Elettrotecnica - Raddrizzatore a ponte monofase

RADDRIZZATORE A PONTE MONOFASE

Il raddrizzatore a ponte, noto anche come ponte di Graetz, è un componente

essenziale per la conversione della corrente alternata (AC) in corrente continua (DC)

nell'elettronica di alimentazione.

Analizzando uno dei suoi simboli, figura 1, si evidenzia

che il ponte raddrizzatore non è un singolo componente,

ma ne rappresenta in realtà un aggregato. La sua

struttura è costituita da quattro diodi interconnessi,

motivo per cui è noto anche come ponte di diodi.

Il diodo è un bipolo polarizzato, che conduce corrente

solo in una direzione. In polarizzazione diretta, ovvero con tensione positiva

sull'anodo, il diodo conduce; in polarizzazione inversa, ovvero con tensione positiva

sul catodo, agisce come un circuito aperto, interrompendo il flusso di corrente.

Tuttavia nel ponte di Graetz l’alimentazione d’ingresso è una tensione alternata,

ovvero una grandezza caratterizzata da un valore che oscilla ciclicamente tra un

massimo positivo e un massimo negativo, invertendo il suo segno ad ogni

semiperiodo. Sintetizzando quanto precedentemente esposto, procediamo a

delineare il funzionamento del raddrizzatore a ponte. Infatti se applichiamo una

tensione alternata all'anodo del diodo, esso conduce solamente durante il

semiperiodo in cui la tensione è positiva. Appena la tensione attraversa lo zero e si

dirige verso il massimo negativo, il diodo cessa di condurre. In questa

configurazione, il diodo consente il passaggio solo delle semionde positive,

impedendo il flusso delle negative. Questo comportamento illustra la capacità del

diodo di agire come un interruttore controllato dalla polarità della tensione applicata,

consentendo la conduzione

solo in presenza di tensioni

positive e bloccando quelle

negative. Come si può

vedere dalla figura 2.

Al contrario, se al diodo viene applicata una tensione alternata al suo catodo, si

verifica il caso opposto; le semionde negative riescono ad attraversare il diodo,

mentre quelle positive vengono bloccate. Come si può vedere dalla figura 3. 1

Simone Cornacchini matricola: 0001069729 Ingegneria dell'automazione

Si deve poi prestare particolare attenzione in fase di progetto al picco di tensione

inversa (PIV), ovvero la massima tensione inversa che deve sostenere il diodo prima

di rompersi. Sarà compito del progettista dimensionare adeguatamente i diodi

presenti nel ponte per evitare il breakdown. L'alimentazione avviene tramite due

conduttori, indipendentemente dalla natura della tensione. Nella tensione alternata,

entrambi i conduttori presentano un segnale alternato con una sfasatura di 180

gradi. Collegando ciascun conduttore

all'anodo di un diodo, se ne ottengono due

che permettono il passaggio solo delle

semionde positive. Unendo le uscite dei due

diodi, si genera un segnale consolidato

contenente tutte le semionde positive.

Utilizzando altri due diodi orientati in modo

opposto, ovvero collegando la tensione

alternata ai loro catodi, si consente il

passaggio esclusivo delle semionde negative

di entrambi i segnali. Questi fenomeni sono rappresentati nella figura 4.

Dall'uscita del ponte raddrizzatore si ottengono solo le semionde positive, ma con

una frequenza raddoppiata e un valore medio di tensione inferiore. Nonostante il

raddoppio della frequenza degli impulsi, si verifica un breve intervallo tra una

semionda e l'altra in cui la tensione raggiunge circa 0 Volt prima di risalire al valore

ottimale. Questa discrepanza,

solitamente senza perdite significative

nei circuiti, può essere mitigata con un

condensatore elettrolitico noto come

condensatore di livellamento. Tale

condensatore va collegato in parallelo

alla tensione continua in uscita dal

ponte raddrizzatore (figura 6, schema

circuitale raddrizzatore a ponte).

Il condensatore di livellamento, con una

capacità adeguata, incrementa il valore medio della tensione, eliminando le

pulsazioni della corrente alternata, come si può notare dalla figura 5. Durante il

funzionamento, il diodo rimane attivo per un periodo ∆T in cui avviene la carica del

condensatore di livellamento; il quale si scaricherà quando la tensione di uscita

passerà dal suo valore massimo a quello minimo. Un raddrizzatore efficace cerca di

minimizzare l'oscillazione residua, nota come tensione di ripple, per garantire il

corretto funzionamento del carico in uscita. Per poter dimensionare il condensatore,

conoscendo V (ondulazione massima della tensione), I (corrente di uscita

rpp lmax

massima) e la f (frequenza della tensione alternata) possiamo usare la seguente

formula: = /2 2

Simone Cornacchini matricola: 0001069729 Ingegneria dell'automazione

Dopo l'analisi dettagliata del funzionamento dei raddrizzatori monofase, è doveroso

citare che ne esistono anche altre tipologie, tra cui per esempio quelli trifase. Questi

ultimi, a differenza dei monofase, sono impiegati sia in applicazioni a media

tensione, dove possono essere utilizzati

singolarmente, sia in applicazioni ad alta

potenza, dove vengono collegati tra loro

per formare raddrizzatori a 12, 18 o 24

impulsi. Il concetto di "impulsi" è legato

al numero di diodi impiegato nel

raddrizzatore. Tuttavia tali raddrizzatori,

pur soddisfacendo la semplicità

circuitale, richiedono filtri onerosi a

tensioni elevate. Infatti nell'ottica di

ridurre i costi, si cerca di eliminare l'uso

del condensatore di livellamento per

ridurre il ripple in uscita. Uno schema

semplificato del raddrizzatore trifase può essere il seguente, come nella figura 7,

dove le tensioni Va(t)=Vsin(ωt), Vb(t)=Vsin(ωt – 2π/3), e Vc(t)=Vsin(ωt – 4π/3), sono

quelle di fase al secondario di un trasformatore trifase.

Finora, ci siamo concentrati sull'analisi

dei raddrizzatori "non controllati", sia

monofase che trisare, ovvero quelli per i

quali non è possibile cambiare a proprio

piacimento il valor medio della tensione

in uscita. Un’altra categoria di

raddrizzatori monofase è quella

"controllata" (figura 8), che può

modificare il suo valore medio grazie ai

tiristori o SCR (Silicon Controlled

Rectifier). Questi componenti, equivalenti ai diodi, richiedono l'applicazione di un

opportuno segnale di innesco su un terzo terminale denominato “gate” per poter

essere attraversati dalla corrente. Questo ci permette, tramite un apposito circuito di

controllo, di accendere o spegnere i tiristori per raggiungere il valore medio di

tensione desiderato. 3