Alimentatori  

      

L'energia elettrica viene trasferita sulla rete di distribuzione nazionale in regime alternato sinusoidale, ma quando deve essere utilizzata ad esempio presso una casa di abitazione, per far funzionare la gran parte degli elettrodomestici si ha spesso l'esigenza di trasformare la corrente alternata disponibile alla presa di rete in corrente continua.

Gli alimentatori sono sistemi elettronici che forniscono la tensione continua necessaria al funzionamento di un apparecchio elettrico, a partire dalla tensione alternata di rete.

Gli alimentatori possono già fare parte della struttura dell'apparecchio che sono destinati a far funzionare, oppure, possono essere apparati autonomi che devono essere collegati tra la presa di rete e l'elettrodomestico da far funzionare.

Gli alimentatori possono essere di due tipi:

• alimentatori non stabilizzati
• alimentatori stabilizzati

Negli alimentatori non stabilizzati la tensione d'uscita dipende dalla corrente assorbita dal carico, inoltre, sulla tensione rimane un residuo di ondulazione di rete, denominata ripple o ronzio che aumenta con la corrente assorbita.

Gli alimentatori stabilizzati, invece sono formati da un alimentatore non stabilizzato, cui viene aggiunto un regolatore che ha questi obbiettivi:

1) mantenere stabile la tensione d'uscita al variare del carico e della tensione di rete entro un campo percentuale prestabilito;

2) limitare il ripple e gli effetti che su di esso ha la corrente assorbita;

3) mantenere costante il valore nominale della tensione d'uscita, qualunque sia il valore del carico.

Gli alimentatori non stabilizzati non sono in grado di soddisfare le condizioni precedenti:essi forniscono una tensione continua che si modifica al variare del carico, presentano un effetto di ondulazione residua e risentono anche di eventuali fluttuazione di rete.

Alimentatore non stabilizzato

      

In questo dispositivo si individuano tre parti essenziali:

1. Il trasformatore: modifica il livello della tensione di rete portandolo al valore opportuno per le esigenze del carico da alimentare; ha anche l'effetto di creare un isolamento tra l'utilizzatore e la rete.

2. Il raddrizzatore: basato sulle funzionalità dei diodi, modifica il valor medio della tensione. Precisamenete, converte la tensione alternata sinusoidale ottenuta dalla rete che ha valor medio nullo, in una tensione pulsante (successione di semi-onde) a valor medio nullo.

3. Il filtro: ricava il valor medio della tensione pulsante prodotta dal raddrizzatore.
Il fattore di ondulazione residua o riple, esprime la qualità dell'operazione di filtraggio: più piccolo è il ripple migliore è il filtraggio.

Viene definito il fattore di ripple (r) il rapporto tra il valore efficace dell'ondulazione residua a valle del filtro V_r e il valor medio V_L cioè

Il ripple presente sul segnale di uscita dell'alimentatore è causa di disturbi negli apparati alimentati, che possono dar luogo a ronzii nei sistemi di riproduzione di suono, instabilità degli apparecchi per la riproduzione video e in generale interferenze; questo impone che il ripple sia il più ridotto possibile.

Nello schema sopra riportato è rappresentata la struttura più semplice dell'alimentatore, nella quale il raddrizzatore è costituito da un unico diodo ed il filtraggio è realizzato da un condensatore che assieme al carico, costituisce un filtro RC del primo ordine passa basso; ma ci sono circuiti più efficienti.

Alimentatore ad una semionda con filtro capacitivo

      

Utilizzando solo il circuito raddrizzatore si può ad es. tosare la semionda inferiore del segnale sinusoidale di ingresso.

Aggiungendo un condensatore in parallelo al carico si ottiene il secondo circuito, qui sopra riportato.
Ai capi della resistenza si ha una tensione che in un periodo è formata da un'onda sinusoidale con valor medio

(ved.es.10)
poi bisogna sempre tener conto della relazione tra il valore massimo e il valore efficace dell'onda

se invece del diodo ideale si considera un diodo reale, bisogna tenere conto della caduta di tensione anche di questo componente V_d=0,7V; in questo caso la tensione media ai capi del carico vale:

Il filtro è costituito dal condensatore C in parallelo al carico R_L ; viene usato per ridurre le oscillazioni in uscita dal raddrizzatore e tende ad avvicinare la tensione ai capi del carico all'andamento continuo.

Durante il primo quarto di periodo , il condensatore, inizialmente scarico, si carica fino al valore V_2p diminuito di 0,7V .

Nel secondo quarto di periodo, la tensione in uscita dal raddrizzatore cala, ed anche quella al carico tenderebbe a calare fino ad annullarsi, ma il condensatore che può scaricarsi solo sul carico a causa della polarizzazione inversa del diodo, la costringe a diminuire esponenzialmente con costante di tempo τ=R_LC  
(ved. scarica del condensatore).

La scarica si interrompe quando la tensione sul secondario del trasformatore ritorna ad un valore tale da mandare in conduzione il diodo, provocando la ricarica del condensatore.

