ITMI940522A1 - Dispositivo per la regolazione dell'energia trasferita a un carico elettrico - Google Patents

Dispositivo per la regolazione dell'energia trasferita a un carico elettrico Download PDF

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Description

DESCRIZIONE
La presente invenzione si riferisce ai dispositivi per il trasferimento di energia da una sorgente di energia elettrica alternata a un carico elettrico e, più particolarmente, ad un dispositivo per la regolazione dell'energia trasferita ad un carico elettrico con l'impiego di interruttori statici a commutazione controllabile.
E' noto che i dispositivi a interruttori statici controllabili trovano largo impiego nelle apparecchiature elettriche per la regolazione della luminosità di lampade e della velocità di motori elettrici. in molti casi, tali apparecchiature utilizzano, come interruttori statici, componenti elettronici a semiconduttore, noti come "triac" e "tiristori", inseriti in serie tra la sorgente di alimentazione e il carico. Tramite un circuito di controllo collegato al loro elettrodo di comando, questi dispositivi funzionano come mezzi di commutazione la cui conduzione viene innescata dal circuito di controllo in modo da collegare il circuito di alimentazione al carico elettrico ad ogni semionda della tensione alternata di alimentazione per un tempo predeterminato. Con questo tipo di componenti la conduzione si arresta automaticamente al passaggio per lo zero della corrente alternata di alimentazione.
Dr. Cla: ÌAG3IONI
2
( in proprio| par gli altri > Variando il tempo di chiusura dell'interruttore statico si può variare l'energia trasferita al carico teoricamente tra lo 0 e il 100%. Questi dispositivi sono molto semplici e relativamente economici, tuttavia essi presentano un inconveniente, intrinseco alle caratteristiche di funzionamento dei "triac" e dei "tiristori", che consiste nella generazione di repentine variazioni di corrente durante la commutazione dalla interdizione alla conduzione. Per evitare i disturbi a radiofrequenza dovuti a tali brusche variazioni di corrente, è necessario prevedere un filtro elettrico comprendente una bobina collegata in serie al carico. Tale bobina è relativamente costosa e ingombrante e, durante il funzionamento del dispositivo, genera un fastidioso ronzio per fenomeni elettrodinamici; essa, inoltre, contribuisce in misura non trascurabile alla potenza totale dissipata, in quanto dissipa una potenza che si somma a quella del componente elettronico.
Per evitare all’origine tale inconveniente, è stato proposto di utilizzare, come interruttori statici, dei componenti a semiconduttore, come transistori MOSFET di potenza o dispositivi IGBT o anche transistori bipolari di potenza, che, a differenza dei "triac" e dei "tiristori" che possono essere solo accesi, o innescati, consentono anche conduzione con controllo dei transitori di accensione e di spegnimento. Con un opportuno circuito di comando è possibile portare gradualmente il transistore in conduzione quando la tensione alternata di alimentazione passa per lo zero. mantenerlo in conduzione per una parte prefissata e regolabile della semionda della tensione alternata e di portarlo gradualmente in interdizione prima del successivo passaggio per lo zero. Poiché in questo modo non vengono generati repentini transitori, non si originano disturbi ad alta frequenza e non è necessario utilizzare bobine di filtro per rispettare le normative sui radiodisturbi. Lo stesso principio viene messo in pratica controllando il tempo in cui si effettua la chiusura del circuito rispetto allo zero di tensione e mantenendo il transistore in conduzione fino al sopraggiunto zero di corrente.
Anche in questi casi, tuttavia, si hanno degli inconvenienti, in quanto la potenza totale dissipata è piuttosto elevata a causa della resistenza di canale relativamente alta, nel caso dei transistori MOSFET, o della tensione di saturazione, nel caso dei componenti IGBT, e della dissipazione su uno o due diodi utilizzati normalmente per polarizzare la corrente del carico rispettivamente su due o su un dispositivo di potenza. Per limitare questo inconveniente è necess ricorrere a componenti con caratteristiche particolari, per esempio transistori MOSFET a bassa resistenza di canale, ma in questo caso i costi di produzione del dispositivo diventano relativamente elevati.
Lo scopo principale della presente invenzione è di mettere a disposizione un dispositivo per regolare l'energia trasferita ad un carico elettrico con l'impiego di un gruppo interruttore statico che abbia i vantaggi ma non gli inconvenienti dei dispositivi noti, che sia cioè poco costoso, silenzioso, poco ingombrante e dissipi complessivamente una potenza relativamente bassa.
