Raddrizzatore
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In elettrotecnica ed elettronica un raddrizzatore o rettificatore è un dispositivo usato per trasformare la corrente alternata in corrente continua.
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[modifica] Raddrizzatore ad una semionda
Il metodo più semplice per raddrizzare una corrente è l'impiego di un diodo a semiconduttore o a vuoto, un raddrizzatore al mercurio o altri dispositivi simili. In questo caso viene lasciata passare una sola semionda di tensione, mentre quando è presente la semionda opposta il diodo entra in interdizione e non si ha passaggio di corrente.
Questa soluzione genera una corrente molto difficile da livellare fino ad ottenere una corrente costante ed è causa di notevole rumore elettrico.
[modifica] Raddrizzatore a doppia semionda
Utilizzando un trasformatore con il secondario dotato di una presa a metà avvolgimento è possibile ottenere due tensioni sfasate di 180°, che possono essere singolarmente raddrizzate per mezzo di due diodi. La tensione totale del secondario deve essere doppia rispetto a quella necessaria per il raddrizzamento ad una semionda oppure a ponte di diodi.
[modifica] Raddrizzatore a ponte di diodi
Adottando quattro diodi disposti in configurazione a ponte di Graetz, è possibile ottenere un segnale che è la somma di una semionda positiva più la semionda negativa capovolta (doppia semionda). Questa soluzione, molto usata negli alimentatori, rende molto più semplice il successivo filtraggio e livellamento della tensione fino ad ottenere una corrente continua, non richiedendo peraltro un trasformatore con doppio avvolgimento.
Principale svantaggio di questo metodo è di avere una caduta di tensione pari a quella di due diodi in serie, quindi anche oltre 2 volt. Nel raddrizzare tensioni molto piccole si ha quindi una perdita e una distorsione eccessive.
Una configurazione simile costituita da sei diodi permette di raddrizzare una tensione trifase impiegando tutte e tre le fasi (anche più di tre in un sistema polifase, usando un numero opportuno di diodi).
[modifica] Rendimento energetico
Ciascun diodo, quando è attraversato da corrente, presenta una caduta di potenziale ai suoi capi relativamente costante. Per i diodi al silicio questo valore è intorno ad 0,7-1 volt. La potenza dissipata da ciascun diodo è data dalla tensione presente ai suoi capi per la corrente che lo attraversa. Poiché in un ponte raddrizzatore, durante ogni semionda, conducono due diodi, la potenza totale è pari al doppio di quella dissipata da un singolo diodo.
Esempio: supponendo una caduta di 1 V, con una corrente efficace di 10 A, ciascun diodo dissipa 10 W. Poiché due diodi conducono in ogni istante, la potenza totale continua dissipata è di 20 W, che vanno sottratti alla potenza in entrata per ottenere il valore di potenza erogata in uscita. Si intuisce inoltre che i dispositivi raddrizzatori devono essere generalmente raffreddati per mezzo di alette metalliche ed eventualmente ventilatori, a meno che le correnti non siano limitata a pochi ampere. Nei più grandi apparati di raddrizzamento il raffreddamento è spesso svolto da un circuito idraulico.
[modifica] Ingegnerizzazione
Un ponte raddrizzatore può essere realizzato collegando opportunamente diodi semplici, ma esiste un commercio una grande varietà di dispositivi integrati pronti all'uso. La soluzione a diodi singoli è particolarmente indicata per correnti elevate, poiché facilita lo smaltimento del calore.
Il raddrizzatore può ricevere la corrente alternata da un trasformatore riduttore o direttamente dalla rete elettrica. Il segnale pulsante in uscita da un raddrizzatore può essere considerato come la sovrapposizione di una componente alternata e una componente continua che ne trasla il valore medio. Per questo, per livellare la corrente continua prodotta, si pone all'uscita del raddrizzatore un circuito RC passa basso, che ha lo scopo di sopprimere la componente alternata. Spesso la resistenza non è aggiunta, ma costituita dalle resistenze interne dei conduttori, dei diodi e del condensatore.
