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Dalla corrente alternata alla corrente continua




Alimentatore

foto alimentatore

Chi si avvicina per le prime volte all'elettronica, spesso tende a confondere alcune definizioni base che altri danno per scontate. Succede proprio questo quando si parla di "trasformatori" o di "alimentatori". Gli alimentatori contengono al loro interno un circuito con svariati componenti, tra i quali almeno un trasformatore. Questi componenti sono appositamente collegati tra di loro per trasformare la tensione di casa alternata in una tensione continua in uscita, ad esempio 12v o 24v.
Alcuni dispongono di un selettore per variare la tensione di uscita in base alle esigenze, altri sono semplicemente stabilizzati ad una particolare tensione. Un alimentatore ha dei limiti nella corrente che può fornire ad una determinata tensione, quindi spesso si trova stampato sul contenitore la potenza massima o la corrente massima che può erogare. Essendo la potenza una moltiplicazione tra corrente e tensione, è facile risalire alla corrente: se il nostro alimentatore fornisce 12volt a 50watt, è sufficiente calcolare 50W/12v = 4.1A di corrente massima.


Il trasformatore

    trasformatore primario nucleo secondario
Ma allora il trasformatore cos'è? Il trasformatore è un componente unico. E' costituito da un grosso blocco di ferro, composto da tanti sottili lamierini impacchettati tra loro, attorno ai quali sono avvolte delle spire di filo in rame smaltato. Come molti di voi probabilmente sanno, se avvolgete un cavetto attorno ad un chiodo e alimentate le due estremità, il chiodo diventa una piccola calamita. Viceversa, se voi muovete velocemente una calamita accanto al chiodo mentre l'avvolgimento non è alimentato, ai capi dello stesso potete misurare una tensione (ma solo se il magnete è in costante movimento!). Questi due principi, ovvero l'elettrocalamita e l'effetto dinamo, vengono utilizzati entrambi nel trasformatore, per generare le tensioni e le correnti volute. A sinistra del nucleo ferromagnetico (nome tecnico del pacco di lamierini) troviamo un avvolgimento, collegato alla tensione di rete. Questo avvolgimento, trasforma il nucleo in una elettrocalamita ma attenzione: la corrente di casa è alternata, quindi, il polo nord e sud di questa elettrocalamita si inverte continuamente, ben 50 volte al secondo! Come abbiamo visto per il chiodo, questa "elettrocalamita" generata dal primo avvolgimento, induce una tensione nell'avvolgimento a destra, tensione che mantiene la caratteristica alternata a 50hertz. La tensione che misuriamo sull'uscita dell'avvolgimento detto secondario, dipende dal rapporto spire tra primario e secondario. Se avessimo 220 spire sul primario e 1000 spire sul secondario, la tensione in uscita sarebbe di ben 1000 volt! Questo perchè tramite le spire decidiamo quanto campo magnetico "imbrigliare" per trasformarlo in tensione. Ricordate però che aumentando la tensione, la corrente diminuisce, poichè la potenza in entrata (che è il rapporto tra tensione e corrente P = V*I) non può che equivalere a quella in uscita (trascurando le perdite).

Dunque immaginiamo un trasformatore con  220 spire di primario e 12 di secondario: ci offrirà in uscita una tensione alternata di 12 volt. Significa che la tensione sale fino a +12 e scende fino a -12 volt, (ovvero + e - si invertono) 50 volte al secondo, tecnicamente 50Hz. Questa non è affatto tensione continua, quindi è necessario aggiungere altri componenti, quelli che ad esempio sono presenti in un alimentatore. Esistono tanti schemi diversi per ottenere una tensione continua, alcuni piu stabili, altri meno efficienti, ecc. Esaminiamone i principali.

Raddrizzatore ad una semionda
raddrizzatore ad una semionda
In questo schema potete distinguere 3 componenti, ovvero il trasformatore, indicato con due avvolgimenti simbolici, il diodo D1 ed il condensatore C1. Il trasformatore come affrontato poco fa, trasforma la tensione alternata a 220 volt in una tensione minore che dipende dal rapporto spire primario/secondario. Questa tensione è ancora alternata, quindi prima del diodo D1 abbiamo una corrente che cambia verso continuamente. Come potete vedere dallo schema, il diodo è un particolare componente elettronico che si fa attraversare dalla corrente solo se questa scorre dall'anodo verso il catodo, ovvero nella direzione del triangolo che lo rappresenta. Ciò che si ottiene applicando ad un diodo una tensione alternata lo possiamo apprezzare nello schema seguente:

grafico raddrizzatore ad una semionda

E' evidente come il diodo se polarizzato direttamente, ovvero con la corrente che lo attraversa dall'anodo verso il catodo, lascia passare la semionda positiva, mentre quando la tensione scende nei pressi dello zero, la semionda negativa viene bloccata poichè il diodo si comporta come un interruttore su OFF. La tensione ottenuta non è ancora lineare comunque, infatti per metà mostra una variazione da zero alla tensione massima, mentre per l'altra metà del periodo è completamente a zero: se alimentate qualsiasi circuito che richiede tensione continua con questa semionda probabilmente non funzionerà. Il trucco per "livellare" la tensione, è l'inserimento di un condensatore detto di livellamento. Il condensatore è un particolare componente elettrico che immagazzina una certa carica, come fosse una piccola batteria, ma è capace di rilasciare la carica anche istantaneamente quando necessario; questo a differenza delle normali batterie che sono molto più lente e meno durevoli nel tempo.
grafico condensatore di livellamento

