Come regolare la potenza per un carico DC o AC

Spesso è necessario sapere come regolare la potenza fornita a un carico, ad esempio per regolare la quantità di luce di una lampada (nel qual caso si usa un “dimmer”), la velocità di un motore elettrico, il livello di riscaldamento fornito da una resistenza elettrica, etc. La regolazione della potenza è, in generale, diversa a seconda che si tratti di regolare una corrente continua (DC) o alternata (AC). Inoltre, la regolazione può essere manuale o automatica. In questo articolo daremo una panoramica dei principali metodi utilizzabili, che comprendono: regolazione resistiva, tramite PWM,Triac, SRC, MOSFET.  

Il dimmer è un dispositivo che permette di regolare la luminosità di una luce elettrica controllando la quantità di energia erogata alla lampadina. Vi sono due metodi di “dimmeraggio”: riduzione della tensione applicata alla lampadina (cioè modulazione della tensione), come mostrato nella figura qui sotto, e riduzione della quantità di tempo di applicazione della piena tensione alla lampada (cioè modulazione della larghezza di impulso, nel caso DC; oppure controllo di fase, nel caso AC). Il metodo di regolazione della luminosità applicabile deve essere compatibile con il tipo di lampadina utilizzata.

Un metodo di dimmeraggio sfrutta gli autotrasformatori per regolare l’ampiezza della tensione sinusoidale. Ciò non distorce la forma d’onda.

Ad esempio, i dimmer possono regolare la luminosità di un led dallo 0% al 100%. Possono farlo, fondamentalmente, in tre modi diversi: (1) regolando la corrente diretta; (2) attraverso una modulazione di larghezza di impulso (PWM); (3) attraverso un controllo digitale o tramite metodi più sofisticati (ad es. Triac o SCR). La maggior parte dei dimmer per luci a led, comunque, usano il sistema PWM, con il quale la frequenza può variare da centinaia di cicli al secondo a centinaia di migliaia di cicli al secondo, così che il led appare all’occhio umano continuamente illuminato, senza sfarfallii o tremolii.

Altri vantaggi del metodo PWM sono che assorbe pochissima energia e che produce un bassissimo cambiamento di colore nella luce della lampada a led. Infatti, in generale il dimmeraggio dei led produce uno spostamento nella distribuzione spettrale della luce, come con le lampadine a incandescenza. Pertanto, se si produce luce bianca con dei led colorati, tale spostamento spettrale – specie con i led rossi e gialli – può produrre un effetto indesiderabile sulla luce bianca generata.

Schema dei metodi di regolazione della potenza comprendenti quelli illustrati in questo articolo (in alto) e, sotto, due esempi di dimmer PWM come quelli che potete trovare qui.

Come “dimmerare” i vari tipi di lampade

Il metodo del dimmeraggio resistivo – ovvero la regolazione della corrente diretta – è diventato uno standard per regolare la luce delle lampadine alogene e funziona riducendo il voltaggio che arriva ai capi della lampadina attraverso una opportuna resistenza in quanto a valore e potenza dissipata, che può essere determinata usando alcune semplici leggi. Un dimmer resistivo è molto facile da installare ma ha lo svantaggio che l’energia elettrica sottratta al led è trasformata in calore e dissipata, per cui non è certamente considerato un metodo efficiente dal punto di vista energetico.

Esempio di circuito per dimmeraggio resistivo di un carico (in questo caso una striscia led).

I led utilizzano una tensione compresa fra 12 V e 48 V, perciò hanno bisogno di un trasformatore per ridurre la tensione di rete, che è di 230 V. Usare un dimmer resistivo fra la tensione di rete (AC) e il trasformatore danneggia il trasformatore stesso, mentre usare un dimmer resistivo fra il trasformatore ed i led (DC) causa un tremolìo nella loro luce, non una riduzione. I led alimentati dalla rete elettrica, quindi, non possono essere regolati usando il dimmeraggio resistivo, perché lentamente li danneggia.

