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CIRCUITI RADDRIZZATORI
Un primo esempio di utilizzo dei diodi è costituito dai circuiti raddrizzatori. Un circuito raddrizzatore
è un componente degli alimentatori stabilizzati che ogni allievo avrà
incontrato nella vita quotidiana.
Ogni dispositivo elettronico, dal televisore, al lettore
MP3, al computer necessita, per un corretto funzionamento, di essere alimentato
con una tensione costante di pochi volt
Ma, nelle nostre case,
abbiamo a disposizione una alimentazione del tutto diversa, costituita da una
tensione alternata, che ha un valore massimo di circa 300 volt e una frequenza
di 50 hertz. Un’onda di questo tipo si dice sinusoidale.
Dire che quest’onda ha una frequenza di 50 Hz significa che
compie 50 oscillazioni al secondo.
Se vogliamo alimentare un circuito elettronico, dobbiamo,
allora, usare un dispositivo che trasformi la tensione alternata in tensione
continua. Un primo esempio è quello della figura seguente
I morsetti di sinistra vanno collegati alla rete elettrica
(la presa di casa). Il primo dispositivo indicato con T1, è un trasformatore[1].
Il trasformatore è un dispositivo che funziona soltanto in alternata e ha lo
scopo di fornire in uscita una tensione alternata dalla forma identica a quella
d’ingresso ma di valore massimo diverso, che può essere maggiore o minore di
quello dell’onda in ingresso. Ad esempio, un trasformatore con rapporto di
trasformazione 220:12, riceve in ingresso una tensione sinusoidale di valore
efficace 220 volt, e fornisce in uscita un’onda sinusoidale con valore efficace
12 volt.[2]
(vedi simulazione)
In questo modo riusciamo a ridurre l’ampiezza della tensione
che rimane comunque molto diversa da una tensione costante. Il diodo permette
di avvicinarci a questo risultato eliminando le parti negative dell’onda come
nella figura seguente. (vedi
simulazione)
Per
spiegare come il diodo consenta di ottenere tale effetto premettiamo che
utilizziamo in questa sede un modello semplificato del diodo per cui il diodo polarizzato
direttamente equivale ad un corto circuito 8 se volete un interruttore chiuso),
mentre il diodo polarizzato inversamente equivale ad un circuito aperto
(interruttore aperto). Osserviamo la seguente figura
Nell’intervallo di tempo evidenziato, la tensione sul
secondario[3]
del trasformatore è positiva. Secondo le convenzioni usuali ciò significa che
nel circuito
il morsetto 4 si trova ad un potenziale superiore al
morsetto 6. notiamo ora che il catodo del diodo è collegato al morsetto 6 e
l’anodo al morsetto 4, cioè siamo nella seguente situazione
Allora il diodo è in polarizzazione diretta per cui consente
il passaggio di corrente e l’alimentazione del carico rappresentato dalla resistenza,
per cui la tensione ai capi della resistenza stessa è uguale a quella in uscita
dal secondario del trasformatore.
Quando ci troviamo nell’intervallo di tempo evidenziato
nella figura precedente , la tensione è negativa cioè,
il morsetto 4 si trova a tensione inferiore al morsetto 6,
in tal caso
il diodo è polarizzato inversamente e non consente il
passaggio di corrente per cui la resistenza non è alimentata e la tensione ai
suoi capi è nulla, ottenendo l’effetto che avevamo accennato
Abbiamo eliminato l’onda negativa, si dice che abbiamo raddrizzato
il segnale, ma siamo ancora lontani dall’effetto che volevamo ottenere, avere
cioè una tensione costante.
