Impiego del Tiristore

Il caso più semplice d’impiego per un controllo a tiristore è quello cosiddetto a “senso unico” (vedi figura 1).

Consideriamo dapprima il circuito di corrente principale.

In questo il tiristore si trova in serie alla tensione alternata di alimentazione, poiché il tiristore, per le sue proprietà particolari, è essenzialmente un interruttore a corrente alternata. Sempre in serie si trova la resistenza di carico RL. L’intensità di corrente attraverso la resistenza RL viene controllata dal tiristore.


Consideriamo in primo luogo solo il controllo di corrente in carichi per cui vale la legge di Ohm (ad esempio lampadine elettriche, stufe elettriche, ecc.). Perciò anche nella figura il carico RL è rappresentato come una resistenza ohmica.

 

Figura 1

Possiamo adesso prevedere i processi che avvengono nel circuito di corrente principale, in base all’andamento della tensione e della corrente nel tiristore: fornita dalla sorgente di tensione, viene applicata al circuito una tensione alternata U∼.

La figura 2 a) indica la dipendenza del tempo della tensione sinusoidale alternata (U ∼).

Se all’elettrodo di controllo viene applicata la corrente di controllo iG, come indicato dalla rappresentazione grafica di figura 2 b), allora la tensione u applicata al tiristore assume l’andamento indicato in figura 2c). Durante lo stato di blocco e sino all’istante dell’innesco , il tiristore è sotto la tensione totale. Dopo l’innesco e durante la conduzione la u diviene praticamente zero.

(La piccola tensione di conduzione residua uF nel tiristore è minima e può essere trascurata in questo caso).

Durante la conduzione scorre la corrente i e valore medio di corrente continua IF, attraverso il carico RL ed attraverso il tiristore. (Vedi figura 2 d).

Figura 2

Per meglio intendere le correlazioni fra carico e tiristore, gli andamenti delle tensioni e delle correnti indicate nella figura 2 devono essere ulteriormente chiariti.

Durante il blocco  è applicata al tiristore la piena tensione U∼ alternata fornita al circuito di corrente. In questo caso la resistenza interna del tiristore è notevolmente più alta della resistenza RL di carico inserita nel circuito (vedi figura 3 a sinistra). Di conseguenza non abbiamo alcuna caduta di tensione al carico RL e di conseguenza nessuna corrente attraverso lo stesso.

Durante la conduzione invece  il tiristore non è sottoposto ad alcuna tensione. La sua resistenza interna è ora molto più piccola di quella del carico RL. La tensione raddrizzata cade di conseguenza ai capi di RL Da questa caduta di tensione e dalla resistenza del carico viene determinata l’intensità della corrente di carico i, la quale a causa del collegamento in serie del carico e del tiristore scorre anche attraverso di questo (figura 3 a destra).

Vale in forma generale: in caso di resistenze di carico ohmiche, sono determinanti per l’intensità di corrente i prima di tutto la grandezza della resistenza e poi la tensione continua controllata dal tiristore.

Figura 3

Nel collegamento unidirezionale vien controllato, ed è possibile, solo un senso di percorso della corrente alternata fornita. L’altro senso viene interdetto dallo stato di interdizione del tiristore. Se nel circuito principale è inserito un carico per corrente continua, questo viene controllato col valore medio della corrente continua raddrizzata. Per questo caso di impiego vengono utilizzate le due caratteristiche del tiristore, il raddrizzamento e la regolazione di corrente. Se però deve essere controllato un carico a corrente alternata, in molti casi l’interdizione dell’altro senso di corrente non è richiesta, e perfino non desiderata. Per la piena utilizzazione elettrica dell’apparecchio manca quella parte di corrente per il carico, che scorre nel senso dell’interdizione, e che viene bloccata dal tiristore. Anche nel caso di piena conduttività del tiristore la potenza assorbita dalla resistenza di carico può raggiungere solo la metà di quella assorbibile dal carico inserito.

