R0 = valore ohmico alla temperatura di riferimento T0

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1 TECNOLOGIE E COMPONENTI PER L ELETTRONICA (5 cfu) AA Prof. Bigioggera RESISTORI R = resistenza [ Ω] l l = lunghezza [ m] R = ρ 2 s s = sezione del conduttore m ρ = resistività del materiale [ Ω /m] TC : coefficiente di temperatura ppm / C ppm / V K V : coefficiente di tensione [ ] P W,max : potenza nominale dissipabile [ W ] V : tensione massima nominale [ V ] R max S, L, C : caratteristiche resistenza-frequenza µ V / V : tensione di rumore R / R : stabilità T max : temperatura massima di lavoro ± %R : tolleranza Coefficiente di temperatura Legge di variazione della resistività del materiale con la temperatura R 1 α = C R1 = R0 1+ α ( T1 T0 ) R T R0 = valore ohmico alla temperatura di riferimento T0 I costruttori indicano con la siglaα il coefficientetc. (Grafici di TC in funzione della resistenza nominale) Coefficiente di tensione Legge di variazione della resistività del materiale con la tensione applicata R1 = R0 1 KV ( V1 V0 ) { R 0 = valore ohmico alla tensione di riferimento V0 Potenza nominale dissipabile È la potenza che il resistore può dissipare senza che intervengano alterazioni permanenti nella sua costituzione, misurata in condizioni di lavoro a temperatura ambiente e aria secca. Quando il resistore consuma potenza, si assiste ad un aumento della temperatura della resistenza rispetto alla temperatura ambiente; quindi la potenza dissipabile diminuisce all aumentare della temperatura ambiente. La curva di derating descrive la percentuale di potenza dissipabile in funzione della temperatura. (In alcuni casi viene anche fornito il diagramma dell aumento di temperatura in funzione della potenza dissipata) Tensione massima nominale La tensione applicabile al resistore che fa dissipare la massima potenza nominalev max = R P max Caratteristica resistenza-frequenza Il comportamento del resistore ad alte frequenze presenta caratteristiche ohmiche, induttive e capacitive. Alle normali frequenze di funzionamento le caratteristiche capacitive e induttive R1 L1 possono essere trascurate. Gli elementi induttivi e capacitivi sono dovuti ai terminali del resistore, C1 al corpo del resistore ed alla struttura del materiale che lo forma. La capacità è dovuta principalmente alla capacità diretta tra i terminali e quella distribuita. (I costruttori forniscono un diagramma in %

2 tra R / R in funzione del prodotto MHz M Ω ) HF DC Tensione di rumore Il moto caotico degli elettroni liberi nei conduttori dovuto ad agitazione termica produce delle fluttuazioni di tensione ai capi del conduttore stesso a valor medio nullo (effetto Johnson). Il valore efficace della tensione che si genera invece in seguito al passaggio di una corrente nel resistore è definito tensione di rumore (flicker noise). Questa tensione di rumore dipende dal valore della corrente che attraversa la resistenza, dalla resistività del materiale e dalla costruzione fisica del resistore e dal processo di laser trimming. Questa tensione di rumore è definita dalla relazione di Nyquist: V = 4kTR f n k = J k mol f = Hz è la banda di frequenza considerata [ ] costante di Boltzmann; T [ k ] = temperatura del resistore; (Diagrammi current-noise per descrivere la tensione di rumore µ V / V in funzione del valore nominale del resistore) Stabilità Il rilievo del grado di stabilità viene definito dalle ore di funzionamento. È definito dal R / R %. (Diagrammi di stabilità in funzione delle ore di funzionamento) rapporto ( ) Massima temperatura di lavoro La temperatura oltre la quale si verificano alterazioni e cambiamenti nella struttura dei materiali costituenti la resistenza. (Diagrammi di stabilità in funzione della temperatura) Tolleranza Esprime la deviazione massima percentuale del valore reale del resistore dal suo valore nominale. Tecnologie di costruzioni Resistori agglomerati o a impasto Dimensioni ridotte, economici, stabilità mediocre, fattore di rumore notevole, coefficiente di temperatura alto e non lineare. Circuiti logici in cui non è richiesta grande stabilità. Resistori a strato Costosi, buona stabilità, coefficiente di tensione trascurabile, coefficiente di temperatura basso, buone caratteristiche AF. Amplificatori, divisori di tensione, circuiti AF. Resistori a filo di precisione Buona stabilità, coefficiente di tensione trascurabile, coefficiente di temperatura trascurabile. Protezione di stadi di potenza, circuiti di calibrazione. Resistori a filo di dissipazione elevata Buona stabilità, fattore di rumore basso, coefficiente di tensione trascurabile, coefficiente di temperatura medio, comportamento in AF mediocre. Circuiti di alimentazione in corrente continua o bassa frequenza, attenuatori di potenza, ponti di misura. Elementi formativi di un resistore Supporto che sostiene l elemento (corpo, body) Elemento resistivo che da luogo alla resistenza elettrica Rivestimento per la protezione dell elemento resistivo Terminali Materiali del supporto resistivo ceramiche, vetro, materie plastiche: robustezza meccanica, elevata resistenza di isolamento, coefficiente di dilatazione termica uguale a quello dell elemento resistivo e del rivestimento, buone proprietà dielettriche. Elementi resistivi resistori a strato sottile (thin film reistors) resistori a strato spesso (thick film resistors) resistori cermet

3 resistori a impasto resistori a filo avvolto (wirewound) rivestimento di protezione chiusura ermetica dell elemento resistivo entro tubi ceramici, smalti vetrosi o resine sintetiche fuse attorno all elemento resistivo o anche vernici isolanti. Resistori a strato Materiali di deposito: films metallici, films di ossidi metallici, polvere di carbone Il valore della resistenza è determinato dallo spessore e dalla lunghezza dello strato. Per migliorare stabilità conviene usare spessori dello strato elevati realizzando poi una scanalatura a spirale fino al supporto isolante per ottenere il valore richiesto. La spiralizzazione comporta una componente induttiva che si manifesta ad alte frequenze. Sono considerati di semiprecisione. I resistori a strato metallico hanno caratteristiche migliori ma sono meno resistenti ai sovraccarichi rispetto a quelli a strato di carbone. Resistori a strato sottile metallico Lo strato resistivo è costituito da un film sottile di metallo depositato su un supporto di alluminio che deve essere di elevata purezza (no incrinature e no tensioni interne). Il film metallico è protetto da una lacca siliconica che elimina le tensioni resistive tra il film spiralato ed il rivestimento esterno. Cappucci metallici sono infilati in modo serrato per ottenere connessione elettrica e meccanica ottimale. I terminali sono realizzati in rame e trattati per evitare ossidazioni. La protezione è un rivestimento plastico verniciato al silicone. Resistori a strato sottile di ossido metallico Si realizzano con la deposizione di ossidi su supporti non facilmente alterabili (ceramica o vetro). Alta stabilità elettro-meccanica, resistenza all umidità, bassa corrente di rumore, non infiammabilità. Resistori a film spesso di carbone Strato spesso di carbone depositato su substrato di vetro. Spessore 100 volte maggiore rispetto ai resistore a film sottile metallico. Ci sono dissipatori all interno del substrato di vetro per avere una elevata dissipazione di calore, l uniforme disposizione del film di carbone migliora la risposta in alta frequenza del componente. Resistori a film spesso metalglaze Miscele di polvere di vetro e metallo depositata su substrato cilindrico di alluminio o steatite per immersione. Usati dove si necessita smaltire calore; la risposta in frequenza è eccellente mentre la stabilità è inferiore a quella dei resistori a film sottile. Resistori a film spesso tipo cermet Supporto ceramico sul quale viene depositato con stampa serigrafia strati di ossidi al nichel-cromopalladio. Ottimo campo di frequenza. Il rivestimento protettivo è resistente a solventi ed ignifugo. Resistori ad impasto Elemento resistivo formato da polvere di carbone o grafite e resine sintetiche mescolate con materiali inerti. Corpo cilindrico ceramico bloccato agli estremi con cemento isolante. Molto rumorosi, limitata risposta in frequenza. Resistori a filo-wirewond Usati dove si necessita di dissipare una elevata potenza in continua. Il filo è in Nichel-rame, grande precisione e stabilità; o Nichel-cromo, eccellente coefficiente di temperatura, resistori di grande potenza; o Oro-platino, elevato coefficiente di temperatura ma bassa resistività. Il nucleo di supporto è formato da ceramica-berillio o alluminio-steatite; questi ultimi con migliore conduttività termica ma più costosi, in grado di ridurre l effetto hot-spot. Ricoperti da smalti vetrosi non infiammabili per elevate temperature di lavoro. - localizzare il resistore verticalmente sulla PCB per migliorare la dissipazione del calore - distanziare tra loro le resistenze di dissipazione e lontane da dispositivi che producono calore - disporre il resistore in una zona del circuito dove ci sia un elevato effetto camino

