Raddrizzatori a diodi e ponte di Graetz
Per alimentare un circuito elettronico partendo da una tensione alternata bisogna trasformare l’AC in una tensione unidirezionale. I diodi permettono di realizzare raddrizzatori a semionda, a onda intera e ponti di Graetz. Aggiungendo un condensatore di livellamento possiamo ridurre le pulsazioni e ottenere una DC più stabile, pronta per uno stadio di regolazione.
Che cosa significa raddrizzare una tensione alternata?
Una tensione AC cambia periodicamente polarità. Un raddrizzatore usa uno o più diodi per fare in modo che la corrente nel carico circoli sempre nello stesso verso.
AC
La polarità cambia nel tempo.
Raddrizzata
La corrente nel carico ha un solo verso, ma è ancora pulsante.
Livellata
Un condensatore riduce le variazioni tra un picco e il successivo.
Raddrizzatore a semionda
Il raddrizzatore più semplice utilizza un solo diodo in serie al carico. Durante una semionda il diodo è polarizzato direttamente e conduce; durante l’altra è polarizzato inversamente e blocca la corrente.
Forma d’onda del raddrizzatore a semionda
Raddrizzamento a onda intera
Un raddrizzatore a onda intera sfrutta entrambe le semionde dell’AC. La semionda che sarebbe negativa viene “ribaltata”, così il carico riceve impulsi in ogni mezzo ciclo.
Ponte di Graetz: quattro diodi per usare entrambe le semionde
Il ponte di Graetz contiene quattro diodi disposti in modo che, indipendentemente dalla polarità istantanea dell’ingresso AC, la corrente attraversi il carico sempre nello stesso verso.
Quali diodi conducono nel ponte?
| Semionda | Diodi attivi | Corrente nel carico |
|---|---|---|
| Terminale AC sinistro positivo | Una coppia diagonale | Dal + verso il − |
| Terminale AC destro positivo | L’altra coppia diagonale | Sempre dal + verso il − |
Caduta di tensione nel ponte di Graetz
Poiché la corrente attraversa due diodi in serie, la tensione disponibile si riduce di circa due cadute dirette.
VOUT,pk ≈ 17 − 1,4 = 15,6 V.
Da tensione RMS a tensione di picco
La tensione nominale di un secondario AC viene normalmente indicata come valore RMS. Per una sinusoide ideale:
Dopo il ponte:
Vpk ≈ 16,97 − 1,4 ≈ 15,6 V.
Frequenza del ripple
| Raddrizzatore | Rete 50 Hz | Ripple principale |
|---|---|---|
| Semionda | 50 Hz | 50 Hz |
| Onda intera / Graetz | 50 Hz | 100 Hz |
Il condensatore di livellamento
Inserendo un condensatore in parallelo al carico, questo si carica vicino al picco della tensione raddrizzata e poi alimenta il carico quando la sinusoide scende.
Calcolo approssimato del ripple
Quando il ripple è relativamente piccolo, possiamo stimarne il valore picco-picco con:
Iload = 0,5 A
C = 4700 µF = 0,0047 F
ΔV ≈ 0,5 / (100 × 0,0047) ≈ 1,06 Vpp.
Come dimensionare il condensatore di livellamento
C ≈ 0,3 / (100 × 0,5) = 0,006 F = 6000 µF.
Un valore commerciale possibile è 6800 µF.
Il carico modifica la tensione livellata
Più corrente assorbe il carico, più rapidamente il condensatore si scarica tra due picchi. Di conseguenza il ripple aumenta e la tensione media può diminuire.
Carico leggero
Ripple piccolo, tensione vicina al picco.
Carico medio
Ripple più visibile e tensione media più bassa.
Carico elevato
Cadute su trasformatore e diodi diventano importanti.
Corrente di spunto all’accensione
Un grande condensatore inizialmente scarico si presenta per un breve istante come un carico molto pesante. La corrente è limitata soprattutto dalle resistenze e impedenze del circuito.
Come scegliere i diodi del raddrizzatore
| Parametro | Cosa controllare |
|---|---|
| IF(AV) | Corrente media diretta ammessa. |
| IFSM | Corrente impulsiva non ripetitiva, importante per l’inrush. |
| VRRM | Tensione inversa ripetitiva massima. |
| VF | Caduta diretta alla corrente di lavoro. |
| trr | Reverse recovery, importante ad alta frequenza. |
| Temperatura | Derating e dissipazione reali. |
Tensione inversa sui diodi
Quando un diodo è spento deve sopportare una tensione inversa. Il parametro del datasheet deve avere margine rispetto alla massima tensione reale del circuito, inclusi transitori e condizioni a vuoto.
Trasformatore + ponte + condensatore
È la struttura classica di un alimentatore lineare non regolato:
Cosa viene dopo il livellamento?
La tensione sul condensatore varia ancora con carico, rete e ripple. Per ottenere una tensione precisa si può aggiungere:
- regolatore lineare;
- LDO;
- convertitore buck;
- altro stadio DC-DC.
Misurare il raddrizzatore con l’oscilloscopio
- misura la sinusoide sul secondario;
- osserva la forma d’onda dopo il ponte;
- aggiungi il condensatore;
- misura il ripple con accoppiamento AC;
- ripeti la misura aumentando il carico.
Errori comuni nei raddrizzatori
- confondere tensione RMS e tensione di picco;
- dimenticare le due cadute di diodo nel ponte;
- considerare la tensione raddrizzata già perfettamente continua;
- dimenticare che il ripple del ponte a 50 Hz è 100 Hz;
- dimensionare C senza considerare la corrente di carico;
- usare condensatori con tensione nominale troppo bassa;
- ignorare la corrente di spunto;
- scegliere i diodi solo dalla corrente media;
- non verificare VRRM e IFSM;
- collegare impropriamente la massa dell’oscilloscopio su circuiti di rete.