DIODI RADDRIZZATORI (detti anche RETTIFICATORI)
Il diodo è un componente elettronico passivo non lineare a due terminali (bipolo), la cui funzione
ideale è quella di permettere il flusso di corrente elettrica in una direzione e di bloccarla nell'altra, la
qual cosa viene realizzata ponendo dei vincoli alla libertà di movimento e di direzione dei portatori
di carica.
Il simbolo circuitale del diodo esprime chiaramente questa funzione: il triangolo indica la direzione
in cui può scorrere la corrente
Il suo segno grafico è il seguente:
Il CATODO in pratica viene identificato sul corpo del diodo con una striscia nera su corpo chiaro o
viceversa.
Datasheet 1N4004
Quando conduce, cioè è in polarizzazione diretta, il terminale ANODO è a potenziale elettrico più
positivo del CATODO di almeno 0,6V.
L'andamento della corrente che scorre in un diodo in funzione della tensione è del tipo:
Si osserva che per tensioni inferiori a 0,6V la corrente è
praticamente nulla mentre diventa molto alta (dell'ordine
di A) quando la tensione fra anodo e catodo raggiunge e
supera gli 0,8V.
È da ritenere che la tensione massima di un diodo al silicio
in conduzione non possa mai superare gli 0,8 ÷ 1 V
altrimenti la giunzione si fonderebbe per l'eccessiva
corrente.
Sfruttando la caratteristica del diodo si può raddrizzare la
tensione alternata fornita da un qualsiasi generatore
sinusoidale. I raddrizzatori sono usati negli alimentatori
pertanto il generatore in pratica sarà sostituito dal trasformatore di alimentazione.
Tramite i diodi raddrizzatori si realizzano I CIRCUITI RADDRIZZATORI che da una grandezza
alternata (valor medio nullo) forniscono una corrispondente grandezza unidirezionale (valor medio
≠ 0). Nel caso di potenza si usa la tensione di rete, che è una sinusoide, con tensione modificata (in
genere ridotta) tramite un Trasformatore
RADDRIZZATORE AD UNA SEMIONDA
La forma d'onda dell'alternata al secondario del Trasformatore sarà:
Un'alternata sappiamo essere caratterizzata da alcuni parametri fondamentali:
Vp o VM è il valor di picco o massimo
Valore efficace (RMS in inglese) pari a circa il 71% del valore massimo Vp.
Veff = Vp / √2 da cui Vp = Veff √ 2
√2 = 1,41 circa
Da ricordare che quando si parla di alternata senza specificare altro si intende sempre valore
efficace; 230V di linea è efficace, 24V al secondario di un trasformatore è efficace;
il periodo T (il tempo che impiega a compiere un intero ciclo) che si misura anche con
l'oscilloscopio e mediante il quale si può risalire alla frequenza f (quanti cicli al secondo
compie l'alternata) pertanto f = 1/T.
Se rappresentiamo la Vo ai capi della R dopo il diodo avremo:
Come si può osservare il diodo conduce solo per le semionde positive, cioè quando l'anodo è più
positivo del catodo. Si eliminano, si tagliano, le semionde negative ottenendo una tensione
unipolare (solo positiva in questo caso) anche se pulsante.
Come si osserva la tensione Vo d'uscita non è perfettamente costante come una vera tensione
continua, ma assume un andamento ondulatorio e cioè è come se si avesse una Vo(AV) tensione
d'uscita media, con sovrapposto una tensione alternata che prende il nome di RESIDUO DI
ALTERNATA o ONDULAZIONE o tensione di RIPPLE (in inglese) che a tutti gli effetti è un
disturbo
Per conoscere quanto vale questo disturbo si definisce il fattore di ripple
r = Vr(RMS) / Vo(AV) spesso lo si da in %: r% = 100 Vr(RMS) / Vo(AV)
Tanto più piccolo è r e tanto minore è il disturbo dovuto al ripple è cioè ci si avvicina di più ad una
vera continua..
Se r = 0, allora Vr = 0 e si ha una perfetta continua (disturbo nullo)
Il fattore di ripple pertanto ci da l'idea di quanto sia efficiente o no il raddrizzatore.
Facendo i calcoli si trova
r = 1,21 = 121% il ripple è del 121% (il 21% più grande della continua !!!). Dunque l’efficienza
del circuito è molto scarsa
Oltre a questo, i raddrizzatori a una semionda in pratica danno parecchi altri problemi:
La corrente continua passa nel secondario del trasformatore producendo effetti indesiderati
molto gravi se risulta elevata
Il trasformatore deve avere una potenza molto più elevata rispetto a quella fornita al carico,
diventando inutilmente “grosso” e costoso
La Vo(AV) è troppo piccola rispetto alla Vop
Tranne che per applicazioni sui segnali, nel caso di potenza in pratica si usano quasi sempre i
raddrizzatori a doppia semionda, detti anche a onda intera:
RADDRIZZATORE A DOPPIA SEMIONDA
Si può realizzare secondo due schemi:
CON TRASFORMATORE A PRESA CENTRALE
A PONTE (DI GRAETZ)
Il primo schema richiede solo due diodi, ma un trasformatore con due secondari e oltretutto di
potenza maggiore rispetto a quello a ponte. Poiché il ponte lo si trova già integrato a basso costo,
quello a ponte è più economico e di gran lunga il più usato.