Tale scopo viene conseguito secondo l'invenzione per il fatto che, come gruppo interruttore statico, vengono utilizzati insieme un primo mezzo di commutazione del tipo a conduzione e interdizione controllabili, come un transistore MOSFET di potenza, e un secondo mezzo di commutazione, del tipo a conduzione controllabile ad innesco, come un triac, e che comprende un circuito di controllo avente generatori d'impulsi atti a fornire al primo mezzo di commutazione un impulso di comando, di durata prefissata inferiore al semiperiodo della tensione alternata, con uno sfasamento rispetto alla stessa tensione determinato da una grandezza di comando regolabile manualmente e atti a fornire al secondo mezzo di commutazione un impulso di innesco che ha inizio in un istante prefissato compreso in un intorno dell'istante in cui ha termine il suddetto impulso di comando .
L'invenzione sarà meglio compresa dalla seguente descrizione dettagliata di due sue forme di esecuzione esemplificative, e pertanto in nessun modo limitative, fatta in relazione agli uniti disegni, in cui:
- la figura 1 è uno schema circuitale di principio del dispositivo secondo l'invenzione,
- la figura 2 è uno schema a blocchi che mostra alcuni elementi funzionali importanti di un circuito compreso nel dispositivo della figura 1,
la figura 3 mostra varie forme d'onda che illustrano le caratteristiche di funzionamento del dispositivo secondo l'invenzione e
la figura 4 mostra un'altra forma d'esecuzione dell *invenzione.
Nella figura 1 con L è indicato un carico elettrico, che può essere una lampada ad incandescenza, collegato ad una sorgente di tensione alternata Vac, per esempio la rete di alimentazione domestica, tramite un dispositivo, indicato con 10, di regolazione dell'energia trasferita al carico, cioè della luminosità della lampada se il carico è una lampada.
Il dispositivo 10 è collegato con due terminali, indicati con MI e M2, in serie al carico L e alla sorgente Vac e comprende un gruppo con funzione di interruttore statico bidirezionale, indicato con il, un circuito di controllo 12, collegato a due terminali di comando, indicati con G1 e G2, del gruppo 11, e un raddrizzatore di corrente a ponte di diodi, indicato con 13, collegato con i suoi terminali d'ingresso ai terminali MI e M2 del dispositivo 10. I terminali positivo e negativo del raddrizzatore 13 sono collegati anche al dispositivo di controllo 12 per fornirgli una tensione di alimentazione e un segnale indicativo della fase della tensione alternata di alimentazione del carico .
Il gruppo 11 comprende un transistore a effetto di campo, un MOSFET di potenza, T1, avente i suoi terminali di potenza, cioè gli elettrodi di drain D e di source S, collegati ai terminali, rispettivamente, positivo e negativo del raddrizzatore 13 e l'elettrodo di gate collegato al terminale di comando Gl, e un triac T2 avente i due terminali di potenza Al e A2 collegati rispettivamente ai terminali MI e M2 del dispositivo 10 e il terminale di gate collegato al terminale di comando G2. Come si vede, il carico L può essere alimentato dalla sorgente Vac tramite due mezzi di commutazione e cioè sia attraverso il MOSFET Tl e due diodi del raddrizzatore 13, che attraverso il triac T2, ovviamente quando tali componenti sono comandati in conduzione dal circuito di controllo 12.
Il circuito di controllo 12, rappresentato più in dettaglio nella figura 2, è costituito sostanzialmente da un'unità di controllo 12a, da un dispositivo di comando manuale 12b, da un circuito rivelatore di passaggio per lo zero 12c, da un circuito di comando del MOSFET I2d e da un circuito di comando del triac 12e. Secondo l'invenzione, l’unità di controllo 12a gestisce i tempi di conduzione del MOSFET TI e del triac T2 secondo le modalità illustrate qui di seguito con riferimento alle forme d'onda della figura 3 e supponendo che il carico sia puramente resistivo.
In assenza di segnali di comando sui terminali Gl e G2, cioè col MOSFET TI e col triac T2 in interdizione, la tensione VDSO tra il polo positivo e quello negativo del raddrizzatore ha il noto andamento rappresentato dalla forma d'onda della figura 3a).
