Misure Elettriche ed Elettroniche Esercitazioni Lab - Circuiti con diodi e condensatori 1. Circuiti con diodi e condensatori

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1 Esercitazioni Lab - Circuiti con diodi e condensatori 1 Circuiti con diodi e condensatori

2 Esercitazioni Lab - Circuiti con diodi e condensatori 2 Circuito con diodo e condensatore Consideriamo un circuito con diodo e condensatore alimentato da una tensione sinusoidale v(t). Un condensatore ideale C, una volta caricato durante il primo quarto di periodo, mantiene la carica ai suoi morsetti. Analogamente il diodo ideale non è attraversato da corrente quando la polarizzazione è inversa. Pertanto la tensione in uscita v u (t), se non vi è carico in uscita, rimane costante e uguale al valore di picco V p.

3 Esercitazioni Lab - Circuiti con diodi e condensatori 3 Se nel circuito con diodo e condensatore consideriamo come uscita, non già la tensione v C sul condensatore, bensì la tensione v D ai capi del diodo, si ottiene un circuito di clamping: cioè i picchi del segnale d ingresso v in sono ancorati all asse delle ascisse. Infatti fino al tempo T/4 il diodo D è polarizzato direttamente, la tensione v D è nulla e il condensatore C si carica alla tensione v C = v in. Circuito di clamping

4 Esercitazioni Lab - Circuiti con diodi e condensatori 4 Funzionamento del circuito di clamping Nei casi reali la tensione ai capi del diodo v D non è nulla, ma è pari alla caduta di tensione diretta (V γ 0,6 V). Comunque, partendo dall istante iniziale (t = 0), quando è trascorso un tempo pari a T/4, la tensione applicata v in comincia a decrescere dal valore di picco V p mentre il condensatore C rimane carico alla tensione finale V p perché il diodo si blocca. La tensione d uscita v D è la tensione in ingresso v in meno la tensione costante V p ai capi del condensatore: v D = v in V p

5 Esercitazioni Lab - Circuiti con diodi e condensatori 5 Inversione della polarità Per invertire la polarità della tensione in uscita v D in un circuito di clamping è sufficiente invertire il verso del diodo D. Durante il primo intervallo T/2 il diodo D è interdetto e la tensione v D segue la tensione di ingresso v in. Quando la tensione d ingresso v in diventa negativa, il diodo conduce e la tensione ai suoi capi si annulla. Il condensatore C si carica fino al valore di picco V p e dopo il tempo 3T/4 la tensione sul diodo risulta: v = v + V D in p

6 Esercitazioni Lab - Circuiti con diodi e condensatori 6 Rilievi sperimentali Per il circuito con diodo e capacità di pagina precedente è stato utilizzato dapprima un condensatore di capacità C = 33 nf. Il circuito è stato provato con una tensione sinusoidale di 5 V di picco e con frequenza di 50 Hz, applicata solo per quattro periodi, iniziando con la semionda positiva (a sinistra) oppure la negativa (a destra). Sono stati rilevati gli oscillogrammi: v in (in giallo), v out = v D (in rosso), e v C = v in v D (in verde).

7 Esercitazioni Lab - Circuiti con diodi e condensatori 7 Osservazioni Durante la conduzione del diodo, la sua tensione diretta non è nulla, ma è circa 0,6 V. In basso si mostrano gli oscillogrammi con un condensatore di capacità C = 3,3 μf (10000 volte più grande). Durante la carica, il generatore di alimentazione non riesce a mantener la tensione sinusoidale in uscita a causa delle cadute di tensione interne, inoltre la scarica è molto meno pronunciata.

8 Esercitazioni Lab - Circuiti con diodi e condensatori 8 Osservazioni I due circuiti sono stati provati anche alla frequenza di 200 Hz. Nel caso del condensatore da 33 nf (a sinistra) la carica completa avviene tutta entro un ciclo di 5 ms, mentre nel caso del condensatore più grande da 3,3 μf (a destra), il transitorio di aggancio dura alcuni cicli di 5 ms, prima che il condensatore si sia caricato completamente.

9 Esercitazioni Lab - Circuiti con diodi e condensatori 9 Duplicatore di tensione Se al circuito di clamping appena visto si aggiunge a valle un circuito in grado di rilevare i picchi positivi (D 1 e C 1 ) si ottiene un raddrizzatore duplicatore di tensione. Supponiamo per semplicità che le capacità C e C 1 siano uguali. Nel tempo (0 T/4), il diodo D è interdetto ma D 1 conduce. La tensione v in cade in parti uguali sui due condensatori: v = v = v = v = C v C1 out D in / 2

10 Esercitazioni Lab - Circuiti con diodi e condensatori 10 Analisi del duplicatore di tensione Al termine di T/4 la v in inizia a decrescere: D 1 si interdice e le due capacità uguali C e C 1 rimangono cariche a V p /2. Finché la tensione in ingresso: v > V = V in / 2 il diodo D è interdetto e: v D = v C in V Come la tensione v in diminuisce ancora e arriva al valore: v = V = V in C il diodo D si porta in conduzione. p p p / 2 / 2

11 Esercitazioni Lab - Circuiti con diodi e condensatori 11 Analisi del duplicatore di tensione La tensione v D ai capi del diodo rimane nulla fino a 3T/4, mentre la tensione v C sul condensatore C segue la v in. Arrivati al tempo 3T/4, viene superato il primo picco negativo della tensione d ingresso (-V p ) e la tensione v in ricomincia a salire. Dopo 3T/4, il diodo D si polarizza inversamente e le tensioni sul condensatore C e il diodo D sono: v = C V p v = v + V D in p

12 Esercitazioni Lab - Circuiti con diodi e condensatori 12 Conclusione Infine, dopo il secondo picco positivo v in = +V p la tensione in uscita v out rimane definitivamente ancorata al valore: vout = 2V p Il circuito risulta un duplicatore di tensione. Disponendo più celle in cascata, si può ottenere la successiva duplicazione della tensione di picco in ingresso V p,in prelevando le uscite rispetto a massa: v out,1 = 2 V p,in v out,2 = 4 V p,in v out,3 = 6 V p,in

13 Esercitazioni Lab - Circuiti con diodi e condensatori 13 Struttura ricorsiva

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