Diodo e Rettificatori

Diodo

Rettificatori: circuiti con diodo

Id = Is(e^V/(nV_at) - 1) dovuto alla corrente di diffusione → tensione diretta.

Io = -Is → tensione inversa.

m = 2 → circuiti discreti, m > 2 → circuiti integrati.

Quando la tensione inversa supera un certo valore si avrà una corrente Ib negativa paragonabile all'esponenziale in diretta.

Zona di breakdown → scarica a valanga.

Nella regione svuotata le coppie elettrone lacune vengono separate dal campo elettrico → corrente di drift → trasporto → J diventa proporzionale alle v medie delle particelle → dovuta ai ripetuti scontri dei portatori tra una collisione e l'altra con il reticolo cristallino → il portatore viene accelerato dal campo elettrico → all'interno dell'accelerazione → del campo elettrico → la e_i eV in cerca può promuovere un elettrone in bande di conduzione → genera una coppia elettrone lacuna → questi portatori possono a loro volta generare altre coppie → effetto valanga.

Diodo

Rettificatori: circuiti con diodo.

td = Is(e^V/NVt - 1) dovuto alla corrente di diffusione → tensione diretta.

io = -Is → tensione inversa.

m = 2 circuiti discreti, m > 1 circuiti integrati.

Quando la tensione inversa supera un certo valore si avrà una corrente ib negativa paragonabile all'esponenziale in diretta.

Zona di breakdown → scarica a valanga.

Nella regione svuotata le coppie elettrone-lacune vengono separate dal campo elettrico.

Corrente di drift → trasporto → J diventa proporzionale alla v media delle particelle.

Dovuta ai multipli spostamenti dei portatori tra una collisione e l'altra con il reticolo cristallino → il portatore viene accelerato dal campo elettrico → all'aumentare dell'accelerazione → del campo elettrico.

↑ la sua E cinetica può promuovere un elettrone in bande di conduzione → genera nuove coppie elettrone-lacuna → questi portatori possono a loro volta generare altre coppie → effetto valanga.

Modelli per grandi segnali

• Diodo ideale: v_S < 0 ⇔ i_S = 0; v_S = 0 ⇔ i_S ≠ 0.
• Diodo con soglia: v_S < V_γ ⇔ i_S = 0; v_S = V_γ ⇔ i_S ≠ 0.
• Diodo con soglie e R_ON: v_S < V_γ ⇔ i_S = 0; v_S = V_γ ⇔ (v_S - V_γ) / R_on (v_S > V_γ).

Interdizione.

Rettificatore (AC ➔) conversione.

Rettificatore a semionda

• Rettificatore con diodo ideale.
• Rettificatore con soglia.
• Rettificatore con soglie e R_on.

N_L e I_L hanno un valor medio ≠ 0.

I_L = I_L̅ non andrebbe bene se al posto di i_S ci fosse il secondario di un trasformatore ➔ indefinitamente ➔ saturazione del nucleo.

Prestazioni dei rettificatori

Valori medi di v_L e di i (radice altera).

Valori efficaci di v_L ed i (RMS root mean squared).

Potenza in DC ed apparente.

Efficienza η = unica potenza presente e P_DC.

v_eff = ripple dei rettificatori: parametri del ripple.

RMS ripple.

Fattore di forma; fattore di ripple v_eff/V_m.

Parametri della non certezza: TUF (tan forma utilization factor) dal punto di v_o si cerca.

Distorsione armonica totale → si vedrà più avanti.

Fattore di cresta rapporto tra v_max e v_eff.

Alimentatore switching

t_off = T - t_on → le componenti ad alta frequenza (h_i) vengono assorbite da Ci → i_r = I_o → Δi_r = I_o - I₂, I₁ = I_o.

v_g → molto.

v_c2 di verso e da.

v_c = V_o senωt.

Rettificatore a semionda con filtro capacitico

i_g = i_c = C dv_c/dt + I_L = ω_oC V_o senωt + I_L.

