Τροφοδοτικές διατάξεις

Γενικά για τα τροφοδοτικά

Όλα τα ηλεκτρονικά κυκλώματα χρειάζονται μια πηγή παροχής ισχύος DC. Συνήθως οι ηλεκτρονικές συσκευές διαθέτουν από ένα τροφοδοτικό που μετατρέπει την εναλλασσόμενη τάση του δικτύου σε συνεχή. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται το μπλοκ διάγραμμα ενός τροφοδοτικού:

 

Μετασχηματιστής: Μετατρέπει την τάση δικτύου στην επιθυμητή τάση AC ώστε να έχουμε το κατάλληλο πλάτος DC. Σημείωση: οι ηλεκτρονικές συσκευές χρειάζονται χαμηλές τάσεις συνεχούς ρεύματος που κυμαίνονται μεταξύ 5V και 12V.

Ανορθωτής: Μετατρέπει την εναλλασσόμενη τάση σε συνεχή που χρειάζονται οι ηλεκτρονικές συσκευές.

Πυκνωτής: Το τροφοδοτικό πρέπει να είναι ικανό να αποθηκεύει ενέργεια. Η αποθήκη ενέργειας απαιτείται για τη μείωση της κυμάτωσης που εμφανίζεται μετά την ανόρθωση. Το εξάρτημα που αποθηκεύει την ενέργεια ονομάζεται πυκνωτής εξομάλυνσης και λειτουργεί με συνεχή τάση.

Σταθεροποιητής: Διατηρεί σταθερή τάση εξόδου ανεξάρτητα από τις μεταβολές της τάσης δικτύου και τις μεταβολές ρεύματος που απορροφούν τα φορτία.

Απλή ανόρθωση

Το βασικό κύκλωμα για την ημιανόρθωση ή την απλή ανόρθωση όπως λέγεται φαίνεται στο παρακάτω κύκλωμα:

 

Η AC τάση V_i = V_msinωt που παρέχει ο μετασχηματιστής από το δευτερεύον, η οποία είναι μια ημιτονοειδής τάση με μέγιστη τιμή V_m , εφαρμόζεται στο φορτίο, διαμέσου μιας διόδου σε σειρά μ' αυτό. Σε όλες σχεδόν τις περιπτώσεις, η τάση V_m είναι πολύ μεγάλη σε σύγκριση με την τάση γονάτου V_γ της διόδου και η αντίσταση της σε κατάσταση ορθής πόλωσης είναι πολύ μικρή σε σύγκριση με την αντίσταση φορτίου, γι' αυτό θεωρούμε την δίοδο ιδανική.

Κατά τη διάρκεια της θετικής ημιπεριόδου της τάσης V_i η δίοδος είναι ΟΝ και στο κύκλωμα ρέει η πρώτη ημιπερίοδος ενός ημιτονοειδούς ρεύματος με πλάτος I_m=V_m/R_L , όπου R_L η αντίσταση φορτίου. Κατά τη διάρκεια της αρνητικής ημιπεριόδου της τάσης V_i , η δίοδος είναι OFF, έτσι το ρεύμα είναι μηδέν και κατά συνέπεια η τάση στο φορτίο είναι μηδέν. Έτσι στο φορτίο εμφανίζεται μια μεταβαλλόμενη συνεχή τάση. Επειδή υπάρχει ρεύμα μόνο για το μισό της περιόδου, το κύκλωμα ονομάζεται ανορθωτής μισού κύματος.

Όταν συνδέσουμε ένα βολτόμετρο στα άκρα της αντίστασης φορτίου, αυτό θα δείξει τη μέση τιμή της μεταβαλλόμενης συνεχής τάσης στα άκρα της. Εφαρμόζοντας τα μαθηματικά, βρίσκουμε για την μέση τιμή της τάσης φορτίου μια τιμή ίση με V_dc=V_m/π. Η ενεργό τιμή της μεταβαλλόμενης τάσης, ορίζεται σαν εκείνη η τιμή σταθερής τάσης που εμφανίζει το ίδιο ποσό θερμότητας σε μια αντίσταση με τη πραγματική τάση κατά τη διάρκεια μιας περιόδου. Μαθηματικά βρίσκεται ίσο με V_rms=V_m/2.