Dopo un tempo tl dal passaggio per lo zero della tensione alternata di alimentazione Vac, l'unità di controllo 12a, che vantaggiosamente è un microcontrollore in circuito integrato, genera, tramite il circuito di comando 12d, sul terminale di comando Gl un impulso di tensione VI atto a portare in conduzione il MOSFET Tl. Il tempo tl è una grandezza di comando che indica lo sfasamento dell'impulso di tensione di comando VI rispetto alla tensione di alimentazione Vac ed è determinata dal dispositivo di comando manuale 12b. Il tempo tl è variabile sostanzialmente tra 0 e il semiperiodo della tensione alternata, cioè, nel caso di una tensione di 50 Hz, tra 0 e 10 millisecondi. Il dispositivo 12b è, per esempio, un semplice interruttore a pulsante che agisce su un temporizzatore, compreso nell'unità di comando, che viene azzerato periodicamente al passaggio dello zero rivelato dal circuito rivelatore 12c. L'impulso di tensione VI, rappresentato nella figura 3c), ha un fronte di salita graduale, in questo esempio a rampa, è in grado perciò di portare in conduzione il MOSFET Tl in modo graduale ed ha una durata compresa preferibilmente tra 20 e 200 microsecondi. Durante l'impulso VI, nel carico L passa una corrente IL (figura 3e)) che ha un fronte di salita con un andamento graduale correlato a quello dell'impulso VI. Alla fine dell'impulso VI il MOSFET Tl cessa di condurre e l'unità di controllo 12a genera tramite il circuito di comando 12e, sul terminale G2 un impulso di corrente 12 atto ad innescare la conduzione del triac T2. Tale impulso ha una durata compresa preferibilmente tra 10 e 1000 microsecondi. La corrente IL nel carico continua a passare fino all'azzeramento della corrente IL, che per un carico resistivo coincide con lo zero di tensione, come è mostrato nella figura 3e), quando cioè il triac si spegne. Durante la successiva semionda viene generato un altro impulso VI che porta in conduzione il MOSFET TI per tutta la sua durata e un altro impulso 12 che innesca nuovamente la conduzione del triac T2, questa volta in senso opposto, cosicché la corrente IL sul carico ha segno negativo, come è illustrato nella figura 3e). Il ciclo poi si ripete con le stesse modalità. La tensione VDS tra drain e source del MOSFET TI durante il funzionamento del dispositivo è illustrata nella figura 3b).
Come si può constatare, il dispositivo secondo l'invenzione consente di regolare l'energia trasferita ad un carico senza generare disturbi ad alta frequenza perchè le variazioni della corrente nel carico, in particolare quelle che portano dallo stato di interdizione a quello di conduzione, sono graduali. Si noti, inoltre, che questo risultato si può ottenere utilizzando un transistore MOSFET di piccole dimensioni e con l'impedenza di canale relativamente alta, in quanto la potenza che esso deve dissipare è molto limitata dato il breve tempo della sua conduzione e perciò si tratta di un componente di basso costo. La potenza totale dissipata risulta ridotta anche per il fatto che la dissipazione sui diodi, quelli del raddrizzatore che alimenta il transistore MOSFET, è anch'essa ridotta al breve tempo di conduzione del transistore stesso, in definitiva, la potenza totale dissipata è dovuta principalmente alla conduzione del triac .
Nella forma di esecuzione dell'invenzione rappresentata nella figura 4 il gruppo interruttore statico, qui indicato con 11', comprende, anziché un unico transistore MOSFET, due transistori MOSFET, indicati con T1 e T12, collegati tra loro in contropolarità. Più particolarmente, i due transistori hanno gli elettrodi di source S' e S" in comune e gli elettrodi di drain D' e D" collegati direttamente ai terminali M1 e M2 del dispositivo, qui indicato con 10 1. In parallelo ai due transistori TU e T12 sono collegati due diodi, rispettivamente DI e D2, posti con polarità invertita rispetto al senso di conduzione dei corrispondenti transistori. Gli elettrodi di gate, indicati con G11 e G12, sono collegati al circuito di controllo, qui indicato con 12', per ricevere da questo rispettivi impulsi di tensione di comando V11 e V12 sfasati tra loro di 180°. in questo esempio il raddrizzatore 13 serve solo per alimentare il circuito di controllo 12'. Il funzionamento del dispositivo di regolazione 10' è del tutto analogo a quello sopra descritto in relazione alla figura 3: l'unica differenza consiste nel fatto che la corrente viene fornita al carico attraverso uno dei transistori (T1 ) durante la semionda positiva della tensione alternata di alimentazione Vac, quando esso viene portato in conduzione da un impulso VII, e attraverso l'altro dei transistori (T12) durante la semionda negativa, quando esso viene portato in conduzione da un impulso V12.
