Tiristore MOSFET a doppio anodo

I tiristori e i triac agiscono come interruttori di carico e sono caratterizzati da un'alta caduta di tensione tra catodo e anodo nello stato "aperto".

Molti di essi lasciano a desiderare, in termini di commutazione e di prestazioni. Di conseguenza, gli "SCR" dissipano alta potenza, causando un surriscaldamento e, a volte, dei guasti al dispositivo. Allo stesso tempo, il riscaldamento di un tiristore è uguale alla potenza elettrica sprecata che causa perdite considerevoli, soprattutto in uso industriale e domestico. Il dispositivo presentato nell'articolo, sicuramente più moderno, risulta più veloce e meno dispendioso del vecchio SCR.

Introduzione

Il tiristore potenziato che stiamo andando ad esaminare è molto veloce in ingresso, ma le perdite di commutazione sono quasi di due ordini di grandezza inferiori a quelle convenzionali. Quando si usa il nuovo tiristore MOSFET a doppio anodo in una rete a corrente alternata (AC), la parte di sinusoide non utilizzata non viene "persa" e può essere usata utilmente nel circuito dell'altro canale (carico). L'uso del transistor MOSFET come tiristore "migliorato" offre una commutazione migliore con perdite estremamente basse e un'alta resistenza di ingresso. Queste caratteristiche lo avvicinano molto a un elemento di commutazione ideale.

Due versioni

Vi sono due versioni dell'hardware: uno è di base e di concetto e può essere utilizzato con una bassa tensione. E' stato testato con 40 VAC e richiede l'uso di un raddrizzatore a ponte esterno. L'altra versione può essere usata come un circuito più pratico con alta tensione reale, cioè quella di rete a 230 VAC e 50 Hz nella maggior parte dell'Europa, o 110-117 VAC e 60 Hz negli Stati Uniti e in altre aree. E' stata testata con due lampadine da 100 watt. Per carichi più pesanti, i diodi del raddrizzatore a ponte devono essere sostituiti con tipi più robusti. Anche i MOSFET necessitano di dissipatori adeguati. Entrambi i circuiti sono didattici e solo per uso sperimentale.

La versione LV-AC

Lo schema del "nuovo" tiristore per applicazioni AC a bassa tensione (BT) è riportato in Figura 1.

Figura 1: la versione a bassa tensione (40 VAC max.) del tiristore MOSFET a doppio anodo. La commutazione a bassa perdita è più veloce e meno dispendiosa rispetto al tiristore convenzionale

Figura 1: la versione a bassa tensione (40 VAC max) del tiristore MOSFET a doppio anodo. La commutazione a bassa perdita è più veloce e meno dispendiosa rispetto al tiristore convenzionale

Questo semplice circuito è utilizzato per spiegare il concetto di funzionamento del sistema. Il carico può essere collegato tra il terminale +V e un MOSFET (terminale A1 o A2), consentendo l'uso di due diverse utenze, come mostrato nello schema elettrico di Figura 2.

Figura 2: il cablaggio dei sistemi

Figura 2: il cablaggio dei sistemi

Il circuito è stato testato con un carico resistivo di 150 ohm e 10 W su ciascun terminale "A". L'SCR Th1 pilota il MOSFET T1, mentre per il MOSFET T2 gli impulsi di gate sono prelevati da T1. L'SCR Th1 è usato per controllare la tensione tra i carichi collegati. Il circuito LV è stato testato con 40 VAC. E' necessario un raddrizzatore a ponte esterno (disponibile sul generatore di impulsi SCR Gate) senza un condensatore per l'alimentazione +V. L'uscita ad alta tensione rettificata +HV attiva l'SCR Gate Pulse Generator (K1). Applicando il fronte di salita dell'impulso di gate a K1 si controlla l'effettiva tensione sul carico. Il tiristore Th1 è di tipo P0102DA 1AA3 ed ha un pinout standard. Altri tiristori con contenitore TO-92 potrebbero funzionare. Si controllino però i rispettivi pinout che siano compatibili con il BT149G. La sua corrente del trigger è bassa (200 uA max). Per un'ulteriore protezione è collegato un resistore aggiuntivo da 10 kOhm, R1. Il PCB è mono faccia (55 x 55 mm) e ospita senza problemi tutti i componenti e il relativo montaggio si realizza in pochi minuti. Si consiglia di non superare la tensione di 40 VAC.

La versione HV-AC

Questo circuito è pensato per carichi resistivi come lampade ad incandescenza o altri carichi che sono adatti per essere controllati da un dimmer per una potenza di 100 watt al massimo. Il circuito è costituito dal raddrizzatore a ponte D5-D8, dall'SCR Th1 e dai MOSFET T1 e T2. Il cuore del circuito è Th1 in quanto controlla i due "anodi" formati dai MOSFET a canale N, T1 e T2. Possono essere collegati due carichi, ciascuno tra +HV e il drain di un MOSFET (cioè il morsetto A1 o A2). La tensione AC della linea elettrica è collegata al connettore K3. Come per il circuito LV, l'impulso di gate per Th1 viene applicato al connettore K2 ed il generatore di impulsi SCR Gate può essere utilizzato per fornire impulsi sincronizzati alla rete (G). I resistori R4, R5 e il diodo D9 offrono una commutazione dolce del MOSFET T2. R2, R3 e R5 sono resistori da 500 V poiché, a seconda della fase dell'impulso, la tensione massima che li attraversa equivale circa alla tensione di rete. D9 e R4 sono responsabili della ricarica e dello scaricamento della capacità di gate di T2. I diodi Zener D1 e D2 proteggono le porte dei MOSFET T1 e T2 e limitano le tensioni di gate a circa 12 V. La corrente di trigger del tiristore BT151-800R è tipicamente di 2 mA e di 15 mA quella massima. Se la corrente di trigger erogata dal generatore di impulsi SCR Gate risulta troppo bassa, si può abbassare la resistenza R9 sulla scheda del generatore di impulsi SCR Gate a 150 Ohm. Il circuito è stato testato con due carichi da 100 watt con una corrente di ingresso di 0.43 A a 230 VAC e un fattore di potenza di 1.0 (ovvero carichi resistivi). Il PCB a singola faccia è stato progettato prestando attenzione alla sicurezza elettrica. Le morsettiere a vite hanno una distanza tra i cavi di 7.5 mm, che superano ampiamente i 3 mm richiesti per la sicurezza. Si tenga presente che, una volta che la tensione di rete è presente su K3, tutti i componenti si trovano al potenziale della linea AC.

