UNIVERSIT DEGLI STUDI DI FIRENZE

Dipartimento Ingegneria dellInformazione

Corso di:

Elettronica Industriale

Esercitazione n.1:

Controllore di potenza con opto-triac

Professore: Gruppo n. 3:

Lorenzo Capineri Francesco Bellini

Daniele Peruzzini

Jenny Moliterno

Anno Accademico 2012-2013

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Indice

1. Obiettivo dellesperienza.pag.2

2. Descrizione del circuito di prova.....pag.3

3. Lista strumenti utilizzati, modelli, impostazioni, collegamenti

al circuito di prova..pag.4

4. Risultati/misure..pag.5

Verifica delle tensione 12V in uscita dal trasformatore...pag.6

Verifica della tensione raddrizzata in uscita dal ponte a diodi..pag.7

Verifica della generazione di impulsi sul collettore del BJT e valutazione

della durata e frequenza di ripetizione degli

impulsi....................pag.8

Verifica del controllo sul carico...pag.9

5. Simulazioni....pag.10

Tensione in uscita al trasformatore.pag.11

Tensione raddrizzata..pag.12

Impulsi sul collettore del transistor..pag.13

Verifica del controllo a burstpag.14

6. Osservazioni..pag.15

7. Riferimenti bibliografici a testi, documenti, materiale

didattico, siti web, data sheet..pag.15

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1. OBIETTIVO DELL'ESPERIENZA

L'obiettivo dell'esercitazione stato il controllo in potenza su un carico tramite l'utilizzo

dell'integrato MOC3020A, realizzando il circuito di prova su breadboard e verificandone il

funzionamento. Il carico era costituito da un led la cui intensit luminosa doveva essere

controllata in base a un segnale di pilotaggio costituito da impulsi sincronizzati con la rete di

alimentazione che generano pacchetti di lunghezza proporzionale al duty cycle di un segnale

TTL ad onda quadra proveniente dal generatore di funzioni.

In particolare sono state indagate la forme d'onda al secondario del trasformatore, la tensione

raddrizzata dal ponte di Graetz e gli impulsi sul collettore del transistor. Inoltre si verificato

l'effettivo funzionamento del controllo in potenza osservando la variazione di luminosit del

led in relazione al duy-cycle del segnale di pilotaggio. Infine si effettuato un confronto tra i

dati sperimentali e le simulazioni SPICE.

Figura 1 Schema elettrico

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2. DESCRIZIONE DEL CIRCUITO DI PROVA

La tensione di rete di 220 Vrms viene portata a 24 Vrms tramite un trasformatore come

possiamo vedere in Figura 1. In uscita al secondario presente un ponte di Graetz che

raddrizza tale tensione e la applica alla base di un BJT, pilotato dunque alternativamente tra le

regioni di saturazione e di interdizione. Il transistor polarizzato tramite il partitore R1-R2 e

il resistore R3. Sul collettore si trovano dunque degli impulsi sincronizzati con la tensione di

rete (in particolare abbiamo generazione di un impulso quando la doppia semionda prossima

allo zero, cio quando il BJT si trova in interdizione) che insieme al segnale proveniente dal

generatore di funzioni (un'onda quadra a 1 Hz, ampiezza 5 V e duty-cycle variabile dal 20%

all' 80% ) costituiscono gli ingressi dell'integrato 74LS08N che effettua l'operazione di AND.

L'uscita della porta logica dunque costituita da pacchetti di impulsi a 1 Hz e larghezza

variabile mentre le singole sequenze di impulsi hanno frequenza di 100 Hz (pari alla tensione

di rete raddrizzata) e numero di impulsi proporzionale al duty cycle del segnale di pilotaggio.

Il segnale cos costituito andr a pilotare l'Opto-Triac MOC3020A (Figura 2.) che a sua volta

funger da driver per il carico costituito dal led e dal resitore da 4,7kOhm.

Il MOC3020A un fotoaccoppiatore ovvero un dispositivo che accoppia in maniera

puramente fotonica la sezione di ingresso e quella di uscita, garantendo un isolamento

galvanico fino a 7.5 kV(AC Peak). In realt nel circuito in esame tale isolamento non

garantito poich esiste un collegamento tra le due sezioni. In particolare la rete d'ingresso

(Emitter) costituita da un LED a GaAs che emette radiazione

infrarossa, mentre il circuito di uscita costituito dall elemento

fotosensibile (Detector) un opto-triac.Dal data-sheet si

evince come sia necessaria una corrente di pilotaggio tra i 30 e

i 60 mA al fine di garantire un corretto funzionamento del led

interno all'integrato. Inoltre si pu notare come durante lo stato

ON sia abbia una tensione massima di 3V e una corrente di

100 mA in uscita.

