* INTRODUZIONE AI MODELLI MATEMATICI PER DIODI

La presente unità didattica richiede i seguenti prerequisiti:

• conoscere e saper applicare la legge di Ohm;
• conoscere e saper applicare i principi di Kirchhoff;
• conosere e saper applicare il principio di sovrapposizione degli effetti;
• conoscere le proprietà fisiche dei semiconduttori;
• conoscere il principio di funzionamento di un diodo a semiconduttore.

Per ripetere ed approfondire i primi due argomemti, si consiglia la consultazione del sito http://www.elettrone.altervista.org/( cliccare sul link: Semplificazioni di reti elettriche funzionanti in corrente continua ).

MODELLI MATEMATICI PER L'ANALISI DI CIRCUITI CON DIODI

I circuiti con diodi si analizzano ricorrendo a dei modelli, che si dividono in:

• modello ideale;
• modello lineare a tratti, con tensione di soglia;
• modello lineare a tratti, con tensione di soglia e resistenza diretta;
• modello lineare a tratti, con tensione di soglia, resistenza diretta e inversa.

Faremo riferimento ai primi tre modelli.

MODELLO IDEALE

Il modello ideale semplifica enormemente l'analisi dei circuiti con diodi. Esso consiste nel considerare il diodo come un cortocircuito e come un circuito aperto quando risulta rispettivamente in stato ON e in stato OFF. Come si può notare, questo modello non tiene conto della resistenza interna e della caduta di tensione del diodo.

MODELLO LINEARE A TRATTI CON TENSIONE DI SOGLIA

Il modello lineare a tratti, con tensione di soglia, consente di analizzare i circuiti con maggiore precisione, in quanto tiene conto della presenza di una tensione ai capi del diodo quando è in conduzione. In definitica, si considera come generatore ideale di tensione il diodo in conduzione, mentre si considera come ramo aperto il diodo in stato d' interdizione.

MODELLO LINEARE A TRATTI CON TENSIONE DI SOGLIA E RESISTENZA DIRETTO

Questo modello è più raffinato dei primi due, in quanto tiene conto sia della caduta di tensione ai capi del diodo sia della resistenza interna del diodo stesso quando conduce.

* ANALISI DI UN CIRCUITO IN CORRENTE CONTINUA

L'analisi in DC di un circuito elettronico offre la possibilità di verificare la legge di Ohm e i principi di Kirchhoff, analizzare il comportamento in seguito alle applicazioni di generatori di segnale. Nell'analisi in DC, i condensatori e gli induttori sono considerati rispettivamente elementi conresistenza infinita ( circuito aperto ) e cor resistenza nulla ( circuito chiuso ). Il Pspice è munito di strumenti virtuali, che consentono di visualizzare i valori delle tensioni e delle correnti. Per la misura di tensioni e correnti, si utilizzano:

• i pulsanti V ed I presenti nella barra dei pulsanti;
• i voltmetri ideali;
• gli amperometri ideali.

Si supponga di dover analizzare in DC la rete elettrica riportata in figura 1. Una volta aver inserito nel circuito i voltmetri e gli amperometri nei punti di misura, si deve prima salvare il file e poi eseguire la simulazione secondo la seguente procedura:

Figura 1

aprire il menu file;

selezionare il comando Save As. Il Pspice apre la finestra di dialogo di figura 2. Digitare il nome del file e fare clic su Save.

• 
  

Figura 2

Una volta salvato il file è necessario fissare i parametri della simulazione ed il tipo di analisi che si desidera eseguire. La procedura è la seguente:

• aprire il menu Analysis e selezionare Setup. Pspice apre la finestra di figura 2 ( seconda immagine in basso );
• fare clic sulla casella posta alla sinistra di Bias Point Detail, che consente di eseguire l'analisi in DC, e poi fare clic su Close;
• fare clic su Simulation.

La figura 3 riporta i risultati della simulazione.

Figura 3

Per visualizzare i valori di tensione e corrente, si utilizzano i pulsante con i simboli V ed I della barra dei pulsanti( figura 1 ).
Per visualizzare i valori dell'intensità della corrente che attraversa un ramo del circuito si deve:

• fare clic sul pulsante che riporta il simbolo I;
• selezionare il ramo del circuito attraversato dalla corrente di cui si desidera conoscere l'intensità;
• fare clic su questo pulsante.

Il programma Pspice consente di analizzare l'andamento delle intensità di corrente nei vatri rami di un circuito anche nel caso in cui la f.e.m. del generatore varia in un certo intervallo di valori. Supponiamo di dover analizzare il circuito precedente, ipotizzando che la f.e.m. vari tra 0V e 10V con incrementi di 1V. Per definire i parametri della simulazione, si procede come segue:

Figura 4

aprire la finestra riportata in figura 4;

fare clic su DC Sweep che consente di osservare l'andamento delle correnti nei rami al variare della tensione di alimentazione. Pspice apre la finestra di dialogo di figura 5.

