Zero-crossing dimmer per lampade di potenza

I comuni regolatori di luminosità (dimmer) possono generare troppo rumore se impiegati per pilotare lampade potenti. In ambito cinematografico e teatrale può essere necessario ricorrere a regolatori di luminosità silenziosi. In quest’articolo è illustrato un circuito che, impiegando un IGBT ed un rilevatore di passaggio per lo zero (zero-crossing) della tensione d’alimentazione, è in grado di ridurre notevolmente il ronzio delle lampade.

1. Funzionamento

Nei comuni regolatori di luminosità per uso domestico, la potenza inviata sul carico viene regolata modulando l’angolo di conduzione di un TRIAC, che inizia a condurre in un punto prescelto della semionda e si disattiva al primo passaggio per lo zero della stessa. Tuttavia, la brusca entrata in conduzione del TRIAC genera disturbi di considerevole entità, rendendo necessario l’impiego di ingombranti induttori di filtro. Inoltre, quando le lampade hanno potenze considerevoli (diverse centinaia di watt), i disturbi possono raggiungere livelli tali da provocare il ronzio delle lampade stesse.

Il circuito illustrato in quest’artocolo impiega invece un IGBT che viene pilotato in modo da attivarsi al passaggio per lo zero della semionda ed uscire gradualmente dalla conduzione, evitando quindi l’uso di bobine e riducendo sensibilmente il rumore delle lampade fino ad 1 kW. Inoltre, la funzione di avvio graduale (soft-start) permette di aumentare considerevolmente la durata delle lampade, limitando la corrente all’accensione.

2. Analisi del circuito

All’ingresso trigger del monostabile U₁ (realizzato con un temporizzatore CMOS TS555) è applicata la tensione pulsante raddrizzata dal ponte di diodi D₁. In prossimità di ogni passaggio per lo zero, il monostabile si attiva portanto l’uscita Q a livello alto per un periodo impostato attraverso R₁₄ tra 0,4 ms e 7,3 ms. In questo modo, alla frequenza di rete di 50 Hz, la potenza trasferita al carico varia dal 4% al 73%.

Il segnale presente all’uscita del monostabile viene filtrato dalla rete R₇C₆ per aumentarne il tempo di discesa, affinché l’IGBT Q₁ esca gradualmente dalla conduzione, riducendo il rumore di commutazione.

I transistori Q₂ e Q₃ evitano che l’IGBT possa dannieggiarsi all’accensione, permettendo il suo funzionamento solo quando la tensione della linea d’alimentazione del monostabile supera i 9 V. Questo assicura che al gate dell’IGBT sia applicato un segnale di pilotaggio di ampiezza sufficiente, tale da assicurarne la conduzione in regione di saturazione.

La corrente di picco all’accensione di una lampada di 1 kW è considerevolmente più alta della corrente nominale, e può superare i 35 A. In questo circuito, R₁₃ e D₅ limitano la corrente iniziale a circa 13 A modulando il segnale applicato all’IGBT e forzando il reset del monostabile fintanto che il filamento della lampada non raggiunge la corretta temperatura di funzionamento.

L’IGBT e il ponte di diodi vanno raffreddati attraverso un dissipatore sufficientemente grande; infatti, la grauale uscita dalla conduzione dell’IGBT causa una considerevole dissipazione di calore, che deve essere smaltito rapidamente. Nel prototipo realizzato, la temperatura massima raggiunta dal dissipatore è di circa 80 °C con un carico da 1 kW. Riducendo la potenza del carico, la temperatura del dissipatore si riduce considerevolmente.