Figura 2. MOC3020A : a)schema logico ; b) piedinatura.

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3. LISTA STRUMENTI UTILIZZATI, MODELLI ,

IMPOSTAZIONI COLLEGAMENTI AL CIRCUITO DI PROVA

COMPONENTI:

Bread-Board.

Diodo(x4) 1N4148 .

Resistenze: 330k, 100k, 1k, 100, 4,7k.

Integrato TTL-74LS08N.

Transistor 2N2222.

MOC 3020A.

Led (rosso).

STRUMENTAZIONE:

Alimentatore da banco, Generatore di segnali, Oscilloscopio.

IMPOSTAZIONE DEGLI STRUMENTI:

- Alimentatore da banco impostato su Vcc= +5V

- Generatore di funzioni, mod. HP 33120A (15MHz), impostato su:

onda quadra, ampiezza = 5 Vpp, frequenza= 1 Hz, Voffset= 1,25 Vdc,

Duty-cycle variabile 20% e 80%.

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4. RISULTATI / MISURE

Verifica delle tensione 12V in uscita dal trasformatore.

Inizialmente stata misurata l'effettiva tensione di uscita del trasformatore tramite un

multimetro, ottenendo una Vrms di circa +14 V e -14 V (misurate tra le due uscite del

trasformatore e la presa centrale). La tensione differenziale risultante era quindi di circa 28

Vrms. Successivamente si effettuato la verifica tramite la misura sull'oscilloscopio andando a

prelevare le forme d'onda sulle due uscite del trasformatore rispetto a massa e poi effettuando

la differenza tramite l'apposita funzione dello strumento. Come si pu osservare in Figura 3 la

tensione sul secondario dunque di circa 80 Vpp, cio 2* . Si pu notare che le

forme d'onda non sono perfettamente sinusoidali ma presentano una saturazione dovuta

all'isteresi del materiale ferromagnetico nel nucleo del trasformatore utilizzato.

Figura 3. Tensione al secondario del trasformatore

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Verifica della tensione raddrizzata in uscita dal ponte a diodi

In questa fase si misurata la tensione in uscita al ponte di Graetz, ponendo la sonda sul

catodo di D1 e la massa connessa al riferimento del circuito. La forma d'onda risultante una

doppia semionda a frequenza doppia della frequenza di rete, ovvero 100 Hz, come si pu

osservare in Figura 4. L'ampiezza picco-picco di 39 V.

Figura 4. Tensione raddrizzata

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Verifica della generazione di impulsi sul collettore del BJT e valutazione della

durata e frequenza di ripetizione degli impulsi

La Figura 5. mostra il segnale prelevato sul collettore del BJT. Esso costituito da una serie

di impulsi a frequenza di 100 Hz e ampiezza 5 V. La durata del singolo impulso di circa 1,2

ms. I tempi di salita e discesa risultano nell'ordine di 400 s.

Figura 5. Impulsi sul collettore

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Verifica del controllo sul carico

In questa fase si andato a verificare il segnale di pilotaggio del triac al variare del duty-cycle

dell'onda quadra proveniente dal generatore di funzioni e osservata la corrispondente

variazione di intensit luminosa del LED. Nella Figura 6. rappresentata, in giallo, la forma

d'onda prodotta dal generatore di funzioni e, in verde, il segnale sull'uscita della porta AND.

Si pu osservare come gli impulsi presenti sul collettore del BJT passino a valle della AND

solo quando il segnale TTL alto, realizzando cos una finestratura di lunghezza variabile e

periodo 1 Hz sul treno di impulsi che andr a pilotare l'optotriac e di conseguenza il carico

costituito dal led.

Il numero di impulsi presenti in ogni pacchetto sar proporzionale alla durata del duty-cycle

del segnale TTL. Matematicamente esso sar:

n

dove n numero degli impulsi, d duty cycle, T periodo dell'onda quadra, Ti periodo degli

impulsi .

