Diodi negli impianti analogici in corrente continua e loro applicazioni

(a cura di Edgardo Rosatti)

Il diodo è un componente elettronico semiconduttore allo stato solido in grado di lasciar passare la corrente elettrica solo in un unico senso.
È come una valvola che si apre in modo unidirezionale.
Il diodo è composto da un anodo ed un catodo dove la corrente scorre sempre tra anodo e catodo e mai viceversa.
Tuttavia, esistono diversi tipi di diodi in grado di svolgere diverse funzioni.
In questa descrizione esamineremo solo i diodi al silicio della famiglia 1N4000 che sono i più indicati in ambito fermodellistico.
Un comune diodo al silicio come l'1N4007 ha una struttura molto semplice come un piccolo cilindro provvisto di due fili; l'anodo ed il catodo.
Nell'immagine è visibile anche il disegno elettrico che è formato da una freccia seguita da una linea verticale.
La corrente scorrerà solo nel senso della freccia e non potrà fare un percorso inverso.

La caduta di tensione di un diodo.
Tutti i diodi hanno una caduta di tensione che dipende dal tipo di diodo utilizzato (anche per i led).
Questo vuol dire che se applichiamo una tensione nota ad un diodo, alla sua uscita avremo una tensione pari alla tensione di ingresso meno la tensione di caduta.
Facciamo un esempio: il diodo 1N4007 ha una caduta di tensione di circa 0,7 Volt e se lo alimentiamo con 12 Volt avremo alla sua uscita una tensione pari a 12-0,7 Volt, cioè 11,3 Volt.
Uso pratico dei diodi in un plastico.
Questa è la parte più interessante e descrive come usare i diodi in un impianto analogico per ottimizzare alcune funzioni di traffico ferroviario.
La prima applicazione e la più semplice è la protezione di un binario morto provvisto di sezionamento.
Un diodo posto come in figura (A) consente di manovrare una loco che viaggia verso il paracarro evitando che si scontri su di esso anche se ci si dimentica di fermarla.
Il diodo arresta la motrice dopo che questa ha oltrepassato il sezionamento in blu, in quanto non lascerà più passare l'alimentazione elettrica.
Invertendo la polarità dell'alimentatore, la motrice potrà ripartire verso la linea in quanto il diodo così polarizzato lascerà passare corrente.

Una versione evoluta dello schema è visibile in (B).
Qui un interruttore posto tra il sezionamento ed un polo dell'alimentatore consente di escludere il diodo e di poter manovrare la motrice a piacimento all'interno del tronchino.
Un atro esempio che usa un solo diodo è quello su un sezionamento di piena linea protetto da un segnale.
È noto che nella realtà il macchinista deve osservare e rispettare i segnali presi di fronte e mai presi di spalle.
In fermodellismo, se un segnale con sezionamento posto a via impedita viene preso di spalle, la loco si fermerebbe per la presenza del sezionamento stesso.
Per ovviare a questo inconveniente è possibile usare il diodo tra il sezionamento e la rotaia di corsa per permettere il transito del treno in senso opposto.
Se il commutatore è aperto (segnale rosso) il treno si ferma solo se transita da A verso B.
Viceversa, il treno non verrà influenzato dal sezionamento se transita da B ad A e sarà in grado di percorrere il sezionamento indipendentemente dalla posizione del commutatore per la presenza del diodo.
È la stessa tecnica del binario morto applicata al sezionamento con segnale.

In questi due semplici schemi, è possibile fare determinate manovre che non sempre potrebbero essere richieste dal modellista.
Per es. nel tronchino protetto dal diodo, una motrice non può manovrare liberamente senza influire sul resto del tracciato.
Immaginiamo di applicare lo schema al plastico Carnate Usmate per il circuito ad otto; supponendo di utilizzare un diodo nel tronchino del carico bestiame, non sarebbe possibile effettuare le manovre con più di una loco su quel tratto di tracciato.
Carnate va bene così come è stato progettato!
Un'altra applicazione interessante dei diodi è il ponte raddrizzatore ponte raddrizzatore, chiamato anche "ponte di Graetz".

Il ponte raddrizzatore è formato da 4 diodi come visibile in figura.
Lo scopo principale è quello di raddrizzare la corrente, cioè di trasformare una corrente alternata in una continua.
È possibile usarlo anche per raddrizzare una corrente continua senza preoccuparsi di come si collegano positivo e negativo su Vin che è l'ingresso del ponte.
Il funzionamento è molto semplice; applicando una corrente qualsiasi sui poli Vin (continua o alternata), alla sua uscita Vout avremo sempre una corrente continua con i poli positivo e negativo noti.
Se si seguono le frecce dei quattro diodi, è facile intuire il percorso che seguirà la corrente all'interno del ponte. All'inizio è stato introdotto il concetto di caduta di tensione ed è stato evidenziato che un comune diodo al silicio presenta una caduta di 0,7 Volt.
In un ponte di diodi va tenuta in considerazione, in quanto avendo 4 diodi ci ritroveremo con una caduta di 0,7 x 4 = 2,8 Volt se alimentati in corrente continua.
In corrente alternata sarà della metà, in quanto i diodi vengono attraversati dalla corrente solo due alla volta.
Siccome a noi interessa usare il ponte in corrente continua, avremo che se si applica in ingresso una tensione di 12 Volt, ci ritroveremo alla sua uscita 9,2 Volt (12-2,8).
Dopo questa premessa sul funzionamento del ponte di diodi, vediamo come utilizzarlo in un tracciato ferroviario che usa un cappio di ritorno monodirezionale.

