L' Alimentazione
L'energia necessaria per il funzionamento della radio viene fornita dall'alimentatore.
Esso deve fornire la tensione continua anodica (alta tensione positiva e bassa corrente), la tensione alternata o continua (bassa tensione positiva e alta corrente) per l'accensione dei filamenti e la tensione continua per la polizzazione delle griglie di controllo (bassa tensione negativa e bassissima corrente) .
Le tensioni necessarie possono essere fornite o da apposite batterie, come avveniva agli inizi della storia della radio, oppure dalla rete dopo opportune trasformazioni.
Vediamo come si ottengono le varie tensioni.
ALIMENTAZIONE ANODICA
La tensione anodica alimenta gli anodi ed alcune griglie delle valvole; essa nelle applicazioni più comuni ha un campo di variazione fra i 100 ed i 250 volt.
Come già detto può essere ottenuta o tramite batterie come si usava agli esordi della radio oppure utilizzando la tensione di rete.
Se utilizzo la tensione fornita dalla rete devo prima provvedere al suo raddrizzamento che può avvenire direttamente o previa interposizione di un auto trasformatore o di un trasformatore.
Posso affermare che:
- Raddrizzando la tensione prelevandola direttamente dalla rete o attraverso un autotrasformatore se da un lato ottengo il vantaggio economico di risparmiare sul costo del trasformatore dall'altro ho il grande svantaggio che riguarda la sicurezza in quanto le parti metalliche risulterebbero direttamente collegate alla rete e quindi possono essere causa di folgorazione. Volendo ottenere poi un raddrizzamento a doppia semionda dovrei utilizzare un ponte di Graetz con aggravio dei costi.
- Raddrizzando la tensione prelevandola tramite un trasformatore il problema della sicurezza scompare essendo le parti metalliche isolate dalla rete; se poi il secondario da cui ricavo la tensione anodica è dotato di presa centrale di terra, con un semplice diodo a vuoto a due anodi posso ottenere il raddrizzamento a doppia semi onda senza complicare lo schema con la realizzazione di un ponte di Graetz.
Qualunque sia il modo di prelevamento, la tensione (per ottenere la tensione anodica) dovrà essere raddrizzata.
per farlo utilizzerò uno o più diodi a vuoto o a semiconduttore all'uscita dei quali otterrò una corrente pulsante non ancora utilizzabile, però, per i nostri scopi; essa dovrà essere resa quasi continua da un condensatore di opportuna tensione e capacità come si vede in fig.1
Il filtro di fig.1 fornisce una tensione con un determinato " ripple " che dipende dal carico e dalla capacità del condensatore.
Il ripple è l'ondulazione residua dopo il filtraggio del condensatore di fig.1, esso è rappresentato in verde nella fig.2.
In tale figura Vrpp rappresenta la tensione di ripple picco-picco, Vm la tensione massima all'uscita dalla rete o dal trasformatore e Vc la tensione continua al carico.
Risulta Vc=Vm-Vrpp/2.
Osservando la fig.2 ci rendiamo conto che fra l'origine degli assi ed il punto A il condensatore si carica è raggiunge una tensione pari a Vm; dal punto A in poi il diodo non conduce ed il condensatore inizia la fase di scarica secondo la legge:
v=Vm e-t/RcC
dove C è la capacità del condensatore ed Rc la resistenza di carico di fig.1.
Raggiunto il punto B la tensione fornita dalla rete o dal trasformatore eguaglia la tensione del condensatore ed il diodo riprende a condurre fino a ricaricare il condensatore e riportarlo ad una tensione pari a Vm.
Indico con r il fattore di ripple che è pari al rapporto fra la tensione efficace di ripple (Vr) e la tensione Vc.
la tensione efficace di ripple è pari a Vrpp/2 radQ(3) avendo il ripple un andamento triangolare (vedi fig.2); se il suo andamento fosse sinusoidale la tensione efficace di ripple sarebbe Vrpp/2 radQ(2).
Nel caso di fig..2 (alimentatore ad una semionda), indicando con ΔQ la carica perduta nel tempo T dal condensatore per fornire la corrente al carico, si ha:
Vrpp = ΔQ/C =IcT/C=Ic/fC.
Vr= Vrpp /2radQ(3) = Ic/2radQ(3) fC;
poichè il ripple è r= Vr/Vc, si ha:
r= 1/2radQ(3) fCRc che è anche circa uguale a 2/ωCRc
Nel caso di un alimentatore a doppia semionda il ripple diminuisce , infatti poichè per fornire la corrente Icla carica è fornita nel tempo T/2 e non nel tempo T il valore del ripple diventa:
r= 1/4radQ(3) fCRc che è anche circa uguale a 1/ωCRc
Il tempo necessario T' per passare dal punto B al punto C di fig.2 è molto breve e diminuisce con l'aumentare di Rc e della capacità C della fig.1.
