Amplificazione tesina

Solamente pronunciando la parola amplificazione si può percepire

quel senso di potenza ed enormità che questa parola possiede. Il

tema dell’amplificazione può essere collegato sia alla storia che

all’elettronica. Nell’ambito storico, la volontà dell’uomo di

ampliarsi si è sempre ripetuta con battaglie e guerre nel corso

degli anni, soprattutto nel periodo storico che varrà messo in

discussione, quello degli anni ’40 del novecento, periodo in cui si

è consumata la Seconda guerra mondiale. Proprio in questo

conflitto venne mostrata apertamente la volontà di amplificazione

territoriale da parte del dittatore Adolf Hitler. Inoltre proprio in

questi anni sono stati sviluppati ed utilizzati i primi componenti

elettrici in grado di amplificare un segnale analogico: i tubi a

vuoto, sostituiti i seguito dai moderni transistor.

FROM VACUUM TUBES TO

TRANSISTORS

During the World War II, the first electronic digital machine with limited

programmability was developed. It was limited, because it solved only

single problems. This machine was called Colossus Mark I and it was

designed by the English mathematician Max Newman and was created by

the English engineer Tommy Flowers. Mark I was used by the Royal Navy

to decode the encrypted German messages between Adolf Hitler and his

chiefs of states. To build this machine, 1500 vacuum tubes were used.

Vacuum tubes were used only as amplifiers before building the Mark I.

Using these components, it was possible to rise the calculating power of

Mark I.

The vacuum tubes used in this project were the first active electronic

components in the history. In the vacuum tube there are two electrodes,

called anode and cathode. Between the electrodes there is a grid. If the

cathode is negatively charged, there is an exchange of electrons from

cathode to anode. In this way with a small voltage variation in input, a big

current is created in output. The disadvantages of vacuum tubes are that

they are big and they produce heat. The advantage is that with their

invention the humans inaugurated the new era of mass media. Now, we

live in this era and the component which has replaced the vacuum tubes is

the transistor, because unlike vacuum tubes, transistors are small, cheap,

and reliable. The invention of transistor was possible with the development

of semiconductor technology. Semiconductors more used are silicon and

germanium. Generally the transistor is made of silicon.

Physically these components have three terminals: base, emitter and

collector.

They are made up of two types of semiconductors. There is the n-type and

p-type semiconductor. In this way are created two junctions, the NP

junction and the PN junction. In fact this component is called “bipolar

junction transistor” or BJT. The BJT has two configurations, NPN or PNP.

In both types there is a small current in input to the base that controls an

amplified output from the collector. For this reason the BJT is used as a

powerful amplifier or as a switch. There are other types of transistors, for

example the FET (field-effect transistor) and the MOSFET (metal oxide

semiconductor field-effect transistor).

The FET has three terminals: gate, source and drain. In n-type FET the

source and the drain are negatively charged, in this way when

a positive voltage is applied to the gate an electron channel

between source and drain is created. In this situation the FET

is on, while if there isn’t a voltage to the gate the

FET is off.

Another type of transistor used today is the

MOSFET. It has a gate (G) that is separated from the electron

channel, formed by the source (S) and the drain (D), by a layer

of metal oxide which acts as dielectric. Its output is controlled

by an input voltage applied to the gate which creates an

electric field. This field controls the resistance of the electron

channel so that the current in output to the source can be

increased or decreased.

REGOLATORI DI POTENZA

I regolatori di potenza fanno parte della famiglia dei circuiti di

potenza. Ci sono vari tipi di regolatori tra cui i tiristori, i transistor

bipolari e transistor MOS.

I tiristori sono componenti elettronici, utilizzati come interruttori nei

circuiti, che lavorano con tensione alternata. La loro struttura si

basa sull’interconnessione di transistor di tipo NPN e PNP. I tiristori

che verranno trattati sono l’SCR e il TRIAC, che hanno un (visto il

loro) funzionamento molto simile. (Il TRIAC a differenza dell’SCR

possiede un vantaggio che verrà trattato in seguito).

