Elettronica Applicata - Strumentazione di base e circuiti a diodo

Analisi di un circuito raddrizzatore e di un limitatore a diodo valutandone il segnale di uscita in risposta ad un ingresso sinusoidale con l'oscilloscopio;

Analisi di circuiti di "clamping" quando in ingresso si applica una forma d'onda periodica;

Analisi di un circuito rivelatore di picco, valutandone l'uscita con l'oscilloscopio a seconda del segnale di ingresso;

Analisi di un circuito duplicatore di tensione, composto da una stadio "clamping" seguito da un rivelatore di picco valutandone l'uscita con l'oscilloscopio ponendo in ingresso un segnale sinusoidale a bassa frequenza e con valor medio nullo.

Esperimento N 1: Rete passa-basso RC del primo ordine

La rete RC esaminata ha il seguente schema:

essa presenta un polo ad alta frequenza (p=-1/RC) e quindi esso si chiama passa-basso, proprio perché lascia invariati solo i segnali in bassa frequenza (cioè a frequenza inferiore a quella del polo), ma attenua tutte le alte frequenze (superiori a quella del polo).

Abbiamo quindi posto in ingresso un segnale sinusoidale di ampiezza V_ppin =1V e variandone la frequenza, abbiamo notato che quando essa raggiungeva il valore di f=1.2kHz si otteneva un'attenuazione dell'uscita di 0.707 (cioè 3dB); quindi la frequenza di taglio, che è la frequenza alla quale il segnale è attenuato di 3dB, è proprio di f_t=1.2kHz.

Simulando con PSPICE il risultato ottenuto è:

Dai dati del circuito invece otteniamo che la frequenza di taglio vale

che si discosta di poco dal valore sperimentale.

Poi abbiamo applicato in ingresso un'onda quadra di ampiezza V_ppin =1V e frequenza f=1Hz, abbiamo misurato la costante di tempo tracciando la tangente alla risposta i corrispondenza del fronte di onda quadra fino ad intercettare il livello dell'onda quadra stesso, ottenendo cosi:

t = 121ms

analiticamente si ottiene che la costante di tempo vale:

Esperimento N 2: Rete passa-alto RC del primo ordine

La rete RC esaminata ha il seguente schema:

essa presenta uno zero nell'origine e un polo (p=-1/RC), quindi esso si chiama passa-alto proprio perché lascia invariati solo i segnali in alta frequenza (cioè a frequenza superiore a quella del polo), ma attenua tutte le alte frequenze (inferiori a quella del polo).

Abbiamo quindi posto in ingresso un segnale sinusoidale di ampiezza V_ppin =1V e variandone la frequenza, abbiamo notato che quando essa raggiungeva il valore di f=1.225kHz si otteneva un'attenuazione dell'uscita di 0.707 (cioè 3dB); quindi la frequenza di taglio, che è la frequenza alla quale il segnale è attenuato di 3dB, è proprio di f_t=1.225kHz.

Simulando con PSPICE il risultato ottenuto è:

Dai dati del circuito invece otteniamo che la frequenza di taglio vale

che si discosta di poco dal valore sperimentale.

Poi abbiamo applicato in ingresso un'onda quadra di ampiezza V_ppin =1V e frequenza f=1Hz, abbiamo misurato la costante di tempo tracciando la tangente alla risposta i corrispondenza del fronte di onda quadra fino ad intercettare il livello dell'onda quadra stesso, ottenendo cosi:

t = 121ms

Analiticamente si ottiene che la costante di tempo vale:

Esperimento N 3: Circuito raddrizzatore e circuito limitatore

Lo schema di un circuito raddrizzatore è:

esso è in grado di convertire un tensione sinusoidale di ingresso (a valor medio nullo) in una tensione unipolare con valor medio diverso da zero, cioè se:

in pratica taglia tutte le semionde negative. 

Per prima cosa abbiamo valutato la tensione a cui il diodo inizia a condurre che è risultata di

V_g = 0.72 V

Poi abbiamo applicato un segnale di ingresso sinusoidale a f = 100Hz abbiamo visto che in uscita si otteneva un segnale con la sola semionda positiva e che essa seguiva tanto meglio il segnale quanto più grande era la sua ampiezza perché risentiva di meno della tensione di accensione del diodo:

Aumentando la frequenza abbiamo notato che gli effetti capacitivi del diodo si cominciano a sentire a circa 463Hz.