D = ON → inizio v_g = v_c → fine i_g = 0 → cos ωt = I_L/ω_oC V_o → v_c = V_o sen ωt = V_o √1 - cos² ωt = V_o √1 - I_L²/ω_o²C² V_o².

→ e il valore di V_o < V_gmax → a questo valore corrispondono due casi: Quando va aumentato il valore di fine; Quando V_g diminuisce.

Se non ci fosse la R sarebbe un rivelatore di picco.

dNeIlic = CIbdT =Doffse.

• Scarica del condensatore.
• Carica del condensatore.

Q- Q.

Si considera l'origine O'.

cosVrep-Vrep.

Supponiamo di avere un carico RL al posto di I_L.

VRC1.

Frequenza di rete.

RCV_rep.

D. Don.

Rettificatore a doppia semionda

L'assorbimento di correnti unidirezionali del rettificatore non è ammissibile. Assumo che per potenze piccolissime f 0, i ⇒ D₁ ON D₄ OFF.

D₂ OFF D₃ ON.

Se v 3 OFF D₂ ON D₄ ON D₁ OFF → può essere anche il filtro C al carico R_L.

vvt T_RS = 2T_RL → V_PP = ¹/₂(¹/_T)¹/_C → vale il funzionamento analogo al precedente.

i ha valore medio nullo, il nucleo del trasformatore non satura → corrente molto distorta → PF basso → distorsione v.

Fattore di potenza

Fattore di potenza PF = Potenza attiva Potenza apparente = dimensionamento componente. P_a = V_qi_qcosφ P_r: rifasamento tra armonica e carico.

Isa si fa prendendo Is e disegnando la prima armonica della serie di Fourier di Is.

P_apparente = S_e I_se = ^V2⁄_√√2 I_se = ^{√√2 ΣI_ske}⁄_Vsk - ^{I_se I_se}⁄_Sq √√ 1 + Σ S_P I_se I_se= S_d √√1 + ^I_se⁄_IseTHD² = S_d √√1 + THD².

Passivo = S_s cos ψ₁ PF = ^{cos ψ₁}⁄_{√√1 + THD²} = cos ψ⋅ DF.

DF = distortion factor = ¹⁄_{√√1 + THD²} = ^I_se⁄_Ise.

Il PF è influenzato sia da ψ₁ che dalla DF.

Per i raddrizzatori → il picco di Is è localizzato in prossimità del picco di Vs → cos ψ₁ ~ 1 → PF = ¹⁄_{√√1 + THD²} PF ~ 0,5; 0,6.

Effetto dell'induttanza di linea

Bisogna attaccare alla rete dispositivi seguendo delle normative che tendono ad eliminare la distorsione armonica dei dispositivi collegati.

Esistono delle normative sui valori assoluti di THD e sui valori relativi, c'è una maschera da rispettare per armoniche di ordine fino a 50.

È necessario porre dei filtri passivi.

Suppongo che la mia sorgente (o secondario del trasformatore) abbia un'induttanza di linea.

L'ingresso del rettificatore è V_s che è composto da V_s e L_s; l'effetto di L_s comporta un disturbo delle tensioni in ingresso al rettificatore (e a tutti gli apparati collegati nelle stesse linee); la distorsione si ripercuote sui carichi più sensibili.

L'assorbimento della corrente causa disturbi sulle V_s; per ridurre il disturbo sulle V_a è l'introduzione di un altro induttore.

L'effetto di picchi di tensione di linea è detto “peak clipping”.

— il filtro induttivo L_f diminuisce la rapidità di variazione della corrente di; aumentano la diminuisce di; aumenta PF diminuisce V affidabile (V_c).

I detti filtri passivi sono ingombranti, le prestazioni dipendono dal carico, causa delle cadute di tensione.

Oltre quelle armoniche di corrente e deformano la tensione di rete.

Raddoppiatore di tensione raddoppiato

• Interruttore nella posizione 230 V -> funzionamento di un classico raddoppiatore a doppia semionda.
• Interruttore nella posizione 115 V -> la tensione di un'uscita è doppia rispetto a quella d'ingresso.

