Iniziare con l'elettronica: raddrizzatori

Nel numero di maggio/giugno di Elektor abbiamo accolto il diodo come il primo rappresentante della famiglia dei semiconduttori e senza di esso non si può pensare all'elettronica di oggi. Adesso effettueremo i calcoli con i raddrizzatori. Dopotutto, non possiamo semplicemente saldare le parti insieme e sperare che funzioni. Diamo prima un'occhiata al nostro raddrizzatore a semionda (Figura 1).

Maggiore è la capacità del condensatore elettrolitico, minore sarà la caduta di tensione durante i semiperiodi negativi della tensione CA; inoltre, man mano che la resistenza diminuisce (e quindi la corrente assorbita dal carico aumenta), la tensione diminuirà maggiormente durante i semiperiodi negativi ("collasso", dice l'ingegnere elettronico). Possiamo metterlo in una formula:

Supponiamo che la corrente sia costante. Supponiamo ora di avere un trasformatore da 15 V, un raddrizzatore a semionda e un carico con un assorbimento di corrente di 1 A. La tensione fornita dal raddrizzatore deve essere stabilizzata da un regolatore IC che richiede una tensione di ingresso minima di 18 V per fornire un tensione di uscita stabile di 15 V. (Torneremo su questo circuito integrato in un prossimo numero.) In tal caso, quanto dovrebbe essere grande il condensatore? Innanzitutto dobbiamo calcolare il valore di picco della tensione CA; in un precedente articolo di questa serie, abbiamo visto che per il valore di picco vale:

Per nostra comodità, sottraiamo 0,7 V da quella tensione di picco (che è la tensione diretta del diodo al silicio utilizzato come raddrizzatore):

Per quanto riguarda i perfezionisti tra voi, abbiamo arrotondato il risultato a un decimale: in questo caso è abbastanza preciso. Poiché l'IC necessita di una tensione di ingresso di almeno 18 V (possiamo trovare questa tensione di ingresso minima nella scheda tecnica dell'IC), la tensione può scendere di un massimo di 2,5 V durante un periodo. Riscriviamo la formula per la tensione ai capi del condensatore e aggiungiamo i valori di corrente, tensione e frequenza:

Il valore standard successivo più grande sarebbe 10.000 µF e, per una corrente di solo 1 A, si tratta di un condensatore piuttosto "ingombrante". Teoricamente, esistono due metodi per ottenere un valore inferiore (e quindi un condensatore elettrolitico più piccolo ed economico):

Questa rettifica dell'onda intera verrà discussa più avanti; di seguito ci occuperemo innanzitutto di "aumentare la tensione del trasformatore". Se nell'esempio utilizziamo un trasformatore da 18 V invece della variante da 15 V, misureremo sul diodo una tensione di picco di circa 24,7 V, ciò significa una differenza di tensione massima consentita di 6,7 V. La scelta del condensatore può quindi essere corrispondentemente più piccolo; il valore calcolato è di circa 3000 µF e il valore standard successivo più grande è 3300 µF o 4700 µF. Come disse una volta un famoso filosofo del calcio olandese (Johan Cruijff), ogni vantaggio ha il suo svantaggio: questa soluzione comporta un maggiore consumo energetico e anche una maggiore dissipazione del calore nel regolatore di tensione. Per questo daremo un'occhiatafigura 2.

Il componente con il codice 7815 è un regolatore di tensione fisso. Per il momento non ci interessa sapere come funziona questa cosa. Ciò che conta è che questo circuito integrato trasforma una tensione di ingresso CC variabile (entro certi limiti) in una tensione di uscita CC (quasi) costante. Per la potenza di uscita vale in entrambi i casi quanto segue (l'esempio con il trasformatore da 15 V e l'esempio con il trasformatore da 18 V):

La dissipazione nell'IC (la potenza convertita in calore nell'IC) è uguale alla differenza tra la tensione di ingresso e quella di uscita moltiplicata per la corrente (in molti casi, e anche in questo caso, possiamo trascurare il consumo energetico dell'IC).

A dire il vero, la tensione di ingresso del circuito integrato non è costante; in questo caso, utilizziamo la media aritmetica della tensione di ingresso minima e massima (che è sufficientemente precisa per i nostri scopi). Di conseguenza, la perdita di potenza nel regolatore di tensione aumenta di circa il 50%: si tratta di molto calore in eccesso che ha essere dissipato. Il fatto che ora il trasformatore debba fornire 22 W anziché 20 W (comprese cioè le perdite del diodo e del regolatore di tensione) non ha molta importanza, a meno che non ci obblighi ad utilizzare un trasformatore un po' più grande.