La V

ELETTRONICA
CdS Ingegneria Biomedica
LEZIONE A.03
Circuiti a diodi: configurazioni, analisi, dimensionamento
Raddrizzatori a semplice e doppia semionda
Raddrizzatori a filtro (L, C e LC)
Moltiplicatori di tensione
Regolatori a zener
Elettronica per bioingegneri
A03.1
Parte 1
Raddrizzatori
Definizioni
Circuito a semplice semionda
Circuiti a doppia semionda
Circuiti per sistemi trifasi
Elettronica per bioingegneri
A03.2
Ondulazione ed efficienza (1)
 Raddrizzatore
 Sistema che, alimentato da una sinusoide a valore
medio nullo, presenta una tensione di uscita formata da
una componente continua e una a valore medio nullo
detta ondulazione residua o ripple
 Fattore di ondulazione RF
 Rapporto tra valore efficace dell’ondulazione e
componente continua dell’uscita (idealmente 0)
 Efficienza di raddrizzamento η R
 Rapporto tra potenza di uscita dovuta alla tensione
continua e potenza totale (idealmente 100%)
Elettronica per bioingegneri
A03.3
Ondulazione ed efficienza (2)
 Dalle definizioni
 Si possono ricavare le formule necessarie per ottenere
le prestazioni delle varie configurazioni
vU (t ) = VU + vu (t ) = VU + r (t )
T
T
1
VU = ∫ vU (t )dt
T 0
Vueff
2
1
=
T
T
Vueff
1
2
=
v
(
t
)
dt
U
∫
T 0
T
1 2
2
2
2
2
(
)
V
+
r
(
t
)
dt
=
V
+
r
(
t
)
dt
=
V
+
R
U
U
eff
∫0 U
T ∫0
2
Vueff − VU
Reff
RF =
=
VU
VU
2
2
VU
ηR =
(con carico resistivo)
2
Vueff
Elettronica per bioingegneri
A03.4
Raddrizzatore a semplice semionda
 Problema: corrente continua nel secondario
 Può saturare il nucleo del trasformatore
Diodo
Vac
+
V = Vm sin(2π f t )
0 < t < T/2
+
Carico
-
T
Trasformatore
Elettronica per bioingegneri
A03.5
t
Raddrizzatore a semplice semionda
T
2
Vm
Vm
VU =
sin(ωt )dt =
= 0.3183 ⋅Vm
∫
T 0
π
T
2
1
1
2
sin (ωt )dt = Vm
∫
T 0
2T
Vueff = Vm
2
T
2
Vm
∫0 [1 − cos(2ωt )] dt = 2 = 0.5 ⋅Vm
2
Vueff − VU
π2
RF =
=
− 1 = 1.211
VU
4
2
VU
4
ηR =
= 2 = 0.4053
2
π
Vueff
Elettronica per bioingegneri
A03.6
Raddrizzatore a doppia semionda
D1
V = Vm |sin(2π f t )|
Vac
Carico
Trasformatore a
presa centrale
D2
T
Elettronica per bioingegneri
A03.7
t
Raddrizzatore a doppia semionda
T
2
2Vm
2Vm
VU =
sin(ωt )dt =
= 0.6366 ⋅Vm
∫
T 0
π
T
2
2
1
2
sin (ωt )dt = Vm
∫
T 0
T
Vueff = Vm
2
T
2
Vm
∫0 [1 − cos(2ωt )] dt = 2 = 0.7101⋅Vm
2
Vueff − VU
π2
RF =
=
− 1 = 0.4834
VU
8
2
VU
8
ηR =
= 2 = 0.8106
2
π
Vueff
Elettronica per bioingegneri
A03.8
Raddrizzatore a ponte di Graetz
 Semplificazione del doppia semionda
 Non richiede trasformatore a presa centrale
 Miglior impiego del rame
 Massima tensione inversa ≅ VacMAX per ogni diodo
 Contro un valore doppio nella versione precedente
D1A
D2A
Vac
Carico
D1B
D2B
Trasformatore
Elettronica per bioingegneri
A03.9
Raddrizzatore esafase
D1A
1
2
Vac1
Vac2
D3A
Carico
3
Vac3
D1B
V12 V23 V31
τ1 τ2 τ3 τ4 τ5 τ6
T
D2A
t
D2B
D3B
τ1
D3A, D2B
τ2
D1A, D2B
τ3
D1A, D3B
τ4
D2A, D3B
τ5
D2A, D1B
τ6
D3A, D1B
Elettronica per bioingegneri
A03.10
Raddrizzatore esafase
Vu =
6VM
T
4T
12
2T
12
v Ueff = VM
= VM
∫ sin(ωt )dt =
6
T
3VM 
π 
 2π
 cos  − cos
π 
3
 3
4T
12
2
sin
∫ (ωt )dt = VM
2T
12
3
T
  3VM
= 0.9549 ⋅VM
  =
π

