Un alimentatore per le tensioni intermedie

In molte applicazioni ed esperienze di interesse per lo scienziato dilettante, sono necessarieo quanto meno utili tensioni di alimentazione comprese fra 35 V e 100 V in corrente continua (DC), che sono troppo elevate per poter usare i due sistemi classici di regolazione della tensione usati per le basse tensioni. In questo articolo, vedremo quindi come funziona e, soprattutto, come si può realizzare in pratica un alimentatore per tensioni intermedie sicuro e versatile, tale da poter essere adattato alle nostre più comuni esigenze. L’articolo è, in ogni caso, destinato a lettori adulti e responsabili.

Nell’articolo “Come costruire un alimentatore stabilizzato” – che potete trovare qui – abbiamo visto come realizzare un alimentatore stabilizzato per basse tensioni: gli integrati regolatori di tensione sono utili quando ci servono tensioni di uscita comprese soprattutto nell’intervallo da 5 V a 24 V (con un’efficienza del 20-75%), mentre i convertitori switching permettono di realizzare circuiti ancora più semplici nell’intervallo da 1,2 V a 37 V (dunque più esteso, specie verso l’alto), con un’efficienza del 75-95%.

Per le tensioni intermedie, si devono pertanto usare alimentatori di tipo diverso, che possono variare a seconda delle nostre reali necessità. La tabella qui sotto schematizza – sia pure in modo un po’ grossolano – i tipi di alimentatori suggeriti nei vari intervalli di tensione di uscita che ci si possono presentare, in modo da avere un quadro completo della situazione.

I più semplici tipi di alimentatori stabilizzati nei vari intervalli di tensione da 1 V a 100 V DC.

Il trasformatore di alimentazione

Un alimentatore è in genere costituito da più stadi. Il primo stadio di un buon alimentatore è costituito sempre da un trasformatore. Quest’ultimo svolge due importanti funzioni: quella, ovvia, di (1) ridurre la tensione di rete a un valore meno pericoloso (ovvero inferiore a 30 V, se possibile) e più vicino alle nostre esigenze; e quella di (2) isolamento elettrico.

I vari stadi di un alimentatore stabilizzato standard, con le rispettive forme d’onda.

Per quanto riguarda il primo aspetto, una tensione di soli 50 V in alternata (AC) – o anche inferiore – alla normale frequenza di rete di 50 Hz può, in determinate condizioni, già essere mortale. Perciò, occorre guardarsi bene dal toccare una tensione in alternata, diciamo, da 20 V in su. Invece, una tensione di 120 V in continua (DC) è, in condizioni normali, considerata tollerabile indefinitamente. Perciò, se la tensione di uscita dal trasformatore è stata raddrizzata con un raddrizzatore a ponte, a valle di quest’ultimo non è mortale a tensioni fino a circa un centinaio di Volt (ma è comunque bene non fare mai la prova!).

Per quanto riguarda invece l’aspetto dell’isolamento, l’isolamento elettrico è necessario per proteggere circuiti, apparecchiature e persone da urti e cortocircuiti, come pure per effettuare misure accurate. L’isolamento – detto anche isolamento galvanico – significa che non esiste alcun percorso di conduzione diretto per la corrente che scorre, ovvero nessuna connessione fisica. In generale, l’isolamento può essere realizzato utilizzando dispositivi elettromagnetici, capacitivi o ottici.

Quando ad es. un circuito è alimentato da un trasformatore che funge da isolamento, la sua terra (terra del circuito o dell’apparecchiatura) è separata dalla terra della rete di casa; il trasformatore isola il circuito o il dispositivo in prova dalla terra di alimentazione comune. Una persona che lavora sull’attrezzatura (in piedi un pavimento collegato a terra) se accidentalmente tocca un punto del circuito a valle del trasformatore non può fornire un percorso a terra, eliminando la possibilità di uno shock mortale.

Per trasferire i segnali, i trasformatori utilizzano il flusso magnetico. Pertanto, forniscono isolamento, che protegge gli utenti da apparecchiature difettose, consente misurazioni sicure e accurate, separa fisicamente la parte del sistema elettrico a valle del trasformatore da quella a monte. Nel caso in figura, la misurazione di V1 è accurata , e se una persona, in piedi su un pavimento collegato a terra, accidentalmente tocca ad es. il punto TP2, è impedito il flusso di corrente attraverso il corpo dell’utente.

