il trasformatore - Digilander

IL TRASFORMATORE
Il trasformatore viene usato generalmente per elevare o
abbassare la tensione disponibile. E' frequente l'uso di questo
componente per ottenere dai normali 230 volt, tensioni molto più
basse, variabili tra 1,5 e 12 volt (si veda i carica batteria dei
cellulari, gli alimentatori dei lettori CD ecc.). In Radiologia i
trasformatori vengono utilizzati per innalzare la tensione di rete
alle tensioni normalmente utilizzate (dai 30 KV ai 150 kV).
CARATTERISTICHE
COSTRUTTIVE
Il trasformatore basa il suo funzionamento sul fenomeno
dell'induzione elettromagnetica. Infatti il circuito di ingresso
(primario) e quello di uscita (secondario) non sono in contatto
fisico, ma il primo agisce sul secondo solo tramite il flusso
magnetico che genera quando è attraversato dalla corrente. Nel
circuito primario e’ presente un generatore di tensione alternata,
mentre nel circuito secondario non ci sono generatori, ma
possiamo inserire un amperometro per misurare la corrente
indotta.
I due circuiti sono avvolti in spire (avvolgimenti), di numero
opportuno, su uno stesso nucleo di materiale ferromagnetico.
Questo materiale ha la capacità di facilitare il passaggio del flusso
magnetico dal circuito primario a quello secondario (alta
permeabilità magnetica), incanalandolo al proprio interno.
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In figura vediamo schematizzato un trasformatore. Con Vi è
indicata la tensione di ingresso e con Vu quella di uscita.
Indicando con N1 e N2 rispettivamente il numero di spire del
circuito primario e del circuito secondario, con K = N1/N2 il loro
rapporto
(rapporto
di
trasformazione),
la
relazione
matematica che lega la tensione di uscita a quella di ingresso è:
N1/N2 = Vi/Vu (I legge dei trasformatori)
Vu= Vi*N2/N1 ovvero Vu= Vi/K
Se il numero di spire N2 e’ molto maggiore del numero di spire in
N1 la tensione di uscita, cioe’ quella del circuito secondario sara’
molto maggiore di quella del circuito primario e avremo quindi un
innalzamento della tensione. Viceversa la corrente si abbassera’
per effetto della II legge dei trasformatori:
Vi*Ii=Vu*Iu
Ii e’ la corrente del circuito primario
Iu e’ la corrente indotta del circuito secondario
Iu=Vi/Vu Ii
Negli apparecchi radiologici i trasformatori hanno un numero di
spire N2 molto maggiore di N1 per innalzare la tensione (fino a
centinaia di kV) e abbassare la corrente (fino ai mA), mentre nel
caso dei trasformatori comunemente usati nei carica batteria dei
cellulari e nei lettori CD N2 sara’ minore di N1 per abbassare la
tensione e alzare la corrente.
SOLO
IN
TENSIONE
ALTERNATA
Si ha induzione elettromagnetica solo se il flusso magnetico che
investe il circuito secondario è variabile. Nell'uso quotidiano ciò è
soddisfatto perchè i 230 volt che applichiamo al circuito primario
sono alternati e quindi variabili. Di conseguenza anche il flusso
magnetico
generato
è
variabile.
Se, invece, applicassimo al circuito primario una tensione
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continua (cioè non variabile) non otterremmo alcuna tensione in
uscita
dal
trasformatore.
ALIMENTAZIONE
DEI
CIRCUITI
ELETTRONICI
A volte non ci rendiamo conto della loro presenza perchè sono già
contenuti in molti apparecchi quali radio, videoregistratori, piccoli
elettrodomestici, amplificatori, computer, ecc. E' vero che
inseriamo la spina nella normale presa a 230 volt, ma i loro
circuiti funzionano a una tensione decisamente inferiore. Per
questo il primo componente che si trova al loro interno è proprio
un
trasformatore.