In tale lasso di tempo deve passare nel diodo la corrente necessaria a ricaricare il condensatore che è pari a Idmax=(T/T')Ic dove Idmax è la corrente che attraversa il diodo ed Ic è la corrente di carico.
E' chiaro che il T di cui sopra corrisponde al periodo della corrente di rete nel caso di alimentatore a semi onda e al semi periodo della corrente di rete nel caso dell'alimentatore a doppia semi onda.
E' evidente che C ed R devono essere tali che la Idmax risultante sia compatibile col diodo utilizzato.
Nella realizzazione dell'alimentatore dobbiamo cercare di ridurre al massimo il ripple per evitare ronzii nella ricezione;
Dai ragionamenti finora fatti risulta dunque evidente che in una rettificazione a doppia semionda il ripple e ridotto rispetto a quello relativo ad una rettificazione ad una semionda.
Il ripple come visto si riduce anche con l'aumento di C e di Rc.
Raramente viene utilizzato un filtro costituito da un solo condensatore; solitamente viene utilizzato un filtro a Π come indicato nella fig.3 e nella fig.4.
Il filtro a Π può essere del tipo RC (fig.3) oppure del tipo LC (fig.4).
L'adozione di un filtro a Π contribuisce alla riduzione del ripple.
Vediamo di studiare i filtri a Π RC ed a Π LC .
Filtro a Π RC
alimentatore a semplice semi-onda , nel caso di alimentazione a doppia semi-onda si ragiona nello stesso modo
all'uscita di C1 (fig.3) ho una tensione continua Vc1 ed un una tensione efficace ondulata di ripple Vr1 ; all'uscita di C2 ho una tensione continua Vc2 ed una tensione ondulata di ripple Vr2 (tensione efficace di ripple all'uscita).
Studiamo separatamente le due componenti della tensione , quella continua e quella ondulata; poichè le due tensioni si presentano contemporaneamente possiamo poi sovrapporne gli effetti.
Sappendo che:
Vc1= Vm-Vrpp1/2; Vr1=Vrpp1/2√3 = Ic/4fC√3 : che Ic=Vc1/Rc e che rr1= Vr1 /Vc1 ;
- relativamente alla componente continua
considerando il partitore di tensione resistivo R, Rc posso scrivere :
Vc2 = Vc1(Rc/R+Rc);
- relativamente alla componente ondulata:
considerando il partitore R,XC2 ( il partitore in realtà sarebbe R, XC2// Rc , ma viene trascurato Rc in quanto molto più grande di XC2 - XC2 molto minore di 1/10Rc - ), posso scrivere:
Vr2 = Vr1XC2/radQ(R2+XC22); ricavo il valore di ru=Vr2/Vc2 = XC2 r1/Rp ,con l'ipotesi che, come in realtà capita, XC2 sia molto minore di 1/10R e che quindi radQ(R2+XC22) sia quasi uguale ad R ; in tale formula Rp=RRc/R+Rc.
Poichè XC2/Rp < 1 risulta che ru < r1; cioè con l'inserimento di una resistenza e di un condensatore e la conseguente formazione di filtro a Π si è pervenuti ad una riduzione del ripple.
C'è da osservare che l'introduzione della resistenza R determina una riduzione della tensione continua d'uscita pari a IcR.
Filtro a Π LC
alimentatore a semplice semi-onda , nel caso di alimentazione a doppia semi-onda si ragiona nello stesso modo
all'uscita di C1 (fig.4) ho una tensione continua Vc1 ed un una tensione efficace ondulata di ripple Vr1 ; all'uscita di C2 ho una tensione continua Vc2 ed una tensione ondulata di ripple Vr2 (tensione efficace di ripple all'uscita).
Studiamo separatamente le due componenti della tensione , quella continua e quella ondulata; poichè le due tensioni si presentano contemporaneamente possiamo poi sovrapporne gli effetti.
Sappiamo che Vc1= Vm-Vrpp1/2; Vr1=Vrpp1/2√3 = Ic/4fC√3, che Ic=Vc1/Ic e che r1= Vr1 /Vc1 ; posso scrivere:
- relativamente alla componente continua
considerando il partitore di tensione RL, Rc posso scrivere:
Vc2=Vc1Rc/(RL+RC);
- relativamente alla componente ondulata:
considerando il partitore XL,XC2 , ( il partitore in realtà sarebbe XL, XC2// Rc , ma viene trascurato Rc in quanto molto più grande di XC2 - XC2 molto minore di 1/10Rc - ), posso scrivere:posso scrivere:
Vr2=Vr1XC2/√(XL2+XC22);
ricavo il valore di ru=Vr2/Vc2 = r1XC2 /√(XL2+XC22) nell'ipotesi che sia, come in realtà è, Rc molto maggiore di RL .
