* CONCLUSIONI

La classe quinta a indirizzo termotecnico, dell'Istituto Professionale "PESENTI" di Bergamo, per la quale ho concepito il presente blog, sta dimostrando un certo interesse verso questa disciplina, grazie alla curiosità suscitata dalle mie lezioni audio e dalla descrizione dettagliata del software Pspice. Ritengo che un blog, contenente del materiale didattico significativo e strumenti multimediali progettati su misura per la scuola, possa stimolare gli alunni a studiare con maggiore interesse.

* PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DI UN ALIMENTATORE SEMPLICE

PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DI UN ALIMENTATORE SEMPLICE

Prima di iniziare la descrizione del funzionamento di un alimentatore, è opportuno spiegare cos'è un trasformatore.

IL TRASFORMATORE

Il trasformatore è una macchina elettrica statica, composta da due avvolgimenti di filo conduttore, entrambi avvolti intorno a un nucleo di materiale ferromagnetico. I due avvolgimenti, detti rispettivamente primario e secondario, sono separati l'uno dall'altro, ma interagiscono fra loro mediante mutuainduzione. Applicando una tensione sinusoidale al primario, ai capi del secondario è presente una tensione sinusoidale avente la stessa frequenza della prima, ma ampiezza diversa. Negli alimentatori, si utilizzano trasformatori riduttori di tensione, la cui tensione presente sul secondario ha ampiezza inferiore a quella applicata sul primario. La figura 1 riporta il simbolo circuitale di un trasformatore.

Figura 1. Simbolo circuitale di un trasformatore

Supponendo che il flusso magnetico generato dal primario si concateni interamente con l'avvolgimento secondario, si dimostra che:

( V2/V1 ) = ( N2/N1 )

da cui:

V2= ( N2/N1 ) V1

dove N1 ed N2 sono rispettivamente il numero di avvolgimenti del primario e il numero di avvolgimento del secondario. Il termine N2/N1 prende il nome di rapporto di trasformazione. Quando questo rapporto è maggiore di 1 la tensione al secondario è maggiore di quella applicata al primario. In questo caso il trasformatore è elevatore di tensione; quando il rapporto di trasformazione è minore di 1 la tensione sul secondario risulta minore di quella applicata sul primario. In questo caso, il trasformatore è detto riduttore di tensione.

L'ALIMENTATORE

In figura 2 è riportato lo schema elettrico di un alimentatore semplice.

Figura 2. Schema elettrico di un alimentatore semplice

Come si può notare, l'alimentatore è costituito da un ponte raddrizatore ( raddrizzatore a doppia semionda ) all'uscita del quale vi è un condensatore. Il condensatore consente di modificare l'andamento temporale della tensione all'uscita del ponte raddrizzatore, trasformandola in una tensione quasi continua. La figura 3 riporta l'andamento temporale di tale tensione.

Figura 3. Andamento temporale del segnale di uscita dell'alimentaore.

Supponiamo il condensatore inizialmente scarico. Durante il tempo che intercorre tra gli istanti 0 e t1, il condensatore si carica e l'andamento della tensione ai suoi capi coincide con quello della prima semionda raddrizzata. Nell'intervallo di tempo di estremi t1 e t3, la semionda raddrizzata decresce a partire dall'istante t1 e il condensatore inizia a scaricarsi. Il valore della capacità del condensatore va opportunamente dimensionato in modo che la costante di tempo RL C sia superiore al periodo dell'onda raddrizzata. La scarica del condensatore prosegue fino all'istante t3, in cui si ripete il processo di carica. I diodi conducono alternativamente a coppia solo negli intervalli di tempo in cui si verifica il processo di carica del condensatore. Notiamo che la tensione sul carico non è perfettamente costante, come si vorrebbe che fosse. Tale tensione presenta una ondulazione che prende il nome di ripple. Il ripple di questo tipo di alimentatore non può essere eliminato, ma lo si può ridurre agendo sul dimensionamento della capacità del condensatore. Si dimostra che l'ampiezza di ripple, che denotiamo con Vr, è data dalla seguente espressione:

Vr= I/2fC

dove I è la corrente media nel carico RL, C la capacità del condensatore ed f la frequenza della tensione ai capi del secondario. Come si nota, l'ampiezza del ripple diminuisce al crescere del valore della capacità.

