fig. 14) durante la commutazione, scarica sul punto 4 e quando Vc as-
sume lo stesso valore di Vv, l’ UJT passa in off ed inizia un nuovo ciclo.

Come funziona un variatore di luminosità

Secondo quanto descritto sull’ UJT e associando il tutto all’ SCR, risulta possibile variare l’intensità luminosità di una lampada tramite la modulazione di fase della sinusoide. In Fig. 16 è rappresentato un variatore di lu-minosità in cui l’UJT è inserito come oscillatore a rilassamento. Alimentando l’oscillatore tramite onda pulsante e sfruttando un gruppo RC in ingresso si stabilisce un ritardo di conduzione dello stesso UJT potendo così agire sull’elettrodo di controllo del tiristore stabilendone la durata di conduzione.

Fig.16: Schema elettrico del variatore di luminosità

Schema elettrico

Inizialmente l’UJT si trova in off,quindi l’SCR non riceve ancora l’impulso di innesco. Successivamente C inizia a caricarsi attraverso il partitore resistivo R1+R2 e quandola tensione ai suoi capi raggiunge quella di soglia dell’UJT (compresa tra 2 e 5 volt), lo stesso UJT entra in condu-zione consentendo a C di scaricarsi rapidamente su R4 attraverso la giunzione di base di b1, fornendo all’SCR gli impulsi di innesco utili per portarlo in conduzione. La tensione che viene fornita in scarica da C attraverso R4, coincide circa con la tensione di soglia dell’UJT e questo fa si che tramite questo sistema possano essere pilotati anche tiristori di potenza. Infatti la corrente che restituisce il condensatore ha una intensità tale da permettere un sicuro innesco.In questo tipo di funzionamento l’SCR viene pilotato in regime impulsivo quindi per la limitazione della corrente di gate è sufficiente una resistenza di qualche centinaio di ohm. Stabilendo il valore di R1 risultata possibile modificare questo ritardo, variando quindi il tempo di innesco del tiristore e quindi variare la durata della sinusoide ovvero della tensione d’uscita. Nei grafici di figura 17 è indicato come la tensione di 15 Vac applicata al Circuito( Fig. a) viene prima raddrizzata dal ponte a diodi ma non livellata da un filtro ( Fig.b) per poi venire stabilizzata e limitata dal diodo zener (Fig. c).

Fig. 17 a) b) c): I tre grafici indicano come la tensione di alimentazione Vin(a) viene raddrizzata (b) e limitata dal diodo zener ( c)

Nei grafici di figura 18 è sono rappresentati i comportamenti del gruppo RC costituito da R1, R2 e C1, dell’UJT e dell’innesco del tiristore. In fig.a è indicato come C1 inizialmente tende a caricarsi attraverso il gruppo ohmico.Il tempo di carica del condensatore dipende strettamente dal valore assunto da R1. Più il valore di R1 è alto e più sarà lento il tempo di carica del componente. Al contrario più il valore di R1 sarà basso e con più velocità C1 potrà caricarsi. Quando il valore di carica di C1 raggiunge e supera il valore della tensione di soglia dell’UJT, il transistor unigiunzione potrà fornire l’impulso di innesco al tiristore consentendone l’accensione (Fig.b). In base alla durata di questo impulso, legata al tempo di carica di C1, sarà stabilito il tempo di conduzione del tiristore che agli elettrodi A- K parzializzerà la semionda fornitagli dal ponte raddrizzatore (Fig. c). Questo comportamento permette di controllare la luminosità della lampada. Nei comportamenti raffigurati si considera R1 regolata ad un valore elevato quindi l’SCR risulta rimanere in conduzione per un breve periodo della semionda positiva ( Fig.c).

Fig. 18 a) b) c). Nei grafici sono rappresentai la carica di C1 attraverso il gruppo ohmico R1,R2(a)

La conduzione dell’UJT in funzione del tempo di carica di C1(b) e la parzializzazione operata dall’SCR sulla semionde in uscita del ponte a diodi(c). I grafici di figura 19 hanno lo stesso significato di quelli di figura 18. A differenza però dei precedenti si è considerato il comportamento del condensatore e quindi dell’UJT e dell’SCR con il valore di R1 impostato al minimo. Il tempo di carica più breve di C1 consente al transistor uni-giunzione di lasciare innescato il tiristore per buona parte della semi-onda positiva. Questo permette alla lampada di accendersi in modo quasi totale.

Fig. 19 a) b) c): I grafici indicano come varia la parzializzazione operata dell’SCR sulla semionda in funzione del valore assunto da R1

Il progetto di un variatore di luminosità

Si prenda come riferimento lo schema elettrico di figura 16. Considerando il diffuso 2n2646 da data sheet la sua corrente di valle Iv è compresa tra 4(min.)e 6(typ.) milliamper mentre la tensione di soglia è pari a 3,5 volt. Tensione massima tra le basi 35V. Avendo a disposizione un trasformatore con secondario 15V si procede:

Si può scegliere uno zener limitatore con una VZ pari a 9,1V con potenza 1,3W.

