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Duplicatore e moltiplicatore di tensione a diodi e condensatori per alimentazione anodica

Duplicatore di tensione a diodi e condensatori

La scelta di scrivere questo paragrafo è maturata analizzando un circuito buffer stereo a valvole nato con l'intento di rendere meno aspro il suono di uno stereo.
Aldilà dell'efficacia di questo buffer abbiamo constatato che era alimentato da una tensione alternata di 12V poi innalzata con un moltiplicatore per ottenere l'anodica e raddrizzata.
Poi un altro circuito con un regolatore lineare abbassava e stabilizzava la 12V per accendere i filamenti.

Si tratta di un circuito semplice, che permette di avere una tensione di uscita continua che è uguale al valore di picco a picco della tensione alternata in ingresso (sottratta della tensione di polarizzazione diretta dei diodi).
Questo tipo di duplicatore può anche essere utilizzato per produrre delle tensioni duali per alimentare ad esempio degli amplificatori operazionali.
La corrente massima in uscita, e questo è il vero problema, sarà proporzionalmente minore (ovvero la metà per un duplicatore, un terzo per un triplicatore e così via).

Duplicatore di tensione Duplicatore di tensione con uscita duale

In definitiva ogni diodo raddrizza una semionda e carica il rispettivo condensatore.
I condensatori sono posti in serie e quindi le tensioni delle due semionde si sommano e la tensione di uscita è il doppio di quella sul secondario del trasformatore.
Tenete conto che i condensatori si caricano al valore di picco della tensione meno il valore di polarizzazione diretta dei diodi che in genere per un diodo al silicio è 0,6V.
Quindi la tensione in uscita è: (Vsec x 2 x 1,41)-(Vak x2) dove Vsec è la tensione efficace sul secondario 1,41 è radice di 2 approssimata (il rapporto fra tensione efficace e tensione massima in una onda di tipo sinusoidale) e Vak è la tensione di polarizzazione diretta di un diodo al silicio (0,6-0,7V).

Funzionamento nel dettaglio del duplicatore di tensione

Grafico della tensione di uscita da un duplicatore di tensione partendo dall'accensione dello stesso

A sinistra la tensione di uscita di un duplicatore di tensione.

Nell'immagine sopra il funzionamento del duplicatore di tensione sotto carico, i condensatori si scaricano generando una tensione di ripple differenza fra il valore massimo della tensione e quello assunto alla fine della scarica prima della successiva semionda.

In centro l'andamento della tensione all'uscita del duplicatore partendo dal tempo zero ovvero dall'accensione dello stesso.
La prima semionda carica il primo condensatore fino a Vmax, la successiva semionda carica il secondo condensatore, essendo in serie con il primo le tensioni si sommano e in uscita abbiamo il doppio della tensione massima 2Vmax.
In questo caso il duplicatore funziona a vuoto ovvero senza carico, quindi non è presente il ripple dovuto alla scarica dei condensatori sul carico.

In basso la tensione sinusoidale in ingresso, contraddistinta dal valore massimo (Vmax) e dal valore di picco a picco (Vpp).
Si ricorda che in una tensione sinusoidale il valore massimo si calcola moltiplicando la tensione efficace (quella in genere riportata sui dati di targa del trasformatore) per radice di 2.

Moltiplicatore di tensione a diodi e condensatori del tipo Cockcroft-Walton

Si tratta di un circuito moltiplicatore di tensione a diodi e condensatori in cui la versione base è un duplicatore con la possibilità di moltiplicare per N (dove N è il numero delle celle) la tensione alternata (valore Vpp/2 o Vmax) in ingresso. E' molto versatile e il giochino funziona all'infinito aggiungendo le celle che servono.
Il nome si deve ai due inventori.

Moltiplicatore di tensione a diodi e condensatori del tipo Cockcroft-Walton
Moltiplicatore di tensione a diodi e condensatori del tipo Cockcroft-Walton Moltiplicatore di tensione a diodi e condensatori del tipo Cockcroft-Walton Moltiplicatore di tensione a diodi e condensatori del tipo Cockcroft-Walton

Sopra è riportato il verso delle correnti e delle tensioni nel momento di avvio del circuito moltiplicatore di tensione a diodi e condensatori.

Moltiplicatore di tensione: Realizzazione di un circuito di prova con relative misure della tensione nei vari stadi.

Realizzazione di un moltiplicatore di tensione a diodi e condensatori del tipo Cockcroft-Walton Realizzazione di un moltiplicatore di tensione a diodi e condensatori del tipo Cockcroft-Walton Realizzazione di un moltiplicatore di tensione a diodi e condensatori del tipo Cockcroft-Walton

Come vedete ci siamo attenuti scrupolosamente allo schema, in modo da avere anche un riscontro visivo.
Abbiamo assemblato i componenti ben visibili su una basetta millefori.
I condensatori sono da 470uF 25V i diodi sono degli 1N4007 (1000V 1A).
Tutte le celle sono uguali e questo semplifica di molto il montaggio anche in aria di questo moltiplicatore di tensione a diodi e condensatori.

Nell'immagine sotto (con tutte le misure intermedie) è possibile vedere la misura delle varie tensioni nei vari punti del moltiplicatore di tensione a diodi e condensatori.
Per la prova è stato utilizzato un trasformatore con un secondario da 6V.
Ci sarà sempre una discrepanza rispetto ai valori teorici, i componenti hanno una tolleranza ma anche la tensione di rete.

Prova dei vari stadi del moltiplicatore di tensione a diodi e condensatori del tipo Cockcroft-Walton

 

  • Prima uscita (6V x radicequadra(2)) - 0,6
  • Seconda uscita: il doppio della prima
  • Terza uscita: il triplo della prima
  • Uscita "N": N volte la prima

 

Prova di tensione dei vari stadi del moltiplicatore di tensione Cockcroft-Walton Prova di tensione dei vari stadi del moltiplicatore di tensione Cockcroft-Walton Prova di tensione dei vari stadi del moltiplicatore di tensione Cockcroft-Walton Prova di tensione dei vari stadi del moltiplicatore di tensione Cockcroft-Walton Prova di tensione dei vari stadi del moltiplicatore di tensione Cockcroft-Walton Prova di tensione dei vari stadi del moltiplicatore di tensione Cockcroft-Walton

Teoricamente questo moltiplicatore di tensione a diodi e condensatori ha una tensione massima di uscita teorica data dalla tensione massima di lavoro dei condensatori che è di 25 Volt moltiplicata per il numero delle celle quindi 150 Volt.
Questa tensione in realtà è bene che sia inferiore per mantenere un margine che compensi le tolleranze dei componenti.

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