Misure Elettriche ed Elettroniche Esercitazioni Lab - Circuiti con diodi e condensatori Circuiti con diodi e condensatori 1 Misure Elettriche ed Elettroniche Esercitazioni Lab - Circuiti con diodi e condensatori Circuito con diodo e condensatore 9 Consideriamo un circuito con diodo e condensatore alimentato da una tensione sinusoidale v(t). 9 Un condensatore ideale C, una volta caricato durante il primo quarto di periodo, mantiene la carica ai suoi morsetti. 9 Analogamente il diodo ideale non è attraversato da corrente quando la polarizzazione è inversa. 9 Pertanto la tensione in uscita vu(t), se non vi è carico in uscita, rimane costante e uguale al valore di picco Vp. 2 Misure Elettriche ed Elettroniche Esercitazioni Lab - Circuiti con diodi e condensatori Circuito di clamping 9 Se nel circuito con diodo e condensatore consideriamo come uscita, non già la tensione vC sul condensatore, bensì la tensione vD ai capi del diodo, si ottiene un circuito di clamping: cioè i picchi del segnale d’ingresso vin sono ancorati all’asse delle ascisse. 9 Infatti fino al tempo T/4 il diodo D è polarizzato direttamente, la tensione vD è nulla e il condensatore C si carica alla tensione vC = vin. 3 Misure Elettriche ed Elettroniche Esercitazioni Lab - Circuiti con diodi e condensatori Funzionamento del circuito di clamping 9 Nei casi reali la tensione ai capi del diodo vD non è nulla, ma è pari alla caduta di tensione diretta (Vγ ≅ 0,6 V). 9 Comunque, partendo dall’istante iniziale (t = 0), quando è trascorso un tempo pari a T/4, la tensione applicata vin comincia a decrescere dal valore di picco Vp mentre il condensatore C rimane carico alla tensione finale Vp perché il diodo si blocca. 9 La tensione d’uscita vD è la tensione in ingresso vin meno la tensione costante Vp ai capi del condensatore: v D = vin − V p 4 Misure Elettriche ed Elettroniche Esercitazioni Lab - Circuiti con diodi e condensatori Inversione della polarità 9 Per invertire la polarità della tensione in uscita vD in un circuito di clamping è sufficiente invertire il verso del diodo D. 9 Durante il primo intervallo T/2 il diodo D è interdetto e la tensione vD segue la tensione di ingresso vin. 9 Quando la tensione d’ingresso vin diventa negativa, il diodo conduce e la tensione ai suoi capi si annulla. 9 Il condensatore C si carica fino al valore di picco Vp e dopo il tempo 3T/4 la tensione sul diodo risulta: v D = vin + V p 5 Misure Elettriche ed Elettroniche Esercitazioni Lab - Circuiti con diodi e condensatori Rilievi sperimentali 9 Per il circuito con diodo e capacità di pagina precedente è stato utilizzato dapprima un condensatore di capacità C = 33 nF. 9 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: vin (in giallo), vout = vD (in rosso), e vC = vin – vD (in verde). 6 Misure Elettriche ed Elettroniche Esercitazioni Lab - Circuiti con diodi e condensatori Osservazioni 9 Durante la conduzione del diodo, la sua tensione diretta non è nulla, ma è circa 0,6 V. 9 In basso si mostrano gli oscillogrammi con un condensatore di capacità C = 3,3 μF (10000 volte più grande). 9 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. 7 Misure Elettriche ed Elettroniche Esercitazioni Lab - Circuiti con diodi e condensatori Osservazioni 9 I due circuiti sono stati provati anche alla frequenza di 200 Hz. 9 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. 8 Misure Elettriche ed Elettroniche Esercitazioni Lab - Circuiti con diodi e condensatori Duplicatore di tensione 9 Se al circuito di clamping appena visto si aggiunge a valle un circuito in grado di rilevare i picchi positivi (D1 e C1) si ottiene un raddrizzatore duplicatore di tensione. 9 Supponiamo per semplicità che le capacità C e C1 siano uguali. 9 Nel tempo (0 ÷ T/4), il diodo D è interdetto ma D1 conduce. 9 La tensione vin cade in parti uguali sui due condensatori: vC = vC1 = vout = v D = vin / 2 9 Misure Elettriche ed Elettroniche Esercitazioni Lab - Circuiti con diodi e condensatori Analisi del duplicatore di tensione 9 Al termine di T/4 la vin inizia a decrescere: D1 si interdice e le due capacità uguali C e C1 rimangono cariche a Vp/2. 9 Finché la tensione in ingresso: vin > VC = V p / 2 il diodo D è interdetto e: v D = vin − V p / 2 9 Come la tensione vin diminuisce ancora e arriva al valore: vin = VC = V p / 2 il diodo D si porta in conduzione. 10 Misure Elettriche ed Elettroniche Esercitazioni Lab - Circuiti con diodi e condensatori Analisi del duplicatore di tensione 9 La tensione vD ai capi del diodo rimane nulla fino a 3T/4, mentre la tensione vC sul condensatore C segue la vin. 9 Arrivati al tempo 3T/4, viene superato il primo picco negativo della tensione d’ingresso (-Vp) e la tensione vin ricomincia a salire. 9 Dopo 3T/4, il diodo D si polarizza inversamente e le tensioni sul condensatore C e il diodo D sono: vC = −V p v D = vin + V p 11 Misure Elettriche ed Elettroniche Esercitazioni Lab - Circuiti con diodi e condensatori Conclusione 9 Infine, dopo il secondo picco positivo vin = +Vp la tensione in uscita vout rimane definitivamente ancorata al valore: vout = 2V p 9 Il circuito risulta un duplicatore di tensione. 9 Disponendo più celle in cascata, si può ottenere la successiva duplicazione della tensione di picco in ingresso Vp,in prelevando le uscite rispetto a massa: vout,1 = 2 Vp,in vout,2 = 4 Vp,in vout,3 = 6 Vp,in 12 Misure Elettriche ed Elettroniche Esercitazioni Lab - Circuiti con diodi e condensatori Struttura ricorsiva 13