Il circuito in figura è provvisto di cinque diodi 1N4007; quattro formano un ponte raddrizzatore collegato all'alimentatore del treno e al cappio che è isolato dal tracciato, e uno è posto come protezione in uscita tra le rotaie del sezionamento.
L'alimentatore è collegato anche direttamente al tratto A che si immette nel cappio.
Alimentando il tracciato con positivo e negativo come in figura, la motrice parte da A e impegna lo scambio in deviata facendola entrare nel cappio in senso antiorario.
Quando attraversa il primo sezionamento, si trova sul cappio che è polarizzato dal ponte di diodi per farla transitare sempre e solo in senso antiorario.
Quindi la motrice prosegue il suo percorso sul cappio e arriva sul sezionamento in uscita che la immette di nuovo nella linea (verso A), il quale non le consentirebbe di proseguire in quanto si trova con i poli dell'alimentatore invertiti.
Qui viene in aiuto il diodo di protezione che evita il corto circuito e ferma la motrice sul sezionamento.
Agendo sulla manopola dell'alimentatore, si invertire la polarità (quindi il senso di marcia) e la motrice è in grado di uscire liberamente dal cappio per tornare al punto A.
Questo schema ha una limitazione, che è quella di consentire al treno di circolare all'interno del cappio solo in un senso.
Per avere la possibilità di operare in entrambi i sensi di marcia, il cappio deve essere alimentato direttamente dall'alimentatore, posizionando il ponte di diodi verso il tratto di ingresso come evidenziato nella figura successiva.
Inoltre va aggiunto un semplice invertitore tra il ponte ed il tratto A.

Notare che rispetto allo schema precedente il diodo di protezione ed il sezionamento relativo sono stati eliminati, in quanto non servono più.
Con questo schema, l'anello del cappio B può essere alimentato indipendentemente dalla linea A ed è quindi possibile effettuare inversioni di marcia al suo interno.
L'invertitore permette di gestire il movimento del treno in avanti e indietro nel tratto A indipendentemente dal cappio grazie al ponte di diodi che alimenta A sempre con una polarità nota.
In entrambi gli schemi, i treni circolanti nei tratti di linea alimentati dal ponte di diodi subiranno un lieve calo di velocità dovuta alla caduta di tensione dei diodi.
La procedura di comando in questo schema prevede l'impostazione dell'invertitore per l'ingresso del treno nel cappio con la manopola dell'alimentatore verso destra.
Il treno entra nel cappio e lo percorre per intero, in quanto il ponte polarizza automaticamente i binari per il senso di marcia corretto.
Ora che il treno è nel cappio B, basta azionare nuovamente l'invertitore ed il treno potrà uscire liberamente, in quanto troverà la corretta alimentazione.
L'invertitore usato, è formato da un comune doppio deviatore a levetta a 6 poli collegato come in figura:

I collegamenti al deviatore sono visti da dietro.
L'ultimo schema che può essere adottato per gestire un cappio di ritorno e che non prevede l'uso dei diodi è formato da due alimentatori indipendenti.

Questo sistema è il più semplice dal punto di vista elettrico, ma il meno economico.
Inoltre va prestata molta attenzione al comando degli alimentatori i quali dovranno essere usati in modo sincronizzato per evitare che la motrice crei un corto circuito nel momento in cui attraversa le scarpette isolanti.
Ecco la procedura per il transito di un treno su questo cappio. Partendo da A le manopole di entrambi gli alimentatori devono essere ruotate verso destra.
A questo punto il treno impegna lo scambio ed entra nel cappio.
Quando il treno si trova in B, invertire il senso di marcia dell'alimentatore di linea ruotando la manopola verso sinistra e a questo punto il treno potrà transitare nuovamente sul tratto A.
I TRIANGOLI DI RITORNO.
I triangoli di ritorno sono molto simili ai cappi di ritorno e usano un tracciato ferroviario differente.
Essi sono chiamati anche stella o cappello di prete.
La loro funzione è quella di invertire la posizione di una motrice o di un convoglio nel tracciato esattamente come farebbe un cappio di ritorno o una piattaforma girevole.

Questo schema è percorribile in tutte le direzioni e parte con la motrice posizionata in A.
Ruotando la manopola dell'alimentatore verso sinistra, il treno si porta in B.
Per percorrere il tratto B-C è necessario ruotare verso destra la manopola, il treno trova il sezionamento in blu controllato dall'invertitore collegato al ponte di diodi.
L'alimentatore controlla la marcia sull'intero tracciato e l'invertitore controlla la marca solo sul sezionamento.
Posizionando l'invertitore in modo che la motrice possa percorrere B-C, il treno raggiunge C e può ripartire verso A con posizione inversa per liberare il triangolo.
Tutti gli schemi proposti sino ad ora sono validi per motrici alimentate direttamente dai binari di corsa e che non fanno uso di una linea aerea funzionante.
Purtroppo non è possibile adattare questi circuiti agli impianti che usano la linea aerea, in quanto le prese di corrente delle motrici che usano questa caratteristica sono asimmetriche.
In figura vi è un esempio di cappio con treni che usano la linea aerea dove vengono evidenziate le limitazioni in oggetto.

Una motrice equipaggiata di pantografo, ha le prese di corrente collegate alla rotaia destra e alla linea aerea.
L'alimentatore avrà i cavi collegati come in figura.
È evidente come sia impossibile mantenere una corretta alimentazione sulla rotaia destra dopo che la motrice percorre per intero il cappio di ritorno.
In queste condizioni la motrice non potrà mai funzionare.
A meno che non vengano usati accorgimenti molto complessi, la linea aerea potrà essere utilizzata solo per una funzione estetica.
Edgardo Rosatti

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