Costruire un alimentatore

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di Raffaele Ilardo

COME COSTRUIRE UN ALIMENTATORE

Un alimentatore serve a far funzionare con l'energia elettrica di rete tutte quelle apparecchiature che non possono essere collegate direttamente alla presa a 220V, ma necessitano di una tensione diversa, in genere molto più bassa, simile a quella fornita dalle pile.
Per fare in modo che la tensione alternata disponibile nelle prese di casa diventi uguale a quella di una pila, l'alimentatore utilizza diversi componenti, ciascuno con una specifica funzione: vedremo quali sono questi componenti, esaminando la realizzazione del più semplice degli alimentatori.

Chi desidera approfondire l'argomento può andare alla pagina "Dalla corrente alternata alla corrente continua"

Figura 1a - Trasformatore a secondario unico: la tensione di rete viene collegata ai fili 1 e 2; la tensione ridotta si ritrova ai capi del secondario (fili 3 e 4)
Figura 1b - Trasformatore a due secondari: la tensione di rete entra sui pin 1 e 2; la tensione ridotta si ritrova ai capi sia di un secondario (pin 3 e 4) che dell'altro (pin 5 e 6)
	Figura 2 - Diodo: l'anello in colore chiaro indica il lato da cui la corrente esce (catodo)
Figura 3 - Per il livellamento si usa un condensatore di tipo elettrolitico, che permette di avere grandi valori di capacità con ingombri ridotti

IL TRASFORMATORE

Il trasformatore ha il compito di abbassare la tensione di rete; esso è composto in genere da due avvolgimenti distinti: uno, di entrata, detto primario, che viene collegato a 220V; uno di uscita, detto secondario, che fornisce una tensione più bassa di quella in entrata, adatta alle esigenze dell'utilizzatore, cioè dell'apparecchio che si vuole alimentare.
A seconda dei tipi, il trasformatore può avere uno o due avvolgimenti secondari; vedremo come sfruttare nel modo migliore sia un tipo che l'altro.

IL RADDRIZZATORE

La tensione che esce dal trasformatore non può alimentare un apparecchio fatto per funzionare con delle pile; mentre le pile hanno infatti una tensione continua, la tensione che esce dal trasformatore è ancora una tensione alternata, il che vuol dire che cambia di polarità continuamente (per l'esattezza: 50 volte al secondo). Occorre allora "raddrizzare" tale tensione, per ottenere che all'utilizzatore arrivi un flusso di corrente diretto sempre nello stesso verso. Il compito di bloccare la corrente nei momenti in cui il flusso si inverte è affidato al diodo; si possono usare uno, due o quattro diodi, secondo vari circuti che presto vedremo.

IL CONDENSATORE DI LIVELLAMENTO

La tensione alternata che arriva dal trasformatore, resa monodirezionale tramite i diodi, non ha ancora un valore costante: il suo valore cambia continuamente, passando da zero a un valore massimo, e questo accade, come si è detto prima, cinquanta volte in un secondo. Il condensatore che si aggiunge al circuito funziona come serbatoio di riserva: immagazzina energia quando la tensione è massima e la restituisce quando la tensione tende a scendere.

Osserviamo il grafico che segue: in alto vediamo la forma d'onda che ha la tensione di rete a 220V applicata all'entrata del trasformatore
Al centro vediamo la tensione che si ottiene in uscita dopo averla raddrizzata con un raddrizzatore a semionda, ovvero ad un solo diodo
In basso vediamo la tensione che si ottiene in uscita dopo averla raddrizzata con un raddrizzatore ad onda intera, come quelli che utilizzano 2 o 4 diodi.

Figura 4

TRE CIRCUITI PER UN ALIMENTATORE

Il circuito da usare dipende dal trasformatore di cui si dispone.
Se il trasformatore ha un solo avvolgimento secondario (come quello di figura 1a) è possibile realizzare lo schema di figura 5, che usa un solo diodo, o quello di figura 6, che ne usa quattro.

Figura 5 - con un solo diodo si raddrizza una sola semionda della corrente alternata

Il circuito di figura 5 è più semplice, ma siccome sfrutta una sola semionda della tensione alternata è più adatto per utilizzatori che assorbono poca corrente (non più di 50 mA).
Quando occorre una corrente più forte è bene utilizzare lo schema con quattro diodi (figura 6), che sfrutta entrambe le semionde e quindi permette un migliore livellamento della tensione in uscita.

Figura 6 - con 4 diodi vengono raddrizzate entrambe le semionde

Se il trasformatore è dotato di un avvolgimento secondario doppio, cioè con presa centrale (come il trasformatore della figura 1b), è possibile raddrizzare entrambe le semionde della corrente alternata usando due soli diodi (circuito di figura 7). Nel caso della figura 1b, i diodi vanno collegati ai pin 3 e 6, mentre la presa centrale si ottiene collegando insieme i pin 4 e 5.