In uscita vi sarà una tensione doppia e in un semiperiodo si carica un condensatore nell'altro semiperiodo si carica l'altro (con il interruttore a 115 V).

Moltiplicatore di Cockcroft Walton

• (A). v_s < 0 D₁ ON.
• (B). v_s > 0 D₄ OFF.
• (C). v_s < 0 D₂ OFF.
• (D). v_s > 0 D₁ OFF.

Dopo aver caricato entrambi i condensatori a v_s, si raffigura v_s, la Q si redistribuisce > v_REF.

C₁ -> (C_REF, 1) = Q₁.

C₂ -> (C_REF, 2) = Q₂.

Q₁ + Q₂ = 2Q = 2Q_REF x (1 - v_c21 -v_REF) = v_s K equilibrio delle cariche.

(v_REF + C₂ v_REF -2v_c21)-> 2v_REF = 3/2 v_s.

v_REF = 2/3 v_s.

In A e B si trasferisce tutta la tensione Vs ai condensatori in C e D si trasferisce Vs ai due condensatori andando avanti si trasforma 1/s 1/s dopo alcune iterazioni la vc2 raggiungerà una certa tensione tenere considerare la perdita dovuta ai diodi non presi in considerazione e l'aver considerato il modello del diodo ideale.

PIV -> peak inverse voltage (tensione di picca inversa nei diodi) -> quando un diodo è polarizzato in inversa è qual è la massima tensione ai suoi capi.

Caso rettificatore a semionda

PIV = max VR(t), considerando VL rettificatore doppia semionda corrente formatrice a massa centrale.

Ns >= 0: D1 ON D2 OFF NR = NS.

Ns >= 0: D1 OFF D2 ON VR = -NS.

Caso ponte di diodi i_S > 0 ⇒ i_D = i_S - 2<NF>.

PIV di D₂ (o D₄) D₁ ON.

V_R(t) = V_S(t) ⇒ PIV = V_S.

Diodo Zener

Diodo Zener progettato per lavorare in breakdown. La corrente i_D è limitata dal resto del circuito di polarizzazione, ad esempio:

i = V_DD - V_BKR.

Il valore della i si può trovare graficamente facendo l’intersezione tra la caratteristica del diodo e la retta di carico:

i_D = 0 ⇒ V_D = V_DD -.

i_D = 0 ⇒ V_D = -V_BK.

V_DD.

i_D = - V_BK.

Ma progettate il diodo per avere una V_BK di un valore prefissato per i_D < 0.

V_BK quasi costante.

Circuito regolatore di tensione con diodo Zener

R_BIAS polarizzare il diodo in inversa limitando la corrente e facendo sì che V_REF = VzK ⇒ istruzioni ⇒ costante.

Per I_L < I_LMAX ⇒ I_Z aumenta:

V_DD - V_zKR_BIAS.

Se nelle () di fosse I_L < I_LMAX.

V_REF ≠ VzK.

Il se, per i che motivo, I_L > I_LMAX.

Caratteristica di recupero inverso

Funzionamento diretto - immissione di maggioritari - accumulo di minoritari nelle regioni opposte.

Se viene invertita la polarità della tensione applicata - carica di minoritari da origine ad una corrente inversa finché non viene annullato l'accumulo di carica.

2 t.p. principali della caratteristica di recupero:

• Abrupt recovery: dopo aver raggiunto il picco di corrente inversa e raggiunge lo zero in modo improvviso.
• Soft recovery: raggiungono lo zero più lentamente.

Circuito utilizzato per il calcolo del tempo di recupero inverso.

Le correnti diretta ed inversa sono limitate dal:

Corrente inversa raggiunge il suo massimo pari a quella della corrente diretta - rimane costante.

Diminuisce all'aumentare della carica dei minoritari.

Recupero brusco.

L'induttanza modella gli effetti induttivi parassiti presenti nei conduttori d'uscita di un circuito reale.