4 - Usare supporti-distanziatori per prevenire il rammollimento dei punti di saldatura e per ottimizzare la dissipazione o usare saldo stagnante per alte temperature e incrementare le aree dei punti di saldatura Spesso sono fabbricati con radiatore metallico Resistori a filo smaltati Media potenza. La temperatura superficiale dei resistori aumenta non linearmente in funzione della potenza dissipata e cambia se il resistore è posto verticalmente o orizzontalmente. La temperatura è massima al centro del resistore se montato orizzontalmente. Resistori a filo anti-induttivi Con induttanza parassita ridotta. Filo bifilare. Avvolgimento percorso per metà da corrente in un senso, per metà da corrente nell altro senso. I due flussi si autoelidono, di conseguenza si autoelide anche l induttanza parassita. Avvolgimento Ayrton-Perry: avvolgere in senso contrario 2 fili in parallelo; ma capacità 2 complessiva elevata Ct = C / n. Resistori a filo cementati Filo di nichel-cromo o rame-cromo su un supporto ceramico o di vetro. Involucro esterno di steatite, reofori graffati con filo resistivo. Possono dissipare potenze nominali con sopraelevazione di temperatura elevata con carichi di lunga durata. Resistori di precisione Tecnologia thin-film e leghe al nichel-cromo. Nucleo ceramico, spiralizzazione con laser. Valore resistivo lineare, bassa capacità di sovraccarico, basso shock termico, bassissima tolleranza. Altissime frequenze di funzionamento ma valori bassi di resistenza, bassa potenza dissipabile.

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6 RESISTORI VARIABILI-POTENZIOMETRI Altamente instabili. L instabilità si riflette nell alta tolleranza. I più instabili vengono usati negli apparati di consumo. Il cursore può girare (singolo giro, multigiro, rotazione continua) oppure può essere traslato sopra l elemento resistivo. La difettosità è dovuta a rottura o falso contatto. A strato di carbone In assoluto i più instabili R 20%. Uno dei principali difetti è quello di dover esercitare una notevole forza sul film depositato da parte del cursore per ottenere un valore ohmico stabile. Lo strato resistivo ottenuto con stampaggio a caldo permette di costruire potenziometri di maggior affidabilità e durata alla rotazione. Trovano impiego negli apparati di consumo e potenziometri semi-fissi. A strato di plastica conduttiva Resine caricate con polvere di carbone o metalliche. Stampa a compressione a strato spesso o costampa a compressione a strato sottile. Ottime prestazioni dovute a Piste di struttura molto liscie e scorrevoli, durata alla rotazione Coppie di spunto e di rotazione basse e uniformi, minima rumorosità e resistenza di contatto cursore/pista costante 1MHz Buone prestazioni in alta frequenza ( ) Curve di variazione della resistenza in conformità a qualunque legge sia lineare che non variando i componenti della plastica conduttiva, lo spessore delle piste e la loro configurazione Ottenere unità resistive a funzioni multiple con tolleranze di accoppiamento elettrico ridotte Coefficiente di temperatura un po elevato, bassa potenza specifica dissipabile, bassa corrente ammissibile tra cursore e pista Strato metallico spesso o sottile Usati solo nei potenziometri semi-fissi per circuiti ad alta frequenza. Caratterizzati da basso rumore e buona risposta in frequenza Ibridi Costruiti per potenziometri di precisione Plastica conduttrice+cermet: stabilità, basso rumore, elevato rapporto potenza/superficie, lunga durata alla rotazione Plastica conduttiva+filo metallico avvolto: linearità, TCR basso Cermet Usati nei sistemi servo-assistiti con precisi requisiti meccanici. Potenziometri per preset, e control ; potenziometri di precisione. Di recente sviluppo potenziometri a base di polimeri. Potenziometri di precisione I potenziometri di precisione sono trasduttori meccanico/elettrico che danno una precisa tensione d uscita come funzione specifica della tensione applicata in relazione della posizione dell alberino. La fedeltà con cui il potenziometro reale segue la funzione specifica è detta conformità. Elemento resistivo costituito da plastica conduttiva o cermet. Per ottenere una data legge della resistenza occorre sagomare il supporto secondo una curva che è la derivata della legge stessa (a meno di un coefficiente che dipende dalla sezione e dalla resistività del filo).

7 RESISTORI A STRATO DI OSSIDO METALLICO - FUSIBILI Sovraccarico molto breve, tenuta della saldatura, resistenza alla condizione ambientale, stabilità al carico, stabilità ai cicli di temperatura. Montato distanziato dalla PCB, poiché la temperatura del supporto resistivo sarà elevata poco prima della rottura. Tipicamente i fusibili sono ricoperti di materiale infiammabile (fibra di vetro). SMD (surface mounted devices) Realizzati con terminali e molto più piccoli rispetto ai normali componenti. Sono direttamente attaccati alla superficie del PCB Chip resistor o SM resistor Substrato ceramico di forma rettangolare. L elemento resistivo è un film metallo-vetro. Il valore ohmico è regolato da incisione nello strato resistivo. Lo strato resistivo è ricoperto da una lacca colorata protettiva. Lo strato di protezione offre copertura elettrica, meccanica e ambientale.