Διπλή ανόρθωση ή ανόρθωση πλήρους κύματος

Με τη χρησιμοποίηση δυο διόδων, όπως δείχνει το παρακάτω σχήμα, μπορεί να γίνει διπλή ανόρθωση, στην οποία η μια δίοδος άγει στη θετική ημιπερίοδο, ενώ η άλλη άγει στην αρνητική ημιπερίοδο της AC τάσης εισόδου. Έτσι και στις δυο ημιπεριόδους το ρεύμα ρέει με την ίδια κατεύθυνση στην αντίσταση φορτίου. Για να γίνει αυτό πρέπει τα σήματα στις ανόδους των δυο διόδων να έχουν μεταξύ τους διαφορά φάσης ίση με 180⁰, πράγμα που μπορεί να γίνει με τη χρησιμοποίηση ενός μετασχηματιστή που έχει μεσαία λήψη στο δευτερεύον.

Εφαρμόζοντας τα μαθηματικά, βρίσκουμε τη μέση τιμή της συνεχούς τάσης της εξόδου, που είναι η ένδειξη ενός βολτομέτρου συνδεδεμένου στην αντίσταση φορτίου, ίση με V_dc=2V_m/π, όπου V_m το πλάτος της τάσης. Επίσης βρίσκουμε την ενεργό τάση της μεταβαλλόμενης συνεχής τάσης της εξόδου, ίση με V_rms=V_m/√2

Συγκρίνοντας τις σχέσεις βλέπουμε ότι η (μέση τιμή της) συνεχή τάσης εξόδου στη διπλή ανόρθωση είναι διπλάσια εκείνης της απλής ανόρθωσης.

Διπλή ανόρθωση με γέφυρα

Είναι δυνατό να πετύχουμε διπλή ανόρθωση με χρήση μετασχηματιστή χωρίς μεσαία λήψη στο δευτερεύον, χρησιμοποιώντας τέσσερις διόδους ανόρθωσης όπως φαίνεται στο σχήμα:

 

Κατά τη θετική ημιπερίοδο της AC τάσης με πολικότητα όπως φαίνεται στο σχήμα, οι δίοδοι D₂ και D₄ άγουν. Στην επόμενη αρνητική ημιπερίοδο, η AC τάση του δευτερεύοντος, αλλάζει πολικότητα και άγουν οι δίοδοι D₁ και D₃. Αποτέλεσμα είναι ότι και στις δυο ημιπεριόδους, το ρεύμα διαρρέει την αντίσταση φορτίου με την ίδια κατεύθυνση, εμφανίζοντας στα άκρα της συνεχή τάση, μέσης τιμής ίση με V_dc=2V_m/π, ένώ η ενεργός τιμή της είναι V_rms=V_m/√2.

Φίλτρα πυκνωτών

Επειδή στην έξοδο του ανορθωτή η τάση αν και είναι συνεχής, παρουσιάζει κυμάτωση, απαιτείται πρόσθετη βαθμίδα φιλτραρίσματος.  Ο κύριος τρόπος φιλτραρίσματος πραγματοποιείται με παράλληλη σύνδεση ενός πυκνωτή με το φορτίο. Ο πυκνωτής αποθηκεύει ενέργεια κατά τη διάρκεια της περιόδου που η δίοδος άγει και αποδίδει την ενέργεια στο φορτίο κατα τη διάρκεια της περιόδου που η δίοδος δεν άγει.

Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται ένα κύκλωμα απλής ανόρθωσης που περιλαμβάνει ένα πυκνωτή φιλτραρίσματος.

Κατά τη διάρκεια της θετικής ημιπεριόδου, που η δίοδος άγει, μεταξει των χρονικών στιγμών t₁ και t₂, ο πυκνωτής φορτίζεται ενώ ταυτόχρονα παρέχεται τάση στο φορτίο. Στο χρονικό διάστημα μεταξύ t₂ έως t₃ η τάση στο πυκνωτή είναι μεγαλύτερη από την τάση στην έξοδο του ανορθωτή, με αποτέλεσμα η δίοδος να μην άγει, ενώ ταυτόχρονα ο πυκνωτής να εκφορτίζεται δια μέσω της αντίστασης του φορτίου, περιορίζοντας την κυμάτωση.

