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Raddrizzatore a ponte di Graetz - RELAZIONE DI LABORATORIO DI T.D.P

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Raddrizzatore a ponte di Graetz - RELAZIONE DI LABORATORIO DI T.D.P

RELAZIONE DI LABORATORIO DI T.D.P

 

Gruppo Meneghello Jacopo - Valmorbida Davide - Berti Nicolò                classe 4b I.T.I.S.

TITOLO: Raddrizzatore a ponte di Graetz

OBIETTIVI: Realizzare un circuito raddrizzatore su breadboard facendo uso

                   di un ponte di graetz. Effettuare successivamente, con l'utilizzo di

                   un oscilloscopio analogico, la rilevazione della forma d'onda

                   calcolando il fattore di ripple.

CIRCUITO DI MISURA:


GRAFICO DELLE FORME D'ONDA RELATIVE:


COMPONENTI UTILIZZATI E SPECIFICHE:

RESISTORI AD OSSIDO DI METALLO:

R1=150 Ω

R2=1KΩ

Potenza nominale: 1W;

Tolleranza: ±2%

CONDENSATORI ELETTROLITICI RADIALI:

C1=100μF 63V

C2=10μF 63V

Tolleranza: ±20%

Temperatura di utilizzo: -40 a 85°C

DIODI RADDRIZZATORI AL SILICIO

D1:1N4007

Corrente nominale (If) = 1A;

Tensione inversa (Vr) = 1000V;

Tensione inversa di picco (Vrm) = 1200V;

Tempo di ripristino (trr) = 30μs

STRUMENTAZIONE UTILIZZATA:

- 1 oscilloscopio analogico;

- 1 cavo BNC-coccodrilli;

- 1 breadboard;

- 1 trasformatore (tensione alternata 9V).

Specifiche dell'oscilloscopio:

Specifiche tecniche dello strumento6

Deflessione Verticale:

  • Modi di operazione: CH1 o CH2 separati, entrambi i canali (alternate o chopper) (frequenza di chopper approssimativa 500KHz).
  • Somma o differenza: di CH1 e CH2 con possibilità d'inversione di entrambi.
  • Modo X/Y: via CH1 e CH2
  • Banda passante in analogico: da DC a 35MHz (-3dB), Tempo di salita: <10ns, Overshoot:<1%.
  • Coefficiente di deflessione verticale: in 12 passi calibrati da 5mV/div a 20V/div in sequenza 1-2-5. Variazione fine con rapporto di 2,5:1 fino a 50V/div.
  • Precisione in posizione calibrata: ±3%.
  • Espansione x 5 Y in posizione calibrata: 1 mV/div. ±5% con larghezza di banda da DC a 10MHz (-3dB).
  • Impedenza di ingresso: 1MOhm su 20pF.
  • Accoppiamento d'ingresso: AC-DC-GD.
  • Tensione in ingresso: max 400V (DC+ACp).

Sistemi di trigger:

  • In automatico: da <20Hz a 100MHz.
  • In normale: da DC a 100MHz.
  • Fronte: positivo e negativo.
  • ALT-Triggering: Indicatore a led del punto di trigger.
  • Sorgenti di trigger: CH1, CH2, Linea, Esterno.
  • Accoppiamento: AC da 10Hz a 100MHz, DC da 0 a 100MHz, LF da 0 a 1.5KHz.
  • Separatore attivo SYNC.TV: positivo e negativo.
  • Esterno: >0.3Vpp da 0 a 35MHz.

Deflessione Orizzontale:

  • Base dei tempi: da 0.1 uS a 0.2S per div. in 20 passi calibrati ±3%. Variabile con rapporto di 2,5:1 fino a 0.5S/div.
  • X-MAG. x10: 10nS/div ±5%.
  • Tempo di Holdoff: variazione approssimativa 10:1.
  • Larghezza di banda dell'amplificatore X: da 0 a 3 MHz(-3dB). L'ingresso per l'amplificatore X e' via CH2.
  • Differenza di fase in X/Y: <3° sotto i 220KHz.

Generali:

  • CRT con schermo rettangolare 8 x 10 con griglia interna.
  • Tensione di accelerazione del CRT: 2000V.
  • Rotazione della traccia: regolabile dal pannello frontale.
  • Tensione di alimentazione: 100/240V ±10%, 50÷60Hz.
  • Potenza dissipata: circa 36W.
  • Temperatura ambiente di operatività: 0 ÷ +40°C.
  • Sistema di protezione: Safety Class I (IEC1010-1).
  • Peso: circa 6Kg.

Dimensioni: 285mm(W) x 125mm(H) x 380mm (D).

SINTESI OPERATIVA:

Il trasformatore è un dispositivo che abbassa la tensione prelevando quella fornita dalla rete (220 - 230 V) e fornendo in uscita  una tensione alternata avente la stessa frequenza di quella della linea (in genere 50 Hz) che dipende dalle caratteristiche costruttive del trasformatore. Nel nostro caso abbiamo utilizzato un trasformatore che ha in uscita una tensione alternata di  valore efficace 9V.

