LX536 Nuova Elettronica

Istituto Professionale di Stato per l'Industria e l'Artigianato
MORETTO
Via Luigi Apollonio, 21 BRESCIA
LAMPEGGIATORE STROBOSCOPICO
LX536
a cura di :
Battaglia
Lonati
Raimondi
Vielmi
della classe 5AI TIEE
CORSO DI LABORATORIO MISURAZIONI
a. s. 1992-93
LAMPEGGIATORE STROBOSCOPICO
Il circuito da noi assemblato e preso in esame è un
lampeggiatore stroboscopico tratto dalla rivista "Nuova
Elettronica". Per rendere la spiegazione più scorrevole si è diviso il circuito in due blocchi principali:
il primo blocco del circuito si presenta come in figura
C1
DS2
DS1
220V
C2
622V
Questo è un circuito duplicatore di tensione a cui è applicata la tensione di rete (220V alternata). Per facilitare lo studio
di questo blocco, lo si è diviso in due parti: la prima, rappresentata in figura, è composta dal condensatore C1 e dal
diodo DS1.
C1
DS2
220V
V
DS1
C2
2VM
VM
t
Partendo dalla semionda positiva vediamo che il diodo DS1 è polarizzato inversamente in quanto il potenziale sul
catodo è maggiore di quello sull'anodo, per cui non conduce e quindi non permette a C1 di caricarsi. Nella semionda
negativa invece DS1 è polarizzato direttamente in quanto il potenziale sull'anodo è maggiore di quello sul catodo
portandolo così in conduzione permettendo a C1 di caricarsi con la polarità assegnata al valore massimo (311V).
Applicando alla maglia il secondo principio di Kirchoff abbiamo in uscita:
Vu = Vi + Vc1 = 311 + 311 = 622V
C1 resterà, dopo essersi caricato una volta, al valore massimo di 311V siccome non si può scaricare su nessuna
resistenza.
Analizzando la seconda parte del circuito duplicatore, vediamo ai capi del diodo D1 i 622V con i quali si caricherà
anche il condensatore C2 che non potrà più scaricarsi grazie al diodo DS2 che si interdice. La tensione ai capi di C2
sarà la seguente:
Al secondo blocco rappresentato in figura sarà applicata la tensione continua che si trova ai capi di C2.
Questo blocco è caratterizzato da due componenti un SCR e DIAC che fanno parte della famiglia dei semiconduttori.
2
R1
5M
R3
47K
LP1
R2
100nF
C5
1M
DIAC
C4
T1
1KV
SCR
4Watt
BO.246
3,3uF
100V
L'SCR strutturalmente é formato da quattro strati di semiconduttore drogati in modo alternato PNPN, a questi strati di
semiconduttore vengono inseriti tre elettrodi come in figura 1a, L'SCR viene indicato con il simbolo riportato nella
figura 1b.
A
A
Ie1=Ia
Ib1
P
T1
A
N
G
P
SCR
G
N
Ic2
Ic1
K
Ib2
G
T2
Ie2=I k
Ig
K
K
Se si applica tra l'anodo e il catodo dell'SCR una differenza di potenziale come in figura si possono verificare le
seguenti situazioni:
a) in assenza di comando di gate l'SCR ha la giunzione intermedia NP polarizzata inversamente, e presenta , di
conseguenza, una forte resistenza tra anodo e catodo tale da far si che il componente si interdica.
b) si applichi al gate, una tensione che lo renda positivo rispetto al catodo, la reazione positiva porta rapidamente alla
saturazione dell'SCR, il fenomeno si mantiene anche se il potenziale di comando di gate viene tolto. questo ci permette
di dire che, mediante un comando impulsivo di gate, è possibile porre in conduzione l'SCR in modo che presenti una
resistenza pressoché nulla tra anodo e catodo.
I valori normali di caduta tra anodo e catodo di un generico SCR in conduzione sono dell'ordine di pochi volt (2 volt
massimo).
Si può ora analizzare alcuni punti caratteristici:
1)TENSIONE DI ROTTURA DIRETTA (Vbr): cioè il valore che applicato tra anodo e catodo del componente, lo
pone in conduzione anche in assenza di impulso di gate.