Per quanto siano state illustrate e descritte due sole forme di esecuzione dell'invenzione, è chiaro che numerose varianti e modifiche sono possibili nell'ambito dello stesso concetto inventivo. Per esempio, con riferimento al circuito della figura 1, il triac potrebbe essere collegato tra i poli positivo e negativo del raddrizzatore, anziché direttamente in serie al carico e alla sorgente di alimentazione, anche se, naturalmente, in questo caso, occorrerebbe mettere in conto la potenza dissipata sui diodi ;
si potrebbe utilizzare, al posto del MOSFET, un transistore bipolare o un transistore del tipo IGBT comandati da opportuni impulsi di corrente e, al posto del triac, uno o più tiristori;
secondo 1 componenti di potenza utilizzati o secondo particolari esigenze, l'impulso d'innesco del triac potrebbe avere inizio in un qualsiasi istante prefissato compreso in un intorno dell'istante in cui ha termine l'impulso di comando del transistore; secondo un'altra variante, il circuito di controllo 12 potrebbe essere collegato alla linea a monte del carico per essere alimentato indipendentemente: in tal caso il dispositivo di regolazione dovrebbe avere un terminale supplementare, ma si potrebbe utilizzare un circuito di alimentazione più semplice e funzionante con una dissipazione di potenza più bassa, per esempio un alimentatore di tipo capacitativo ,

Claims (10)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo per regolare l'energia trasferita da una sorgente di tensione elettrica alternata ad un carico elettrico, comprendente: un gruppo interruttore statico di potenza (11) collegabile alla sorgente (Vac) in serie al carico (L) tramite due terminali (MI, M2) del dispositivo (10) e un circuito di controllo (12) collegato al gruppo interruttore (11)per comandarne lo stato di conduzione in funzione di una grandezza di comando determinata da un mezzo di comando manuale (12b) collegato al circuito di controllo stesso, caratterizzato dal fatto che il gruppo interruttore statico (11) comprende un primo mezzo di commutazione (Tl), del tipo a conduzione e interdizione controllabili, avente due terminali di potenza (S, D) collegati ai terminali (MI, M2) del dispositivo (10) ed almeno un terminale di comando (Gl), e un secondo mezzo di commutazione (T2), del tipo a conduzione controllabile ad innesco, avente due terminali di potenza (Al, A2) collegati ai terminali (MI, M2) del dispositivo (10) ed almeno un terminale di comando (G2) e il circuito di controllo (12) comprende mezzi generatori di impulsi, collegati ai suddetti terminali di comando (G1 , G2 ) , atti a fornire al primo mezzo commutazione (Tl) almeno un impulso di comando (VI), di durata prefissata inferiore al semiperiodo della tensione alternata (Vac), con uno sfasamento rispetto alla stessa tensione determinato dalla grandezza di comando e a fornire al secondo mezzo di commutazione almeno un impulso d'innesco (12) che abbia inizio in un istante prefissato compreso in un intorno dell'istante in cui ha termine il suddetto impulso di comando (VI).
  2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui l'impulso di comando (VI) viene generato a intervalli uguali al semiperiodo della tensione alternata (Vca).
  3. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui l'impulso di comando (VI) ha un fronte di salita graduale .
  4. 4. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, 2 o 3, in cui il fronte di salita dell'impulso d'innesco (12) è sostanzialmente contemporaneo al fronte di discesa dell'impulso di comando (VI).
  5. 5. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il collegamento dei terminali di potenza (S,D) del primo mezzo di commutazione (T1) ai terminali (MI, M2) del dispositivo (10) avviene tramite un raddrizzatore (13).
  6. 6. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il collegamento dei terminali di potenza (Al, A2) del secondo mezzo di commutazione al terminali (MI,M2) del dispositivo (10) avviene tramite un raddrizzatore.
  7. 7. Dispositivo secondo la rivendicazione 5 o 6, caratterizzato dal fatto che il raddrizzatore è un raddrizzatore a ponte di diodi (13).
  8. 8. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il primo mezzo di commutazione è un transistore a effetto di campo (T1) i cui elettrodi di source (S) e drain (D) sono i suddetti terminali di potenza e il cui elettrodo di gate (G1) è il suddetto terminale di comando.
  9. 9. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il secondo mezzo di commutazione è un triac (T2) il cui elettrodo di gate (D2) è il suddetto terminale di comando e i cui altri due terminali A1, A2, sono i suddetti terminali di potenza .
  10. 10. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui il primo mezzo di commutazione è costituito da due transistori a effetto di campo (TU , T12) collegati in contropolarità l'uno all'altro e da due diodi (D1, D2), ciascuno collegato in parallelo e con polarità invertita a un rispettivo transistore (T1 , T12), i terminali di drain (D', D") dei due transistori essendo i suddetti due terminali di potenza del gruppo interruttore (11') ed essendo collegati direttamente ai terminali (M1, M2) del dispositivo (10') e i terminali di gate (G11, G12) dei due transistori essendo due terminali di comando del gruppo interruttore (11'), e in cui i mezzi generatori di impulsi del circuito di controllo (12‘) sono atti a fornire ai due transistori (T1, T12) rispettivi impulsi di comando (V11, V12) sfasati tra loro di 180°.
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