La tensione ai capi del carico e del condensatore risulta così la sovrapposizione di una componente continua e di una componente ondulatoria residua (ripple), di ampiezza V_rpp-V_min  tanto più piccola quanto è maggiore la costante di tempo τ=R_LC.

RLC ≠ 0

RLC → ∞

Il valore della resistenza di carico è in genere assegnata, dunque, l'unica possibilità per diminuire l'ampiezza del ripple è aumentare il valore della capacità del condensatore.

Nell'intervallo di tempo T_c in cui il diodo è in conduzione, questo, è percorso da impulsi di corrente che ripristinano la carica ceduta ad R_L durante l'intervallo di scarica del condensatore. Il valore massimo della corrente nel diodo(I_dmax) è tanto maggiore, rispetto al valore medio della corrente sul carico (I_L), quanto minore risulta T_c rispetto al periodo T dell'onda alternata; si ricava :

Nella scelta del diodo è necessario tenere conto che deve essere in grado di sopportare la corrente I_d(max).

Un altro parametro da considerare nella scelta del diodo, è la massima tensione inversa applicata ai suoi capi; questa, nel circuito di precedente, è pari al valore di picco della tensione sul secondario del trasformatore (V_2p). è necessario che tale tensione sia inferiore a quella di breakdown (V_z) del diodo.

  Dimensionamento del condensatore di filtro    

Attraverso le seguenti semplificazioni si può effettuare un dimensionamento di massima del filtro condensatore:

•che la scarica del condensatore avvenga a corrente costante, di valore pari a l_Lmax per tutto l'intervallo di tempo compreso tra un picco e quello successivo;
•che durante la scarica, l'andamento nel tempo della tensione sia lineare;
•che la carica del condensatore avvenga istantaneamente in corrispondenza del picco della semionda.

1) sono dati:

–  I_Lmax: corrente massima assorbita dal carico;
–  V_rpp: ampiezza massima di ripple accettabile.

Ricordando che in un condensatore vale la relazione       

tra l'intensità di corrente costante l, la capacità C che è meglio esprimere in termini di variazione di tensione ΔV in un intervallo di tempo Δt

Nel caso specifico Δv=V_max-V_min =V_rpp e Δt=T=1/f=0,02 s come si vede nel disegno sopra, se convertiamo la tensione di rete a 50Hz, il valore della capacità viene individuato come

     o meglio       [ ♦ ]

con I_Lmax che è il valore massimo della corrente che arriva sul carico; quindi è anche

2) sono dati:

–  V_L: tensione media ai capi del carico;
–  r= V_r/V_L: fattore di ripple.

Se possiamo semplificare (come si disegnato sopra) considerando come triangolare l'onda di ripple, la relazione tra il valore picco-picco V_rpp e quello efficace V_r si, ha:

ricordando che V_r=r·V_L, si ricava: V_rpp=3,464·r·V_L. Per effetto delle ipotesi semplificative, è possibile condierare: I_d(max)= V_L/R_L Sostituendo i valori ricavati per V_rpp e I_d(max) nella [ ♦ ] si ottiene:

Alimentatore a doppia semionda con ponte di Graetz

      

Sono necessari 4 diodi collegati a ponte. Durante le semionde positive conducono i diodi D₁ e D₃ mentre durante quelle negative conducono D₂ e D₄.
La corrente percorre il carico sempre nella stessa direzione, quindi la tensione su carico ha sempre la stessa polarità.
Il valore medio della tensione al carico, in assenza di filtro, vale 2V_P/π.

Se si vuole tenere conto della tensione presente ai capi dei diodi, nel circuito completo valgono le stesse considerazioni viste nel caso di una sola semionda e in particolare, si osserva che: l'intervallo di tempo tra due cariche consecutive del condensatore si dimezza; questo consente la riduzione della corrente nei diodi che vale:

l'intervallo di tempo tra due cariche consecutive del condensatore si dimezza; questo consente la riduzione della corrente nei diodi che vale:

Le formule per il dimensionamento del condensatore valgono:
1) dati I_Lmax e V_rpp

     [ ♣ ]

in questo caso si ha       perchè il periodo è la metà di quello a 50Hz. Da quest'ultima si ricava:

2)  dati V_L e il ripple r=V_r/V_L

In questo caso la [ ♣ ] assume la forma:

Alimentatore a doppia semionda con trasformatore a presa centrale

      

In questo caso il circuito raddrizzatore è formato da due diodi ed un secondario del trasformatore con presa centrale.

Il valore medio della tensione di uscita è 2V_p/π. Le semionde positive sono trasferite in uscita dal diodo D₁ mentre quelle negative dal diodo D₂. La tensione sul carico ha sempre la stessa polarità e quindi l'onda sinusoidale risulta raddrizzata.

Se si tiene conto della c.d.t. ai capi dei diodi in conduzione, la tensione a valle del trasformatore deve essere di 0,7 V maggiore rispetto a quella che si vorrebbe, continua, in uscita. Questa soluzione circuitale è meno praticata delle precedenti a causa del maggior costo del trasformatore a presa centrale.