Progettazione di un alimentatore: ponte raddrizzatore

Per comprendere bene l’elettronica, i progettisti devono studiare teoria e pratica. Ma per comprendere meglio i concetti è necessario eseguire simulazioni elettroniche e, possibilmente, “toccare con mano” i circuiti realizzati. I tutorial che seguono eseguono simulazioni passo passo in ogni punto o nodo dei circuiti di un alimentatore, per comprendere perfettamente il comportamento dei componenti elettronici nelle diverse condizioni di lavoro. I tutorial sono accompagnati da molte immagini e grafici. Il principale software elettronico utilizzato è LTspice. È un software di simulazione SPICE ad alte prestazioni, con cattura schematica e visualizzatore di forme d’onda con modelli per facilitare la simulazione di circuiti analogici. Può essere scaricato gratuitamente da https://www.analog.com/en/design-center/design-tools-and-calculators/ltspice-simulator.html

Voltaggi nel mondo

Tensione continua e alternata

Diamo un’occhiata allo schema elettrico nella figura 1: ci sono due circuiti al suo interno. Il primo circuito (in alto) fornisce una tensione continua utilizzando una batteria. Il secondo circuito (in basso) fornisce una tensione alternata sinusoidale alla frequenza di 60 Hz.

Nei grafici riportati in figura 2 possiamo notare diversi segnali:

• traccia gialla: tensione continua 230 V generata dalla batteria V2;
• traccia verde: tensione alternata sinusoidale 325 V generata dal generatore sinusoidale V1;
• traccia grigia: tensione di terra di 0 V.

Nel grafico possiamo vedere anche:

• linea arancione verticale: tensione di picco zero, pari a 325 V;
• linea bianca verticale: tensione picco-picco, pari a 650 V.

Si noti che la tensione sinusoidale ha un valore RMS di 230 V, sebbene il picco raggiunga i 325 V. In pratica, gli effetti prodotti sul carico sono gli stessi della tensione CC della batteria di 230 V.

Tensione continua

Per la maggior parte dei dispositivi, la tensione CA non è utilizzabile. E’ necessario renderla continua. I componenti che trasformano la corrente alternata in corrente continua sono chiamati raddrizzatori e realizzano un alimentatore. Il modo più comune per convertire la corrente alternata in corrente continua è utilizzare uno o più diodi, consentendo alla corrente di passare in una sola direzione. La corrente continua risultante non è una tensione costante ma una tensione pulsante. Per molti circuiti CC, l’ondulazione potrebbe essere un grosso problema. E’ necessario un filtraggio aggiuntivo per appiattire il segnale pulsante (vedere la figura 3). Nello schema potete vedere il modello SPICE del diodo 1N4007, in grado di sopportare la tensione di 1000 V.

La quantità di ondulazione dell’alimentatore dipende dal carico (in questo caso è 100 Ohm) e dal valore del condensatore elettrolitico, parallelo ad esso. Una grande capacità consente un’ondulazione molto bassa. La figura 4 mostra tre tensioni di uscita, utilizzando diversi valori di condensatori, come segue:

• segnale grigio: semionda positiva;
• segnale ciano: uscita con condensatore da 100 uF (alta ondulazione);
• segnale rosso: uscita con condensatore da 1000 uF (ripple medio);
• segnale verde: uscita con condensatore da 10000 uF (ondulazione molto bassa).

I diodi abbassano la tensione di uscita

E’ importante sapere che il ponte raddrizzatore, essendo costituito da diodi, provoca una caduta di tensione di circa 1,4 Volt all’uscita dell’alimentatore. Un diodo ideale non ha questo effetto. L’effetto dei diodi Schottky è inferiore. La figura 5 mostra il fatto che la tensione di uscita non può essere uguale al picco di ingresso, a causa della presenza dei diodi.

Conclusioni

Tutta l’elettronica è regolata da precise formule matematiche. Anche il calcolo della capacità dei condensatori elettrolitici segue questa regola