Alimentazione elettrica: Definizione, Funzioni e Componenti

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Definizione: Un alimentatore è un circuito elettronico progettato per fornire varie tensioni ac e dc per il funzionamento delle apparecchiature.

Il corretto funzionamento delle apparecchiature elettroniche richiede una serie di tensioni di origine. Basse tensioni continue sono necessarie per far funzionare i circuiti integrati e i transistor. Le alte tensioni sono necessarie per far funzionare i CRT e altri dispositivi. Le batterie possono fornire tutte queste tensioni.

Tuttavia, l’elettricità per i dispositivi elettrici ed elettronici sono comunemente forniti dalla società elettrica locale. Questa corrente esce da una presa a 115 volt CA, con una frequenza di 60 Hertz. Tensioni diverse sono necessarie per far funzionare alcune apparecchiature.

Funzioni dell’alimentatore

Il circuito completo dell’alimentatore può svolgere queste funzioni:

  1. Passa le tensioni in alto o in basso, per azione del trasformatore, alla tensione di linea AC richiesta.
  2. Fornire qualche metodo di divisione della tensione per soddisfare le esigenze delle apparecchiature.
  3. Cambiare la tensione alternata in tensione continua pulsante mediante raddrizzamento a semionda o a onda intera.
  4. Filtrare la tensione continua pulsante in una tensione continua pura per l’uso dell’apparecchiatura.
  5. Regolare l’uscita dell’alimentatore in proporzione al carico applicato.

Componenti dell’alimentatore

Uno schema a blocchi che illustra queste funzioni è mostrato in Figura 1. Si noti che alcune funzioni non si trovano in tutti gli alimentatori. Vedere la Figura 2 per un tipico alimentatore commerciale.

Figura 1. Schema a blocchi dei componenti dell’alimentazione. L’ingresso è di 117 volt ac. I processi utilizzati in un tipico alimentatore sono mostrati sotto i blocchi. L’uscita dell’alimentatore può essere dc o ac. L’uscita di questo alimentatore è di cinque volt dc.

Figura 2. Alimentazione dc regolata. (Knight Electronics)

Trasformatori di potenza Diodi

Il primo dispositivo in un alimentatore è il trasformatore. Il suo scopo è quello di aumentare o diminuire la tensione alternata ai valori necessari per l’uso di radio, TV, computer o altri circuiti elettronici.

La maggior parte dei trasformatori non hanno alcuna connessione elettrica tra l’avvolgimento secondario e quello primario. Vedere la figura 3. Questo significa che il trasformatore isola il circuito collegato al primario dal circuito collegato al secondario.

Isolamento è un termine che significa che non ci sono collegamenti elettrici tra il primario e il secondario sul trasformatore.

Figura 3. Isolamento in un trasformatore.

Un trasformatore di isolamento è un trasformatore che ha lo scopo specifico di isolare il circuito primario dal circuito secondario.

L’utilizzo di un trasformatore di isolamento è una caratteristica di sicurezza perché aiuta a prevenire le scosse nel secondario. Il nostro corpo o le nostre mani devono essere unite attraverso entrambi i cavi delle connessioni secondarie per ricevere una scossa.

La condizione di sicurezza descritta sopra non vale nel primario con ac commerciale fornito dalla compagnia elettrica. Una connessione è calda, il che significa che la connessione è elettricamente eccitata. L’altro è a terra, o neutro. Stare in piedi sulla terra mentre si tocca la connessione calda provocherà una scossa. Toccare la sola connessione a terra non provocherà una scossa.

Gli avvolgimenti secondari possono essere intercettati per fornire tensioni diverse. Un rubinetto posto a metà strada tra le due estremità di un avvolgimento secondario è chiamato rubinetto centrale.

Molti alimentatori usano un avvolgimento secondario del trasformatore con rubinetto centrale. Le tensioni spillate, Figura 4, sono sfasate di 180 gradi rispetto alla presa centrale.

Una varietà di trasformatori si può trovare in quasi tutti i dispositivi elettronici. Dovreste capire la teoria di base e lo scopo del trasformatore. Ripassate il capitolo 12 se necessario.

