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Progettazione dell’alimentatore: i Triac

da | 25 Giu, 21 | Tutorial |

In questo tutorial vedremo alcune simulazioni sui TRIAC. I TRIAC sono componenti elettronici utilizzati come interruttori nei circuiti in corrente alternata a bassa frequenza. Il principale software elettronico utilizzato è LTspice. È un software di simulazione SPICE ad alte prestazioni, acquisizione schematica e visualizzatore di forme d’onda con miglioramenti e modelli per facilitare la simulazione di circuiti analogici.

I TRIAC

I TRIAC sono componenti elettronici utilizzati come interruttori nei circuiti in corrente alternata a bassa frequenza (vedi figura 1). I TRIAC sono dispositivi a tre terminali: Gate (G), Anodo 1 (A1) e Anodo 2 (A2). Sono utilizzati come interruttori bidirezionali per correnti e tensioni alternate. Il suo funzionamento è estremamente interessante: il passaggio di corrente tra i terminali A1 e A2 o tra A2 e A1 avviene solo se viene applicato un segnale di corrente al Gate. Il TRIAC rimane in conduzione anche se la corrente sul gate viene interrotta.

Figura 1: il simbolo elettrico del TRIAC

Il TRIAC scelto per le nostre simulazioni

Il modello di TRIAC è 2N5568 di Motorola (vedi figura 2). E’ progettato principalmente per applicazioni industriali e militari per il controllo a onda intera di carichi CA in applicazioni quali dimmer di luce, alimentatori, controllo del riscaldamento, controllo del motore e sistemi di commutazione dell’alimentazione. Le sue caratteristiche e le valutazioni massime, come specificato sulla scheda tecnica ufficiale, sono le seguenti:

  • tensione (VDRM): 400 V;
  • tensione di gate (VGM): 20 V;
  • Corrente RMS On-State (ITRMS): 10 A;
  • sovracorrente non ripetitivo (ITSM): 100 A;
  • potenza di picco del gate (PGM): 16 W;
  • campo di temperatura di giunzione di esercizio (TJ): da -65 °C a + 100 °C;
  • resistenza termica giunzione a cassa (RθJC): 1.

Il suo modello SPICE è scaricabile da Internet, dopo una breve ricerca. Il seguente sottocircuito può essere inserito direttamente nello schema elettrico di LTspice o incluso da un documento esterno, utilizzando la direttiva “.INCLUDE”:

.SUBCKT 2N5568 1 2 3
* CONNECTIONS: MT2 G MT1
QN1 5 4 3 NOUT
QN2 11 6 7 NOUT
QP1 6 11 3 POUT
QP2 4 5 7 POUT
DF 4 5 DZ OFF
DR 6 11 DZ OFF
RF 6 4 40MEG
RT2 7 1 52.8M
RH 6 7 75
RGP 8 3 54.5
RG 8 2 26.4
RS 4 8 52.6
DN 9 2 DIN
RN 9 3 27.8
GNN 6 7 9 3 38.8M
GNP 4 5 9 3 51.2M
DP 2 10 DIP
RP 3 10 16.2
GP 7 6 10 3 26.1M
.Model Din D (IS=53.5F)
.Model Dip D (IS=53.5F N=1.19)
.Model Dz D (IS=53.5F N=1.5 IBV=10u BV=400)
.Model Pout PNP (IS=53.5F BF=5 CJE=235P TF=25.5u)
.Model Nout NPN (IS=53.5F BF=20 CJE=235P CJC=46.9P TF=1.7u)
.ENDS

Figure 2: il TRIAC 2N5568 di Motorola

Schema elettrico del primo esempio

La figura 3 mostra il primo esempio di applicazione. Il carico R1 è rappresentato da una resistenza da 22 Ohm, alimentata in CC con una tensione di 230 V. Il gate è pilotato, invece, da una tensione pulsante di 20 V.

