TRASFORMATORI DI TENSIONE, RADDRIZZATORI E CALCOLO CAPACITÀ

NE555   Tutorial sui Diversi tipi di Trasformatori di Tensione, i Diversi Raddrizzatori e su come Calcolare la Corrente Massima nei Diodi del Raddrizzatore e la Capacità di Filtro…

 
 
 
 




 

INTRO

Molte volte si deve alimentare un circuito con una bassa tensione di alimentazione. Inoltre l’alimentazione deve provenire dalla tensione di rete a 230V rms, quindi serve anche un isolamento galvanico per protezione. Per fare ciò vi sono due soluzioni:

  • Usare degli alimentatori switching come quelli per caricare il telefono, l’alimentatore del computer, o simili. Questo tipo di trasformatori di tensione prendono la tensione di linea a 230Vrms (che è alternata) la rendono continua, la rendono alternata ma ad una frequenza molto maggiore di quella iniziale (50Khz circa) e con un trasformatore a nucleo magnetico ne riducono l’ampiezza per poi renderla di nuovo continua e fornirla in uscita. La frequenza viene aumentata per poter utilizzare trasformatori a nucleo magnetico di dimensioni più piccole.Questo tipo di trasformatori non possono essere usati in alcune applicazioni (come in campo audio Hi-Fi) per problemi di interferenza elettromagnetica.

 

  • L’altra soluzione è quella di usare direttamente dei trasformatori a nucleo magnetico, poi un raddrizzatore e un filtro per rendere continua la tensione, ridurne il suo valore e per avere un isolamento galvanico. Molte volte questa soluzione è quella preferita per diversi fattori.

In questa guida verranno presentati i diversi tipi di trasformatori a nucleo magnetico e verranno illustrati i valori che le loro uscite devono avere per ottenere una determinata tensione continua in uscita. Verranno illustrati i diversi tipi di raddrizzatori di tensione presentando che caratteristiche che i diodi che li compongono devono avere per evitare che si brucino e inoltre verrà illustrato come calcolare il valore della capacità di filtro inserita successivamente al raddrizzatore per livellare la tensione e ridurre il suo ripple.

 




 

TIPOLOGIE DI TRASFORMATORI

Il trasformatore è costituito da un nucleo ferromagnetico (che può essere a forma toroidale o rettangolare richiuso su se stesso) e da due bobina o più bobine di filo smaltato di cui una forma l’avvolgimento detto primario mentre l’altro avvolgimento o gli altri sono detti secondari. Vi possono essere più secondari ma un solo primario.  Il funzionamento dei trasformatori si basa sulla legge di Faraday-Neuman-Lenz, ovvero il campo magnetico indotto grazie a una corrente alternata da una spira (il primario) se si concatena con un’altra spira (il secondario) genera in essa un potenziale elettrico. Il campo magnetico generato dal primario fluisce dentro il secondario grazie al nucleo ferromagnetico che “guida” il flusso magnetico. Non mi soffermo sulla spiegazione fisica, dal punto di vista elettrico basta dire che il rapporto di spire pregiudica la tensione di uscita.

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Il rapporto di spire è dato dal numero di spire del secondario fratto il numero di spire del primario ovvero n2/n1. Se in ingresso vi è una tensione Vin in uscita vi sarà una tensione Vout=Vin*(n2/n1). Se vi sono meno spire al secondario e più al primario è possibile ridurre la tensione alternata in ingresso Vin mentre se n2>n1 è possibile aumentare il valore della tensione in ingresso Vin.

Il trasformatore più semplice è quello con singolo secondario il cui simbolo è il seguente:

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Vi sarà indicata la tensione del primario (tipicamente 230V) e la tensione del secondario. La tensione di uscita dipende dalle spire e vi sono diversi tipi di trasformatori con diverse tensioni di secondario. Un altro parametro dei trasformatori è la potenza ed è espressa in Volt Amperre (VA) che indica la moltiplicazione tra Vs e la corrente massima che può esservi in uscita. La corrente massima sarà I=Potenza/Vs e si riferisce a un valore di corrente alternata.

Un’altra tipologia di trasformatore è quello a presa centrale il cui simbolo è:

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Come è possibile capire dallo schema, vi è un solo primario e un solo secondario, solo che il secondario ha una connessione verso l’esterno che è connessa a metà lunghezza della bobina del secondario. Se si prende a riferimento la connessione centrale (quella di metà bobina) si ha una tensione Vs rispetto all’uscita 1 e si ha una tensione –Vs rispetto all’uscita 2. –Vs non significa che la tensione è negativa ma che essendo sinusoidale è sfasata rispetto alla tensione Vs, come è possibile vedere dal grafico delle tensioni ai capi del trasformatore.