In entrambi gli schemi le considerazioni fatte sulla Vo restano le stesse (a parte il fatto che per il
primo schema Vop = Vgp – VD) , cambiano invece le caratteristiche di T1 e dei diodi
Per il CIRCUITO A PONTE Facendo i calcoli si trova:
Sul carico
VD è la tensione ai capi del diodo in conduzione (0,7 – 1) V
Vop = Vgp – 2 VD
Circuito a Ponte
Vo(AV) = 2 Vop / π = 0,64 Vop
Vo(RMS) = Vop / √2 = 1,11 Vo(AV)
Io(AV) = Vo(AV) / RL
Tensione media o valore della Tensione continua
Tensione efficace in uscita
Corrente continua assorbita dal carico RL
Io(RMS) = Vo(RMS) / RL = 1,11 Io(AV) Corrente efficace di uscita
Po = Vo Io
Potenza media fornita al carico
r = 48,2%
Sul Diodo
ID (AV) = Io(AV) / 2
corrente media
ID(FRM) = π Io(AV) / 2 = 1,57 Io(AV)
corrente diretta ripetitiva massima
ID(RMS) = π Io(AV) / 2 = 0,79 Io(AV)
valor efficace della corrente
VD(RRM) = Vgp -Vd = √2 Vg(RMS) -Vd
tensione inversa ripetitiva massima sul diodo
Sul Trasformatore
Vgp = π/2 Vo(AV) + 2VD = 1,57 Vo(AV) + 2VD Tensione secondaria di picco
Vg(RMS) = Vgp / √2
Valore efficace della tensione al secondario
S = Vg(RMS) Io(RMS)
Valore minimo della Potenza Apparente [VA]
S = 1,23 Po (CIRCA)
se Vgp >> 2VD: in pratica se Vgp >18V o Vg(RMS) > 12V
Nel caso del trasformatore a presa centrale si sarebbe avuto S = 1, 75 Po (CIRCA) , ossia una
potenza maggiore del 42% rispetto a quella necessaria nel circuito a ponte
ALIMENTATORI NON STABILIZZATI
Nei circuiti elettronici quasi sempre necessita una tensione continua per la polarizzazione degli
elementi attivi (transistori) che dev’essere molto più vicina all’ideale di quella fin qui vista. Cioè il
Ripple dev’essere molto più piccolo del 48,2% ottenibile con i raddrizzatori.
Per far ciò occorre usare dei filtri Passa Basso che riducano di molto l’ondulazione.
Un raddrizzatore seguito da un filtro di chiama ALIMENTATORE NON STABILIZZATO
Per piccole potenze (fino a circa 200 W) si possono usare i filtri capacitivi
In un circuito raddrizzatore (a semionda, ad es.) se al posto di RL mettiamo un Condensatore
questa si caricherà al valore massimo a cui è sottoposta e cioè al valore Vop livellando così quello
che era una tensione continua pulsante.
Si ottiene pertanto una tensione continua, per cui la forma d’onda pulsante è stata livellata
Vop = Vgp - VD
VD è la tensione ai capi del diodo in conduzione (0,7 – 1) V
Se in parallelo alla capacità vi è anche il carico RL, questo assorbirà corrente, fornita dal
condensatore, durante le semionde negative in cui il generatore non fornisce energia.
Il condensatore durante questo tempo si comporta come una batteria che ha immagazzinato energia.
Proprio come una batteria anche il condensatore se prelevo corrente tende a scaricarsi e pertanto la
tensione ai suoi capi scende.
Scenderà meno rapidamente se la corrente prelevata è piccola o più rapidamente se la corrente è
elevata. Si avrà pertanto:
Come visto precedentemente anche qui si definisce il fattore di ripple: a parità di valore della
capacità C il fattore di ripple r aumenta all'aumentare della corrente prelevata da R cioè al diminuire
del valore della R di carico.
Viceversa il fattore di ripple r diminuisce all'aumentare di R o al diminuire della corrente prelevata.
Si avrà r = 0 (nullo) quando R = ∞: cioè corrente d'uscita nulla.
Minore è il fattore di ripple migliore è il livellamento Osservando il grafico si nota che se il
condensatore si ricaricasse più frequentemente il fattore di ripple diminuirebbe migliorando così il
raddrizzamento. Questo però significa aumentare la frequenza del ripple.
Un modo è quello di raddrizzare entrambe le semionde cioè riportando al positivo anche quella
negativa (per f=100Hz la C si ricarica ogni 10 ms anziché 20ms).
