MOLTIPLICATORI DI TENSIONE
Mediante l'impiego di diodi e di condensatori tensioni alternate (AC) possono essere rese continue
(DC) e contemporaneamente raddoppiate, triplicate, quadruplicate, ecc. in tensione, tramite circuiti
duplicatori, triplicatori, quadruplicatori, ecc., di tensione, spesso utilizzati in molti dispositivi
elettronici, il più noto dei quali è il moltiplicatore di tensione presente nello stadio E.A.T. ( o EHT
Extra High Voltage) di tutti i televisori analogici, in bianco e nero e a colori. Oppure tubi Geiger o
Laser…
Analizziamo il circuito della figura seguente, nel quale entrambe le semionde della tensione
alternata vengono raddrizzate: si chiama infatti duplicatore ad onda intera.
Quando sul punto A del secondario del trasformatore è presente la semionda positiva della tensione
alternata, sul terminale B è presente quella negativa. Facciamo allora riferimento alla prima
semionda positiva presente in A, la quale promuove la corrente attraverso il diodo D1 ed il
condensatore C1, secondo le frecce indicate con il numero 1, realizzando una prima rettificazione
delle semionde positive. La seconda rettificazione si verifica allorquando sul terminale B si
presentano le semionde positive, che a loro volta promuovono la corrente segnalata dalle frecce
sulle quali è riportato il numero 2. Il percorso di questa corrente è il seguente: il condensatore C2,
diodo D2 e diodo D2. C1 e C2 si caricano alla tensione di picco del secondario (a parte la caduta di
tensione sui diodi) con il positivo in alto in figura. La tensione VCD tra C e D vale dunque VCB +
VBC che sono uguali.
VCD = 2 VCB = 2 (Vp – Vd) = 2 (√2 V(RMS) –Vd) = 2 √2 V(RMS) circa = 2,81 V(RMS) circa
Se ad es. la tensione d'entrata vale 10 V (RMS), quella d'uscita, nel circuito è di 28 V DC (circa)
I simboli usati sono:
Vo(DC) valore della tensione continua disponibile in uscita, Vi(RMS) è il valore efficace della
tensione SINUSOIDALE applicata in ingresso ed NC è il numero delle celle.
Il circuito sopra NON ha un morsetto collegato a massa, se ciò servisse si può usare il seguente
Duplicatore a semionda
La tensione continua è sempre maggiore del
doppio del valore della tensione VAC, perché i
condensatori si caricheranno sempre sul valore di
picco.
Questi circuiti funzionano allo stesso degli alimentatori a filtro capacitivo, e quindi la tensione di
uscita diminuisce rapidamente all’aumentare della corrente assorbita dal carico. Pertanto
occorrerebbe farli lavorare quasi a vuoto, in pratica è possibile assorbire solo qualche decina di mA
onde non aumentare troppo il ripple.Vale una formula già vista a proposito del ripple:
C[mF] = 20 N / ( f RL[kΩ] ) da cui RL[kΩ] = 20 N / ( f C[mF] )
e quindi
Io [mA]= Vo(DC) / RL[kΩ] = ( Vo(DC) f C[mF] ) / (20 N ) con RL[kΩ] = Vo / Io[mA]
N è il fattore di moltiplicazione ( X 1 ; X 2; X 3 ecc); f la frequenza [Hz]; C le capacità misurate
in milli farad ; RL la resistenza del carico in KΩ; Vo(DC) la tensione continua di uscita
Esempio: Applicando sull'ingresso di un duplicatore una tensione alternata di 30 V 50 Hz si vuole
prelevare una Io(DC) di 100 mA
In uscita si avranno 30 x 1,41 x 2 = 84,6 volt
Il valore dei condensatori da utilizzare in questo duplicatore si calcola con la formula :
RL[kΩ] = Vo / Io[mA] = 84,6 / 100 = 0,85 KΩ
C = 20 X 2/ (50 X 0,85 ) = 0,94 mF = 940 uF => 1000 uF
Circuiti ricorsivi di moltiplicazione
Se applicheremo in serie due celle otterremo in uscita una tensione quadruplicata; se applicheremo
in serie tre celle otterremo una tensione sestuplicata; se invece ne applicheremo in serie quattro
otterremo una tensione ottuplicata.