Poichè i trasformatori forniscono una tensione alternata, mentre i
circuiti elettronici vengono normalmente alimentati in tensione
continua, immediatamente a valle del trasformatore troviamo un
raddrizzatore
e
un
circuito
filtrante.
BANDE DI ENERGIA
Si dice banda di energia un insieme di livelli energetici
posseduti dagli elettroni. Si dice banda di valenza l'insieme
degli elettroni che hanno un livello energetico basso, tale da
restare nei pressi dell'atomo di appartenenza. Si dice banda di
conduzione l'insieme di elettroni che hanno un livello energetico
abbastanza alto, tale da lasciare l'atomo di appartenenza, dando
luogo ad una conduzione di tipo elettrico. Tra la banda di valenza
e la banda di conduzione vi può esser una banda proibita, cioè
un insieme di livelli energetici non consentiti, in quanto un
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generico elettrone o si trova nella banda di valenza o si trova
nella banda di conduzione. Se osserviamo i seguenti diagrammi:
possiamo concludere che negli isolanti la banda proibita è molto
grande, di conseguenza sono pochi gli elettroni che raggiungono
una energia sufficiente a passare nella banda di conduzione, di
conseguenza l'isolante non conduce. Nei materiali conduttori, le
due bande di valenza e di conduzione si sovrappongono, manca,
quindi la banda proibita; quindi un notevole numero di elettroni
possiede energia sufficiente ad essere considerato nella banda di
conduzione, quindi il conduttore è in grado di condurre la corrente
elettrica.
Nei materiali semiconduttori la banda proibita è piccola, quindi
è sufficiente un innalzamento della temperatura per portare un
certo numero di elettroni dalla banda di valenza alla banda di
conduzione.
DROGAGGIO DEI SEMICONDUTTORI
Si dicono semiconduttori alcuni materiali che hanno un
comportamento intermedio tra conduttori e isolanti; sono
semiconduttori il germanio, il silicio, il carbonio, l'arseniuro di
gallio.
La struttura di un semiconduttore e del seguente tipo:
Possiamo notare che ogni atomo mette in comune quattro
elettroni; essendo questi elettroni attratti dagli atomi vicini i
nuclei dei vari atomi si tengono legati tra loro da un tipo di
legame detto covalente. Normalmente tutti gli elettroni si
trovano nella banda di valenza, restano, cioè legati all'atomo di
appartenenza e il semiconduttore si comporta da isolante.
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Si dice drogaggio di un semiconduttore il fatto di inserire
all'interno del semiconduttore atomi aventi valenza cinque, cioè
pentavalenti, oppure atomi aventi valenza tre, cioè trivalenti. Tra
le sostanze pentavalenti ricordiamo il fosforo, l'antimonio,
l'arsenico; tra le sostanze trivalenti ricordiamo il bario, l'alluminio,
il gallio, l'indio.
Se inseriamo sostanze pentavalenti, come nel seguente schema:
vediamo che dei cinque elettroni dell'atomo pentavalente quattro
vengono utilizzati per il legame covalente, mentre il quinto
elettrone resta libero. Si dice drogaggio di tipo N quando il
semiconduttore è drogato con sostanze pentavalenti, possiede
quindi elettroni liberi, diventa quindi un perfetto conduttore, cioè
se lo alimentiamo con un generatore esterno, come nel seguente
schema:
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vi è movimento degli elettroni liberi e quindi il semiconduttore di
tipo N conduce.
Se invece inseriamo sostanze trivalenti, come nel seguente
schema:
vediamo che i tre elettroni dell'atomo trivalente vengono utilizzati
per il legame covalente, mentre manca un elettrone nella banda
di valenza. Si dice lacuna un posto libero per l'elettrone nella
banda di valenza; tale posto può essere occupato da un altro
elettrone il quale a sua volta crea una lacuna, di conseguenza la
lacuna può essere come una carica positiva mobile, che dà luogo
ad una corrente elettrica. Si dice drogaggio di tipo P quando il
semiconduttore è drogato con sostanze trivalenti, possiede quindi
lacune libere, diventa quindi un perfetto conduttore, cioè se lo
alimentiamo con un generatore esterno, come nel seguente
schema:
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vi è movimento di lacune e quindi il semiconduttore di tipo P
conduce.