Figura 5

fare clic su Voltage Sourse e su Linear;

digitare V1 nella casella Name;digitare 0, 10 ed 1 rispettivamente nelle caselle Start Value, End Value ed increment. In questo modo la sorgente è un alimentatore con tensione di uscita variabile a passi di 1V nell'intervallo di estremi 0V e 10V.

• fare clic su OK e tornare nella finestra Analysis Setup e fare clic su Close;

Aprire il menu Analysis e fare clic su Simulation. Si può visualizzare graficamente l'andamento delle correnti nel seguente modo:

• aprire il menu Trace della finestra Probe e selezionare Add;
• selezionare Analog, Voltages e Currente;
• fare clic su I(R1), su I(R2) ed infine su OK. Pspice mostra il grafico dell'andamento dell'intensità delle correnti in funzione della tensione V1.

* INTRODUZIONE AL PSPICE

La progettazione e la messa a punto di un circuito elettronico, richiede la realizzazione del prototipo, le verifiche sperimentali, l'individuazione di eventuali errori e la loro eliminazione, ed infine la realizzazione su apposita basetta di rame. Per ridutte i tempi di realizzazione di un circuito e i relativi costi, oggi è possibile ovviare alla realizzazione dei prototipi, verificando direttamente il corretto funzionamento del circuito mediante simulazione dello stesso. Per far ciò, esistono appositi simulatori fra cui il Pspice. I primi programmi di simulazione sono stati realizzati nei primi anni 70, e sono diventati sempre più sofisticati in funzione della complessità dei circuiti elettronici. I programmi di simulazione sono in grado di analizzare quantitativamente gli effetti che alcuni fattori ambientali provocano sul funzionamento di un circuito, cosa che nessuna prova sperimentale è in grado si fare. Ad esempio, la simulazione fornisce un insieme di informazioni sul progetto che si intende realizzare, quali gli effetti prodotti dalle variazioni di temperatura, sa segnali di rumore di natura causale, ecc...

Il Pspice è uno dei programmi più noti, utilizzato sia nelle università che in ambito industriale. Su questo blog verranno esaminati alcuni aspetti di Pspice, con lo scopo di insegnare agli studenti le funzioni applicative basilari in ambito prettamente didattico.

SCHEMATICS

Pspice accetta files realizzati con il programma schematics, al quale si accede nel modo seguente:

• trascinare il puntatore del mouse su programmi;


• selezionare MicroSim Release 8;


• fare clic su Schematics ( vedi figura 1 ).

Figura 1

Dopo aver lanciato Schematics, sul monitor appare la finestra riportata in figura 2.

Figura 2

Notiamo che la barra dei menu è composta dalle voci file, edit, draw, ecc. La barra dei pulsanti, posta al di sotto di quella dei menu, consente di eseguire più rapidamente diverse operazioni, senza dover accedere al menu. Al di sotto della barra dei pulsanti, si trova l'area nella quale si disegna lo schema elettrico del circuito da analizzare.

IL DISEGNO DELLO SCHEMA ELETTRICO

Per disegnare lo schema elettrico di un circuito, è necessario selezionare i simboli circuitali presenti nella libreria ( vedi figura 3 ), collocarli sul foglio di lavoro e connetterli con le linee di collegamento.

Figura 3

Per prelevare i simboli circuitali e collocarli sul foglio di lavoro, si procede come segue:

• fare clic con il pulsante sinistro del mouse del menu Draw e successivamente selezionare Get New Part. Il Pspice aprirà la finestra su cui compare la libreria dei simboli circuitali ( fig. 3 );
• trascinare il puntatore del mouse sul nome del compomemte, fare clic con il pulsante sinistro del mouse.
• fare clic sul place e poi sul close. Dopo aver eseguito questa operazione, il simbolo selezionato appare all'estremità del puntatore del mouse;
• trascinare il puntatore del mouse sul foglio di lavoro e fare clic con il pulsante sinistro del mouse. In tal modo è possibile collocare più componenti ( vedi figura 4 ) e connetterli fra di loro mediante le linee di collegamento.

Figura 4

Per ruotare i simboli dei componenti, bisogna aprire il menu Edit e fare clic su Rotate. Per tracciare le linee si procede nel seguente modo:

• trascinare il puntatore del mouse sul pulsante con su contrassegnalo il simbolo di pennarello con ula linea sottile. Il puntatore del mause assume la forma di una matita;
• trascinare la punta della matita all'estremità del primo punto di connessione e fare clic;
• trascinare la punta della matita all'estremità del secondo punto di connessione e fare clic. La linea di collegamento appare in rosso;

Fare clic con il pulsante destro del mause dopo aver eseguito tutti i collegamenti. Per cancellare il simbolo di un componente, si deve:

• fare clic sul simbolo del componente che si desidera cancellare;
• premere il tasto canc.

Attenzione: ogni circuito di Pspice deve avere almeno un nodo di riferimento.

Per modificare il nome di un componente è necessario:

• trascinare il puntatore del mouse sul nome del componente e fare clic due volte. Pspice apre la finestra di dialogo di figura 5.