Come già detto ciò che mantiene interdetto l'SCR è la polarizzazione inversa della giunzione intermedia NP. tale
giunzione presenta una capacità C, per cui, se viene fornito un impulso di tensione ai suoi capi, circola attraverso la
giunzione una corrente. Se tale corrente risulta sufficente ad innescare il fenomeno di reazione positiva, il dispositivo si
pone in conduzione.
Questa caratteristica degli SCR può essere utilizzata al fine di produrre un innesco senza agire sul gate.
Se nel gate viene introdotta una corrente, si osserva un abbassamento della tensione di rottura Vb, proporzionale alla
intensità di corrente stessa.
2)CORRENTE DI MANTENIMENTO (Ih): è il valore di corrente necessario perché abbia luogo la reazione positiva
che mantiene innescato il componente.
3)REGIONE DI CONDUZIONE DIRETTA: è la zona della caratteristica che descrive il comportamento tensionecorrente nell'SCR in conduzione.
3
4)REGIONE INVERSA: se si applica ai capi dell'SCR una tensione inversa, il comportamento che si riscontra, è il
medesimo di un diodo polarizzato inversamente; in questo caso le giunzioni polarizzate inversamente sono due.Il tempo
impiegato da un SCR per passare dallo stato di interdizione a quello di conduzione in conseguenza ad un impulso di
corrente è dell'ordine di pochi (µS) microsecondi.
I tempi inversi, ovvero quelli impiegati dal dispositivo per interrompere la conduzione allorché la d.d.p. ai suoi capi si
annulla, ovvero si annulla la corrente che lo attraversa, possono giungere a 100µS; nella stessa condizione favorendo la
commutazione mediante un impulso negativo applicato al gate, si possono ottenere tempi di spegnimento dell'ordine di
10-20 µsec.
Si deduce che, mediante un impulso di corrente al gate, è possibile porre un SCR in situazione di conduzione, ma non è
possibile interrompere il fenomeno mediante un comando applicato allo stesso elettrodo. Lo spegnimento dell'SCR è
dunque possibile soltanto interrompendo l'alimentazione oppure portando il catodo (anche per breve tempo) a
potenziale maggiore o uguale all'anodo.
Da ciò si comprende che, se il dispositivo viene alimentato mediante una tensione alternata, lo spegnimento avviene
automaticamente quando la d.d.p. ai suoi capi si annulla. Se invece la tensione applicata è continua, occorre provvedere
allo spegnimento mediante dei circuiti il cui scopo è quello di eliminare, anche per breve tempo la d.d.p. tra anodo e
catodo, in modo che la corrente nel dispositivo scenda al disotto del valore di mantenimento.
Il DIAC è un dispositivo semiconduttore realizzato mediante 5 zone di drogaggio di tipo NPNPN come riportato in
figura.
A2
DIAC
N
P
N
P
N
A1
All'esterno esso presenta solamente due elettrodi, che ne giustificano il nome (DIAC=diode alternate current=diodo per
corrente alternata). Il comportamento del DIAC si può comprendere dall'esame della caratteristica di figura.
Da questa si trae che il DIAC può essere posto in conduzione sia applicandogli una d.d.p. in
I
un verso , che nel verso opposto.
La condizione di innesco è che la d.d.p. ai capi (in un verso o nell'altro), superi la tensione di
Ib
rottura Vbo.
V
Una volta avvenuto l'innesco, la tensione che si stabilisce ai capi del DIAC è minore di Vbo
Ib
(come si può vedere dalle caratteristiche).
Valori tipici di funzionamento di un DIAC, con riferimento alle grandezze indicate nel grafico
sono:
- Vbo ≈ 30V : tensione di rottura;
- Ib : nell'ordine della centinaia di µA, è la corrente all'innesco.
Non è possibile definirla corrente di mantenimento, come si è fatto per l'SCR, in quanto, raggiunto il valore di rottura, il
dispositivo presenta una zona di caratteristica a resistenza differenziale negativa.
Dopo questa spiegazione dei due componenti passiamo ad esaminare il secondo blocco del circuito: R1,R2,C4
costituiscono un circuito RC, con una costante di carica τ=[R1+R2]*C4) che può variare tramite il trimmer R1.