In questo schema potete notare l'effetto del condensatore. La linea blu è la tensione che otteniamo inserendo il condensatore nel circuito: al crescere della tensione il condensatore si carica, per poi rilasciare l'energia quando manca la tensione di alimentazione. Notare che l'area tratteggiata, l'energia rilasciata dal condensatore, è molto estesa. Questo significa che C1 sarà molto stressato in questa applicazione, e la tensione in uscita non sarà perfettamente lineare poiché nel lungo periodo temporale senza possibilità di ricarica, la tensione fornita dal condensatore inizia a scendere. Un alimentatore del genere, nonostante non sia perfetto, riesce già a fornire una tensione sufficientemente stabile per alimentare una buona parte di apparecchiature che richiedono piccole correnti: correnti troppo intense scaricherebbero velocemente il condensatore che non riuscirebbe a mantenere la tensione a livelli accettabili!


Raddrizzatore a doppia semionda ( utilizzando il trasformatore a presa centrale)

trasformatore presa centrale e doppia semionda

Ecco una configurazione decisamente piu' efficiente: abbiamo aggiunto solamente il diodo D2, però notiamo una differenza nel trasformatore. Il secondario non è un secondario normale, ma nella spira centrale dell'avvolgimento è presente un connettore che utilizziamo come massa, cioè zero volt. Alle estremità dell'avvolgimento invece si ha una tensione con la sinusoide sfasata di 180°: praticamente quando da un capo la tensione misurata è al massimo, dall'altro è al minimo e viceversa.

grafico raddrizzatore doppia semionda presa centrale

Quindi se noi utilizziamo due diodi rivolti nella stessa direzione, quando in D1 mancherà la tensione poichè la corrente scorre nel senso inverso, D2 invece lascierà passare una semionda positiva, che andrà a colmare il vuoto che normalmente un solo diodo causerebbe (vedesi alimentatore ad una semionda). Ma ancora la tensione mostra dei picchi che raggiungono gli zero volt, e questo è inacettabile per un circuito che richiede tensione continua. Anche in questo caso si ricorre ad un condensatore, ottenendo questo effetto:
condensatore di livellamento doppia semionda

L'effetto è uguale al precedente, però potete notare come l'area che il condensatore deve riempire è molto minore rispetto allo schema precedente, infatti in questo caso il componente viene stressato molto meno, ed inoltre il piccolo disturbo rimanente, definito in gergo "ripple" è molto meno accentuato. Il prossimo schema è comunque di gran lunga il più utilizzato poiché non necessita di trasformatore a presa centrale.


Raddrizzatore a doppia semionda

raddrizzatore doppia semionda a ponte di graetz

Questo particolare groviglio di diodi è definito ponte di Graetz. Con questo cuorioso stratagemma è possibile ottenere una tensione raddrizzata a doppia semionda senza ricorrere ad un trasformatore con presa centrale! Per capire cosa succede quando la tensione attraversa i quattro diodi, è necessario esaminare i due casi separati, il primo quando si ha la semionda positiva, il secondo quando si ha la semionda negativa. Vi ricordo che la corrente scorre solamente dall'anodo verso il catodo del diodo!
percorso correnti ponte di graetz

Le frecce nel centro non indicano che la corrente attraversa il "vuoto" ma significa che comunque si manifesta una tensione tra i due nodi indicati, dai quali come potete notare preleviamo appunto il positivo ed il negativo. Osservate come la corrente negativa seguendo un percorso alternativo, arriva comunque ai nodi interessati scorrendo nella stessa direzione di quella positiva e quindi mantenendo invariate le polaritÓ dei due nodi interessati! In questo modo sul nodo a cui colleghiamo il positivo si manifesta sempre e comunque una tensione positiva, mentre sul negativo sempre tensione negativa! In uscita avremo lo stesso tipo di onda che abbiamo apprezzato nello schema precedente:
grafico condensatore livellamento ripple

Tutto questo senza ricorrere ad un trasformatore a presa centrale! Forse qualcuno obbietterà "ok non uso il trasformatore a presa centrale, ma vedi che groviglio di diodi". Sarebbe anche una buona osservazione, ma questi diodi non dovete montarli voi separatamente, il ponte di graetz si trova comunemente in un negozio di elettronica ed ha più o meno questo aspetto nella maggior parte dei casi:

ponte di graetz foto

Concludo comunque dicendo che esistono alimentatori "stabilizzati" capaci di fornire una tensione perfettamente livellata eliminando totalmente il ripple. Questi sono necessari per alimentare circuiti estremamente sensibili come ad esempio un PIC o altri tipi di microprocessori. Affronterò questo tema in un prossimo articolo.









Trasformatori ed Alimentatori
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Alimentatori e trasformatori, cosa sono e come funzionano nel dettaglio. Ecco cosa si nasconde in questi oggetti di tutti i giorni!



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