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Duplicatore e moltiplicatore di tensione a diodi e condensatori per alimentazione anodica

Indice Argomento Corrente

1) Duplicatore di tensione a diodi e condensatori

2) Funzionamento nel dettaglio del duplicatore di tensione

3) Moltiplicatore di tensione a diodi e condensatori del tipo Cockcroft-Walton

4) Moltiplicatore di tensione: Realizzazione di un circuito di prova con relative misure della tensione nei vari stadi

5) Duplicatore di tensione a diodi e condensatori: alternative possibili

1 - Duplicatore di tensione a diodi e condensatori

La scelta di scrivere questo paragrafo è maturata analizzando un circuito buffer stereo a valvole nato con l'intento di rendere meno aspro il suono di uno stereo.
Aldilà dell'efficacia di questo buffer abbiamo constatato che era alimentato da una tensione alternata di 12V poi innalzata con un moltiplicatore per ottenere una tensione anodica sufficientemente alta per alimentare una comune valvola di bassa potenza.
Poi un altro circuito con un regolatore lineare abbassava e stabilizzava la 12V per accendere i filamenti.

Si tratta di un circuito semplice, che permette di avere una tensione di uscita continua che è uguale al valore di picco a picco della tensione alternata in ingresso (sottratta della tensione di polarizzazione diretta dei diodi).
Questo tipo di duplicatore può anche essere utilizzato per produrre delle tensioni duali per alimentare ad esempio degli amplificatori operazionali.
La corrente massima in uscita, e questo è il vero problema, sarà proporzionalmente minore (ovvero la metà per un duplicatore, un terzo per un triplicatore e così via). Tuttavia nel caso di cui sopra, vista l'esigua corrente anodica questo genere di alimentatore funziona abbastanza bene.

In definitiva ogni diodo raddrizza una semionda e carica il rispettivo condensatore.
I condensatori sono posti in serie e quindi le tensioni delle due semionde si sommano e la tensione di uscita è il doppio di quella sul secondario del trasformatore.
Tenete conto che i condensatori si caricano al valore di picco della tensione meno il valore di polarizzazione diretta dei diodi che in genere per un diodo al silicio è 0,6V.
Quindi la tensione in uscita è: (Vsec x 2 x 1,41)-(Vak x2) dove Vsec è la tensione efficace sul secondario 1,41 è radice di 2 approssimata (il rapporto fra tensione efficace e tensione massima in una onda di tipo sinusoidale) e Vak è la tensione di polarizzazione diretta di un diodo al silicio (0,6-0,7V).

2 - Funzionamento nel dettaglio del duplicatore di tensione

A sinistra la tensione di uscita di un duplicatore di tensione. Nell'immagine sopra il funzionamento del duplicatore di tensione sotto carico, i condensatori si scaricano generando una tensione di ripple differenza fra il valore massimo della tensione e quello assunto alla fine della scarica prima della successiva semionda. In centro l'andamento della tensione all'uscita del duplicatore partendo dal tempo zero ovvero dall'accensione dello stesso. La prima semionda carica il primo condensatore fino a Vmax, la successiva semionda carica il secondo condensatore, essendo in serie con il primo le tensioni si sommano e in uscita abbiamo il doppio della tensione massima 2Vmax. In questo caso il duplicatore funziona a vuoto ovvero senza carico, quindi non è presente il ripple dovuto alla scarica dei condensatori sul carico. In basso la tensione sinusoidale in ingresso, contraddistinta dal valore massimo (Vmax) e dal valore di picco a picco (Vpp). Si ricorda che in una tensione sinusoidale il valore massimo si calcola moltiplicando la tensione efficace (quella in genere riportata sui dati di targa del trasformatore) per radice di 2.

3 - Moltiplicatore di tensione a diodi e condensatori del tipo Cockcroft-Walton

Si tratta di un circuito moltiplicatore di tensione a diodi e condensatori in cui la versione base è un duplicatore con la possibilità di moltiplicare per N (dove N è il numero delle celle) la tensione alternata (valore Vpp/2 o Vmax) in ingresso. E' molto versatile e il giochino funziona all'infinito aggiungendo le celle che servono.
Il nome si deve ai due inventori.

Sopra è riportato il verso delle correnti e delle tensioni nel momento di avvio del circuito moltiplicatore di tensione a diodi e condensatori.

4 - Moltiplicatore di tensione: Realizzazione di un circuito di prova con relative misure della tensione nei vari stadi

Come vedete ci siamo attenuti scrupolosamente allo schema, in modo da avere anche un riscontro visivo.
Abbiamo assemblato i componenti ben visibili su una basetta millefori.
I condensatori sono da 470uF 25V i diodi sono degli 1N4007 (1000V 1A).
Tutte le celle sono uguali e questo semplifica di molto il montaggio anche in aria di questo moltiplicatore di tensione a diodi e condensatori.

Nell'immagine sotto (con tutte le misure intermedie) è possibile vedere la misura delle varie tensioni nei vari punti del moltiplicatore di tensione a diodi e condensatori.
Per la prova è stato utilizzato un trasformatore con un secondario da 6V.
Ci sarà sempre una discrepanza rispetto ai valori teorici, i componenti hanno una tolleranza ma anche la tensione di rete.

Prima uscita (6V x radicequadra(2)) - 0,6V che è la tensione di polarizzazione di un diodo al silicio Seconda uscita: il doppio della prima Terza uscita: il triplo della prima Uscita "N": N volte la prima

Teoricamente questo moltiplicatore di tensione a diodi e condensatori ha una tensione massima di uscita teorica data dalla tensione massima di lavoro dei condensatori che è di 25 Volt moltiplicata per il numero delle celle quindi 150 Volt.
Questa tensione in realtà è bene che sia inferiore per mantenere un margine che compensi le tolleranze dei componenti. Questo circuito funziona bene per valori di corrente molto bassi, in genere per correnti più alte si preferisce impiegare un convertitore CC-CC in salita che ha anche un ingombro più limitato e permette entro certi limiti di avere anche una tensione stabilizzata.

5 - Duplicatore di tensione a diodi e condensatori: alternative possibili

Questa tipologia di circuito può essere in qualche caso vantaggiosamente rimpiazzata da un convertitore switching step-up con dei vantaggi e degli svantaggi che vi andrò ad elencare.

Svantaggi nell'impiego di un moltiplicatore di tensione se rapportato ad un convertitore CC-CC di tipo switching:

• Ingombro: un convertitore CC-CC di tipo switching è più piccolo di un circuito moltiplicatore a diodi e capacità a parità di corrente erogata, questo è dovuto alla grande capacità, quindi grande dimensione dei condensatori elettrolitici.

• Costo: un convertitore CC-CC di tipo switching attualmente costa di meno.

• Erogazione di corrente e stabilità: un convertitore CC-CC di tipo switching eroga più corrente ed in genere è stabilizzato, quindi la tensione in uscita non subisce grandi variazioni neanche con un carico variabile.

Vantaggi nell'impiego di un moltiplicatore di tensione se rapportato ad un convertitore CC-CC di tipo switching:

• Un moltiplicatore di tensione a diodi e capacità genera un rumore di alimentazione molto basso, dovuto principalmente al ripple.

• Disturbi elettromagnetici praticamente inesistenti, quindi non è necessaria una schermatura magnetica ne servono accorgimenti per evitare che la frequenza di commutazione dello switching si propaghi agli stadi di amplificazione.