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Ultimo Aggiornamento: 30/08/2023 10:37:38

Alimentatori per tensione Anodica a Semiconduttori

Indice Argomento Corrente

1) Schema a blocchi di un alimentatore per tensione anodica a semiconduttori

2) Trasformatore

3) Raddrizzatore o rettificatore

4) Simulazione di un diodo termoionico

5) Filtro

6) Regolatore di Tensione o stabilizzatore

1 - Schema a blocchi

Gli alimentatori a semiconduttori hanno gli stessi stadi di quelli a valvole, cambia solo il modo di realizzarli.
1) Trasformatore (con semplice o doppio secondario)
2) Raddrizzatore a diodi al silicio (a singola o doppia semionda)
3) Filtro (capacitivo, induttivo o pigreco)
4) Regolatore realizzato con transistor o mosfet (parte non sempre presente)

Vediamo un po' come cambiano la progettazione e i vari parametri di funzionamento.

2 - Trasformatore

La tensione del secondario di alimentazione per l'anodica deve essere calcolata in funzione del fatto che la caduta di tensione ai capi dei diodi raddrizzatori è estremamente bassa, quindi per evitare di alimentare le valvole con una tensione eccessiva occorre ricalcolare il trasformatore di alimentazione.
Tipicamente la tensione che cade ai capi di un ponte di diodi a semiconduttore è di circe 1,2-2 Volt, in funzione della corrente che passa, che è un valore particolarmente modesto se paragonato alle decine di Volt che cadono ai capi di un solo diodo termoionico.
In questo contesto la resistenza serie dell'alimentatore è quasi completamente costituita dalla resistenza ohmnica del trasformatore.
Questa determina anche il picco di corrente di carica dei condensatori di stabilizzazione.

3 - Rettificatore

Il motivo che limita l'utilizzo del ponte di diodi quando si opera con diodi termoionici è l'alta resistenza serie che nel caso di un ponte di diodi è uguale a quella di due diodi in serie.
Quindi si preferisce, nel caso di un raddrizzatore a due semionde, sdoppiare il secondario del trasformatore ed usare un solo diodo per ogni ramo.
Nel caso di un ponte di diodi a semiconduttore il problema non si pone.
Per contro, avendo una bassissima resistenza serie, il diodo a semiconduttore si presta ad essere attraversato da correnti molto forti che hanno come controindicazione la bassa durata dei condensatori di stabilizzazione che sono sottoposti alle stesse correnti.
Poi, all'atto dell'accensione, quando i condensatori sono scarichi la corrente ha dei picchi talmente alti (limitati dalla sola resistenza ohmnica del secondario del trasformatore) che può succedere che si brucino i diodi.
In qualche caso è opportuno mettere in serie una resistenza che limiti tale corrente.
Un'alta strategia è quella di impiegare un filtro LC, quindi ad ingresso induttivo, con l'induttanza che limita la corrente massima.
Una ulteriore possibilità consiste nel mettere il primo condensatore di stabilizzazione di capacità bassa e poi togliere il ripple con uno stabilizzatore con un alto rapporto di reiezione.
Molti audiofili preferiscono usare dei diodi termoionici perché i diodi a semiconduttore introducono un rumore maggiore nell'alimentazione proprio in virtù dei picchi di corrente che si innescano all'atto della commutazione.
Il costo di un ponte di diodi al silicio è una piccola frazione di quello di un diodo termoionico e la durata nel tempo è praticamente eterna.

Sopra il simbolo circuitale del diodo semiconduttore messo a confronto con il tipico componente fisico. In realtà il diodo viene venduto in varie fogge, con montaggio a vite, in contenitore TO23 e molti altri ancora. Viene venduto anche già assemblato in un ponte di diodi, adatto anche per montaggio su dissipatore (modelli per alte correnti).

Caratteristiche di alcuni diodi commerciali per uso generico Sigla Diodo massima tensione inversa massima corrente diretta Caduta di tensione diretta a 1A massima corrente Picco (8,3mS) 1N4001 50 V 1 A 1,1 V 30 A 1N4002 100 V 1 A 1,1 V 30 A 1N4003 200 V 1 A 1,1 V 30 A 1N4004 400 V 1 A 1,1 V 30 A 1N4005 600 V 1 A 1,1 V 30 A 1N4006 800 V 1 A 1,1 V 30 A 1N4007 1000 V 1 A 1,1 V 30 A 1N5401 100 V 3 A 1,2 V 200 A 1N5402 200 V 3 A 1,2 V 200 A 1N5403 300 V 3 A 1,2 V 200 A 1N5404 400 V 3 A 1,2 V 200 A 1N5405 500 V 3 A 1,2 V 200 A 1N5406 600 V 3 A 1,2 V 200 A 1N5407 800 V 3 A 1,2 V 200 A 1N5408 1000 V 3 A 1,2 V 200 A

Nella tabella a fianco alcuni diodi commerciali per uso generico adatti come raddrizzatori in un alimentatore per tensione anodica. Da notare la bassissima caduta di tensione ai capi del diodo, riferita alla massima corrente nominale e la buona tenuta sui picchi di corrente, essenziale nella fase di caricamento dei condensatori di filtro sia all'atto dell'inserzione iniziale sia in regime di funzionamento continuo.