Procedure di test

Ci si riferisca allo schema elettrico in Figura 2.

LV AC - Tiristore MOSFET a doppio anodo: il ponte raddrizzatore non è incluso nel PCB e ne deve essere usato uno esterno senza un condensatore di filtro. Anche entrambe le linee di terra devono essere collegate:

  1. collegare il carico 1 e il carico 2 a K2 con un'estremità a +V e l'altra ad A1 e A2, rispettivamente. Il carico 1 e il carico 2 sono due resistori da 10 W e 150 Ohm per ogni anodo (A). Il carico 1 sarà acceso e il carico 2 spento;
  2. collegare il generatore di impulsi SCR Gate e applicare 5 V al pannello di controllo;
  3. le masse (K1) e (K4) devono essere collegate tra loro;
  4. ruotare il potenziometro P1 che controlla la potenza istantanea sui carichi;
  5. a causa della dissipazione di potenza sui carichi, potrebbe essere generato molto calore. Prendere precauzioni durante le manovre.

HV AC - Tiristore MOSFET a doppio anodo:

    1. collegare i due carichi 2 a K1, con un'estremità verso +HV e l'altra su A1 e A2. Essi sono rappresentati da lampadine da 100 W ma anche quelle da 25 W faranno bene il proprio lavoro;
    2. collegare l'alimentazione di rete AC al PCB sul connettore terminale a vite K3 del PCB;
    3. il carico 1 sarà attivato e il carico 2 sarà spento;
    4. scollegare completamente la rete;
    5. rimuovere R3 dal generatore di impulsi;
    6. collegare il circuito di controllo al circuito di alimentazione, come mostrato nel diagramma di cablaggio e applicare la tensione di 5 V;
    7. le masse (K1) e (K4) devono risultare collegate tra loro;
    8. ricollegare la tensione di rete;
    9. ruotare il trimmer P1 sul gate SCR mediante un cacciavite di plastica. Si controlli l'intensità della lampada. Attenzione: le lampadine potrebbero essere molto calde.

Se disponibile, si consiglia di utilizzare un autotrasformatore variabile e un trasformatore di sicurezza 1:1 da 230 VA per alimentare il circuito HV. Quest'ultimo è necessario dal momento che un autotrasformatore ha un'uscita direttamente connessa all'ingresso. Usando tale accorgimento si può aumentare tranquillamente la tensione di rete, senza mai superare il 100%. Essa potrebbe essere superiore del 15% rispetto alla tensione di ingresso o anche di più, per carichi leggeri.

Elenco componenti (modello LV)

  • Resistenze
    • R1, R5, R8 = 10 kOhm, 5%, 0.25 W, 250 V
    • R2 = 15 kOhm, 5%, 0.25 W, 250 V
    • R3 = 5.6 kOhm, 5%, 0.25 W, 250 V
    • R4, R7 = 100 Ohm, 5%, 0.25 W, 250 V
    • R6 = 22 kOhm, 5%, 0.25 W, 250 V
  • Semiconduttori
    • D1, D2 = 1N5242BTR, diodo Zener, 12 V, 5%, 0.5 W, DO-35
    • Th1 = P0102DA 1AA3, tiristore 800 mA, 400 V, TO-92
    • T1, T2 = SPP15N60C3XKSA1, N-channel MOSFET, 600 V, 15 A, TO-220
  • Altri componenti 
    • K1 = Morsetto a 2 posti da PCB passo 0.2", 630 V
    • K2 = Morsetto a 3 posti da PCB passo 0.2", 630 V

Elenco componenti (modello HV)

  • Resistenze
    • R1 = 100 kOhm, 5%, 0.25 W, 250 V
    • R2, R3 = 470 kOhm, 5%, 1 W, 500 V
    • R4 = 10 kOhm, 5%, 0.25 W, 250 V
    • R5 = 330 kOhm, 5%, 1 W, 500 V
  • Semiconduttori
    • D1, D2 = 1N4742A, diodo Zener, 12 V, 5%, 1 W, DO-41
    • D3, D9 = 1N4007, DO-41
    • Th1 = BT151-800R, tiristore, 800 V, 7.5 A, lgt 15 mA max, TO-220
    • T1, T2 = SPP15N60C3XKSA1, N-channel MOSFET, TO-220
  • Altri componenti
    • K1 = Morsetto a 3 posti da PCB passo 0.2", 630 V
    • K2, K3 = Morsetto a 2 posti da PCB passo 0.2", 630 V
 

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