8 ELECTRICAL DATA Valore nominale, Tolleranza, Valore massimo della tensione, Coefficiente di temperatura, Massima potenza dissipabile, Categoria climatica, Stabilità Limite in tensione È la massima tensione (DC o RMS) che può essere applicata in continua senza che avvengano alterazioni fra gli elettrodi. Derating details and performance nomograms Per i resistori normali si valutano le prestazioni di una resistenza in relazione ai parametri interdipendenti tra loro: potenza dissipata, coefficiente di temperatura, temperatura di hot-spot, massima deriva nel valore della resistenza dopo prolungato funzionamento; diagramma composito (nomogram). Per i resistori di potenza si costruisce un grafico tra la temperatura e la capacità di disperdere il calore. La massima temperatura che si raggiunge nel corpo del transistore è nel centro ed è chiamata hotspot temperature. Il calore si propaga anche nei reofori rammollendo i punti di saldatura. Ciò impone l impiego di dissipatori o di lunghi reofori. Il generale la hot-spot temperature è proporzionale alla potenza dissipata. T = A P dove la costante A è l incremento di temperatura per i watt di potenza dissipati[ C / W ]. Questa resistenza termica è funzione delle dimensioni del resistore, della conduttività termica del materiale usato, dal suo degrado e dal modo di montaggio. T = T + T m amb T m = hot-spot temperature, amb T = temperatura ambiente, T = incremento di temperatura di hot-spot. La stabilità di un resistore è determinata dalla temperatura di hot-spot e dal valore resistivo. Riassumendo - dimensione e conduttanza dei materiali determinano la resistenza al calore - resistenza termica per dissipazione (WaH) determina l incremento di temperatura - incremento di temperatura + temperatura ambiente = hot-spot temperature - hot-spot temperature e valore resistivo determinano la stabilità della resistenza Costruzione del nomogram Tm Tamb P =. A dp 1 Per diversi valori ditm si hanno tante linee parallele. La pendenza di queste linee = è il dtm A reciproco della resistenza termica ed è la caratteristica del resistore. La stabilità R / R può essere determinata sperimentalmente, così come i rimanenti parametri di riferimento. La riunione dei grafici di P, R / R rispetto at m viene a costituire il nomogram o grafico composito nel quale diversi valori delle variabili possono essere ricavati per un resistore in differenti condizioni di lavoro. CAPACITA Nella scelta della capacità bisogna valutare: temperatura, umidità, ripple in ac, gamma dei valori, frequenza di lavoro, tempo di vita della capacità, tensione a cui sono sottoposte le capacità, entità della corrente e suo andamento, fattore di merito Q, corrente di fuga, variazione del valore capacitivo in funzione della tensione (volt/microsecondo). Caratteristiche S C = ε d ε =costante dielettrica del materiale isolante interposto tra le armature

9 S =area delle armature d =distanza tra le armature Se si riduce lo spessore del dielettrico la capacità viene usata in bassa tensione. Aumentare la superficie delle armature vuol dire avere una grossa resistenza serie equivalente e quindi si riduce l effetto capacitivo. La forma costruttiva della capacità influenza le prestazioni del condensatore alla risposta in frequenza. Materiali dielettrici più usati: ceramica, mica, carta, plastiche, alluminio, tantalio Perdite nei condensatori - resistenza R ' ed induttanza L dei reofori e delle armature L1 C1 poste in serie al condensatore. - resistenza R '' posta in parallelo alla capacità. R' L induttanza L è il parametro che limita alle alte frequenze il campo di applicazione del condensatore. Alle normali R'' condizioni di lavoro l induttanza può essere trascurata. Per tenere conto delle perdite nei modelli semplificati si usano due resistenze R, R in parallelo o in 1 1 serie. Il fattore di perdita è definito tanδ =, tanδ = ωcrs, RS RP 2 2 ωcr = P ω C. Il fattore di perdita tiene conto dell elemento resistivo su quello reattivo. La potenza attiva assorbita dal condensatore 2 V 2 risulta P = VI sinδ = = ω C tanδ V Le perdite di potenza sono dovute in massima parte al R dielettrico in quanto in esso si ha il fenomeno della isteresi dielettrica nel momento in cui al condensatore è applicata una tensione alternata. Le perdite dipendono dalla temperatura e dalla tensione di lavorov ac. Diminuiscono con l aumentare della temperatura in maniera lineare, aumentano molto rapidamente con l aumentare della tensione. Dal circuito equivalente si nota la presenza di una frequenza di risonanza alla quale il condensatore si comporta in maniera ohmica, oltre la quale si comporta induttivamente. Non bisogna mai far lavorare un condensatore oltre la frequenza di risonanza. Tensione di lavoro (voltage rate of rise) Tensione massima applicabile oltre la quale si ha la perforazione del dielettrico (legata alla rigidità dielettrica dell isolante che costituisce il dielettrico ed alla distanza tra le armature). In un condensatore piano la tensione di rottura è definitavr = Emax d ; Emax è il campo elettrico applicabile che eguaglia la rigidità dielettrica del materiale isolante. Per ragioni di sicurezza il condensatore viene fatto lavorare con tensioni inferiori alla metà di quella di rottura. Vengono definiti i seguenti parametri: V :tensione continua di lavoro dc V :tensione alternata di lavoro ac V :tensione continua di prova p V dv t dt :maximum pulse load (da ritenersi uguale a V dc ) Coefficiente di temperatura e temperatura di lavoro C F α = C C. Correla la variazione di capacità con il variare della temperatura. ( t ) L effetto della temperatura sul valore della capacità di un condensatore è dovuta alla costante dielettrica che dipende dalla temperatura ed alla temperatura stessa che provoca una dilatazione delle parti costituenti il condensatore. (grafico della variazione % rispetto alla temperatura) Capacità e tolleranza Il valore della capacità è funzione della frequenza (varia con la frequenza) (grafico). P S

10 Resistenza di isolamento Al passare del tempo c è una diminuzione della carica presente sul condensatore a vuoto. La scarica è da attribuirsi alla resistenza di dissipazione o isolamento. Si rileva misurando la costante di tempo M Ω (grafico della costante RC in funzione della RC della scarica del condensatore a vuoto. ( ) temperatura ambiente) Massima dissipazione Necessario definire la potenza massima dissipabile ammissibile quando al condensatore si applica una tensione superiore ai 50V. E raccomandabile una potenza in caso di rottura non superiore a 2.5VA. Bisogna fare un ulteriore controllo che per un eventuale impulso di sovraccarico non si superi il massimo della potenza ammessa. - La potenza dissipata non deve superare il limite specificato P max - L impulso di tensione non deve eccedere il valore limite specificato in alternata. P = R C Cω 2 V 2 ( max ( S ) ac ) (Grafico di RC in funzione della frequenza e grafico della potenza massima in funzione della temperatura ambiente.) Condensatore Suddivisione in base al dielettrico - Generici (non elettrolitici) - Elettrolitici - Variabili Generici Con dielettrico di plastica metallizzata e non (film capaictors) Dielettrico ceramico (ceramic capacitors) Elettrolitici Elettrolitici in alluminio con dielettrico non solido e con dielettrico solido Elettrolitici all ossido di tantalio (tantalium capacitors) Variabili Condensatori variabili (rotanti) Condensatori regolabili (trimmer) Condensatori a film plastico Tecnologie di films sintetici Estrusione della massa plastica attraverso sottile fenditura; stiro, che provoca orientamento molecole; stabilizzazione termica per fissare orientamento delle macromolecole; raffreddamento film. - Poliestere-tereftolato di polietilene (mylar,melinex,terilene): usato per accoppiare/disaccoppiare le reti, bypass - Polistirolo (styraflex): filtri, oscillatori, circuiti di misura - Policarbonato di polietilene (macrofol): per condensatori con capacità molto stabili, bassa deriva capacitiva e stretta tolleranza - Parilene: per condensatori di precisione e basso fattore di dissipazione - Polipropilene (teflon): di bassissima massa volumetrica, alte tensioni di lavoro, alta frequenza, elevate tensioni di picco Costruzione Costruiti avvolgendo due nastri di alluminio alternati a due nastri di materiale plastico, a forma di cilindro o rettangolo. L avvolgimento è anche anti-induttivo. Durante l avvolgimento la plastica tenderebbe a caricarsi elettrostaticamente, per evitare ciò viene inserito il nastro in un campo elettrico alternato. Dopo l avvolgimento si procede con la metallizzazione dei due lati opposti del cilindro, segue la saldatura dei terminali (reofori) e l incapsulamento. Malgrado la bassa costante dielettrica dei film plastici è possibile ottenere un buon rapporto capacità/volume con dielettrici sottili e uniformi ed introducendo film metallici molto sottili.

11 Condensatori ceramici Usati per accoppiare, disaccoppiare, filtri, circuiti risonanti ad alta frequenza, perdite estremamente basse, dimensioni ridotte, ridotto drift (deriva) di capacità. Costruzione A Il valore capacitivo C = ε ε0 n. A :area elettrodi 0 r r t ε ε :costante dielettrica n :numero strati dielettrico t :spessore dielettrico ceramico La tensione di lavoro dipende dalla qualità del dielettrico (legata alla rigidità dielettrica). Gli elettrodi sono normalmente in argento oppure in altri ottimi conduttori. Considerazioni sulle caratteristiche del dielettrico I materiali ceramici usati come dielettrico hanno costante dielettrica elevatissima (dovuta alla libertà nell orientamento dei dipoli) ma hanno una notevole dipendenza dalla frequenza e dalla temperatura. ε cresce all aumentare di T, le perdite calano corrispondentemente, fino ad un r massimo di C 120 ; oltre questa temperaturaε r decresce molto rapidamente ed il coefficiente di temperatura TC diventa molto elevato. In base alle caratteristiche essenziali i condensatori ceramici vengono divisi in: Classe1: biossido di titanio e aggiunta di ossidi di metallo. Coefficiente di temperatura (TC) lineare ed elevata stabilità nel tempo. Classe2: ceramiche ferro-elettriche basate sul titanato di bario.tc non lineare e caratteristiche di stabilità modeste; costante dielettrica molto elevata. Con il dielettrico di classe 1 si costruiscono condensatori a coefficienti di temperatura controllato. Con il dielettrico di classe 2 si costruiscono condensatori a piastrina o a disco; l alta costante dielettrica permette la realizzazione di capacità di valore rilevante in piccole dimensioni. La serie plate ha elettrodi in rame per assicurare migliore stabilità in condizioni di umidità. Considerazioni sull uso dei condensatori in frequenza Alle basse frequenze è la resistenza di isolamento che condiziona tanδ, alle medie frequenze (fino alla uhf) è la resistenza di polarizzazione, alle alte frequenze è la resistenza dovuta ai reofori fino alla frequenza di risonanza, oltre la quale il condensatore si comporta induttivamente. Condensatori ceramici multilayer Partendo da un nastro dielettrico ceramico metallizzato, viene tagliato in tanti pezzi che vengono poi sovrapposti. Standard CMC range: Prodotti usando la tecnologia standard Compact CMC range: Nuova tecnologia costruttiva. Efficienza capacità/volume incrementata con dielettrico più denso. Il materiale conduttore è stampato su un foglio, poi viene pressato e stabilizzato tramite cottura con strato ceramico. A, A : Definisce come varia l andamento logaritmico negativo del valore della capacità nei geing ging T, temperatura di Curie. ( ) condensatori ceramici nel tempo. I dielettrici più stabili hanno un degrado più basso nel tempo. Termine spesso usato anche per evidenziare la difettosità e la longevità del componente. Condensatori elettrolitici in alluminio allo stato solido e non solido I condensatori in alluminio solidi e non si usano in circuiti con funzioni di filtraggio, accoppiamento, fuga, livellamento, immagazzinamento o dove occorre introdurre una reattanza capacitiva. generici: radio, televisione, applicazioni industriali professionali long life: telecomunicazioni, electronic data processing capacità, principale proprietà la principale proprietà si un condensatore è quella di immagazzinare carica. Q = C U

12 Q :carica in Coulombs C :capacità in Farad U :tensione in Volt A Il valore della capacità risulta pari a C = ε0 ε r d ε 0 :permeabilità assoluta ε r :costante dielettrica relativa A :area delle flange d :spessore del dielettrico (dell ossido nei condensatori elettrolitici) Lo strato di dielettrico è costituito da ossido di alluminio; estremamente resistente ad intensi ed elevati campi elettrici. La formazione dello strato del dielettrico durante il processo elettrochimico è condizionato dal limite fisico dell ossido a resistere ai campi elettrici. Lo spessore dello strato è determinato tramite la tensione di formazioneu. Pure la massima tensione applicabile al condensatore è limitata dalla tensione di formazioneu F (applicare una tensione paragonabile alla tensione di formazione significherebbe alterare lo spessore dello strato dell ossido) secondo la U R relazione = 0.8 per i generici allo stato solido, altrimenti è 0.6 per i professionali, mentre per i U F condensatori allo stato non solido il rapporto si riduce a L energia accumulata nella capacità èwe = C U ; ε r 8; rigidità dielettrica 7 10 V / m. 2 Descrizione costruttiva Lo strato del dielettrico è posto da una parte a contatto con una base metallica, l altra parte con un conduttore che può essere un liquido (elettrolita) per i non solidi o un semiconduttore per i solidi. L elettrodo del contato metallico è l anodo. La superficie dell anodo è artificialmente aumentata tramite attacco acido (corrugazione) per aumentare il rapporto capacità/volume. Non solid aluminium electrolytic capacitors L elettrodo opposto all anodo è un conduttore ionico. Il perché della conduzione ionica è dovuta al fatto che il potenziale all anodo non sarà mai più basso rispetto a quello dell elettrolita, determinando una corrente ionica elevata. Si inserisce poi tra l elettrolita e l esterno un foglio di alluminio come elettrodo a contatto dell elettrolita. È il catodo. La nuova armatura su di una faccia è sempre ricoperta da un sottile strato di ossido e per evitare che venga in contatto con l ossido dell anodo, viene interposto uno spessore di carta porosa che serve anche da spugna per l elettrolita. In seguito alla corrente di ioni positivi dell idrogeno che migrano verso il dielettrico, si ha l effetto di rigenerazione dello strato del dielettrico (self repairing effect): le cariche ioniche non riuscirebbero a passare lo strato del dielettrico poiché l intensità del campo elettrico è minore della rigidità del dielettrico. Nel caso di un difetto nello strato del dielettrico il valore della rigidità in quel punto si abbasserebbe e le cariche ioniche riuscirebbero a passare lo strato di dielettrico, raggiungerebbero l anodo e si riformerebbe un nuovo strato d ossido, riparando così il dielettrico. È anche per questo motivo che viene inserito un foglio metallico al catodo. Solid aluminium electrolytic capacitors L elettrodo opposto all anodo è formato da biossido di manganese, chiamato catodo. Il potenziale dell anodo può essere sia positivo che negativo rispetto a quello del catodo. È consigliabile tuttavia mantenere l anodo positivo rispetto al catodo. Viene interposto tra l anodo ed il foglio catodico del materiale in fibre di vetro per evitare danneggiamenti meccanici al dielettrico. Non ci sono cariche ioniche e quindi non c è rigenerazione dello strato del dielettrico. Se il catodo è connesso all esterno con la struttura biossido di manganese, grafite, argento, saldatura sottile, reofori sottili, permette al condensatore migliori prestazioni: lunga durata, elevata affidabilità, alta stabilità, bassa dipendenza dalla temperatura. Condensatori elettrolitici al tantalio Il tantalio ha la capacità di formare uno strato di ossido allorché funziona da anodo in una cella elettrolitica. Le caratteristiche dell ossido di tantalio sono migliori di quelle dell ossido di alluminio; l ossido di tantalio è più resistente e il processo di riformazione più breve e sicuro. La durata dei condensatori al tantalio è più lunga rispetto a quella dei condensatori in alluminio. F