Una lezione di sicurezza

I trasformatori producono tensioni elevate che possono essere molto pericolose. Bisogna usare sempre il giusto rispetto e la massima cautela quando si lavora o si misura con l’alta tensione.

Figura 4. Un trasformatore a spillamento centrale.

Rettifica a mezz’onda e ad onda intera

Dopo che una tensione è passata attraverso il trasformatore di un alimentatore, il passo successivo è la rettifica.

Il processo di cambiamento di una corrente alternata in una corrente continua pulsante è chiamato rettificazione.

Quando si cambia un segnale ac in dc, ci sono due tipi di raddrizzamento: raddrizzatore a mezza onda e raddrizzatore a onda intera.

Con il raddrizzatore a mezza onda, solo metà del segnale di ingresso passa attraverso il raddrizzatore. Con il raddrizzatore a onda intera, l’intera onda d’ingresso passa attraverso.

Rettifica a mezza onda

Nella figura 5, l’uscita di un trasformatore è collegata a un diodo e a una resistenza di carico che sono in serie. La tensione in ingresso al trasformatore appare come un’onda sinusoidale.

La polarità dell’onda si inverte alla frequenza della tensione applicata. La tensione di uscita del secondario del trasformatore appare anch’essa come un’onda sinusoidale. La grandezza dell’onda dipende dal rapporto delle curve del trasformatore. L’uscita è sfasata di 180 gradi rispetto al primario.

La parte superiore del trasformatore (punto A) è unita all’anodo del diodo. Si noti che il lato B del trasformatore è collegato a terra.

Durante il primo mezzo ciclo, il punto A è positivo. Il diodo conduce, producendo una caduta di tensione sul resistore R pari a IR. Durante il secondo mezzo ciclo, il punto A è negativo. Anche l’anodo del diodo è negativo. Nessuna conduzione ha luogo, e nessuna caduta di IR appare attraverso R.

Figura 5. Schema di base del raddrizzatore a diodi.

Un oscilloscopio collegato attraverso R produce la forma d’onda mostrata a destra nella Figura 6. L’uscita di questo circuito consiste in impulsi di corrente che fluiscono in una sola direzione ed è alla stessa frequenza della tensione di ingresso. L’uscita è una corrente continua pulsante.

Figura 6. Forme d’onda d’ingresso e d’uscita di un raddrizzatore a diodi.

Solo una metà dell’onda d’ingresso CA è usata per produrre la tensione d’uscita. Questo tipo di raddrizzatore è chiamato raddrizzatore a mezza onda.

Osservate la polarità della tensione di uscita nella figura 6. Un’estremità della resistenza R è collegata a terra. La corrente scorre da terra al catodo. Questa connessione rende l’estremità di R collegata al catodo positiva come mostrato nella Figura 5.

Un raddrizzatore negativo può essere realizzato invertendo il diodo nel circuito, Figura 7. Il diodo conduce quando il catodo è in tensione. Il diodo conduce quando il catodo diventa negativo e l’anodo diventa positivo.

La corrente attraverso R andrebbe dall’anodo a terra rendendo l’estremità anodica di R negativa e l’estremità di terra di R più positiva.

Le tensioni prese da R, l’uscita, sarebbero negative rispetto a terra. Questo circuito è chiamato diodo invertito. Viene utilizzato quando è richiesta una tensione di alimentazione negativa.

Figura 7. Un diodo invertito produce una tensione negativa.

È possibile avere un’alimentazione che fornisce una raddrizzatura a semionda senza l’uso di un trasformatore. Questo circuito non è isolato. Non c’è un aumento o una diminuzione delle tensioni di corrente. Questo circuito è un progetto più semplice e meno costoso, e poiché non c’è un trasformatore, può essere usato in spazi più piccoli, Figura 8.

Figura 8. Raddrizzamento a mezz’onda senza trasformatore.

Raddrizzamento a onda intera

L’uscita di tensione continua pulsante di un raddrizzatore a mezz’onda può essere filtrata per ottenere una tensione continua pura. Tuttavia, il raddrizzatore a semionda utilizza solo una metà dell’onda CA in ingresso.