Con il trasformatore di isolamento, la terra del circuito da testare è separata da quella di rete.

Quanto fin qui illustrato, tuttavia, non vi autorizza affatto a toccare, ad esempio, un terminale di uscita di un trasformatore con tensione ai capi del secondario superiore a 50 V. Ma soprattutto state attenti a non toccare i terminali di uscita del trasformatore ciascuno con una mano diversa, in quanto realizzereste un circuito con il cuore nel mezzo, e dunque il risultato sarebbe mortale, dato che l’isolamento non vi protegge: vi protegge solo dai flussi di corrente da un terminale del secondario a terra!

Si noti che, se al posto di un normale trasformatore usassimo un Variac – cioè un trasformatore di tensione variabile (di solito, 0-250 V), in cui il valore della tensione di uscita voluta si imposta girando una manopola, come in quelli che trovate in vendita qui – non ci sarebbe isolamento elettrico, poiché il Variac è un autotrasformatore, per cui non saremmo protetti. Perciò, se mai useremo un Variac nel nostro laboratorio, per ragioni di sicurezza sarà bene usare anche (meglio a monte) un trasformatore di isolamento 1:1 di opportuna potenza.

Per realizzare l’alimentatore per tensioni intermedie oggetto di questo articolo, abbiamo scelto quindi un comune trasformatore di tensione con uscita a 110 V AC. Questi trasformatori sono piuttosto diffusi e relativamente economici, poiché l’uscita è in pratica la tensione di rete usata negli Stati Uniti. Naturalmente, dovremo scegliere una potenza sufficiente per la maggior parte degli usi di laboratorio. Su Internet, un convertitore da 230 V a 110 V AC costa circa una ventina di euro.

Un comune trasformatore da 230 V AC a 110 V AC (in questo caso, da 45 W) in vendita online. Ne potete trovare vari modelli con i relativi prezzi cliccando qui.

Lo stadio rettificatore: diodo o ponte?

Vediamo ora come trasformare la tensione a 100 V in alternata (AC) in continua (DC), dove per “continua” non si intende una tensione costante, bensì una corrente continua, unidirezionale, cioè che scorre sempre in una medesima direzione, anziché una volta in un verso e un’altra in quello opposto. Vedremo due modi di farlo: il raddrizzatore a semi-onda singola e il raddrizzamento a ponte a onda intera.

Lo stadio successivo al trasformatore è infatti quello di rettificazione, o raddrizzamento. Il raddrizzatore a semi-onda singola può essere realizzato con un diodo rettificatore, un componente che conduce corrente solo in una direzione, e da non confondersi con i diodi rivelatori, usati ad es. nelle radio. Useremo un diodo rettificatore di potenza, più grande e robusto. Nella scelta, occorre assicurarsi che il valore della tensione di blocco inversa sia superiore a 150 V (ad es. è 1000 V per l’1N4007).

Alimentatore da 50 V DC a semionda singola. Usa un trasformatore con uscita a 110 V. L’altro componente usato è il diodo, poiché la resistenza è il carico collegato all’alimentatore.

Un alimentatore che utilizza solo diodi di potenza è classificato come “non controllato”. In pratica, ci fornisce solo una metà di ogni onda sinusoidale completa dell’alimentazione AC. Durante ciascun semiciclo “negativo” della forma d’onda di ingresso sinusoidale, nessuna corrente fluisce attraverso il diodo o il circuito alimentato. Inoltre, il valore “medio” di questa tensione irregolare si traduce in una tensione effettiva fornita al carico più bassa (pari a circa 0,45 volte la tensione AC in ingresso).

Dunque, nel nostro caso avremmo all’incirca una tensione di uscita Vout = 0,45 x 110 V = 50 V. La variazione della forma d’onda di uscita rettificata tra questa condizione “ON” e “OFF” produce una forma d’onda che ha grande quantità di ondulazioni (chiamate “ripple”), che sono una caratteristica indesiderabile. Questo alimentatore spartano va bene per un’elettrolisi, un’elettroforesi e per alcune altre applicazioni a bassa potenza, ma non va bene per alimentare circuiti dove serve una tensione “stazionaria”.