SCR

L’SCR possiede tre terminali, gate (G), anodo (A) e catodo (K). Il suo

simbolo grafico è simile a quello del (graficamente è indicato con il

simbolo di un) diodo,( perciò si deduce che esso funzionerà solo se

polarizzato direttamente). L’SCR può essere visto come la

connessione di due transistor, uno PNP e l’altro NPN:

Principio di funzionamento: Si

polarizza direttamente l’SCR, ma a differenza del diodo esso non

entrerà in conduzione. Infatti se al terminale di gate non è applicato

nessun segnale di tensione, l’scr si comporterà da circuito aperto

finché la V raggiungerà la tensione di break-over V In questo

AK BO.

modo la tensione ai capi diminuisce molto e la corrente aumenterà.

Il vantaggio dei tiristori è il poter controllare la potenza elettrica da

trasmettere al carico, cioè l’scr in uscita produrrà solo semionde

positive,(visto che esso funziona solo se polarizzato

direttamente)ma di queste semionde solo una parte viene

trasmessa. Per ottenere questo controllo bisognerà applicare in

ingresso al gate degli impulsi di tensione positiva. In questo modo si

creerà una corrente di base al transistor NPN che, essendo in

conduzione, provocherà una corrente di collettore che risulterà la

corrente di base del PNP, ma a sua volta la corrente di collettore di

quest’ultimo risulterà nuovamente la corrente di base dell’NPN. In

questo modo l’SCR rimarrà in funzione anche se la tensione al gate

verrà rimossa, questa condizione è detta di “Latch – up”.

L’SCR smetterà di funzionare solo se verrà applicata una V AK

negativa.

CARATTERISTICA I/V DELL’SCR

Vantaggi dell’SCR Svantaggi dell’SCR

-Elevata velocità di -Possibilità di trasmettere solo la

commutazione; semionda positiva;

-Ottimo rendimento;

-Compattezza;

-Durabilità elettrica;

-Assenze di perdite;

-Massima funzione di

funzionamento (400 ÷ 4000)V ~

TRIAC

Il triac è un tiristore il cui principio di funzionamento si basa su

quello dell’SCR. Infatti esso è formato da due SCR posti in

antiparallelo, in modo tale da risolvere il problema di esclusiva

conduzione della semionda positiva. Perciò il Triac sarà in grado di

trasmettere al carico sia la semionda positiva che negativa. Il Triac

possiede tre terminali: gate (G), anodo1 (A1) e anodo2 (A2).

Esso è un componente utilizzato come interruttore nei circuiti a

tensione alternata. Inoltre il TRIAC per essere attivo deve ricevere in

entrata al gate una corrente proprio come l’SCR.

CARATTERISTICA I/V TRIAC:

Il triac può essere utilizzato per vari scopi, ad esempio può

comandare circuiti che vanno dai semplici regolatori di luminosità

delle lampade, al comandare motori elettrici. Per ottenere una

regolazione molto precisa degli impulsi tensione in input al

terminale di gate, perciò regolare la potenza elettrica che si vuole

trasmettere al carico, si può utilizzare un microprocessore, quindi

un semplice pc o altro dispositivo dotato di microprocessore. Il

problema è che collegare direttamente un pc ad una rete che

lavora in alternata (230 V~) non è molto consigliato e sicuro, quindi

per avere una maggior sicurezza si potrebbe collegare il pc al triac

tramite un fotoaccoppiatore che appunto sfrutta la

luminosità di un diodo led per innescare il triac, in

modo tale da non creare dei contatti fisici tra le

due parti. Un componente che può fare questo

tipo di lavoro è il fototiristore MOC3020,

alimentato con una tensione di 5 V, in grado di

pilotare un carico che lavora in alternata.

TRANSISTOR MOS DI POTENZA

Il transistor mos è un altro tipo di regolatore di

potenza. Anch’esso possiede tre terminali: gate,

source e drain. La differenza è che utilizza un

transistor NMOS a riempimento, cioè si comporta

da condensatore. APPLICAZIONI E VANTAGGI:

OSSERVAZIONI: -Il transistor MOS può essere utilizzato in

circuiti che funzionano ad alte correnti.