Per avere un'idea di massima della tensione livellata si usa la formula:
dove Veff è la tensione efficace in entrata al raddrizzatore. Per esempio, da una tensione alternata efficace di 12 V si ottiene un valore di picco di 17 V, che è destinato a scendere con l'applicazione di un carico e a cui vanno sottratte le cadute di tensione date dai diodi in conduzione, circa 1,5-2 V in totale.
Sia nel caso di raddrizzatori ad una semionda che a due semionde, i parametri da considerare per la scelta del dispositivo sono:
- Tensione massima nominale: ciascun diodo deve sopportare senza guastarsi una tensione inversa pari alla tensione di picco. Comunemente sono usati diodi con tensioni di breakdown di oltre 1 KV.
- Corrente massima nominale: questo parametro è funzione della potenza del dispositivo usato. Si tratta della corrente sopportata con continuità supponendo che il dispositivo sia correttamente raffreddato. Sono possibili momentanee sovracorrenti, per esempio all'accensione durante la carica dei condensatori.
[modifica] Raddrizzatore di precisione
Qualora il segnale da raddrizzare abbia una tensione molto bassa, la tensione di caduta del diodo non è trascurabile. Poiché la conduzione inizia solamente dopo il superamento del valore di soglia, segnali inferiori vengono del tutto soppressi. Anche oltre la soglia, la caduta di tensione è sottratta al segnale.
Per ovviare a questo inconveniente, negli strumenti di misura e altri dispositivi dove sia richiesta una rettificazione precisa del segnale, si usano diodi inseriti nel circuito di retroazione di un amplificatore operazionale (figura a lato).
In questo circuito l'amplificatore lavora come inseguitore, portando il valore di Vo allo stesso valore di Vi. Perché questa condizione si verifichi occorre che:
dove Vd è la caduta di tensione sul diodo e G è il guadagno dell'amplificatore operazionale. Poiché solitamente G è nell'ordine delle centinaia di migliaia o milioni, la tensione di soglia è ridotta di un equivalente fattore rispetto alla tensione di caduta.
[modifica] Tecnologie di raddrizzatori
L'evoluzione della tecnica ha determinato l'impiego di diversi tipi di raddrizzatori. Tutti i dispositivi inventati si basano su un fenomeno fisico che consente il passaggio degli eletroni in una sola direzione. le principali soluzioni sono quì indicate in ordine cronologico:
- Convertitore rotante: è un motore in corrente alternata accoppiato ad un generatore in corrente continua. È potenzialmente reversibile.
- Diodo a vuoto: è una valvola termoionica in cui il catodo emette elettroni che vengono assorbiti dall'anodo determinando il flusso di corrente. Poiché l'anodo è freddo non può emettere elettroni in senso inverso.
- Raddrizzatore al mercurio e ignitron: si tratta di particolari valvole a catodo freddo in cui si sfrutta l'arco elettrico prodotto in un vapore di mercurio, che consente il passaggio di corrente in una direzione. L'impiego di questo dispositivo si aveva nel raddrizzamento della tensione destinata al trasporto ferroviario, dove il diodo a vuoto non era in grado di operare.
- Elettrolitico: sfrutta la polarizzazione di una cella elettrochimica.
- All'ossido di rame e selenio: gli ossidi metallici accoppiati a metalli hanno la caratteristica di comportarsi come diodi. Diverse lamine di selenio ossidato da un lato e rame erano impilate a costituire un collegamento in serie.
- A cristallo: se su particolari cristalli, in particolare la galena, viene premuta una punta metallica si realizza un diodo come conseguenza dell'effetto punta. Questo effetto era impiegato (ed è ancora utilizzato a scopo didattico) in alcune vecchie radio.
- A semiconduttore: è la tecnologia attualmente dominante, inizialmente basata sul germanio, ora sul silicio, impiegato per realizzare diodi e tiristori.
