DiodiDiodi

Funzionamento ed applicazioniFunzionamento ed applicazioni

Il diodo è un dispositivoIl diodo è un dispositivo

a due terminali, chiamati rispettivamente a due terminali, chiamati rispettivamente anodo e catodoanodo e catodo

unidirezionale: esso si lascia attraversare unidirezionale: esso si lascia attraversare dalla corrente solo in un verso, dall’anodo al dalla corrente solo in un verso, dall’anodo al catodocatodo

non linearenon lineare

A K

Il diodo può essere Il diodo può essere polarizzatopolarizzato

direttamente, se il direttamente, se il potenziale all’anodo potenziale all’anodo è maggiore di quello è maggiore di quello al catodo (Vak>0); in al catodo (Vak>0); in questo caso il diodo questo caso il diodo può condurrepuò condurre

K

A

R

+

-E

oppureoppure

Inversamente se il Inversamente se il potenziale all’anodo potenziale all’anodo è minore di quello al è minore di quello al catodo (Vak<0); in catodo (Vak<0); in questo caso il diodo questo caso il diodo non conducenon conduce

K

A

R

+

-E

La caratteristica del diodoLa caratteristica del diodomostra che se è polarizzatomostra che se è polarizzato

Inversamente Inversamente (Vak<0), esso non (Vak<0), esso non conduceconduce

Direttamente Direttamente (Vak>0), esso entra (Vak>0), esso entra in conduzione in conduzione quando Vak supera quando Vak supera un valore di soglia un valore di soglia (0.5V nei diodi al (0.5V nei diodi al silicio)silicio)

Inoltre la caratteristica Inoltre la caratteristica mostra chemostra che

Quando Vak oltre- Quando Vak oltre- passa la soglia, il passa la soglia, il diodo entra diodo entra bruscamente in bruscamente in conduzione; piccoli conduzione; piccoli incrementi di Vak incrementi di Vak provocano grandi provocano grandi incrementi di incrementi di correntecorrente

Notiamo ancora cheNotiamo ancora che

Quando il diodo è in Quando il diodo è in piena conduzione, la piena conduzione, la tensione ai suoi capi tensione ai suoi capi si stabilizza, più o si stabilizza, più o meno, intorno a 0.7Vmeno, intorno a 0.7V

La resistenza La resistenza differenziale del diodo rddifferenziale del diodo rd

è il rapporto tra la è il rapporto tra la variazione di Vak e la variazione di Vak e la corrispondente corrispondente variazione subita da I. Il variazione subita da I. Il tratto di caratteristica in tratto di caratteristica in cui il diodo è in piena cui il diodo è in piena conduzione è molto conduzione è molto ripido; perciò, piccole ripido; perciò, piccole variazioni di Vak variazioni di Vak provocano grandi provocano grandi variazioni di I e la variazioni di I e la resistenza differenziale resistenza differenziale rd è molto piccolard è molto piccola

I

Vakrd

La caratteristica del La caratteristica del diododiodomostra ancoramostra ancora

che il componente non è lineare; infatti la che il componente non è lineare; infatti la caratteristica corrente tensione non è caratteristica corrente tensione non è lineare ma esponenziale; anzi la corrente I lineare ma esponenziale; anzi la corrente I che attraversa il diodo e la tensione ai suoi che attraversa il diodo e la tensione ai suoi capi Vak sono legati dalla relazione:capi Vak sono legati dalla relazione:

10

T

ak

VV

eII

Nell’ equazione della Nell’ equazione della caratteristica del diodocaratteristica del diodo

Io è una corrente di piccolo valore, tipica del Io è una corrente di piccolo valore, tipica del diodo stesso, legata alla sua struttura e alla diodo stesso, legata alla sua struttura e alla temperatura a cui si trova il dispositivo; Io è temperatura a cui si trova il dispositivo; Io è chiamata corrente inversa perché, come chiamata corrente inversa perché, come vedremo, essa è la piccola corrente che vedremo, essa è la piccola corrente che attraversa il diodo, quando è polarizzato attraversa il diodo, quando è polarizzato inversamente inversamente

VVTT è una tensione determinata dalla è una tensione determinata dalla temperatura a cui si trova il dispositivo; a 25temperatura a cui si trova il dispositivo; a 25ooC, C, VVTT vale 25mV vale 25mV

Come è fatto il diodo?Come è fatto il diodo?

Per realizzare i diodi si usano i Per realizzare i diodi si usano i semiconduttori, così chiamati perché semiconduttori, così chiamati perché hanno proprietà elettriche, in qualche hanno proprietà elettriche, in qualche modo, intermedie tra i conduttori e gli modo, intermedie tra i conduttori e gli isolantiisolanti

I semiconduttori più usati sono il Silicio, I semiconduttori più usati sono il Silicio, molto diffuso sul nostro pianeta, e il molto diffuso sul nostro pianeta, e il GermanioGermanio

I semiconduttori possono I semiconduttori possono essereessere

puri, o intrinseci; in questo caso essi puri, o intrinseci; in questo caso essi hanno un eguale numero di portatori di hanno un eguale numero di portatori di carica positivi, chiamate lacune, e di carica positivi, chiamate lacune, e di portatori negativi, gli elettroniportatori negativi, gli elettroni

+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-

intrinseco

oppure possono essereoppure possono essere

drogati di tipo P; in questo caso la drogati di tipo P; in questo caso la composizione chimica del semicon- composizione chimica del semicon- duttore è stata alterata in modo che le duttore è stata alterata in modo che le lacune (positive) siano maggioritarie lacune (positive) siano maggioritarie rispetto agli elettronirispetto agli elettroni

++-++++++-++++++++++++-+++++-+++++++

Tipo P

oppure possono essereoppure possono essere

drogati di tipo N; in questo caso la drogati di tipo N; in questo caso la composizione chimica del semicon-composizione chimica del semicon-duttore è stata alterata in modo che gli duttore è stata alterata in modo che gli elettroni siano maggioritari rispetto alle elettroni siano maggioritari rispetto alle lacunelacune

- - + - - - - - - + - - - - - - - - - - - +-- - - - + - - - - - -+

Tipo N

Il diodo è una giunzione Il diodo è una giunzione PNPN

Esso viene realizzato drogando una Esso viene realizzato drogando una barretta di Silicio in modo che essa risulti barretta di Silicio in modo che essa risulti da un lato di tipo P (con portatori da un lato di tipo P (con portatori maggioritari positivi) e dall’altro di tipo N maggioritari positivi) e dall’altro di tipo N (con portatori maggioritari negativi)(con portatori maggioritari negativi)

Nella figura non sono indicati i portatori Nella figura non sono indicati i portatori minoritariminoritari

+ + + + ++ + + + ++ + + + ++ + + + ++ + + + ++ + + + +

- - - - -- - - - -- - - - -

P N

A K

La polarizzazione direttaLa polarizzazione diretta

mette in moto le cariche maggioritarie, mette in moto le cariche maggioritarie, che sono molte, e perciò la corrente I che sono molte, e perciò la corrente I diretta cresce rapidamente all’aumentare diretta cresce rapidamente all’aumentare di V; ciò è vero se V supera una barriera di V; ciò è vero se V supera una barriera di potenziale, di circa 0.5V, che è di potenziale, di circa 0.5V, che è all’interno della giunzioneall’interno della giunzione

+ + + + ++ + + + ++ + + + ++ + + + ++ + + + ++ + + + +

- - - - -- - - - -- - - - -

A K

+ -V

P NI

La polarizzazione inversaLa polarizzazione inversa

mette in moto le cariche minoritarie, che mette in moto le cariche minoritarie, che sono poche; la corrente Io che scorre in sono poche; la corrente Io che scorre in un diodo polarizzato inversamente è, un diodo polarizzato inversamente è, perciò, molto piccola e quasi sempre perciò, molto piccola e quasi sempre viene trascurata; essa cresce viene trascurata; essa cresce all’aumentare della temperatura.all’aumentare della temperatura.

