ΓΙΠΛΧΜΑΣΙΚΗ ΔΡΓΑΙΑ. ηνπ Φνηηεηή ηνπ Σκήκαηνο Ηιεθηξνιφγσλ Μεραληθψλ θαη Σερλνινγίαο Τπνινγηζηψλ ηεο Πνιπηερληθήο ρνιήο ηνπ Παλεπηζηεκίνπ Παηξψλ

Transcript

1 ΓΙΠΛΧΜΑΣΙΚΗ ΔΡΓΑΙΑ ηνπ Φνηηεηή ηνπ Σκήκαηνο Ηιεθηξνιφγσλ Μεραληθψλ θαη Σερλνινγίαο Τπνινγηζηψλ ηεο Πνιπηερληθήο ρνιήο ηνπ Παλεπηζηεκίνπ Παηξψλ ΝΙΚΟΛΑΚΗ ΝΙΚΟΛΑΟΤ Α.Μ.: Μειέηε θαη θαηαζθεπή ειεθηξνληθνύ κεηαηξνπέα ηζρύνο γηα ηελ νδήγεζε καγλεηνξενινγηθήο αλάξηεζεο Δπηβιέπσλ: Γξ.-Μερ. Δπακεηλψλδαο Μεηξνλίθαο, Δπίθνπξνο Καζεγεηήο Ν ν /2014 Πάηξα, Ινχιηνο 2014

2

3 ΠΙΣΟΠΟΙΗΗ Πηζηνπνηείηαη όηη ε δηπισκαηηθή εξγαζία κε ζέκα: «ΜΔΛΔΣΗ ΚΑΙ ΚΑΣΑΚΔΤΗ ΗΛΔΚΣΡΟΝΙΚΟΤ ΜΔΣΑΣΡΟΠΔΑ ΙΥΤΟ ΓΙΑ ΣΗΝ ΟΓΗΓΗΗ ΜΑΓΝΗΣΟΡΔΟΛΟΓΙΚΗ ΑΝΑΡΣΗΗ» ηνπ θνηηεηή ηνπ Σκήκαηνο Ηιεθηξνιφγσλ Μεραληθψλ θαη Σερλνινγίαο Τπνινγηζηψλ ηεο Πνιπηερληθήο ρνιήο ηνπ Παλεπηζηεκίνπ Παηξψλ ΝΙΚΟΛΑΚΗ ΝΙΚΟΛΑΟΤ (Α.Μ ) Παξνπζηάζηεθε δεκφζηα θαη εμεηάζηεθε ζην Σκήκα Ηιεθηξνιφγσλ Μεραληθψλ θαη Σερλνινγίαο Τπνινγηζηψλ ζηηο 17/07/2014 Ο Δπηβιέπσλ Ο Γηεπζπληήο ηνπ Σνκέα Μεηξνλίθαο Δπακεηλψλδαο Δπίθνπξνο Καζεγεηήο Αληψληνο Αιεμαλδξίδεο Καζεγεηήο iii

4 iv

5 Αξηζκόο Γηπισκαηηθήο Δξγαζίαο: /2014 ΣΙΣΛΟ: "ΜΔΛΔΣΗ ΚΑΙ ΚΑΣΑΚΔΤΗ ΗΛΔΚΣΡΟΝΙΚΟΤ ΜΔΣΑΣΡΟΠΔΑ ΙΥΤΟ ΓΙΑ ΣΗΝ ΟΓΗΓΗΗ ΜΑΓΝΗΣΟΡΔΟΛΟΓΙΚΗ ΑΝΑΡΣΗΗ" Φνηηεηήο: Δπηβιέπσλ: Νηθνιάθεο Νηθφιανο Γξ.-Μερ. Μεηξνλίθαο Δπακεηλψλδαο, Δπίθνπξνο Καζεγεηήο Πεξίιεςε θνπφο ηεο παξνχζαο εξγαζίαο είλαη ε κειέηε θαη θαηαζθεπή ελφο κεηαηξνπέα ηζρχνο γηα ηελ νδήγεζε αλαξηήζεσο απνηεινχκελεο απφ καγλεηνξενινγηθφ πγξφ. ηελ αξρή, γίλεηαη κία ηζηνξηθή αλαδξνκή ζηηο εμειίμεηο ζην ρψξν ησλ αλαξηήζεσλ. Καηφπηλ, αλαθέξνληαη ηα ραξαθηεξηζηηθά ησλ καγλεηνξενινγηθψλ πγξψλ θαη ησλ αληίζηνηρσλ αλαξηήζεσλ, κε παξαδείγκαηα εθαξκνγήο ηνπο ζηελ απηνθηλεηνβηνκεραλία. ηε ζπλέρεηα, παξνπζηάδνληαη ηα βαζηθά ραξαθηεξηζηηθά ησλ ηξνθνδνηηθψλ ηζρχνο, θαζψο θαη ηα ζπγθξηηηθά πιενλεθηήκαηα θαη κεηνλεθηήκαηά ηνπο. Έπεηηα παξνπζηάδνληαη νη βαζηθφηεξεο δηαηάμεηο κεηαηξνπέσλ ηζρχνο θαη ηα ραξαθηεξηζηηθά ηνπο, ηα νπνία ζα ρξεζηκεχζνπλ ζηελ επηινγή ηεο θαηάιιειεο δηάηαμεο γηα ηελ παξνχζα εθαξκνγή. Αθνινπζεί ε παξνπζίαζε ηεο ζεσξεηηθήο κειέηεο ηεο δηάηαμεο forward, ε νπνία θαη επηιέρζεθε, σο θαηαιιειφηεξε, θαη νη πξνζνκνηψζεηο ζην πξφγξακκα Matlab, κε ηηο αληίζηνηρεο εηθφλεο θαη πεηξακαηηθέο ηηκέο. Σέινο, πεξηγξάθεηαη ε δηαδηθαζία ζρεδηαζκνχ θαη θαηαζθεπήο ηεο πιαθέηαο ηζρχνο. v

