Alimentatori (breve introduzione)

Un alimentatore, come si sa, non è altro che un convertitore ac-dc (ac = corrente alternata e dc = corrente continua), esso ha come tensione in ingresso la tensione di rete sinusoidale a Veff=220V e f=50Hz (Veff = tensione efficace e f = frequenza) e come tensione d'uscita la tensione continua richiesta, di solito 5V, 9V o 12V.
L'alimentatore è formato da quattro blocchi in cascata: un trasformatore, che abbassa la tensione ENEL a livello di quella richiesta, mantenendo però la forma d'onda sinusoidale, un raddrizzatore a diodi, un filtro di livellamento (il condensatore che già conosci) e infine uno stabilizzatore di tensione.
In parole povere, qual è il problema o meglio uno dei problemi ?
La grandezza in uscita dal trasformatore (sulle spire secondarie) è sempre alternata sinusoidale e quindi il suo valore medio è nullo, nel periodo (metà periodo la semionda è positiva e metà periodo negativa).
Possiamo però utilizzare un diodo come raddrizzatore, tagliando la semionda negativa e lasciando solo quella positiva.
Il diodo è una "valvola" di corrente, lascia passare la corrente in un solo verso, dall'anodo al catodo (polarizzazione diretta), se invece il catodo ha potenziale maggiore rispetto all'anodo (polarizzazione inversa) la corrente non passa (il diodo si comporta come un circuito aperto).
Quindi, mentre la tensione in ingresso al raddrizzatore (proveniente dal secondario del trasformatore) ha valore medio nullo, ossia senza componente continua, la tensione in uscita ha un valore medio (che è la componente continua) Vm = Vmax/3.14 (pari cioè al valore dell'ampiezza massima della tensione diviso pi-greco).
Ora il problema è un altro: disponiamo di una tensione unidirezionale "pulsante" con una certa componente continua utilizzabile ma abbiamo anche una componente residua alternata, chiamata ripple (ronzio), che crea disturbi al circuito da alimentare, oltre ad essere una energia "sprecata", non utilizzata.
Diciamo che il rendimento del sistema è molto basso.
Ecco che entra in gioco il filtro (passa-basso, che taglia la frequenza di qualche Hz) di livellamento, che fa passare in uscita la componente a frequenza zero (cioè la continua) e elimina le componenti alternate (a 50Hz e loro multipli).
Come funziona il filtro capacitivo ?
Posso darvi una spiegazione intuitiva: arriva la semionda positiva, il diodo conduce poiché lavora in polarizzazione diretta (anodo a potenziale maggiore rispetto al catodo), la corrente circola e il condensatore si carica al valore massimo di tensione.
Una volta raggiunto il picco massimo, la tensione inizia a diminuire ma la tensione ai capi del condensatore tende a rimanere costante.
Ora il diodo ha l'anodo a potenziale minore rispetto al catodo e si interdice (in pratica il condensatore risulta "staccato" dal circuito raddrizzatore).
Il condensatore, rimasto carico, si comporta come una batteria, scaricandosi ai capi della resistenza di carico che si trova in parallelo ad esso.
Avendo una capacità molto elevata (centinaia di microFarad fino anche ai milliFarad), la costante di tempo t=R*C è molto grande e la scarica è molto lenta per cui la tensione di uscita, quella prelevata sul carico R, diminuisce pochissimo nel tempo a disposizione, prima che la tensione di ingresso riprendi ad essere superiore a quella sul condensatore.
In poche parole la tensione sarà quasi continua, cioè livellata verso il valore massimo, e il ripple sarà molto più basso di quello che si avrebbe se non ci fosse il filtro capacitivo.
Siamo riusciti dunque ad ottenere una tensione pronta per essere applicata al dispositivo che vogliamo alimentare.
Il problema ora è quello che possono intervenire alcuni fattori che incidono sulla stabilità della tensione in uscita dal circuito di livellamento: questi fattori sono le fluttuazioni della tensione di rete (la 220V oscilla continuamente) e le variazioni del carico (cioè la corrente assorbita dal circuito che stiamo alimentando).
Il componente elettronico che è in grado di fornire una tensione costante al variare della corrente è il diodo Zener, costruito appositamente per poter lavorare in polarizzazione inversa, nella zona cosiddetta di "breakdown".
Il funzionamento del circuito stabilizzatore è molto semplice: la tensione di uscita è quella imposta dallo Zener, qualunque sia la tensione continua in ingresso e qualunque sia la corrente assorbita dal carico, ossia qualunque sia il valore della resistenza Rl (Rl = resistenza di carico - l = load, "carico" in inglese).
Funge sia da stabilizzatore di tensione che da regolatore di corrente.
Ciao, fate sapere se tutto ok :ciao:

https://i.postimg.cc/xT1JsJQS/alimen.jpg

Progettiamo un semplice alimentatore stabilizzato a diodo Zener, in base allo schema dell'immagine, conoscendo i seguenti dati: tensione d'uscita Vo=12V, Irc(min)=10mA, Irc(max)=50mA (corrente minima e massima sul carico), Iz(min)=2mA (corrente di Zener minima), Pz=1W (Potenza di Zener), dVi/Vi=0.1 (variazione della tensione d'ingresso in percentuale del 10%), Rz=2 Ohm (resistenza di Zener):

considereremo, per ora, il diodo Zener come componente ideale, tenendo presente che alla fine verificheremo il grado di stabilizzazione dell'uscita, in base al valore di Rz.Supponendo Vo=Vz, calcoliamo la corrente di Zener massima: Iz(max)=Pz/Vz=1/12=83mA.
Per ricavare la resistenza serie Rs e la tensione in ingresso Vi dobbiamo impostare un sistema di due equazioni indipendenti.
Ragioniamo così: la corrente di Zener massima circola quando è minima la corrente sul carico e massima la tensione d'ingresso, per cui avremo Vi*(1+dVi/Vi)=Vo+Rs*(Iz(max)+Irc(min)).
D'altronde la corrente di Zener minima circola quando è massima la corrente sul carico e minima la tensione d'ingresso, per cui si avrà Vi*(1-dVi/Vi)=Vo+Rs*(Iz(min)+Irc(max)).
Quindi il sistema sarà: (1.1*Vi=12+Rs*0.093) et (0.9*Vi=12+Rs*0.052).
Risolvendo il sistema si otterrà Vi=18.57V e Rs=90.57 Ohm.
Per quanto riguarda la verifica della stabilità, considereremo il valore di Vo calcolando la tensione ai capi del diodo Zener munito della sua resistenza Rz.
Tenendo presente il caso peggiore, ossia quando il carico è scollegato, nello Zener circolerà la corrente Iz(max) per cui avremo: Vo(max)=Vz+Iz(max)*Rz.
Svolgendo il calcolo avremo Vo(max)=12+0.083*2=12.17mV.
La variazione della tensione d'uscita in percentuale è (dVo/Vo)*100=(0.17/12)*100=1.42%.
A presto ;)

LO STABILIZZATORE A DIODO ZENER
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http://www.edutecnica.it/elettronica/zener/9a.png

Lo schema più semplice di un circuito stabilizzatore che utilizza un diodo Zener è quello mostrato in figura. Si notano la resistenza R di limitazione della corrente e il diodo Zener in parallelo al carico Rl.
Il funzionamento da stabilizzatore di tensione avviene nel momento in cui lo Zener è polarizzato inversamente e lavora nella zona di "breakdown".
La tensione costante Vi in ingresso deve essere maggiore della tensione Vz dello Zener, la quale coincide con la tensione d'uscita Vo ai capi del carico.
Essendo Vz costante, entro certi limiti, è assicurata anche la costanza della tensione Vo fornita al carico.
Vediamo ora le formule (supponendo il diodo Zener ideale): Vi=Vz+R*Ir, con Ir=Iz+Il, da cui si ha Il=Vz/Rl.
Andando a sostituire, si ottiene: Vi=R*(Iz+Vz/Rl)+Vz.
Da quest'ultima formula si evince che una variazione della tensione d'ingresso Vi produce soltanto una variazione di Iz, in quanto Vz è costante.
Allo stesso modo, una variazione del carico Rl si ripercuote solo su una variazione della corrente Iz.
Quindi, in sintesi, ad un aumento di Vi corrisponde un aumento di Iz mentre ad un aumento di Il (cioè ad una diminuzione del carico Rl) corrisponde una diminuzione di Iz.
Per concludere, faccio presente che tutte queste considerazioni valgono soltanto se il diodo Zener lavora nella zona di breakdown.
A presto ;)

P.S. Diodo Zener