In effetti dalla Figura 6. risultano 20 impulsi in corrispondenza di un duty cycle del 20%.

Durante l'esperienza si anche verificato come ad un numero di impulsi maggiore

corrisponda una maggiore intensit luminosa del led.

Figura 6. Segnale a burst

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5. Simulazioni

Il circuito stato simulato con il software LT Spice per una conferma dei risultati sperimentali

ottenuti in laboratorio. Nella simulazione sono state aggiunte le induttanze e le resistenze

parassite del trasformatore in modo da ottenere una simulazione pi realistica. A differenza

del circuito originale stato utilizzato l'integrato MOC206 invece del MOC3020 e una porta

AND ideale al posto della 74LS08N in quanto non presenti nelle librerie di SPICE.

La tensione di rete stata simulata tramite un generatore sinusoidale con ampiezza 310 V e

frequenza 50 Hz.

Le simulazioni sono state effettuate tramite un'analisi di tipo transient nel dominio del tempo

e le forme d'onda indagate sono le medesime di quelle visualizzate sull'oscilloscopio durante

l'esperienza in laboratorio.

Figura 7. Schematico di riferimento per le simulazioni

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Tensione in uscita al trasformatore

Come possiamo vedere dalla Figura 8. , dalla simulazione si ottiene una sinusoide alla

frequenza di 50 Hz e ampiezza di 62 Vpp , corrispondenti ai circa 12 Vrms nominali del

trasformatore.

Figura 8. Andamento simulato della tensione sul secondario

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Tensione raddrizzata

La tensione raddrizzata risulta, come aspettato, alla frequenza di 100 Hz e ampiezza di 30 V.

In realt dalla Figura 9. si evince come una semionda sia leggermente pi grande dell'altra.

Questo dovuto alla presenza dell'induttanza e resistenza parassita L3 e R7.

Figura 9. Andamento simulato della tensione raddrizzata dal ponte

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Impulsi sul collettore del transistor

Si nota dalla Figura 10. come gli impulsi siano a frequenza di 100 Hz e ampiezza 5 V con una

durata in accordo con le misure sperimentali.

Dalla Figura 11. inoltre si pu osservare come gli impulsi (in rosso) abbiano il loro massimo

in corrispondenza degli zeri del segnale presente sulla base del transistor (in blu), ovvero

quando esso in interdizione.

Figura 11. Simulazione andamento uscita del BJT in relazione al suo ingresso

Figura 10. Andamento simulato della tensione sul collettore

trasformatore

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Verifica del controllo a burst

Si riportano gli andamenti del segnale all'uscita della porta AND ( in rosso) e della corrente

sul led ( in blu ) in corrispondenza dei due valori di duty cycle, 20% e 80% (Figura 12. e

Figura 13.). In accordo con le misure sperimentali notiamo dei pacchetti a 1 Hz con impulsi a

frequenza 100 Hz, sincronizzati con la tensione di rete. Si osserva come il led resti acceso per

un tempo maggiore nel caso di un duty cycle maggiore e inoltre riceva pi potenza e dunque

si illumini con intensit maggiore.

Figura 12. Andamento simulato della tensione a burst e corrente sul diodo (duty-cycle 20%)

Figura 13. Andamento simulato della tensione a burst e corrente sul diodo (duty-cycle 80%)

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6. OSSERVAZIONI

I risultati simulati sono in accordo con le misurazioni in laboratorio e dimostrano il corretto

funzionamento del circuito a meno di piccole differenze dovute al trasformatore.

Infatti nella simulazione abbiamo riprodotto il circuito reale con i componenti parassiti che

alterano la risposta duscita del secondario rispetto al comportamento ideale, preso in

considerazione nella teoria.

Inoltre durante le misure in laboratorio abbiamo riscontrato sul secondario un segnale

sinusoidale troncato( rispetto sempre al caso ideale) a causa del trasformatore utilizzato

poco performante.

Tali alterazioni risultano tuttavia trascurabili e assimilabili al caso ideale per lo studio di

questo circuito.

7. RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI A TESTI, DOCUMENTI,

MATERIALE DIDATTICO, SITI WEB, DATA SHEET

- Data sheet dell'integrato MOC3020A

- Data sheet TTL-74LS08N.

- Data sheet Transistor 2N2222.

- Slides del corso di Elettronica Industriale, Prof. Capineri