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Diodi, raddrizzatori, filtro capacitivo e regolatore Zener

8 min di lettura · Team bitGateLab

Quasi tutti gli apparecchi elettronici funzionano in corrente continua, ma la rete elettrica fornisce corrente alternata. Il passaggio dall'una all'altra comincia con un componente molto semplice: il diodo. In questo argomento vedrai come modellare un diodo per fare calcoli rapidi, come si realizzano un raddrizzatore a semionda e uno a onda intera a ponte, come un condensatore livella il risultato e quanto ripple rimane, e come un diodo Zener mantiene una tensione fissa. Alla fine saprai calcolare passo per passo un alimentatore di base.

Il diodo e i suoi modelli

Un diodo ha due terminali, anodo e catodo, e lascia passare la corrente principalmente in un solo verso. Con l'anodo più positivo del catodo è in polarizzazione diretta e conduce; nel caso opposto è in polarizzazione inversa e circola solo una corrente di perdita trascurabile. Per calcolare i circuiti si usano due modelli semplici:

• Modello ideale: in diretta è un interruttore chiuso (0 V di caduta) e in inversa un interruttore aperto. Serve per capire il funzionamento.
• Modello a caduta costante: in diretta ha una caduta fissa V_D, di circa 0.7 V nei diodi al silicio, e in inversa è un circuito aperto. Dà risultati vicini a quelli reali quando le tensioni del circuito sono di qualche volt.

La curva reale è esponenziale: la caduta cresce un po' con la corrente, ma per la maggior parte dei calcoli sugli alimentatori il modello a 0.7 V è sufficiente.

Raddrizzatore a semionda

Un solo diodo in serie tra il trasformatore e il carico lascia passare le semionde positive e blocca quelle negative. L'uscita è una serie di «gobbe» separate da intervalli a zero, con la stessa frequenza della rete.

• Picco di uscita: V_p,out = V_p − 0.7 V.
• Valore medio senza filtro: V_p,out/π.
• Tensione inversa massima sopportata dal diodo (PIV): V_p senza filtro, e fino a circa 2·V_p se c'è un condensatore di filtro, perché il condensatore resta carico mentre il secondario raggiunge il suo picco negativo.

Raddrizzatore a onda intera a ponte

Il ponte usa quattro diodi. Nella semionda positiva ne conducono due e in quella negativa gli altri due, ma entrambe le semionde fanno circolare la corrente nel carico nello stesso verso. Il risultato è che le semionde negative vengono «ribaltate» verso l'alto.

• In ogni istante conducono due diodi in serie, quindi si perdono 2 · 0.7 = 1.4 V: V_p,out = V_p − 1.4 V.
• La frequenza dell'uscita è il doppio di quella di rete: con 60 Hz in ingresso, l'uscita pulsa a 120 Hz.
• Valore medio senza filtro: 2·V_p,out/π, il doppio rispetto alla semionda.
• Ogni diodo sopporta in inversa circa V_p.

Filtro capacitivo e tensione di ripple

Un condensatore in parallelo al carico si carica fino al picco a ogni gobba e, mentre la tensione raddrizzata scende, fornisce corrente al carico e si scarica un po'. L'uscita resta quasi costante, con una piccola ondulazione residua detta ripple. Se il ripple è piccolo rispetto al picco, si stima così:

Vr(pp) ≈ Icarico / (fr · C)

dove f_r è la frequenza delle gobbe: 60 Hz per la semionda e 120 Hz per il ponte (con rete a 60 Hz). La tensione continua di uscita è circa V_p,out − V_r/2.

Il diodo Zener come regolatore

Un diodo Zener è progettato per lavorare in polarizzazione inversa: raggiunta la sua tensione di breakdown V_Z, conduce quanto basta per mantenere quella tensione quasi costante. Con un resistore in serie R_S e il carico in parallelo allo Zener si ottiene un regolatore semplice. Il resistore assorbe la differenza di tensione e la corrente che lo attraversa si ripartisce tra lo Zener e il carico:

RS = (Vin − VZ) / (IL + IZ)

Lo Zener ha bisogno di una corrente minima I_Z per regolare bene. Quando il carico assorbe meno, lo Zener si prende la corrente in eccesso, quindi deve sopportare la potenza del caso peggiore: senza carico.

Errori comuni

• Dimenticare che nel ponte la corrente attraversa due diodi, con una caduta totale di 1.4 V.
• Usare la frequenza di rete invece di 120 Hz nel calcolo del ripple di un ponte.
• Confondere il valore RMS del trasformatore con il suo valore di picco: un secondario da 12 V dà quasi 17 V di picco.
• Scegliere il condensatore di filtro con una tensione nominale appena uguale al picco; lascia un margine.
• Calcolare la potenza dello Zener solo con il carico collegato. Il caso peggiore è senza carico.

Provalo nel simulatore

Monta l'alimentatore completo uno stadio alla volta e osserva ogni forma d'onda sull'oscilloscopio virtuale.

1. Inserisci una sorgente sinusoidale da 16.97 V di ampiezza e 60 Hz che rappresenti il secondario del trasformatore.
2. Collega un diodo e un resistore di carico da 150 Ω, e osserva l'uscita a semionda.
3. Sostituisci il diodo con un ponte di quattro diodi e confronta la forma d'onda e la sua frequenza.
4. Aggiungi un condensatore da 2200 µF in parallelo al carico e misura il ripple picco-picco.
5. Cambia il condensatore o il carico e verifica che il ripple segue la formula I/(f_r·C).
6. Aggiungi un resistore in serie e uno Zener da 5.1 V con il suo carico, e osserva come il ripple praticamente scompare.

Esercizi

1. Un secondario da 9 V RMS alimenta un raddrizzatore a semionda con diodo al silicio. Qual è il picco di uscita?

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   V_p = 9 · √2 = 12.73 V. Picco di uscita = 12.73 − 0.7 = 12.03 V.

2. Con lo stesso secondario e un ponte, quali sono il picco di uscita e la frequenza delle gobbe con rete a 60 Hz?

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   12.73 − 1.4 = 11.33 V, con frequenza di 120 Hz.

3. Un ponte fornisce 50 mA con un condensatore da 1000 µF a partire da una rete a 60 Hz. Stima il ripple.

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   V_r = 0.05/(120 · 0.001) = 0.42 V picco-picco.

4. Progetta R_S per un regolatore Zener da 9.1 V a partire da 15 V, con un carico da 30 mA e 10 mA minimi nello Zener.

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   R_S = (15 − 9.1)/(0.030 + 0.010) = 5.9/0.04 = 147.5 Ω. Con il valore commerciale di 150 Ω passano 5.9/150 = 39.3 mA e allo Zener restano 9.3 mA, sufficienti se il suo minimo reale è inferiore. Se devi garantire i 10 mA, usa il valore inferiore più vicino, 130 Ω: passano 45.4 mA e allo Zener restano 15.4 mA.