6 vi

7 Abstract The purpose of this diploma thesis is the design and construction of a power converter to drive a magnetorheological suspension. At the beginning, historical developments in the field of suspension are presented. Then, the characteristics of magnetorheological fluids and related suspension systems are described, with examples of their application in the automotive industry. Afterwards, it follows an analysis of the key features of the power supplies, along with their comparative advantages and disadvantages. Subsequently, the main power converters and their characteristics are discussed, which will be used in selecting the appropriate device for this application. In the following paragraphs, the theoretical study of the device forward, which was selected, as appropriate, is analyzed and simulated with Matlab application. The corresponding images and experimental values are presented also. Finally, the design and construction of the power converter board circuit is presented. vii

8 viii

9 Πξόινγνο Η παξνχζα δηπισκαηηθή εξγαζία εθπνλήζεθε θαηά ην αθαδεκατθφ έηνο ζην Δξγαζηήξην Ηιεθηξνκεραληθήο Μεηαηξνπήο Δλέξγεηαο ηνπ Σκήκαηνο Ηιεθηξνιφγσλ Μεραληθψλ θαη Σερλνινγίαο Τπνινγηζηψλ ηνπ Παλεπηζηεκίνπ Παηξψλ. Αληηθείκελν ηεο εξγαζίαο είλαη ε κειέηε θαη θαηαζθεπή ειεθηξνληθνχ κεηαηξνπέα ηζρχνο γηα ηελ νδήγεζε καγλεηνξενινγηθήο αλάξηεζεο. Απψηεξνο ζθνπφο είλαη ε πινπνίεζε ελφο ζπζηήκαηνο καγλεηνξενινγηθήο αλάξηεζεο ειεγρφκελν απφ κία ειεθηξνληθή δηάηαμε ηζρχνο, πάλσ ζε έλα φρεκα. Δίζνδνο ηνπ ζπζηήκαηνο απνηειεί ε κπαηαξία ησλ 12V πνπ βξίζθεηαη ζε έλα απηνθίλεην θαη ζα πξνζνκνησζεί κε έλα ηξνθνδνηηθφ ησλ 12V. Καηά ηε δηάξθεηα ηεο εξγαζίαο πξαγκαηνπνηήζεθε ζπγθξηηηθή κειέηε ησλ δηαθφξσλ κεηαηξνπέσλ ηζρχνο πξνθεηκέλνπ λα επηιερζεί ε βέιηηζηε ιχζε. Έπεηηα, έγηλε πξνζνκνίσζε ηνπ επηιερζέληνο κεηαηξνπέα κε δνθηκέο ζε έλα σκηθν-επαγσγηθφ θνξηίν. Δπηπιένλ, έγηλε κειέηε θαη θαηαζθεπή ηνπ απαξαίηεηνπ κεηαζρεκαηηζηή γηα ηε δηάηαμε ηζρχνο. Σέινο, έγηλε ν ζρεδηαζκφο θαη ε πινπνίεζε ηνπ ηππσκέλνπ θπθιψκαηνο. ηα αθφινπζα θεθάιαηα παξνπζηάδεηαη ε πνξεία πνπ αθνινπζήζεθε πξνο ηελ θαηαζθεπή ηνπ κεηαηξνπέα. ην θεθάιαην 1 πεξηγξάθνληαη νη ηζηνξηθέο εμειίμεηο ηνπ ζπζηήκαηνο αλαξηήζεσο. Αλαθέξνληαη νη ιφγνη πνπ ρξεζηκνπνηείηαη θαη ηα δηάθνξα είδε πνπ ρξεζηκνπνηήζεθαλ θαη ρξεζηκνπνηνχληαη κέρξη ζήκεξα. ην θεθάιαην 2 γίλεηαη κία πεξηγξαθή ησλ καγλεηνξενινγηθψλ πγξψλ, ησλ ηδηνηήησλ ηνπο θαη ησλ εθαξκνγψλ ηνπο. ην θεθάιαην 3 αλαιχεηαη ε ρξήζε ηεο καγλεηνξενινγηθήο αλάξηεζεο θαη αλαθέξνληαη εθαξκνγέο ηεο ζηελ απηνθηλεηνβηνκεραλία. ηα θεθάιαηα 4 θαη 5 πεξηγξάθνληαη ηα ηξνθνδνηηθά ηζρχνο θαη νη θπξηφηεξεο ηνπνινγίεο κεηαηξνπέσλ πνπ ρξεζηκνπνηνχληαη ζήκεξα. ην θεθάιαην 6 αλαιχεηαη ν κεηαηξνπέαο Forward θαη ππνινγίδνληαη νη ζεσξεηηθέο ηηκέο ησλ ζηνηρείσλ ηνπ. ην θεθάιαην 7 παξνπζηάδεηαη ε πξνζνκνίσζε ηνπ κεηαηξνπέα θαη νη δηάθνξεο θπκαηνκνξθέο ηνπ. ην θεθάιαην 8 παξνπζηάδεηαη ε επηινγή ησλ εκηαγσγηθψλ ζηνηρείσλ θαη ησλ ςπθηηθψλ ηνπο. ην θεθάιαην 9 πεξηγξάθεηαη ε δηαδηθαζία ζρεδηαζκνχ ηνπ ηππσκέλνπ θπθιψκαηνο. Σέινο, ζην θεθάιαην 10 παξνπζηάδεηαη ε πινπνίεζε ηεο δηάηαμεο ηνπ κεηαηξνπέα ζπάλσ ζηελ πιαθέηα. ix

