Alimentatore Stabilizzato: guida didattica per il docente

Guida per usare il simulatore alimentatore stabilizzato DC Power Supply di LuminaLab: raddrizzatore a semionda, ponte di Graetz, filtro RC e tensione di ripple per docenti di ITIS 5° anno, IP MAT TEEA 4° anno e Liceo Scientifico.

In sintesi: per chi cerca veloce

Il simulatore DC Power Supply di LuminaLab visualizza in tempo reale i tre stadi dell'alimentatore: tensione del secondario del trasformatore, raddrizzamento (semionda o ponte di Graetz) e filtraggio RC per docenti di ITIS, Istituti Professionali e Liceo Scientifico che affrontano raddrizzatori, diodi e condensatori di filtro. Tre tab: schema HALF-WAVE con un diodo, schema BRIDGE con ponte a quattro diodi, oscilloscopio SCOPE con segnali sovrapposti e toggle per ogni traccia.

Per ITIS Elettronica ed Elettrotecnica (5° anno): Il simulatore copre l'intero percorso del raddrizzatore: secondario AC, caduta sul diodo (0,7 V per semionda, 1,4 V per ponte), condensatore di filtro e ripple. I tre mini-scope sotto lo schema mostrano ogni stadio in parallelo; la tab SCOPE li sovrappone su scala fissa per il confronto diretto. I KPI aggiornano V_pk, V_DC, ripple% in tempo reale al variare di V_secondario, R_L e C.

Per IP MAT — 4° anno TEEA (Tecnologie Elettrico-Elettroniche ed Applicazioni): La tab BRIDGE mostra il ponte di Graetz come lo si trova nelle alimentazioni industriali: quattro diodi in matrice verticale 2×2, ingresso AC dal secondario, uscita DC ai capi del condensatore e del carico. La visualizzazione dello scope rende visibile come il ripple aumenti riducendo C o R_L: un comportamento che lo studente MAT può collegare direttamente al dimensionamento degli alimentatori nei quadri.

Per Liceo Scientifico (5° anno, Fisica): Il simulatore mostra il diodo come raddrizzatore unidirezionale: il segnale sinusoidale del secondario diventa una semionda positiva, poi viene "levigato" dal condensatore verso una tensione quasi continua. Il collegamento tra la costante di tempo τ = RC e la velocità di scarica del condensatore è osservabile direttamente sullo scope variando R_L e C.

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Collocazione curricolare

Il simulatore in sintesi

Il simulatore DC Power Supply ha tre tab operative:

• HALF-WAVE: schema circuitale con trasformatore, un diodo e filtro RC; tre mini-scope sovrapposti sotto lo schema mostrano ① secondario AC, ② segnale raddrizzato dopo il diodo, ③ tensione filtrata ai capi di R_L
• BRIDGE: stesso layout con ponte di Graetz a quattro diodi in matrice 2×2; gli scope mostrano ① secondario AC, ② raddrizzato a onda intera, ③ filtrato
• SCOPE: oscilloscopio a schermo intero con i tre segnali sovrapposti su scala fissa (0–74 V); toggle per ogni traccia, assi calibrati in V e ms

I parametri controllabili sono tre slider: tensione del secondario (6–50 V RMS), resistenza di carico R_L (100–5000 Ω), condensatore di filtro C (100–470 µF). La barra KPI in basso mostra V_secondary, V_peak, V_DC e Ripple% in tempo reale.

Funziona nel browser senza installazione, ottimizzato per LIM a 1280×720.

L'interfaccia in inglese tecnico supporta obiettivi CLIL e introduce il vocabolario internazionale di settore (rectifier, ripple, smoothing capacitor, bridge, half-wave) che gli studenti incontreranno su datasheet, standard IEC e documentazione professionale.

Vincoli noti del simulatore

• Il modello del condensatore è semplificato: carica istantanea verso il picco, scarica esponenziale RC. Non include la resistenza serie equivalente (ESR) del condensatore reale.
• Non è modellato il regolatore di tensione a valle (78xx o LDO): la V_DC mostrata è quella del filtro, non dell'uscita regolata.
• La caduta del diodo è fissa a 0,7 V (silicio standard). Diodi Schottky (≈0,3 V) e diodi al germanio (≈0,3 V) non sono selezionabili.
• Il trasformatore è modellato come sorgente ideale: non include resistenza di dispersione, induttanza di perdita né effetti di saturazione del nucleo.
• Il range del condensatore parte da 100 µF per evitare configurazioni con ripple > 100% che producono forme d'onda pedagogicamente fuorvianti.

