05 – Resistori diodi e condensatori. Un primo esempio – it

Come promesso le scorse volte, oggi dedicheremo la nostra attenzione ad un esempio concreto. Oggi andiamo a vedere come trasformare una tensione alternata in continua. Non pensiate di ottenere un alimentatore di ultima generazione, l’intento è solo quello di mostrare come potremmo usare i componenti sinora studiati allo scopo di stabilizzare una tensione, mostrando via via alcuni problemi che insorgonono nello sviluppo del progetto.

Raddrizzare la tensione alternata

Intanto vediamo qual’è il problema con il grafico seguente. In alto abbiamo una traccia verde che rappresenta la tensione alternata che abbiamo in entrata e che vogliamo trasformare in continua. La tensione alternata in ingresso è di 12V, ma ovviamente per avere nella realtà una tensione simile dovrete avere un trasformatore che ci porta la 220V alternata della rete di casa in 12V alternata. Nell’articolo sui condensatori abbiamo visto come l’uso di un singolo diodo ci permetta di eliminare le semionde negative trasformando la tensione in una tensione positiva ma a semionde con dei tratti a potenziale zero come rappresentato nella traccia blu. Una tensione del genere sarebbe inadatta ad alimentare qualunque tipo di dispositivo elettronico per cui la domanda è: come facciamo a passare al risultato finale rappresentato nella traccia rossa?

Ponte di Graetz

La prima cosa da fare è recuperare le semionde tagliate dal diodo e trasformarle in semionde positive. Detta così sembra una cosa complicatissima, ma nella realtà è fattibile con l’uso di 4 diodi la cui disposizione prende proprio il nome di ponte di Graetz e che potete vedere nella figura qui sotto.

Per vedere come funziona seguite attentamente il ragionamento. Partiamo con l’analizzare la semionda positiva. La corrente esce dall’alimentatore e raggiunge il ponte di Graetz fra i diodi D1 e D3. Da che parte andrà la corrente? Se non vi ricordate il verso seguite questa semplificazione. D3 ci mostra una barra dritta, una specie di porta chiusa dalla quale non possiamo passare. Invede D1 ci mostra una specie di triangolo, come un imbuto che ci convoglia dall’altra parte. Quindi la corrente passa da D1. A questo punto non può passare da D4 in quanto trova la porta chiusa e si dirige verso il “+”, così la prima semionda è passata. Ora proviamo con la semionda negativa. Quando la polarità si inverte, la corrente giunge dal polo negativo e arriva fra i diodi D2 e D4. Su D2 trova la porta chiusa, ma su D4 trova libero accesso per cui passa sullo stesso conduttore di prima portando la semionda negativa che prima era stata tagliata. Fate attenzione che indipendentemente dalla via, la corrente attraverserà un diodo per cui la tensione sarà di 0.7V inferiore a quella di origine (ricordate la tensione di lavoro?). Non per niente il trasformatore non deve essere da 12V ma leggermente sovradimensionato per sopperire a questa e successive perdite di potenziale.

Troppe colline

Dopo aver “usato” il ponte di Graetz, ci ritroviamo con la seguente situazione:

Bene abbiamo ottenuto una tensione positiva, senza “spazi vuoti”, ma ancora formata da “colline” che sono ben lontane da una corrente lineare continua, per ora è una corrente “a singhiozzo”. Ora ci vorrebbe un componente che durante le fasi di ascesa si carica e durante quelle di discesa si scarica sopperendo al calo di tensione a monte. Vi ricorda nulla? Ma siiii, è il condensatore!

Inseriamo il circuito RC dopo i 4 diodi e vediamo cosa succede nel grafico seguente:

Con il circuito riportato otteniamo la tensione della traccia verde. Come vedete quando arriva l’alimentazione la tensione sale in maniera abbastanza rapida diventando pressoché stabile dopo soli 10ms. Bene, direi che il lavoro è terminato. Ora colleghiamo un dispositivo al nostro “alimentatore” e vediamo come si comporta. Per simulare un dispositivo collegato usiamo una resistenza che assorbe un po’ di corrente, accontentiamoci per ora di un banale resistore da 100 Ohm che rappresenta un carico decisamente molto, ma molto basso. Qual’è il risultato?