13 Aumento del rapporto capacità/volume, adatto per costruzioni miniaturizzate. Sia con elettrolita liquido che solido. Possono essere sia polarizzati che non. Il tantalio è un materiale refrattario (ad alto punto di fusione) di difficile laminazione che viene esclusivamente lavorato per sinterizzazione. Il processo di costruzione di un condensatore al tantalio è diviso in tre fasi: - formatura: le polveri di partenza del materiale vengono compattate e messe in forma tramite pressatura. - calcinazione: cottura per mezzo della quale il manufatto viene essiccato con l aggiunta del materiale plastificante per aumentarnee la densità, che poi evapora durante la fase di cottura. - sinterizzazione: cottura in aria e/o in atmosfera controllata ( volte la temperatura di fusione). Riduce la porosità con il risultato di avere un manufatto estremamente compatto. È questa la grande caratteristica dei condensatori al tantalio; riescono ad avere una capacità molto maggiore rispetto ai normali condensatori. Condensatori elettrolitici al tantalio con elettrolita liquido La forma costruttiva è o del tipo avvolto come elettrolitici o ad anodo sinterizzato, cioè un blocco di polvere di tantalio pressato e sinterizzato in modo da rendere la massa molto più porosa affinché offra una notevole superficie utile. Il blocco è solidale al conduttore che costituisce il terminale positivo del condensatore; l armatura negativa è costituita dal contenitore metallico argentato internamente e l elettrolita interposto è acido solforico. La capacità e la corrente di dispersione aumentano con l aumentare della temperatura. Il fattore di potenza diminuisce con l aumentare della potenza. Condensatori elettrolitici al tantalio con elettrolita allo stato solido L elettrolita è composto da biossido di manganese solido che impregna tutta la massa di anodo sinterizzato. Di forma cilindrica con contenitore in acciaio o ottone stagnato. Un filo di tantalio penetra per un certo tratto l anodo di tantalio sinterizzato. A questo filo è saldato un conduttore di nichel stagnato che costituisce il terminale positivo. Il terminale è bloccato in un tubetto di acciaio e tenuto fisso da un blocchetto di vetro che chiude il contenitore. L anodo viene impregnato e rivestito di biossido di manganese che fa da elettrolita. Intorno all elettrolita vengono depositati strati di grafite e zinco per assicurare il contatto con il catodo. Al contenitore è saldato il terminale negativo in rame stagnato. Condensatori elettrolitici non polarizzati Basta ossidare entrambe le armature. L inversione della polarità crea un aumento di ossido su una armatura ed una riduzione sull altra. Hanno perdite elevate e rapporto capacità/volume basso. INDUTTORI 2W Filo induttore opportunamente avvolto. Coefficiente di autoinduzione (induttanza) L = L, indica 2 I l attitudine a immagazzinare energia per effetto della corrente che lo attraversa. Spesso avvolti ad elica cilindrica, da cui il nome di bobina.

14 Induttori di aria (valori più bassi di induttanza ma minori perdite), induttori avvolti su nucleo di materiale ferromagnetico (valori più alti di induttanza ma maggiori perdite). Comportamento ideale e reale degli induttori di( t) v( t) = L V = jωli (la tensione è in anticipo di 90 rispetto alla corrente). dt Per il comportamento reale occorre tenere conto di RC del filo conduttore e R M che equivale alla perdita dovuta la nucleo per effetto magnetico (solo induttori con nucleo) ed alla capacità C dovuta all accoppiamento capacitivo tra le spire (capacità propria). La resistenza R = RC + RM è funzione non semplice della pulsazione. 1 ( R + jωl) L R=Rc+Rm jωc R + jωl Z = 2 1 R + jωl + 1 ω LC jωc L RC piccolo s = 2 s 2 1 L ω LC R R = 1 ω LC 1 Esiste una frequenza di risonanza propria dell induttore f 0 =. Le frequenze di lavoro 2π LC dovranno essere sempre inferiori a f 0. Al di sopra di questa frequenza il comportamento dell induttore è capacitivo. L angolo di sfasamento tra tensione e corrente varia in funzione di f0 diventando nullo in f 0 e negativo al di sopra di essa (ritardo). La qualità di un induttore è data dal fattore di merito Q ed è caratterizzata dall angolo di Rs ωls 1 perditaδ = arctan Q = = ωls Rs tanδ Il fattore di merito esprime il rapporto tra l energia elettromagnetica immagazzinata e quella dissipata in un periodo. È funzione non lineare della pulsazione a causa di R S, tuttavia presenta un intervallo di frequenze entro cui è costante, corrispondente al campo d impiego dell induttore. È possibile trasformare il circuito equivalente dell induttore: 1 Lp = Ls 1+ L 2 s Q R1 ( 1 ) R = R + Q R Q 2 2 p s s Q 1 Q 1 L1 Ls Induttori senza nucleo Forma solenoidale, filo induttore avvolto attorno ad un sostegno isolante. Per potenze elevate il conduttore è superficialmente argentato per diminuire le perdite ohmiche; negli induttori di piccole dimensioni per ridurre le perdite alle alte frequenze dovute all effetto pellicolare si ricorre all impiego di fili di Litz ricoperti di seta, nylon, cotone o carta, in modo da aumentare la stabilità temporale delle bobine alle cicliche sollecitazioni termiche. Singolo strato Capacità distribuite basse ed elevati valori del fattore di merito si hanno distanziando le spire adiacenti ed eliminando il supporto; la distanza tra le spire adiacenti deve essere una percentuale non piccola del diametro del filo (~ raggio); il supporto, se presente, deve essere filettato con la minima profondità delle cave. Più strati Negli induttori a più strati occorre separare i vari strati con materiale isolante per tenere basso il valore della capacità propria e realizzare la sovrapposizione degli avvolgimenti in modo che non risultino adiacenti spire con elevata differenza di potenziale tra loro. Bobine a ciambelle separate sono come la serie di più bobine longitudinali. Tra le bobine solenoidali vanno menzionate quelle a C Rs