Una migliore azione di filtraggio può essere ottenuta utilizzando due diodi. Con questa configurazione, possono essere utilizzati entrambi i semicicli dell’onda d’ingresso.

Entrambi i semicicicli in uscita hanno la stessa polarità in questo raddrizzatore a onda intera. La figura 9 segue il primo semiciclo. La figura 10 segue il secondo semiciclo.

Figura 9. Le frecce mostrano la corrente nel raddrizzatore a onda piena durante il primo mezzo ciclo.

Figura 10. La direzione della corrente durante il secondo mezzo ciclo.

Per produrre questa raddrizzatura a onda piena, si fa una derivazione centrale sull’avvolgimento secondario. Questo rubinetto è collegato alla terra.

Nella figura 9, il punto A è positivo e l’anodo D1 è positivo. Il flusso di elettroni è mostrato dalle frecce. Durante la seconda metà del ciclo di ingresso, il punto B è positivo, l’anodo del diodo D2 è positivo, e la corrente scorre come mostrato nella Figura 10.

Non importa quale diodo stia conducendo, la corrente attraverso la resistenza di carico R è sempre nella stessa direzione. Entrambi i semicicli positivi e negativi della tensione d’ingresso causano la corrente attraverso R nella stessa direzione.

La tensione d’uscita di questo raddrizzatore a onda intera è presa da attraverso R. Essa consiste in impulsi di corrente continua al doppio della frequenza della tensione d’ingresso, Figura 11. Per produrre questo raddrizzamento ad onda piena in questo circuito, la tensione secondaria è stata dimezzata dal rubinetto centrale.

Figura 11. Le forme d’onda d’ingresso e d’uscita del raddrizzatore a diodi a onda intera.

I diodi, D1 e D2, usati nelle figure 9 e 10, sono confezionati sia singolarmente che in coppia. La figura 12 mostra un pacchetto a due raddrizzatori. Il cavo centrale è usato come connessione per i catodi. I catodi sono cablati insieme.

Figura 12. Raddrizzatori a ponte

Non è sempre necessario usare un trasformatore con la punta centrale per un raddrizzamento a onda piena. La piena tensione secondaria può essere raddrizzata usando quattro diodi in un circuito chiamato raddrizzatore a ponte, Figura 13 e 14. Due circuiti sono mostrati in modo che la corrente possa essere osservata in ogni mezzo ciclo.

Figura 13. Corrente nel raddrizzatore a ponte durante il primo mezzo ciclo.

Figura 14. Corrente nel raddrizzatore a ponte durante il secondo mezzo ciclo.

Nella figura 13, il punto A del secondario del trasformatore è positivo. La corrente scorre nella direzione delle frecce. Quando il punto B è positivo, la corrente scorre come nella figura 14.

Ancora una volta, notate che la corrente attraverso R è sempre in una direzione. Entrambe le metà della tensione d’ingresso sono raddrizzate e viene utilizzata l’intera tensione del trasformatore.

I raddrizzatori a ponte possono essere utilizzati in circuiti senza trasformatori. Senza trasformatori, la tensione o la corrente non sarà aumentata o diminuita. Non ci sarà isolamento. Questi circuiti sono anche chiamati circuiti a ponte di linea, Figura 15.

Attenzione

Collegando un oscilloscopio direttamente a un raddrizzatore a ponte di linea si avrà una massa morta quando la massa dell’oscilloscopio è collegata al ponte della tensione di linea. Si deve usare un trasformatore di isolamento con un rapporto 1 a 1 per evitare che il cavo di terra dell’oscilloscopio sia collegato al conduttore caldo.

Figura 15. Circuito raddrizzatore a ponte in linea.

L’uscita del raddrizzatore a semionda o a onda intera è una tensione pulsante. Prima di poterla applicare ad altri circuiti, le pulsazioni devono essere ridotte. È necessaria una corrente continua più stabile. Si può ottenere usando una rete di filtro.

Nella figura 16, la linea, Eavg, mostra la tensione media dell’onda dc pulsante. È uguale a 0,637 × tensione di picco. La porzione ombreggiata dell’onda sopra la linea media è uguale in area alla porzione ombreggiata sotto la linea.