In un raddrizzatore a singola semionda come si può notare dalla immagine sotto il diodo conduce solo in un senso quindi la tensione su Rc la resistenza di carico arriveranno solo le semionde positive.
Le semionde negative della tensione alternata vengono soppresse dal diodo.
Questo tipo di raddrizzatore chiamato a singola semionda non è usato perché il residuo di alternata ovvero il ripple alla sua uscita indipendentemente dal filtro successivo è molto più alto che non per un raddrizzatore a doppia semionda.
In questo caso la frequenza del ripple è uguale a quella della rete elettrica (in Italia 50Hz).

In un raddrizzatore a doppia semionda (disegno sotto) si sfrutta la presa centrale del trasformatore.
Praticamente in questa configurazione è come avere due raddrizzatori a singola semionda uniti con due trasformatori posti in controfase.
In effetti avendo il secondario sdoppiato è come se fossero due trasformatori distinti.
In questo modo all’uscita sulla Rc abbiamo una tensione raddrizzata molto più stabile.
La tensione del ripple ha una frequenza pari a quella di rete moltiplicata per due.
Questo tipo di configurazione ha due difetti:
- Il costo maggiore di un trasformatore con due secondari.
- La tensione massima che abbiamo ai capi del diodo quando è interdetto è pari al doppio della tensione massima che abbiamo sul secondario del trasformatore (dando per scontato di avere a valle un filtro a condensatore).

Nell'immagine sotto, una configurazione molto usata per gli alimentatori a diodi semiconduttori.
Il ponte (ponte di Graetz, dal nome del suo inventore, il fisico tedesco Leo Graetz ), in cui si impiegano quattro diodi e un trasformatore con un secondario semplice.
Il motivo per cui è molto impiegata è da ricercarsi nel costo che è minore rispetto all’impiego di un trasformatore con secondario a presa centrale ed ha anche il vantaggio che la tensione inversa viene ripartita fra due diodi.

Quella sotto è una variante del ponte di Graetz in cui i vari diodi del ponte sono costituiti da una serie di due diodi con in parallelo due condensatori.
La serie di diodi è impiegata per raddoppiare la tensione inversa sopportabile da un singolo diodo, i condensatori di piccola capacità (una decina di nanoFarad) sono impiegati per ripartire meglio la tensione ai capi dei diodi e per ridurre il rumore di commutazione.
Ovviamente raddoppia anche la caduta di tensione ai capi del ponte anche se trottandosi di valori comunque molto bassi possiamo ignorarla se messa in relazione alla caduta di tensione sul trasformatore (dovuta alle resistenze degli avvolgimenti).

Nel disegno sotto è riportato un alimentatore a doppia semionda in configurazione a ponte.
Sono anche riportati i versi delle correnti nel circuito per la prima (Blu) e la seconda semionda (Rosso).
Sono evidenziati i diodi che vengono attraversati dalla corrente per le due semionde raddrizzate.

Normalmente i diodi semiconduttori dissipano una potenza di 1W per ogni ampere che li attraversa, nel caso del ponte essendoci sempre in serie alla corrente due diodi, la potenza dissipata è il doppio, ovvero 2W per ogni ampere.
Tuttavia le correnti in gioco negli alimentatori valvolari sono abbastanza ridotte, quindi in genere non è necessario provvedere al raffreddamento.
In ogni caso esistono ponti di diodi già cablati, collegabili ad un'aletta di raffreddamento (o superficie metallica) con una vite.
Sovente negli schemi non è difficile vedere dei condensatori di qualche nanoFarad in parallelo ai vari diodi per ridurre il rumore di commutazione.

Nel disegno sotto una soluzione ibrida, con due diodi semiconduttore e una valvola termoionica doppio diodo che compongono un ponte di diodi ibrido termoionico-semiconduttore.
In questo modo il rumore di commutazione dei diodi semiconduttori viene smorzato dalla resistenza serie dei diodi termoionici.
Questo circuito ci permette di usare un trasformatore senza doppio secondario e di ridurre nel contempo la resistenza serie rispetto a un raddrizzatore a soli diodi termoionici a ponte, e di avere un basso rumore di commutazione.
L'unica considerazione che rimane da fare è quella relativa alla tensione fra catodo dei diodi termoionici e filamento (tensione con riferimento a massa) che potrebbe eccedere la massima tensione consentita.
In tal caso dovremo elevare la tensione dei filamento rispetto a massa usando un secondario apposito per alimentarlo.

