Nel precedente tutorial sui diodi di potenza abbiamo discusso i modi per ridurre il ripple o le variazioni di tensione su una tensione continua diretta collegando i condensatori leviganti attraverso la resistenza di carico.

Anche se questo metodo può essere adatto per applicazioni a bassa potenza, non è adatto per applicazioni che necessitano di una tensione di alimentazione CC “costante e regolare”. Un metodo per migliorare su questo è quello di utilizzare ogni mezzo ciclo della tensione di ingresso invece di ogni altro mezzo ciclo., Il circuito che ci permette di fare questo è chiamato un raddrizzatore a onda intera.

Come il circuito a mezza onda, un circuito raddrizzatore a onda intera produce una tensione di uscita o corrente che è puramente DC o ha qualche componente DC specificato. Raddrizzatori a onda intera hanno alcuni vantaggi fondamentali rispetto alle loro controparti raddrizzatore a mezza onda. La tensione di uscita media (DC) è superiore a quella della semionda, l’uscita del raddrizzatore a onda intera ha un’ondulazione molto inferiore a quella del raddrizzatore a mezza onda che produce una forma d’onda di uscita più liscia.,

In un circuito raddrizzatore a onda intera vengono ora utilizzati due diodi, uno per ogni metà del ciclo. Viene utilizzato un trasformatore a più avvolgimenti il cui avvolgimento secondario è diviso equamente in due metà con una connessione centrale comune, (C). Questa configurazione comporta che ogni diodo conduca a sua volta quando il suo terminale anodo è positivo rispetto al punto centrale del trasformatore C producendo un’uscita durante entrambi i semicicli, il doppio di quello per il raddrizzatore a semionda, quindi è efficiente al 100% come mostrato di seguito.,

Circuito raddrizzatore a onda intera

Il circuito raddrizzatore a onda intera è costituito da due diodi di potenza collegati a una singola resistenza di carico (RL) con ciascun diodo che lo prende a sua volta per fornire corrente al carico. Quando il punto A del trasformatore è positivo rispetto al punto C, il diodo D1 conduce in avanti come indicato dalle frecce.,

Quando il punto B è positivo (nella metà negativa del ciclo) rispetto al punto C, il diodo D2 conduce nella direzione in avanti e la corrente che scorre attraverso il resistore R è nella stessa direzione per entrambi i semicicli. Poiché la tensione di uscita attraverso il resistore R è la somma dei fasori delle due forme d’onda combinate, questo tipo di circuito raddrizzatore a onda intera è anche noto come circuito “bifase”.

Possiamo vedere questo effetto abbastanza chiaramente se eseguiamo il circuito nel circuito del simulatore Partsim con il condensatore di levigatura rimosso.,

Partsim Simulation Waveform

Poiché gli spazi tra ogni semionda sviluppata da ciascun diodo vengono ora riempiti dall’altro diodo, la tensione di uscita DC media attraverso il resistore di carico è ora doppia rispetto al singolo circuito raddrizzatore a semionda ed è circa 0,637 Vmax della tensione di picco, senza perdite.

Dove: VMAX è il valore di picco massimo in una metà dell’avvolgimento secondario e VRMS è il valore rms.,

La tensione di picco della forma d’onda di uscita è la stessa di prima per il raddrizzatore a semionda a condizione che ogni metà degli avvolgimenti del trasformatore abbia lo stesso valore di tensione rms. Per ottenere una diversa uscita di tensione CC è possibile utilizzare diversi rapporti di trasformatore.

Lo svantaggio principale di questo tipo di circuito raddrizzatore a onda intera è che è richiesto un trasformatore più grande per una data potenza con due avvolgimenti secondari separati ma identici che rendono questo tipo di circuito raddrizzatore a onda intera costoso rispetto all’equivalente del circuito “Raddrizzatore a ponte a onda intera”.,

Il raddrizzatore a ponte a onda intera

Un altro tipo di circuito che produce la stessa forma d’onda di uscita del circuito raddrizzatore a onda intera sopra, è quello del raddrizzatore a ponte a onda intera. Questo tipo di raddrizzatore monofase utilizza quattro singoli diodi raddrizzatori collegati in una configurazione a “ponte” ad anello chiuso per produrre l’uscita desiderata.

Il vantaggio principale di questo circuito a ponte è che non richiede uno speciale trasformatore a centro maschiato, riducendo così dimensioni e costi., Il singolo avvolgimento secondario è collegato a un lato della rete a ponte a diodi e il carico sull’altro lato come mostrato di seguito.