L’ultimo tipo di trasformatore è quello con uno o più secondari:

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Si possono avere due situazioni, la prima è che Vs1 e Vs2 siano di egual valore, la seconda è che Vs1 e Vs2 abbiano due valori diversi. Questi due o più avvolgimenti possono essere connessi in serie, in parallelo o a formare un trasformatore a presa centrale:

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La connessione in parallelo può essere fatta solo se i due secondari hanno stessa tensione. Per quanto riguarda la potenza può anche essere diversa, alla fine la tensione risultante dal parallelo avrà stessa tensione dei due secondari ma potenza somma. I simboli + e – non indicano una polarità continua ma solo la fase del segnale e i due secondari devono essere connessi in modo concorde.

La connessione serie si può fare con qualsiasi secondario o addirittura con due trasformatori differenti  e non importa se i secondari hanno tensione diversa. Teoricamente la potenza dei secondari deve essere la stessa oppure la corrente d’uscita dipende dalla corrente del meno potente. La tensione risultante in uscita è la somma della tensione dei secondari. Bisogna collegare in serie i secondari e bisogna stare attenti di non collegare due fasi insieme.

La connessione a presa centrale permette di avere una tensione Vs e una –Vs rispetto alla connessione comune (Com). In questo caso i secondari dovrebbero avere stessa potenza e stessa tensione in modo tale da avere un trasformatore a presa centrale bilanciato.

 




 

RADDRIZZATORI SENZA FILTRO CAPACITIVO


RADDRIZZATORE A SINGOLA SEMIONDA

Il più semplice dei raddrizzatori è quello a singola semionda, composto da un solo diodo:

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Per questo tipo di raddrizzatore si usa un trasformatore a singolo secondario e un diodo. La tensione è già raddrizzata senza filtro capacitivo visto che VL ha un valore medio diverso da 0 e positivo. Le tensioni sono:

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La tensione del secondario  Vs è più piccola di quella di ingresso Vp (può essere anche più grande) ed entrambe sono sinusoidali. Il diodo fa scorrere la corrente solo in un verso. Durante la semionda positiva il diodo è polarizzato direttamente, il uscita vi sarà una tensione uguale a Vs ma con un valore minore di 1V che è la caduta sul diodo. Durante la semionda negativa il diodo è contropolarizzato, non fluisce corrente in esso e infatti sia la corrente che la tensione VL sono 0. Poi arriva la semionda positiva e il diodo ricomincia a condurre. La tensione inversa del diodo è uguale al picco di Vs ovvero Vs*1.41 (dove 1.41 è la radice di 2) quindi bisogna scegliere un diodo con tensione inversa almeno il doppio di Vs*1.41.

Gli svantaggi di questa struttura è che si perde una semionda, ma si può usare per applicazioni che richiedono poca potenza e semplicità. La tensione in uscita RMS vale (Vs-1)*0.7.

 

RADDRIZZATORE A DOPPIA SEMIONDA

Con un trasformatore a presa centrale e due diodi si può ottenere:

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La tensione è già raddrizzata senza filtro capacitivo visto che VL ha un valore medio diverso da 0 e positivo. Le tensioni e le correnti sono:

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Come detto in precedenza le tensioni dei secondari sono sfasate di 180 gradi tra esse e la connessione centrale è il comune. La connessione centrale è la massa (o negativo) per questo tipo di raddrizzatore. Al primo istante la tensione VS1 ha una semionda positiva, il diodo D1 è polarizzato e conduce corrente mentre la tensione VS2 ha una semionda negativa e il diodo D2 non conduce. Alla successiva semionda la situazione si ribalta e conduce il diodo D2.

Per questo motivo la tensione in uscita è composta da tutte e due le semionde ovviamente ridotte di un valore 1V circa vista la caduta sui diodi che raddrizzano le tensioni del secondario.

Il vantaggio di questa struttura è che non si perdono semionde, il tempo di off è molto piccolo e inoltre si ha una caduta di 1V visto che la corrente passa in un solo diodo alla volta. La corrente del singolo diodo è la metà di quella del carico.

Gli svantaggi di questa struttura sono che richiede un trasformatore a presa centrale, quindi più ingombro, e inoltre funziona un secondario alla volta generando ronzio. La tensione inversa del diodo è il doppio di VS1 (o VS2) visto che quando un diodo è contropolarizzato l’altro conduce. Quindi la tensione inversa del diodo deve essere superiore a 2*VS1*1.41, per sicurezza 4*Vs1*1.41.

