Gli alimentatori stabilizzati Scopo di un alimentatore stabilizzato è di fornire una tensione di alimentazione continua ( cioè costante nel tempo), necessaria per poter alimentare un dispositivo elettronico rispetto alle variazioni di carico e rispetto alla variazione dell alimentazione di ingresso (solitamente 220 volt di valore efficace). Nella figura seguente è rappresentato uno schema a blocchi di un alimentatore: a) Il primo blocco è costituito dal trasformatore. Il trasformatore è una macchina elettrica usata per aumentare o diminuire la tensione di alimentazione di un circuito funzionante in regime alternato. Schema di principio di funzionamento del trasformatore : Il circuito primario riceve in ingresso una tensione alternata e fornisce in uscita una tensione alternata il cui valore efficace è diminuito o cresciuto. Nell alimentatore il trasformatore diminuisce il valore efficace della tensione in modo da ottenere una tensione alternata di pochi volt. b) Il secondo blocco, contraddistinto da un diodo, è il blocco raddrizzatore. La sua funzione è quella di eliminare le parti negative del segnale alternato che si ottiene sul secondario del trasformatore.
Vi sono circuiti raddrizzatori a singola semionda in cui la parte negativa dell onda viene semplicemente soppressa e circuiti raddrizzatori a doppia semionda, in cui la parte negativa dell onda non viene soppressa ma ribaltata in modo da farla diventare positiva. c) Il terzo blocco,detto di filtro, consiste sostanzialmente nell utilizzo di un condensatore, posto in parallelo all uscita del circuito raddrizzatore, in modo da approssimare l onda ottenuta dal circuito raddrizzatore ad un onda continua. Effetto del condensatore nel raddrizzamento a una semionda: e nel raddrizzamento a doppia semionda:
Il valore del condensatore di filtro influenza l ampiezza dell ondulazione residua poiché maggiore è la capacità e maggiore è il tempo di scarica del condensatore stesso(la scarica avviene in un tempo circa pari a 5 RC). Teoricamente una capacità infinita darebbe un segnale praticamente costante. In pratica si evita di utilizzare condensatori troppo grandi, accettando ripple residui anche del 30% (cioè una ondulazione che sia il 30%-40% della tensione minima) affidando l eliminazione dell ondulazione residua all ultimo blocco che consiste sostanzialmente nell utilizzo di un dispositivo integrato detto regolatore di tensione oppure utilizzando per stabilizzare la tensione un diodo Zener. Schema di principio:
Raddrizzatore a singola semionda: caso ideale Analizziamo ora il circuito in figura, dove Vin è un generatore di tensione alternata sinusoidale: Durante la semionda positiva di Vin, il diodo conduce (è in polarizzazione diretta). Ipotizzando per semplicità che il diodo si comporti idealmente come un cortocircuito in polarizzazione diretta, durante la semionda positiva la tensione su R identica dunque alla tensione Vin. Viceversa, durante la semionda negativa di Vin, il diodo è in polarizzazione inversa e si comporta perciò come un tasto aperto. Di conseguenza nel circuito non passa corrente e la tensione su R è zero. Il seguente grafico mostra il confronto fra l'andamento di Vin e di Vout nel circuito: Il circuito in esame viene detto raddrizzatore a singola semionda in quanto trasforma un'onda alternata in un'onda sempre positiva, eliminando la semionda negativa. Si noti che, mentre l'onda di ingresso ha valor medio nullo, l'onda di uscita ha un valore medio positivo. Tale valore medio si può dimostrare essere uguale a dove Vp è il valore massimo dell'onda raddrizzata. Il valore efficace dell'onda raddrizzata è
Raddrizzatore a singola semionda: caso reale In realtà il diodo in polarizzazione diretta non si comporta esattamente come un corto circuito, ma piuttosto come un generatore di tensione costante di valore uguale alla tensione di soglia del diodo (circa 0,6 V per i diodi al silicio). Tenendo conto di tale fatto abbiamo che: 1. Il valore massimo dell'onda raddrizzata è inferiore alla massima tensione dell'onda sinusoidale di ingresso di una quantità pari alla tensione di soglia del diodo: infatti la tensione costante sul diodo in polarizzazione diretta si sottrae dalla tensione del generatore. 2. Il diodo inizia a condurre solo quando l'onda sinusoidale di ingresso supera la sua tensione di soglia: di conseguenza l'onda raddrizzata presenta un breve "ritardo iniziale", dovuto al fatto che il diodo non inizia a condurre subito. Il grafico seguente mostra l'andamento dell'onda raddrizzata tenendo conto delle correzioni dovute alla tensione di soglia del diodo: Raddrizzatore a doppia semionda: caso ideale Analizziamo ora il circuito in figura, dove Vin è un generatore di tensione alternata sinusoidale: Questa particolare struttura di collegamento di quattro diodi si dice a ponte o, più precisamente,a ponte di Graetz.