Il ponte di graetz è un circuito che ha il compito di raddrizzare il segnale sinusoidale posto al suo ingresso. Esso è disponibile in commercio sottoforma di un unico componente avente quattro piedini; su i due piedini sottostanti al simbolo di corrente alternata va posto il segnale di ingresso, mentre dai due piedini sottostanti ai simboli + e - si preleva il segnale raddrizzato.

Tuttavia il principio di funzionamento del ponte di graetz è un particolare collegamento di quattro diodi disposti a rombo, in modo che al passaggio di ogni semionda positiva o negativa due diodi sono polarizzati direttamente. In questo modo uno di essi costituisce il raddrizzatore e l'altro permette di chiudere il circuito sul negativo del trasformatore.

All'uscita del ponte di graetz si ha quindi un segnale pulsante, ma lo scopo della nostra esperienza è ottenere un segnale continuo. E' necessario aggiungere un'altra parte di circuito.

All'uscita del ponte di graetz vengono posti un condensatore ed una resistenza collegati in parallelo. Il condensatore contribuisce a raddrizzare il segnale  in quanto durante la prima semionda si carica e all'inizio della seconda semionda tende a scaricarsi. Tuttavia all'aumentare della capacità del condensatore esso si scarica più lentamente e quindi il fattore di ripple diminuisce. La resistenza è da considerarsi il carico.

Il condensatore tuttavia non può fornire un segnale costante continuo a causa di un piccolo fattore di ripple che rimane comunque.

Il fattore di ripple:

Per valutare l'ondulazione presente in un segnale unipolare si introduce un fattore indicato come fattore di ondulazione o ripple. Esso è definito come il rapporto percentuale fra il valore efficace della tensione di ondulazione e il valore medio del segnale. Si ricava che il ripple presente nel segnale d'uscita di un raddrizzatore ad una semionda è pari al 121%, mentre per il raddrizzatore a doppia semionda il ripple scende al 48%. Inserendo un filtro capacitivo a valle di un raddrizzatore a doppia semionda si ottiene un segnale di uscita sostanzialmente livellato con valore medio Vodc  e un' ondulazione Vo molto ridotta; questa dipende ovviamente dalla frequenza fR del segnale ondulato (fR= 2f ovvero il doppio della frequenza della tensione sinusoidale di ingresso), dalla capacità e dalla resistenza di carico. Si calcola in questo caso che il fattore di ripple è espresso con buona approssimazione dalla relazione:

r = 1/43fCRL= Vo/23 Vodc  

Nel corso dell'esperienza abbiamo effettuato quattro prove con tutte le possibili combinazioni tra valori di condensatori e resistenze, al fine di renderci conto di quale sarebbe stato il caso in cui il fattore di ripple sarebbe stato più basso, prendendo come frequenza 50Hz:

- 1° caso: C=10μF e RL= 1 KΩ

r = 1/43fCRL = 1/43*10μF*1 KΩ= 14

- 2° caso: C=10μF e RL= 100Ω

r = 1/43fCRL = 1/43*10μF*100Ω= 144

- 3° caso: C=100μF e RL= 1 KΩ

r = 1/43fCRL = 1/43*100μF*1 KΩ= 1.44

- 4° caso: C=100μF e RL= 100Ω

r = 1/43fCRL = 1/43*100μF*100Ω= 14

Come si può osservare dai calcoli fatti in precedenza, il fattore di ripple aumenta al diminuire del valore assegnato alla resistenza e al condensatore. Di conseguenza, è facilmente comprensibile come il circuito raddrizzi in maniera tanto più completa ed efficiente la corrente, quanto più il valore del fattore di ripple è piccolo. E alla fine è stato proprio il circuito con il fattore di ripple più piccolo quello preso in considerazione e su cui si è basata l'intera esperienza.

VERIFICA DEGLI OBIETTIVI:

Il diodo:   

                                                                                                      

Simbolo.diodo.pngIl diodo è un dispositivo elettronico resistivo non lineare a due terminali, la cui funzione ideale è quella di permettere il flusso di corrente elettrica in una direzione e di bloccarla nell'altra, la qual cosa viene realizzata ponendo dei vincoli alla libertà di movimento e di direzione dei portatori di carica.

Il simbolo circuitale del diodo esprime chiaramente questa funzione: il triangolo indica la direzione che permette il flusso di corrente elettrica considerato convenzionalmente positivo (dal polo negativo a quello positivo), mentre la sbarra ne indica il blocco.

Diodo Ideale

La caratteristica tensione-corrente di un diodo ideale potrebbe essere approssimata con quella di un dispositivo resistivo lineare a tratti, operante in due regioni distinte e separate. In una di queste regioni, al di sotto di una data differenza di potenziale tra i due terminali, il diodo ideale può essere pensato come una sorta di circuito aperto, o meglio ancora come un resistore dotato di resistenza infinita, mentre al di sopra di questa il diodo ideale inizierà a permettere il flusso della corrente elettrica, e potrà essere considerato come una sorta di cortocircuito, quindi come un resistore dotato di resistenza nulla.