 


RADDRIZZATORE A PONTE DI GREATZ

La struttura è composta da 4 diodi in configurazione a ponte di Greatz. Molte volte i ponti sono incapsulati in un unico elemento o si possono creare con 4 diodi. Lo schema è:

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I segnali invece sono:

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Anche se vi sono 4 diodi essi conducono due alla volta in questo schema. Quando Vs ha la semionda positiva, D1 è acceso, D2 spento, D3 vede una semionda negativa ed è acceso anche, quindi la corrente fluisce in D1 e D3. Durante la semionda negativa invece succede il contrario.

Questo schema garantisce di sfruttare tutte e due le semionde senza utilizzare un trasformatore a presa centrale. L’unico svantaggio è visto che la corrente fluisce in due diodi alla volta vi sarà una caduta doppia, ovvero 1.4V idealmente. La tensione inversa vista dai diodi anche in questo caso è pari a Vs quindi per sicurezza basta un diodo con tensione di breakdown di 2*Vs*1.41.

Questa struttura può anche essere usata con un trasformatore a presa centrale per ottenere un raddrizzatore duale, ovvero che fornisce una tensione raddrizzata positiva e una negativa rispetto al comune che è la presa centrale del trasformatore.

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FILTRO CAPACITIVO

Con i raddrizzatori visti prima la tensione passa da alternata a continua anche se presenta un ripple molto grande. Il ripple è definito come una percentuale e indica di quanto varia la tensione. Può anche essere in tensione e indica la massima escursione del segnale. Ad esempio:

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È impossibile avere senza regolatore di tensione un ripple pari a 0, questo richiederebbe un condensatore di filtraggio di valore infinito. Il condensatore di filtraggio viene così connesso:

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Il valore della capacità di filtro si calcola sempre con la stessa formula, solo che nel caso del raddrizzatore a singola semionda, visto che per una intera semionda il diodo è spento, la capacità ha valore doppio. L’equazione è:

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Dove la tensione media Vavg è la tensione che si ottiene in uscita se la capacità è ben dimensionata e dipende dalla tensione del secondario Vs e dal tipo di raddrizzatore usato perché (caduta diodo/i) =1V per la struttura a singola semionda e a doppia semionda mentre (caduta diodo/i) =2V per la struttura a ponte di Greatz. 1.41 è un fattore di trasformazione da valore RMS a valore DC e sarebbe la radice di 2 mentre 50 è la frequenza di rete italiana (60 per gli U.S.A. e altri paesi). Iavg è la corrente media assorbita dal circuito che si vuole alimentare.

Più piccolo è il ripple voluto maggiore è il valore della capacità. I valori di ripple tipici sono 0.01-0.03 per circuiti audio Hi-Fi, 0.03-0.05 per circuiti audio, di misura o altri oppure 0.05-0.07 per circuiti digitali o per circuiti insensibili a tensioni di ripple.

Se successivamente al raddrizzatore con filtro capacitivo si usa un regolatore di tensione, il ripple può essere 0.05-0.07 per qualsiasi applicazioni.

La tensione massima del condensatore deve essere almeno il doppio di quella che vede ai suoi capi per essere sicuri che non si bruci.

Supponiamo di volere in uscita una tensione media di 15V e il nostro circuito assorbe 0.5A. Supponiamo di usare un raddrizzatore a ponte di Greatz e di volere un ripple con valore 0.5. Il valore della capacità sarà C2=0.5/(15*50*0.05*4)=3300µF. Se si usasse un raddrizzatore a singola semionda ci vorrebbe un condensatore C1=6600µF. Per quanto riguarda la tensione del condensatore, esso dovrebbe essere 30V ma non è una taglia comune, si può usare 25V o 50V.

Quando si usa un filtro capacitivo il diodo non conduce per tutta la semionda, ma solo per un breve istante fornendo una corrente abbastanza elevata da caricare la capacità e fornite potenza al carico. Il valore di picco della corrente sarà:

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Quindi la corrente di picco dipende dalla corrente media assorbita e dal ripple. Usando il caso precedente la corrente massima sarebbe Idmax=0.5(1+3.14*sqr(1/0.05)) = 7.5A mentre sarebbero 10.4A se si usasse il raddrizzatore a singola semionda. Quindi bisogna usare un diodo che supporti 0.5A continui con picchi di 7.5A per i diodi del raddrizzatore. Un certo margine di sicurezza va preso.




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TRASFORMATORI DI TENSIONE, RADDRIZZATORI E CALCOLO CAPACITÀ ultima modifica: 2016-11-20T19:51:52+00:00 da ne555

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