La modulazione della larghezza di impulso (Pulse-Width Modulation, o PWM) funziona invece “accendendo” e “spegnendo” la tensione ai capi della lampada ad una velocità variabile. Aumentando o diminuendo tale velocità, si modifica la quantità di luce emessa e quindi si dimmera i led. Il dimmeraggio PWM risulta essere energeticamente efficiente perché, a differenza di quello resistivo, più il led è dimmerato e minore potenza viene assorbita dalla rete.

Dimmeraggio di un led con la tecnologia PWM.

In un circuito PWM, infatti, il transistor in un determinato istante conduce completamente, oppure non conduce, ed in entrambi i casi la potenza assorbita risulta minima, a differenza di quanto avviene nei normali limitatori. Il problema con il dimmeraggio PWM è che più si dimmera una lampada e maggiore è il numero di accensioni e spegnimenti, e quindi si può arrivare in un range di frequenze che è visto dall’occhio umano come un tremolio della luce. Tale tremolio, comunque, si genera solo quando la luce è regolata sotto il 10% del suo valore normale, cioè del suo valore nominale.

La modulazione a larghezza di impulso (PWM) di un segnale o di una fonte di energia comporta la modulazione del suo ciclo di lavoro, per controllare la quantità di energia inviata a un carico. Il modo più semplice per generare un segnale PWM è il metodo intersettivo, che richiede solo una forma d’onda a dente di sega o triangolare (facilmente generata utilizzando un semplice oscillatore) e un comparatore. In pratica, quando il valore del segnale di riferimento è maggiore della forma d’onda di modulazione, il segnale PWM è nello stato alto, altrimenti si trova nello stato basso.

Un dimmer basato sul Triac (sigla che sta per “Triodo per Corrente Alternata”) funziona conducendo la corrente in entrambe le direzioni, alternativamente, a una velocità variabile. Ciò rende l’accensione e lo spegnimento della luce più veloce che con il dimmeraggio PWM, in modo da non raggiungere mai la frequenza percepita dall’occhio umano come un tremolìo. Tuttavia ciò può ridurre la durata di vita dei led, perciò per dimmerare i led è senz’altro preferibile usare il metodo PWM.

Dimmeraggio di un led con un Triac.

I Triac, invece, sono ottimi per dimmerare le luci a incandescenza o alogene. Il dimmer Triac, come del resto anche quello PWM, richiede che gli sia inviato un segnale per “dirgli” di quanto deve dimmerare la luce: variando la tensione di tale segnale, varia l’intensità della luce. Di solito, il range di tensione usato è 0-10 V, per cui basta usare un dimmer resistivo per regolare la tensione di questo segnale. In tal caso, a 10 V la luce sarà al 100%, a 8 V sarà all’80% del valore normale, o massimo, ed a 3 V sarà appena al 30%.

Le lampade ad incandescenza e le resistenze elettriche rispondono bene a quasi tutti i tipi di tecnologia dimmer, elettronici e non. È necessario prestare particolare attenzione, invece, quando si dimmerano i sistemi di illuminazione a bassa tensione che utilizzano trasformatori a bobina e nucleo, come sistemi di illuminazione a fluorescenza che utilizzano un reattore e LED che utilizzano driver (trasformatori elettronici). I dimmer per la regolazione dell’illuminazione a incandescenza non possono essere utilizzati per attenuare tali sistemi di illuminazione o quelli a bassa tensione.

L’attenuazione a bassa tensione delle lampade ad incandescenza deve tenere conto del trasformatore utilizzato per alimentare queste lampade. I dimmer utilizzati per l’illuminazione a bassa tensione sono classificati in volt-amp (VA). Il dimmer deve essere selezionato per il tipo di trasformatori utilizzati nel sistema di illuminazione a bassa tensione, che possono essere: (1) magnetici (tradizionale, avvolto attorno ad un nucleo di acciaio laminato); (2) elettronico (a stato solido).

I dimmer progettati per i trasformatori magnetici proteggono il trasformatore dall’applicazione di tensioni in corrente continua (DC) che potrebbero causare surriscaldamento e danni. Devono inoltre resistere a picchi di tensione e sovratensioni che potrebbero provenire dal lato linea e non trasmetterli al trasformatore. I sistemi di illuminazione che utilizzano trasformatori elettronici, invece, devono utilizzare dimmer progettati specificamente per questi tipi di trasformatori.

Altri regolatori di carichi in corrente continua (DC)

Si noti che non è possibile utilizzare un dimmer Triac per controllare un motore a corrente continua (DC). Un dimmer che usa un Triac funziona solo con con una corrente alternata (AC) che commuta il Triac OFF alla fine di ogni mezzo ciclo. Se alimentato in DC, il Triac, se attivato, si aggancia e rimane attivo finché non lo si scollega. Si può utilizzare un PWM oppure un’alimentazione DC regolabile per controllare la velocità: quest’ultima dovrebbe funzionare bene se il motore è del tipo a magnete permanente.

Un regolatore di tensione SCR 50V-230V AC simile a quelli che potete trovare qui.

Un’altra opzione è quella di utilizzare un motore universale a 230 V AC. Questo è essenzialmente un motore in serie che funziona altrettanto bene in AC o DC. Esso può essere controllato da un circuito dimmer, ma il motore universale è un carico induttivo e gli effetti della tensione di spegnimento quando il Triac commuta OFF può riattivarlo e il controllo della velocità andare in tilt. Inoltre,  i motori universali non controllano la velocità molto bene e devono avere un carico viscoso per consentire il controllo della velocità. Quindi, i Triac funzionano bene con frullatori e robot da cucina, non con una macchinina!

L’SCR – detto anche “tiristore” – è, dal punto di vista elettrico, pressoché equivalente al diodo, con la sola differenza che la conduzione diretta avviene solamente in seguito all’applicazione di un opportuno segnale di innesco su un terzo terminale denominato gate. Affinché il segnale di innesco sia valido, deve superare un valore di corrente minimo che dipende dal tiristore e dalla tensione anodo-catodo presente in interdizione. La conduzione si può instaurare anche se la tensione diretta supera un valore vicino al limite di rottura in polarizzazione diretta. Il tiristore è utile per gestire correnti e/o tensioni elevate.

Triac sta per “triodo per corrente alternata”, mentre SCR sta per “raddrizzatore controllato al silicio”. Il Triac è un dispositivo bidirezionale che può essere attivato tramite una tensione di gate positiva o negativa, mentre l’SCR è un dispositivo unidirezionale che può essere attivato solo dalla tensione di gate positiva. Inoltre, il Triac è più affidabile, necessita di un solo dissipatore e controlla sia correnti continue (DC) che alternate (AC), mentre l’SCR controlla correnti continue (DC) – ma in opportuni circuiti può essere utilizzato per controllare i carichi in corrente alternata (AC) – e necessita di due dissipatori.

I simboli dell’SCR e del Triac.

Tuttavia, non è facile guidare un Triac o un SCR come vogliamo. Al contrario, un transistor MOSFET può essere controllato come vogliamo. Basta impostare il gate “alto” (con una tensione sufficiente) e la corrente può fluire dal piedino drain al source. Impostando il gate “basso”, invece, la corrente non può più scorrere. Si noti che un MOSFET può essere utilizzato solo per controllare i carichi in corrente continua (DC), poiché è un interruttore unidirezionale: il flusso di corrente può essere controllato quando scorre dal drain al source, ma non può essere controllato dal source al drain.

La figura qui sotto mostra un circuito di alimentatore variabile in corrente continua (DC) ad alta tensione basato sul MOSFET, grazie al quale possiamo personalizzare la tensione di uscita da 0 a 311 V DC, ed è protetto da un limitatore di corrente a circa 100 mA. Nel circuito è possibile vedere che T1 è un trasformatore di rete con un rapporto di 1:1, posto per motivi di sicurezza e per ridurre il segnale del rumore. Il MOSFET di potenza Q1 controlla l’uscita di corrente. Il transistor Q2-BC337 e la resistenza di shunt R2 da 3,3 ohm sono stati aggiunti come limitatore di corrente.

Alimentatore variabile ad alta tensione 0-300V. Circuito adatto solo a sperimentatori adulti. Si noti la presenza di un autotrasformatore 1:1 a protezione.