Επειδή κατά την εκφόρτηση του πυκνωτή, η τάση στα άκρα του μειώνεται εκθετικά, στο φορτίο εμφανίζεται λίγη κυμάτωση, πολύ μικρότερη με εκείνη αν ο πυκνωτής δεν υπήρχε. Για να περιορίσουμε την κυμάτωση περεταίρω, ένας τρόπος είναι μειώνοντας τη διάρκεια εκφόρτισης του πυκνωτή χρησιμοποιώντας διπλή ανόρθωση, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

Αν η συνολική τάση εκφόρτησης του πυκνωτή (τάση κυμάτωσης) συμβολιστεί με V_r τότε από το σχήμα προκύπτει κατά προσέγγιση η μέση τική της τάσης στο φορτίο ίση με: V_dc = V_m - V_r/2

Αν Τ₁ παριστάνει το συνολικό χρόνο που η δίοδος αποκόπτεται, ο πυκνωτής θα χάσει ένα ποσό φορτίου ίσο με Q₁=I_dcT₁. Έτσι για τη μεταβολή της τάσης V_r έχουμε: C=Q₁/V_r => V_r=I_dcT₁/C

Από την προηγούμενη σχέση βλέπουμε ότι, η τάση κυμάτωσης είναι μικρότερη όσο ο χρόνος εκφόρτησης του πυκνωτή είναι μικρότερος και όσο μεγαλύτερη είναι η χωρητικότητα του πυκνωτή. Καταλαβαίνουμε ότι στη διπλή ανόρθωση η κυμάτωση είναι περίπου η μισή από ότι στην απλή ανόρθωση για το λόγο ότι ο χρόνος εκφόρτησης του πυκνωτή εξομάλυνσης πέφτει σχεδόν στο μισό.

Μπορούμε να πετύχουμε καλύτερη εξομάλυνση της κυματομορφής εξόδου, αν χρησιμοποιήσουμε περισσότερα από ένα στοιχεία αποθήκευσης ενέργειας, π.χ. πηνίο με μεγάλη τιμή αυτεπαγωγής σε σειρά με το φορτίο.

Διατάξεις σταθεροποίησης

Για να αποφύγουμε την κύματωση αλλά και να μπορέσουμε να ρυθμίσουμε την τάση εξόδου στο φορτίο, χρησιμοποιούμε διατάξεις σταθεροποίησης με ενεργά εξαρτήματα. Οι διατάξεις σταθεροποίησης χωρίζονται σε δυο κατηγορίες. Στις διατάξεις σταθεροποίησης τάσης, που συμπεριφέρονται σαν πηγές σταθερής τάσης και στις διατάξεις σταθεροποίησης ρεύματος, που συμπεριφέρονται σαν πηγές σταθερού ρεύματος. Στην ιδανική τους μορφή έχουν, οι πρώτες μηδενική εσωτερική αντίσταση και οι δεύτερες άπιρη εσωτερική αντίσταση.

Η σταθεροποίηση της τάσης DC επιτυγχάνεται συνήθως με κατάλληλα κυκλώματα που συνδέονται παράλληλα ή σε σειρά με το φορτίο του τροφοδοτικού ή με κυκλώματα ηλεκτρονικών διακοπτών ελεγχόμενης αγωγιμόπτητας, τα λεγόμενα switching regulators.

Σταθεροποίηση με ακόλουθο εκπομπού

Το κύκλωμα του παρακάτω σχήματος είναι ένα παράδειγμα σταθεροποίησης με ακόλουθο εκπομπού. Ένα τρανζίστορ ισχύος συνδέεται σε σειρά με το φορτίο κατά μήκος των ακροδεκτών συλέκτη - εκπομπού, ενώ η βάση του συνδέεται σε μια τάση αναφοράς που δημιουργείται με μια δίοδο Zener και μια αντίσταση.

Η DC τάση εξόδου είναι V_out=V_z+V_BE. Αυτή η τάση είναι σταθερή ίση με την τάση Zener συν την τάση V_BE του τρανζίστορ που έχουν σταθερή τιμή. Αν η τάση V_in μεταβληθεί η τάση Zener παραμένει σχεδόν σταθερή και κατά συνέπεια σταθερή μένει και η τάση εξόδου.