Questa soluzione è sicuramente più complessa che non usare soli diodi a semiconduttore che ovviamente non hanno il problema del filamento. In definitiva per limitare il rumore di commutazione dei diodi basta mettere in serie a ognuno di questi una piccola resistenza e in parallelo un piccolo condensatore.

Nota: Qualora vi venisse in mente di sostituire in un alimentatore il diodo termoionico con uno a semiconduttore, anche solo per fare un esperimento, tenete conto che:

• in virtù della più bassa resistenza serie di quest'ultimo la tensione anodica a regime aumenterà, quindi i condensatori del circuito alimentato devo essere adeguati a sopportare una tensione più alta.

• non ci sarà più il ritardo introdotto dal riscaldamento del filamento del diodo a vuoto, quindi avremo subito disponibile la tensione anodica, anche nel momento iniziale in cui le valvole alimentate sono ancora con il filamento spento, quindi non conducono.
  Quindi per qualche secondo l'alimentazione anodica funzionerà "a vuoto" e la tensione si innalzerà al valore di picco della tensione prodotta dal trasformatore.

4- Simulazione di un diodo termoionico

La differenza sostanziale che vi è fra un diodo semiconduttore e un diodo allo stato solido risiede principalmente nella resistenza serie.
Per esempio un doppio diodo termoionico di tipo 5u4-gb ha una resistenza serie per diodo di 67 Ohm (come da datasheet), quindi potremmo utilizzare dei diodi a semiconduttore mettendo in serie una resistenza similare.

I vantaggi sono molteplici:

• Potremmo mettere un condensatore di livellamento dopo il raddrizzatore di valore molto più grande (anche di un ordine di grandezza o più) di quello che un diodo termoionico tollererebbe.
  Nel caso del doppio diodo termoionico di tipo 5u4-gb la massima capacità posta immediatamente dopo il diodo è di 40uF, in questo caso potremmo utilizzare un condensatore da 400uF o più compatibilmente con lo spazio a disposizione.

• La resistenza in serie al condensatore di livellamento formerebbe un circuito integratore che eliminerebbe in parte le armoniche del ripple.

• Non avremmo problemi di accensione del filamento.

• La durata del raddrizzatore sarebbe pressochè eterna.

• La resistenza limiterebbe la massima corrente che passerebbe a condensatore scarico in fase di accensione.

• E' possibile con una certa facilità creare un circuito plug-in da mettere al posto di un diodo termoionico in un circuito già esistente sfruttando il zoccolo di questo senza modifiche, anche a fine di esperimento.

Gli svantaggi:

• Non essendoci il filamento del diodo rettificatore si perde il delay di accensione dello stesso che provoca un ritardo nella generazione della tensione anodica generando un picco di tensione di alimentazione quando le valvole alimentate sono in fase di accensione, quindi sono equiparabili dal punto di vista dell'alimentatore ad un funzionamento a vuoto.

• La resistenza in serie dissipa energia in calore.
  

5 - Filtro

Il linea di massima non c'è differenza fra il filtro che si usa per un alimentatore per anodica a diodo semiconduttore o per diodo termoionico.
I componenti utilizzati posso essere anche gli stessi, compresa l'induttanza e la circuitazione dei filtri.
Certo che è meglio tenere in considerazione il maggior picco di corrente dovuto alla bassissima resistenza interna del diodo semiconduttore limitandolo in qualche modo, con lo scopo di allungare la vita del primo condensatore di filtro.
Per la trattazione completa dei filtri vi rimandiamo alla trattazione fatta nel capitolo relativo ai filtri negli alimentatori anodici valvolari.

Quello che cambia radicalmente la struttura del filtro è la presenza o meno dello stabilizzatore a valle.
Con lo stabilizzatore (o regolatore di tensione) si raggiungono dei valori di reiezione del ripple molto grandi che rendono inutili filtri molto complessi, permettendoci di eliminare gli elementi più costosi, pesanti ed ingombranti, come l'induttanza di filtro.

6 - Regolatore di Tensione o stabilizzatore

In un alimentatore con semiconduttori la complessità circuitale può essere aumentata mantenendo degli ingombri molto inferiori, quindi è possibile costruire un alimentatore stabilizzato con caratteristiche di reiezione del ripple ottime senza spendere tanto.
Un possibile approccio è quello di mettere dei condensatori di filtro più piccoli, di togliere l'induttanza e di ridurre il ripple con un alimentatore stabilizzato, magari nel contempo integrando un circuito (nello stesso alimentatore stabilizzato) per generare un ritardo di applicazione della tensione anodica e magari anche una tensione a rampa.
E' possibile anche usare un regolatore a commutazione (switching) per ridurre la dissipazione di potenza tipica degli alimentatori lineari.
Quindi ridurre il peso e il costo dell'elettronica e avere una tensione anodica di buona qualità con un ripple talmente basso da essere praticamente assente.