- --- --

+ ++ +

A K

VP N Io

+-

Limiti di funzionamentoLimiti di funzionamento

La corrente che attraversa un diodo La corrente che attraversa un diodo polarizzato direttamente non deve polarizzato direttamente non deve superare un certo valore, tipico del superare un certo valore, tipico del dispositivo; altrimenti la potenza che dispositivo; altrimenti la potenza che esso dissipa (Pd=Iesso dissipa (Pd=IVak) diventa Vak) diventa eccessiva ed esso si brucia per effetto eccessiva ed esso si brucia per effetto JouleJoule

Per limitare la corrente Per limitare la corrente che attraversa il diodoche attraversa il diodo

si inserisce, in serie ad esso, una resistenza R si inserisce, in serie ad esso, una resistenza R che determina una corrente:che determina una corrente:

maxIR

VakEI

1N4001

R

+

-E 10V

La polarizzazione inversa La polarizzazione inversa non devenon deve

superare un certo valore superare un certo valore tipico del diodo (la tipico del diodo (la tensione di breakdown); tensione di breakdown); oltrepassata questa oltrepassata questa tensione, il numero di tensione, il numero di cariche minoritarie cariche minoritarie cresce bruscamente e, cresce bruscamente e, con esse, la corrente con esse, la corrente inversa; questo inversa; questo fenomeno, nei diodi fenomeno, nei diodi normali, è distruttivonormali, è distruttivo

Del diodo si danno tre Del diodo si danno tre modelli semplificativimodelli semplificativi

Nel primo modello, noto Nel primo modello, noto come modello del come modello del diododiodo idealeideale, si assume che il , si assume che il diodo polarizzato inver-diodo polarizzato inver-samente sia un tasto samente sia un tasto aperto (I=0); mentre il aperto (I=0); mentre il diodo polarizzato diret-diodo polarizzato diret-tamente è considerato tamente è considerato un cortocircuito (Vak=0)un cortocircuito (Vak=0)

Vak

I

Se utilizziamo il 1Se utilizziamo il 1oo modellomodello

Nell’analisi circuitale, Nell’analisi circuitale, il diodo polarizzato il diodo polarizzato direttamente va direttamente va sostituito con un sostituito con un cortocircuitocortocircuito

K

A

R

+

-E

K

A

R

+

-E

Mentre, il diodo Mentre, il diodo polarizzato inversamentepolarizzato inversamente

Nell’analisi circuitale, Nell’analisi circuitale, va sostituito con un va sostituito con un circuito apertocircuito aperto

K

A

R

+

-E

K

A

R

+

-E

Nel secondo modello Nel secondo modello semplificativosemplificativo

Il diodo polarizzato Il diodo polarizzato inversamente è inversamente è trattato sempre come trattato sempre come un tasto apertoun tasto aperto

Si assume che la Si assume che la caduta di tensione ai caduta di tensione ai capi di un diodo in capi di un diodo in conduzione rimanga conduzione rimanga costante al valore di costante al valore di 0.7V0.7V

I

Vak0.7V

Nel secondo modelloNel secondo modello

Il diodo polarizzato Il diodo polarizzato inversamente è inversamente è sempre sostituito da sempre sostituito da un tasto apertoun tasto aperto

Il diodo polarizzato Il diodo polarizzato direttamente, direttamente, nell’analisi circuitale, nell’analisi circuitale, è sostituito da una è sostituito da una “controbatteria” di “controbatteria” di valore 0.7Vvalore 0.7V

K

A

R

+

-E

K

A+

-0.7V

R

+

-E

Nel terzo modello Nel terzo modello semplificativosemplificativo

Il diodo polarizzato Il diodo polarizzato inversamente è trattato inversamente è trattato sempre come un tasto sempre come un tasto apertoaperto

Si assume che la Si assume che la caduta di tensione ai caduta di tensione ai capi del un diodo in capi del un diodo in conduzione cresca conduzione cresca poco, ma linearmente poco, ma linearmente con lacon la corrente ( e non corrente ( e non esponenzialmente esponenzialmente come nella realtà)come nella realtà)

Vak

I

0.7V

Nel terzo modelloNel terzo modello

Il diodo polarizzato Il diodo polarizzato inversamente è sempre inversamente è sempre sostituito da un tasto sostituito da un tasto apertoaperto

Il diodo polarizzato Il diodo polarizzato direttamente, nell’analisi direttamente, nell’analisi circuitale, è sostituito da circuitale, è sostituito da una “controbatteria” di una “controbatteria” di valore 0.7V con in serie valore 0.7V con in serie la piccola resistenza la piccola resistenza differenziale del diodo, differenziale del diodo, supposta costantesupposta costante

K

A

rd

+

-0.7V

R

+

-E

K

A

R

+

-E

Nei tre modelliNei tre modelli

Il comportamento del diodo è stato Il comportamento del diodo è stato linearizzato a linearizzato a trattitratti

Infatti la sua caratteristica, esponenziale, Infatti la sua caratteristica, esponenziale, è stata approssimata ad un’altra è stata approssimata ad un’altra costituita da due semirette; una descrive costituita da due semirette; una descrive il diodo in polarizzazione inversa (diodo il diodo in polarizzazione inversa (diodo interdetto); l’altra descrive il diodo interdetto); l’altra descrive il diodo polarizzato direttamentepolarizzato direttamente

Il punto di funzionamento Il punto di funzionamento del diododel diodo

È il punto individuato nel È il punto individuato nel piano I-Vak, dalla piano I-Vak, dalla corrente I che attraversa corrente I che attraversa il diodo, e dalla tensione il diodo, e dalla tensione Vak ai suoi capiVak ai suoi capi

Nelle reti in continua il Nelle reti in continua il punto di funzionamento punto di funzionamento Q non cambia posizione Q non cambia posizione nel tempo; perciò viene nel tempo; perciò viene chiamato punto di riposochiamato punto di riposo

Il punto di riposo del Il punto di riposo del diododiodo

Può essere determi-Può essere determi-nato analiticamente, nato analiticamente, applicando uno dei applicando uno dei modelli visti, spesso modelli visti, spesso il secondoil secondo

K

A

R

+

-E

K

A+

-0.7V

R

+

-E

R

VE

R

VakEI

7.0

0ppure può essere 0ppure può essere determinato determinato graficamentegraficamente

Basta risolvere, per via grafica, il sistemaBasta risolvere, per via grafica, il sistema

K

A

R

+

-E

1TVVak

eIoI

VakIRE

II

Osserviamo cheOsserviamo che

la seconda equazione è quella la seconda equazione è quella caratteristica del diodocaratteristica del diodo

la prima non è altro che il 2la prima non è altro che il 2oo principio di principio di Kirchoff applicato alla maglia contenente Kirchoff applicato alla maglia contenente il diodo; essa può essere riscritta nel il diodo; essa può essere riscritta nel modo seguente:modo seguente:

R

VakEI

Notiamo ancora cheNotiamo ancora che

Il luogo dei punti del Il luogo dei punti del piano I/Vak che piano I/Vak che soddisfano la soddisfano la seconda equazione è seconda equazione è la caratteristica del la caratteristica del diododiodo

1TV

Vak

eIoI

Mentre il luogo dei puntiMentre il luogo dei punti

del piano I/Vak che del piano I/Vak che soddisfano la prima soddisfano la prima equazione, cioè il 2equazione, cioè il 2oo principio di Kirchoff è principio di Kirchoff è una rettauna retta

Essa è chiamata Essa è chiamata retta di carico; il suo retta di carico; il suo coefficiente angolare coefficiente angolare (o pendenza) è:(o pendenza) è:

R

VakEI

Rm

1

La retta di carico La retta di carico intersecainterseca

l’asse I nel punto A; l’asse I nel punto A; questo punto ha questo punto ha Vak=0 e perciò in Vak=0 e perciò in questo punto I=E/Rquesto punto I=E/R

l’asse Vak nel punto l’asse Vak nel punto B; questo punto ha B; questo punto ha I=0; perciò, in questo I=0; perciò, in questo punto Vak=Epunto Vak=E

II

VakVak

AA

BB

E/RE/R

EE

Unendo A e B si ottieneUnendo A e B si ottiene

La retta di carico nel La retta di carico nel piano I/Vak, dove piano I/Vak, dove troviamo anche la troviamo anche la caratteristica del caratteristica del diododiodo

Il punto di riposo Q del Il punto di riposo Q del diodo deve starediodo deve stare

ovviamente sulla ovviamente sulla caratteristica del caratteristica del dispositivodispositivo

e anche sulla retta di e anche sulla retta di carico, perché il diodo è carico, perché il diodo è inserito in una maglia e il inserito in una maglia e il 2200K deve essere K deve essere soddisfattosoddisfatto

Il punto di riposo è perciò Il punto di riposo è perciò l’intersezione tra la l’intersezione tra la caratteristica e la retta di caratteristica e la retta di caricocarico

RaddrizzatoriRaddrizzatori

A semionda e a onda interaA semionda e a onda intera

I raddrizzatori a I raddrizzatori a semiondasemionda

smistano sul carico smistano sul carico solo una delle due solo una delle due semionde del semionde del segnale di ingresso, segnale di ingresso, bloccando l’altrabloccando l’altra

0.000ms 20.00ms 40.00ms

A: vin 40.00 V

-40.00 V

B: vout 35.00 V

-5.000 V

I raddrizzatori ad onda I raddrizzatori ad onda interaintera

smistano sul carico smistano sul carico una semionda del una semionda del segnale di ingresso segnale di ingresso mentre ribaltano mentre ribaltano l’altral’altra