Figura 5

Per modificare il valore di un componente, si deve trascinare il puntatore del mouse sul numero che contraddistingue il valore del componente e fare clic due volte.

* PREMESSA

Il presente blog ha lo scopo di potenziare il corso di Elettronica Analogica, che svolgo, per tre ore settimanali, in una classe quinta, a indirizzo termotecnico, presso l'Istituto Tecnico Professionale "Pesenti"di Bergamo.

COME SUPERARE I PASSAGGI PIU’ OSTICI CHE SI INCONTRANO NELLO STUDIO DELL’ELETTRONICA

Un testo di Elettronica non è una lettura riposante e affascinante. Per evitare la noia e lo smarrimento di motivazioni adeguate, ritengo che sia fondamentale affrontare questa disciplina ricorrendo al alcune strategie didattiche, atte ad alleggerire il processo di assimilazione. Questo blog vuole essere un aiuto affinché ciò accada. Come si potrà notare, il blog contiene gli elementi basilari di teoria, che consentono di effettuare l’analisi di un circuito con diodi. I principi esposti sono volutamente limitati a quelli essenziali per incentivare l’apprendimento e guidare gli studenti verso eventuali approfondimenti. Con il presente blog, gli alunni hanno l’opportunità di sperimentare un nuovo modo di studiare Elettronica, seguendo le mie lezioni in forma audio. Ritengo che sia altrettanto utile esporre la descrizione dettagliata del software Pspice, per la simulazione dei circuiti elettronici analogici e digitali. Questo programma permette agli studenti di apprendere il comportamento di un qualunque circuito, senza la necessità di analizzarlo analiticamente. Un ulteriore strumento di supporto, che sperimenterò in futuro, è il seguente:
prima di proporre agli alunni una esperienza di laboratorio, può essere interessante realizzare un filmato, in cui venga illustrato, nei minimi dettagli tecnici, le procedure sperimentali da rispettare per la realizzazione dell’esperienza stessa. In questo modo, gli alunni avranno l’opportunità di rivedere l’esperimento, più volte, comodamente da casa, apprendendo le tecniche sperimentali da eseguire in laboratorio sotto la guida del tecnico. Non mi resta che sperare che queste metodologie proposte rendano l’Elettronica più affascinante.

OBIETTIVI DEL BLOG

Il presente Blog ha lo scopo di raggiungere i seguenti obiettivi:

a) Descrizione dettagliata del software Pspice;

b) Introduzione ai modelli matematici del diodo a semiconduttore;

c) Analisi matematica del raddrizzatore a una semionda;

d) Analisi matematica del raddrizzatore a doppia semionda;

e) Descrizione del principio di funzionamento di un alimentatore semplice;

g) Esercizi proposti

UTILITA' DEL PSPICE

Il Pspice è un software professionale, che consente ai progettisti di simulare il funzionamento di un qualsiasi circuito elettronico, dopo aver terminato il relativo progetto. Prima che venga eseguita la fase di montaggio definitivo su apposita basetta di rame, si verifica il corretto funzionamento del circuito mediante la simulazione con Pspice. Dal punto di vista della didattica, Pspice può essere un eccellente strumento multimediale, in quanto facilita l'assimilazione dei principi di funzionamento dei circuiti elettronici, senza necessariamente ricorrere alle esperienze dirette di laboratorio. Integrando l'analisi matematica dei circuiti con l'utilizzo del Pspice, si incentiva il processo di apprendimento significativo degli alunni.
Cos'è il processo di apprendimento significativo?

La teoria dell’apprendimento di David Ausubel, afferma che l’uomo arricchisce la propria conoscenza integrando la struttura cognitiva con nuovi concetti mediante l’apprendimento significativo. Quando questo processo non si verifica, l’apprendimento è meccanico e la struttura cognitiva è destinata a non evolversi significativamente. C’è una forte tendenza da parte degli alunni di apprendere in modo meccanico. E’ questa la ragione per cui dimenticano in poche settimane gran parte degli argomenti studiati, cosa che non può accadere se l’apprendimento è significativo. Ausubel sostiene che la qualità e la quantità di informazioni che un soggetto acquisisce, dipendono essenzialmente da come è organizzata la sua struttura cognitiva. L’apprendimento significativo è un processo mentale mediante il quale le nuove informazioni si legano costruttivamente a concetti analoghi, precedentemente acquisiti, potenziando la struttura cognitiva relativa a un dato argomento. Per raggiungere l’apprendimento significativo bisogna compire uno sforzo: lo studente deve essere in grado di mettere in relazione il concetto della definizione con le conoscenze precedentemente acquisiti, pertinenti con il nuovo concetto. Una volta costruita la struttura di conoscenza in un determinato campo, apprendere nuovi concetti diventa sempre più facile. Inoltre, l’apprendimento significativo permette di immagazzinare le informazioni più a lungo. Esistono varie strategie didattiche che possono stimolare l’apprendimento significativo. Ad esempio, la lezione che svilupperò sul presente blog consiste nel guidare gli studenti verso l’apprendimenti per scoperta, nel rispetto delle loro pre-conoscenze.