Il MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor), ovvero transistor metallo-ossido-semiconduttore a effetto di campo, in elettronica indica una tipologia di transistor a effetto di campo largamente usata nel campo dell’elettronica digitale e analogica. Il MOSFET è composto da un substrato di materiale semiconduttore drogato, solitamente il silicio, al quale sono applicati tre terminali: gate (G), source (S) e drain (D). L’applicazione di una tensione al gate permette di controllare il passaggio di cariche tra il source e il drain, e quindi la corrente elettrica che attraversa il dispositivo.

Come regolare un carico in corrente alternata (AC)

Per regolare un carico in corrente alternata (AC), non si può utilizzare un semplice regolatore PWM, un dispositivo che può essere usato solo con le correnti continue (DC). Infatti, a differenza delle alimentazioni DC, dove la tensione è costante in un dato momento, la tensione di un’alimentazione AC segue una forma d’onda sinusoidale. Pertanto, occorre conoscere la posizione attuale nel ciclo AC prima di consentire al dispositivo di alimentare il carico per raggiungere la potenza di uscita desiderata.

Pertanto, nella maggior parte dei casi in cui si desidera controllare un carico in corrente alternata, verrà utilizzato un Triac o un SCR. Un Triac, in particolare, può essere usato allo scopo sfruttando il meccanismo “di controllo di fase AC”, ovvero regolando l’angolo di fase AC: in pratica, si controlla la potenza in ingresso fornita al carico consentendo di fornirla solo per una parte di ogni mezzo ciclo del segnale AC. Ciò è in qualche modo simile alla Modulazione a larghezza d’impulso (PWM) in corrente continua (DC).

Come funziona il “controllo di fase AC” con un Triac.

La commutazione “a senso unico” di un SCR può essere accettabile poiché, una volta attivata, tutta la potenza DC viene erogata direttamente al carico. Ma, nei circuiti AC sinusoidali, questa commutazione unidirezionale può essere un problema, poiché conduce solo durante metà del ciclo (come un raddrizzatore a semionda) quando l’Anodo è positivo, indipendentemente da quale sia il segnale del Gate. Quindi, per il funzionamento in AC, solo la metà della potenza viene erogata al carico da un SRC.

Dunque, in generale l’SCR – o tiristore – non sembra essere il dispositivo migliore per controllare un carico AC. Per ottenere il controllo della potenza a onda intera, è in realtà possibile collegare un singolo tiristore all’interno di un raddrizzatore a ponte a onda intera che si attiva su ciascuna semionda positiva o collegare due tiristori in parallelo inverso (back-to-back) come mostrato di seguito, ma ciò aumenta sia la complessità che il numero di componenti utilizzati nel circuito di commutazione.

Due configurazioni di circuiti con tiristori per ottenere il controllo della potenza a onda intera.

Esiste tuttavia, come abbiamo visto, un altro tipo di dispositivo a semiconduttore chiamato Triac. I Triac sono anche’essi membri della famiglia dei tiristori, ma sono dispositivi “bidirezionali”. In altre parole, un Triac può essere attivato in conduzione mediante tensioni sia positive che negative applicate al suo anodo e con entrambi gli impulsi di trigger positivi e negativi applicati al suo terminale di gate, rendendolo quindi – come si dice in gergo – un “dispositivo switching controllato dal gate a due quadranti”.

Un Triac si comporta come due SCR convenzionali collegati insieme in parallelo inverso (back-to-back) l’uno rispetto all’altro e, grazie a questa disposizione, i due tiristori condividono un comune terminale di gate all’interno di un singolo pacchetto a tre terminali. Dato che un Triac conduce in entrambe le direzioni di una forma d’onda sinusoidale, il concetto di terminale anodico e di terminale catodico, usato per identificare i terminali di potenza principali di un SCR, vengono sostituiti con MT1 per Main Terminal 1 e MT2 per Main Terminal 2, mentre al terminale Gate G si fa riferimento allo stesso modo.

Un comune circuito di commutazione Triac utilizza il controllo di fase per variare la quantità di tensione – e quindi la potenza – applicata a un carico, come ad esempio un motore, sia per le metà positive che per le metà negative della forma d’onda di ingresso. Questo tipo di controllo della velocità del motore AC (o, più in generale, del carico AC) fornisce un controllo completamente variabile e lineare, poiché la tensione può essere regolata da zero fino alla tensione applicata completa.