10 Δπραξηζηίεο Ξεθηλψληαο, ζα ήζεια λα εθθξάζσ ηελ επγλσκνζχλε κνπ πξνο ηνπο Δπίθνπξνπο Καζεγεηέο θ. Δπακεηλψλδα Μεηξνλίθα θαη θ. Παληειή Νηθνιαθφπνπιν γηα ηελ επθαηξία πνπ κνπ έδσζαλ λα ζπλεξγαζηψ καδί ηνπο. Πην ζπγθεθξηκέλα, ζα ήζεια λα επραξηζηήζσ ηνλ θ. Παληειή Νηθνιαθφπνπιν γηα ηελ αλάζεζε κέξνπο ηεο έξεπλάο ηνπ γηα δηπισκαηηθή κνπ εξγαζία. Αλ θαη πξέπεη λα αθηεξψζσ ιίγεο γξακκέο, δελ είλαη αξθεηέο γηα λα επραξηζηήζσ ηνλ Δπηβιέπνληα Καζεγεηή κνπ θ. Δπακεηλψλδα Μεηξνλίθα, πνπ κε ηηο ζπκβνπιέο ηνπ θαη ηελ ππνζηήξημή ηνπ πινπνηήζεθε ε παξνχζα εξγαζία. Σνλ επραξηζηψ, πνπ κνπ αλέζεζε ηελ εξγαζία απηή θαη κνπ έδσζε ηε δπλαηφηεηα λα αζρνιεζψ κε ηελ θαηαζθεπή πιαθέηαο θαη λα δνθηκάζσ ηηο δπλαηφηεηεο πνπ κνπ έδσζε ε ζρνιή απηά ηα ρξφληα, ζε πξαθηηθφ επίπεδν. Οη ζπκβνπιέο ηνπ θαη νη παξνηξχλζεηο ηνπ, κε σζνχζαλ λα αλαδεηψ λέα πξάγκαηα ζηε βηβιηνγξαθία, κε ζηφρν ηελ πιεξέζηεξε ζπγγξαθή ηεο εξγαζίαο απηήο. Δπραξηζηψ ηνλ Καζεγεηή θ. Δκκαλνπήι Σαηάθε, θαηαξράο γηα ηε δηδαζθαιία ηνπ ζηα πξνπηπρηαθά καζήκαηα ηνπ ηνκέα θαη γηα φιεο ηηο θνξέο πνπ δήηεζα ηε βνήζεηα ηνπ, ήηαλ πξφζπκνο λα κνπ εμεγήζεη κε θαηαλφεζε θαη ππνκνλή θαη λα κνπ ιχζεη φιεο ηηο απνξίεο. Δπίζεο ζα ήζεια λα επραξηζηήζσ ηνπο Γηδαθηνξηθνχο θνηηεηέο Γηνλχζε ππξφπνπιν θαη Γηψξγν Υξεζηίδε ηνπ Δξγαζηεξίνπ Ηιεθηξνκεραληθήο Μεηαηξνπήο Δλέξγεηαο, γηα ην ρξφλν ηνπο θαη ηελ έκπξαθηε βνήζεηά ηνπο ζηελ θαηαζθεπή ηεο πιαθέηαο θαη ηνπ κεηαζρεκαηηζηή. Σέινο, ζα ήζεια λα επραξηζηήζσ ηνπο δηθνχο κνπ αλζξψπνπο, ηελ νηθνγέλεηά κνπ, γηα ηελ ππνζηήξημε θαη ηελ θαηαλφεζε πνπ έδεημαλ ηα ρξφληα ησλ ζπνπδψλ. x

