Corso di Elettronica per ragazzi – Puntata 28

Nella precedente puntata abbiamo trattato l’argomento sul regolatore di tensione basato sui diodi a giunzione. In questo articolo, completeremo lo studio dei diodi parlando dell’utilizzo del diodo come raddrizzatore.

Introduzione - Corrente continua e alternata

Nelle due precedenti puntate (Puntate 26 e 27) del corso abbiamo fatto un’ampia analisi con esercitazioni e simulazioni del regolatore di tensione realizzato con normali diodi a giunzione e con diodi zener. Nella Puntata 26 è stato studiato il regolatore di tensione con il diodo zener. Abbiamo anche progettato un semplice circuito regolatore e descritto tutti i principali parametri del diodo, compresa una dettagliata analisi nella zona di polarizzazione inversa, o di breakdown. Nella Puntata 27 abbiamo visto come sia possibile realizzare un regolatore di tensione utilizzando normali diodi in serie. In pratica, questo tipo di regolatore sfrutta la caduta di tensione fissa del diodo a giunzione polarizzato direttamente, in genere 0,7 V, per ricavare una tensione fissa in uscita di un certo determinato valore stabilito dal numero di diodi posti in serie. E’ stata anche eseguita una simulazione per la verifica funzionale del progetto del regolatore di tensione, che ha confermato il normale utilizzo dei diodi come elementi regolatori di tensione.

In questa puntata completeremo lo studio dei diodi parlando dell’importante utilizzo del diodo come raddrizzatore. Prima di affrontare questo argomento, è utile ricordare il significato di corrente continua e alternata. Riepilogando quanto è stato studiato nella Puntata 16 del corso di elettronica per ragazzi, nell’introduzione abbiamo detto che l’energia elettrica è formata da un flusso di cariche elettriche (corrente elettrica) e una differenza di potenziale (tensione). La potenza elettrica misurabile in Watt è il prodotto della corrente per la tensione. Se in un conduttore le cariche elettriche scorrono sempre nella stessa direzione, si afferma che il conduttore è percorso da una corrente continua. Se le cariche elettriche scorrono alternativamente in una direzione e in quella opposta, si afferma che il conduttore è percorso da una corrente alternata. La corrente continua e la corrente alternata possono essere rappresentate rispettivamente da una linea orizzontale e da una sinusoide in un piano cartesiano, dove il simbolo “A” rappresenta l’ampiezza della corrente, “T” il periodo della sinusoide, ovvero il tempo di ripetizione della sinusoide, “t” il tempo, come mostrato in Figura 1.

Figura 1: Corrente continua e corrente alternata

Osservando la Figura 1 notiamo che la corrente continua rappresentata dalle due linee orizzontali può essere positiva o negativa, ma la sua ampiezza resta costante nel tempo. La corrente alternata rappresentata dalla sinusoide, alterna nel tempo l’andamento dell’ampiezza da valori positivi a negativi. Quando la corrente continua scorre in un resistore, sappiamo che ai capi di questo resistore si disporrà una differenza di potenziale, ossia una tensione continua. Se la corrente che scorre nel resistore è alternata, si avrà ai capi del resistore una tensione alternata. Il concetto di corrente e tensione continua e di corrente e tensione alternata riguarda anche il generatore elettrico. Abbiamo già avuto a che fare con il generatore elettrico in varie puntate del corso, ma si è sempre trattato del generatore di tensione in corrente continua che abbiamo utilizzato nell’analisi teorica dei circuiti, in esempi e progetti, e nelle esercitazioni. Questa volta, utilizzeremo il generatore di tensione in corrente alternata nei circuiti che tratteremo per studiare il funzionamento del raddrizzatore a diodi.

Il diodo raddrizzatore

Sfruttando la caratteristica del diodo che conduce corrente solo in una direzione dall’anodo al catodo quando è polarizzato direttamente, è possibile realizzare un’applicazione denominata raddrizzatore. Chiariamo subito con un semplice circuito raddrizzatore di esempio riportato in Figura 2.

Figura 2: Esempio di raddrizzatore

Il circuito raddrizzatore di Figura 2 è costituito dal generatore di tensione alternata sinusoidale vs e dal diodo D1 con in serie il resistore R1 in parallelo al condensatore C1; per il momento, non consideriamo collegato il condensatore dato che vedremo più avanti che il parallelo R1//C1 realizza un filtro RC necessario per trasformare la forma d’onda pulsante costituita dalla sequenza di semionde in uscita in una tensione continua. In questo esempio il diodo è considerato ideale, ossia la sua resistenza interna è nulla. La tensione alternata fornita dal generatore vs ha la forma d’onda sinusoidale come quella mostrata in Figura 1. Dall’istante t=0 in poi, la tensione in ingresso al circuito è positiva, quindi il diodo si polarizza direttamente e, considerando che il diodo idealmente è come un conduttore di resistenza nulla e di conseguenza è nulla anche la caduta di tensione vd del diodo, la semi-onda positiva è applicata direttamente ai capi del resistore di carico R1, ovvero all’uscita del circuito.