15 supporto toroidale, a sezione circolare o rettangolare, che hanno il vantaggio di mantenere racchiuso il flusso magnetico all interno del solenoide e limitare accoppiamenti induttivi. Avvolgimento a nido d ape, il conduttore è avvolto da un capo all altro con passo molto grande. Con questo avvolgimento si riducono le perdite dielettriche a radiofrequenza, che si verifica nello smalto o nella seta che ricoprono i fili di Litz, avendo ridotto i punti di contatto tra le spire. Elevati fattori di qualità si ottengono sezionando l avvolgimento in più sezioni collegate fra loro in serie, per ognuna delle quali il rapporto tra lo spessore ed il diametro sia relativamente piccolo. Induttori con nucleo ferromagnetico Grazie all immissione di un nucleo di materiale ferromagnetico all interno del solenoide c è una riduzione della riluttanza del circuito magnetico con conseguente aumento del flusso magnetico indotto e un aumento del valore del coefficiente di autoinduzione. Utilizzati dove è richiesto un alto valore di induttanza con dimensioni limitate dello spazio occupato. Perdite ohmiche lungo il filo del conduttore più ulteriori perdite dovute alle correnti parassite del nucleo dovute alla variazione del flusso e all energia assorbita per isteresi magnetica. Le perdite per correnti parassite possono ritenersi proporzionali al quadrato della frequenza. L impiego degli induttori con supporto magnetico è condizionato dalla struttura del nucleo. Per frequenze basse si ricorre alla laminazione del nucleo magnetico per limitare le perdite. Per questioni di dimensioni e costo si preferisce spesso la sinterizzazione del nucleo (polverizzare il materiale magnetico e agglomerarlo con isolante). I lamierini impiegati sono ferro-silicio o leghe ferro- (perm-) (materiali con resistività abbastanza elevata da limitare le perdite). L isolamento tra i vari lamierini è assicurato da strato di ossido creato sugli stessi. Le perdite per correnti di Foucault sono rapidamente crescenti con il quadrato dello spessore del lamierino. Il nucleo degli induttori per correnti alternate a bassa frequenza non è continuo ma nel circuito magnetico sono realizzati opportuni traferri per rendere maggiormente costante il coefficiente di autoinduzione, disturbato dalla presenza di componenti continue di corrente, e di mantenere l induzione magnetica lontana dalla saturazione. Il valore dell induttanza della bobina è proporzionale alla permeabilità magnetica media del nucleo, permeabilità B incrementale µ i =. Lo spessore opportuno del traferro dipende dall intensità della corrente H 2 6 continua prevista. In prima approssimazione si può scrivere che N A L = [ mh ] d A :sezione del nucleo N :numero di spire d :spessore del traferro Principali materiali per i nuclei sinterizzati: ferro (ferrocarbonile) e permalloy, l isolante è una resina sintetica. Basse percentuali di resina e alte pressioni di stampaggio forniscono elevati valori della permeabilità magnetica dell agglomerato e bassi valori di perdite parassite. µ e dipende dalle dimensioni dell induttore e del nucleo. Per realizzare bobine aventi determinati valori dell induttanza occorre dire che il valore delle predite ohmiche lungo il conduttore dipende dalla permeabilità magnetica del nucleo, ed in base a questo viene fissato il numero di spire. Infatti con µ elevate corrispondono grosse perdite nel nucleo ma minime perdite nel conduttore, servono e infatti poche spire per poter arrivare al valore di induttanza voluto. A µ e basse corrispondono basse perdite nel nucleo ma grosse perdite nel conduttore, servono infatti molte spire per poter arrivare al valore di induttanza voluto. Un ulteriore vantaggio delle induttanze con nucleo è la possibilità di variare il valore dei coefficienti di autoinduttanza solo spostando il nucleo rispetto alle spire. Per induttori che lavorano ad alte frequenze si usano per il nucleo le ferriti per limitare le perdite dovute alle correnti di Foucault. Manganese-zinco, utilizzate fino a frequenze di qualche centinaia di khz; Nichel-zinco, fino a 100MHz; entrambi sono ferriti dolci. Grazie alle ferriti si costruiscono induttori con elevate fattori di merito, in riferimento solo alle perdite del nucleo grazie ad una elevatissima resistività del nucleo. Schermatura degli induttori

16 In molti casi è utile schermare l induttore per eliminare l effetto di campi elettromagnetici esterni o per limitare l effetto del campo elettromagnetico della bobina ad una zona circostante. Effettuata mediante involucri metallici detti schermi. Si usano materiali magnetici ad alta permeabilità iniziale (permalloy, mumetal,) per campi magnetici continui o in bassa frequenza; materiali metallici ad elevata conducibilità elettrica (rame o alluminio) per induttori ad alta frequenza. Nel primo caso il materiale, presentando riluttanza molto bassa, concentra al suo interno le linee del flusso del campo cortocircuitandole. È necessario che lo schermo non presenti interruzioni nella continuità strutturale e che lo spessore sia sufficientemente grosso. Nel secondo caso lo schermo costituisce una spira a larga sezione in corto circuito sulla quale è indotta una corrente che genera nello spazio esterno un campo magnetico uguale e contrario a quello della bobina annullandolo. Lo spessore della lamiera dipende dalla frequenza, deve essere tanto più grosso quanto più bassa è la frequenza. La schermatura produce una diminuzione dell autoinduttanza e del fattore di merito tanto più elevata quanto più è vicino lo schermo alla bobina. Riluttanza minima alta permeabilità basso valore della magnetizzazione di saturazione Componenti continue bassa permeabilità incrementale Alta permeabilità bassa resistività grosse perdite Alta resistività poche perdite TRASFORMATORI Circuito generatore: primario; circuiti collegati: secondari. Costituito da due o più avvolgimenti elettricamente isolati tra loro, disposti in modo da dar luogo a forze elettromotrici variabili indotte nei secondari per mezzo di correnti variabili circolanti nell avvolgimento primario. Per ottenere un buon accoppiamento fra i vari circuiti, questi sono normalmente avvolti su un nucleo di materiale magnetico. Trasformatori di alimentazione: fornire ad apparati di potenza l energia elettrica necessaria per il funzionamento. Progettati per ottenere il massimo rendimento possibile. Trasformatori di segnale: si richiede una linearità sufficiente entro una certa gamma di frequenza. Trasformatore ideale e reale Trasformatore ideale 1) Resistenze nulle dell avvolgimento primario e secondario 2) Concatenamento totale del flusso generato dall avvolgimento primario con tutte le spire del secondario e viceversa. 3) Corrente di magnetizzazione, perdite per isteresi e per correnti parassite complessivamente nulle. Il trasformatore non dissipa potenza al suo interno, rendimento unitario; potenze apparenti del primario e secondario identiche. 2 V1 I2 N 1 N 1 N1 = = Z1 = Z2 (adattamento impedenziale) k = V2 I1 N2 N2 N2 Trasformatore reale Rp Rs rappresentano le perdite dei due avvolgimenti, Lp Ls gli effetti induttivi dei flussi dispersi, R tiene conto complessivamente delle perdite per isteresi del nucleo e per correnti o parassite (ohmiche), L µ è la perdita reattiva relativa alla corrente di magnetizzazione. Lp Rp k 1 5 Rs Ls Ro Lu 4 8

