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Il ponte raddrizzatore – Rendere continua una tensione alternata

In elettronica ci ritroviamo molto spesso di fronte alla necessità di dover alimentare un circuito elettronico, formato da integrati e componenti, con una tensione continua. Per svolgere questa operazione, utilizziamo i cosiddetti alimentatori da banco, i quali prelevando la tensione di rete di 220Vac, la trasformano in tensione continua 12/24Vdc.

In questa lezione cercheremo di spiegare nel modo più semplice possibile il principio di funzionamento di un alimentatore classico, e come rendere continua una tensione alternata utilizzando il classico ponte raddrizzatore formato da 4 diodi, o un semplice diodo raddrizzatore, formato da un solo diodo al silicio.

Per prima cosa dobbiamo sapere che a monte del nostro circuito abbiamo bisogno di un trasformatore. Il trasformatore è quel componente che si interpone tra la corrente di rete prelevata e il ponte raddrizzatore. Usando un trasformatore è infatti possibile sia elevare una tensione alternata di rete 220 Vac, portandola su valori superiori, che ridurla su valori inferiori.

In un trasformatore è sempre presente un avvolgimento primario sul quale si applica la tensione in ingresso che induce ed un avvolgimento secondario dal quale si preleva la tensione indotta. La tensione alternata che preleviamo dall’avvolgimento secondario è sempre proporzionale al numero di spire avvolte.

Raddrizzatore di tensione con ponte a diodi

La figura a sinistra rappresenta l’andamento della corrente generata da un’uscita di un trasformatore o semplicemente dalla corrente di rete 220V.

Tutte le semionde negative dovranno successivamente essere raddrizzate, in modo da rendere sempre più continua la tensione in uscita

 

 

Nell’immagine a sinistra possiamo osservare il simbolo elettrico più frequentemente utilizzato negli schemi elettrici. Si tratta di un ponte a diodi formato da 4 diodi al silicio. Questa è la soluzione più usata negli alimentatori, la quale rende molto più semplice il filtraggio e il livellamento della tensione per ottenere una corrente continua. Principale svantaggio nell’utilizzo di questo metodo è quello di avere una caduta di tensione pari a quella di due diodi in serie, di circa 1,4 volt. Particolare questo poco rilevante quando la tensione da raddrizzare è elevata, mentre da tenere a conto se la tensione finale deve essere di pochi volt.

 

Processo di raddrizzazione

Il processo di raddrizzazione di una corrente alternata, prevede una serie di passaggi indispensabili per il suo corretto risultato. Analizziamo quindi i punti più importanti:
La corrente alternata (AC dall’inglese Alternating Current) è caratterizzata da un flusso di corrente variabile nel tempo sia in intensità che in direzione la quale non può essere utilizzzata direttamente per alimentare circuiti e componenti elettrici.
Infatti prima di utilizzarla per alimentare appunto circuiti elettrici, essa deve subire un processo in grado di modificare l’onda sinusuidale, con l’obiettivo di renderla il più possibile costante nel tempo, o per meglio dire, renderla continua.
Questo compito viene affidato al ponte raddrizzatore, un componente elettronico formato da quattro diodi (solitamente al silicio) in grado di far passare le semionde positive e raddrizzare le semionde negative.
Nello specifico, il ponte raddrizzatore effettua due passaggi importanti per modificare l’onda sinusoidale:

  • quando sul punto 1 sarà presente la semionda positiva, e sul punto 2 la semionda negativa, la tensione verrà raddrizzata dai diodi D2 e D3;
  • quando sul punto 1 sarà presente la semionda negativa, e sul punto 2 la semionda positiva, la tensione verrà raddrizzata dai diodi D1 e D4.

Questo processo, sfruttando di conseguenza anche le semionde negative, porterà ad un aumento della frequenza. Collegando infatti un trasformatore alla tensione di rete, con primario 220V e secondario con tensione a scelta a secondo delle nostre esigenze, la frequenza subirà un’aumento di circa il 50%, passando da 50 Hz, che è la frequenza standard della corrente di rete, a 100 Hz, la quale avrà sfruttato anche le semionde negative.

