Lab 4 - Circuiti diodi-condensatori

Misure Elettriche ed Elettroniche
Esercitazioni Lab - Circuiti con diodi e condensatori
Circuiti con diodi e condensatori
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Circuito con diodo e condensatore
9 Consideriamo un circuito con diodo e condensatore alimentato
da una tensione sinusoidale v(t).
9 Un condensatore ideale C, una volta caricato durante il primo
quarto di periodo, mantiene la carica ai suoi morsetti.
9 Analogamente il diodo ideale non è attraversato da corrente
quando la polarizzazione è inversa.
9 Pertanto la tensione in uscita vu(t), se non vi è carico in uscita,
rimane costante e uguale al valore di picco Vp.
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Circuito di clamping
9 Se nel circuito con diodo e
condensatore consideriamo
come uscita, non già la
tensione vC sul condensatore,
bensì la tensione vD ai capi
del diodo, si ottiene un
circuito di clamping: cioè i
picchi del segnale d’ingresso
vin sono ancorati all’asse
delle ascisse.
9 Infatti fino al tempo T/4 il
diodo D è polarizzato
direttamente, la tensione vD è
nulla e il condensatore C si
carica alla tensione vC = vin.
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Funzionamento del circuito di clamping
9 Nei casi reali la tensione ai capi del
diodo vD non è nulla, ma è pari alla
caduta di tensione diretta (Vγ ≅ 0,6 V).
9 Comunque, partendo dall’istante
iniziale (t = 0), quando è trascorso un
tempo pari a T/4, la tensione applicata
vin comincia a decrescere dal valore
di picco Vp mentre il condensatore C
rimane carico alla tensione finale Vp
perché il diodo si blocca.
9 La tensione d’uscita vD è la tensione
in ingresso vin meno la tensione
costante Vp ai capi del condensatore:
v D = vin − V p
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Inversione della polarità
9 Per invertire la polarità della
tensione in uscita vD in un circuito
di clamping è sufficiente invertire il
verso del diodo D.
9 Durante il primo intervallo T/2 il
diodo D è interdetto e la tensione
vD segue la tensione di ingresso vin.
9 Quando la tensione d’ingresso vin
diventa negativa, il diodo conduce
e la tensione ai suoi capi si annulla.
9 Il condensatore C si carica fino al
valore di picco Vp e dopo il tempo
3T/4 la tensione sul diodo risulta:
v D = vin + V p
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Rilievi sperimentali
9 Per il circuito con diodo e capacità di pagina precedente è stato
utilizzato dapprima un condensatore di capacità C = 33 nF.
9 Il circuito è stato provato con una tensione sinusoidale di 5 V di
picco e con frequenza di 50 Hz, applicata solo per quattro
periodi, iniziando con la semionda positiva (a sinistra) oppure la
negativa (a destra). Sono stati rilevati gli oscillogrammi:
vin (in giallo), vout = vD (in rosso), e vC = vin – vD (in verde).
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Osservazioni
9 Durante la conduzione del diodo, la sua tensione diretta non è
nulla, ma è circa 0,6 V.
9 In basso si mostrano gli oscillogrammi con un condensatore di
capacità C = 3,3 μF (10000 volte più grande).
9 Durante la carica, il generatore di alimentazione non riesce a
mantener la tensione sinusoidale in uscita a causa delle cadute
di tensione interne, inoltre la scarica è molto meno pronunciata.
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Osservazioni
9 I due circuiti sono stati provati anche alla frequenza di 200 Hz.
9 Nel caso del condensatore da 33 nF (a sinistra) la carica
completa avviene tutta entro un ciclo di 5 ms, mentre nel caso
del condensatore più grande da 3,3 μF (a destra), il transitorio
di aggancio dura alcuni cicli di 5 ms, prima che il condensatore
si sia caricato completamente.
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Duplicatore di tensione
9 Se al circuito di clamping
appena visto si aggiunge a
valle un circuito in grado di
rilevare i picchi positivi (D1 e
C1) si ottiene un raddrizzatore
duplicatore di tensione.
9 Supponiamo per semplicità che
le capacità C e C1 siano uguali.
9 Nel tempo (0 ÷ T/4), il diodo D
è interdetto ma D1 conduce.
9 La tensione vin cade in parti
uguali sui due condensatori:
vC = vC1 = vout = v D = vin / 2
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Analisi del duplicatore di tensione
9 Al termine di T/4 la vin inizia a
decrescere: D1 si interdice e le
due capacità uguali C e C1
rimangono cariche a Vp/2.
9 Finché la tensione in ingresso:
vin > VC = V p / 2
il diodo D è interdetto e:
v D = vin − V p / 2
9 Come la tensione vin diminuisce
ancora e arriva al valore:
vin = VC = V p / 2
il diodo D si porta in conduzione.
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Analisi del duplicatore di tensione
9 La tensione vD ai capi del diodo
rimane nulla fino a 3T/4, mentre
la tensione vC sul condensatore
C segue la vin.
9 Arrivati al tempo 3T/4, viene
superato il primo picco negativo
della tensione d’ingresso (-Vp)
e la tensione vin ricomincia a
salire.
9 Dopo 3T/4, il diodo D si
polarizza inversamente e le
tensioni sul condensatore C e il
diodo D sono:
vC = −V p
v D = vin + V p
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Conclusione
9 Infine, dopo il secondo picco positivo vin = +Vp la tensione in
uscita vout rimane definitivamente ancorata al valore:
vout = 2V p
9 Il circuito risulta un duplicatore di tensione.
9 Disponendo più celle in
cascata, si può ottenere la
successiva duplicazione
della tensione di picco in
ingresso Vp,in prelevando
le uscite rispetto a massa:
vout,1 = 2 Vp,in
vout,2 = 4 Vp,in
vout,3 = 6 Vp,in
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Struttura ricorsiva
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