17 R' L' n:1 1 5 L'' R'' C' Rnu Lm 4 8 C'' Lm è l induttanza di magnetizzazione e coincide con l induttanza del primario; L ', L '' sono le induttanze di dispersione del primario e del secondario e tengono conto della parte di flusso che non si concatena con entrambi gli avvolgimenti, molto minori di L m ; R ', R '' sono le resistenze dell avvolgimento primario e secondario, dipendono dalla lunghezza e dalla sezione dei fili degli avvolgimenti; RNu rappresenta le perdite del nucleo per isteresi e correnti parassite e risulta molto elevata; C ', C '' sono le capacità parassite del primario e del secondario, di basso valore. N 8 Coefficiente di mutua induttanza M = 10 [ H ]; M max = L1 L2 dove N è il numero di I concatenamenti tra il flusso generato dalla corrente I, che percorre un avvolgimento e l altro avvolgimento. Forza elettromotrice indotta nel secondario quando nel primario scorre una M corrente: E2 = jωm I1. Coefficiente di accoppiamento k = ; k max = 1, ci si avvicina solo per L L frequenze industriali (trasformatori di alimentazione), più si sale con la frequenza più si scende con k. Nei confronti della forza elettromotrice però i due aspetti si compensano ( E ωk L1 L2 I ) 1 2 =. Trasformatori di alimentazione Funziona con segnali a frequenza costante. Per ottenere più livelli di tensione è necessario realizzare più avvolgimenti secondari elettricamente isolati tra loro. Per raddrizzatori utilizzanti due diodi, l avvolgimento secondario è provvisto di una presa intermedia centrale in modo da ottenere due tensioni alternative uguali in modulo e in opposizione di fase tra loro È opportuno prevenire la possibilità di alimentare con tensioni di rete di valore diverso. L avvolgimento primario è costituito da più sezioni unite in serie (primario a prese intermedie) e la rete è collegata ai terminali corrispondenti tramite un cambiatensione. Spesso muniti di nucleo ferromagnetico, poiché le frequenze in gioco sono basse, (alimentazioni 50Hz-60Hz) realizzato con lamierini di ferro-silicio o a cristalli orientati di forma opportuna e disposti in modo da creare un circuito chiuso a bassa riluttanza per il flusso magnetico generato dall avvolgimento primario. Le forme dei lamierini di ferro-silicio normali sono ad E a I con dimensioni normalizzate. Anche forme ad L. L isolamento tra i lamierini è realizzato tramite ossidazione su entrambe le facce. Nucleo a mantello: costipazioni di un numero di lamierini ad E sovrapposti, con verso alternato e di lamierini ad I nelle posizioni opportune. Nucleo a colonna: sovrapposizione alternata di lamierini ad L o I. Lo spessore del lamierino è in genere di 0.35mm o 0.50mm; nel primo caso si hanno perdite per correnti parassite pari a circa la metà, per nucleo delle stesse dimensioni; in contrapposizione si ha un costo più elevato del trasformatore. Considerando due lamierini costituenti un circuito magnetico chiuso aventi le stesse dimensioni longitudinali (nel verso del flusso) ma spessori diversi, sottoposti allo stesso valore di induzione, nell ipotesi di spessori s 1 = a s 2 si ha: tensioni indotte nelle spire in cortocircuito equivalenti ai due lamierini: V1 = a V2 1 resistenza delle spire: R1 = R2 a 2 correnti indotte: I = a I potenze dissipate: P = a P 1 2

18 è proprio la riduzione della potenza dissipata per correnti parassite che fa preferire nella maggior parte dei casi l impiego di lamierini da 0.35mm. La compattezza del nucleo è necessaria per esigenze strutturali e per limitare al massimo le perdite magnetiche del trasformatore; è ottenuta mediante fasciature e bulloni metallici isolati dal nucleo. Si indica con il nome di colonna il tratto di nucleo su cui è realizzato l avvolgimento, giogo il tratto di collegamento tra le colonne, finestra la zona vuota interna necessaria al passaggio dei conduttori. Per ridurre il flusso disperso al minimo si usa nucleo a mantello, in cui gli avvolgimenti primario e secondario sono disposti sulla colonna centrale, rispetto a quella con nucleo a colonne in cui i due avvolgimenti sono realizzati su due colonne distinte. La riduzione della riluttanza magnetica a valori minimi, per ottenere alti valori di permeabilità è ottenuta riducendo il più possibile gli interferri corrispondenti ai giunti tra i lamierini. Strutturalmente diversi sono i nuclei con lamierini di ferro-silicio a grani orientati, con caratteristiche magnetiche notevolmente superiori nella direzione di laminazione; si ha un più facile passaggio di flusso con possibilità di lavorare con induzioni magnetiche più elevate e quindi trasformatori di minor peso. Il nucleo è formato mediante avvolgimento stretto di un nastro di larghezza e lunghezza opportune; il nucleo è sottoposto a vari processi per eliminare tensioni meccaniche, per realizzare l isolamento tra le strisce e per riempire con resine gli interstizi tra gli avvolgimenti. Nei trasformatori di piccole e medie potenze i materiali utilizzati sono filo di rame elettrolitico di spessore adatto alla corrente prevista. Isolamento dei conduttori è costituito da uno strato di vernice a base di oleoresine o resine sintetiche di ridotto spessore; ciò permette di collocare tante spire in uno spazio ridotto. Per trasformatori di grande potenza e ogni volta che la tensione tra le spire è elevata, si usano conduttori aventi sopra lo strato di smalto uno o due strati di copertura in fibre sintetiche o naturali per aumentare l isolamento a fronte di un aumento dello spessore. Generalmente avvolgimenti singolarmente realizzati, in una o più sezioni, su rocchetti di cartone pressato aventi forma appropriata per essere poi inseriti senza sforzi ma con giochi minori possibili sulla colonna del nucleo. I rocchetti di cartone servono per isolare le spire dal nucleo e per conferire all avvolgimento una notevole rigidità. È buona norma lasciare opportune sezioni terminali vuote di spire per evitare scariche elettriche tra le spire periferiche ed il nucleo. Tra i diversi strati sono interposti fogli di carta di spessore crescente con la sezione del conduttore. Disposizione concentrica in cui l avvolgimento interno è a bassa tensione per ridurre i pericoli di scarica con il nucleo. Disposizione doppio concentrica in cui il primario è suddiviso in due parti separate dal secondario. Flussi dispersi minori si ottengono mediante disposizioni a sezioni alternate sovrapposte cui competono valori più elevati del coefficiente di accoppiamento. È necessario inserimento di un cartone di opportuno spessore o di uno strato di tela tra gli avvolgimenti. In ogni caso alla fine impregnazione tramite cere minerali, resine o vernici per isolamento da agenti esterni e per aumentare la rigidità meccanica. Non si usano nuclei in ferrite per trasformatori di bassa potenza poiché presentano valori di induzione di saturazione bassi. (Alle basse frequenze è possibile la presenza di componenti di corrente in continua che saturerebbero subito il nucleo) Trasformatori di segnale Trasformatori con elevata linearità della funzione di trasferimento entro una gamma di frequenze più o meno ampia. Trasformatori per segnali sinusoidali, impulsi, audiofrequenze, radiofrequenze. Trasformatori per audiofrequenze: elemento di adattamento tra amplificatore finale di potenza e altoparlante per ottenere massimo rendimento. Realizzati con nuclei ad alto valore di saturazione, a causa delle basse frequenze in gioco, lamierini in leghe di ferro-silicio o ferro-nichel e con accorgimenti per ridurre flussi dispersi e le capacità distribuite tra le spire. Alti valori di induttanza del primario per una buona risposta alle frequenze più basse. Una corretta realizzazione deriva dal compromesso di avere un elevato numero di spire al primario (elevati valori di induttanza) e limitare al massimo avvolgimenti (ridurre accoppiamenti capacitivi). Anche l induttanza di