La tensione presente sull'uscita di questi stadi duplicatori è determinabile mediante la formula :
Vo(DC) = Vi(RMS) x 1,41 x N dove N è il fattore di moltiplicazione ( X 1 ; X 2; X 3 ecc)
Nelle formule seguenti NON usare N = fattore di moltiplicazione ma NC = N° di celle !!!
C[mF] = 20 NC / ( f RL[kΩ] ) da cui RL[kΩ] = 20 NC / ( f C[mF] )
e quindi
Io [mA]= Vo(DC) / RL[kΩ] = ( Vo(DC) f C[mF] ) / (20 NC ) con RL[kΩ] = Vo / Io[mA]
CAPACITÀ e FREQUENZA
La massima corrente che possiamo prelevare sull'uscita oltre a dipendere dalla capacità del condensatore dipende anche dalla frequenza della tensione alternata che desideriamo duplicare - triplicare quadruplicare o quintuplicare.
Se anziché utilizzare una frequenza di rete a 50 Hz, usiamo una frequenza di 30.000 Hz generata da
un oscillatore di BF, potremo notare che aumentando la frequenza si riduce notevolmente il valore
della capacità del condensatore in quanto la formula rimane invariata :
Esempio In un circuito composto da 3 celle in grado di fornirci in uscita una tensione di 250 volt,
corremmo conoscere il valore delle capacità da usare per prelevare in uscita 10 mllllAmper
applicando sull'ingresso una tensione alternata alla frequenza di 50 Hz oppure di 30.000 Hz :
[(40.000 x 3) : 50] : (250 : 10) = 96 microF
[(40.000 x 3) : 30.000] : (250:10) = 0,16 microF
Come sì può constatare, aumentando la frequenza dovremo utilizzare dei condensatori di capacità
minore.
TENSIONE DI LAVORO DEI CONDENSATORI
La tensione di lavoro dei condensatori da utilizzare nei duplicatori - triplicatori - quadruplicatori
ecc., è doppia di quella di picco dell’alimentazione, quindi non dovrà mai risultare inferiore a :
Vi(RMS) x 1,41 x 2
Se sull'ingresso del circuito applichiamo una tensione alternata di 100 volt, dovremo utilizzare dei
condensatori che abbiano una tensione di lavoro non inferiore a :
100 X 2,82 = 282 volt
In questo caso potremo utilizzare dei condensatori da 300 volt lavoro.
Se sull'ingresso applicassimo invece una tensione alternata di 220 volt, dovremmo utilizzare dei
condensatori che abbiano una tensione di lavoro non inferiore a :
220 X 2,82 = 620 volt
In questo caso potremmo tranquillamente scegliere dei condensatori da 600 volt lavoro, perchè
questi possono sopportare un 10-15% in più della tensione massima segnalata sull'involucro.
TENSIONE INVERSA SUI DIODI
Anche tale tensione è doppia del picco dell’alimentazione: i diodi da utilizzare in questi circuiti
dovranno essere In grado di lavorare su un valore massimo di :
Vi(RMS) x 1,41 x 2
Se realizzate un sestuplicatore in grado di ottenere in uscita delle tensioni di qualche migliaia di
volt, ricordatevi che tutti i valori dei diodi e dei condensatori vanno calcolati per la tensione alternata che applicherete sull'ingresso e non per la tensione che otterrete in uscita.
