Dimensionamento del gruppo rettificatori

Il gruppo rettificatori

Proseguiamo l'esame dei blocchi funzionali dell’alimentatore con un esempio di calcolo del gruppo rettificatori di potenza.

Specificazioni relative al gruppo rettificatori

I questo esempio si impiega il rettificatore a ponte che favorisce la costruzione del trasformatore con secondari privi della presa intermedia; ciò implica l’utilizzo di quattro diodi di potenza del ponte collegati al trasformatore secondo lo schema di figura 1:

figura 1

Si tenga presente che in commercio si trovano numerosi componenti che racchiudono in un unico contenitore il ponte di diodi già formato, questi possono sostituire vantaggiosamente i quattro diodi singoli; uno di questi componenti è mostrato, ultimo in basso, in figura 2:

figura 2

Esempio di calcolo del gruppo rettificatori

Un esercizio per la selezione dei diodi mostrerà tutte le problematiche relative a questo componente:

Dati di base

Si debba costruire un ponte di rettificazione a diodi per un alimentatore il cui carico richiede $50\ Vcc\ e\ 0.5\ A$; il ponte deve lavorare ad una temperatura ambiente di $50$°.

Si valuti la caduta di tensione sui diodi per tenerne di conto nella fase di progetto del trasformatore.

Valutazione della corrente di picco massima

Supponiamo che, a seguito di valutazioni sulle caratteristiche del trasformatore e del carico ( questa procedura sarà vista nel contesto del calcolo del trasformatore), la corrente di picco massima che scorre nei diodi risulti $1.2$ volte la corrente richiesta dal carico, cioè:

$Ip=1.2\cdot 0.5\ A=0.6\ A$

I diodi che andremo a selezionare dovranno avere una corrente $If$ superiore ad $Ip.$

Valutazione della tensione inversa massima

Supponiamo che la tensione di picco massima applicata ai diodi sia superiore del $20\%$ della tensione richiesta dal carico, cioè:

$Vp=1.2\cdot 50\ Vcc=60\ Vp$

I diodi che andremo a selezionare dovranno avere una tensione inversa $Vr$ superiore a $60\ V$.

Selezione del tipo dei diodi

Sulla base della corrente $Ip=0.6\ A$ e della tensione $Vp=60\ V$ si può scegliere il tipo di diodo necessario per la formazione del rettificatore a ponte:

sulla base dei dati esposti si sceglie a catalogo il diodo 1N4002, in contenitore plastico e terminali a saldare, che presenta le seguenti caratteristiche:

$If=1\ A>Ip$

$Vr=100\ V>Vp$

Calcolo della caduta di tensione ai capi dei diodi

La valutazione della caduta di tensione è richiesta dai dati di base per il successivo calcolo del trasformatore.

Il diodo 1N4002 presenta, a catalogo, una $Vf$ tipica di $0.9\ V\ a\ 0.6\ A,$ ne consegue che nel progetto del trasformatore dovrà tenersi conto di una caduta di tensione $\Delta v$ che si perde ai capi dei due diodi:

$\Delta v=2\cdot 0.9\ V=1.8\ V$

di due diodi, dei quattro, durante il loro semiperiodo di conduzione.

Considerazioni relative alla temperatura

La dissipazione $Wd$ di un diodo durante le fasi di conduzione si può assimilare, per semplicità e per sicurezza, pari al prodotto della $Vf$ per la corrente di picco $If,$ valutata per la metà del tempo, dato che i diodi conducono a turno per i relativi semiperiodi, nel nostro caso quindi possiamo scrivere:

$Wd=Vf\cdot If/2$

dalla quale

$Wd=0.9\ V\cdot 0.6\ A/2=0.27\ W$

La massima potenza elettrica che un diodo con terminali a filo può dissipare è data dalla relazione:

$P=(Tj{-}Ta)/(qjLa+qjLk+qjHS)$

dove

$qjLa=$ resistenza termica tra anodo e terminale in °$C/W$

$qjLk=$ resistenza termica tra catodo e terminale in °$C/W$

$qjHS=$ resistenza termica terminali e punti di fissaggio –saldature- in °$C/W$

$Tj=$ temperatura massima della giunzione in °$C$

$Ta=$ temperatura ambiente

Caratteristiche del diodo 1N4002

Il catalogo del diodo selezionato indica le seguenti caratteristiche termiche:

$qjLa=100^{\circ }C/W$

$qjLk=100^{\circ }C/W$

$qjHS=35^{\circ }C/W$ per terminali della lunghezza di circa $12$ mm saldati su C.S.

$Tj=175^{\circ }$

Con i dati del costruttore e con l’indicazione della temperatura ambiente $(Ta),$ fornita nei dati di base, possiamo verificare, con la formula sopra riportata, se il diodo è in grado di dissipare la potenza $Wd$ calcolata:

$P=(Tj{-}Ta)/(qjLa+qjLk+qjHS)=(175^{\circ }{-}50^{\circ })/(100^{\circ }C/W+100^{\circ }C/W+35^{\circ }C/W)=0.5\ W$

essendo $P>Wd$ il componente è adatto a dissipare la potenza $Wd=0.27\ W$

Osservazioni

Nelle valutazioni sulle caratteristiche di un diodo rettificatore di potenza è di notevole importanza l’esame della dissipazione che, se non attentamente stimata, può provocare la distruzione del componente.

Nell'esempio svolto i calcoli hanno mostrato un notevole margine tra la potenza da dissipare $Wd=0.22\ W$ e la capacità di dissipazione del diodo che risulta di $0.5\ W$; se il calcolo avesse invece portato ad una condizione opposta, ovvero $P<Wd$ , avremmo dovuto cercare un diodo, forse ancora in contenitore plastico, dalle caratteristiche termiche adatte a sostenere la potenza da dissipare.

Qualora, per ragioni legate alla potenza da smaltire sul diodo, la scelta del semiconduttore dovesse orientarsi sui tipi a contenitore metallico (si veda componente in alto di figura 2) e fissaggio con dado, il calcolo della dissipazione dovrebbe essere sviluppato con le formule già riportate per la dissipazione dei transistori.