11 Πεξηερόκελα Πξόινγνο... ix Δπραξηζηίεο... x 1. Δηζαγσγή ύζηεκα Αλάξηεζεο Μεραληθά Μέξε Άθακπηνο Άμνλαο Ηκηάθακπηνο Άμνλαο Γφλαηα ΜαθΦέξζνλ Τζηεξνχληεο Βξαρίνλεο Αληηζηξεπηηθή Ράβδνο Αλάξηεζε κε Γηπιά Φαιίδηα Αλάξηεζε Πνιιαπιψλ πλδέζκσλ Αλάξηεζε Π Διαζηηθά Μέξε Διαηήξηα Ακνξηηζέξ Μαγλεηνξενινγηθά Τγξά Γεληθά Μαγλεηνξενινγηθά Τγξά Γπλαηόηεηεο Μνληέιν Αλαξηήζεσο Υξόλνο Απόθξηζεο Δπίδξαζε Θεξκνθξαζίαο Ο Μεραληζκόο ησλ MR Τγξώλ Μαγλεηηθέο Ιδηόηεηεο Μαγλεηνξενινγηθή Αλάξηεζε xi

12 3.1. Γεληθά Έιεγρνο Αλάξηεζεο πκπεξάζκαηα Σξνθνδνηηθά πλερνύο Σάζεο Γεληθά Γξακκηθό Σξνθνδνηηθό Γηαθνπηηθά Σξνθνδνηηθά Μέζνδνη Διέγρνπ Γηαθνπηηθνχ ηνηρείνπ Μεηνλεθηήκαηα ύγθξηζε Γξακκηθώλ Γηαθνπηηθώλ Σξνθνδνηηθώλ Δπηινγή Γηαθόπηε Ιζρύνο Σνπνινγίεο Γηαθνπηηθώλ Σξνθνδνηηθώλ Δηζαγσγή Μεηαηξνπέαο Σύπνπ Buck Μεηαηξνπέαο Σύπνπ Boost Μεηαηξνπέαο Σύπνπ Buck Boost Ηιεθηξηθή Απνκόλσζε Γηαηάμεηο Snubber Μεηαηξνπέαο Σύπνπ Forward Μεηαηξνπέαο Σύπνπ Flyback Μεηαηξνπέαο Σύπνπ Push - Pull Μεηαηξνπέαο Ηκηγέθπξαο Μεηαηξνπέαο Πιήξνπο Γέθπξαο Μειέηε Μεηαηξνπέα Forward Δπηινγή ηνπ Καηάιιεινπ Μεηαηξνπέα xii

13 6.2. Θεσξεηηθή Αλάιπζε ηνπ Μεηαηξνπέα Πξνζνκνίσζε ηνπ Μεηαηξνπέα ζην Matlab Δηζαγσγή Πξνζνκνίσζε Μεηαηξνπέα Forward κε έλα δηαθόπηε, ρσξίο θύθισκα πξνζηαζίαο Μεηαηξνπέαο Forward κε έλα δηαθόπηε, κε θύθισκα πξνζηαζίαο Μεηαηξνπέαο Forward κε δύν δηαθόπηεο, ρσξίο θύθισκα πξνζηαζίαο πκπεξάζκαηα Δπηινγή Ηκηαγσγηθώλ ηνηρείσλ Γεληθά Δπηινγή δηαθνπηηθώλ ζηνηρείσλ θαη δηόδσλ ηζρύνο Ππθλσηέο Δπηινγή Οινθιεξσκέλσλ ρεδηαζκόο Σππσκέλνπ Κπθιώκαηνο Γεληθά ρεκαηηθό Γεκηνπξγία Γηθηύνπ Σνπνινγίαο Αληηζηνίρεζε Ιρλώλ ρεδηαζκόο Σππσκέλνπ Κπθιώκαηνο Καηαζθεπή Πιαθέηαο πκπεξάζκαηα Βηβιηνγξαθία Παξαξηήκαηα Παξάξηεκα Παξάξηεκα xiii