Abbiamo poi invertito diodo e resistore ottenendo un circuito limitatore (o tosatore) il cui schema è:

la sua funzione è di fornire in uscita una parte del segnale di ingresso, in particolare se:

Per prima cosa abbiamo valutato la tensione a cui il diodo inizia a condurre che è risultata di

V_g = 0.72 V

Poi abbiamo applicato un segnale di ingresso sinusoidale a f = 100Hz abbiamo visto che in uscita si otteneva un segnale sinusoidale tosato superiormente alla tensione V_g

Aumentando la frequenza abbiamo notato che gli effetti capacitivi del diodo si cominciano a sentire a circa 463Hz.

Esperimento N 4: Circuiti di "clamping"

Il primo circuito di "clamping" esaminato è detto anche fissatore negativo, e il suo schema è il seguente:

se al suo ingresso è applicato un segnale variabile (onda sinusoidale, onda quadra, ecc.), esso lo trasferisce nel verso delle ordinate negative, di una quantità pari al suo valor massimo; cioè al segnale di ingresso viene sommato il segnale in continua fornito dal condensatore una volta carico.

Una volta applicata in ingresso un'onda quadra (a valor medio nullo) a frequenza f=100Hz, abbiamo notato che in uscita si presentava la stessa onda quadra ma traslata di una semiampiezza verso il basso, come si può vedere dalla seguente simulazione Pspice:

Aumentando la frequenza abbiamo notato che quando f=10kHz si aveva un'alterazione al normale funzionamento del circuito perché entravano in funzione gli effetti capacitivi del diodo.

Il secondo circuito di "clamping" esaminato è detto anche fissatore positivo, e il suo schema è il seguente:

se al suo ingresso viene applicato un segnale variabile (onda sinusoidale, onda quadra, ecc.), esso lo trasferisce nel verso delle ordinate positive, di una quantità pari al suo valor massimo; cioè al segnale di ingresso viene sommato il segnale in continua fornito dal condensatore una volta carico.

Una volta applicata in ingresso un'onda quadra (a valor medio nullo) a frequenza f=100Hz, abbiamo notato che in uscita si presentava la stessa onda quadra ma traslata di una semiampiezza verso l'alto, come si può notare nella seguente simulazione con Pspice:

Aumentando la frequenza abbiamo notato che quando f=10kHz si aveva un'alterazione al normale funzionamento del circuito perché entravano in funzione gli effetti capacitivi del diodo.

Esperimento N 5: Circuito rivelatore di picco

Il circuito rivelatore di picco ha la funzione di fornire in uscita, applicando in ingresso un segnale ondulato, un segnale costante di ampiezza pari a quella del picco del segnale applicato.

In particolare se applichiamo in ingresso un segnale sinusoidale esso lo segue fino al primo picco, poi resta costante a quel valore di ampiezza.

Il suo schema circuitale è:

applicando in ingresso un segnale sinusoidale valore massimo V_M=20V e frequenza f = 54Hz in uscita ottenevamo un segnale costante al valore V=20V, come si può vedere nella seguente simulazione con Pspice:

Invertendo la polarità del diodo invece ottenevamo un segnale costante al valore V=-20V.

Esperimento N 6: Circuito duplicatore di tensione

Il duplicatore di tensione è un circuito a diodi che ricevendo in ingresso un segnale variabile (in genere sinusoidale), forniscono in uscita una tensione continua di valore doppio a quello della tensione massima di ingresso. Esso è realizzato ponendo in cascata un circuito di "clamping" e un rivelatore di picco.

Lo schema circuitale del duplicatore di tensione da noi esaminato è:

applicando in ingresso una tensione sinusoidale di valor massimo V_M=20V e frequenza f=100Hz abbiamo ottenuto ai capi di D1 una sinusoide con la stessa frequenza ma traslata verso l'alto di una semiampiezza, mentre in uscita in una tensione costante del valore V=40V, come si può vedere nella seguente simulazione con Pspice: