Capitolo 10 (Ultimo aggiornamento 12.07.04)
10.1 Componenti di potenza a semiconduttore
Sono componenti di potenza a semiconduttore:
- i diodi
- i transistori
- i tiristori
Questi tre componenti hanno in comune il materiale con cui sono
costituiti: il silicio. Il silicio è un elemento chimico IV valente, nel quale
viene diffuso, con tecniche particolari, un elemento chimico V valente
dando luogo ad un semiconduttore di tipo n; se invece si fà diffondere
un elemento III valente, si ottiene un semiconduttore di tipo p.
n eccesso di elettorni
p difetto di elettroni ovvero presenza di lacune
In figura 10.1 è riportato lo schema fisico e quello funzionale del
diodo.
Fig.10.1
10.1.1 Il diodo al silicio
Fig.10.2
1
In figura 10.2 è riportata la caratteristica volt-amperometrica del
diodo.
Osservazioni:
a) La corrente I i (corrente inversa) è funzione esponenziale
crescente della temperatura, infatti essa raddoppia per incrementi di
8 10°C.
b) Il raddrizzatore al silicio è oggi il più diffuso componente per la
conversione dell’energia.
c) Il diodo al silicio può lavorare fino alla temperatura di
250° 300°C.
d) A causa della limitata capacità termica e della delicatezza della
giunzione, i diodi al silicio sono poco sovraccaricabili, bisogna quindi
prestare attenzione alle sovratensioni ( in fase di conduzione inversa),
anche se di breve durata, per l’integrità del diodo stesso.
10.1.2 Il transistor
In figura 10.3 a) è riportata la rappresentazione circuitale
schematica di un transistore col carico sul collettore (C).
Poichè il transistor è un elemento di "commutazione", il circuito
semplificato in fase di conduzione è quello di figura 10.3 b) (on) e in
fase di interdizione (off) il circuito è quello di figura 10 3 c).
Fig.10.3
2
Fig.10.4
Fig.10.5
Dal punto di vista funzionale il transistore potrebbe essere
rappresentato dall’insieme di due diodi in serie contrapposta (figura
10.4), nei quali la conduzione può essere attuata da C ad E
(emettitore) iniettando corrente positiva in B (base).
In figura 10.5 è riportata la caratteristica volt-amperometrica del
transistor per la commutazione. Il suo funzionamento è solo sulle due
curve (I B 0 e I Bs corrente di saturazione).
Riassumendo:
1. Al transistore di commutazione è richiesto di avere due stati stabili
(ON e OFF), operando sulla base si passa da uno all’altro con un
transitorio di brevissima durata.
N.B. Il transistore permane nello stato ON o OFF solamente in
corrispondenza della presenza del relativo segnale sulla base
(I B 0 ON) (I B 0 oppure I B 0 OFF).
Oltre ai transistor di tipo bipolare (BJT) si possono impiegare i
transistor unipolari ad effetto di campo (MOSFET: Metal Oxide
Semiconductor Field Effect Transistor), che rispetto ai primi presentano
maggiore semplicità costruttiva e maggiore rapidità di commutazione
ON-OFF.
I transistor di commutazione possono arrivare a 500A , ma con
tensioni al massimo di qualche centinaio di volt oppure per elevate
tensioni di breakdown (BV Ceo ) fino a 3000 Volt, con correnti
relativamente basse (qualche decina di ampere).
Rispetto al tiristore, il transistore non raggiunge i limiti di tensione
e/o corrente del tiristore ma presenta minori perdite (caduta di tensione
minore), con tempi di risposta più brevi per cui può lavorare con
frequenze di comando più alte.
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10.1.3 Tiristori ( o diodi controllati)
Il tiristore (vedi figura 10.6) è un particolare dispositivo raddrizzatore
e/o di commutazione di potenza che può assumere, su comando
tramite "gate":
- in fase di non conduzione diretta, uno stato di elevata resistenza
per cui si blocca la circolazione di corrente,
- in fase di conduzione diretta, uno stato di bassa resistenza per cui
nel circuito può scorrere corrente.
Il tempo per passare da uno stato all’altro è di qualche
microsecondo con comando tramite "gate".
Fig.10.6
Composizione schematica delle quattro regioni del circuito e simbolo
grafico: A anodo; C catodo; G gate ( porta).
La caratteristica I, V del tiristore è mostrata nella figura 10.7.