19 dispersione aumenta rapidamente con il numero delle spire. L utilizzo di materiali magnetici ad elevata permeabilità permette di ridurre il numero di avvolgimenti. Componenti continue di corrente nel primario tendono a saturare il nucleo, occorre inserire traferri se non è possibile realizzare avvolgimenti che generino un campo magnetico in controfase. Nei trasformatori in controfase, la corretta simmetria delle due sezioni dell avvolgimento primario e secondario è necessaria. Trasformatori per radiofrequenze: fino a qualche centinaia di khz. Nuclei in ferro-silicio a grani orientati. Per alte frequenze si utilizza nucleo in ferrocarbonile o ferrite (nucleo sinterizzato), l avvolgimento è a solenoide con le spire distanziate (se in numero ridotto) o a nidi d ape con filo di Litz (se in numero elevato). Utilizzati spesso come trasformatori di frequenza, come elementi di accoppiamento tra due circuiti risonanti accordati sulla medesima frequenza intermedia (filtri di banda). Piccole variazioni di sintonia e del coefficiente di accoppiamento sono possibili agendo sulla posizione del nucleo mobile in senso assiale. Per frequenze superiori al MHz risulta conveniente eliminare il nucleo. Nel caso occorrano bande passanti molto larghe conviene usare nuclei in rame od ottone con elevate perdite parassite indotte (come segnali televisivi). Trasformatori per segnali impulsivi: banda passante molto larga. Affinché la forma quadrata dell impulso abbia distorsioni accettabili è necessario ridurre al minimo i flussi dispersi, le capacità parassite, le perdite del nucleo. Avvolgimenti molto stretti (per quanto consente l isolamento) tra circuito primario e secondario effettuati con il minor numero di spire su nuclei in leghe speciali a finissima laminazione. Autotrasformatore Trasformatori in cui il primario ed il secondario presentano una parte in comune, l avvolgimento k 1 comune; la parte restante è detta avvolgimento serie. k = rapporto di spire; I = I2 I1 = I2 è la k k 1 corrente che circola nell avvolgimento comune; potenza propria o interna P = P2, riferita al k carico. La convenienza dell impiego di un autotrasformatore per tensioni primarie e secondarie non troppo discoste consiste in: - conduttori di sezione minore, poiché I minore: I = I2 I1 - nuclei di dimensioni ridotte, minor ingombro e peso. - Impedenza e caduta di tensione più bassa. - Ma isolamento bassa tensione come isolamento alta tensione. Possono essere previste prese intermedie sull avvolgimento comune o su quello serie per avere diversi rapporti di trasformazione. Tipo particolare di autotrasformatore è il variatore continuo di tensionev ariac, costituito da un avvolgimento realizzato su un nucleo toroidale e da una spazzola che può rotare in senso trasversale variando la tensione sinusoidale. I TRASFORMATORI Trasformatori usati negli alimentatori, trasformatori audio negli stati di potenza degli amplificatori, trasformatori di media frequenza nei ricevitori radio, trasformatori adattatori di impedenza, trasformatori di potenza nei convertitori. Trasformatore ideale Il trasformatore ideale è caratterizzato dalla seguente relazione: v p s n p = = dove n p e n s sono rispettivamente le spire del primario e del secondario. v n s n

20 Se il secondario è chiuso su di un carico R L poiché la potenza al primario v p i p deve essere = alla potenza al secondario v s i s (il trasformatore non presenta perdite), si può scrivere per le ip ns 1 correnti = = i n n s p l impedenza equivalente R p vista dal primario vale R p vp vsn = = = i i / n p s 2 n RL Pertanto il carico può essere portato al primario moltiplicando per n 2. in altre parole l effetto del carico, collegato al secondario, sul primario è equivalente a quello di una resistenza n 2 R L inserita direttamente nel circuito del primario. Una resistenza a primario può a sua volta essere trasportata al secondario dopo essere stata divisa per n 2. Trasformatore reale Il trasformatore reale R' L' n:1 1 5 L'' R'' C' Rnu Lm 4 8 C'' - L m è l induttanza di magnetizzazione e coincide sostanzialmente con l induttanza del primario L p - L e L sono le induttanze di dispersione del primario e del secondario e tengono conto della parte di flusso che non si concatena con entrambi gli avvolgimenti; sono di solito minori di L m. - R e R sono le resistenze dell avvolgimento primario e secondario; dipendono dalla lunghezza e dalla sezione dei fili degli avvolgimenti. - R Nu rappresenta le perdite nel nucleo per isteresi e correnti parassite e risulta molto elevata. - C e C sono le capacità parassite del primario e del secondario; sono di basso valore Progetto di un trasformatore di rete Dati e requisiti: - tensione del primario V 1 (è la tensione di rete); - tensione del secondario V 2 (tensione che si vuole sul carico) - corrente erogata dal secondario I 2 (è la corrente che deve essere fornita al carico) - frequenza di lavoro f. Nel progetto si procede seguendo i seguenti passi: Si calcola la potenza al secondario P 2 =V 2 I 2 tenendo presente che, se ci sono più avvolgimenti secondari, occorre fare la somma delle relative potenze Si calcola la potenza al primario P 1 =P 2 / η dove il denominatore rappresenta il rendimento del trasformatore, che varia di circa 0,7 (per potenze inferiori a 10VA) a 0,95 (per potenze superiori a 1kVA) Si ricava la sezione lorda del nucleo (cioè comprensiva dello strato di isolante dei lamierini), usando la formula empirica Al = (1, 5 2) P1 e successivamente la sezione netta usando un Al coefficiente di riduzione da 1,1 a 1,15 cioè A n =.Sia A l che A n sono espressi in cm 2. 1,15 1,1 dφ v = n L espressione dt (dove Φè il flusso magnetico) della tensione ai capi di una induttanza, nωφm nω BM An in regime sinusoidale fornisce la relazionev = = = 4, 44 fnan BM dove V è il valore 2 2 efficace della tensione ai capi della bobina, A n è la sezione netta del nucleo in m 2, B M è l induzione massima ed n il numero delle spire. Dall equazione si ricava la relazione valida per il numero delle