Livellare le tensione con un condensatore elettrolitico

Dall’uscita del ponte raddrizzatore si ricaveranno quindi solo le semionde positive con frequenza doppia, ma con valore medio della tensione inferiore.
Infatti, anche se la frequenza di impulsi risulterà raddoppiata, tra una semionda e l’altra si troverà sempre un piccolo intervallo di tempo in cui il livello dell’onda non sarà presente, la quale scenderà fino a raggiungere una tensione di 0Volt circa, per poi risalire alla tensione ottimale. Questo fattore negativo, anche se nella maggior parte dei casi i circuiti non subiranno perdite, può essere risolto con un condensatore elettrolitico, chiamato condensatore di livellamento, che ha il compito di eliminare le pulsazione della corrente alternata.
Si tratta solo di apporre in parallelo alla tensione continua in uscita dal ponte raddrizzatore, un condensatore elettrolitico di capacità calcolata, in modo da aumentare il valore medio della tensione, ed eliminare il ronzio della tensione alternata.
Il suo funzionamento infatti consiste nell’immagazzinare la corrente quando sarà presente un’onda postiva, e di restituirla al circuito quando l’onda tornerà a livello di 0Volt.
Per velocizzare le operazioni di realizzazione di un circuito di alimentazione, possiamo utilizzare le seguenti formule, le quali ci consentono di poter conoscere in anticipo la tensione raddrizzata:
Vcc = (Vac – 1.4) x 1,41
dove:
Vcc = sono i Volt ai capi del condensatore;
Vac = sono i Volt efficaci della tensione alternata;
1.4 = è la caduta di tensione del ponte raddrizzatore;
1.41 = é il numero fisso per ottenere i Volt di picco, dovuto al fatto che la tensione alternata raggiunge un picco di 1.41 volte superiore al valore della tensione efficace;
Se invece volessimo ricavare il valore del consensatore di livellamento, useremo questa formula:
20.000 : (Vcc : A) = microFarad
dove:
Vcc = e’ la tensione continua raddrizzata;
A = assorbimento totale del circuito da alimentare;
20.000 = è il numero fisso per ottenere tale capacità;

Raddrizzatore di tensione con diodo raddrizzatore

Una diversa opzione per poter comunque raddrizzare una tensione alternata, è quella di utilizzare un solo diodo come raddrizzatore.
Ovviamente questa scelta comporterà dei piccoli svantaggi, che se nel nostro circuito non causeranno problemi di stabilità, è comunque utilizzabile.
Lo schema di collegamento con un diodo raddrizzatore, si può osservare qui a destra, in cui il diodo D1 ha il compito di lasciar passare solo le semionde positive, bloccando le negative.
in questo caso, essendoci un solo diodo, la caduta di tensione sarà di 0.7 Volt anzichè di 1.4 Volt.
Ovviamente rispetto al ponte raddrizzatore, questo sistema non porterà nessuna variazione sulla frequenza di rete, che rimarrà stabile a 50Hz, e per l’aggiunta il valore medio della tensione sarà ancora più inferiore rispetto a quello del processo di raddrizzazione con ponte a diodi, per il semplice motivo che la semionda negativa non verrà mai raddrizzata.
Il problema del valore medio ancora più basso, si risolve montando ancora una volta il condensatore elettrolitico di livellamento di calcolata capacità, che risulterà superiore rispetto al ponte raddrizzatore.
Calcolare la tensione di uscita:
Vcc = (Vac – 0.7) x 1,41
dove:
Vcc = sono i Volt ai capi del condensatore;
Vac = sono i Volt efficaci della tensione alternata;
0.7 = è la caduta di tensione del diodo raddrizzatore;
1.41 = é il numero fisso per ottenere i Volt di picco;
Se volessimo ricavare invece il valore del consensatore di livellamento, useremo:
40.000 : (Vcc : A) = microFarad
dove:
Vcc = e’ la tensione continua raddrizzata;
A = assorbimento totale del circuito da alimentare;
40.000 = è il numero fisso per ottenere la capacità;

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