Affinché l’UJT non rimanga permanentemente innescato, escludendo R1, bisogna che:

R2=RE> Vcc/Iv

Scegliendo una Iv di 5mA risulta:

Vcc/Iv= RE

9,1/ 0,005 = 1,8K? circa

Quindi per R2 sceglieremo un valore pari a 3,3K? ottenendo una Ie pari a circa 2,7mA quindi minore di Iv, affinchè la retta di carico relativa alla maglia d’ingresso intersechi la caratteristica dell’ UJT in un punto della zona a resistenza negativa (fig.11). Scegliendo una Iz pari a 9mA, RZ ri-sulta pari a :

RZ: Vcc-Vz/ Iz+ Ie
RZ= (14,5-9,1/ 9+2,5)1000 RZ= 470ohm circa

I 14,5V di Vcc si riferiscono ai circa 16 volt forniti dal trasformatore meno la caduta sul ponte a diodi . Si ottiene così un ritardo fisso di un 500uS con R1 al minimo.

Infatti T= 1,2 (R1+R2) C

Considerando ora che la durata del periodo è pari a 10 millisecondi inserendo R1 variabile da 0 a 47Kohm è possibile ricoprire quasi intera-mente la durata del semiperiodo di rete ( T risulterebbe pari a 9 milli secondi), ottenendo una ampia escursione di luminosità della lampada portandola allo spegnimento completo. La resistenza R3 deve avere un valore compreso tra 100 ohm e 100 kohm. La funzione di tale resistenza è quella di rendere stabile il funzionamento del dispositivo nei confronti della temperatura. Il collegamento dell’SCR al ponte a diodi fa si che il tiristore rimanga in conduzione, attraverso le semionde positive, per tutto il periodo della sinusoide incluso quindi il ciclo dei semiperiodi negativi. Se l’ SCR venisse direttamente collegato alla lampada, rimarrebbe in conduzione nei soli semiperiodi positivi accendendo la lampada al valore di soli 110V. 

Elenco componenti
SiglaValore
R1Potenz. Lin. 47K?
R23,3K? 1/4W
R3100? 1/4W
R4100? 1/4W
R5150? 1/4W
RZ470? 1/2W
C1150nF
DZDiodi zener 9,1V- 1,3W
UJT2N2646
Ponte 140V-1A
Ponte 2800V- 8A
SCRTIC116
Trasf.15V- 300mA
Fig.20: Il circuito stampato del prototipo.Lato componenti
Fig 21: Il circuito stampato del prototipo. Lato rame
Fig.22: Il prototipo del variatore di luminosità

Montaggio del circuito

La poca quantità di componenti consente di montare lo stampato rapidamente. Si procede con il montaggio e la saldatura dei conduttori quali quelli verso il trasformatore di alimentazione, quelli del potenziometro, quelli per i 230V e quelli destinati alla lampada. Anche in questo caso non si usi cavetteria con sezione inferiore ai 0,7mmq. Segue poi il montaggio delle 5 resistenze,del potenziometro e di C1. Si passa poi alla saldatura del diodo zener seguito dai due ponti a diodi. Successivamente si passa al montaggio dell’SCR. Anche in questo caso i pie-dini del tiristore vanno distanziati tra loro con cura per poi saldarli. Infine può essere montato e saldato l’UJT. Sul tiristore va fissato un dissipatore con Rt: 5°C/W. Passare inoltre sull’aletta dell’SCR uno strato di pasta al silicone sarebbe ottimale. L’SCR e l’NE555 per eccitare teleruttori di potenza con tensione di alimentazione da 24 a 230Vac. Il circuito di Fig.23 consente di comandare teleruttori di potenza o ausiliari,o comunque relè ed elettro valvole, con tensioni comprese tra 24 e 230Vac. Nella configurazione dell’ NE555 si ottiene l’equivalente di un flip-flop RS in grado di innescare l’SCR per il comando dell’utenza. Il circuito costituisce in sintesi un relè allo stato solido in cui il tiristore viene individuato come contatto di potenza. A differenza di un normale relè, questo non presenta parti meccaniche non soffrendo quindi di una possibile usura dei contatti nel tempo. Inoltre si ha la possibilità di tempi di commutazione più veloci rispetto al relè meccanico.