A causa dell'aumento di temperatura un certo numero di elettroni
può acquistare energia sufficiente a passare dalla banda di
valenza alla banda di conduzione; per ogni elettrone che passa
nella banda di conduzione resta una lacuna nella banda di
valenza. Si dicono cariche minoritarie le coppie elettronelacuna che si creano in seguito all'aumento di temperatura. Si
dicono cariche maggioritarie gli elettroni nel semiconduttore
drogato di tipo N e le lacune nel semiconduttore drogato di tipo P.
GIUNZIONE P-N
Si dice giunzione P-N l'unione di una barretta di semiconduttore
di tipo P con una di tipo N. All'atto della formazione della
giunzione si verifica uno spostamento di cariche, in particolare gli
elettroni e le lacune situati nella parte centrale della giunzione si
neutralizzano, essendo cariche di segno opposto. Per ogni lacuna
che dalla zona P passa alla zona N, resta nella zona P una carica
fissa negativa. Per ogni elettrone che dalla zona N passa alla zona
P resta una carica fissa positiva. Di conseguenza, non appena un
certo numero di elettroni e di lacune si sono neutralizzate, le
cariche fisse determinano una differenza di potenziale che
respinge le altre cariche facendole restare nella zona di
appartenenza, tale tensione è detta barriera di potenziale e la
indichiamo con la lettera Vg.(si legge vugamma; g = gamma). La
barriera di potenziale per il silicio vale Vg = 0,6 V; per il
germanio Vg = 0,2 V .
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La situazione finale la possiamo vedere dalla seguente figura:
La zona intermedia possiede solo cariche fisse e non vi sono
cariche mobili, né elettroni, né lacune, per cui è detta zona di
svuotamento.
POLARIZZAZIONE DELLA GIUNZIONE
Polarizzare una giunzione vuol dire applicare una certa tensione
ai suoi estremi. Una giunzione si dice polarizzata direttamente
quando il polo positivo del generatore, che deve essere in
corrente continua, è applicato alla zona di tipo P, come nel
seguente schema:
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In una giunzione polarizzata direttamente vi è conduzione di
corrente quando la tensione supera una tensione di soglia che
coincide con la barriera di potenziale Vg .Una giunzione si dice
polarizzata inversamente quando il polo positivo del generatore di
tensione è applicato alla zona N. Come nel seguente schema:
In una giunzione polarizzata inversamente non vi è conduzione di
corrente, salvo quella dovuta alle cariche minoritarie, che è una
corrente molto piccola.
Un diodo e’ formato da due semiconduttori drogati uno N e uno P.
In questa maniera si puo’ vedere che un circuito con un diodo
funziona da raddrizzatore di corrente perche’ a seconda del verso
del generatore di tensione (alternativamente si invertono il polo
positivo e negativo in un generatore di tensione alternata) la
corrente passa o non passa nel circuito.
L’effetto del diodo lo si puo’ vedere nella seguente figura:
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Il primo grafico rappresenta il tipico andamento sinusoidale della
corrente. Se nel circuito inserisco il diodo (si veda circuito nel
mezzo) l’effetto e’ quello di tagliare la semionda negativa.
Se non voglio tagliare la semionda ma la voglio far diventare
positiva non utilizzero’ solo un diodo nel circuito ma un ponte di
diodi (Ponte di Graetz):
In questo circuito qualunque siano i poli del generatore di
tensione IN la corrente passera’ sempre e solo dal polo “+”.
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Il terzo grafico e’ il risultato dell’utilizzo del ponte di diodi, sulla
tensione alternata del primo grafico. Il secondo grafico si ottiene
applicando solo un diodo.
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