0.000ms 20.00ms 40.00ms

A: vin 40.00 V

-40.00 V

B: vout 35.00 V

-5.000 V

In ogni casoIn ogni caso

la tensione uscente da un raddrizzatore è la tensione uscente da un raddrizzatore è unipolare e, perciò, a valor medio diverso unipolare e, perciò, a valor medio diverso da zero. I raddrizzatori sono impiegati, da zero. I raddrizzatori sono impiegati, insieme ad altri blocchi, per convertire insieme ad altri blocchi, per convertire una tensione ac, come quella di rete, in una tensione ac, come quella di rete, in una tensione continua (dc) utile per una tensione continua (dc) utile per alimentare le apparecchiature alimentare le apparecchiature elettroniche. Essi hanno anche tante altre elettroniche. Essi hanno anche tante altre applicazioniapplicazioni

I raddrizzatori spessoI raddrizzatori spesso

sono preceduti da un trasformatore; di solito sono preceduti da un trasformatore; di solito esso è utilizzato per ridurre la tensione ac di esso è utilizzato per ridurre la tensione ac di rete (220Vrms, 50Hz)rete (220Vrms, 50Hz)

N2N1

V1 V2

RL

50 Hz

Rete

-311/311V

I1I1 I2I2

Le equazioni del Le equazioni del trasformatore sonotrasformatore sono

2211

21 21

1

2

2

1

2

1

2

1

n

II ;VnV

n

1 ;

IVIV

N

N

I

In

N

N

V

V

N2N1

V1 V2

RL

50 Hz

Rete

-311/311V

I1I1 I2I2

Osserviamo cheOsserviamo che

n è il rapporto spire del trasformatoren è il rapporto spire del trasformatore la potenza al secondario è uguale a la potenza al secondario è uguale a

quella a primario, almeno idealmente; in quella a primario, almeno idealmente; in realtà, la potenza al secondario è un po’ realtà, la potenza al secondario è un po’ minore di quella a primariominore di quella a primario

N2N1

V1 V2

RL

50 Hz

Rete

-311/311V

I1I1 I2I2

Nel trasformatore con Nel trasformatore con secondario a presa centralesecondario a presa centrale

il punto centrale dell’avvolgimento secondario il punto centrale dell’avvolgimento secondario è accessibile e, di solito, è posto a massaè accessibile e, di solito, è posto a massa

N2 indica il numero complessivo di spire N2 indica il numero complessivo di spire dell’avvolgimento secondario.dell’avvolgimento secondario.

O

B

A

Vb

N2N1V1 Va

50 Hz

Rete

-311/311V RLb

RLa

Le equazioniLe equazioni

O

B

A

Vb

N2N1V1 Va

50 Hz

Rete

-311/311V RLb

RLa

2 ;

2

2

2

22

2

2

2

VVb

VVa

VVbVVV

VVaVoVV

VVVV

BOOB

AAO

BAAB

V2V2

Le forme d’ondaLe forme d’onda

Ai due estremi del secondario troviamo due Ai due estremi del secondario troviamo due tensioni uguali in modulo e in opposizione tensioni uguali in modulo e in opposizione

di fase; il picco di ciascuna è la metà del picco di fase; il picco di ciascuna è la metà del picco di V2di V2

0.000ms 15.00ms 30.00ms 45.00ms

A: v2 40.00 V

-40.00 V

B: va 20.00 V

-20.00 V

C: vb 20.00 V

-20.00 V

Raddrizzatore a Raddrizzatore a semiondasemionda

E’ costituito da un diodo e da un carico E’ costituito da un diodo e da un carico resistivoresistivo

Per studiare il comportamento di questo Per studiare il comportamento di questo raddrizzatore, e anche di quelli ad onda intera, raddrizzatore, e anche di quelli ad onda intera, adotteremo il modello del diodo idealeadotteremo il modello del diodo ideale

N2N1

V2V1 Vout1N4007

50 Hz

Rete

-311/311V

RL

durante la semionda durante la semionda positiva di V2,positiva di V2,

il diodo è polarizzato il diodo è polarizzato direttamente, quindi direttamente, quindi è un cortocircuito e, è un cortocircuito e, perciò, Vout=V2perciò, Vout=V2

N2N1

V2V1 Vout1N4007

50 Hz

Rete

-311/311V

RL

++

__

V2V2

0.000ms 7.500ms 15.00ms 22.50ms

20.00 V

10.00 V

0.000 V

-10.00 V

-20.00 V

A: v2

B: vout

durante la semionda durante la semionda negativa di V2,negativa di V2,

il diodo è polarizzato il diodo è polarizzato inversamente, quindi inversamente, quindi è un tasto aperto e, è un tasto aperto e, perciò, Vout=0perciò, Vout=0

N2N1

V2V1 Vout1N4007

50 Hz

Rete

-311/311V

RL

++

__

V2V2

0.000ms 7.500ms 15.00ms 22.50ms

20.00 V

10.00 V

0.000 V

-10.00 V

-20.00 V

A: v2

B: vout

Le forme d’onda Le forme d’onda mostrano chemostrano che

la semionda la semionda positiva di V2 positiva di V2

viene smistata sul viene smistata sul carico; il picco di carico; il picco di Vout è uguale a Vout è uguale a quello di V2 quello di V2 (Voutp=V2p); in (Voutp=V2p); in realtà :realtà :

Voutp=V2p-0.7VVoutp=V2p-0.7V

0.000ms 15.00ms 30.00ms 45.00ms

A: v2 20.00 V

-20.00 V

B: vout 22.50 V

-2.500 V

C: vak 5.000 V

-20.00 V

N2N1

V2V1 Vout1N4007

50 Hz

Rete

-311/311V

RL

++

__

E ancora cheE ancora che

la semionda negativa di la semionda negativa di V2 viene bloccata dal V2 viene bloccata dal diodo interdetto e rimane diodo interdetto e rimane ai suoi capi come ai suoi capi come tensione inversa; la tensione inversa; la massima tensione massima tensione inversa che deve inversa che deve sopportare il diodo (PIV) sopportare il diodo (PIV) coincide con il picco di coincide con il picco di V2 (PIV=V2p)V2 (PIV=V2p)

0.000ms 15.00ms 30.00ms 45.00ms

A: v2 20.00 V

-20.00 V

B: vout 22.50 V

-2.500 V

C: vak 5.000 V

-20.00 V

N2N1

V2V1 Vout1N4007

50 Hz

Rete

-311/311V

RL

++

__ __ ++

La tensione di uscita èLa tensione di uscita è

unipolareunipolare periodica, con lo periodica, con lo

stesso periodo del stesso periodo del segnale di ingressosegnale di ingresso

complessa, come complessa, come mostra lo spettro di mostra lo spettro di Fourier; il suo valor Fourier; il suo valor medio in un periodo èmedio in un periodo è

0.000 Hz 150.0 Hz 300.0 Hz 450.0 Hz

10.00 V

8.000 V

6.000 V

4.000 V

2.000 V

0.000 V

A: vout

poutp

outdcoutmVV

VV2

In realtàIn realtà

Il picco di Vout è un po’ più piccolo di quello di V2 Il picco di Vout è un po’ più piccolo di quello di V2 perché sul diodo in conduzione rimangono circa 0.7Vperché sul diodo in conduzione rimangono circa 0.7V

Il diodo conduce per meno di mezzo periodo; esso, Il diodo conduce per meno di mezzo periodo; esso, infatti, entra in conduzione e vi rimane, quando V2 infatti, entra in conduzione e vi rimane, quando V2 supera la soglia di 0.5V supera la soglia di 0.5V

Il valor medio in un periodo di Vout è, perciò, un po’ più Il valor medio in un periodo di Vout è, perciò, un po’ più piccolo di quello preventivatopiccolo di quello preventivato

Durante la semionda negativa, il carico è attraversato Durante la semionda negativa, il carico è attraversato dalla corrente inversa del diodo che, essendo molto dalla corrente inversa del diodo che, essendo molto piccola, determina una caduta trascurabilepiccola, determina una caduta trascurabile