Il movimento sopra e sotto la tensione media è chiamato ondulazione ac. È questa ondulazione che richiede un filtraggio.

La percentuale di ondulazione rispetto alla tensione di uscita deve essere mantenuta ad un piccolo valore. La percentuale di ondulazione può essere trovata usando la formula:

Figura 16. Valore medio dell’uscita del raddrizzatore a onda piena.

Filtri a condensatore

Un condensatore collegato all’uscita del raddrizzatore fornisce una certa azione di filtraggio, Figura 17. Il condensatore è in grado di immagazzinare elettroni.

Quando il diodo o il raddrizzatore è in conduzione, il condensatore si carica rapidamente in prossimità del picco di tensione dell’onda. È limitato solo dalla resistenza del raddrizzatore e dalla reattanza degli avvolgimenti del trasformatore.

Tra le pulsazioni dell’onda, la tensione del raddrizzatore scende. Il condensatore si scarica quindi attraverso la resistenza del carico.

Il condensatore, in effetti, è una camera di stoccaggio di elettroni. Immagazzina elettroni al picco di tensione e poi fornisce elettroni al carico quando l’uscita del raddrizzatore è bassa. Vedi Figura 18.

Figura 17. Azione di filtraggio di un condensatore.

Figura 18. Ingresso e uscita del filtro a condensatore che mostra il cambiamento della forma d’onda.

I condensatori usati per questo scopo sono di tipo elettrolitico perché sono necessarie grandi capacità in uno spazio limitato. I valori comuni per i condensatori vanno da 4 a 2000 microfarad. Le tensioni di lavoro dei condensatori dovrebbero essere superiori alla tensione di picco del raddrizzatore.

Filtri LC

L’azione di filtraggio può essere migliorata aggiungendo una bobina in serie al carico. Questo circuito di filtro LC appare nella figura 19. L’induttanza del filtro consiste in molte spire di filo avvolte su un nucleo di ferro laminato.

Figura 19. Un ulteriore filtraggio è prodotto dall’induttanza in serie con il carico.

Ricordiamo che l’induttanza è quella proprietà di un circuito che resiste ad un cambiamento di corrente. Un aumento di corrente induceva una contro-emf che si opponeva all’aumento. Una diminuzione di corrente induceva un contro emf che si opponeva alla diminuzione. Di conseguenza, la bobina si oppone costantemente a qualsiasi cambiamento di corrente. Tuttavia, offre pochissima opposizione a una corrente diretta.

Le bobine utilizzate nelle radio hanno valori da 8 a 30 henrys. I valori di corrente variano da 50 a 200 milliampere.

I reattori più grandi possono essere utilizzati nei trasmettitori e in altri dispositivi elettronici. L’azione di filtraggio come risultato della bobina del filtro è mostrata nella Figura 20.

Figura 20. Le forme d’onda mostrano l’azione di filtraggio del condensatore e dell’induttanza insieme.

Un secondo condensatore può essere usato nella sezione del filtro dopo l’induttanza, per fornire una maggiore azione di filtro. Vedere la figura 21. L’azione di questo condensatore è simile a quella del primo condensatore. La configurazione del circuito appare come la lettera greca π. Il filtro è chiamato filtro a sezione pi (π).

Figura 21. Filtro di sezione Pi (π).

Quando il primo componente di filtraggio è un condensatore, il circuito è chiamato filtro di ingresso a condensatore. Quando la bobina è il primo componente di filtraggio, si chiama filtro d’ingresso a bobina, Figura 22. Il filtro d’ingresso a bobina assomiglia a una L rovesciata, quindi è anche chiamato un filtro a sezione L. Diverse di queste sezioni di filtro possono essere usate in serie per fornire ulteriore filtraggio.

Figura 22. Filtro L d’ingresso a bobina

Nel filtro d’ingresso a condensatore, il condensatore si carica alla tensione di picco dell’onda raddrizzata. Nell’ingresso a bobina, la corrente di carica del condensatore è limitata dalla bobina. Il condensatore non si carica alla tensione di picco. Di conseguenza, la tensione di uscita dell’alimentatore che utilizza il filtro d’ingresso del condensatore è superiore a quella che utilizza il filtro d’ingresso dell’induttanza.

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