Raddrizzatore a tiristore

I tiristori, chiamati anche raddrizzatori controllati al silicio, o SCR, sono dispositivi elettronici utilizzati nei dimmer di luce, nei regolatori di velocità dei motori e nei regolatori di tensione. Come un diodo, un tiristore ha un anodo e un catodo e conduce in una sola direzione. In effetti, il simbolo schematico di un tiristore assomiglia a un diodo, ma con un terzo terminale che rappresenta il gate, che controlla il flusso di corrente. A differenza di un diodo, tuttavia, è necessario un piccolo impulso di corrente nel gate per accendere il tiristore in modo che la corrente diretta possa fluire dall'anodo al catodo. Il tiristore si spegne se questa corrente diretta scende al di sotto di una soglia di blocco. Nello stato off, un tiristore blocca la conduzione in entrambe le direzioni. La capacità di accensione e spegnimento consente al tiristore di raddrizzare, cioè di far passare corrente di una sola polarità e regolare la quantità di potenza CA da allodo. Questo video mostrerà come controllare un tiristore attivando il cancello in vari punti durante un ciclo CA.

I tiristori sono composti da quattro strati alternati di semiconduttori di tipo P e N, che formano una struttura PNPN. Il cavo dell'anodo è collegato al materiale di tipo P a un'estremità. Il cavo del catodo è collegato al materiale di tipo N all'altra estremità. E il cavo del gate è collegato allo strato di tipo P accanto al catodo. In questo semplice circuito, con una fonte di alimentazione CA in serie con il tiristore e un carico, l'ingresso CA da solo non può guidare il tiristore in conduzione diretta. La corrente può fluire dall'anodo al catodo solo dopo che un impulso di corrente al gate attiva lo stato di accensione. Questo impulso deve verificarsi mentre la tensione della sorgente è positiva. In caso contrario, il tiristore rimane spento e blocca la corrente. I tiristori sono bistabili, il che significa che possono riposare in due stati diversi. Quindi la modalità di conduzione diretta persiste finché la tensione della sorgente è positiva e la corrente è al di sopra della soglia di blocco. Se la corrente scende al di sotto di questa soglia, il tiristore entra in modalità di blocco e rimane in quello stato fino a quando non viene attivato nuovamente. La differenza di fase tra l'impulso di gate e il passaggio per lo zero di una sorgente CA sinusoidale è l'angolo di sparo. Ad esempio, un impulso di innesco contemporaneamente al passaggio per lo zero iniziale ha un angolo di sparo di zero gradi, con conseguente rettifica completa a semionda, come un diodo. In questo caso, il tiristore passa tutta l'energia dalla parte positiva del ciclo al carico. Se l'impulso coincide con il picco della tensione CA, l'angolo di accensione è di 90 gradi e il carico riceve energia solo dalla metà del ciclo positivo. Infine, un impulso contemporaneamente al passaggio per lo zero negativo produce un angolo di accensione di 180 gradi, senza corrente condotta e senza alcun trasferimento di energia. L'obiettivo di questo esperimento è studiare un circuito raddrizzatore a tiristori attivato a diversi angoli di accensione e confrontare le tensioni di uscita medie risultanti.

Poiché questi esperimenti utilizzano un'alimentazione a 120 volt CA, evitare il contatto con i fili esposti, che potrebbero causare folgorazione e lesioni o morte. Non toccare nessuna parte del circuito mentre è sotto tensione e non mettere a terra il VARIAC. Per ulteriori informazioni sulla sicurezza elettrica, guardare il video Jove Science Education "Precauzioni di sicurezza e attrezzature di base". Innanzitutto, configurare l'oscilloscopio collegando la sonda standard a un canale e la sonda differenziale a un secondo canale. Configura la sonda differenziale su un'attenuazione superiore a 20. Impostare l'amplificazione nel menu dell'oscilloscopio per il canale della sonda differenziale. Utilizzare 20x se è disponibile per la sonda differenziale. In caso contrario, utilizzare 10x e raddoppiare le misurazioni dell'oscilloscopio. Annulla qualsiasi offset dell'oscilloscopio agganciando i terminali della sonda differenziale e regolando la posizione verticale delle tracce a zero volt. Durante questo esperimento, il VARIAC fornisce tensione CA con una frequenza di linea di 60 hertz. Prima di regolare il VARIAC, assicurarsi che sia spento e che non sia collegato nulla all'uscita. Quindi ruotare la manopola di controllo sul 15 percento di uscita. Collegare il cavo di uscita al VARIAC e collegare i terminali della sonda differenziale ai connettori a banana del cavo. Accendere il VARIAC, osservare la forma d'onda sull'oscilloscopio e regolare il VARIAC in modo che l'ampiezza della sua uscita V0 sia di 35 volt. Modificare la base dei tempi, ovvero l'intervallo di tempo per divisione orizzontale dell'oscilloscopio per visualizzare da due a cinque cicli di tensione. Acquisire e salvare una copia di questa forma d'onda e registrare questa base dei tempi e designarla TB0 per un uso successivo. Infine, spegnere il VARIAC e non modificarne l'impostazione.

