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Raddrizzatore ad una semionda con diodo

 
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I circuiti raddrizzatori sono quei circuiti che trasformano un segnale sinusoidale (ovvero corrente alternata) fornito in entrata ,in un segnale non più alternato ma con un segno solo negativo o positivo(tensione unidirezionale pulsante) in uscita.

Esistono due tipi di raddrizzatori:

I circuiti raddrizzatori sono quelli atti a rendere unidirezionale la corrente da fornire ad un carico partendo da un segnale alternato in ingresso.

Si dividono fondamentalmente i raddrizzatori ad una semionda e a doppia semionda.

-Ad una semionda quando si sfruttano le semionde o negative o positive del segnale d’entrata avendo in uscita un segnale composto da semionde o positive o solo negative intervallate tra loro da uno spazio a tensione zero lungo quanto la semionda mancante.

-Ad una semionda : lascierà passare solamente le semionde positive o negative a seconda del verso di connessione del diodo raddrizzatore utilizzato.

-A due semionde quando si sfruttano del segnale d’entrata tutte le semionde sia positive che negative fornendo un segnale d’uscita composto da semionde o solo positive o solo negative senza intervalli di tempo. Il circuito che ci permette di avere un segnale a due onde è il ponte di Graetz usato negli alimentatori.

-A due semionde : lascierà passare sia le semionde positive che quelle negative ribaltate di segno.

In questo caso la frequenza del segnale raddrizzato avrà un valore doppio rispetto all’originario.

Per questo tipo di raddrizzamento si usano o il ponte a diodi di Graetz o un raddrizzamento a doppia semionda con due diodi.

Raddrizzatore 1 Raddrizzatore  3 Raddrizzatore  2(nelle immagini riportate non ho considerato la tensione di soglia dei diodi la quale influisce sul segnale d’uscita)

Le immagini di cui sopra riportano il segnale sinusoidale di ingresso oscillante rispetto al valore zero e le forme d’onda d’uscita nel raddrizzatore ad una e a due semionde rispettivamente.

Le immagini sono indicative e non contemplano il valore tipico di soglia dei diodi al silicio utilizzati circa 0,5V che comporteranno una riduzione del valore di picco della forma d’onda d’uscita .

Tale riduzione sul valore di picco d’uscita sarà di 0,5V nel caso di raddrizzamento ad una semionda e di 0,5V x 2 nel caso di raddrizzatore a doppia semionda.

L’errore compiuto trascurando tale tensione sarà tanto meno trascurabile tanto più bassa sarà la tensione da raddrizzare rispetto ai 0,5 V o al 1 V relativi al tipo di raddrizzamento utilizzato.

Questo tipo di circuito è comunemente utilizzato negli alimentatori.

Nell’esperienza effettuata abbiamo realizzato un raddrizzatore ad una semionda utilizzando:

-Un oscilloscopio , che è uno strumento in grado di visualizzare tramite un tubo a raggi catodici l’andamento del segnale nel tempo.

-Un generatore di segnale usato per generare un segnale sinusoidale ad 1Khz 5 Volts picco picco.

-Un diodo 1n4007 ,una resistenza da 330 ohm, una breadboard sulla quale abbiamo montato il circuito.

Raddrizzatori 2

Una volta assemblato il circuito che può essere definito come un quadripolo(ovvero una rete elettrico comunque complessa in grado di scambiare segnali col mondo esterno mediante due morsetti d’entrata e due d’uscita) abbiamo alimentato il circuito con un segnale sinusoidale di ampiezza 5v e con frequenza ad 1khz e dopo abbiamo collegato ai capi della resistenza l’oscilloscopio(CH2),il quale ci ha mostrato un segnale ad una semionda con lo stesso periodo (più o meno) e ci siamo calcolati la sua ampiezza moltiplicando i volt su divisione con la l’altezza dell’onda in centimetri ovvero 1 V/DIV*2=2V.

Il circuito in esame nell’esperienza corrisponde a quello riportato nella figura superiore.

Può tranquillamente considerarsi un quaripolo ovvero una rete elettrico comunque complessa in grado di scambiare segnali col mondo esterno mediante due morsetti d’entrata e due d’uscita.

Abbiamo connesso i componenti e i canali dello’oscilloscopio come in figura onde poter monitorare e rapidamente confrontare il segnale in ingresso con quello in uscita.

Il generatore erogava 5 Volts picco picco ad una frequenza di 1 KHz.

Entrambe le misure dei segnali d’ingresso e d’uscita sono state effettuate con i due canali dell’oscilloscopio utilizzando sonde 1/1, essendo la scala di misura di ambedue i canali 1V/Div ho misurato un’ampiezza picco picco d’ingresso di 5 Divisioni x 1 Vdiv= 5Vpp , mentre per il segnale d’uscita l’ampiezza picco picco era di due sole divisioni in quanto 2 Divisioni x 1Vdiv =2 Vpp in quanto la caduta di tensione dovuta alla soglia del diodo al silicio ha portato ad un abbassamento del 20 % della tensione della semionda raddrizzata.

Se il segnale in ingresso fosse stato da 50 Volts picco picco la riduzione del valore sarebbe stata del 2 %.

Il funzionamento del circuito è semplice perché in entrata noi abbiamo una tensione alternata della quale solo la parte polarizzata direttamente col diodo passa,ovvero quando sull’anodo del diodo vi c’è il positivo di Vi la corrente passa vedendo tramite l’oscilloscopio una semionda positiva,mentre quando sull’anodo del diodo vi c’è il negativo di Vi la corrente non passa vedendo tramite l’oscilloscopio non una semionda negativa ma una retta con tensione pari a 0V.Naturalmente nel circuito se mettessimo il diodo al contrario vedremmo in uscita solo un segnale a semionda negativa.