14 xiv

15 1. Δηζαγσγή 1.1. ύζηεκα Αλάξηεζεο Κάζε ζχζηεκα αλάξηεζεο απνηειείηαη απφ έλα ζχλνιν κεραληθψλ αξζξψζεσλ, νη νπνίεο ζπλεξγαδφκελεο κε ειαηήξηα θαη ακνξηηζέξ, ιεηηνπξγνχλ γηα ηνλ έιεγρν ηεο θαηαθφξπθεο ηαιάλησζεο ησλ ηξνρψλ θαη ηε ζπλεπαγφκελε απμνκείσζε ηεο απφζηαζήο ηνπο απφ ην θπξίσο ζψκα ηνπ απηνθηλήηνπ. Η ιεηηνπξγία ησλ αλαξηήζεσλ αθνξά αθελφο ηελ άλεζε, δειαδή ηε κείσζε ησλ ηαιαληψζεσλ πνπ θηάλνπλ ζην ακάμσκα θαη ζηελ θακπίλα ησλ επηβαηψλ, θαη αθεηέξνπ ηελ επθνιία νδήγεζεο ηνπ απηνθηλήηνπ. Η θαζ χςνο ηαιάλησζε ηνπ θάζε ηξνρνχ θαη ε δηαθχκαλζε ηεο πίεζεο πνπ αζθεί ζηελ άζθαιην, έρνπλ σο απνηέιεζκα ηελ αληίζηνηρε δηαθχκαλζε ηεο ηθαλφηεηαο πξφζθπζεο απηνχ ηνπ ηξνρνχ, δειαδή ηεο ηθαλφηεηάο ηνπ λα κεηαθέξεη ξνπέο γηα επηηάρπλζε, επηβξάδπλζε ή αιιαγή δηεχζπλζεο ηνπ απηνθηλήηνπ. Δθηφο φκσο απφ ηελ επελέξγεηα ηεο αλάξηεζεο ζε θάζε ηξνρφ ρσξηζηά, ε ιεηηνπξγία ηεο ζρεηίδεηαη θαη κε ηε ζπλνιηθή θηλεηηθφηεηα ηνπ απηνθηλήηνπ. Καηά ηελ επηηάρπλζε, θάζε απηνθίλεην ηείλεη λα πεξηζηξαθεί γχξσ απφ έλαλ εγθάξζην άμνλα, θαζψο ηα ειαηήξηα ησλ κπξνζηηλψλ αλαξηήζεσλ αλνίγνπλ, ελψ ηα πίζσ ζπκπηέδνληαη. Καηά ηελ επηβξάδπλζε ζπκβαίλεη ην αληίζεην. Μία θακπχιε θίλεζε πξνθαιεί νιίζζεζε πξνο ην εμσηεξηθφ ηεο ζηξνθήο θαη ηείλεη λα ζπκπηέζεη ηηο αλαξηήζεηο ηεο κηαο πιεπξάο πεξηζζφηεξν απφ ηεο άιιεο [1][2][3][4][5] Μεραληθά Μέξε Όζνλ αθνξά ηα κεραληθά κέξε πνπ ζηεξίδνπλ ηηο αξζξψζεηο, έρνπλ αλαπηπρζεί θαη ρξεζηκνπνηεζεί δηαθνξεηηθά είδε γηα δηαθνξεηηθέο πεξηπηψζεηο, ζην πέξαζκα ηνπ ρξφλνπ Άθακπηνο Άμνλαο Απνηειεί ηελ παιαηφηεξε κνξθή αλάξηεζεο (ρήκα 1). ε απηή ηελ πεξίπησζε νη ηξνρνί ζπλδένληαη απεπζείαο κε ηνλ άμνλα, ν νπνίνο ζπλδέεηαη ζην πιαίζην κε δηάθνξνπο ηξφπνπο. Ο άμνλαο ζηνλ νπνίνλ ζπλδεφληνπζαλ νη πιήκλεο ησλ ηξνρψλ κπνξνχζε λα είλαη είηε ν θηλεηήξηνο είηε φρη. Πιενλέθηεκα απηήο ηεο θαηαζθεπήο είλαη ε απιφηεηά ηεο θαη ην κηθξφ θφζηνο. Παξνπζηάδεη φκσο ζεκαληηθά κεηνλεθηήκαηα σο πξνο ηελ άλεζε θαη ηελ νδεγηθή ζπκπεξηθνξά. Υαξαθηεξηζηηθφ παξάδεηγκα εθαξκνγήο είλαη νη παιαηέο μχιηλεο άκαμεο θαη ηα πξψηα νρήκαηα. 1

