Introduzione e dati d'insieme

La presente lezione è introduttiva alle metodologie di progettazione degli alimentatori e con essi i trasformatori di media potenza i circuiti di rettificazione e i filtri d’uscita associati.

Gli alimentatori in oggetto sono progettati esclusivamente per essere collegati a reti di energia elettrica a $50\ ,\ 60\ ,\ 400\ Hz.$

Alcuni di questi dispositivi, con caratteristiche standard, si trovano in commercio e possono soddisfare le prime esigenze nella fase di sperimentazione dei circuiti elettronici analogici, destinati alla costruzione di un’ apparecchiatura.

Nella fase successiva di realizzazione di detta apparecchiatura, il più delle volte i prodotti commerciali risultano, elettricamente sovradimensionati o sottodimensionati, o, meccanicamente, troppo ingombranti e non ultimo il numero degli avvolgimenti secondari non confacenti al progetto dell'apparecchiatura finale.

Nasce da qui la necessità di progettare a misura l’alimentatore più adatto all'impiego del momento, affinché questo possa dare le migliori garanzie di funzionalità e adattabilità .

Struttura di un alimentatore monofase

Un alimentatore monofase ha una struttura composta da tre blocchi quali:

• trasformatore
• gruppo rettificatore
• filtro d’uscita

così come riportato in figura 1 :

figura 1

Le funzioni svolte da ciascun blocco sono:

• il trasformatore trasferisce al circuito rettificatore la tensione alternata, richiesta affinché sul carico $Rc$ sia disponibile la tensione continua prevista.
• il rettificatore a ponte provvede al passaggio dei semiperiodi positivi e negativi ( rettificazione ad onda intera) della tensione alternata, indirizzandoli rispettivamente ai terminali “+” e “- “ dell’uscita dell’alimentatore.

• il filtro capacitivo d’uscita ha il compito di mediare i semiperiodi di tensione provenienti dal rettificatore per ottenere la tensione continua sul carico: il filtro è composto dal condensatore $C$ e dalla resistenza $Rc,$ che rappresenta, simbolicamente, tutto il carico collegato all'alimentatore.

Un alimentatore può essere formato, sia come indicato nello lo schema (fornisce una sola tensione d’uscita), sia da un unico trasformatore a più secondari, ai capi dei quali sono collegati altrettanti blocchi di rettificazione e filtraggio ( fornisce molteplici tensioni d’uscita).

Ciascuna delle funzioni dell’alimentatore deve essere progettata, secondo particolari criteri, mediante l’impiego di un certo numero di variabili che andiamo di seguito ad elencare partendo dall'ultimo blocco.

Filtro d'uscita

Ciascuna delle funzioni dell’alimentatore deve essere progettata, secondo particolari criteri, mediante l’impiego di un certo numero di variabili che andiamo di seguito ad elencare partendo dall'ultimo blocco.

Il filtro d’uscita riceve dal rettificatore la tensione pulsante a doppia semionda, il cui andamento è mostrato in figura 2; nella figura è tracciata, in basso, la tensione pulsante, e, in alto, la tensione sinusoidale all'ingresso al rettificatore.

figura 2

La frequenza degli impulsi positivi provenienti dal rettificatore è il doppio della frequenza della tensione applicata al primario del trasformatore dato che, ad ogni periodo della tensione alternata, si hanno in uscita dal rettificatore a ponte due impulsi di mezza sinusoide.

Il compito del filtro è di mediare tra gli impulsi che si susseguono nel tempo, in modo da colmare i minimi di tensione con i massimi ottenendo una tensione continua affetta da una ondulazione più piccola possibile.

I componenti del filtro d’uscita, in tutte le procedure di progetto che seguiremo, dovranno sempre soddisfare la seguente disuguaglianza:

$2\cdot \pi \cdot f\cdot C\cdot Rc>100$

nella quale

$f=$ frequenza (in Hz) della tensione alternata applicata al primario del trasformatore.

$C=$ capacità in Farad del condensatore di filtro

$Rc=$ resistenza di carico dell’alimentatore espressa in Ohm

L'esistenza della disuguaglianza farà sì che l’ondulazione residua d’uscita ($Vond)$ , avente una frequenza pari al doppio della frequenza di rete $(2\cdot f),$ evidenziata in modo abnorme in figura 2, sarà sempre dell’ordine del $1\ \%$ della tensione continua d’uscita.

Rettificatore

I quattro diodi del rettificatore di figura 1 dovranno essere dimensionati in modo da avere:

$Ip<If\ e\ Vp<Vr$

dove $Ip=$corrente di picco della tensione alternata applicata

$If=$ Corrente massima di lavoro del diodo

$Vp=$ Tensione alternata di picco applicata

$Vr=$ Tensione massima di picco di inversa del diodo

Dovrà inoltre essere presa in considerazione la tensione di conduzione $Vg,$ ai capi della giunzione, in funzione della corrente $Ip,$ in modo da valutare le cadute di tensione ai capi dei diodi.

Trasformatore

Le variabili che entrano in gioco per il progetto del trasformatore sono molteplici, vediamole di seguito e discutiamone secondo l’ordine d’impiego richiesto dai calcoli:

• $Vpe=$ tensione applicata al primario ( in volt efficaci)
• $Wcc=$ potenza in corrente continua richiesta dal carico ( in Watt )
• $Wp=$ potenza dovuta alle perdite nel trasformatore ( in Watt )
• $Wt=$ potenza totale richiesta dal trasformatore alla rete d’alimentazione ( in Watt )
• $B=$ induzione magnetica scelta per il nucleo di ferro ( in Gauss)
• $Sf=$ sezione del nucleo di ferro ( in cmq)
• $Pf=$ perdite nel ferro ( in Watt)
• $Kr=$ coefficiente di riempimento del rocchetto d’avvolgimento del filo (numero puro)
• $Np=$ numero delle spire del primario
• $Dp=$ diametro del conduttore utilizzato nel primario ( in mm)
• $Sl=$ sezione lorda del rocchetto
• $Sn=$ sezione netta del rocchetto
• $Sap=$ sezione netta dell’avvolgimento del primario (in cmq)
• $Sme=$ lunghezza della spira media del primario
• $Rfp=$ resistenza del filo su primario ( in Ohm/metro)
• $Rfs=$ resistenza del filo su secondario( in Ohm/metro)
• $Rs=$ resistenza equivalente del primario (in Ohm)
• $Rc=$ resistenza complessiva del carico applicato al trasformatore ( in Ohm)
• $Edc=$ tensione continua ai capi del carico ( in volt )
• $Vdd=$ caduta di tensione ai capi di due diodi
• $Vrp=$ tensione di picco all'ingresso del rettificatore
• $Ves=$ tensione efficace fornita dal secondario
• $Ep=$ tensione di picco della tensione all'uscita del rettificatore ( in volt)
• $Xgr=(Wcc\cdot Rs)/(2\cdot Vpe2)$ variabile per l'impiego del diagramma di calcolo di $Rs/Rc\ e\ Edc/Epicco$
• $Ns1\ ;\ Ns2\ ;\ ..\ Nsn=$ numero delle spire dei secondari
• $Ds1\ ;\ Ds2\ ;..\ Dsn=$ diametro dei conduttori utilizzati nei secondari (in mm)
• $Dt=$ incremento di temperatura del trasformatore (in gradi centigradi)

Le lezioni a seguire

Di seguito a questa lezione introduttiva saranno trattati gli esempi di calcolo delle sezioni dell'alimentatore relativi a:

• filtro capacitivo

• rettificatore

• trasformatore