Possiamo notare che confrontando il segnale d’entrata(CH1) con il segnale d’uscita(CH2) le ampiezze di questi due segnali non saranno affatto uguali perché nel primo avremo un segnale di ampiezza pari a 5V,mentre nel secondo avremo un segnale che sarà uguale a 5V diviso 2 meno 0,5 , perché dei 5V d’ingresso 2,5 erano positivi e 2,5 erano negativi,ed escludendo quelli negativi,in uscita avevamo 2,5-0,5 dove 0,5 rappresenta la tensione di soglia del diodo. Per capire meglio questo fatto basta immaginare il diodo come un generatore di tensione continua con valore pari alla tensione di soglia e con in serie una resistenza pari alla resistenza interna del diodo, che si oppone alla tensione di 2,5V,infatti come ho detto prima questo circuito può essere visto come un quadripolo,ed una caratteristica del quadripolo è proprio quella che il segnale d’entrata non sarà mai uguale a quello d’uscita. Una piccola osservazione va fatta anche sul ponte di Graetz il quale fornisce in uscita un segnale a doppia semionda uguale alla semionda o positiva o negativa(dipende da quale si utilizza) meno la tensione di soglia di ben due diodi,perciò se si lavora con piccole tensioni la differenza tra la tensione d’ingresso con quella d’uscita sarà grossolana,mentre se lavora con tensioni grandi la differenza sarà perlopiù influente (lo stesso ragionamento lo possiamo fare con il raddrizzatore a una semionda).

RADDRIZZATORI CON OPERAZIONALI

 
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I raddrizzatori (o rettificatori) sono circuiti per la trasformazione di segnali bidirezionali in segnali unidirezionali. Se si utilizzano soltanto dei diodi per raddrizzare un segnale si ha lo svantaggio che la tensione di uscita sarà uguale alla tensione d’ingresso meno più o meno 0,7V cioè la tensione del diodo, perciò se volessimo raddrizzare un segnale di 0,7V in uscita al diodo avremmo 0V perché al segnale d’ingresso va sottratta la tensione del diodo. Per evitare questo inconveniente esistono circuiti raddrizzatori di precisione che possono raddrizzare segnali inferiori ai 0,7V.

In questo tutorial realizzerete due circuiti:

  1. il primo è un normale circuito raddrizzatore di precisione,mentre
  2. il secondo è un raddrizzatore di precisione a singola semionda.

Materiale e strumenti adoperati:

  • UA741 è l’operazionale che abbiamo adoperato per svolgere l’esperienza
  • Due diodi 1n4148 diodi ad alta frequenza
  • Logic lab sulla quale abbiamo montato ed alimentato il circuito.
  • Tre resistenze da 10Kohm ed 1/4 W
  • Un oscilloscopio col quale abbiamo misurato i segnali d’ingresso ed uscita del raddrizzatore
  • Un generatore di frequenza col quale abbiamo generato il segnale d’ingresso

Montate il raddrizzatore composto da:

  • Un operazionale utilizzato come inseguitore il cui vantaggio è quello di adattare l’impedenza
  • Un diodo polarizzato direttamente che fa passare soltanto la parte positiva del segnale entrante,fermando quella negativa
  • Un resistenza RL che è il nostro carico

Raddrizzatore

Il funzionamento di questo circuito è molto semplice perché il segnale entrante Vin rimane invariato e la caduta di tensione sul diodo viene annullata (per effetto della retroazione)dandoci in uscita un segnale unidirezionale (positivo). Bisogna fare attenzione però alla frequenza di lavoro del diodo,  perché se il diodo ha una frequenza di lavoro inferiore alla frequenza del segnale entrante ci saranno dei malfunzionamenti, se invece è superiore non ci cambia nulla, infatti, in questo tutorial la frequenza del segnale Vi è di 10000Hz questo valore rientra nella zona di lavoro del diodo. Il raddrizzatore di precisione nella configurazione di base non viene comunemente usato in quanto ha un problema: quando il segnale d’ingresso diventa (anche leggermente) negativo, l’amplificatore operazionale funziona in anello aperto. Questo porta facilmente l’uscita dell’amplificatore operazionale ad essere maggiore della tensione di alimentazione, inducendone così la saturazione. Quando l’entrata torna ad essere positiva, l’amplificatore deve uscire dalla saturazione per riattivarsi. Questo passaggio richiede un certo tempo, riducendo fortemente la risposta in frequenza del circuito.

 

Il secondo circuito realizzato è un raddrizzatore di precisione a singola semionda .

Raddrizzatore 2

Il circuito è composto da:

  • Un amplificatore operazionale in configurazione invertente
  • Tre resistenze da 10 Kohm R1 ed R2 servono a decidere di quanto deve amplificare l’amplificatore
  • Due diodi che ci permettono di far passare solo la semionda negativa del segnale

Il funzionamento di questo circuito è un po più complesso di quello precedente perché quando Vin è positiva il diodo D2 sarà in conduzione mentre D1 non lo sarà dando in uscita una tensione pari a 0 V. Quando invece abbiamo Vin negativa la musica cambia perché il diodo D2 non sarà in conduzione mentre il diodo D1 lo sarà, inoltre non va dimenticato che l’operazionale è in configurazione invertente, e ciò comporta ad un amplificazione pari ad 1 perché R1=R2 ed ad uno sfasamento del segnale d’uscita di 180 gradi rispetto a quello d’entrata. Detto ciò possiamo dedurre che in uscita avremo una tensione pari a 0V quando il segnale d ‘ingresso è positivo,ed avremo una tensione d’uscita uguale alla semionda negativa d’ingresso sfasata di 180 gradi quando in ingresso avremo la semionda negativa.