Fig.10.7
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Osservazioni
1. Il valore della tensione di innesco V inn per I g 0 (durante la
conduzione diretta), è pari circa a V i ( tensione di innesco inversa ).
2. La tensione positiva di controllo V g deve avere un valore di
diversi volt se si vuole un innesco sicuro del tiristore.
3. La tensione di controllo, quando l’anodo è negativo rispetto al
catodo (polarizzazione inversa) deve essere inferiore a 0.5 V per
diminuire l’intensità della corrente I i .
4. Una volta che il tiristore è avviato (processo di moltiplicazione a
valanga) non è possibile bloccarlo agendo solo sul circuito di controllo:
per interdirlo occorre o invertire il potenziale dell’anodo rispetto al
catodo (per qualche decina di secondi), oppure fare scendere il valore
della corrente I a al di sotto del valore della corrente di tenuta I t (ma
I t 1/1000 di I a che è la corrente nominale diretta).
5. I valori nominali di corrente sono compresi tra qualche decimo di
ampere e alcune migliaia di ampere, mentre le tensioni di innesco per
I g 0 vanno da 3000 a 5000 Volt.
6. La temperatura influisce sensibilmente sulle caratteristiche del
tiristore.
Riassumendo
a) Quando l’anodo è positivo rispetto al catodo, il tiristore ha due
stati stabili di funzionamento. Il passaggio da una curva all’altra
avviene perchè si inietta corrente di controllo attraverso il gate
(sbloccaggio).
b) Lo sbloccaggio può avvenire anche con impulsi di tensione V g
(48V) purchè diano luogo ad impulsi di corrente compresi fra
10 100mA per qualche millisecondo. Le principali applicazioni di
questo componente sono i CHOPPER per motori in dc, oppure
l’inverter per gli UPS (Uninterruptible Power Source).
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10.1.4 I G.T.O. ( Gate Turn Off Tyristor )
I G.T.O. sono tiristori a spegnimento controllato, cioè funzionano
come i dispositivi precedenti, ma a differenza di questi possono essere
interdetti anche durante la conduzione.
Fig.10.8
Il G.T.O commuta con sicurezza e rapidamente (frazioni di sec),
funziona da interruttore statico completamente controllato (sia
all’innesco che allo spegnimento). I suoi limiti sono dati dai seguenti
valori di corrente e tensione:
I a 3000A
V ak 4000V
Vantaggi:
- più alto rendimento di conversione
- minore ingombro a parità di potenza
- minore peso
- manutenzione esigua
- maggior affidabilità e durata
- funzionamento silenzioso
- non si hanno problemi di avviamento
Svantaggi:
- sono molto sensibili alle sovratensioni, ai cortocircuiti ed ai
sovraccarichi istantanei
- non sono sovraccaricabili
- hanno problemi di smaltimento del calore prodotto dalle perdite:
sono vulnerabili all’innalzamento eccessivo della temperatura dei
cristalli.
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10.2 Convertitori ca/cc e viceversa
Il convertitore è un dispositivo che converte l’energia elettrica in
entrata, con alcune caratteristiche, in energia elettrica con diversi
parametri in uscita.
La conversione da alternata in continua può avvenire con circuiti
monofasi o polifasi ( ad es. trifase ). Nella conversione da continua ad
alternata l’uscita può essere monofase o polifase.
In figura 10.9 sono riportate le varie tipologie di conversione.
Fig.10.9
10.3 Conversione statica ac/dc: raddrizzatori
Indici di qualità del raddrizzamento
- Ampiezza dell’ondulazione
UM U max U min
dove U MAX e U min sono rispettivamente le tensioni massima e
minima in uscita.
- Fattore di ondulazione
k 1 UM
2 U0
con U 0 valore medio raddrizzato.
_______________________________
* : trasformatore in corrente continua;
(**) : convertitore di frequenza;
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Raddrizzatore ad una semionda:
Fig.10.10
E
UM E M ; U 0 M ; k 1. 57
2
Raddrizzatore a due semionde
In figura 10.11 è riportato lo schema con il trasformatore a presa
centrale mentre in figura 10.12 è riportatto lo schema a ponte di
Graetz. Per ambeduevale il grafico di figura 10.13 rappresenta in
funzione del tempo la circolazione di corrente nei diodi e sul carico.
Ovviamente nel caso di ponte di Graetz, la tensione inversa che insiste
sui diodi interdetti, è la metà di quella che insiste sul diodo interdetto
nello schema con trasformatore e presa centrale.