Figura 3: il primo esempio in CC

Non appena il circuito viene alimentato, il TRIAC è interdetto e non fa passare alcuna corrente attraverso il carico. Al primo impulso positivo di 20 V sul gate, il TRIAC inizia a condurre (come un interruttore chiuso) permettendo il passaggio di una corrente di circa 10 A attraverso il carico R1. Il resistore R2 limita la corrente sul gate del semiconduttore. Osserviamo i grafici prodotti dalla prima simulazione DC, in figura 4. Il grafico verde (in basso) descrive il segnale pulsante sul Gate del TRIAC, con una tensione quadrata di 20 Vpp. Il grafico rosso (in alto) descrive la corrente che passa sul carico, il resistore da 22 Ohm R1. Anche se la tensione sul gate diventa zero, il TRIAC è ormai conduttivo e la corrente passa continuamente (più di 10 A), fino allo spegnimento completo del circuito. E’ come se il componente avesse una memoria e ricordasse di essere stato attivato la prima volta da un impulso sul cancello. L’unico modo per fermare la corrente è spegnere il circuito dall’alimentazione principale.

Figura 4: i grafici della prima simulazione

Queste sono alcune misure elettriche sul circuito, durante lo stato di conduzione del TRIAC:

  • tensione del generatore DC V4: 230 V;
  • tensione sul generatore di impulsi V3: 0 V-20 V, freq. 0,5Hz;
  • corrente sul Carico R1: 10,39 A;
  • corrente attraverso il Gate del TRIAC: 82,8 mA;
  • potenza dissipata dal Carico R1: 2375 W;
  • potenza dissipata dal Triac in conduzione: solo 14,9 W;
  • tensione tra A1 e A2 del TRIAC: 1,4 V.

In questa configurazione, l’efficienza del circuito è del 99,375%. Un ottimo risultato. La temperatura di giunzione del componente, senza dissipatore, è di circa 42 °C.

Schema elettrico del secondo esempio

La figura 5 mostra il secondo esempio di applicazione. Il carico R1 è rappresentato da una resistenza da 22 Ohm, alimentata in AC con una tensione di 325 VACpp (equivalente a 230 VRMS). Il gate è pilotato, ancora, da una tensione pulsante di 20 V con una frequenza di 5 Hz. Anche in questo caso, appena il circuito viene alimentato, il TRIAC è interdetto e non fa passare alcuna corrente attraverso il carico. Al primo impulso positivo di 20 V sul gate, il TRIAC inizia a condurre (come un interruttore chiuso) permettendo il passaggio di corrente alternativa di circa 6,5 A RMS attraverso il carico R1 (il circuito è in regime sinusoidale).

Figura 5: il secondo esempio in AC

Il grafico prodotto dalla seconda simulazione AC (vedi figura 6) è diverso. In esso, il grafico verde (in basso) descrive nuovamente il segnale pulsante sul Gate del TRIAC, con una tensione quadrata di 20 Vpp. Il grafico rosso (in alto) descrive la corrente alternata (AC) che passa sul carico R1.

Figura 6: i grafici della seconda simulazione

Questa volta, se la tensione sul gate diventa zero, il TRIAC termina di condurre la corrente quando la tensione su di esso passa per il valore zero (figura 7). In altre parole, se il TRIAC viene utilizzato in corrente alternata, lo spegnimento avviene quando la corrente passa da zero.

Figura 7: in AC il TRIAC viene spento dalla corrispondenza del passaggio da zero della corrente

Queste sono alcune misure elettriche sul circuito, durante lo stato di conduzione del TRIAC:

  • tensione sul generatore AC V1: 230 V RMS (325 Vpp);
  • tensione sul generatore di impulsi V3: 0 V-20 V, freq. 5Hz;
  • corrente sul Carico R1: 6,5 A RMS solo quando il TRIAC è conduttivo;
  • corrente attraverso il Gate del TRIAC: 82,8 mA;
  • potenza dissipata dal Carico R1: circa 2100 W avg;
  • potenza dissipata dal Triac in conduzione: solo 14 W avg;
  • tensione tra A1 e A2 del TRIAC: 1,6 V.

In questa configurazione, l’efficienza del circuito è del 99,4 %. Anche in questo caso è un ottimo risultato.

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