Esempio Realizzando duplicatori in grado di erogare in uscita una tensione continua di 1.000
volt e applicando sull'ingresso una tensione alternata di 120 volt, dovremo scegliere dei diodi raddrizzatori in grado di lavorare con tensioni maggiori di :
120 x 2,82 = 338 volt
In questo caso potremo scegliere dei diodi da 400-500 volt lavoro (massima tensione inversa del
diodo).
POTENZA DEL TRASFORMATORE
La potenza del trasformatore dovrà essere proporzionata al valore della tensione e della corrente che
preleveremo sull'uscita dei duplicatori - triplicatori - quadruplicatori ecc.
Se da uno stadio duplicatore - triplicatore ecc., preleveremo una tensione di 500 volt e con tale
tensione alimenteremo un circuito che assorbe 45 mA, la potenza del trasformatore non dovrà mai
risultare inferiore a :
STrasformat = Vi(RMS) Ii(RMS) > Vo(DC) Io(DC) =500 x 0,045 = 22.5 VA
Se da un trasformatore provvisto di un secondario che eroga 200 volt 100 mA e quindi ha
STrasformat = 200 x 0,1 = 20 VA preleviamo questa tensione per duplicarla, portandola a :
200 x 1,41 x 2 = 564 volt
la corrente che potremo prelevare dall'uscita del duplicatore sarà di:
Io(DC) < STrasformat / Vo(DC) = 20 / 564 = 35,4 mA
e di conseguenza non potremo alimentare circuiti che assorbono più di 30 milllAmper.
Se quadruplichiamo questa tensione fino a:
200 x 1,41 x4 = 1.128 volt
la corrente che potremo prelevare dall'uscita del quadruplicatore sarà di soli :
20 / 1.128 = 17,7 mA
In pratica è consigliabile assorbire correnti minori, cioè 15-14 milllAmper.
Lo schema riportato in figura 10 propone il circuito di un moltiplicatore di tensione, nel quale la
tensione in uscita U, rispetto a quella d'entrata Vp, va moltiplicata per il numero degli stadi presenti
che, nel caso specifico, sono quattro. Con questo sistema si possono raggiungere tensione
elevatissime, ma le correnti derivabili sono assai limitate.
Fig. 10 - Moltiplicatore di tensione a diodi e condensatori elettrolitici. Il valore della tensione
in uscita è pari a quella d'entrata moltiplicata per il numero dei circuiti moltiplicatori.
Teoricamente, adottando il circuito di figura 10, la tensione d'entrata Vp può essere moltiplicata
all'infinito. In pratica no, se non ci si accontenta di assorbire correnti di valore limitato.
La tensione di lavoro del primo condensatore elettrolitico C1 può essere pari a Vp; per gli altri la
tensione di lavoro deve essere almeno uguale a Vpx2.
TENSIONE PIV (Peak Inverse Voltage)
Ritorniamo per un momento al circuito teorico riportato in figura 1, per ricordare che l'anodo (a) del
diodo a semiconduttore D1 riceve una tensione di picco che varia fra + 16,8 Vcc e - 16,8 Vcc (12
Vca x 1,4 = 16,8 Vcc). Ciò significa che, in presenza della semionda negativa a -16,8 Vcc, tra
anodo e catodo del diodo D1, si forma una differenza di potenziale pari a 16,8 V x 2 = 33,6 Vcc.
Dunque il diodo D1 deve poter sopportare una tensione inversa di almeno 33,6 V. Ora, poiché la
tensione di rete può presentare variazioni in meno ma anche in più rispetto al valore nominale, il
componente, per lavorare in tutta sicurezza, deve essere caratterizzato da una tensione inversa di
almeno 50 V. Ma questo valore, nel diodo 1N4004, è di ben 400 V ed in gergo prende il nome di
PIV (peak inverse voltage).
TENSIONI NEGATIVE
Rovesciando la polarità dei diodi raddrizzatori e quella dei condensatori elettrolitici si otterrà in
uscita una tensione negativa anziché positiva, come visibile negli schemi precedenti