Raddrizzatore ad onda Raddrizzatore ad onda interaintera

Con secondario a presa centraleCon secondario a presa centrale

Vout

VaV1N1 N2

Vb

A

BO

RLD2

D1

50 Hz

Rete

-311/311V

V2V2

Questo raddrizzatore Questo raddrizzatore utilizzautilizza

un trasformatore con secondario a presa centrale che un trasformatore con secondario a presa centrale che fornisce due tensioni Va e Vb uguali in modulo e in fornisce due tensioni Va e Vb uguali in modulo e in opposizione di fase; il picco di ciascuna tensione è la opposizione di fase; il picco di ciascuna tensione è la metà del picco della tensione che si stabilisce su tutto il metà del picco della tensione che si stabilisce su tutto il secondario (V2=Vab)secondario (V2=Vab)

due diodi che conducono in controfasedue diodi che conducono in controfase

Vout

VaV1N1 N2

Vb

A

BO

RLD2

D1

50 Hz

Rete

-311/311V

Durante la semionda Durante la semionda positiva di V2positiva di V2

Va è positiva mentre Va è positiva mentre Vb è negativa; D1 Vb è negativa; D1 conduce mentre D2 è conduce mentre D2 è interdetto; sul cari-co interdetto; sul cari-co viene smistata la viene smistata la semionda positiva di semionda positiva di Va Va

Vout

VaV1N1 N2

Vb

A

BO

RLD2

D1

50 Hz

Rete

-311/311V

0.000ms 15.00ms 30.00ms 45.00ms

A: v2 40.00 V

-40.00 V

B: va 20.00 V

-20.00 V

C: vb 20.00 V

-20.00 V

D: vout 17.50 V

-2.500 V

Durante la semionda Durante la semionda negativa di V2negativa di V2

Vb è positiva mentre Vb è positiva mentre Va è negativa; D2 Va è negativa; D2 conduce mentre D1 è conduce mentre D1 è interdetto; sul cari-co interdetto; sul cari-co viene smistata la viene smistata la semionda positiva di semionda positiva di Vb Vb

Vout

VaV1N1 N2

Vb

A

BO

RLD2

D1

50 Hz

Rete

-311/311V

0.000ms 15.00ms 30.00ms 45.00ms

A: v2 40.00 V

-40.00 V

B: va 20.00 V

-20.00 V

C: vb 20.00 V

-20.00 V

D: vout 17.50 V

-2.500 V

La tensione di uscita èLa tensione di uscita è

unipolareunipolare periodica, con periodo metà rispetto a quello del periodica, con periodo metà rispetto a quello del

segnale non raddrizzato e, quindi, frequenza doppiasegnale non raddrizzato e, quindi, frequenza doppia complessa; le sue armoniche sono multiple pari della complessa; le sue armoniche sono multiple pari della

frequenza del segnale originariofrequenza del segnale originario

0.000 Hz 150.0 Hz 300.0 Hz 450.0 Hz

10.00 V

8.000 V

6.000 V

4.000 V

2.000 V

0.000 V

A: vout

inoltreinoltre

pV

Voutm

pVVoutpVoutdcVoutm

pVVbpVapVoutp

2

2

2

22

0.000ms 15.00ms 30.00ms 45.00ms

A: v2 40.00 V

-40.00 V

B: va 20.00 V

-20.00 V

C: vb 20.00 V

-20.00 V

D: vout 17.50 V

-2.500 V

In realtàIn realtà

VoutpVoutpVap-0.7VVap-0.7V Il valor medio in un periodo di Vout è, perciò, Il valor medio in un periodo di Vout è, perciò,

un po’ meno di quello preventivatoun po’ meno di quello preventivato

0.000ms 15.00ms 30.00ms 45.00ms

A: v2 40.00 V

-40.00 V

B: va 20.00 V

-20.00 V

C: vb 20.00 V

-20.00 V

D: vout 17.50 V

-2.500 V

Ai capi di ciascun diodoAi capi di ciascun diodo

quando è interdetto, c’è tutta quando è interdetto, c’è tutta

la tensione del secondario; la tensione del secondario;

l’altro diodo è, infatti, in l’altro diodo è, infatti, in

conduzione ed è, quindi,conduzione ed è, quindi,

quasi un cortocircuito. La quasi un cortocircuito. La

massima tensione inversa che massima tensione inversa che

deve sopportare ciascun deve sopportare ciascun

diodo è V2p (PIV=V2p)diodo è V2p (PIV=V2p)

0.000ms 15.00ms 30.00ms 45.00ms

A: v2 40.00 V

-40.00 V

B: vak1 5.000 V

-35.00 V

C: vak2 5.000 V

-35.00 V

Vout

VaV1N1 N2

Vb

A

BO

D2

D1

50 Hz

Rete

-311/311V RL

In sintesi, la tensione In sintesi, la tensione Vout: Vout:

è unipolare (la corrente attraversa il carico sempre è unipolare (la corrente attraversa il carico sempre nello stesso verso)nello stesso verso)

ha frequenza doppia rispetto al segnale originarioha frequenza doppia rispetto al segnale originario ha valor medio Voutdc identico a quello fornito dal ha valor medio Voutdc identico a quello fornito dal

raddrizzatore a semionda, a parità di trasformatoreraddrizzatore a semionda, a parità di trasformatore ha meno armoniche (la metà), rispetto al segnale ha meno armoniche (la metà), rispetto al segnale

raddrizzato a semiondaraddrizzato a semionda

pV

VoutmVoutdc2

Raddrizzatore ad onda Raddrizzatore ad onda interaintera

A ponte di GraetzA ponte di Graetz

V1Vout

B

A

50 Hz

rete

-311/311V RL

Questo raddrizzatoreQuesto raddrizzatoreutilizzautilizza

Due coppie di diodi che conducono in Due coppie di diodi che conducono in controfase; i quattro diodi realizzano una controfase; i quattro diodi realizzano una struttura a ponte.struttura a ponte.

V1Vout

B

A

50 Hz

rete

-311/311V RL

In questo raddrizzatoreIn questo raddrizzatore

la tensione di pilotaggio (Vla tensione di pilotaggio (V22=V=VABAB) è ) è

applicata ad una diagonale del ponteapplicata ad una diagonale del ponte la tensione di uscita è prelevata sull’altra la tensione di uscita è prelevata sull’altra

diagonalediagonale solo una diagonale può avere un punto a solo una diagonale può avere un punto a

massamassa V1Vout

B

A

50 Hz

rete

-311/311V RL

V2V2

Durante la semionda Durante la semionda positiva di Vpositiva di V22

VVAA è maggiore di V è maggiore di VBB

D1 e D3 sono polarizzati direttamente (anodo verso D1 e D3 sono polarizzati direttamente (anodo verso il +) e sono quasi dei cortocircuitiil +) e sono quasi dei cortocircuiti D2 e D4 sono polarizzati inversamente (anodo verso D2 e D4 sono polarizzati inversamente (anodo verso

il -) e si comportano da tasti apertiil -) e si comportano da tasti aperti Vout=VVout=VABAB=V=V22

La corrente scorre nel verso indicato dalle frecceLa corrente scorre nel verso indicato dalle frecce

D1D4

D3D2

A

B

VoutV1

50 Hz

rete

-311/311V RL

++

__

Durante la semionda Durante la semionda negativa di Vnegativa di V22

VVAA è minore di V è minore di VBB

D1 e D3 sono polarizzati inversamente (anodo verso D1 e D3 sono polarizzati inversamente (anodo verso il -) e si comportano da tasti apertiil -) e si comportano da tasti aperti D2 e D4 sono polarizzati direttamente (anodo verso D2 e D4 sono polarizzati direttamente (anodo verso

il +) e sono quasi dei cortocircuitiil +) e sono quasi dei cortocircuiti Vout=VVout=VBABA=-V=-V22

la corrente scorre nel verso indicato dalle freccela corrente scorre nel verso indicato dalle frecce

D1D4

D3D2

A

B

VoutV1

50 Hz

rete

-311/311V RL++

__

Le forme d’onda Le forme d’onda mostrano che Vout èmostrano che Vout è

Unipolare (la corrente attraversa il carico sempre nello Unipolare (la corrente attraversa il carico sempre nello stesso verso)stesso verso)

periodica, con periodo metà rispetto a quello del periodica, con periodo metà rispetto a quello del segnale non raddrizzato e, quindi, frequenza doppiasegnale non raddrizzato e, quindi, frequenza doppia

0.000ms 15.00ms 30.00ms 45.00ms

A: v2 20.00 V

-20.00 V

B: vout 22.50 V

-2.500 V

Supponendo i diodi idealiSupponendo i diodi ideali

pVVoutp

VoutdcVoutm

pVVoutp

2

2

22

0.000ms 15.00ms 30.00ms 45.00ms

A: v2 20.00 V

-20.00 V

B: vout 22.50 V

-2.500 V

La tensione VoutLa tensione Vout

ha, in realtà, Voutpha, in realtà, VoutpVV2p2p-1.4V (l’uscita è separata dal -1.4V (l’uscita è separata dal secondario da due diodi in conduzione) secondario da due diodi in conduzione)

ha, perciò, un valor medio un po’ minore di quello ha, perciò, un valor medio un po’ minore di quello preventivatopreventivato