16 ρήκα 1: Άθακπηνο άμνλαο [74] Χζηφζν, ζηα ζεκεξηλά απηνθίλεηα, θαη ηδηαίηεξα ζηα πηζσθίλεηα νρήκαηα κε θίλεζε ζηνπο ηέζζεξεηο ηξνρνχο, φπσο ζην Lada Niva, ρξεζηκνπνηείηαη έλαο ζπλδπαζκφο άθακπηνπ άμνλα κε ξάβδν Παλάξ (ρήκα 2), θαζψο πξνζθέξεη επειημία ζηηο εθηφο δξφκνπ δηαδξνκέο. ρήκα 2: Ράβδνο Panhard [74] ηελ πεξίπησζε ηνπ Nissan Almera θαη ηνπ Opel Astra (ρήκα 3), ν άθακπηνο άμνλαο ζπλδπάδεηαη κε ην κνριηθφ ζχλδεζκν Watt. 2

17 ρήκα 3: ύλδεζκνο Watt [74] Ηκηάθακπηνο Άμνλαο Δίλαη ε πην δηαδεδνκέλε δηάηαμε πίζσ αλάξηεζεο, ιφγσ ηεο απιήο θαη νηθνλνκηθήο θαηαζθεπήο ηνπ. Δπηηξέπεη ηε ζρεηηθή θίλεζε κεηαμχ ησλ δχν ηξνρψλ ηνπ ηδίνπ άμνλα. Κχξην ραξαθηεξηζηηθφ ηνπ είλαη πσο απνηειείηαη απφ κία δνθφ αλνηρηήο δηαηνκήο, ε νπνία επηηξέπεη ηε ζηξέςε. Ο εκηάθακπηνο άμνλαο (ρήκα 4) ρξεζηκνπνηείηαη ζε ζχγρξνλεο θαηαζθεπέο κηθξψλ επηβαηηθψλ απηνθηλήησλ θαη ελεξγεί σο ζηαζεξνπνηεηήο, ελψ απμάλεη θαη ηελ επζηάζεηα ηνπ απηνθηλήηνπ, ηδίσο ζηηο ζηξνθέο. Σα άθξα ηεο «γέθπξαο» ελφο εκηάθακπηνπ άμνλα είλαη ζπγθνιιεκέλα κε δχν παξάιιεινπο δηακήθεηο ραιχβδηλνπο βξαρίνλεο, δεμηά θαη αξηζηεξά, ελψ πάλσ ζηνπο βξαρίνλεο ζηεξεψλνληαη νη ηξνρνί. Δπίζεο, ηα άθξα ηεο γέθπξαο ζην άλσ κέξνο ηεο έρνπλ εηδηθά δηακνξθσκέλα ζηεξίγκαηα πξφζδεζεο, φπνπ κέζσ ειαζηηθψλ εδξάλσλ, ζηεξίδνληαη κε θνριίεο ζην ακάμσκα. ρήκα 4: Ηκηάθακπηνο άμνλαο [74] Γόλαηα ΜαθΦέξζνλ Σα Γφλαηα ΜαθΦέξζνλ (ρήκα 5) απνηεινχλ ηελ πην δηαδεδνκέλε αλάξηεζε ησλ εκεξψλ καο θαη είλαη θαηάιιεια ηφζν γηα ηελ εκπξφο φζν θαη γηα ηελ πίζσ αλάξηεζε, ηδηαίηεξα ησλ εκπξνζζνθίλεησλ απηνθηλήησλ. Πιενλέθηεκά ηνπο ν κηθξφο ρψξνο πνπ θαηαιακβάλνπλ, ε αμηφινγε νδηθή ζπκπεξηθνξά θαη ε απιφηεηά ηνπο. Μεηνλέθηεκα ε φρη πνιχ θαιή αθακςία θάησ απφ κεγάιεο θαηαπνλήζεηο. ηελ θαζαξή ηνπο κνξθή πεξηιακβάλνπλ έλα κνλαδηθφ ζηηβαξφ θάησ κπξάηζν πνπ 3

