Rivelatori d'inviluppo e rettificatori a diodi

I circuiti rivelatori e rettificatori sono supportati, entrambi, da uno schema di massima del tipo mostrato in figura 1 nel quale si evidenzia una capacità $Ci$ ed una resistenza di carico $Rc$ da dimensionare in due modi diversi secondo l'impiego:

figura 1

Indicativamente si può dire che per i circuiti rivelatori d'inviluppo il valore di $Ci$ è molto piccolo, dell' ordine dei migliaia di picoFarad, mentre per i circuiti di rettificazione il valore di $Ci$ è dell'ordine di migliaia di microFarad.

Il prodotto $Rc\cdot \ Ci$ è indicato come costante di tempo di rivelazione.

Il rivelatore d'inviluppo

Si tratta di un circuito progettato per la rivelazione di segnali a basso livello modulati in ampiezza come mostra figura 2:

figura 2

Nel circuito di figura 1 durante i picchi positivi del segnale modulato di figura 2 il diodo è in conduzione e $Ci$ si carica molto rapidamente essendo la resistenza elettrica del diodo e Rg sufficientemente basse.

Durante i picchi negativi del segnale modulato il diodo è interdetto ed il condensatore $Ci$ si scarica su $Rc$ e il ciclo si ripete ad ogni periodo.

Un'immagine della modulante rivelata dal circuito è mostrata come traccia seghettata celeste in figura 3:

figura 3

Il dimensionamento della costante di tempo $Rc\ \cdot Ci$ per una buona rivelazione si ottiene con l'espressione:

$Rc\cdot Ci={\frac {1}{2\pi fo\cdot m}}$

dove:

$fo$ = frequenza della modulante

$m$ = indice di modulazione

Un esempio di calcolo per $Ci$:

• Frequenza portante $fp=80000\ Hz$

• $fo=5000\ Hz$

• $m=0.3$

• $Rc=10000\ \Omega$

$Ci={\frac {1}{2\pi \cdot 5000\cdot 0.3\cdot 10000}}=10600\ pF$

Il circuito rettificatore

Si tratta di un circuito progettato per la rettificazione di tensioni alternate di ampiezza e corrente rilevanti.

Un semplice esempio di rettificatore a diodo è mostrato in figura 1

figura 1

Il circuito è costituito da un trasformatore con il primario $P$ collegato alla tensione alternata di rete di $220\ Veff$ ; il secondario $S$ fornisce una tensione alternata di circa $9\ Veff$ che, tramite il diodo $D$, è applicata alla resistenza utilizzatrice $Rc=5\ \Omega .$

Funzionamento

Il diodo conduce ad ogni semiperiodo positivo della tensione fornita dal secondario $S$ per cui ai capi di $Rc$ è presente una tensione pulsante positiva di circa $12\ Vpicco$, che potrebbe essere utilizzata ad esempio per la ricarica di una batteria di accumulatori al piombo.

In questo caso le caratteristiche del diodo devono soddisfare le seguenti esigenze:

$If>9\ V\cdot 1.41/5\ \Omega =2.4\ A$

$Vr>9\ V\cdot 1.41=12\ V$

$Fo$: non significativa

Il diodo $D$ può essere scelto del tipo 1N5401 che ha le seguenti caratteristiche:

$If=3\ A$ (il picco di corrente è, come voluto, superiore al picco di $2.4\ A$ richiesto )

$Vr=100\ V$ (La tensione di lavoro $Vr$ è , come voluto, superiore al picco inverso di $12\ V$ che si manifesta nel circuito.

Il circuito con filtro $Rg\ \ Cf$

Il circuito raddrizzatore illustrato in precedenza non può essere impiegato per ottenere tensioni positive adatte ad alimentare la circuitazione elettronica a causa dell’andamento pulsante della tensione positiva d’uscita; per ottenere una tensione continua è necessario che il circuito raddrizzatore sia dotato di condensatore di “filtro”, così come riportato in figura 2.

figura 2

La figura 2 differisce dalla figura 1 soltanto per la presenza del condensatore di filtro $Cf$ che ha la funzione di caricarsi durante i semiperiodi positivi di conduzione del diodo $D$, per rendere poi parte dell’energia accumulata durante i semiperiodi di non conduzione del diodo; $Cf$ esegue una sorta di media degli impulsi di tensione in uscita dal diodo.

Il dimensionamento di questo circuito sarà trattato nelle lezioni dedicate al progetto degli alimentatori, in questa lezione è sufficiente accennare come nella scelta delle caratteristiche del diodo siano coinvolti, sia il valore della capacità $Cf$, sia il valore della resistenza $Rg$ vista all'uscita del diodo, sia il valore della resistenza di carico $Rc$.

Se ad esempio, diversamente dai dati del circuito precedente, fosse richiesta complessivamente una corrente massima di $4.5\ A$ ed una tensione inversa massima di $400\ V\ ;\ 50\ Hz$, essendo $Fo$ non significativa, si potrebbe scegliere il diodo del tipo $MR756$ che ha le seguenti caratteristiche:

$If=6\ A$ ( il picco di corrente è, come voluto, superiore al picco di $4.5\ A$ richiesto dal circuito

$Vr=600\ V$ (la $Vr=600\ V$ è , come voluto, superiore al picco inverso di $400\ V$ che si manifesta nel circuito)

La dissipazione nei diodi per correnti alternate forti

Nelle applicazioni dei diodi per forti correnti è necessario valutare la dissipazione dovuta al passaggio della corrente attraverso la giunzione, giunzione che come è noto richiede un valore di tensione dell’ordine di $0.7\ V$ o più.

Per questo tipo di valutazioni i costruttori dei semiconduttori espongono alcune serie di dati, o curve, dalle quali è possibile stabilire quale valore di $If$ si può fare scorrere nel diodo affinché questo possa dissipare il calore che si sviluppa nella giunzione.

Il calore può essere dissipato dall’involucro del diodo o, se necessario, con l’ausilio di una superficie radiante da connettere meccanicamente all’involucro del diodo stesso.

Un esempio di questi dati è riportato nel grafico di figura 3 per il diodo 1N7763 nell’ipotesi di impiego in aria libera alla temperatura ambiente di $50$° Centigradi.

Il grafico ha in ascisse i valori di $If$ , espressi in Ampere, che possono scorrere nel diodo, ed in ordinate i valori della superficie radiante, espresse in $cm^{2}$ , necessarie al raffreddamento.

figura 3