-Apparentemente la corrente può scorrere sia da

drain a source che viceversa, ma nei dispositivi -Elevata velocità di commutazione;

reali la corrente deve sempre essere uscente dal

Source; -Bassa perdita di potenza con un carico

resistivo;

-La tensione necessaria per mandare in

conduzione il MOS è di circa 10 V, ma esistono

MOS di tipo Logic Level, in grado di funzionare -Possibilità di mettere in parallelo più

anche a tensioni inferiori (3 – 5 V), ma in dispositivi per aumentare la corrente;

genere hanno prestazioni peggiori;

-Quando il MOS conduce, il collegamento tra

Drain e Source può essere pensato come una

resistenza molto piccola (per esempio: 0,5 Ω o

anche molto meno);

-La massima corrente di Drain, può andare da 1

a 150 A e più;

-La massima tensione di funzionamento

(tensione di rottura), varia da 20 a 600 V;

Quando al gate non si ha una tensione, il canale elettrico tra drain e

source non esisterà perciò il circuito si comporterà da circuito

aperto (OFF). Infatti proprio come in un condensatore i terminali di

drain e source sono divisi da un dielettrico. Al contrario, se viene

applicata una tensione al gate maggiore della tensione di soglia

Vth, il MOS si comporta come un circuito chiuso con resistenza

R Questa resistenza fa si che la tensione tra drain e source sia

DS(ON).

proporzionale alla corrente che vi scorre, quindi è consigliato usare

MOS con resistenza molto bassa per ottenere uno scambio di

corrente molto più veloce.

AMPLIFICATORI OPERAZIONALI

Verso gli anni ’40 del secolo scorso, sono stati realizzati i primi

componenti attivi che possono anche essere definiti come gli antecedenti

dei moderni transistor: i vacuum tubes (tubi a vuoto).

Con l’avanzare degli anni sono stati prodotti i primi transistor e grazie al

loro sviluppo è stato possibile realizzare i primi amplificatori operazionali

(op-amp) in maniera integrata. Questi componenti pur essendo molto

piccoli, contengono milioni di componenti come transistor, condensatori,

resistori, diodi, ecc…

La loro funzione originaria era quella di amplificare un segnale di tensione

posto in ingresso ed eseguire delle operazioni algebriche tra i segnali da

cui il nome “amplificatore operazionale”.

L’ op-amp idealmente presenta:

- + - +

Ad = ∞; B = ∞; V = V ; Ri = ∞; Ro = 0; i = i = 0

L’amplificatore operazionale nella realtà non ha valori di impedenza

infinita o nulla, guadagno e banda infiniti, ma esso presenta valori che

tendono a quelli ideali ma pur sempre finiti. Proprio perché l’op-amp

possiede una Ri altissima e una Ro bassissima, questo fa si che esso sia

adatto per amplificare un segnale.

Ci sono varie configurazioni base degli op-amp, ad esempio:

configurazione invertente, non invertente, differenziale, inseguitore di

tensione. Tutti questi circuiti sono dotati di una retroazione negativa che

collega l’uscita al morsetto invertente “-”.

La configurazione che prenderò in considerazione è quella dell’op-amp

differenziale:

Per calcolare la Vout bisogna far agire teoricamente una singola tensione di

ingresso. Per fare questo basta applicare il metodo della sovrapposizione

degli effetti. In conclusione si otterrà: Vo = Ad * (V1 – V2)

Teoricamente il differenziale amplifica la differenza dei due segnali in

ingresso, cioè il guadagno differenziale “Ad”. In un op-amp ideale il

guadagno che si ottiene è solo differenziale, cioè la Vo dipende solo dalla

differenza tra le tensioni in ingresso: Vd = V1 – V2 => Vo = Ad * Vd

Diversamente, nell’op-amp reale la Vo dipende anche dal valore medio

V 1+V 2

(Vc) delle tensioni in ingresso: Vc = => Vo = Ad*Vd +

2

Ac*Vc

L’aggiunta del guadagno di modo comune “Ac” è dato dall’ eventuale

presenza di disturbi all’ingresso. Il miglior caso che ridurrà i disturbi sarà