Il tempo con cui il condensatore C4 si carica influenza la frequenza con cui la lampada si accende, infatti più
velocemente si carica C4 e più volte il diac si porta in conduzione portando un segnale sul GATE dell'SCR che
entrando in conduzione permetterà la scarica di C5 sul primario del trasformatore.
Questo trasformatore avendo sul secondario un numero maggiore di spire del primario porterà il segnale amplificato
sul piedino di comando dalla lampada stroboscopica che lampeggerà.
4
Il lampo è spiegabile dalla veloce commutazione del diac infatti, appena il C4 supera la tensione di conduzione dello
stesso, ne permette la conduzione e sull'SCR arriverà una corrente che farà in modo che il componente si porti in
conduzione permettendo così la scarica di C4 il quale a sua volta farà interdire il diac (questo quando la tensione ai suoi
capi scende sotto i 30V) e di conseguenza anche l'SCR. Poi il condensatore C4 si ricaricherà ricominciando un nuovo
ciclo. Durante la sperimentazione della prova si sono eseguiti alcuni rilievi delle forme d'onda nei punti segnati nello
schema elettrico riportato in prima pagina.
La prima onda rilevata e stata quella sui capi di
C4, questa rappresenta la scarica e la carica di
questo condensatore il grafico riportato ora,
verifica ciò che si è detto teoricamente.
La tensione massima che questo raggiunge è
infatti 33.75V che è pressoché uguale la tensione di conduzione del diac, e allo stesso tempo il condensatore non si
scarica completamente infatti appena il suo potenziale è sceso sotto i 20.63V il diac si interdice e il condensatore
riprende a caricarsi. Si può inoltre, conoscendo infatti l'andamento della tensione su C4 e la formula esponenziale che
lo regola, calcolare la frequenza dei lampi:
t
−
⎛
vc (t ) = E ⋅ ⎜⎜1 − e τ
⎝
⎞
⎟
⎟
⎠
detto t1 l'istante in cui vc raggiunge il valore di conduzione del DIAC, VBR si ha :
t
−1 ⎞
⎛
V BR = E ⋅ ⎜⎜1 − e τ ⎟⎟
⎝
⎠
t1
−
V
1 − BR = e τ
da cui risulta
E
⎛ E
t1 = τ ⋅ ln⎜⎜
⎝ E − VBR
⎞
⎟⎟
⎠
posto E = 620V e VBR = 30V si ottiene :
t1 = 0. 05 ⋅ τ
Si deve ora calcolare la costante di tempo τ minima e massima (con trimmer R1 a valore minimo e massimo):
τ min = R2 ⋅ C4 = 1⋅ 106 ⋅ 3,3 ⋅ 10−6 = 3,3 sec.
τ MAX = (R1 + R2 ) ⋅ C 4 = 6 ⋅ 10 6 ⋅ 3,3 ⋅ 10 −6 = 19,8 sec .
Sostituendo questi valori nella formula precedente otteniamo:
t1min = 0 , 05 ⋅ τ min = 0 , 05 ⋅ 3, 3 = 0 ,165 sec.
t1 MAX = 0 , 05 ⋅ τ MAX = 0 , 05 ⋅ 19 ,8 = 0 , 99 sec.
Si può concludere che la frequenza del lampo va da un lampo al secondo a dieci lampi al secondo.
La seconda onda è stata rilevata tra anodo e catodo dell'SCR:
5
anche questa onda rispetta la spiegazione data teoricamente, la tensione ai capi del SCR aumenta in modo esponenziale
grazie ai componenti R3 e C5 fino a 306V, quando poi sul gate dell'SCR arriva il segnale questa tensione che è uguale a
quella su C5, viene trasferita sul primario del trasformatore creando quelle oscillazioni smorzate rilevata come ultimo
grafico (Fig. ); queste oscillazioni smorzate sono la causa delle piccole gobbe del grafico rilevato sull'SCR.
6
C1
100nF
1KV
C2
DS2
EM.513
100nF
R1
5M
R3
47K
1KV
RETE 220V
DS1
EM.513
LP1
R2
C3
1uF
600V
C5
1M
1KV
DIAC
3,3uF
100V
T1
SCR1
ST2
C4
100nF
BO.246
4Watt
Schema Elettrico Completo
BIBLIOGRAFIA
- Nuova Elettronica riv. 86 - 87
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