Simulazione in PSpice di un convertitore AC-DC monofase non-capacitivo a doppia semi-onda controllato con SCR

I convertitori da corrente alternata a corrente continua (AC-DC) o raddrizzatori sono utilizzati in tutte quelle applicazioni in cui è necessario alimentare carichi in continua, partendo da una corrente alternata. Una prima classificazione che si può fare è quella tra raddrizzatori a singola semi-onda e raddrizzatori a doppia semi-onda. La prima tipologia sfrutta solo la semi-onda positiva del segnale alternato per effettuare la conversione. Se si vuole sfruttare anche la semi-onda negativa si utilizza la seconda tipologia, che sfrutta delle soluzioni circuitali più complesse, come ad esempio la configurazione a ponte. Un esempio di raddrizzatore a doppia semi-onda è il ponte di diodi. Sul carico è presente un segnale pulsato con valore medio non nullo. Per ottenere poi la tensione continua richiesta si inserisce in serie al carico un condensatore. Al posto dei diodi è possibile usare degli interruttori di potenza controllati (SCR, IGBT, GTO), grazie ai quali è possibile regolare il valore medio del segnale raddrizzato e quindi anche il valore della tensione continua presente sul carico. Configurazioni di questo tipo prendono il nome di raddrizzatori controllati.

Raddrizzatore monofase non-capacitivo a doppia semi-onda controllato con SCR

Nella seguente figura viene riportato il circuito in cui viene implementato sia il raddrizzatore a ponte con SCR che il circuito per la generazione degli impulsi necessari a controllare gli interruttori di potenza.

Il segnale sinusoidale viene fornito dal generatore V1 ed ha una frequenza di 50Hz e un’ampiezza di 20V. Durante la semi-onda positiva del segnale il circuito di controllo genera gli impulsi che azionano gli SCR X1 e X4, mentre durante la semi-onda negativa vengono azionati X2 e X3. Questi impulsi vengono generati in corrispondenza del superamento da parte del segnale a dente di sega di ampiezza di 10V e frequenza di 50Hz, fornito dal generatore V2, di due soglie, come si può notare nella seguente figura.

Infatti ogni volta che si ha l’attraversamento di una soglia, il corrispondente comparatore effettua una commutazione dell’uscita verso la tensione di saturazione positiva, quindi il derivatore crea un impulso proprio in corrispondenza di questa commutazione. L’impulso quindi verrà inviato sui gate degli SCR che verranno azionati. Essi poi si spegneranno automaticamente con la diminuzione e successiva inversione del segnale V1. 

Parametrizzazione  dell’uscita con l’angolo alfa di ritardo dell’accensione degli SCR

Agendo sul valore del generatore V3 la soglia più bassa verrà modificata traslando l’impulso relativo alla semi-onda positiva. Lo stesso avviene per la soglia più alta che, vista la configurazione circuitale, viene a trovarsi sempre al valore di V3+V4, cioè 5V sopra la soglia più bassa. Dunque posso determinare il momento in cui gli SCR andranno in conduzione, regolando il valore medio della tensione che andrà a finire sul carico. Il ritardo di accensione si quantifica mediante l’angolo elettrico

 

dove V_ref è la tensione di soglia V3 o V3+V4 e V_st è l’ampiezza del segnale a dente di sega. 

Se α=0 otteniamo lo stesso valore medio che si avrebbe nel caso di ponte realizzato con dei semplici diodi. Se invece α=π il valore medio sul carico è nullo, dato che non passa alcun segnale. Se α è compreso in quest’intervallo di valori, il valore medio sarà:

 

Di seguito sono riportati i grafici delle tensioni in uscita ottenute variando il valore del generatore V3 da 1V a 4V con incrementi di 1V. Da notare che il segnale sul carico ha un’ampiezza leggermente inferiore di quella del segnale d’ingresso e che l’SCR s’interdice prima dell’inversione della tensione ai suoi capi in quanto il dispositivo usato nel circuito (2N1595) non è ideale.