Fig.23: Lo schema elettrico dell’SCR e dell’NE555 impiegati per eccitare dei teleruttori

Schema elettrico

Al circuito viene fornita la tensione stabilizzata di 10V dallo zener DZ1, senza la necessità di un integrato stabilizzatore. In riferimento all’ NE555 nella condizione di riposo agli ingressi 2 e 6 ( trigger e soglia), giunge un valore di tensione superiore ai 2/3Vcc quindi il pin 3 (output) fornisce 0 volt verso l’SCR che non può innescarsi. Premendo il pulsante P1 i pin 2 e 6 vengono cortocircuitati a massa e questo consente a IC1 di fornire livello alto in uscita innescando l’SCR per pilotare l’utenza. Il livello alto fornito dal pin 3 consente la conduzione di TR1 che attraverso P2, pulsante normalmente chiuso, lascia gli ingressi 2 e 6 cortocircuitati verso il negativo quindi livello alto in uscita. Questa condizione di memoria permane finchè non viene premuto P2 , la cui apertura consente ai pin trigger-soglia di tornare a circa 10V disabilitando l’uscita per poter disinnescare l’SCR. Il gruppo R3-C5-D1 consente di evitare auto inneschi del circuito che potrebbero causare l’improvvisa accensione del tiristore. Il led DL1 indica in conduzione lo stato alto del pin d’uscita 3 di IC1, mentre DL2 indica la chiusura del teleruttore attraverso un suo contatto ausiliario. Questa doppia segnalazione che riguarda sia il circuito di comando che il dispositivo di potenza, risulta utile al fine di verificare che entrambi i circuiti diano la stessa risposta per un corretto funzionamento del sistema.
 

Elenco componenti
SiglaValore
R1:100? 1W
R2:2,2K? 1/4W
R3:33K? 1/4W
R4:2,2K? 1/4W
R5:330? 1/4W
R6:470? 1/4W
C1:330uF – 35V Elettrol.
C2-C3100nF
C4:100nF
C5:10uF – 25V Elettrol.
C6:10nF
P1:Pulsante no
P2:Pulsante nc
DL1,DL2diodi led
D1:1N4148
DZ1:Diodo zener 10V- 1,3W
TR1:BC 237
IC1:NE555 o LM555
SCR:TYN 808
BR1:Ponte 40V-1A.
BR2:Ponte 600V-10A.
Trasf.12V-300mA.
FU1:Dimensionare in base al carico. Vedi articolo.
 Valore indicativo fuse per teleruttore 2A
Fig.24: Il circuito stampato del prototipo Lato componenti.
Fig.25: Il circuito stampato del prototipo.Lato rame

Fig. 26: Il prototipo del circuito con SCR-NE555 per eccitare teleruttori

Importanti considerazioni sul carico applicabile al circuito

Il circuito risulta in grado di comandare carichi sia resistivi che induttivi, partendo da una tensione minima di 24Vac fino ad un massimo di 230Vac. L’ SCR utilizzato è costituito dal tiristore TYN808 in grado di sopportare ai terminali A-K una tensione nominale di 800V e di fornire una corrente massima di 8A, mentre il ponte raddrizzatore d’uscita può sopportare una tensione massima di 600V e fornire una corrente massima di 10A. Se il circuito venisse impiegato per alimentare carichi resistivi come lampade a incandescenza, piccoli riscaldatori occorre che:

  • l’utenza non assorba una corrente superiore ai 2A e l’SCR
  • va obbligatoriamente fissato su di un dissipatore con Rt pari a 3°C/W.

Se l’impiego del circuito fosse destinato per il comando di carichi induttivi come teleruttori, elettro valvole o relè bisogna tener conto della corrente di spunto delle bobine:

Per bobine dei suddetti a 24V- 48V lo spunto non deve essere superiore ai 70VA. In termini pratici per i teleruttori si fa riferimento alla Ith no-minale del componente pari a 40A.

Per bobine dei suddetti a 110 e 230V lo spunto non deve essere superiore ai 110VA. Per i teleruttori si fa riferimento ad una Ith nominale di 80A.

Pur considerando che in ritenuta l’assorbimento della bobina risulta basso, si consiglia sempre di fissare il tiristore su di un dissipatore con Rt :5°C/W.

Montaggio del circuito

Il montaggio del circuito stampato inizia a partire dal fissaggio e la saldatura della cavetteria . Quella verso il trasformatore di alimentazione, dei 230V, quella del carico, del ponte raddrizzatore di potenza concludendo con quella del contatto ausiliario nel caso in cui si pilotasse un teleruttore o un relè. Vanno poi saldati ai rispettivi cavetti, come da schema, i pulsanti P1 e P2. Si passa poi al montaggio dello zoccolo dell’ NE555.

Segue poi il montaggio resistenze delle. In particolare il resistore R1 da 1W, durante il funzionamento del circuito tende a dissipare una certa potenza riscaldandosi ; va quindi distanziato di qualche millimetro dalla basetta. Si procede successivamente alla saldatura dei condensatori in poliestere o ceramici seguiti da i due condensatori elettrolitici C1 e C5. A seguire si passa al montaggio dello zener , dell ‘1N4148 e dei due diodi led DL1 e DL2. Si passa poi al montaggio e alla saldatura del ponte raddrizzatore di alimentazione e del transistor TR1. Segue il montaggio del tiristore i cui piedini, come di regola, vanno idoneamente distanziati.

Infine può essere collegato alla cavetteria il ponte raddrizzatore di potenza e l’NE555 montato sullo zoccolo.

Redazione