Το ρεύμα που διαρρέει την δίοδο Zener γράφεται: I_Z = I_R - I_B. Για να λειτουργήσει η δίοδος στην περιοχή Zener πρέπει I_Z > 0 δηλαδή I_R>I_B. Επειδή I_R = (V_in-V_Z)/R και Ι_Β=Ι_C/β προκύπτει ότι R < β(V_in-V_Z)/I_C

Διάταξη σταθεροποιητή αρνητικής ανάδρασης

Στο παρακάτω σχήμα δίνεται ένα κύκλωμα σταθεροποιητή αρνητικής ανάδρασης:

 

Το τρανζίστορ Τ₂ ενεργεί σαν ακόλουθος εκπομπού. Το τρανζίστορ Τ₁ είναι μέρος του βρόγχου αρνητικής ανάδρασης. Εδώ μέρος της τάσης εξόδου V_F συγκρίνεται με την τάση αναφορά V_Z. To T₁ ενισχύει τη διαφορά V_F - V_R και τροφοδοτεί τη βάση του Τ₂.

Υποθέτουμε ότι η τάση φορτίου αυξάνει. Η τάση αρνητικής ανάδρασης V_F θα αρχίσει να αυξάνει. Ενώ η τάση εκπομπού του Τ₁ κρατείται σταθερή από την δίοδο Zener, περισσότερο ρεύμα περνάει μέσα από το Τ₁ και από την αντίσταση R₃. Αυτό μειώνει την τάση βάσης του Τ₂. Σαν αποτέλεσμα έχουμε μείωση της τάσης εκπομπού του Τ₂ αντισταθμίζοντας έτσι την αύξηση στην τάση φορτίου.

Εάν η τάση φορτίου ελαττώνεται η τάση ανάδρασης V_F ελαττώνεται. Αυτό περιορίζει το ρεύμα μέσα από το Τ₁ και R₃. Η υψηλότερη τάση στη βάση του T₂ αυξάνει την τάση εκπομπού του Τ₂ και στη συνέχεια αντισταθμίζει την πραγματική ελάττωση στη τάση φορτίου.

Κατά τη λειτουργία του κυκλώματος, ισχύει V_F=V_Z+V_BE. Το ρεύμα μέσα από την αντίσταση R₁ θα είναι Ι₁=V_F/R₁=(V_Z+V_BE)/R₁ . Όμως το ρεύμα βάσης του Τ₁ είναι πολύ μικρό και μπορούμε να το θεωρήσουμε μηδενικό. Επομένως το ρεύμα που θα διαρρέει την R₂ είναι το ίδιο με εκείνο της R₁ δηλαδή ίσο με I₁. Συνάγουμε ότι η τάση εξόδου είναι V_out=(R₁+R₂)I₁ => V_out=(V_Z+V_BE)(R₁+R₂)/R₁. Βλέπουμε ότι η τάση εξόδου έχει σταθερή τιμή και ρυθμίζεται από τον λόγο (R₁+R₂)/R₁. 

Περιοριστής ρεύματος

Αν στο κύκλωμα της προηγούμενης παραγράφου βραχυκυκλώσουμε το φορτίο, θα έχουμε ένα τεράστιο ρεύμα μέσα από το T₂. To T₂ ή η δίοδος ανόρθωσης ή και τα δυο θα καταστραφούν. Για να αποφύγουμε αυτές τις πιθανότητες χρησιμοποιούμε το κύκλωμα του παρακάτω σχήματος:

 

Για φυσιολογικά ρεύματα η τάση στην αντίσταση R₄ είναι μικρή και το τρανζίστορ Τ₃ δεν άγει. Με αυτές τις συνθήκες ο σταθεροποιητής δουλεύει όπως περιγράψαμε. Αν όμως έχουμε υπερβολικό ρεύμα φορτίου τότε η τάση κατά μήκος της R₄ γίνεται αρκετά μεγάλη οπότε άγει το τρανζίστορ Τ₃. Το ρεύμα συλλέκτη του Τ₃ περνά μέσα από την R₃. Αυτό ελαττώνει την τάση βάσης του Τ₂ και το κάνει σχεδόν μη αγώγιμο για να προλάβει τη βλάβη.

Στο σχήμα ο περιοριστής ρεύματος αρχίζει όταν η τάση κατά μήκος της R₄ γίνει περίπου 0,6 ή 0,7V. Σ' αυτό το σημείο το τρανζίστορ T₃ ανοίγει και ελαττώνει την τάση του Τ₂. Αν R₄=1Ω ο περιοριστής ρεύματος αρχίζει όταν το ρεύμα φορτίου είναι 600 ή 700mA. Διαλέγοντας άλλες τιμές για την R₄ μπορούμε να αλλάξουμε το επίπεδο τη περιοριστή ρεύματος.