Un alimentatore da banco, o da laboratorio, deve fornire una tensione selezionata ad altri elementi elettrici e non “espellerli” – sia pure solo per alcuni istanti” – dal circuito. Per la medesima ragione, non si usa la modulazione di impulso (PWM) in un alimentatore: essa fornisce piena tensione al carico durante il tempo ON e tensione zero durante il tempo di spegnimento (OFF). Un alimentatore da banco deve avere un’uscita continua nel tempo e priva di qualsiasi variazione di tensione o ondulazione.

Pertanto, per realizzare un alimentatore da laboratorio useremo il classico raddrizzatore a ponte, che sfrutta ogni mezzo ciclo della tensione di ingresso invece di un mezzo ciclo sì e uno no. Il circuito che ci consente di farlo è chiamato “raddrizzatore a ponte a onda intera”. Il raddrizzatore a ponte usa quattro diodi raddrizzatori collegati in una configurazione a “ponte” per produrre l’uscita desiderata.

Alimentatore da 100 V DC a onda intera. Anch’esso usa un trasformatore con uscita a 110 V.

Il raddrizzatore a ponte a onda intera ha due vantaggi fondamentali rispetto al raddrizzatore a semi-onda singola appena illustrato: la tensione di uscita media è superiore (circa 100 V DC, essendo l’uscita dal trasformatore di 110 V AC) e presenta un’ondulazione (ripple) molto inferiore. Infatti, la tensione continua è data dalla semplice formula Vout =  0,9 x Vin, dove Vin è la tensione d’ingresso in alternata fornita dal trasformatore.

Filtraggio: il condensatore di livellamento

Possiamo migliorare la qualità dell’alimentatore riducendo l’ondulazione (ripple) dell’uscita rettificata utilizzando uno o più condensatori di livellamento per filtrare la forma d’onda di uscita. I condensatori di livellamento, che vengono collegati in parallelo con il carico all’uscita del circuito raddrizzatore a ponte, aumentano leggermente il livello medio della tensione di uscita in corrente continua (c.c.), in quanto il condensatore agisce come un dispositivo di “memorizzazione”, o serbatoio.

Il condensatore di livellamento converte l’uscita “increspata” ad onda intera del raddrizzatore in una tensione di uscita in corrente continua più uniforme. Se ora simuliamo il circuito con un software di simulazione online (come ad es. Partsim, che trovi qui) con diversi valori del condensatore di livellamento, possiamo vedere l’effetto che il condensatore ha sulla forma d’onda di uscita rettificata.

Il tool di simulazione online “Partsim”, cui potete accedere da qui.

Generalmente per i circuiti di alimentazione in c.c. il condensatore di livellamento è di tipo elettrolitico in alluminio, e ha una capacità di 100 μF. In generale, vi sono due parametri importanti da considerare quando si sceglie un condensatore di livellamento adatto e questi sono: la sua tensione di lavoro, che deve essere maggiore del valore di uscita a vuoto del raddrizzatore; e il suo valore di capacità (in μF), che determina la quantità di ondulazione che apparirà sovrapposta alla tensione in c.c.

Se il valore di capacità è troppo basso, il condensatore ha scarso effetto sulla forma d’onda di uscita. Ma se il condensatore di livellamento è sufficientemente capace (è possibile utilizzare più condensatori in parallelo) e la corrente di carico non è troppo grande, la tensione di uscita sarà uniforme quasi come una corrente in continua pura. Come regola generale, stiamo cercando di avere una cosiddetta “tensione di ripple” (in italiano, “residuo in alternata”) inferiore a 100 mV da picco a picco.

La massima tensione di ondulazione presente in un circuito a raddrizzatore a onda intera non è determinata solo dal valore del condensatore di livellamento, ma anche dalla frequenza e dalla corrente che scorre nel carico, ed è calcolata come nella formula mostrata qui sotto, dove: I è la corrente che scorre nel carico (in ampere), ƒ è la frequenza dell’ondulazione (ripple) o il doppio della frequenza di ingresso in Hertz, e C è la capacità del condensatore, espressa in Farads.