Ooops. Ma cosa è successo? Molto semplice. Noi abbiamo inserito nel circuito un condensatore molto piccolo che trattiene una carica minuscola. Questa è sufficiente a livellare la tensione se ai capi del nostro circuito non c’è nulla che assorbe corrente. Ma se noi inseriamo un dispositivo che assorbe corrente, il condensatore si scarica molto prima per cui ci vuole un corretto dimensionamento del circuito RC perché il tutto funzioni, non era infatti pensabile che un resistore ed un condensatore messi a caso potessero funzionare.

Per calcolare in modo semplice la capacità del condensatore da utilizzare, possiamo utilizzare la formula 20000A/Vcc dove A è la corrente assorbita dal circuito da alimentare in Ampere e Vcc la tensione raddrizzata in uscita; il risultato è la capacità in microfarad del nostro condensatore. Nel nostro caso la tensione di uscita dall’alimentatore è di circa 11V per cui 20000*A/11. Come carico decidiamo arbitrariamente di usare 1 Ampere per cui otteniamo 1818μF. E il resistore? In realtà se lo togliamo del tutto non limita la corrente per cui il condensatore si carica in maniera molto più rapida e la tensione si stabilizza prima. Di contro abbiamo che la carica così rapida comporta un alto assorbimento di picco per cui dobbiamo verificare che tutti i componenti del circuito siano in grado di sopportare tale corrente. Ho fatto una rapida simulazione con un condensatore da 1800μF, senza resistore ed ho raggiunto un picco 2.7A, ossia 2700mA. Ho cercato a caso un condensatore elettrolitico da 1800μF e nel datasheet, ossia quel foglio che riporta tutti i dati tecnici, e scopro che regge 2205mA per cui l’abbiamo cotto prima ancora di provarlo. Ok, mettiamoci il resistore. Faccio una semplice prova con un resistore da 10Ohm, il picco scende a soli 0.8A. Bene, risolto il problema, o forse no? 0.8A a 11V sono quasi 9W da dissipare…e dove lo troviamo un resistore da 10Ohm e 9W? Se portiamo il reistore a 20Ohm dimezziamo l’assorbimento di corrente, ma ci vuole circa 1 secondo prima che la tensione si stabilizzi al valore voluto. Allora, il resistore è da escludersi. Proviamo a mettere un secondo condensatore. Ma come agiscono i condensatori in serie e parallelo?

Condensatori in serie e parallelo.

La capacità dei condensatori si comporta un po’ come il contrario della resistenza. Ricordate per calcolare la resistenza totale dei resistori bastava una somma? Bene coi condensatori invece la formula è simile a quella dei resistori in parallelo, infatti la capacità totale è data dal reciproco della somma dei reciproci. E in parallelo? In parallelo si comporta come i resistori in serie per cui la capacità totale è la somma delle singole capacità. Ecco qui a fianco lo schemino riassuntivo.

Bene, ho fatto il test con due condensatori da 820 ed il picco di corrente è di 1.2A. Nei datasheet ne ho trovati alcuni che tengono fino 1.4, altri fino 3.5 per cui risulta una strada percorribile. In realtà in questa fase non ci interessava creare il nostro “perfetto raddrizzatore di tensione”, ma volevamo iniziare a prendere un po’ di dimestichezza con i vari componenti ed iniziare a porci qualche domanda su quali potrebbero essere i problemi che insorgono e quali le possibili soluzioni. Spero sia emerso dagli esempi che talvolta facciamo tanti bei calcoli matematici, ma poi il componente elettronico con le caratteristiche calcolate non esiste e bisogna optare per soluzioni alternative. Ad esempio, e non l’ho detto negli scorsi articoli, i resistori non esistono di qualunque valore possibile ed immaginabile, ma vi sono dei valori commerciali che talvolta differiscono da quelli di cui abbiamo bisogno. 

Per oggi penso di avervi fatto venire un sufficiente mal di testa per cui concludiamo qui questo appuntamento. Nel prossimo articolo vediamo un nuovo esempio pratico e vedremo cos’è un diodo Zener.