18 ζπλδέεηαη κε ην θάησ κέξνο ηεο πιήκλεο, γηα θαιχηεξε ζηήξημε φκσο ην κπξάηζν απηφ κπνξεί λα ππνβαζηάδεηαη απφ πξφζζεηνπο βξαρίνλεο ή λα έρεη ηε κνξθή ηξηγσληθνχ ςαιηδηνχ. Η πξναηξεηηθή αληηζηξεπηηθή δνθφο απνηειεί θάηη πξφζζεην. Δπηηπγράλνπλ κε κηθξφ βάξνο κεγάιε αθακςία θαη άξηζην έιεγρν ηεο ζέζεο ησλ ηξνρψλ. Καηαιακβάλνπλ φκσο πνιχ ρψξν θαη πξέπεη λα έρνπλ κεγάιν κήθνο έηζη ψζηε λα είλαη απνηειεζκαηηθά θαη λα επηδείμνπλ ηηο πξαγκαηηθέο δπλαηφηεηέο ηνπο, ηδίσο φηαλ ε αλάξηεζε έρεη κεγάιεο δηαδξνκέο, φπσο ζηα επηβαηηθά απηνθίλεηα. ρήκα 5: Γόλαην ΜαθΦέξζνλ [73] Τζηεξνύληεο Βξαρίνλεο Οη Τζηεξνχληεο Βξαρίνλεο ηνπνζεηνχληαη ζπλήζσο ζην πίζσ κέξνο ησλ νρεκάησλ, παξάιιεια κε ην απηνθίλεην (ρήκα 6). Όηαλ ν άμνλαο πεξηζηξνθήο ησλ βξαρηφλσλ είλαη θάζεηνο πξνο ηε δηεχζπλζε θίλεζεο ηνπ νρήκαηνο, δειαδή πξνο ηνλ δηακήθε άμνλα ηνπ απηνθηλήηνπ, ηφηε νη βξαρίνλεο νλνκάδνληαη δηακήθεηο βξαρίνλεο θαη κπνξεί λα είλαη νδεγνί ή πζηεξνχληεο, αλαιφγσο κε ην αλ ν ηξνρφο σζείηαη ή ζχξεηαη απφ ηνλ βξαρίνλα αληίζηνηρα. Όηαλ ν άμνλαο πεξηζηξνθήο ησλ βξαρηφλσλ βξίζθεηαη ππφ νπνηαδήπνηε άιιε γσλία σο πξνο ηε δηεχζπλζε θίλεζεο ηνπ απηνθηλήηνπ, ηφηε νη βξαρίνλεο νλνκάδνληαη εκη-πζηεξνχληεο. Καηαιακβάλνπλ κηθξφ ρψξν, θάηη ην νπνίν πξνζθέξεη πιενλέθηεκα σο πξνο ηνλ ρψξν ησλ απνζθεπψλ (ρήκα 7). Χζηφζν, κνηξάδνληαη καδί κε ηνπο ηξνρνχο πνπ ζηεξίδνπλ ηηο θιίζεηο ηνπ ακαμψκαηνο ζηηο ζηξνθέο, γεγνλφο ην νπνίν ρεηξνηεξεχεη ηελ νδηθή ζπκπεξηθνξά. Η πξνζεθηηθή κειέηε ηνπο φκσο κπνξεί λα ππεξληθήζεη ην κεηνλέθηεκα απηφ. Οη εκη-πζηεξνχληεο βξαρίνλεο απνηεινχλ κέξνο αξθεηψλ πίζσ αλαξηήζεσλ, ηδίσο ζε βαξηά θαη πηζσθίλεηα νρήκαηα. ρήκα 6: Τζηεξνύλ Βξαρίνλαο [73] 4

19 ρήκα 7: Άμνλαο κε εκηπζηεξνύληεο βξαρίνλεο [73] Αληηζηξεπηηθή Ράβδνο Η αληηζηξεπηηθή δνθφο είλαη κία ξάβδνο-ειαηήξην πνπ ζπλήζσο έρεη ζρήκα Π θαη δελ ζπλδέεη ηνπο ηξνρνχο κε ην ζαζί, φπσο φια ηα ειαηήξηα ησλ αλαξηήζεσλ, αιιά ζπλδέεη ηνλ θάζε ηξνρφ κε ηνλ απέλαληη ηεο άιιεο πιεπξάο, έηζη πνπ φηαλ ε αλάξηεζε ηνπ ελφο ηξνρνχ ζπκπηεζηεί, λα κεηαθεξζεί ε πίεζε, ειαζηηθά, θαη ζηελ αλάξηεζε ηνπ άιινπ (ρήκα 8). Αλάινγα κε ηε ζθιεξφηεηα ηεο ξάβδνπ απηήο, αιιά θαη ησλ δπλάκεσλ ηεο έδξαζήο ηεο, επεξεάδεηαη ε αληίζηαζε ηνπ απηνθηλήηνπ ζηηο θπγνθεληξηθέο δπλάκεηο (ξνιάξηζκα). Η αληηζηξεπηηθή ξάβδνο κπνξεί λα πεξηνξίζεη ην ξνιάξηζκα επεηδή θάλεη ην ειαηήξην ηνπ εμσηεξηθνχ ηξνρνχ λα ζπκπεξηθέξεηαη ζαλ πην ζθιεξφ απ' φζν πξαγκαηηθά είλαη, γηαηί βνεζηέηαη απ' ην ειαηήξην ηνπ εζσηεξηθνχ ηξνρνχ, ην νπνίν ρσξίο απηήλ ζα ήηαλ ειάρηζηα ή θαζφινπ θνξηηζκέλν. Έηζη ζε επίπεδν ζρεδηαζκνχ, νη αληηζηξεπηηθνί ξάβδνη κπνξνχλ λα ρξεζηκνπνηεζνχλ γηα λα ξπζκίζνπλ ηελ νδηθή ζπκπεξηθνξά. ρήκα 8: Αληηζηξεπηηθή Ράβδνο [74] 5