Figura 7 - se il trasformatore ha un doppio secondario bastano due diodi per raddrizzare entrambe le semionde

L'alimentatore descritto è molto semplice, per cui non dispone di un sistema di regolazione della tensione che arriva all'utilizzatore; per ottenere in uscita la tensione desiderata, l'unico modo è quello di usare un trasformatore il cui secondario dia una tensione ben precisa. Vediamo allora come va calcolata la tensione secondaria del trasformatore:

tensione in uscita dall'alimentatore	trasformatore da usare
4,5	220/4,5
6	220/5,5
9	220/8
12	220/10,5
15	220/12,5
18	220/15
24	220/20

chiamiamo V_U la tensione che deve arrivare all'utilizzatore
aggiungiamo 1 al valore di V_U per tenere conto della caduta di tensione nei diodi raddrizzatori
dividiamo il valore ottenuto per 1,41 per passare dal valore massimo al valore efficace
moltiplichiamo il valore ottenuto per 1,1 per tenere conto della caduta di tensione nel trasformatore durante il funzionamento sotto carico

Con questi calcoli si ottiene V_S e cioè il valore della tensione che deve avere il secondario del trasformatore; chi non ha voglia di fare conti, nella tabella a destra trova i valori già calcolati. Occorre tenere presente che i valori indicati sono approssimativi, anche perchè, a meno di non farlo avvolgere appositamente, difficilmente si riuscirà a trovare un trasformatore con le tensioni esatte.
Il trasformatore deve poi essere adatto alla potenza richiesta: occorre moltiplicare la tensione di funzionamento dell'utilizzatore per la corrente che esso richiede; il valore ottenuto va maggiorato di circa il 20% se l'alimentatore deve funzionare saltuariamente, oppure del 40% nel caso di funzionamento prolungato o continuo.
Esempio pratico: un apparecchio deve funzionare a 12 V ed assorbe una corrente di 1,5 A; la potenza del trasformatore è:

12 x 1,5 x 1,2 = 21,6 VA (per funzionamento saltuario)
12 x 1,5 x 1,4 = 25,2 VA (per funzionamento prolungato)

	Diodo	Tensione di lavoro	Corrente massima
	1N4001	50 V	1 A
	1N4002	100V	1 A
	1N4003	200 V	1 A
	1N5400	50 V	3 A
	1N5401	100 V	3 A
	1N5402	200 V	3 A
	6A4	400 V	6 A

I diodi vanno scelti in base alla tensione ed alla corrente che li attraversa. Per la tensione non ci sono problemi, considerato che qualunque diodo raddrizzatore può funzionare tranquillamente fino a tensioni di almeno 50V. La corrente va calcolata in previsione del fatto che, al momento dell'accensione, i diodi sono attraversati dal forte picco di corrente che va a caricare il condensatore elettrolitico completamente scarico; per tale motivo è bene utilizzare diodi in grado di sopportare correnti maggiori di quelle richieste dall'utilizzatore, e ciò tanto più quanto maggiore è la capacità del condensatore di livellamento. In particolare, nel raddrizzatore a un solo diodo, occorre considerare che la corrente passa nel diodo stesso solo per metà del tempo di funzionamento, per cui il suo flusso risulta discontinuo, con picchi di valore doppio.
La tabella a lato descrive i diodi raddrizzatori di uso più comune.

Il condensatore deve essere adatto alla tensione di uscita dell'alimentatore; in merito alla sua capacità, questa dipende sia dalla corrente richiesta dall'utilizzatore, sia dal circuito utilizzato: con un raddrizzatore ad una semionda, per esempio, occorre un condensatore di capacità doppia rispetto ad un raddrizzatore a due semionde.
Il calcolo del condensatore è piuttosto complesso, e tiene anche conto della percentuale di ondulazione residua che si è disposti ad accettare in uscita; per tale motivo consiglio allora di procedere per via sperimentale, usando per esempio un valore di capacità iniziale di circa 1000 µF. In carti casi ci si accorge che tale valore è insufficiente: per esempio, usando l'alimentatore per far funzionare una radiolina, si avverte nell'altoparlante un certo ronzio; in tal caso è senz'altro possibile passare gradualmente a valori più alti, come 2200, 3300 o 4700 µF (si noterà che man mano il ronzio diminuisce).

Figura 8 - per collegare i fili in modo corretto, fare sempre riferimento a quanto indicato sull'involucro dell'apparecchio.

Molte volte, gli apparecchi che funzionano a pile hanno una presa prevista appositamente per il collegamento ad un alimentatore da rete; si tratta quasi sempre di una presa coassiale, nelle cui vicinanze, sull'involucro dell'apparecchio, è contrassegnata la polarità dei fili da collegare (positivo sul contatto centrale, negativo sul contatto esterno - o viceversa). Per collegarci a tale presa, dobbiamo dotare il nostro alimentatore della spina corrispondente (figura 8), facendo attenzione a collegare nel modo corretto i fili positivo e negativo.

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