Il circuito è dunque il seguente
Con opportuni calcoli, approssimando il ripple ad un dente di sega si trova che:
Vr(pp) = Io(AV) / (2 f C) e quindi Vrp = Io(AV) / (4 f C)
Io(AV) = Vo(AV) / RL è la corrente continua assorbita dal carico RL
Per quanto riguarda la componente continua, si può dunque scrivere:
Vo(AV) = Vop – Ro Io(AV)
con Ro = 1/ (4 f C)
Il raddrizzatore è dunque visto secondo Thevenin, con:
Ro = Resistenza interna e Vop tensione a vuoto del generatore
Per calcolare il coefficiente di ripple (vedi i raddrizzatori), dal grafico si vede che:
Vo(AV) = Vop – Vr(pp) /2 = Vop – Vrp
Tenendo conto che per una forma d’onda triangolare simmetrica com’è quella del ripple: Vr(RMS)
= Vrp / √3 = Vrpp /(2 √3 ) e facendo delle sostituzioni
r = 1/ (4 √3 f C RL) da cui C = 100 / (4 √3 f RL r%)
Per f = 50 Hz, misurando C in uF si ha la formula semplificata
r = 2887 / (RL C [uF]) da cui
C [uF] = 2887 / (r RL)
Considerando poi un r% = 15% che è un buon compromesso pratico si ottiene
C [mF]= 20 / RL (circa)
Un’altra regola pratica dice che:
C [mF]= (10 / Vrpp ) Io(AV)
Fissato Vrpp, il fattore (10/Vrpp) ci dice quanti mF servono
per ogni ampere assorbito dal carico
CORRENTE DI SURGE
Quando si accende l’alimentatore C risulta scarico. Nei diodi passa dunque una elevatissima e a
volte distruttiva corrente di carica, chiamata di SURGE, limitata solo dalla serie:
Rt = Rs + rD + ESR
Rs = resistenza equivalente secondaria del trasformatore
rD = resistenza serie dei diodi
ESR = resistenza equivalente serie del condensatore (elettrolitico)
I SURGE = (1,1 Vgp -2 Vd) / Rt (1,1 per tener conto che la rete ha un 10% di tolleranza)
Benché questa corrente duri molto poco nel tempo (transitorio con costante di tempo Rt C) può
distruggere i diodi se maggiore di quella sopportabile. Per proteggerli durante la carica iniziale del
condensatore elettrolitico, conviene a volte collegare sulle uscite del secondario del trasformatore
della tensione di rete, alcune resistenze R di basso valore ohmico cosicché Rt = R + Rs + rD +
ESR sia sufficiente a mantenere la I nei valori ammessi.
I condensatori, inseriti in parallelo con i diodi, eliminano eventuali disturbi a radiofrequenza. Sono
di tipo ceramico di valore capacitivo compreso tra 10 e i 10 nF
TENSIONE PIV (Peak Inverse Voltage)
E’ la massima tensione inversa che il diodo può sopportare. Bisogna sempre verificare che sia
inferiore al PIV. Nei circuiti a bassa tensione non ci sono problemi: nel comunissimo ed economico
1N4004 è di ben 400 V, nel 1N4007 arriva a 1000V. Però dove i diodi lavorano su alte tensioni, ad
es. nei moltiplicatori di tensione potrebbe essere un problema.
VERIFICA PRATICA
Realizza saldando i componenti su basetta mille fori il raddrizzatore a ponte
Regola il generatore su una frequenza di 200 Hz per una Vg di 10 Vpp vista con
l'oscilloscopio ;
Visualizza sull'oscilloscopio l'uscita ai capi della RL da 470 Ohm e disegna la forma d'onda
e confrontala con quella d'ingresso;
Sostituisci la RL con una condensatore elettrolitico da 22 uF e visualizza la tensione ai suoi
capi con l'oscilloscopio in CC e confrontala con quella di prima;
A che valore si è caricato il condensatore ?;
Quanto varrebbe Vo se la tensione alternata fosse quella del secondario di un trasformatore a
12V sul secondario ?;
Modifica il circuito come lo schema in modi da realizzare un alimentatore
Ripeti le misure e disegna le nuove forme d'onda;
Quanto vale il valore di ripple in Vpp (misurato con osc.) e il valore Vo(AV) (con
multimetro) ?;
Trova il fattore di ripple r come rapporto Vr(RMS) su Vo(AV);
Calcola il fattore di ripple r con la formula
Confronta i due valori, quello pratico e quello teorico ed esprimi le tue considerazioni;
completa la seguente tabella:
RADDRIZZATORE A doppia SEMIONDA A PONTE con C = 22uF e RL = 470 Ohm
Frequenza = f
Ripple = Vr
Vo(AV)
Fatt. Ripple = r
Fatt. Ripple = r
miusrata
misurato
misurata
misurato
calcolato
Hz
Vpp
V
Vr(RMS) /
V(AV)
r = 0,35 / f·RL·C
Veff
50
100
200
500
1000
2000
5000
Modelli di
raddrizzatori a
ponte
attualmente
reperibili in
commercio.
I simboli in
essi riportati,
consentono
l'applicazione
circuitale
corretta dei
componenti.
I condensatori elettrolitici, dei quali è riportato il
simbolo elettrico in posizione centrale, possono
essere diversamente costruiti, con gli elettroni
fuoriuscenti da entrambi le parti o da una sola di
queste.