Caratteristica.diodo.ideale.png

La figura precedente mostra a confronto le caratteristiche di un diodo ideale ipoteticamente realizzato tramite un dispositivo a semiconduttore, chiamato diodo a giunzione, a sinistra ed una sua approssimazione lineare a tratti a destra.
Quando la differenza di potenziale ai capi del diodo ideale è maggiore di 0 (cioé quando l'intensità di corrente fluisce nel verso convenzionalmente positivo, dal polo negativo a quello positivo), questo è detto essere polarizzato in diretta, mentre quando la differenza di potenziale è minore di 0, questo è detto essere polarizzato in inversa.

Diodo reale e la giunzione PN:

Una giunzione "p-n" è costituita da un semiconduttore contenente una regione con impurità di tipo "p" ed una regione con impurità di tipo "n" adiacenti l'una all'altra. In queste condizioni il semiconduttore presenta l'insolita proprietà di avere una resistenza elettrica centinaia di volte più grande in un verso che nell'altro. Un dispositivo di questo genere è detto diodo a cristallo ed ha caratteristiche elettriche simili a quelle di un diodo a vuoto; vale a dire, se si applica una differenza di potenziale positiva alla parte "p" di una giunzione "p-n", passerà una corrente molto intensa, mentre se si applica una differenza di potenziale negativa, si avrà una corrente molto debole. Come nel caso dei diodi, una giunzione "p-n" presenta una resistenza bassa se la differenza di potenziale viene applicata in un verso, una resistenza alta se la differenza di potenziale viene applicata nell'altro verso. Questo effetto può essere compreso riferendosi alla figura.Un diodo raddrizza la corrente alternata (CA) in continua corrente (CC).Un diodo è costituito da due parti differenti. Una parte è detta di tipo-p e l'altra parte è detta di tipo-n. L'insieme, è detto giunzione p- n. La parte di tipo-p è silicio drogato con boro, mentre quella di tipo-n è silicio con una piccolissima quantità di fosforo.

Tipo-p: E' composto da silicio che ha 4 elettroni di valenza drogato con boro, che ha 3 elettroni di valenza. Messi insieme, i loro elettroni di valenza totali sono 7. La regola dell'ottetto non è soddisfatta e perciò tendono ad accettare un altro elettrone in più. Si dice che in quel cristallo ci sono lacune.

Tipo-n: E' silicio drogato con fosforo, che ha 5 elettroni di valenza. I loro elettroni di valenza sono 9 in totale. La regola dell'ottetto è violata. Hanno la tendenza a perdere tale elettrone in più. Si può dire che ci sono elettroni in eccesso.

A


Ci sono lacune nella parte di tipo-n della giunzione p-n ed elettroni in più dalla parte di tipo-p della giunzione p-n. Quando la parte di tipo-p è connessa alla parte positiva della batteria, essa attrae gli elettroni. Perciò, gli elettroni nella parte di tipo-n iniziano a muoversi verso l'altra parte di tipo-p. 

A causa di questa perdita di elettroni di valenza dal guscio esterno, è più facile spingere degli altri dall'altra parte del diodo. Ma gli elettroni dalla parte di tipo-p si muovono alla parte positiva della batteria perché la parte positiva della batteria attira gli elettroni. Perciò il diodo diventa un conduttore.

B

Se non c'è tensione nel circuito, gli elettroni non si muovono. Quando la parte di tipo-n è connessa al morsetto positivo della batteria e prende degli elettroni da esso, gli elettroni dal morsetto negativo della batteria riempiono delle buche nella parte di tipo-p del diodo. Se la batteria prende quattro elettroni dalla parte di tipo-n, ci saranno  quattro elettroni che riempiono buche nella parte di tipo-p. 

Quando avviene questo, non ci sono più elettroni disponibili nella parte di tipo-n, così la batteria non può prendere elettroni dalla parte di tipo-n del diodo ed esso diventa un isolante. Se invece colleghiamo il diodo in modo diretto, (vedi lo schema A in alto), vi sarà un flusso di cariche perché gli elettroni entrano nel cristallo di tipo-n ed escono dalla parte di tipo-p. Il diodo fa passare gli elettroni solo in un verso perciò se lo inseriamo in un circuito a corrente alternata la corrente che passerà sarà una corrente continua. Siccome la parte di tipo-p ha molte lacune e la parte di tipo-n ha molti elettroni, esso può far passare una forte corrente.

Comportamento della tensione e della corrente nel diodo.

Il diodo Zener:

Nella parte riguardante "Il diodo come raddrizzatore" si parlerà del comportamento del diodo polarizzato inversamente; si vedrà che, applicando al catodo una tensione positiva rispetto all'anodo, scorre soltanto una debolissima corrente, detta "corrente di drift", fino a quando la tensione applicata non raggiunge un valore tale da innescare "l'effetto valanga". Funzionando in tali condizioni, un diodo normale arriva presto alla distruzione per surriscaldamento. E' tuttavia possibile, drogando fortemente il semiconduttore, ottenere un effetto simile all'effetto valanga, ma diverso per due aspetti fondamentali: 1- il fenomeno può ripetersi indefinitamente senza che il diodo si distrugga 2- il fenomeno si produce anche a tensioni basse, dell'ordine di qualche volt Tale fenomeno, per cui, a tensione praticamente costante, si verifica un brusco aumento della corrente inversa, viene denominato "effetto Zener"; poichè il processo dipende dall'intensità del campo elettrico applicato, è possibile, modificando lo spessore dello strato a cui viene applicata la tensione, ottenere diodi zener che manifestano l'effetto valanga a tensioni diverse, in un campo che va da circa 4 volt a diverse centinaia di volt. Grazie alle sue caratteristiche, il diodo zener viene ampiamente sfruttato per realizzare circuiti distabilizzazione della tensione.


