Corso di elettronica di potenza: “Diodo e raddrizzatore di potenza” (quinta puntata)

Corso di elettronica di potenza: “Diodo e raddrizzatore di potenza” (quinta puntata)

Il diodo è uno dei componenti più utilizzati e uno dei primi dispositivi a essere scoperto nell’elettronica. La sua funzionalità è quella di far transitare la corrente elettrica solo in un senso, inibendola in quello opposto. In molte applicazioni esso deve permettere il passaggio di una quantità importante di energia, e per tale motivo nel mercato si trovano i diodi di potenza. Essi sono estremamente robusti e permettono una dissipazione molto alta della potenza.

Il diodo di potenza

Il diodo è un componente elettronico passivo non lineare ed è composto da due terminali, l’anodo e il catodo. Esso serve a far transitare la corrente elettrica solo in un verso e di bloccarla totalmente nell’altro verso (vedi in figura 1). Esso è un componente a semiconduttore e si comporta, pertanto, come un interruttore unidirezionale della corrente. Il suo comportamento, come detto prima, non è lineare, in quanto il segnale alla sua uscita non segue sempre l’andamento del segnale al suo ingresso. La curva caratteristica del diodo rappresenta graficamente il valore della corrente variando la tensione fra l’anodo e il catodo del diodo. Se la tensione è positiva il componente è polarizzato direttamente. Se la tensione è negativa, il diodo è polarizzato inversamente.

Figura 1: il diodo: simbolo, caratteristica e alcuni modelli di potenza

Esistono tre tipologie di diodo di potenza:

  • diodi per applicazioni generiche, per i circuiti a corrente continua o alla frequenza di rete. Dal momento che il loro funzionamento è pressoché in regime statico, essi possono sopportare migliaia di volt e di ampere, con la possibilità di collegamenti in parallelo tra loro;
  • diodi Schottky: essi sono utilizzati quando è richiesta una bassa caduta di tensione. Infatti la loro differenza di potenziale è di circa 0.2 V o 0.3 V. La loro massima tensione inversa è piuttosto limitata;
  • diodi Fast Recovery: per un funzionamento ad alta velocità. Solitamente sono usati in congiunzione a interruttori elettronici veloci, come i MOSFET. Il loro tempo di ripristino è inferiore al microsecondo.

Alcune tipologie riescono a sopportare correnti di migliaia di Ampere e tensioni di migliaia di volt. Si pensi, ad esempio, le applicazioni di potenza nei settori automobilistici, ferroviari e dei trasporti in generale. Un diodo riesce a condurre corrente quando la tensione al suo anodo è superiore a quella del catodo. La differenza di potenziale tra questi due terminali, durante il funzionamento, è alquanto bassa, compresa tra 0.2 V e 2 V (una differenza di 0 V esiste solo nei diodi ideali). Se la tensione sul catodo è maggiore di quella sull’anodo, il diodo è interdetto e non conduce corrente. La sua utilità, dunque, ricopre la funzionalità di interruttore, di commutatore nei raddrizzatori, nei circuiti switching, nell’isolamento, nella carica dei condensatori, nei dispositivi di ricircolo e molte altre. La caratteristica del grafico appena visto è descritta dalla equazione di Shockley, secondo la seguente formula:

dove:

  • Id è la corrente diretta sul diodo;
  • Vd è la tensione di polarizzazione diretta;
  • Is è la corrente di saturazione inversa;
  • n è il fattore di idealità, compreso tra 1 e 2 (germanio: 1, silicio: 2).

Nelle applicazioni di potenza e ad alta frequenza, un parametro molto importante è il tempo di recupero, che è il tempo che intercorre tra l’istante in cui la corrente passa attraverso lo zero e il momento in cui la corrente inversa scende al 25% del suo picco massimo. Esso, purtroppo, è un fattore limitante della quantità di corrente diretta e della frequenza di lavoro.

Trasformazione dalla potenza alternata alla potenza continua

In tutte le case del mondo, l’energia elettrica arriva in forma alternata, per ragioni di trasporto della stessa, lungo le linee elettriche. La maggior parte delle applicazioni di potenza lavora, ovviamente, con tensione continua. Occorre, pertanto, convertire tale tensione alternata sinusoidale (dalla frequenza di 50 o 60 Hz) in tensione continua. E’ molto semplice ottenere una tensione continua., utilizzando un trasformatore e un raddrizzatore a diodi, per convertire la corrente alternata d’ingresso in corrente continua. Se le potenze in gioco sono elevate, le dimensioni del trasformatore potrebbero essere molto importanti. Ma oggi si cerca sempre di evitare i grossi e costosi trasformatori. La componente continua in uscita deve risultare perfettamente livellata ed esente da ondulazioni e armoniche, utilizzando anche dei condensatori di elevata capacità con funzione di filtro. Se la teoria dice che un sistema di questo tipo consente di ottenere una tensione perfettamente continua, in pratica avvengono diversi fenomeni che, purtroppo, deteriorano leggermente il segnale di uscita. La funzione del condensatore è quella di caricarsi fino ad un valore prossimo al picco della tensione alternata e di mantenere il più possibile tale livello. Solo la differenza di potenziale dei diodi impedisce il raggiungimento esatto del valore di picco massimo. Ovviamente tanti fattori, primo tra tutti la bassa impedenza del carico, provvede a scaricare il condensatore, creando un segnale “ripple” dalla frequenza doppia a quella del segnale alternato d’ingresso. In figura 2 è possibile osservare il classico circuito per la trasformazione della corrente alternata in corrente continua. Esso è formato dai seguenti componenti elettrici ed elettronici:

  • sorgente di alimentazione alternata sinusoidale con V0p di 325 V (RMS di circa 230 V);
  • trasformatore di tensione da 40 V ideale;
  • raddrizzatore con ponte di Graetz, costituito da 4 diodi super fast recovery RFN20TF6S (Vr=600 V, Id=20 A);
  • condensatore elettrolitico di livellamento (filtro) di elevata capacità;
  • carico resistivo da 10 Ohm, con dissipazione media di 90 W.