ESERCIZIO DA PROPORRE AGLI STUDENTI

Simulare il funzionamento dell'alimantatore riportato in figura 1 e confrontare i grafici della simulazione con quelli ottenuti dall'analisi matematica.

* LEZIONI AUDIO

Si offre agli studenti la possibilità di ascoltare delle lezioni di Elettronica, consultando il seguente sito:

http://www.professore.mypodcast.com/ ( è in fase di costruzione )

* RADDRIZZATORE A DOPPIA SEMIONDA

RADDRIZZATORE A DOPPIA SEMIONDA

Lo studio matematico del raddrizzatore a doppia semionda richiede l’analisi di ben quattro circuiti equivalenti, me per semplicità descriviamo il suo funzionamento in forma qualitativa. Lo schema elettrico è riportato in figura 8.

Figura 8. raddrizzatore a doppia semionda


Si supponga di applicare all’ingresso del circuito una tensione sinusoidale di ampiezza Vinp. Si analizzi il circuito considerando il modello di diodo ideale. Per tensione Vinp positiva, i diodi D2 e D4 risultano polarizzati direttamente, mentre D1 e D3 sono interdetti. Il funzionamento del circuito è descritto dal circuito equivalente di figura 9.

Figura 9. Circuito equivalente con D2 e D4 in conduzione



La tensione Vout assume l’andamento temporale di figura 10.
Figura 10. Andamento della tensione in uscita quando D2 e D4 conducono

Per tensione Vinp negativa, D2 e D4 risultano polarizzati inversamente, mentre D1 e D3 conducono. In figura 11 è riportato il relativo circuito equivalente.



Figura 11. Circuito equivalente co D1 e D3 in conduzione


Come si può notare, il valore e il verso della corrente che attraversa il carico rimangono i medesimi in entrambi i casi di funzionamento ( Vinp positiva e Vinp negativa ). In definitiva, l’andamento di Vout è quello di figura 12.

Figura 12. Andamento complessivo della tensione di uscita

* SCHEDA INTEGRATIVA ( APPRENDIMENTO SIGNIFICATIVO )

Si definisce processo di assimilazione, l’integrazione delle nuove conoscenze con quelle già presenti nella struttura cognitiva. Questa fase evolutiva dell’apprendimento può risultare particolarmente difficoltosa se l’allievo non ha compreso fino in fondo quelle che sono le pre – conoscenze attinenti con i nuovi concetti da assimilare. Un’altra fase di apprendimento è la differenziazione progressiva, ovvero il processo di perfezionamento dei concetti appartenenti alla struttura cognitiva: si parte dall’assimilazione di concetti del tutto generali per poi arrivare alla comprensione di concetti più specifici ( fase di approfondimento ). Si definisce riconciliazione integrativa quel processo mentale attraverso il quale concetti e conoscenze, apparentemente non collegabili fra di loro, entrano in relazione e si integrano costruttivamente. Queste fasi di apprendimento non si verificano spontaneamente, bensì richiedono, da parte dello studente, molto impegno e piena consapevolezza nel collegare nuove informazioni con quelle già acquisite in modo significativo. Per facilitare il processo di apprendimento, il docente deve ricorrere a strategie didattiche. Novak e Gowin hanno ideato un nuovo modo di fare didattica, introducendo le mappe concettuali ( strumento didattico sviluppato a partire dalla teoria dell’apprendimento significativo di Ausubel ). “Una mappa concettuale è la rappresentazione grafica di concetti espressi in forma sintetica all’interno di una forma geometrica ( nodo ) e collegati fra loro da linee o frecce che esplicitano la relazione attraverso parole – legamento” ( Gineprini & Guastavigna, Mappe per capire, capire per mappe, pp. 8 ). Secondo i due studiosi, le mappe concettuali tendono a far emergere gli aspetti più significativi nelle materie da studiare e costringono gli studenti a non apprendere in modo meccanico. Le mappe si possono utilizzare per esporre argomenti disciplinari, permettendo di migliorare la qualità dell’apprendimento. Le mappe verranno utilizzate a lezione per riassumere alcuni concetti fondamentali. Gli elementi che costituiscono una mappa concettuale sono:

a) i concetti;
b) le relazioni.

“ Si definisce concetto una regolarità percepita in eventi e oggetti ed esplicitata convenzionalmente attraverso un’etichetta. Si definiscono relazioni i rapporti esistenti fra i nodi della mappa ” ( Gineprini & Guastavigna, Mappe per capire, capire per mappe, pp. 9 ). Per approfondire l’uso didattico delle mappe, si consiglia agli studenti la consultazione dei seguenti libri di testo: Ausubel D. ( 1995 ), educazione e processi cognitivi, Franco Angeli, Milano.
Emiliani A. ( 1997 ), Mappe concettuali, uno strumento per la promozione dell’apprendimento significativo.
Si possono realizzare mappe concettuali mediante appositi software, alcuni dei quali sono scaricabili dai seguenti siti:
http://www.parlog.com/conception.html;
http://www.thebrain.com/
http://www.scatolepensanti.it/

DIECI REGOLE PER COSTRUIRE UNA MAPPA CONCETTUALE

* Identificare una domanda principale che metta in risalto l’ambito conoscitivo che si desidera mappare;
* Ordinare i concetti, collocando quello più chiaro in cima alla mappa: si faccia riferimento alla domanda focale per decidere quale debba essere l’ordine dei concetti;
* Rivedere la lista e, se si ritiene opportuno, aggiungere altri concetti;
* Iniziare a costruire la mappa ponendo in cima il / i concetto più generale;
* Selezionare due, tre, quattro concetti da collocare sotto ogni concetto generale;
* Collegare i concetti con delle linee. Contrassegnare le linee con parole di collegamento che definiscano le relazioni tra concetti, affinché il tutto possa essere letto come una affermazione coerente;
* MRielaborare la struttura della mappa aggiungendo nuovi concetti assimilati;
* Individuare dei legami incrociati tra i concetti delle diverse sezioni della mappa e tracciare delle linee di collegamento;
* Applicare alle etichette concettuali esempi concreti di concetti ( ad esempio, lo zener è un esempio di diodo a semiconduttore );
* Non esiste un unico modo di disegnare una mappa concettuale.

* ANALISI MATEMATICA DEL RADDRIZZATORE A MEZZ'ONDA

RADDRIZZATORE AD UNA SEMIONDA

Prima di analizzare i circuiti con diodi, è opportuno introdurre il concetto di caratteristica di trasferimento. Il legame che si instaura tra i valori assunti dal segnale d’ingresso e quelli del segnale di uscita di un circuito, prende il nome di caratteristica di trasferimento.
Ricorrendo al modello ideale di diodo, analizziamo il raddrizzatore ad una semionda ( vedi fig. 1 ).

Figura 1. Raddrizzatore ad una semionda

Per tensione d’ingresso positive, il diodo conduce. La relativa intensità di corrente e la tensione in uscita sono rispettivamente:

Per tensioni d’ingresso negative, il diodo non conduce, la corrente nel circuito e la tensione di uscita sono nulli. Riassumendo, possiamo scrivere:

La figura 2 riporta la caratteristica di trasferimento del circuito in esame.

Figura 2. Caratteristica di trasferimento del raddrizzatore ad una semionda

Supponiamo di applicare all’ingresso del raddrizzatore un segnale sinusoidale. In base alla caratteristica di trasferimento, il segnale in uscita assume gli andamenti riportati in figura 3, ipotizzando di applicare quattro segnali differenti d'ingresso.

Figura 3. Andamento temporale dei segnali di uscita

Notiamo che il circuito elimina le semionde negative del segnale d’ingresso. Ora analizziamo il circuito con il modello lineare a tratti con tensione di soglia . Le ipotesi da cui si parte sono le stesse, mentre i circuiti equivalenti da analizzare sono riportati in figura 4.

Figura 4. Circuiti equivalenti per l'analisi del circuito di partenza

Per tensioni d'ingresso superiori alla tensione di soglia, il diodo conduce e l’intensità di corrente nel circuito risulta:

La tensione in uscita è:

Per tensioni d'ingresso inferiori alla tensione di soglia, il diodo non conduce ( circuito aperto tra anodo e catodo ), per cui si ha:

La relativa funzione di trasferimento è riportata in figura 5.

Figura 5. Caratteristica di trasferimento del circuito

In base alla caratteristica di trasferimento di figura 5, il segnale in uscita risulta attenuato rispetto a quello di ingresso, in quanto ai capi del diodo in conduzione vi è una caduta di tensione di circa 0.7V.

ESERCIZIO

Si propone agli studenti di analizzare lo stesso circuito mediante il modello lineare a tratti con tensione di soglia e resistenza diretta del diodo. Si ricordi che il diodo deve essere sostituito con un generatore di tensione, di valore pari a quello della tensione di soglia, con in serie un resistore di valore pari a quello della resistenza diretta del diodo, quando si considera il caso in cui il diodo conduce. Gli obiettivi che bisogna raggiungere sono:

. espressione matematica della tensione in uscita al circuito;
. rappresentazione grafica della caratteristica di trasferimento;
. andamento temporale della tensione di uscita nell’ipotesi che la tensione di ingresso sia sinusoidale.

* SIMULAZIONE DEL RADDRIZZATORE A MEZZ'ONDA

SIMULAZIONE DI UN RADDRIZZATORE AD UNA SEMIONDA

La procedura riguarda la versione 6.1 di Pspice.
Supponendo di aver avviato il programma attraverso la procedura descritta precedentemente, seguire la seguente procedura:

. Aprire la libreria;
. Selezionare il diodo D1N4148;
. Cliccare su OK;
. Collocare il componente in un punto dell’area di lavoro;
. Tornare sulla lista dei componenti e selezionare il resistore R;
. Cliccare su OK ;
. Collegare il resistore in serie al diodo;
. Inserire un valore di resistenza pari a 100K , ciccando due volte sul valore e sostituirlo quando compare la finestra Set Attribute Value;
. Premere OK;
. Applicare all’ingresso del circuito un segnale variabile, per esempio sinusoidale, andando sul menù Draw e selezionando Get New Part, per poi selezionare Browse;
. Aperta la finestra Library, cliccare su source.slb.;
. Nella finestra Part, selezionare il generatore VSIN e cliccare OK;
. Collegare il generatore tra anodo del diodo e il punto di massa GND­ ANALOG, che ­deve essere sempre presente;
. Posizionare la freccia del mouse sul simbolo del generatore e cliccare due volte: compare una finestra contenente l’elenco dei parametri del segnale;
. Cliccare su DC e inserire il valore 0 nel campo Value;
. Premere il tasto Enter;
. Ripetere la procedura per AC=0;VOFF=0; VAMPL=5 ( ampiezza del segnale ); FREQ=1K ( frequenza del segnale );
. Salvare il progetto selezionando Save as nel menù File;
. Entrare nella directory exsamples e in example;
. Nel campo nome File, inserire HW- RECT. SCH e cliccare su OK;
. In seguito basterà selezionare Save dal menù File;
. Entrare nel menù Analisys e selezionare Probe Setup;
. Cliccare su OK;
. Nel menù Analisys, selezionare Setup e inserire l’opzione Bias Point Detail e transient;
. Cliccare su Transient e impostare su Print Stap di 10nsec ed un Final Time di 2nsec;
. Premere OK e cliccare su Close;
. Avviare la simulazione ciccando su Simulate nel menù Analisys;
. Lo schermo diventerà di colore nero per la visualizzazione dei risultati;
. Una volta terminata la simulazione, nel menù Trace selezionare Add: compare l’elenco dei nodi del circuito. Si possono scegliere i nodi, selezionandoli con il puntatore del mouse, in cui poter inserire i puntali dell’oscilloscopio virtuale. In quanto a questa ultima procedura, si rimanda alle prossime lezioni in classe.

ESERCIZIO DA PROPORRE AGLI STUDENTI
Simulare un raddrizzatore ad una semionda con un condensatore collegato parallelamente al carico.