Figura

Osserviamo come prima particolarità che, nell'uso normale, mentre un diodo raddrizzatore viene attraversato dalla corrente nel senso anodo-catodo, un diodo zener viene inserito in circuito col catodo rivolto verso il positivo, così da essere attraversato da una corrente inversa nel senso catodo-anodo.
In figura è mostrata l'applicazione di entrambi i diodi: - Dr è un diodo raddrizzatore, che permette il passaggio della corrente diretta Idir, solo quando la tensione presente sul suo anodo è positiva; vengono così eliminate tutte le semionde negative contenute nella tensione alternata che arriva dal trasformatore - Dz è un diodo zener, che ha lo scopo di stabilizzare la tensione Vcc; quando la tensione in arrivo tende a salire, la corrente che passa nel diodo zener aumenta in proporzione: poichè la stessa corrente passa anche nella resistenza Rz, ai capi di quest'ultima si determina una maggiore caduta di tensione, che compensa così l'aumento della tensione in ingresso.


Figura

In figura  viene evidenziato il funzionamento caratteristico del diodo zener: quando è sottoposto a tensione diretta, il suo funzionamento non si discosta da quello del diodo raddrizzatore; nel funzionamento con tensione inversa vediamo, invece, che l'effetto valanga si manifesta ad una tensione VZ molto bassa (nel caso specifico a 5,1 V). Questa tensione viene definita "tensione di zener" ed è caratteristica per quel tipo di diodo.

Il circuito di figura 1 costituisce il più semplice degli alimentatori stabilizzati; il suo impiego è limitato a carichi dall'assorbimento modesto, fino a qualche decina di mA. Il valore della resistenza Rz può essere determinato approssimativamente con la formula: (Vi-Vz):(Ic+Iz) dove Vi è la tensione d'ingresso, Vz è la tensione del diodo zener (e quindi la tensione di uscita), Ic è la massima corrente che si richiede inuscita. Iz è la corrente minima che deve passare nel diodo zener perchè questo possa svolgere la sua azione stabilizzatrice: il suo valore cambia da un tipo di diodo all'altro, ma si aggira intorno ai 5÷10 mA. Un diodo zener è quindi caratterizzato in primo luogo dalla tensione a cui si verifica l'effetto valanga (tensione di zener); importante è poi la massima potenza che il diodo può dissipare senza distruggersi: i diodi di uso più comune sono adatti a potenze comprese fra 0,35 e 1 o 2 W.

Il diodo come raddrizzatore:

Un componente elettronico dal comportamento molto particolare è il diodo. Abbiamo visto che applicando una certa tensione ad una resistenza, la corrente che la attraversa corrisponde al rapporto fra la tensione applicata ed il valore della resistenza stessa; questa legge non vale per il diodo.


Figura 1

Dal punto di vista fisico-strutturale, il diodo (figura 1, in alto) è costituito da una giunzione "p-n", ovvero da un semiconduttore contenente, adiacenti l'una all'altra, due regioni, drogate una con impurità di tipo "p" ed una con impurità di tipo "n". La regione P, essendo drogata con atomi in difetto di elettroni, tende a catturare elettroni: come si dice, presenta delle buche o lacune. La regione N, essendo drogata con atomi in eccesso di elettroni, tende a perdere gli elettroni in eccesso. Quando la giunzione PN è polarizzata inversamente (figura 1, al centro), ovvero al lato P risulta applicata una tensione negativa ed al lato N una positiva, sia le lacune della zona P che gli elettroni liberi della zona N vengono attirati dal campo elettrico applicato, per cui la zona centrale si svuota; in tale zona, che viene detta "zona di deplezione", si crea una barriera di potenziale che impedisce il passaggio della corrente; circola soltanto una debolissima corrente dovuta a cariche minoritarie, detta "corrente di drift. Tale corrente è dell'ordine di qualche µA per i diodi al germanio, e di qualche nA per i diodi al silicio. Quando la giunzione PN è polarizzata direttamente (figura 1, in basso), le lacune della zona P vengono sospinte verso la zona centrale della giunzione dalla polarità positiva applicata; analogamente, gli elettroni liberi della zona N vengono sospinti verso la zona centrale della giunzione dalla polarità negativa; se la tensione è sufficiente a vincere la barriera di potenziale esistente, le buche e gli elettroni si combinano fra loro, dando origine ad una corrente, detta corrente di diffusione, che può anche diventare molto intensa. La tensione necessaria per innescare il flusso di tale corrente è di 0,2 - 0,3 V nel caso di giunzioni al Germanio e di 0,5 V nel caso di giunzioni al Silicio.