Il raddrizzatore a ponte a diodi

I quattro diodi etichettati da D1 a D4 sono disposti in “coppie di serie” con solo due diodi che conducono corrente durante ogni mezzo ciclo. Durante il mezzo ciclo positivo dell’alimentazione, i diodi D1 e D2 conducono in serie mentre i diodi D3 e D4 sono invertiti e la corrente scorre attraverso il carico come mostrato di seguito.,

Il semiciclo positivo

Durante il semiciclo negativo dell’alimentazione, i diodi D3 e D4 conducono in serie, ma i diodi D1 e D2 si spengono poiché ora sono invertiti. La corrente che scorre attraverso il carico è la stessa direzione di prima.,

La semionda Negativa

Come il flusso di corrente attraverso il carico è unidirezionale, in modo che la tensione sviluppata attraverso il carico è anche unidirezionale stesso, come per i precedenti due diodi full-raddrizzatore a onda, quindi la media tensione DC attraverso il carico è 0.637 Vmax.

Tuttavia in realtà, durante ogni mezzo ciclo la corrente scorre attraverso due diodi invece di uno solo quindi l’ampiezza della tensione di uscita è di due cadute di tensione ( 2*0.7 = 1.,4V ) inferiore all’ampiezza VMAX in ingresso. La frequenza di ripple è ora il doppio della frequenza di alimentazione (ad esempio 100Hz per un’alimentazione 50Hz o 120Hz per un’alimentazione 60Hz.)

Sebbene possiamo utilizzare quattro singoli diodi di potenza per realizzare un raddrizzatore a ponte a onda intera, i componenti del raddrizzatore a ponte pre-realizzati sono disponibili ” off-the-shelf” in una gamma di diverse dimensioni di tensione e corrente che possono essere saldati direttamente in un circuito stampato o collegati da connettori a forcella.

L’immagine a destra mostra un tipico raddrizzatore a ponte monofase con un angolo tagliato., Questo angolo di cut-off indica che il terminale più vicino all’angolo è il terminale di uscita positivo o +ve o piombo con il cavo opposto (diagonale) è il cavo di uscita negativo o-ve. Gli altri due cavi di collegamento sono per la tensione alternata di ingresso da un avvolgimento secondario del trasformatore.

Il condensatore di Smoothing

Abbiamo visto nella sezione precedente che il raddrizzatore a semionda monofase produce un’onda di uscita ogni mezzo ciclo e che non era pratico utilizzare questo tipo di circuito per produrre un’alimentazione CONTINUA costante., Il raddrizzatore a ponte a onda intera, tuttavia, ci dà un valore DC medio maggiore (0.637 Vmax) con ondulazione meno sovrapposta mentre la forma d’onda in uscita è il doppio della frequenza della frequenza di alimentazione in ingresso.

Possiamo migliorare l’uscita DC media del raddrizzatore riducendo allo stesso tempo la variazione AC dell’uscita rettificata utilizzando condensatori leviganti per filtrare la forma d’onda di uscita., Lisciatura o condensatori serbatoio collegati in parallelo con il carico attraverso l’uscita del circuito raddrizzatore a ponte a onda intera aumenta il livello medio di uscita DC ancora più alto come il condensatore agisce come un dispositivo di memorizzazione come mostrato di seguito.

Raddrizzatore a onda intera con condensatore di levigatura

Il condensatore di levigatura converte l’uscita increspata a onda intera del raddrizzatore in una tensione di uscita CC più liscia., Se ora eseguiamo il circuito del simulatore Partsim con diversi valori di condensatore di levigatura installato, possiamo vedere l’effetto che ha sulla forma d’onda di uscita rettificata come mostrato.

5uF Smoothing Capacitor

Il grafico blu sulla forma d’onda mostra il risultato dell’utilizzo di un condensatore di smoothing 5.0 uF attraverso l’uscita dei raddrizzatori. In precedenza la tensione di carico seguiva la forma d’onda di uscita rettificata fino a zero volt., Qui il condensatore 5uF viene caricato sulla tensione di picco dell’impulso DC in uscita, ma quando scende dalla sua tensione di picco a zero volt, il condensatore non può scaricarsi rapidamente a causa della costante di tempo RC del circuito.

In questo modo il condensatore si scarica fino a circa 3,6 volt, in questo esempio, mantenendo la tensione attraverso il resistore di carico fino a quando il condensatore si ricarica nuovamente sulla successiva pendenza positiva dell’impulso DC. In altre parole, il condensatore ha solo il tempo di scaricarsi brevemente prima che il prossimo impulso DC lo ricarichi fino al valore di picco., Pertanto, la tensione continua applicata al resistore di carico scende solo di una piccola quantità. Ma possiamo migliorare questo ancora aumentando il valore del condensatore di levigatura come mostrato.

50uF Smoothing Capacitor

Qui abbiamo aumentato il valore del condensatore smoothing di dieci volte da 5uF a 50uF che ha ridotto il ripple aumentando la tensione minima di scarica dai precedenti 3.6 volt a 7.9 volt., Tuttavia, utilizzando il circuito del simulatore Partsim abbiamo scelto un carico di 1kΩ per ottenere questi valori, ma man mano che l’impedenza di carico diminuisce la corrente di carico aumenta causando lo scarico del condensatore più rapidamente tra gli impulsi di carica.

L’effetto di una fornitura di un carico pesante con un singolo condensatore lisciatura o serbatoio può essere ridotto con l’uso di un condensatore più grande che memorizza più energia e scarica meno tra impulsi di carica., Generalmente per i circuiti di alimentazione DC il condensatore di lisciatura è un tipo elettrolitico di alluminio che ha un valore di capacità di 100uF o più con ripetuti impulsi di tensione CONTINUA dal raddrizzatore che carica il condensatore fino alla tensione di picco.

Tuttavia, ci sono due parametri importanti da considerare quando si sceglie un condensatore di lisciatura adatto e questi sono la sua Tensione di lavoro, che deve essere superiore al valore di uscita a vuoto del raddrizzatore e il suo valore di capacità, che determina la quantità di ondulazione che apparirà sovrapposta alla tensione CONTINUA.,

Un valore di capacità troppo basso e il condensatore ha scarso effetto sulla forma d’onda di uscita. Ma se il condensatore di levigatura è sufficientemente grande (è possibile utilizzare condensatori paralleli) e la corrente di carico non è troppo grande, la tensione di uscita sarà quasi liscia come la pura DC. Come regola generale, stiamo cercando di avere una tensione di ripple inferiore a 100mV da picco a picco.,

L’ondulazione massima tensione presente per un Raddrizzatore a Onda intera circuito non è solo determinato dal valore del condensatore di livellamento, ma la frequenza e la corrente di carico, ed è calcolato come:

raddrizzatore a Ponte Raddrizzatore di Tensione di Ondulazione

Dove: i è il DC corrente di carico in ampere, ƒ la frequenza del ripple o due volte la frequenza di ingresso in Hertz, e C è la capacità in Farad.,

I principali vantaggi di un raddrizzatore a ponte a onda intera è che ha un valore di ripple CA più piccolo per un dato carico e un serbatoio o condensatore di levigatura più piccolo di un raddrizzatore a semionda equivalente. Pertanto, la frequenza fondamentale della tensione di ripple è due volte quella della frequenza di alimentazione CA (100Hz) dove per il raddrizzatore a semionda è esattamente uguale alla frequenza di alimentazione (50Hz).,

La quantità di tensione di ripple che viene sovrapposta alla tensione di alimentazione CC dai diodi può essere virtualmente eliminata aggiungendo un filtro π molto migliorato (filtro pi) ai terminali di uscita del raddrizzatore a ponte., Questo tipo di filtro passa-basso si compone di due levigante condensatori, di solito, di valore e un choke o induttanza attraverso l’introduzione di una alta impedenza percorso di alternanza componente di ripple

un Altro più pratico e più conveniente alternativa è quella di utilizzare un off the shelf 3-terminale regolatore di tensione IC, come un LM78xx (dove “xx” rappresenta la tensione di uscita nominale) per una positiva tensione di uscita o il suo inverso equivalente il LM79xx negativo della tensione di uscita, che può ridurre il ripple da più di 70 db (Datasheet), pur offrendo una costante corrente di uscita di oltre 1 amp.,

Perché non testare le tue conoscenze sui circuiti raddrizzatori a onda intera utilizzando lo strumento Partsim Simulator oggi. Provare diversi valori di lisciatura condensatore e resistenza di carico nel circuito per vedere gli effetti sulla forma d’onda di uscita.

Nel prossimo tutorial sui diodi, vedremo il diodo Zener che sfrutta la sua caratteristica di tensione di rottura inversa per produrre una tensione di uscita costante e fissa su se stesso.