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 (si veda i carica batteria dei cellulari, gli alimentatori dei lettori CD ecc.). In Radiologia i trasformatori vengono utilizzati per innalzare la tensione di rete alle tensioni normalmente utilizzate (dai 30 KV ai 150 kV).

CARATTERISTICHE COSTRUTTIVE
Il trasformatore basa il suo funzionamento sul fenomeno dell'induzione elettromagnetica. Infatti il circuito di ingresso (primario) e quello di uscita (secondario) non sono in contatto fisico, ma il primo agisce sul secondo solo tramite il flusso magnetico che genera quando è attraversato dalla corrente. Nel circuito primario e’ presente un generatore di tensione alternata, mentre nel circuito secondario non ci sono generatori, ma possiamo inserire un amperometro per misurare la corrente indotta.
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:

N1/N2 = Vi/Vu (I legge dei trasformatori)

Vu= Vi*N2/N1 ovvero Vu= Vi/K

Se il numero di spire N2 e’ molto maggiore del numero di spire in N1 la tensione di uscita, cioe’ quella del circuito secondario sara’ molto maggiore di quella del circuito primario e avremo quindi un innalzamento della tensione. Viceversa la corrente si abbassera’ per effetto della II legge dei trasformatori:

Vi*Ii=Vu*Iu

Ii e’ la corrente del circuito primario
Iu e’ la corrente indotta del circuito secondario

Iu=Vi/Vu Ii

Negli apparecchi radiologici i trasformatori hanno un numero di spire N2 molto maggiore di N1 per innalzare la tensione (fino a centinaia di kV) e abbassare la corrente (fino ai mA), mentre nel caso dei trasformatori comunemente usati nei carica batteria dei cellulari e nei lettori CD N2 sara’ minore di N1 per abbassare la tensione e alzare la corrente.

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.

BANDE DI ENERGIA

Si dice banda di energia un insieme di livelli energetici posseduti dagli elettroni. Si dice banda di valenza l'insieme degli elettroni che hanno un livello energetico basso, tale da restare nei pressi dell'atomo di appartenenza. Si dice banda di conduzione l'insieme di elettroni che hanno un livello energetico abbastanza alto, tale da lasciare l'atomo di appartenenza, dando luogo ad una conduzione di tipo elettrico. Tra la banda di valenza e la banda di conduzione vi può esser una banda proibita, cioè un insieme di livelli energetici non consentiti, in quanto un generico elettrone o si trova nella banda di valenza o si trova nella banda di conduzione. Se osserviamo i seguenti diagrammi:

possiamo concludere che negli isolanti la banda proibita è molto grande, di conseguenza sono pochi gli elettroni che raggiungono una energia sufficiente a passare nella banda di conduzione, di conseguenza l'isolante non conduce. Nei materiali conduttori, le due bande di valenza e di conduzione si sovrappongono, manca, quindi la banda proibita; quindi un notevole numero di elettroni possiede energia sufficiente ad essere considerato nella banda di conduzione, quindi il conduttore è in grado di condurre la corrente elettrica.
Nei materiali semiconduttori la banda proibita è piccola, quindi è sufficiente un innalzamento della temperatura per portare un certo numero di elettroni dalla banda di valenza alla banda di conduzione.

DROGAGGIO DEI SEMICONDUTTORI
Si dicono semiconduttori alcuni materiali che hanno un comportamento intermedio tra conduttori e isolanti; sono semiconduttori il germanio, il silicio, il carbonio, l'arseniuro di gallio.
La struttura di un semiconduttore e del seguente tipo:


Possiamo notare che ogni atomo mette in comune quattro elettroni; essendo questi elettroni attratti dagli atomi vicini i nuclei dei vari atomi si tengono legati tra loro da un tipo di legame detto covalente. Normalmente tutti gli elettroni si trovano nella banda di valenza, restano, cioè legati all'atomo di appartenenza e il semiconduttore si comporta da isolante.
Si dice drogaggio di un semiconduttore il fatto di inserire all'interno del semiconduttore atomi aventi valenza cinque, cioè pentavalenti, oppure atomi aventi valenza tre, cioè trivalenti. Tra le sostanze pentavalenti ricordiamo il fosforo, l'antimonio, l'arsenico; tra le sostanze trivalenti ricordiamo il bario, l'alluminio, il gallio, l'indio.