Quando la semionda positiva torna a zero, inizia la semionda negativa, il diodo non è più polarizzato direttamente ma inversamente, pertanto il diodo risulta idealmente un isolante di resistenza infinita, ossia un circuito aperto che non consente il passaggio di corrente, quindi per tutta la durata della semionda negativa la tensione di uscita vo del circuito è nulla. Questo alternante processo si ripete fintanto che il generatore fornisce una tensione alternata al circuito. La Figura 3 mostra la forma d’onda risultante della tensione di uscita vo del circuito raddrizzatore.

Figura 3: Forma d’onda della tensione di uscita del raddrizzatore

Oltre alle semionde, in Figura 3 è presente una linea orizzontale che rappresenta il valore medio della tensione pulsante formata dalle semionde positive che si ripetono nel tempo. Infatti, se riprendiamo la sinusoide in Figura 1, in questo caso la tensione varia in uguale ampiezza tra valori positivi a negativi intorno allo zero, il che corrisponde ad avere un valore medio pari a zero. Diversamente, le semionde in Figura 3 sono solo sempre positive e quindi risulta un valore medio maggiore di zero. Il valore medio è tanto più alto quanto più grande è l’ampiezza delle semionde, in questo caso positive, oppure, il valore medio è più alto se si raddoppiano le semionde all’interno del periodo, che è ciò che avviene con il raddrizzatore a onda intera; il concetto di raddrizzatore a semi-onda e a onda intera lo chiariremo più avanti.

Possiamo dunque assegnare al diodo anche l’importante funzione di raddrizzatore in quanto può rettificare un segnale alternato lasciandone passare solo la parte positiva, ma è possibile realizzare un raddrizzatore anche di semionde negative. Il raddrizzatore del circuito di Figura 2 è chiamato raddrizzatore a semi-onda.

Con il raddrizzatore si crea la base per ottenere una tensione continua da una tensione pulsante raddrizzando una sorgente alternata d’ingresso, dopodiché si inserisce un filtro per livellare le creste delle semionde e ottenere una tensione continua (il filtro può essere un semplice condensatore, oppure un circuito di filtraggio con più elementi, che viene inserito ai capi del carico), infine, si aggiunge un regolatore di tensione dopo il filtro e si ottiene una tensione continua stabilizzata utile per alimentare circuiti elettronici. Collegando in cascata un trasformatore di tensione, un raddrizzatore, un filtro e un regolatore di tensione possiamo realizzare un alimentatore in corrente continua in grado di alimentare un carico.

Confronto fra raddrizzatore a semi-onda e raddrizzatore a onda intera

Capire le differenze tra raddrizzatori a semi-onda e a onda intera nella conversione della corrente alternata in corrente continua è essenziale per i progettisti di dispositivi elettronici. Come abbiamo potuto constatare dal circuito raddrizzatore a semi-onda di Figura 2, i raddrizzatori a semi-onda sono semplici ed economici, ma meno efficienti, poiché utilizzano solo metà del ciclo della sorgente alternata (vedi Figura 3), con conseguente significativo basso valore della componente continua. I raddrizzatori a onda intera funzionano utilizzando entrambe le metà del ciclo della sorgente alternata, consentendo di ottenere in uscita un valore medio più elevato (Figura 4), il che li rende adatti alle applicazioni che richiedono un'alimentazione stabile e più efficiente. Parametri di efficienza, come la tensione inversa di picco e il fattore di ondulazione, sono fondamentali per valutare le prestazioni del raddrizzatore; i raddrizzatori a onda intera hanno generalmente efficienza e stabilità superiori.

Figura 4: Forma d’onda dei raddrizzatori a onda intera

Raddrizzatore a semi-onda

Un raddrizzatore a semi-onda è la forma più semplice di raddrizzatore che utilizza un singolo diodo per convertire la corrente alternata in una tensione pulsante. Questa semplicità rende i raddrizzatori a semi-onda economici e facili da implementare, ma a scapito dell'efficienza, poiché lasciano passare solo la metà positiva della forma d’onda alternata, bloccando la metà negativa, il che si traduce in una conversione meno efficiente e una perdita di potenza. Questo tipo di raddrizzatori, nonostante le inefficienze, sono utili nei dispositivi a bassa potenza e nelle situazioni in cui il costo e la semplicità sono prioritari rispetto alla conversione completa.

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