La formula di calcolo della massima tensione di ondulazione (Vripple) in un alimentatore con raddrizzatore a onda intera, come ad es. quello utilizzante un raddrizzatore a ponte.

La regolazione della tensione di uscita

La regolazione della tensione di uscita, in un circuito a tensioni intermedie quale quello che ci interessa completare, può venire effettuata con un diodo Zener. Infatti, a differenza di un diodo convenzionale, che blocca qualsiasi flusso di corrente attraverso se stesso polarizzato inversamente – cioè quando il catodo diventa più positivo dell’Anodo – il diodo Zener, non appena la tensione inversa raggiunge un valore predeterminato, inizia a condurre nella direzione inversa.

I vari componenti fin qui illustrati: diodo rettificatore, raddrizzatore a ponte e diodo zener.

Questo perché, quando la tensione inversa applicata al diodo Zener supera la tensione nominale del diodo, si verifica un processo denominato “scarica a valanga” e una corrente inizia a scorrere attraverso il diodo per limitare questo aumento di tensione. La corrente che ora fluisce attraverso il diodo Zener aumenta drammaticamente fino al valore massimo del circuito (che è solitamente limitato da una resistenza in serie) e una volta raggiunto, rimane abbastanza costante in un’ampia gamma di tensioni inverse.

Il punto di tensione al quale la tensione attraverso il diodo Zener diventa stabile è chiamato “tensione zener”, (Vz) e per i diodi Zener può variare da meno di un volt a poche centinaia di volt, per cui è possibile realizzare alimentatori con tensione fissa e stabile scelta in un’ampia gamma di valori.

Alcuni voltaggi standard dei diodi Zener. Altri arrivano anche a tensioni di 100 V (e oltre).

Questa tensione di interruzione dello Zener sulla curva I-V è quasi una linea retta verticale. Il fatto che la tensione attraverso il diodo nella regione di rottura sia quasi costante si rivela essere una caratteristica importante del diodo Zener, in quanto esso può venire usato come regolatore di tensione.

Curva della caratteristica I-V di un diodo Zener.

La funzione di un regolatore è di fornire una tensione di uscita costante – o “ stabilizzata” – a un carico collegato in parallelo con esso, nonostante le increspature nella tensione di alimentazione o la variazione della corrente di carico. E il diodo Zener continuerà a regolare la tensione fino a quando la corrente nel diodo non scende al di sotto del valore minimo IZmin nella regione di rottura inversa.

Dunque, facendo passare attraverso il diodo una piccola corrente, proveniente da una sorgente di tensione, tramite una resistenza limitatrice di corrente adatta (RS) – si veda lo schema circuitale nella figura qui sotto – il diodo Zener condurrà una corrente sufficiente a mantenere una caduta di tensione di Vout. Quindi, il circuito con il regolatore di tensione zener è costituito da una resistenza limitatrice di corrente collegata in serie alla tensione di ingresso, con il diodo zener collegato in parallelo al carico.

Esempio di alimentatore stabilizzato per tensioni intermedie con diodo zener.

Senza carico collegato al circuito, la corrente di carico sarà pari a zero e tutta la corrente del circuito passa attraverso il diodo Zener, che a sua volta dissipa la sua potenza massima. Anche un piccolo valore della resistenza RS si tradurrà in una maggiore corrente di diodo quando la resistenza di carico RL è collegata ed elevata, in quanto ciò aumenterà il fabbisogno di dissipazione di potenza del diodo. Perciò occorre prestare attenzione, quando si seleziona il valore appropriato della resistenza in serie, che la potenza massima dello Zener non sia superata in questa condizione di assenza di carico o di alta impedenza.

Il limite superiore della corrente fornibile dall’alimentatore stabilizzato utilizzante lo Zener dipende, ovviamente, dalla potenza di questo componente. La tensione di ingresso Vin proveniente dallo stadio precedente dell’alimentatore deve essere, naturalmente, maggiore della tensione zener (Vz).

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