Le cose si possono migliorare introducendo un condensatore
in parallelo al carico da alimentare
Occorre ricordare che un
condensatore è un dispositivo che accumula cariche elettriche e,
contemporaneamente, energia. Ciò comporta che la tensione ai capi di un
condensatore non può variare istantaneamente. Consideriamo, ad esempio, il
seguente circuito
Quando l’interruttore è collegato al morsetto 3, il
condensatore viene collegato alla batteria, ma la sua tensione non passa subito
da zero al valore imposto dalla batteria. Essa crescerà invece in modo graduale
come mostrato in figura (vedi simulazione)
Analogamente se, dopo aver caricato il condensatore, spostiamo
l’interruttore nella posizione 8, il condensatore scarica attraverso la
resistenza, ma la sua tensione non va istantaneamente a zero, come in figura (vedi simulazione)
Ciò avviene perché un condensatore, accumulando cariche
elettriche, contemporaneamente accumula anche energia elettrostatica. La fisica
ci insegna che un condensatore carico ad una tensione V possiede un’energia
pari a
Ciò significa che se il condensatore passa, ad esempio, da una tensione 0 ad una
tensione pari a 5 volt, il generatore che lo carica deve erogare una potenza
infinita. Per rendercene conto consideriamo, ad esempio, la seguente tabella (vedi simulazione) in cui supponiamo di caricare un
condensatore da 1 mF ad una tensione di 5 volt. Quando si sarà completamente
caricato, il condensatore possiederà un’energia pari a 0.0125 joule. Ricordiamo
dalla fisica che la potenza di un generatore è pari all’energia erogata
nell’unità di tempo
e consideriamo dunque intervalli di tempo di carica sempre
più piccoli. Dalla tabella vediamo ad
esempio, che per caricare il condensatore in 10 millisecondi, occorre avere una
potenza di soli 1,25 watt, ma per caricarlo in un decimo di millisecondo
occorre già un generatore da 125 watt. Se volessimo impiegare un milionesimo di
secondo occorreranno 1200 watt e così via.
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CAPACITA' IN FARAD |
0,001 |
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TENSIONE
MASSIMA |
5 |
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ENERGIA
MASSIMA |
0,0125 |
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INTERVALLO
DI TEMPO |
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POTENZA
NECESSARIA |
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1 |
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0,01 |
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0,1 |
|
0,13 |
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0,01 |
|
1,25 |
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0,001 |
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12,50 |
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0,0001 |
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125,00 |
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0,00001 |
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1.250,00 |
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0,000001 |
|
12.500,00 |
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0,0000001 |
|
125.000,00
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0,00000001 |
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1.250.000,00 |
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0,000000001 |
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12.500.000,00 |
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1E-10 |
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125.000.000,00 |
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1E-11 |
|
1.250.000.000,00 |
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1E-12 |
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12.500.000.000,00
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Possiamo concludere il nostro discorso dicendo che un
condensatore offre una sorta di “inerzia” alla variazione della tensione in un
circuito, per cui la tensione che avremo sul nostro carico, collegato al
circuito raddrizzatore sarà (vedi simulazione)
Infatti, negli intervalli di
tempo in cui la tensione sul secondario del trasformatore supera la tensione ai
capi del condensatore, il diodo, avendo l’anodo a tensione superiore rispetto
al catodo, è polarizzato direttamente, consente il passaggio di corrente e così
alimenta il carico e contemporaneamente carica il condensatore. Quando, invece,
la tensione d’ingresso diminuisce, il condensatore tende a conservare la sua
carica per cui la tensione d’ingresso va al di sotto di quella del
condensatore, e il diodo si trova in
polarizzazione inversa, essendo l’anodo a potenziale inferiore rispetto al
carico. Non vi è più un passaggio di corrente attraverso il diodo e il
condensatore comincia a scaricare lentamente sulla resistenza di carico,
continuando, in tal modo, ad alimentarla. Quando la tensione d’ingresso supera
di nuovo quella del condensatore, il diodo conduce di nuovo e il condensatore
si ricarica. In tal modo, fatta eccezione per una ondulazione residua, ci siamo
avvicinati all’obiettivo di avere una tensione continua.
Tale ondulazione residua
dipende dal tempo che impiega il condensatore a scaricare. E’ intuitivo che
l’impiego di un condensatore più grande consente di ridurre l’ondulazione
residua (vedi
simulazione) come mostra il seguente disegno