4T
12
∫ (1 − cos(2ωt ))dt =
2T
12
3  T
3 
1 3 3
+
=
V
+
= 0.9958 ⋅VM
M


T  6 2ω 
2 4π
2
2
v Ueff − Vu
RF =
= 0.04197
Vu
ηR =
Vu
2
v Ueff
2
= 0.9982
Elettronica per bioingegneri
A03.11
Osservazioni
 Le prestazioni aumentano all’aumentare delle fasi
 La tensione di uscita non è mai nulla
 Ma i sistemi polifase sono disponibili solo per grandi
potenze
 Conclusione
 Per le applicazioni comuni è difficile andare oltre al
raddrizzatore a doppia semionda
 Occorrono sistemi di filtraggio per aumentare
l’efficienza di raddrizzamento
Elettronica per bioingegneri
A03.12
Parte 2
Filtri per alimentatori
Generalità
Filtro induttivo
Filtro capacitivo
Filtro LC
Elettronica per bioingegneri
A03.13
Generalità
 Per aumentare l’efficienza di conversione occorre
 Usare almeno un sistema a doppia semionda
 Usare almeno un elemento per immagazzinare energia
 Induttore, condensatore o entrambi
 Erogano corrente al carico quando i diodi sono interdetti
 Per modellare il carico si può ricorrere
 A una resistenza di carico
 A un generatore di corrente costante
 Questo caso si verifica di frequente nei circuiti elettronici, dove i
sistemi a valle dell’alimentatore sono progettati per assorbire una
corrente costante
Elettronica per bioingegneri
A03.14
Modello
 Modello per la valutazione del funzionamento
 Trasformatore e diodi ideali (doppia semionda)
 In uscita resistenza o generatore di corrente
Diodo
V = Vm |sin(2π f t )|
T
Filtro
Carico
Carico
V
t
Elettronica per bioingegneri
A03.15
Raddrizzatore a filtro L
 Viene posto un induttore in serie al carico
 Tende a garantire la costanza della corrente nel carico
 Esiste un legame tra L, R (o iU), T e ondulazione residua
 I diodi si scambiano di ruolo con correnti non nulle per vIN = 0
 Non adatto per carichi digitali
 A causa delle brusche variazioni di assorbimento
V
D
L
L dv u
v in = v u +
R dt
R
vU
R
v u ( jω ) = v in ( jω )
R + jωL
Elettronica per bioingegneri
A03.16
Elettronica per bioingegneri
A03.17
Raddrizzatore a filtro C (1)
 Viene posto un condensatore in parallelo al carico
 Si carica quando la tensione di ingresso è massima
 Alimenta il carico quando il diodo si interdice
 Il diodo cambia stato periodicamente
 Attenzione: il sistema non è lineare!
V
D
C
V
R
vU
D
C
Elettronica per bioingegneri
IU
vU
A03.18
Raddrizzatore a filtro C (2)
 Funzionamento
 Fase di carica
 Dal generatore al condensatore e al carico (da t1 a t2)
 Fase di scarica
 Dal condensatore al carico, con diodo interdetto (da t1 a T/2)
V = Vm |sin(2π f t )|
vU
t1
t2
T/2
T
Elettronica per bioingegneri
t
A03.19
Raddrizzatore a filtro C (3)
 Analisi approssimata
 Carica istantanea e scarica di durata T/2
 Si assume (t2 −t1) trascurabile rispetto a T/2
 Entità della scarica pari a ∆ vU = IUT / 2C con corrente costante
 Oppure ∆ vU = VM (1 - e-T/2RC) con carico resistivo
V = Vm |sin(2π f t )|
vU
T/2
T
Elettronica per bioingegneri
t
A03.20
Raddrizzatore a filtro C (4)
∆vU
 T 
VU = Vm −
= Vm − 
 I U = Vm − RR I U
2
 4C 
Vueff
2
=
T
T /2
∫
0
= Vm
2
2
2
I Ut 
2