Figura 2

Il diodo realizzato con una giunzione PN come appena descritto, viene rappresentato col simbolo che si vede in figura 2 al centro: il lato corrispondente alla zona P viene chiamato "anodo"; il lato corrispondente alla zona N viene chiamato "catodo". Sotto al simbolo è riportata l'immagine di un diodo reale: la fascia argentea indica il catodo; nell'uso normale del diodo, la corrente nel diodo fluisce dall'anodo verso il catodo
Nel suo impiego pratico, il comportamento del diodo è rappresentato nel grafico della figura 3.


Figura 3

La tensione applicata al diodo si legge sull'asse X (quello orizzonate), mentre sull'asse Y (quello verticale) si legge la corrente che lo attraversa. Con polarizzazione diretta, ovvero quando all'anodo è applicata una tensione positiva rispetto al catodo, si osserva che non passa corrente fino al valore di tensione VT, detto valore di soglia; se la tensione applicata al diodo viene aumentata oltre tale valore, si verifica il passaggio di una corrente tanto più alta quanto maggiore è la tensione applicata. Se il diodo viene polarizzato inversamente, e cioè si applica all'anodo una tensione negativa rispetto al catodo, in pratica non passa corrente, se si esclude una debolissima corrente detta di "drift"; se però si supera un determinato valore di tensione, detto valore di "breakdown", la resistenza del diodo cede improvvisamente, ed ha luogo una conduzione senza limiti, detto "effetto valanga". Poichè normalmente un diodo non viene costruito per funzionare nella regione di break-down, occorre evitare che questo accada, pena la distruzione irreversibile del diodo, dovuta al brusco aumento della potenza dissipata.

Grazie alle caratteristiche fin qui descritte, il diodo risulta utilissimo nel funzionamento come "raddrizzatore"; inserendo per esempio un diodo in un circuito percorso da corrente alternata sinusoidale, si verifica che la corrente passa nel circuito solo quando ha la giusta polarità, mentre viene bloccata ogni volta che la polarità si inverte. In pratica, tutte le semionde negative della corrente alternata vengono eliminate, per cui, a valle del diodo, si ottiene una tensione costituita dalle sole semionde positive (tale tensione viene detta "pulsante"). Il passaggio dalla corrente alternata alla corrente continua viene descritto in modo dettagliato in altre pagine di questo sito.  I diodi raddrizzatori vengono prodotti per una vasta gamma di applicazioni; variando le tecniche di costruzione, la percentuale di drogaggio del chip e le sue dimensioni, si possono ottenere diodi in grado di sopportare una corrente massima che varia da 1 A a decine e centinaia di ampere, adatti a tensioni di lavoro da qualche decina a varie centinaia di volt. Le principali grandezze ch ecaratterizzano un diodo sono: - Maximum reverse voltage: la massima tensione inversa che il diodo può sopportare, senza che si verifichi l'effetto valanga
- Rated forward current: la massima corrente (valore medio) che può attraversare il diodo senza distruggerlo; dipende dalla grandezza del chip, e dalla sua capacità di trasmettere all'esterno il calore prodotto - Maximum forward voltage drop: è la massima caduta di tensione ai capi del diodo e dipende dalla corrente che lo attraversa (in senso diretto) - Maximum leakage current: è la corrente di dispersione che fluisce nel diodo quando viene collegato (polarizzato) in senso inverso (purchè la tensione applicata non sia abbastanza elevata da causare l'effetto valanga) - Maximum reverse recovery time: è il tempo che occorre al diodo per passare dallo stato oN allo stato OFF, e cioè dalla conduzione alla non conduzione; è in pratica la "switching speed", cioè la velocità di commutazione, e dipende dalle dimensioni e dalle caratteristiche del chip.


Figura 4

La tensione che cade ai capi del diodo quando questo conduce in senso diretto (maximum forward voltage drop), dipende dal valore della corrente che fluisce nel diodo: come si vede nel grafico a lato, tale caduta di tensione vale circa 0,6V nel momento in cui il diodo comincia a condurre (I=0,01A) e diventa, per esempio, di 0,9V quando la corrente che passa nel diodo è I=0,75A

L'oscilloscopio:

L'Oscilloscopio e' lo strumento piu' noto e importante nell'uso quotidiano all'interno di un laboratorio. Esso ha ottenuto un cosi' notevole successo nel passato poiche' permette di visualizzare  come sono fatte realmente le forme d'onda. Praticamente e' un dispositivo che visualizza una qualunque funzione tra due variabili, purche' riconducibili a tensioni elettriche.

Nell'uso piu' comune l'Oscilloscopio effettua la presentazione sullo schermo dell'andamento nel tempo (asse X orizzontale) di una tensione elettrica (asse Y verticale).

L'elemento essenziale dell'Oscilloscopio e' il tubo a raggi catodici (CRT), nel quale un fascio di elettroni emessi dal catodo, viene focalizzato e accellerato colpendo internamente lo schermo fluorescente del tubo. Il fosforo che riveste la parete interna del tubo produce un punto luminoso visibile. Il fascetto di elettroni viene deflesso sia in orizzontale che in verticale da una coppia di placche di deflessione , poste all'interno del collo del tubo e comandate da tensioni elettriche applicate ai loro capi.