Schema di un circuito di dimmeraggio “a controllo di fase AC” con un Triac.

Il controllo elettrico della corrente alternata tramite Triac è estremamente efficace – se usato correttamente – per controllare carichi di tipo resistivo, come ad es. lampade ad incandescenza, riscaldatori a resistenza o piccoli motori comunemente presenti in utensili elettrici portatili e in piccoli elettrodomestici. Tuttavia, ricorda che questi dispositivi possono essere utilizzati e collegati direttamente alla fonte di alimentazione AC di rete, pertanto vanno usati con la massima cautela. In particolare, il test del circuito deve essere eseguito con il Triac scollegato dalla rete elettrica.

Il circuito di controllo di fase AC si può realizzare anche con un microcontrollore programmabile, quale ad es. una scheda Arduino Uno, cosa che risulta molto utile nel caso la regolazione debba essere effettuata in modo automatico, ad es. in risposta a un sensore (di temperatura o altro). Utilizzando un microcontrollore Arduino con alcuni semplici componenti, possiamo infatti monitorare l’onda AC per determinare il momento giusto per accendere e spegnere l’alimentazione con il Triac.

Il circuito per realizzare il “controllo di fase AC” con Arduino.

In pratica, il circuito consiste in un rivelatore di attraversamento dello zero optoisolato e di un circuito di innesco optoisolato per il Triac. Gli optoisolatori sono necessari per mantenere i circuiti del segnale a bassa tensione lontano dai circuiti di alimentazione e fornire un livello appropriato di sicurezza. Come con tutti i circuiti che coinvolgono la tensione di rete, assicurati di sapere cosa stai facendo. Il metodo per il controllo della potenza è mostrato nello schema seguente.

Il metodo di controllo della potenza tramite “controllo di fase AC” con Arduino.

Il circuito di rilevamento di attraversamento dello zero fornisce un impulso a 5 V ogni volta che il segnale AC supera 0 V. Lo rileviamo con l’Arduino e sfruttiamo gli interrupt per sincronizzare il circuito di trigger con precisione nella sincronizzazione con questi eventi di zero-crossing. Quando viene rilevato uno zero crossing, il Triac rimane spento per un periodo di tempo controllato (t1). Più è lungo questo tempo, minore è la potenza che riceve il circuito CA. Una volta trascorso il “tempo di spegnimento”, t1, il microcontrollore accende il Triac applicando una tensione al gate (mostrata in rosso).

Una volta acceso, il Triac rimarrà acceso anche dopo aver rimosso la tensione del gate. Si spegnerà se la tensione di gate è zero la prossima volta che l’onda AC attraversa lo zero. Per questo motivo, non è necessario fare attenzione a spegnere il Triac quando il segnale AC passa di nuovo a zero. Una volta che si verifica il secondo passaggio per lo zero, poiché non c’è tensione sul gate, il Triac rimane spento fino a quando non viene attivato di nuovo nel ciclo successivo. Il risultato netto qui è che “tagliamo” parti dell’onda risultante in una potenza media inferiore.

Questo appena visto è, essenzialmente, il modo in cui si realizza il controllo “PWM” di un’onda AC. Dunque, è possibile controllare la corrente / tensione in corrente alternata anche utilizzando la modulazione a larghezza di impulso (PWM). Il seguente circuito è un altro esempio di come si può controllare la tensione AC con un PWM. In questo caso, basta applicare il segnale PWM al primo pin del fotoaccoppiatore MOC3021. Variando il segnale PWM, varia l’intensità della lampadina.

Esempio di controllo di una tensione AC usando un PWM.  

Con alcuni circuiti “intelligenti”, come ad esempio quello schematizzato nella figura qui sotto, anche un MOSFET può essere utilizzato per controllare i carichi in corrente alternata (AC). Grazie al raddrizzatore a ponte, infatti, il MOSFET “vede” sempre una tensione continua, poiché il drain è sempre positivo rispetto al source. Pertanto, con questa combinazione del raddrizzatore a ponte e del MOSFET per controllare un interruttore in corrente continua (DC) quale è il MOSFET, è possibile controllare il carico AC.

Circuito “intelligente” con MOSFET per controllare un carico AC.