Fig.10.11
Fig.10.12
8
2E
U 0 M ;
Fig.10.13
UM E M ;
10.3.1 Raddrizzatore trifase
k 0. 79
4
Un miglioramento nel fattore di ondulazione e del valore medio
raddrizzato si ha facendo ricorso ad uno schema di raddrizzatore
trifase a semplice semionda (vedi figure 10.14 e 10.15).
Fig.10.14
Fig.10.15
T/2m
E
U o 1 T/2m E M cos 2 tdt m
sin m
M
T
T/m
UM E M 1 cos m
k tan
2m
2m
per m 3 k 0. 3
per m 6 k 0. 07
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10.3.2 Raddrizzatore trifase a ponte di Graetz
In figura 10.16 è riportato lo schema di un raddrizzatore trifase a
ponte di Graetz, cioè a doppia semionda. In figura 10.17 è riportato in
funzione del tempo l’andamento delle correnti nelle varie coppie di
diodi e sul carico.
Fig.10.16
U0
3 2m
sin 2m E M
UM 3 E M 1 cos
2m
k tan
4m
4m
per m 6 k 0. 07
per m 12 k 0. 004
Fig.10.17
10.3.3 Raddrizzatore controllato
Fig.10.18
Il valore medio della corrente raddrizzata sul carico è funzione
dell’angolo di accensione del "gate", in questo modo si ha un controllo
della corrente trasferita al carico, sia pure a spese della formazione di
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un certo numero di armoniche.
t d
U 0d U 0 1cos per m 3
2
U 0d U 0 cos per m 3
10.4 Filtraggio del carico
Per migliorare il valore medio raddrizzato e ridurre le componenti
armoniche su di carico resistivo, si può fare ricorso ad un filtro del tipo
riportato in figura 10.19: passa basso.
Fig.10.19
V L nLI detto n l’indice dell’armonica
V C 1 I
nC
Fig.10.20
L’effetto dell’induttanza in serie è quello di esaltare la caduta di
potenziale delle armoniche elevate, mentre il condensatore arresta la
corrente raddrizzata (figura 10.20). Più è elevato l’indice "n" d’armonica
e più è elevata la caduta di potenziale sull’induttanza, mentre la
componente continua passa nell’induttanza senza perdite; così come il
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condensatore shunta la corrente alternata.
10.5 Conversione dc/ac: invertitori
In figura 10.23 è riportato lo schema funzionale di un invertitore, cioè
di un circuito che converte la tensione continua del generatore E in una
tensione alternata sul circuito RL.
In figura 10.24 è riportato l’andamento della corrente (e quindi della
d.d.p.) sul carico in funzione del periodo T di accensione e/o
spegnimento della coppia di "interruttori ideali" S A S B e S A S B .
Con opportuni circuiti si può rendere più sinusoidale la forma d’onda
in uscita sul carico.
Fig.10.23
Fig.10.24
10.6 Chopper
Il chopper è un particolare circuito idoneo a controllare, in un
sistema in corrente continua, la corrente trasferita al carico senza
interposizione di resistenza e quindi senza perdite joule aggiuntive. Lo
schema è riportato in figura 10.21. In figura 10.22 è riportato
l’andamento nel tempo della corrente sul circuito in funzione del duty
cycle, cioè della durata degli intervalli di tempo T 1 e T 2 . Il diodo D ha
la funzione importante di far circolare la corrente all’apertura
dell’interruttore S e di non provocare scariche ai capi di S, perchè
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l’energia immagazzinata su L si scarica su R, potendo circolare
liberamente.
Fig.10.21
Fig.10.22
T1
U eff
U 0 U eff
T 1 T 2
dove è il fattore di intermittenza ( Duty cycle )
10.7 Osservazioni sul trasformatore di alimentazione di
un circuito di conversione
La presenza della componente continua sulla corrente al secondario
del trasformatore (dovuta al raddrizzamento), fà sì che la relativa forza
f.m.m. continua N 2 I 2 , polarizzi il circuito magnetico del trasformatore
saturandolo, in quanto tale f.m.m. non è bilanciata da analoga f.m.m.
sul primario.
In conseguenza di ciò, il ciclo di isteresi diventa asimmetrico, per cui
per produrre sempre la stessa variazione di flusso la f.m.m. assume
valori di cresta elevati cioè l’intensità della corrente magnetizzante
diventa assolutamente non tollerabile sotto l’aspetto termico.
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