Lo spostamento in senso orizzontale della traccia dello schermo e' prodotta da una tensione periodica a dente di sega, mentre il segnale all'ingresso Y genera il movimento in senso verticale in proporzione all'ampiezza della tensione applicata.

In questa maniera, sincronizzando opportunamente l'oscillatore locale  al segnale d'ingresso (purche' periodico), a causa della persistenza della luce sulla retina dell'occhio, e' possibile vedere la rappresentazione della tensione elettrica nel dominio del tempo.

L'oscilloscopio consente di visualizzare sullo schermo  di un tubo a raggi catodici la forma d'onda di un segnale in tensione prelevato mediante una sonda.

La parte principale di un oscilloscopio è il tubo a raggi catodici:

Il CRT è costituito da un tubo di vetro la cui forma assomiglia vagamente ad un imbuto; all'interno del quale viene realizzato il vuoto spinto. Al suo interno, dalla parte più stretta, viene generato un fascio sottilissimo di elettroni che poi viene convogliato nella parte più larga, che prende il nome di schermo. Gli elettroni necessari a formare il fascio vengono prodotti per termoionico da un cilindretto metallico denominato catodo.

Il riscaldamento del catodo viene ottenuto per mezzo di un filamento di tungsteno percorso da corrente. Gli elettroni che abbandono il catodo vengono attirati e successivamente convogliati ed accelerati da opportuni dispositivi, denominati anodi, fino a formare un fascio molto stretto, all'interno del quale gli elettroni si muovono a forte velocità verso lo schermo.

Lo schermo è una superficie quasi piana sulla quale è stato depositato uno strato sottilissimo di materiale fluorescente; per cui quando esso viene colpito dagli elettroni del fascio si illumina evidenziando, come risultato, un punto luminoso.

Normalmente il fascio elettronico colpisce il centro dello schermo; tuttavia è possibile deviarlo in senso verticale oppure in senso orizzontale mediante una coppia di superfici metalliche denominate placche di deflessione orizzontale e placche di deflessione verticale.

La deflessione verticale si ottiene applicando alle placche una differenza di potenziale che genera nello spazio interposto un campo elettrico E.

Quando gli elettroni passano per le due placche subiscono una spinta in direzione perpendicolare al loro movimento per cui la loro traiettoria subisce una deviazione. In questo modo il fascio di elettroni colpisce lo schermo in punto spostato rispetto al centro.

Comandi dell'oscilloscopio:

La figura sottostante mostra un tipico pannello frontale di un Oscilloscopio
 
 




L'esemplare in questione e' un DOPPIA TRACCIA, comunque la maggior parte delle informazioni sono applicabili anche ad un singola traccia.

I controlli di base sono:   

  • BRIGHT (LUMINOSITA') Regola la luminosita' delle tracce.
  • FOCUS (FUOCO ) Mette a fuoco le tracce sul display.
  • GRAT (GRIGLIA) Illumina la griglia del display.
  • TRACE (TRACCIA) Seleziona la traccia da visualizzare.
  • TRIGGER LEVEL (LIVELLO DI TRIGGER) Seleziona il livello del trigger.
  • TRIGGER SOURCE (SORGENTE DEL TRIGGER) Seleziona la sorgente del trigger.
  • TRIGGER MODE (MODO DEL TRIGGER) Seleziona come effettuare il trigger.
  • SLOPE (PENDENZA) Seleziona il fronte sul quale effettuare il trigger.
  • TIMEBASE (BASE TEMPORALE) Seleziona la velocita' della scansione orizzontale.
  • INPUT LEVEL (LIVELLO D'INGRESSO) Regola il livello d'ingresso.
  • VERTICAL POSITION (POSIZIONE VERTICALE) Regola la posizione verticale della traccia sul display.
  • ORIZZONTAL POSITION (POSIZIONE ORIZZONTALE) Regola la posizione della orizzontale della traccia sul display.

L'Oscilloscopio dispone di un connettore per ciascun canale d'ingresso, situato sul frontale dello strumento. In realta' esso dispone di ulteriori controlli, ma parleremo di essi piu' avanti nel documento.   

BRIGHT (LUMINOSITA')

E' autoesplicativo. Esso regola l'intensita' luminosa della traccia del display. Vale la pena ricordare che l'Oscilloscopio non dispone di un programma di SCREEN SAVER, per cui se lo lasciate acceso con alta luminosita' per un lungo periodo di tempo, la traccia rimarra' stampata sul tubo a causa della bruciatura dei fosfori.

Quando usate l'Oscilloscopio regolate sempre  la luminosita' al minimo.

FOCUS (FUOCO)

Anche il controllo del fuoco e' autoesplicativo, ma molti oscilloscopi richiedono la regolazione del fuoco mentre visualizzano una forma d'onda.
 

GRAT (GRIGLIA)




Questo controllo regola la luminosita' della luce usata per illuminare la scala dell'Oscilloscopio. Questa e' normalmente un foglio di plastica trasparente poggiato sul tubo catodico che serve a visualizzare una griglia calibrata. Con l'uso di questa scala graduata, e' possibile misurare l'ampiezza dell'onda sull'asse verticale, e il periodo su quello orizzontale. Quando la manopola e' regolata al minimo la griglia diventa invisibile.   