Questo primo esperimento innesca un raddrizzatore a tiristori con un angolo di fuoco di zero gradi. Assemblare il circuito come mostrato su una proto-scheda. Utilizzare il VARIAC per la sorgente CA di ingresso V in. E un ponticello al posto del resistore R2. Collegare la sonda standard attraverso la tensione di ingresso V in, quindi collegare la sonda differenziale attraverso il resistore di carico R per osservare la tensione di uscita V out. Accendere il VARIAC e impostare l'oscilloscopio sulla base dei tempi TB0, che è stata registrata in precedenza. Poiché l'angolo di accensione è di zero gradi, il tiristore si comporta come un diodo e la tensione di uscita è un'onda sinusoidale semiraddrizzata. Utilizzare la funzione matematica integrata nell'oscilloscopio per misurare la tensione di uscita media. Regolare la base dei tempi per ingrandire tra i punti quando il tiristore si spegne e poi si riaccende. Utilizzare i cursori dell'oscilloscopio per misurare questa differenza di tempo. Spegnere il VARIAC e non modificare l'impostazione della tensione. Mantenere invariate tutte le connessioni VARIAC e scope per l'esperimento successivo.

Per confrontare i risultati con due diversi angoli di sparo diversi da zero, l'esperimento successivo attiverà il tiristore con una resistenza piccola, poi una grande per R2. Le resistenze sono, in questo caso, da 300 ohm e da 620 ohm. Utilizzare la resistenza più piccola per attivare il tiristore con un angolo di fuoco ridotto. Rimuovere il ponticello che ha cortocircuitato R2. Quindi inserire la resistenza da 300 ohm al suo posto. Accendere il VARIAC e impostare l'ambito sulla base dei tempi TB0. L'angolo di accensione è ora maggiore di zero gradi e, di conseguenza, il tiristore viene attivato più tardi nella parte positiva del ciclo AC. Misurare la tensione di uscita media come descritto in precedenza. Quindi ingrandisci e misura l'intervallo di tempo tra lo spegnimento e la riaccensione del tiristore. Spegnere il VARIAC. Senza modificare l'impostazione VARIAC o altri collegamenti, sostituire R2 con il resistore più grande e ripetere il test. Al termine degli esperimenti, spegnere il VARIAC, impostarlo su zero e smontare il circuito.

La tensione di uscita del circuito raddrizzatore a tiristori è zero fino a quando un impulso di gate non attiva il tiristore. Dopo l'attivazione, la tensione di uscita è la parte rimanente di un'onda semiraddrizzata. All'aumentare dell'angolo di sparo, la tensione di uscita è più tagliata rispetto all'ingresso e quindi la tensione di uscita media diminuisce. Di conseguenza, l'angolo di sparo determina la quantità di potenza che un tiristore passa al carico.

I tiristori possono controllare la quantità di potenza trasferita a un carico ed erano comuni nei vecchi alimentatori CC regolabili. Sono ancora utilizzati in molte applicazioni di controllo dell'alimentazione CA a media e alta tensione. Innanzitutto, i comuni dimmer di luce utilizzati nelle case e negli uffici hanno una manopola o un cursore che controlla un potenziometro, che è un resistore variabile. Cambiando la resistenza si cambia l'angolo di accensione di un tiristore e di conseguenza si aumenta o diminuisce la potenza che illumina una lampadina. La scarica ad arco anodico è un mezzo pratico ed efficiente per sintetizzare nanotubi di carbonio e grafene. Le ricerche hanno utilizzato un campo magnetico per migliorare la controllabilità e la flessibilità del processo. La scarica elettrica in questa applicazione è simile a quella della saldatura ad arco. Ed entrambi utilizzano tiristori ad alta tensione per controllare la potenza che crea l'arco.

Hai appena visto l'Introduzione di Giove ai raddrizzatori a tiristori. Ora dovresti capire come funzionano i tiristori e come consentono il controllo dell'alimentazione CA ai dispositivi elettrici. Grazie per l'attenzione.