Analizzando il verso delle correnti nel circuito (freccie in rosso) osserviamo che durante la semionda positiva di Vin conducono (sono polarizzati direttamente) i diodi D2 e D4, mentre i dioidi D1 e D3 (in grigio) sono polarizzati inversamente. Osservando il verso della corrente che passa nella resistenza R, concludiamo che la tensione su R è positiva nel verso indicato dalla freccia di Vout. Durante la semionda negativa di Vin invece, i diodi D1 e D3 sono polarizzati direttamente, mentre D2 e D4 sono in polarizzazione inversa (in grigio in figura): Si osservi che la freccia della corrente (in rosso) attraversa la resistenza R sempre nello stesso verso: ciò implica che la tensione su R mantiene la stessa polarità di prima (ovvero rimane positiva) anche durante la semionda negativa di Vin. In altre parole: anche quando Vin cambia di segno, a causa del comportamento dei diodi, la corrente scorre in R sempre nello stesso verso e dunque la tensione su R mantiene lo stesso segno. Il seguente grafico mostra il confronto fra l'andamento di Vin e di Vout nel circuito:
Il circuito in esame viene detto raddrizzatore a doppia semionda in quanto trasforma un'onda alternata in un'onda sempre positiva, "capovolgendo" la semionda negativa. Si noti che, mentre l'onda di ingresso ha valor medio nullo, l'onda di uscita ha un valore medio positivo. Tale valore medio si può dimostrare essere uguale a dove Vp è il valore massimo dell'onda raddrizzata. Il valore efficace dell'onda raddrizzata è Raddrizzatore a doppia semionda: caso reale In realtà il diodo in polarizzazione diretta non si comporta esattamente come un corto circuito, ma piuttosto come un generatore di tensione costante di valore uguale alla tensione di soglia del diodo (circa 0,6 V per i diodi al silicio). Tenendo conto di tale fatto abbiamo che: 1. Il valore massimo dell'onda raddrizzata è inferiore alla massima tensione dell'onda sinusoidale di ingresso di una quantità pari al doppio della tensione di soglia del diodo: infatti le tensioni costanti dei due diodi in polarizzazione diretta si sottraggono dalla tensione del generatore. 2. I diodi iniziano a condurre solo quando l'onda sinusoidale di ingresso supera la loro tensione di soglia (somma delle tensioni di soglia dei due diodi in serie): di conseguenza l'onda raddrizzata presenta un "ritardo iniziale". 3. Raddrizzatore a singola semionda con filtro capacitivo 4. Consideriamo nuovamente un raddrizzatore a singola semionda con diodo, ma stavolta colleghiamo un condensatore C in parallelo con la resistenza R di carico: 5. 6. Supponiamo il condensatore inizialmente scarico (tensione ai suoi capi nulla). Il condensatore si carica durante la semionda positiva dell'onda di ingresso (quando il diodo è polarizzato direttamente). La sua carica (e dunque la tensione ai suoi capi) raggiunge il valore massimo in corrispondenza del massimo dell'onda (vedi figura seguente): 7. 8. Quando la tensione del generatore comincia a scendere, il condensatore "vorrebbe" scaricarsi. Tuttavia non può scaricarsi attraverso il diodo, poiché quest'ultimo impedisce il passaggio della corrente in quella direzione. In pratica il
diodo si trova a essere polarizzato con una tensione sul catodo maggiore di quella presente sull'anodo: entra dunque in polarizzazione inversa. 9. Ciò ha l'effetto di "isolare" il gruppo RC dal resto del circuito: durante la semionda negativa, il condensatore si scarica sulla resistenza R. Il tempo di scarica dipende dal valore della costante di tempo del gruppo RC (τ = RC) e l'andamento della scarica è il tipico esponenziale decrescente. 10. 11. Il diodo ricomincia a condurre (torna in polarizzazione diretta), solo quando la tensione del generatore supera la tensione sul condensatore. A questo punto il condensatore torna nuovamente a caricarsi fino al valore massimo e il processo si ripete allo stesso modo nei periodi successivi: 12. 13. L'effetto finale è quello di produrre una tensione che, pur non essendo ancora "continua", ha oscillazioni molto minori dell'onda raddrizzata di partenza. In generale le ondulazione residue (dette ripple) sono tanto minori quanto maggiore è il valore della costante di tempo τ = RC del gruppo RC. 14. Raddrizzatore a doppia semionda con filtro capacitivo 15. Un livellamento ancora maggiore dell'onda raddrizzata si ottiene usando il condensatore in un raddrizzatore a doppia semionda a ponte di diodi: 16. 17. La figura seguente mostra l'onda in uscita (confrontata con l'onda raddrizzata dal ponte di diodi):
18.