è complessa; le sue armoniche sono multiple pari della è complessa; le sue armoniche sono multiple pari della frequenza del segnale originario frequenza del segnale originario

0.000 Hz 150.0 Hz 300.0 Hz 450.0 Hz

12.50 V

7.500 V

2.500 V

-2.500 V

A: vout

Ai capi della coppia di Ai capi della coppia di diodidiodi

interdetti, c’è tutta la tensio-interdetti, c’è tutta la tensio-

ne del secondario come ne del secondario come

tensione inversa; l’altra tensione inversa; l’altra

coppia è, infatti, in conduziocoppia è, infatti, in conduzio

ne ed è, quindi,quasi un ne ed è, quindi,quasi un

cortocircuito. La massima cortocircuito. La massima

tensione inversa che deve tensione inversa che deve

sopportare ciascun diodo è sopportare ciascun diodo è

V2p (PIV=V2p)V2p (PIV=V2p)

0.000ms 15.00ms 30.00ms 45.00ms

A: v2 20.00 V

-20.00 V

B: vak13 5.000 V

-20.00 V

C: vak24 5.000 V

-20.00 V

V1Vout

B

A

50 Hz

rete

-311/311V RL

concludendoconcludendo

Il raddrizzatore a ponte fornisce una Il raddrizzatore a ponte fornisce una componente continua doppia rispetto al componente continua doppia rispetto al raddrizzatore a presa centrale, a parità di raddrizzatore a presa centrale, a parità di trasformatoretrasformatore

pV

Voutdc22

A parità di componente A parità di componente continua, nel ponte di continua, nel ponte di GraetzGraetz

il picco di tensione a secondario è metà il picco di tensione a secondario è metà rispetto a quello richiesto dal raddrizza-rispetto a quello richiesto dal raddrizza-tore a presa centraletore a presa centrale

quindi, il numero di spire a secondario è quindi, il numero di spire a secondario è metà rispetto a quello richiesto dal rad-metà rispetto a quello richiesto dal rad-drizzatore a presa centrale (ciò comporta drizzatore a presa centrale (ciò comporta un minore ingombro)un minore ingombro)

il PIV è la metàil PIV è la metà

Il raddrizzatore filtratoIl raddrizzatore filtrato

N2N1

V2V1 Vout

C

50 Hz

Rete

-311/311V

RL

La tensione uscenteLa tensione uscente

dai raddrizzatori è unipolare ma non è continua dai raddrizzatori è unipolare ma non è continua (ha molte armoniche!); per livellarla (ha molte armoniche!); per livellarla ulteriormente, si mette un grosso condensatore ulteriormente, si mette un grosso condensatore in parallelo al carico; esso tende a mantenere in parallelo al carico; esso tende a mantenere costante la tensione ai suoi capicostante la tensione ai suoi capi

N2N1

V2V1 Vout

C

50 Hz

Rete

-311/311V

RL

All’accensioneAll’accensione

il condensatore C è il condensatore C è scarico; appena scarico; appena arriva la prima arriva la prima semionda positiva, il semionda positiva, il diodo entra in diodo entra in conduzione e conduzione e comincia a caricare il comincia a caricare il condensatore.condensatore.

0.000ms 15.00ms 30.00ms 45.00ms

40.00 V

20.00 V

0.000 V

-20.00 V

-40.00 V

A: v2

B: vout

N2N1

V2V1 Vout

C

50 Hz

Rete

-311/311V

RL

VoutVc

Man mano che C si caricaMan mano che C si carica

il potenziale al catodo va il potenziale al catodo va crescendo e Vak va crescendo e Vak va diminuendo; ad un certo diminuendo; ad un certo punto, il potenziale al punto, il potenziale al catodo (Vout) diventa catodo (Vout) diventa uguale (o quasi) al picco uguale (o quasi) al picco di V2; a quel punto il di V2; a quel punto il diodo si interdice perché diodo si interdice perché Vak è minore della sogliaVak è minore della soglia

0.000ms 15.00ms 30.00ms 45.00ms

40.00 V

20.00 V

0.000 V

-20.00 V

-40.00 V

A: v2

B: vout

N2N1

V2V1 Vout

C

50 Hz

Rete

-311/311V

RL

VoutVVak 2

Appena il diodo si Appena il diodo si interdiceinterdice

il condensatore il condensatore smette di caricarsi; smette di caricarsi; anzi, comincia a anzi, comincia a scaricarsi su RL, più scaricarsi su RL, più o meno rapidamente o meno rapidamente a secondo del valore a secondo del valore del prodotto Cdel prodotto CRRLL;;

Vout decresce.Vout decresce. 0.000ms 15.00ms 30.00ms 45.00ms

40.00 V

20.00 V

0.000 V

-20.00 V

-40.00 V

A: v2

B: vout

N2N1

V2V1 Vout

C

50 Hz

Rete

-311/311V

RL

Quando Vout è diminuito Quando Vout è diminuito sufficientementesufficientemente

il diodo rientra in il diodo rientra in conduzione e ricarica conduzione e ricarica velocemente Cvelocemente C

il diodo si interdice di il diodo si interdice di nuovonuovo

C ricomincia a C ricomincia a scaricarsi su RL e scaricarsi su RL e così viacosì via

0.000ms 15.00ms 30.00ms 45.00ms

40.00 V

20.00 V

0.000 V

-20.00 V

-40.00 V

A: v2

B: vout

N2N1

V2V1 Vout

C

50 Hz

Rete

-311/311V

RL

A regimeA regime

sul carico abbiamo sul carico abbiamo una tensione una tensione VoutVout quasi continua, il cui quasi continua, il cui valore massimo valore massimo Voutp è circa Voutp è circa VV2p2p; il ; il

valor minimo dipende valor minimo dipende dalla costante di dalla costante di scarica del scarica del condensatorecondensatore 0.000ms 15.00ms 30.00ms 45.00ms

40.00 V

20.00 V

0.000 V

-20.00 V

-40.00 V

A: v2

B: vout

N2N1

V2V1 Vout

C

50 Hz

Rete

-311/311V

RL

IILL

A regimeA regime

Il diodo rimane Il diodo rimane interdetto per la gran interdetto per la gran parte del periodo; parte del periodo; esso rientra in esso rientra in conduzione in conduzione in prossimità del picco prossimità del picco positivo di V2, solo positivo di V2, solo per una breve per una breve frazione di periodo, frazione di periodo, per ricaricare Cper ricaricare C

N2N1

V2V1 Vout

C

50 Hz

Rete

-311/311V

RL

IILL

100.0ms 115.0ms 130.0ms 145.0ms

A: v2B: vout

40.00 V

-40.00 V

C: d1[id] 90.00mA

-10.00mA

La variazione di tensione La variazione di tensione VVRR

N2N1

V2V1 Vout

C

50 Hz

Rete

-311/311V

RL

0.000ms 30.00ms 60.00ms 90.00ms

40.00 V

30.00 V

20.00 V

10.00 V

0.000 V

A: vout

subita da Vout in un periodo è tanto più piccola quanto più subita da Vout in un periodo è tanto più piccola quanto più grande è la costante di scarica Cgrande è la costante di scarica C R RLL. .

A parità di capacità, VA parità di capacità, VRR è tanto più piccola quanto più è tanto più piccola quanto più

grande è Rgrande è RLL, cioè quanto più piccola è la corrente I, cioè quanto più piccola è la corrente ILL

assorbita dal carico Rassorbita dal carico RLL

VVRR

IILL

Calcoliamo VRCalcoliamo VR

0.000ms 30.00ms 60.00ms 90.00ms

40.00 V

30.00 V

20.00 V

10.00 V

0.000 V

A: vout

VVRR

oraddrizzat segnale del frequenza la è f

L

RLL

LL

RfCR

VoutpV

R

Voutp

R

VoutI

fC

IV

VVRR

In pratica, VoutIn pratica, Vout

è costituita da un livello continuo è costituita da un livello continuo VoutdcVoutdc, a cui è , a cui è sovrapposta un’ondulazione (ripple) di valore picco sovrapposta un’ondulazione (ripple) di valore picco picco picco VVRR. Se assumiamo che la ricarica del condensa-. Se assumiamo che la ricarica del condensa-tore avvenga in un tempo nullo, il ripple ha una forma tore avvenga in un tempo nullo, il ripple ha una forma d’onda a dente di sega; la sua frequenza è la stessa di d’onda a dente di sega; la sua frequenza è la stessa di quella del segnale raddrizzatoquella del segnale raddrizzato