Il circuito, con un adatto condensatore elettrolitico di livellamento (circa 47000 uF) presenta le seguenti tensioni elettriche ai vari nodi:

  • V(a,b): fonte di tensione di alimentazione alternata a 50 Hz di 650 Vpp (-325 V, 0 V, +325 V);
  • V(c,d): tensione trasformata e abbassata dal trasformatore pari a 64 Vpp (-32 V, 0 V, +32 V);
  • V(e): tensione CC di 30 V (con condensatore di livellamento);
  • V(e): tensione pulsante di 40 V0p (senza condensatore di livellamento).

Si consiglia di esaminare bene tutti gli oscillogrammi presenti nel grafico della stessa figura, riferendosi ai nodi A, B, C, D, E. L’efficienza di questo circuito è del 75% circa e il trasformatore deve essere in grado, ovviamente, di sopportare la potenza richiesta dal carico. A volte, le correnti distorte assorbite da un carico possono provocare distorsioni della forma d’onda della tensione di alimentazione.

Figura 2: un tipico circuito di trasformazione da AC a DC, con i relativi oscillogrammi ai vari nodi

Il ripple

In questa tipologia di circuiti c’è la presenza di un segnale di ripple, la cui entità dipende dal valore del condensatore di filtro e da quello del carico (vedi in figura 3). La percentuale di ripple è inversamente proporzionale al valore resistivo del carico e alla capacità del condensatore di filtro. Spesso, la tensione fornita da un alimentatore conserva alcune “tracce” della tensione alternata di rete, dalla forma di ondulazioni più o meno ampie che risultano sovrapposte alla tensione continua. Tali ondulazioni hanno la forma di un dente di sega e una frequenza doppia a quella di ingresso. Le ondulazioni sono dovute alla corrente assorbita dal carico. Tra una semionda e la successiva avviene la fase di scarica del condensatore. Quanto minore è la corrente assorbita dal carico e quanto maggiore è la capacità del condensatore, tanto minore è il valore della tensione di ripple. Negli alimentatori più semplici il componente che livella la tensione di uscita è il condensatore elettrolitico. Esistono alcune formule per la determinazione del suo valore ideale. Il valore del condensatore, ovviamente, dipende dalla percentuale di ripple che l’utente è disposto ad accettare. Un condensatore dal basso valore di capacità determina, infatti, una più alta percentuale di ripple rispetto a un condensatore di alta capacità. Una semplice formula che restituisce il valore del condensatore da utilizzare è la seguente:

dove:

  • C: è la capacità del condensatore, espressa in Farad. Se si vuole in microFarad è sufficiente moltiplicare il valore per 1000000;
  • Ioutput: è la massima corrente in uscita;
  • f: è la frequenza della semionda positiva, in questo caso di 100 Hz;
  • Vripple: è la tensione di ripple picco picco che si vuole ottenere.

Per esempio, il circuito elettrico di cui sopra ha i seguenti valore di ripple, in dipendenza ai seguenti condensatori di filtro:

  • 4700 uF: ripple di 10 V circa (non accettabile);
  • 47000 uF: ripple di 1 V circa (abbastanza accettabile);
  • 860000 uF: ripple di 0.05 V circa (molto accettabile).

Dalla formula si deduce che la capacità del condensatore è tanto più grande quanto maggiore è la corrente assorbita dal carico e quanto minore è l’ampiezza del ripple. Nella pratica si calcola 10000 uF per ogni ampere di corrente sul carico.

Figura 3: il ripple è causato dalla corrente assorbita dal carico durante il funzionamento dei condensatori di filtro

Il ripple è espresso in percentuale ed è riferito al valore medio VCC della tensione che alimenta il carico. L’ammontare del ripple ammesso deve essere determinato in fase di progettazione. La formula per calcolare tale parametro, in percentuale, è la seguente:

Una bassa percentuale di ripple è sinonimo di alimentatore di alta qualità. E’ interessante osservare alcune analisi FFT sui segnali continui d’uscita, in relazione al tipo di condensatore di filtro utilizzato. La figura 4 mostra, infatti, tre analisi della Fast Fourier Transform utilizzando all’uscita, rispettivamente, dei condensatori elettrolitici di 860000 uF, 47000 uF e 4700 uF. Si noti che una grande capacità consente di ottenere un segnale pulito e con un numero di armoniche molto ridotto. Ovviamente un ottimo filtro dotato di condensatori di alta capacità innalza notevolmente il costo del progetto.

Figura 4: l’analisi FFT dell’uscita del convertitore, modificando il valore del condensatore di filtro

Conclusioni

Il circuito di conversione AC-CC è sicuramente il più utilizzato, specialmente negli anni passati. Per il suo ottimo funzionamento occorre che tutti i componenti utilizzati siano di ottima qualità e questo potrebbe far lievitare notevolmente il suo costo. Con questa soluzione, le efficienze in gioco non sono molto alte e le perdite di potenza potrebbero non essere tollerabili. Nei prossimi articoli si scopriranno ulteriori tecniche di trasformazione, utilizzando componenti elettronici di ultima generazione.