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Fasi della lezione con il simulatore

Fase 1: Introduzione al problema (5 min)

Prima di aprire il simulatore: "Abbiamo la rete AC a 230 V, 50 Hz. Il trasformatore ci dà 12 V RMS sul secondario. Come otteniamo una tensione continua per alimentare un circuito digitale?"

Raccogliere le ipotesi degli studenti. Poi aprire il simulatore su HALF-WAVE con parametri default (12 V RMS, R_L = 1000 Ω, C = 100 µF).

Fase 2: Il diodo come raddrizzatore (10 min)

Tab HALF-WAVE. Chiedere agli studenti di leggere i tre scope da sinistra a destra:

• Scope ① (verde): sinusoide completa — è il secondario del trasformatore
• Scope ② (giallo): solo le semionde positive — cosa ha fatto il diodo alla parte negativa?
• Scope ③ (rosso): linea quasi piatta con leggera ondulazione — cosa fa il condensatore?

Variare V_secondario: tutti gli scope scalano insieme. Far notare che la sonda ① mostra il valore di picco (Vpk), non RMS.

Fase 3: Il condensatore di filtro (10 min)

Portare C al minimo (100 µF) e osservare lo scope ③: l'ondulazione diventa visibile. Aumentare gradualmente C fino a 470 µF: la curva rossa si appiattisce. Far leggere il KPI Ripple% in entrambi i casi.

Domanda guida: "Se τ = RC = 1000 × 100×10⁻⁶ = 0,1 s e il periodo di ripple è 20 ms (semionda a 50 Hz), τ è molto più grande del periodo: il condensatore fa in tempo a caricarsi e non si scarica quasi per niente tra un picco e l'altro."

Fase 4: Confronto semionda vs ponte (10 min)

Passare alla tab BRIDGE con gli stessi parametri. Far confrontare lo scope ② (giallo): non più semionde separate, ma onda intera con il doppio dei picchi al secondo. Far leggere V_DC e Ripple%: a parità di C, il ponte dà V_DC più alta e ripple% più basso.

"Perché il ponte è meglio? Perché il condensatore deve aspettare meno tra un picco e l'altro per ricaricarsi."

Fase 5: La caduta dei diodi (5 min)

Far notare la voce "Diode drop: 0.7 V × 2 = 1.4 V" nella sidebar. Far leggere V_peak (= V_secondario × √2) e V_DC: la differenza non è solo il ripple. "Ogni diodo in conduzione toglie 0,7 V: il ponte ne attraversa sempre due in serie, quindi -1,4 V fissi prima ancora del filtro."

Fase 6: Tab SCOPE e lettura dell'oscilloscopio (5 min)

Passare alla tab SCOPE. Mostrare i tre segnali sovrapposti su scale calibrate. Far riconoscere allo studente: "Questo è quello che vedreste all'oscilloscopio in laboratorio, con le sonde ai tre punti del circuito."

Usare i toggle per nascondere/mostrare i singoli segnali: esercizio di lettura strumento.

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Errori frequenti degli studenti

"V_DC è uguale a V_pk" Errore molto comune in 5ª ITIS alla prima introduzione ai raddrizzatori: lo studente confonde il picco con il valore medio in uscita. Il simulatore lo rende visibile: il KPI V_DC è sempre inferiore a V_pk, e la distanza aumenta con il ripple (basso C o alta R_L) e con la caduta dei diodi. Far leggere i due valori insieme e chiedere "perché non sono uguali?" è sufficiente per costruire la correzione.

"Il ponte è la semionda fatta due volte" In 5ª ITIS, prima di vedere il circuito completo, molti studenti credono che il ponte sia semplicemente "due diodi invece di uno" e che produca due semionde separate. Lo scope ② in tab BRIDGE mostra l'onda intera con la semionda negativa ribaltata verso l'alto: il ponte non aggiunge semionde, le inverte. La forma d'onda è continua, non interrotta.

"Il condensatore grande va sempre bene" In 5ª ITIS, quando si introduce il regolatore a valle o i limiti del condensatore reale, emerge la convinzione che un C più grande sia sempre migliore. Il simulatore non modella l'ESR né la corrente di picco di ricarica (che aumenta con C), ma la discussione può essere aperta: "Se C è enorme, cosa succede alla corrente istantanea quando il diodo entra in conduzione?" — collegamento con i fenomeni reali di usura dei diodi e distorsione armonica.