Vm −
 dt =
C 
T

T /2
∫
0
2
 2
I Ut I U t 2 
Vm − 2Vm
+ 2 dt =

C
C 

4
2
(
)
− 2Vm RR I U + RR I U
3
2
Vueff − VU
RR I U
RF =
=
VU
3 (Vm − RR I U )
Elettronica per bioingegneri
A03.21
Progetto di un raddrizzatore a filtro C
 Topologia circuitale
 Specifiche
 Condizioni dell’ingresso
 Tensione e massima corrente di uscita
 Parametri sulla qualità dell’uscita
 Massimo fattore di ondulazione ammesso
 Minimo valore assoluto della tensione di uscita (in alternativa)
 Dimensionamento
 Analisi delle prestazioni, ottimizzazione
 Convalida del progetto
Elettronica per bioingegneri
A03.22
Raddrizzatore a filtro LC
 Sfrutta le caratteristiche positive dei precedenti
 Corrente quasi costante nei diodi
 Riduzione dei picchi di assorbimento per caricare la
capacità
 Ridotta influenza dalle variazioni dell’ingresso
 Bassa resistenza equivalente di uscita
 Usato per gli alimentatori di potenza maggiore
V
D
L
v u ( jω ) = v in ( jω )
C
R
R
R + jωL(1 + jωRC )
Elettronica per bioingegneri
A03.23
Parte 3
Moltiplicatore di tensione
Descrizione
Schema
Funzionamento
Elettronica per bioingegneri
A03.24
Moltiplicatori di tensione (1)
 Cascata di fissatori e rivelatori di inviluppo
 Fissatore a zero
 Rivelatore di picco (V1 = Vinpp)
 Fissatore a V1
 Rivelatore di picco (V2 = 2Vinpp)
 Fissatore a V2
 Rivelatore di picco (V3 = 3Vinpp)
 Si perdono 2Vγ per ogni stadio
Elettronica per bioingegneri
A03.25
Moltiplicatori di tensione (2)
D1
D1N4001
C1
10u
D3
D1N4001
C2
10u
VOFF = 0
VAMPL = 5
FREQ = 1000
C3
10u
V1
D5
D1N4001
D6
D1N4001
D2
D1N4001
R1
D4
D1N4001
C4
10u
10k
C5
10u
C6
10u
0
Elettronica per bioingegneri
A03.26
Moltiplicatori di tensione (3)
30V
20V
10V
0V
-10V
0s
V(R1:2)
20ms
V(D3:2)
V(C4:2)
40ms
V(D1:1)
V(C2:2)
Time
60ms
V(D6:2)
80ms
Elettronica per bioingegneri
A03.27
100ms
Parte 5
Regolatore di tipo parallelo
(shunt regulator)
Definizioni
Circuito
Dimensionamento
Elettronica per bioingegneri
A03.28
Definizione di regolatore
 Sistema per generare una tensione costante
 Adatta per alimentare sistemi elettronici
 Caratteristiche ideali
 Indipendente dalle variazioni della tensione di ingresso
 Tipicamente per un intervallo pari al ± 10% del valore nominale
 Indipendente dalle variazioni di temperatura
 In tutto l’intervallo di funzionamento (per esempio −
50°C ÷ 70°C)
 Indipendente dalle variazioni della corrente nel carico
 Da 0 alla corrente massima erogabile IMAX
Elettronica per bioingegneri
A03.29
Parametri di prestazione
 Fattore di regolazione SV
 Quantifica l’effetto delle variazioni della tensione di
ingresso sull’uscita
 Coefficiente di temperatura ST
 Resistenza di uscita rU
 Resistenza differenziale dell’uscita
dv U
SV =
dv IN
dv U
ST =
dT
dv U
ru =
di U
Elettronica per bioingegneri
A03.30
Regolatore parallelo
 Sfrutta il tratto ripido della caratteristica i-v di un
diodo zener in polarizzazione inversa
 La giunzione polarizzata in inversa deve andare in
parallelo al carico
 La VZ presenta solo piccole variazioni nelle diverse
condizioni di funzionamento
 Vantaggi e svantaggi
 Semplice
 Prestazioni mediocri
 Dissipa energia anche a vuoto
 Deve scorrere sempre corrente nel diodo per rimanere in breakdown
Elettronica per bioingegneri
A03.31
Circuito del regolatore
R1
1k
0Vdc
1Vac
TRAN =
V1
D1
1N4620
I1
0Adc
V2
0Vdc
0
0
0
Elettronica per bioingegneri
A03.32
Prestazioni del regolatore
 Si determina il punto di lavoro
 Se è disponibile la caratteristica i-v, si usa il metodo
grafico, con la retta di carico in funzione di VIN e IU
 Oppure si usa il modello dello zener per grandi segnali
 Si trova l’effettivo valore di rz
 Inverso della pendenza della i-v, se disponibile
 Si ricavano i parametri di prestazione nel circuito
per piccoli segnali
rz
SV =
R + rz
ru = R || rz
Elettronica per bioingegneri
A03.33
Progetto di un regolatore
 Topologia circuitale
 Specifiche
 Esempio:
 vU = 12 V
 IUMAX = 50 mA
 VIN = 15 V ± 10% cioè 13.5 V ≤ VIN ≤ 16.5 V
 Dimensionamento
 Analisi delle prestazioni, ottimizzazione
 Convalida del progetto
 Simulazione in varie condizioni
Elettronica per bioingegneri
A03.34
Fatto & Da fare
 Caratteristica di
trasferimento
 Rivelatori, fissatori
 Raddrizzatori
 Regolatore a zener




Circuiti amplificatori
Modelli per amplificatori
Equivalenza dei modelli
Risposta in frequenza
Elettronica per bioingegneri
A03.35