Supponiamo che un carico a corrente alternata abbia la possibilità di assorbire una potenza uguale ad 1. Allora la potenza originale dell’apparecchio inserito potrebbe essere controllata solo fra il valore O ed il valore 0,5 a mezzo del tiristore in collegamento unidirezionale. Immaginatevi ciò a mezzo della superficie tratteggiata nella figura 4:

Figura 4 – Campo di regolazione a corrente alternata a mezzo di un tiristore inserito in un circuito col collegamento a senso unico

Per aggirare questa limitazione nell’impiego del controllo a tiristori, si utilizza il collegamento in antiparallelo per i carichi a corrente alternata, usando due tiristori (vedi figura 5 a sinistra). Il tiristore Th 1 corrisponde per la polarità a quello nel collegamento a senso unico della figura 1.

Vi è stato aggiunto il tiristore Th 2 con polarità invertita. In tal modo si può regolare un senso della corrente col Th 1 e l’altro senso col Th 2. Nella figura 5 a sinistra, a fianco degli elettrodi di controllo sono stati rappresentati gli impulsi di innesco e la loro sequenza, coi quali vengono innescati i tiristori. Con questo collegamento un carico per corrente alternata è totalmente regolabile e la figura 5 a destra indica che la potenza può essere regolata da 0 a 1.

Questo tipo d’impiego, in antiparallelo od a due sensi, è così importante che per questo scopo è stato‘ realizzato un elemento costruttivo semiconduttore: il Triac, o tiristore a due vie . Questo elemento ha le stesse caratteristiche rappresentate nella figura 5 a sinistra, da quella parte racchiusa nel rettangolo tratteggiato.

Figura 5

Consideriamo ora per il collegamento in antiparallelo, anche l’andamento della tensione e della corrente. La figura a) indica la tensione alternata U∼ in funzione del tempo. A mezzo delle differenti correnti d’innesco (figura 6 b) e delle loro direzioni, immesse negli elettrodi di controllo, si generano le tensioni u1 ed u2 rispettivamente ai capi dei tiristori Th 1 (figura 6 c) e Th 2 (figura 6 d).

L’andamento di u1 è identico con quello del collegamento unidirezionale di figura 2 c .L’andamento di u2 indica che ora, a causa della polarità data al tiristore, si può controllare anche l’altro senso della corrente (figura 6 d).

Dall’andamento di queste due tensioni nei due tiristori risulta l’andamento della corrente principale attraverso il carico RL. (figura 6 e). Entrambe le direzioni di corrente alternata causano ora un passaggio di corrente attraverso il carico.

Figura 6

Col collegamento unidirezionale, essenzialmente per carichi a corrente continua (figura 1), e col collegamento in antiparallelo, particolarmente per carichi a corrente alternata (figura 5), voi avete studiato i collegamenti basilari per i tiristori.

Questi collegamenti vengono ampliati con una variante notevole del collegamento in antiparallelo, che come conclusione è bene considerare. (Figura 7 a sinistra).

Questo collegamento corrisponde a quello in antiparallelo della figura 5, in cui però il tiristore Th 2 è stato sostituito con un diodo D. Caratteristica di questo collegamento è che solo una direzione di corrente può essere regolata a mezzo del tiristore Th.

L’altra viene solo permessa in funzione della polarità del diodo D. Ciò significa: anche durante l’interdizione del tiristore Th, scorre sempre una corrente nel carico attraverso il diodo D. Questa parte di corrente non viene influenzata dal tiristore.

Si può regolare solo quella parte di corrente che passa attraverso il tiristore, in aggiunta a quella che passa incontrollata attraverso il diodo. Per la resistenza di carico ciò significa: con questo collegamento la potenza assorbita dal carico può essere regolata solo tra la metà del valore massimo assorbibile dal carico ed il suo massimo (figura 7 a destra).

A causa di questa proprietà questo collegamento viene anche denominato semiregolazione. Esso viene impiegato in tutti i casi dove la regolazione deve sempre avvenire in prossimità del carico massimo.

Consideriamo ancora gli andamenti della tensione e della corrente. La figura 8 a) indica ancora la tensione U∼ fornita al circuito principale. La corrente di innesco fornita al tiristore (figura 8 b) provoca in esso l’andamento di tensione uTH (figura c). Indipendente dalla corrente d’innesco si ha la tensione uD applicata al diodo (figura 8 d). La corrente i che attraversa il carico è formata ora da quella attraverso il tiristore e da quella attraverso il diodo.

Figura 8

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