0.000ms 30.00ms 60.00ms 90.00ms

30.00 V

20.00 V

10.00 V

0.000 V

A: vout

B: voutdc VR

Calcoliamo VoutdcCalcoliamo Voutdc

0.000ms 30.00ms 60.00ms 90.00ms

30.00 V

20.00 V

10.00 V

0.000 V

A: vout

B: voutdc VR

L

L

LR

IRout-VoutpVoutdc

otteniamo 2fC

1Rout ponendo

I di aumentareall' decresce Voutc2fC

IVoutp

2

VVoutpVoutdc

VoutpV2p

In conclusione, il raddrizza-In conclusione, il raddrizza-tore filtrato equivaletore filtrato equivale

ad un generatore realead un generatore reale

di tensione continua di tensione continua

che ha:che ha: forza elettromotrice forza elettromotrice

E= VoutpE= Voutp resistenza interna (o resistenza interna (o

resistenza di uscita) resistenza di uscita) Rout=1/2fCRout=1/2fC

N2N1

V2V1 Vout

C

50 Hz

Rete

-311/311V

RL

IILL

LIRoutVoutpVoutdc

IILL

Voutdc

RL

1/2fC

Rout+

-

Voutp

La resistenza RoutLa resistenza Rout

a parità di capacità C , è più piccola nel a parità di capacità C , è più piccola nel raddrizzatore filtrato ad onda intera raddrizzatore filtrato ad onda intera perché la frequenza del segnale perché la frequenza del segnale raddrizzato è doppia (100Hz)raddrizzato è doppia (100Hz)

A

B

VoutV1

C

50 Hz

rete

-311/311V RL

2fC

1Rout

anche l’ondulazioneanche l’ondulazione

nel raddrizzatore filtrato ad onda intera (traccia nel raddrizzatore filtrato ad onda intera (traccia blu) è la metà rispetto al raddrizzatore filtrato a blu) è la metà rispetto al raddrizzatore filtrato a semionda (traccia rossa) perché il condensatore semionda (traccia rossa) perché il condensatore viene ricaricato ogni 10msec (e non ogni 20msec viene ricaricato ogni 10msec (e non ogni 20msec come nel raddrizzatore a semionda)come nel raddrizzatore a semionda)

0.000ms 15.00ms 30.00ms 45.00ms

20.00 V

15.00 V

10.00 V

5.000 V

0.000 V

A: vout1

B: vout

fC

IV

LR

A regime, dal ponte esceA regime, dal ponte esce

un impulso di un impulso di corrente ad ogni corrente ad ogni 10msec, per 10msec, per ricaricare Cricaricare C

0.000ms 15.00ms 30.00ms 45.00ms

A: v2B: vout

20.00 V

-20.00 V

C: r1[i] 70.00mA

-10.00mA

V1Vout

B

A

C

50 Hz

rete

-311/311V RL

iiLL

iiPP

iiCC

Un impulso Un impulso

proviene dalla coppia D1D3 che entra in proviene dalla coppia D1D3 che entra in conduzione ogni 20msec, per un breve conduzione ogni 20msec, per un breve intervallo di tempointervallo di tempo

V1Vout

B

A

C

50 Hz

rete

-311/311V RL

iiLL

iiPP

ipip11

22

33

44

icic

++

--

L’altro impulso L’altro impulso

proviene dalla coppia D2D4 che entra in proviene dalla coppia D2D4 che entra in conduzione nel periodo successivo, sempre conduzione nel periodo successivo, sempre per un breve intervallo di tempoper un breve intervallo di tempo

V1Vout

B

A

C

50 Hz

rete

-311/311V RL

iiLL

iiPP

iipp

11

22

33

44

iipp

++

--

Le forme d’onda Le forme d’onda evidenziano cheevidenziano che

la corrente uscente dal ponte è impulsiva con la corrente uscente dal ponte è impulsiva con periodo 10msecperiodo 10msec

la corrente che attraversa i diodi è impulsiva la corrente che attraversa i diodi è impulsiva con periodo 20mseccon periodo 20msec

0.000ms 15.00ms 30.00ms 45.00ms

A: voutB: v2

20.00 V

-20.00 V

C: rp[i] 70.00mA

-10.00mA

D: d1[id] 70.00mA

-10.00mA

E: d2[id] 55.00mA

-5.000mA

In base al 1In base al 1oo K K

LdcLmPm

L

LmCmPm

III

:perciò ricarica; di fase la durante acquisita carica la tutteR a cede

infatti, ,nulla.Esso è periodoun in C da assorbita corrente la ma

III

abbiamo periodoun in Mediamente

LCP iii

V1Vout

B

A

C

50 Hz

rete

-311/311V RL

iiLL

iiPP

iiCC

La corrente uscenteLa corrente uscente

dal ponte, mediamente in un periodo, proviene dal ponte, mediamente in un periodo, proviene per metà dalla coppia D1D3 e per l’altra metà per metà dalla coppia D1D3 e per l’altra metà dalla coppia D2D4; perciò:dalla coppia D2D4; perciò:

2

2

Ldc

LdcPm

IIdmquindie

IIIdm

V1Vout

B

A

C

50 Hz

rete

-311/311V RL

IILdcLdc

IIPmPm

IIdmdm11

22

33

44

IIdmdm

++

--

La corrente che La corrente che attraversaattraversa

ciascun diodo è ciascun diodo è impulsiva con impulsiva con periodo 20msec; periodo 20msec; supponendo, per supponendo, per semplicità, che gli semplicità, che gli impulsi siano impulsi siano rettangolari con rettangolari con altezza IdP e durata altezza IdP e durata TH=0.1T, otteniamoTH=0.1T, otteniamo

0.000ms 15.00ms 30.00ms 45.00ms

150.0mA

100.0mA

50.00mA

0.000mA

A: rd[i]

Ldc

LdcH

IIdpricaviamocuida

IIdp

T

TIdpIdm

5 2

1.0

IIdPdP

Il diodo ZenerIl diodo Zener

è un diodo che, in certe condizioni, può è un diodo che, in certe condizioni, può condurre anche quando è polarizzato condurre anche quando è polarizzato inversamenteinversamente

KA

La caratteristica I-Vak La caratteristica I-Vak mostra chemostra che

quando lo Zener è quando lo Zener è polarizzato polarizzato direttamente, esso si direttamente, esso si comporta come un comporta come un normale diodo, con normale diodo, con tensione di soglia tensione di soglia 0.5V0.5V -4.000 V -2.500 V -1.000 V 0.500 V

40.00mA

20.00mA

0.000mA

-20.00mA

-40.00mA

-60.00mA

A: r1[i]

VakVz

Quando lo Zener è Quando lo Zener è polarizzato inversamentepolarizzato inversamente

esso non conduce, esso non conduce, sino a quando la sino a quando la tensione inversa non tensione inversa non oltrepassa un certo oltrepassa un certo valore tipico del valore tipico del diodo, la tensione di diodo, la tensione di rottura o di rottura o di breakdown (Vz)breakdown (Vz)

-4.000 V -2.500 V -1.000 V 0.500 V

40.00mA

20.00mA

0.000mA

-20.00mA

-40.00mA

-60.00mA

A: r1[i]

VakVz

Quando la tensione Quando la tensione inversa oltrepassa Vzinversa oltrepassa Vz

Il diodo entra Il diodo entra bruscamente in bruscamente in conduzione e piccoli conduzione e piccoli incrementi di incrementi di tensione provocano tensione provocano grandi aumenti di grandi aumenti di corrente. La tensione corrente. La tensione ai capi del diodo si ai capi del diodo si stabilizza intorno a stabilizza intorno a VzVz

-4.000 V -2.500 V -1.000 V 0.500 V

40.00mA

20.00mA

0.000mA

-20.00mA

-40.00mA

-60.00mA

A: r1[i]

VakVz

Nell’analisi circuitaleNell’analisi circuitale

Lo Zener in Lo Zener in conduzione inversa è conduzione inversa è rimpiazzato da una rimpiazzato da una “controbatteria” di “controbatteria” di valore Vz (primo valore Vz (primo modello)modello)

R+

-E

A

K+

-

Vz

R+

-E

II

II

VzER

VzEI

;

Oppure è sostituito Oppure è sostituito

da “una da “una controbatteria” con in controbatteria” con in serie la piccola serie la piccola resistenza resistenza differenziale Rz del differenziale Rz del diodo, supposta diodo, supposta costante (secondo costante (secondo modello)modello)

A

K

Rz

+

-

Vz

R

+

-E

R+

-E

II

II

VzERzR

VzEI

;

Il diodo Zener in Il diodo Zener in conduzione inversaconduzione inversa

è uno stabilizzatore di tensione; esso è in è uno stabilizzatore di tensione; esso è in grado di subire grandi variazioni di corrente, grado di subire grandi variazioni di corrente, mantenendo costante la tensione ai suoi capi mantenendo costante la tensione ai suoi capi e, quindi, ai capi dell’utilizzatore Re, quindi, ai capi dell’utilizzatore RLL posto in posto in parallelo ad esso.parallelo ad esso.