TRACE (TRACCIA)

Mediante questa manopola e' possibile selezionare quale traccia visualizzare. Ci sono di norma due o piu' possibili opzioni:   

  • A - Visualizza solo la traccia A (canale singolo).
  • B - Visualizza solo la traccia B (canale singolo).
  • A+B - Visualizza ambedue le tracce  (canale doppio).
  • ADD - I due canali sono sommati e visualizzati come una singola traccia. Il secondo canale puo' anche essere invertito. In questo modo e' possibile visualizzare sia  i segnali di modo comune che di modo differenziale.
  • ALT - Modo ALTERNATE
  • CHOP - Modo CHOPPED

La figura sottostante visualizza come funziona l'ADD mode.   



Gli ultimi due modi permettono di stabilire come visualizzare contemporaneamente le due tracce.   



Nel modo ALTERNATE viene visualizzata alternativamente una scansione la traccia A e l'altra scansione la traccia B. Tale modo e' utile per visualizzare segnali a frequenza elevata.

Nel modo CHOPPED, nella medesima scansione viene visualizzata un pezzetto di traccia A e un pezzetto di traccia B velocemente e alternativamente. Tale modo e' utile per visualizzare segnali a bassa frequenza.
 

TRIGGER LEVEL (LIVELLO DI TRIGGER)


Una traccia che visualizza una forma d'onda senza essere triggerata (sincronizzata) apparira' come lo schermo di un televisore che non ha il sincronismo orizzontale regolato correttamente (Vedi figura sottostante). Il trigger blocca la scansione orizzontale fino all'inizio della traccia . Cio' fa si che ogni scansione orizzontale inizia sempre nel medesimo punto dell'onda periodica e la fara' apparire stabile sul display. La manopola del livello di trigger e' usata per selezionare il punto della forma d'onda dal quale inizia la scansione orizzontale.  

TRIGGER SOURCE (SORGENTE DEL TRIGGER)

Seleziona la sorgente del trigger. La maggior parte degli oscilloscopi possono essere triggerati sia sul canale A che sul canale B. Molti oscilloscopi possono ricevere il trigger da una sorgente esterna, in questo caso e' previsto un ingresso di TRIGGER addizionale sul pannello frontale.

TRIGGER MODE (MODO DEL TRIGGER)

Il modo di trigger ha due posizioni: AUTO e NORM.

Nella posizione AUTO la scansione della traccia parte automaticamente anche se la forma d'onda non e' presente. Nella posizione NORM la scansione parte soltanto quando la forma d'onda e' perfettamente triggerata.

SLOPE (PENDENZA)

Il selettore SLOPE seleziona su quale fronte (di salita o di discesa) triggerare la forma d'onda

La figura sottostante mostra l'uso della funzione SLOPE.

 

TIMEBASE (BASE TEMPORALE)

La velocita' del punto luminoso sull'asse orizzontale puo' essere regolata con il selettore TIMEBASE. Questo ha la scala calibrata in secondi (S/Div), millisecondi (mS/Div), microsecondi (uS/Div) per divisione. 

 

INPUT LEVEL (LIVELLO D'INGRESSO)

Il selettore input level serve a regolare il livello d'ingresso di ciascun canale in maniera che possa entrare nello schermo. Il selettore e' calibrato in Volts per divisione (V/Div). 

 

VERTICAL POSITION (POSIZIONE VERTICALE)

Regola il livello in continua  sull'asse verticale per una visualizzazione migliore. Qualora il segnale viene misurato in DC e dispone di una forte componente continua, esso sparira' dallo schermo. Mediante tale controllo, e' possibile riportare la traccia nell'area visibile compensando tale componente continua.

La figura sottostante mostra come usare il controllo di posizione verticale azzerando la componente continua del segnale.

 

ORIZZONTAL POSITION (POSIZIONE ORIZZONTALE)

Sposta l'inizio della scansione sullo schermo muovendo la forma d'onda in direzione orizzontale. 

Principio di funzionamento di un oscilloscopio:

Esistono due grandi famiglie di oscilloscopi: quelli analogici e quelli digitali. Gli oscilloscopi analogici sfruttano un principio di funzionamento piuttosto semplice, basato sul particolare pilotaggio del loro tubo catodico. Le griglie dell'asse Y del CRT sono pilotate dal segnale di ingresso che si desidera mostrare, mentre le griglie dell'asse X sono pilotate da un generatore a dente di sega con frequenza impostabile dall'utente (la base dei tempi). Il dente di sega fa procedere il pennello a velocità costante lungo l'asse orizzontale, da sinistra verso destra; nel mentre le variazioni del segnale fanno salire o scendere il pennello, che così disegna l'andamento del segnale in funzione del tempo. Questa operazione è ripetuta per ogni dente di sega; sul video si sovrappongono tante "spazzolate", che grazie alla persistenza dei fosfori dello schermo (e delle immagini sulla retina) formano un'immagine. Per mostrare in modo stabile un segnale periodico è necessario che tutte le spazzolate si sovrappongano perfettamente fra di loro, il che equivale a dire che la frequenza del dente di sega deve essere un multiplo o sottomultiplo della frequenza del segnale periodico; questo si può ottenere agendo manualmente sulla regolazione fine della base dei tempi, oppure utilizzando un particolare circuito (detto "trigger") che permette di sincronizzare i denti di sega direttamente con il segnale di ingresso.