"Il ripple% è la stessa cosa per semionda e ponte" In fase di confronto topologie, alcuni studenti si aspettano che il ripple% sia uguale se si usano gli stessi R_L e C. Il simulatore mostra chiaramente che il bridge ha ripple% più basso: far leggere i KPI per entrambe le tab con gli stessi parametri e chiedere "perché?". La risposta è nella frequenza del segnale raddrizzato: 50 Hz (semionda) vs 100 Hz (ponte) — il condensatore si scarica meno spesso.

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Domande guida per la classe

• Perché il secondario del trasformatore è in AC e non in DC?
• Cosa fa il diodo alla parte negativa del segnale? Dove "va" quella energia?
• Perché la tensione in uscita non è esattamente V_pk anche dopo il filtro?
• Come cambierebbe il ripple se la frequenza di rete fosse 60 Hz invece di 50 Hz?
• Se il condensatore fosse di capacità infinita, quale sarebbe il ripple%?
• Cosa succede alla V_DC se R_L scende da 5000 Ω a 100 Ω a parità di C?
• Perché il ponte usa due diodi in serie in ogni percorso di conduzione invece di uno solo?
• Come riconosceresti all'oscilloscopio se il condensatore di filtro di un alimentatore è degradato?

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Esempi reali per ancorare il concetto

Alimentatore da banco (laboratorio di elettronica): Ogni alimentatore da banco del laboratorio scolastico contiene un trasformatore, un ponte di Graetz e un condensatore di filtro — spesso visibili aprendo il coperchio di un esemplare dismesso. La tensione DC stabile che l'alimentatore eroga è il risultato esatto di quello che il simulatore mostra.

Caricabatterie USB: I caricabatterie da parete contengono un trasformatore (o stadio switching), un raddrizzatore e un filtro. Il rumore che si sente a volte in un altoparlante vicino a un caricabatterie economico è il ripple a 100 Hz che supera il filtro e si propaga nell'audio.

Degrado del condensatore: Nei vecchi televisori CRT o nei monitor a tubo catodico, il degrado del condensatore di filtro dell'alimentatore causava instabilità dell'immagine o bande orizzontali. Il sintomo era il ripple che superava le tolleranze dei circuiti alimentati.

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Progettazione didattica assistita da AI

Questi prompt sono pronti per ChatGPT, Claude o qualsiasi LLM. Producono output calibrati perché partono dall'osservazione specifica fatta con il simulatore.

Concetti correlati: raddrizzatore, ponte di Graetz, filtro RC, ripple, alimentatore lineare, diodo al silicio, caduta di giunzione, costante di tempo, ondulazione residua, stabilizzatore di tensione.

Contenuto del simulatore: riferimento tecnico

Parametro	Range	Default	Note
V secondario (RMS)	6-50 V	12 V	V_pk = V_rms × √2
R_L carico	100-5000 Ω	1000 Ω	Resistenza puramente resistiva
C filtro	100-470 µF	100 µF	Condensatore elettrolitico ideale (no ESR)
Frequenza rete	50 Hz fisso	50 Hz	Standard europeo IEC
Caduta diodo	0,7 V fisso	—	Silicio standard; ponte = 1,4 V totali
Campionamento	200 campioni/ciclo	—	3 cicli visualizzati dopo 6 di warmup

Formule implementate nel modello:

$$V_{pk}=V_{rms}\cdot \sqrt{2}$$

$$V_{rect\_pk}=V_{pk}-n\cdot V_d(n=1\text{ semionda},n=2\text{ ponte})$$

$$V_{DC}=\overline{v_{filtered}(t)}\text{(media campionata)}$$

$$V_{ripple}=\max (v_{filtered})-\min (v_{filtered})\text{(seconda metaˋ finestra)}$$

$$\text{Ripple\%}=\frac{V_{ripple}}{V_{DC}}\times 100$$

Il modello del condensatore usa carica istantanea verso il picco e scarica esponenziale: if v > v_cap: v_cap = v; else v_cap *= exp(-dt/τ)

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Moduli collegati

• Trasformatore monofase — prerequisito diretto: il secondario del trasformatore è l'ingresso dell'alimentatore; gli effetti del rapporto di trasformazione sulla V_pk sono visibili
• Corrente alternata — prerequisito per V_rms, V_pk e la relazione √2; senza questo prerequisito la lettura dei KPI è meccanica
• Transitori RC — il condensatore di filtro è un'applicazione diretta del circuito RC; τ = RC come costante di scarica è il collegamento centrale
• Filtri RC/RLC — il filtro passa-basso RC è il meccanismo di smoothing: il condensatore "vede" il segnale raddrizzato ad alta frequenza (50 Hz o 100 Hz) e lo attenua