Poichè XC2 /√(XL2+XC22) risulta minore di 1, ru (fattore di ripple in uscita da C2) risulta minore di r1 (fattore di ripple in uscita da C1) ;
cioè con l'inserimento di una induttanza e di un condensatore e la conseguente formazione di filtro a Π LC si è pervenuti ad una riduzione del ripple.
C'è da osservare che l'introduzione dell' induttanza L di impedenza XL determina una riduzione della tensione continua d'uscita di gran lunga inferiore a quella che determina la resistenza R del filtro a Π RC .
ALIMENTAZIONE DEI FILAMENTI
I filamenti possono essere alimentati:
- da apposite batterie;
- da appositi avvolgimenti secondari dei trasformatori di alimentazione;
- da prese intermedie di autotrasformatori;
- direttamente dalla rete (alimentazione in serie).
possono essere pertanto alimentati in continua o in alternata; è evidente che nei casi di cui ai punti 2,3 e 4 occorre provvedere al raddrizzamento.
Solitamente la tensione dei filamenti è bassa e la corrente alta.
In merito all'opportunità di alimentarli in continua od in alternata facciamo una distinzione fra filamenti che fungono anche da catodo (riscaldamento diretto) e filamenti distinti dal catodo (riscaldamento indiretto).
RISCALDAMENTO DIRETTO
Il filamento ha una bassa inerzia termica e pertanto la sua temperatura se, è alimentato in alternata, pulsa.
Tale pulsazione determina una emissione elettronica non costante che causa a sua volta l'insorgere di un fastidioso ronzio alla ricezione.
Il filamento inoltre costituisce una superficie non equipotenziale, alle sue estremità c'è infatti un d.d.p. Vf che si distribuisce in maniera uniforme lungo il suo percorso; ciò determina un flusso di elettroni fra catodo e anodo non uniforme e quindi l'insorgere di ronzio.
Da quanto sopra affermato deriva che è opportuno alimentare i filamenti che fungono anche da catodo in corrente continua.
RISCALDAMENTO INDIRETTO
Il catodo deputato all'emissione di elettroni in questo caso è distinto dal filamento e da esso riscaldato.
Anche quando l'alimentazione è in alternata, poichè il catodo per costruzione ha una grande inerzia termica la sua temperatura non pulsa e quindi rimanendo l'emissione elettronica costante non causa eccessivo ronzio.
La superficie del catodo inoltre è equipoteniale e non determina pertanto l'inconveniente che si verifica nel caso del riscaldamento diretto.
Per quanto sopra l'alimentazione in alternata in questo caso non dovrebbe determinare, per quanto detto, eccessivo ronzio; tuttavia anche in questo caso, se esiste una notevole differenza di potenziale fra filamento e catodo, con catodo positivo e filamento negativo, la coppia filamento-catodo si comporta come un diodo e ciò può determinare l'insorgere di una corrente periodica di elettroni fra filamento e catodo che influirà sulla corrente catodo anodo determinando un certo ronzio; quest'ultimo inconveniente può essere parzialmente eliminato in alternativa:
- Con la costruzione del filamento ad elica antiinduttiva, con l'uso di particolari materiali refrattari per isolare il filamento e la simmettrizzazione del circuito rispetto a massa;
- con l'applicazione di una tensione positiva al circuito dei filamenti in modo da limitare la differenza di potenziale fra catodo e filamento.
nel caso di cui al punto 1. poichè il ronzio non viene del tutto eliminato a causa dell'emissione di elettroni da parte del filamento nelle parti terminali è bene che quest'ultimo non sia collegato a massa ma che sia reso simmetrico rispetto a massa.
Nel caso di cui al punto 2. è necessario che il filamento non sia collegato a massa; la tensione positiva può essere applicata alla presa centrale, se esistente, dell'avvolgimento secondario oppure mediante un potenziometro collegato ai capi del secondario.
In definitiva per limitare il ronzio:
- se non sono verificate le condizioni di cui al punto 1. è opportuno adottare la soluzione di cui al puno 2.
- se sono verificate le condizioni di cui al punto 1. è opportuno rendere il circuito dei filamenti simmetrico rispetto a massa.
ALIMENTAZIONE DELLE GRIGLIE DI CONTROLLO
Serve per dare alla griglia un potenziale negativo rispetto al catodo.
La tensione di polarizzazione delle griglie di controllo è continua, negativa; la corrente è basissima .
Tale alimentazione si può ottenere in alternativa:
- da apposite batterie (di lunghissima durata stante la bassissima corrente);
- da appositi circuiti di alimentazione dedicati;
- direttamente dal circuito di alimentazione anodica con l'uso di appositi partitori di tensione;
- tramite una polarizzazione automatica.
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