Vout

RL

+

-Vs

Rs

Lo Zener viene postoLo Zener viene posto

all’uscita del raddrizzatore filtrato per ridurre all’uscita del raddrizzatore filtrato per ridurre l’ondulazione; infatti, al variare di Vs, varia la l’ondulazione; infatti, al variare di Vs, varia la corrente assorbita dal diodo ma la tensione ai corrente assorbita dal diodo ma la tensione ai capi, Vout, resta costante o quasicapi, Vout, resta costante o quasi

VsV1

Vout

B

A

10V50 Hz

rete

-311/311V

15:1

C47uF

Rs

270

RL5k

Le forme d’onda Le forme d’onda mostrano chemostrano che

la tensione uscente dal ponte ha un ripple di la tensione uscente dal ponte ha un ripple di circa 4V picco-piccocirca 4V picco-picco

la tensione di uscita è praticamente costante a la tensione di uscita è praticamente costante a 10V (Vz)10V (Vz)

0.000ms 15.00ms 30.00ms 45.00ms

25.00 V

20.00 V

15.00 V

10.00 V

5.000 V

0.000 V

A: vs

B: vout

La corrente dello ZenerLa corrente dello Zener

non deve scendere non deve scendere al di sotto di Izmin, al di sotto di Izmin, altrimenti il diodo non altrimenti il diodo non stabilizza benestabilizza bene

non deve non deve oltrepassare Izmax, oltrepassare Izmax, altrimenti la potenza altrimenti la potenza dissipata dal diodo dissipata dal diodo supera la massima supera la massima consentitaconsentita

-4.000 V -2.500 V -1.000 V 0.500 V

40.00mA

20.00mA

0.000mA

-20.00mA

-40.00mA

-60.00mA

A: r1[i]

Izmax

Izmin

Progettiamo il regolatore Progettiamo il regolatore a Zenera Zener

Vout

RL

RsVsmax

Vsmin

Is

IL

Iz

LL IRs

VzVsIIsIz

In base al 1In base al 1ooK abbiamo:K abbiamo:

La corrente nello ZenerLa corrente nello Zener

diminuisce molto quando Vs è minima e, nellodiminuisce molto quando Vs è minima e, nello

stesso tempo, Rstesso tempo, RLL sta assorbendo la massima sta assorbendo la massima

corrente Icorrente ILmaxLmax; e però deve essere sempre; e però deve essere sempre

maggiore di Imaggiore di Izminzmin;; cioè: cioè:

Vout

RL

Rs

VsminILmax

Iz

Is

minmaxmin

zLzs

IIRs

VV

La corrente nello ZenerLa corrente nello Zener

aumenta molto quando Vs è massima e, nelloaumenta molto quando Vs è massima e, nello

stesso tempo, Rstesso tempo, RLL non sta assorbendo corrente non sta assorbendo corrente

(uscita a vuoto); e però deve essere sempre(uscita a vuoto); e però deve essere sempre

minore di Iminore di Izmaxzmax;; cioè:cioè:max

maxz

zsI

Rs

VV

Vsmax

Iz

Is VoutRs

In definitiva In definitiva

Rs va scelta in modo che sia soddisfatta la Rs va scelta in modo che sia soddisfatta la condizione:condizione:

maxmin

min

max

max

Lz

ss

z

zs

II

VzVR

I

VV

Vout

RL

RsVsmax

Vsmin

Is

IL

Iz

Il rivelatore di piccoIl rivelatore di picco

è costituto da un diodo e da un condensatoreè costituto da un diodo e da un condensatore fornisce una tensione continua il cui valore è fornisce una tensione continua il cui valore è

uguale al picco della tensione applicata in uguale al picco della tensione applicata in ingresso, almeno idealmente.ingresso, almeno idealmente.

Vin Vout

C

1kHz

-10/10V

Dopo un breve transitorioDopo un breve transitorio

C si carica al picco diC si carica al picco di

Vin e il diodo siVin e il diodo si

InterdiceInterdice

definitivamente. Indefinitivamente. In

realtà, il diodo si bloccarealtà, il diodo si blocca

quando Vcquando VcVinp-0.5V.Vinp-0.5V. Vin Vout

C

1kHz

-10/10V

0.000ms 0.750ms 1.500ms 2.250ms

10.00 V

5.000 V

0.000 V

-5.000 V

-10.00 V

A: vin

B: vout

Il rivelatore di piccoIl rivelatore di picco

ha molte applicazioni; è usato, tra l’altro,ha molte applicazioni; è usato, tra l’altro, nei tester per misurare il picco dellenei tester per misurare il picco delle tensioni alternatetensioni alternate non riesce a seguire le variazioni in discesa del non riesce a seguire le variazioni in discesa del

picco di un segnale AMpicco di un segnale AM

0.000ms 0.750ms 1.500ms 2.250ms

10.00 V

5.000 V

0.000 V

-5.000 V

-10.00 V

A: vin

B: vout

Il rivelatore di inviluppoIl rivelatore di inviluppo

è un rivelatore di picco in cui si da al è un rivelatore di picco in cui si da al condensatore la possibilità di scaricarsi e di condensatore la possibilità di scaricarsi e di seguire le variazioni in discesa del picco della seguire le variazioni in discesa del picco della modulante, di periodo Tm (Tc è il periodo della modulante, di periodo Tm (Tc è il periodo della portante)portante)

Vin Vout

C100nF10kHz

-10/10V

R 4.7k

La resistenza R va scelta La resistenza R va scelta in modo che siain modo che sia

CR >>Tc per evitare che C possa scaricarsi CR >>Tc per evitare che C possa scaricarsi apprezzabilmente tra un periodo e l’altro della apprezzabilmente tra un periodo e l’altro della portanteportante

CR<<Tm in affinchè C possa seguire le CR<<Tm in affinchè C possa seguire le evoluzioni della modulanteevoluzioni della modulante

0.000ms 0.750ms 1.500ms 2.250ms

10.00 V

5.000 V

0.000 V

-5.000 V

-10.00 V

A: vin

B: vout

Il clamper è un circuitoIl clamper è un circuito

diodo-capacità in cui l’uscita è prelevata sul diodo, diodo-capacità in cui l’uscita è prelevata sul diodo, piuttosto che sul condensatore (come nel rivelatore di piuttosto che sul condensatore (come nel rivelatore di picco). picco).

esso aggancia i picchi positivi (o negativi) di Vin ad un esso aggancia i picchi positivi (o negativi) di Vin ad un livello di riferimento che spesso è lo zero. livello di riferimento che spesso è lo zero.

VoutVin

1kHz

-10/10V

C

A regimeA regime

VoutVin

1kHz

-10/10V

C

VinpVinVcVinVout Vc=Vinp (o quasi) e perciò:Vc=Vinp (o quasi) e perciò: di conseguenza,Vout ha la stessa forma d’onda di Vin di conseguenza,Vout ha la stessa forma d’onda di Vin

ma è scivolata verso il basso di Vinp ma è scivolata verso il basso di Vinp i picchi positivi della tensione di uscita vengono i picchi positivi della tensione di uscita vengono

agganciati a zero (in realtà a +0.7V circa)agganciati a zero (in realtà a +0.7V circa)

+ _

0.000ms 0.750ms 1.500ms 2.250ms

10.00 V

0.000 V

-10.00 V

-20.00 V

A: vin

B: vout

Se invertiamo il diodoSe invertiamo il diodo

Vin VoutC

1kHz

-10/10V

VinpVinVcVinVout

Il clamper aggancia i picchi negativi a zero ( in Il clamper aggancia i picchi negativi a zero ( in realtà a -0.7V) scivolando il segnale verso l’alto realtà a -0.7V) scivolando il segnale verso l’alto di Vinp; infatti stavoltadi Vinp; infatti stavolta

0.000ms 0.750ms 1.500ms 2.250ms

20.00 V

10.00 V

0.000 V

-10.00 V

A: vin

B: vout++--

VinVinpVinVcVout

Il duplicatore di tensioneIl duplicatore di tensione

è costituito da :è costituito da : un clamper (Cun clamper (C11DD11) che aggancia i picchi negativi di Vin a ) che aggancia i picchi negativi di Vin a

zero (uscita Voutzero (uscita Vout11))

un rivelatore di picco (Cun rivelatore di picco (C22DD22) che rivela il valore massimo ) che rivela il valore massimo

di Voutdi Vout1 1 che, idealmente è 2Vinp (più realisticamente è che, idealmente è 2Vinp (più realisticamente è

2Vinp-22Vinp-20.7V)0.7V)

Vout1Vin Vout

C2

D2C1D1

1kHz

-10/10V

Le forme confermano cheLe forme confermano che

a regime, Vouta regime, Vout11 ha i picchi negativi agganciati a zero e ha i picchi negativi agganciati a zero e valore massimo 20V circavalore massimo 20V circa

VoutVout22 è una tensione continua di valore 20V circa (il è una tensione continua di valore 20V circa (il doppio di Vinp)doppio di Vinp)

Il duplicatore è un caso particolare di moltiplicatore diIl duplicatore è un caso particolare di moltiplicatore di tensionetensione

20.00ms 20.75ms 21.50ms 22.25ms

20.00 V

10.00 V

0.000 V

-10.00 V

A: vin

B: vout1C: vout

I moltiplicatori di I moltiplicatori di tensionetensione

forniscono una tensione continua il cui forniscono una tensione continua il cui valore è un multiplo intero del picco di valore è un multiplo intero del picco di Vin. Essi sono realizzati alternando un Vin. Essi sono realizzati alternando un clamper e un rivelatore di picco e clamper e un rivelatore di picco e vengono usati per pilotare carichi che vengono usati per pilotare carichi che richiedono tensioni continue elevate e richiedono tensioni continue elevate e piccole correnti; altrimenti i condensatori piccole correnti; altrimenti i condensatori si scaricano velocemente.si scaricano velocemente.

I limitatori di tensioneI limitatori di tensione

tagliano il segnale al di sopra di un tagliano il segnale al di sopra di un prefissato livelloprefissato livello

oppure tagliano il segnale al di sotto di un oppure tagliano il segnale al di sotto di un dato livello di riferimentodato livello di riferimento

oppure lasciano passare il segnale oppure lasciano passare il segnale compreso tra due livelli, tagliando sia compreso tra due livelli, tagliando sia quello al disotto che quello al di sopraquello al disotto che quello al di sopra

Nel circuito di figuraNel circuito di figura

per Vin<E, il diodo è interdetto e nella resistenza R non per Vin<E, il diodo è interdetto e nella resistenza R non c’è caduta di tensione ; perciò Vout=Vinc’è caduta di tensione ; perciò Vout=Vin

per Vin>E, il diodo è polarizzato direttamente; poichè per Vin>E, il diodo è polarizzato direttamente; poichè VakVak0 allora Vout 0 allora Vout E E

in definitiva, la tensione Vout non può superare il valore in definitiva, la tensione Vout non può superare il valore EE

Vin

Vout

+

-

E10V1kHz

Vin-20/20V R

-30.00 V -15.00 V 0.000 V 15.00 V

15.00 V

5.000 V

-5.000 V

-15.00 V

-25.00 V

-35.00 V

A: voutE

E

Il circuitoIl circuito

è, quindi, un limitatore che taglia la parte di è, quindi, un limitatore che taglia la parte di segnale al di sopra di E (livello di riferimento); segnale al di sopra di E (livello di riferimento); ciò è confermato dalla risposta ad un segnale ciò è confermato dalla risposta ad un segnale sinusoidale di picco 20V, che viene cimato sinusoidale di picco 20V, che viene cimato quando esso supera il riferimento di 10Vquando esso supera il riferimento di 10V

Vin

Vout

+

-

E10V1kHz

Vin-20/20V R

0.000ms 0.750ms 1.500ms 2.250ms

25.00 V

15.00 V

5.000 V

-5.000 V

-15.00 V

-25.00 V

A: vin

B: vout

In questo altro circuitoIn questo altro circuito

per Vin<E, il diodo è polarizzato direttamente; poichè per Vin<E, il diodo è polarizzato direttamente; poichè VakVak0 allora Vout 0 allora Vout E E

per Vin>E, il diodo è interdetto e nella resistenza R non per Vin>E, il diodo è interdetto e nella resistenza R non c’è caduta di tensione ; perciò Vout=Vinc’è caduta di tensione ; perciò Vout=Vin

in definitiva, la tensione Vout non può scendere al di in definitiva, la tensione Vout non può scendere al di sotto del valore Esotto del valore E

Vin

Vout

+

-

E10V1kHz

Vin-20/20V R

-30.00 V -15.00 V 0.000 V 15.00 V

22.50 V

17.50 V

12.50 V

7.500 V

A: vout

E

E

Il circuitoIl circuito

è, quindi, un limitatore che taglia la parte di segnale al è, quindi, un limitatore che taglia la parte di segnale al di sotto di E (livello di riferimento); ciò è confermato di sotto di E (livello di riferimento); ciò è confermato dalla risposta ad un segnale sinusoidale di picco 20V, dalla risposta ad un segnale sinusoidale di picco 20V, che viene cimato quando esso scende al di sotto dell che viene cimato quando esso scende al di sotto dell riferimento di 10Vriferimento di 10V

Vin

Vout

+

-

E10V1kHz

Vin-20/20V R

0.000ms 0.750ms 1.500ms 2.250ms

25.00 V

15.00 V

5.000 V

-5.000 V

-15.00 V

-25.00 V

A: vin

B: vout

Il limitatore a due livelliIl limitatore a due livelli

può essere realizzato mettendo in parallelo due limitatori ad un può essere realizzato mettendo in parallelo due limitatori ad un livello (E2>E1); infatti:livello (E2>E1); infatti:

per Vin<Eper Vin<E11, D, D11 è ON mentre D è ON mentre D22 è OFF; essendo V è OFF; essendo Vak1ak10, Vout 0, Vout EE11

perper EE11<Vin<<Vin< EE2, 2, D1 e D2 sono OFF; la caduta su R è, allora, nulla D1 e D2 sono OFF; la caduta su R è, allora, nulla e Vout=Vine Vout=Vin

per Vin>Eper Vin>E22, D, D11 è OFF mentre D è OFF mentre D22 è ON; essendo V è ON; essendo Vak2ak20, Vout 0, Vout E2E2

-30.00 V -10.00 V 10.00 V 30.00 V

22.50 V

17.50 V

12.50 V

7.500 V

A: voutVin Vout

+

-

E220V

D2

+

-

E110V

D1

1kHz

Vin-30/30V

R1k

E1E2E1

E2

Ciò è confermatoCiò è confermato

dalla risposta ad un segnale sinusoidale di dalla risposta ad un segnale sinusoidale di picco 30V che viene cimato per tensioni picco 30V che viene cimato per tensioni inferiori a Einferiori a E1110V e per tensioni superiori a 10V e per tensioni superiori a

EE2220V20V

Vin Vout

+

-

E220V

D2

+

-

E110V

D1

1kHz

Vin-30/30V

R1k

0.000ms 0.750ms 1.500ms 2.250ms

30.00 V

10.00 V

-10.00 V

-30.00 V

A: vin

B: vout

Un limitatore a due livelli Un limitatore a due livelli simmetricisimmetrici

può essere ottenuto usando due Zener uguali; infatti:può essere ottenuto usando due Zener uguali; infatti: per Vin positivi e maggiori di Vz, D1 entra in per Vin positivi e maggiori di Vz, D1 entra in

conduzione inversa mentre Dconduzione inversa mentre D22 conduce direttamente e conduce direttamente e VoutVoutVzVz

per Vin più negativi di -Vz, Dper Vin più negativi di -Vz, D11 entra in conduzione entra in conduzione diretta mentre D2 conduce inversamente e Voutdiretta mentre D2 conduce inversamente e Vout-Vz-Vz

Vout

Vin

Fig.41000 Hz

Vin-20/20V

10VD2

10VD1

R

-30.00 V -10.00 V 10.00 V 30.00 V

12.50 V

7.500 V

2.500 V

-2.500 V

-7.500 V

-12.50 V

A: vout

Per valori di VinPer valori di Vin

compresi tra –Vz (-10V) e +Vz(+10V), entrambi i diodi compresi tra –Vz (-10V) e +Vz(+10V), entrambi i diodi sono interdetti ed allora Vout=Vin; ciò è confermato sono interdetti ed allora Vout=Vin; ciò è confermato dalla risposta ad un segnale triangolare di picco 20V dalla risposta ad un segnale triangolare di picco 20V che viene cimato per tensioni inferiori a Eche viene cimato per tensioni inferiori a E11-10V e per -10V e per

tensioni superiori a Etensioni superiori a E22+10V+10V

0.000ms 0.750ms 1.500ms 2.250ms

20.00 V

10.00 V

0.000 V

-10.00 V

-20.00 V

A: vin

B: vout

Vout

Vin

Fig.41000 Hz

Vin-20/20V

10VD2

10VD1

R