Se inseriamo sostanze pentavalenti, come nel seguente schema:

vediamo che dei cinque elettroni dell'atomo pentavalente quattro vengono utilizzati per il legame covalente, mentre il quinto elettrone resta libero. Si dice drogaggio di tipo N quando il semiconduttore è drogato con sostanze pentavalenti, possiede quindi elettroni liberi, diventa quindi un perfetto conduttore, cioè se lo alimentiamo con un generatore esterno, come nel seguente schema:

vi è movimento degli elettroni liberi e quindi il semiconduttore di tipo N conduce.
Se invece inseriamo sostanze trivalenti, come nel seguente schema:

vediamo che i tre elettroni dell'atomo trivalente vengono utilizzati per il legame covalente, mentre manca un elettrone nella banda di valenza. Si dice lacuna un posto libero per l'elettrone nella banda di valenza; tale posto può essere occupato da un altro elettrone il quale a sua volta crea una lacuna, di conseguenza la lacuna può essere come una carica positiva mobile, che dà luogo ad una corrente elettrica. Si dice drogaggio di tipo P quando il semiconduttore è drogato con sostanze trivalenti, possiede quindi lacune libere, diventa quindi un perfetto conduttore, cioè se lo alimentiamo con un generatore esterno, come nel seguente schema:

vi è movimento di lacune e quindi il semiconduttore di tipo P conduce.
A causa dell'aumento di temperatura un certo numero di elettroni può acquistare energia sufficiente a passare dalla banda di valenza alla banda di conduzione; per ogni elettrone che passa nella banda di conduzione resta una lacuna nella banda di valenza. Si dicono cariche minoritarie le coppie elettrone-lacuna che si creano in seguito all'aumento di temperatura. Si dicono cariche maggioritarie gli elettroni nel semiconduttore drogato di tipo N e le lacune nel semiconduttore drogato di tipo P.


GIUNZIONE P-N
Si dice giunzione P-N l'unione di una barretta di semiconduttore di tipo P con una di tipo N. All'atto della formazione della giunzione si verifica uno spostamento di cariche, in particolare gli elettroni e le lacune situati nella parte centrale della giunzione si neutralizzano, essendo cariche di segno opposto. Per ogni lacuna che dalla zona P passa alla zona N, resta nella zona P una carica fissa negativa. Per ogni elettrone che dalla zona N passa alla zona P resta una carica fissa positiva. Di conseguenza, non appena un certo numero di elettroni e di lacune si sono neutralizzate, le cariche fisse determinano una differenza di potenziale che respinge le altre cariche facendole restare nella zona di appartenenza, tale tensione è detta barriera di potenziale e la indichiamo con la lettera Vg.(si legge vugamma; g = gamma). La barriera di potenziale per il silicio vale Vg = 0,6 V; per il germanio Vg = 0,2 V .
La situazione finale la possiamo vedere dalla seguente figura:

La zona intermedia possiede solo cariche fisse e non vi sono cariche mobili, né elettroni, né lacune, per cui è detta zona di svuotamento.


POLARIZZAZIONE DELLA GIUNZIONE
Polarizzare una giunzione vuol dire applicare una certa tensione ai suoi estremi. Una giunzione si dice polarizzata direttamente quando il polo positivo del generatore, che deve essere in corrente continua, è applicato alla zona di tipo P, come nel seguente schema:


In una giunzione polarizzata direttamente vi è conduzione di corrente quando la tensione supera una tensione di soglia che coincide con la barriera di potenziale Vg .Una giunzione si dice polarizzata inversamente quando il polo positivo del generatore di tensione è applicato alla zona N. Come nel seguente schema:


In una giunzione polarizzata inversamente non vi è conduzione di corrente, salvo quella dovuta alle cariche minoritarie, che è una corrente molto piccola.
Un diodo e’ formato da due semiconduttori drogati uno N e uno P.
In questa maniera si puo’ vedere che un circuito con un diodo funziona da raddrizzatore di corrente perche’ a seconda del verso del generatore di tensione (alternativamente si invertono il polo positivo e negativo in un generatore di tensione alternata) la corrente passa o non passa nel circuito.
L’effetto del diodo lo si puo’ vedere nella seguente figura:

Il primo grafico rappresenta il tipico andamento sinusoidale della corrente. Se nel circuito inserisco il diodo (si veda circuito nel mezzo) l’effetto e’ quello di tagliare la semionda negativa.
Se non voglio tagliare la semionda ma la voglio far diventare positiva non utilizzero’ solo un diodo nel circuito ma un ponte di diodi (Ponte di Graetz):

In questo circuito qualunque siano i poli del generatore di tensione IN la corrente passera’ sempre e solo dal polo “+”.


Il terzo grafico e’ il risultato dell’utilizzo del ponte di diodi, sulla tensione alternata del primo grafico. Il secondo grafico si ottiene applicando solo un diodo.