Questa è una descrizione molto grossolana del funzionamento di un oscilloscopio analogico, che ho fatto soltanto per farvi notare come in effetti in questi strumenti il segnale in ingresso sia completamente tracciato sullo schermo. È solo per una limitazione dei fosfori del CRT, del nostro occhio e ovviamente del nostro cervello che non possiamo "percepire" l'intero segnale in maniera continua, in tutta la sua evoluzione temporale.

Gli oscilloscopi digitali sono diversi proprio in questo. In un oscilloscopio digitale il segnale in ingresso viene campionato da un ADC, memorizzato e mostrato in un secondo tempo su un display. Non c'è un CRT da aggiornare continuamente, la scheda video che pilota il monitor o l'LCD è in grado di mantenere le immagini mostrate per un tempo indeterminato. E anche se si volesse, un LCD non potrebbe reggere le frequenze di scansione orizzontale tipiche di un oscilloscopio analogico (decine o centinaia di MHz): al massimo si parla di frequenze di aggiornamento di qualche decina o centinaia di Hz.
Tutto ciò ha un'implicazione molto importante: gli oscilloscopi digitali in genere mostrano soltanto una "fetta" dell'evoluzione temporale di un segnale. Per noi umani non c'è differenza, tanto non riusciremmo comunque a vedere dei fenomeni della durata di microsecondi "in tempo reale". Ciò determina però una caratteristica importante del funzionamento dell'oscilloscopio digitale: esso non deve limitarsi a mostrare quanto più segnale possibile su schermo, ma può decidere con relativa calma quali fette mostrare, in quale ordine e con quale combinazione.

Il trasformatore:


Il trasformatore viene usato generalmente per elevare o abbassare la tensione disponibile. E' frequente l'uso di questo componente per ottenere dai normali 230 volt, tensioni molto più basse, variabili tra 1,5 e 12 volt.

CARATTERISTICHE COSTRUTTIVE:


Il trasformatore basa il suo funzionamento sul fenomeno dell'induzione elettromagnetica. Infatti il circuito di ingresso (primario) e quello di uscita a tensione più bassa (secondario) non sono in contatto fisico, ma il primo agisce sul secondo solo tramite il flusso magnetico che genera quando è attraversato dalla corrente.

I due circuiti sono avvolti in spire (avvolgimenti), di numero opportuno, su uno stesso nucleo di materiale ferromagnetico. Questo materiale ha la capacità di facilitare il passaggio del flusso magnetico dal circuito primario a quello secondario (alta permeabilità magnetica), incanalandolo al proprio interno.

In figura vediamo schematizzato un trasformatore. Con Vi è indicata la tensione di ingresso e con Vu quella di uscita. Indicando con N1 e N2 rispettivamente il numero di spire del circuito primario e del circuito secondario, con K = N1/N2 il loro rapporto (rapporto di trasformazione), la relazione matematica che lega la tensione di uscita a quella di ingresso è:

Vu = Vi/K

Se non ci fosse il nucleo magnetico, il flusso sarebbe minore (l'aria ha una minore permeabilità magnetica) e solo una parte raggiungerebe il circuito secondario, poichè disperso in più direzioni.



SOLO IN TENSIONE ALTERNATA:


Si ha induzione elettromagnetica solo se il flusso magnetico che investe il circuito secondario è variabile. Nell'uso quotidiano ciò è soddisfatto perchè i 230 volt che applichiamo al circuito primario sono alternati e quindi variabili. Di conseguenza anche il flusso magnetico generato è variabile. Se, invece, applicassimo al circuito primario una tensione continua (cioè non variabile) non otterremmo alcuna tensione in uscita dal trasformatore.


ALIMENTAZIONE DEI CIRCUITI ELETTRONICI:


A volte non ci rendiamo conto della loro presenza perchè sono già contenuti in molti apparecchi quali radio, videoregistratori, piccoli elettrodomestici, amplificatori, computer, ecc. E' vero che inseriamo la spina nella normale presa a 230 volt, ma i loro circuiti funzionano a una tensione decisamente inferiore. Per questo il primo componente che si trova al loro interno è proprio un trasformatore. Poichè i trasformatori forniscono una tensione alternata, mentre i circuiti elettronici vengono normalmente alimentati in tensione continua, immediatamente a valle del trasformatore troviamo un raddrizzatore e un circuito filtrante.

CONCLUSIONE:

L'esperienza ha avuto esito positivo nel gruppo, in quanto siamo riusciti a portarla a termine in maniera efficiente. Ci ha inoltre "svelato" come sia possibile con un unico componente (diodo) ottenere più di una funzione all'interno di un contesto circuitale. Il lavoro è stato svolto correttamente e ha effettivamente dimostrato i risultati inizialmente predisposti per gli usi del diodo come raddrizzatore da corrente alternata a corrente continua.

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