20 Αλάξηεζε κε Γηπιά Φαιίδηα Απνηειείηαη απφ βξαρίνλεο πνπ έρνπλ δηραισηφ ζρήκα, παξφκνην κε απηφ ηνπ θεθαιαίνπ ειιεληθνχ γξάκκαηνο ιάκδα. ηελ αλάξηεζε ηνπ θάζε ηξνρνχ ηα ςαιίδηα είλαη δχν, ην πάλσ θαη ην θάησ, θη έρνπλ δχν πφδηα ην θαζέλα (ρήκα 9). Η βάζε ηνπ θάζε ςαιηδηνχ, δειαδή ηα δχν ηνπ πφδηα, ζπλδέεηαη αξζξσηά ζε θάπνην ζηαζεξφ ζεκείν ηνπ ζαζί. ηελ θνξπθή ηνπ, ην θάζε ςαιίδη, έρεη έλαλ αθφκα αξζξσηφ ζχλδεζκν, κε ηνλ νπνίν ζπλδέεηαη κε ηελ ηέηαξηε θαηαθφξπθε πιεπξά ηνπ αξζξσηνχ ηεηξάπιεπξνπ, πνπ δελ είλαη άιιε απ' ην θνξέα ηνπ άμνλα ηνπ ηξνρνχ. Αλ πξφθεηηαη γηα κπξνζηηλφ ηξνρφ, ηφηε ν θνξέαο ηνπ άμνλά ηνπ πξέπεη λα κπνξεί λα ζηξέθεηαη γχξσ απφ ηνλ λνεηφ άμνλα πνπ νξίδνπλ ηα ζεκεία ηεο ζχλδεζεο ηνπ κε ηηο θνξπθέο ησλ ςαιηδηψλ. ηελ πξάμε, κφλν έλα απφ ηα δχν ςαιίδηα ρξεηάδεηαη λα έρεη ζρήκα δηραισηφ, δειαδή λα αξζξψλεηαη ζε δχν ζεκεία ηνπ ζαζί. Σν άιιν κπνξεί λα είλαη έλαο απιφο βξαρίνλαο, έλα κπξάηζν, κε κία κφλν ζχλδεζε. ρήκα 9: Αλάξηεζε κε δηπιά ςαιίδηα [74] Αλάξηεζε Πνιιαπιώλ πλδέζκσλ Η αλάξηεζε πνιιαπιψλ ζπλδέζκσλ (ρήκα 10) κνηάδεη κε κία αλάξηεζε κε δηπιά ςαιίδηα, φπνπ ην θαζέλα απ' απηά έρεη ρσξηζηεί ζε δχν βξαρίνλεο θαη κεξηθέο θνξέο πξνζηίζεηαη θαη έλαο πέκπηνο. Ο θάζε βξαρίνλαο είλαη ππεχζπλνο γηα κηα ζπγθεθξηκέλε παξάκεηξν ηεο ζέζεο θαη ηεο θηλεζηνινγίαο ηνπ ηξνρνχ. Η εγθάξζηα ηνπνζέηεζε ηνπ θέληξνπ ηνπ ηξνρνχ, δειαδή ε απφζηαζή ηνπ απφ ηνλ δηακήθε άμνλα ηνπ απηνθηλήηνπ, δελ είλαη ζηαζεξή θαη ακεηάβιεηε. Οη βξαρίνλεο ελφο ηέηνηνπ κεραληζκνχ, πξέπεη λα κπνξνχλ λα ζπλεξγάδνληαη γηα ηνλ ίδην ζθνπφ, ρσξίο φκσο ν έλαο λα παξεκπνδίδεη ηε δνπιεηά ηνπ άιινπ, θαη λα βξίζθνληαη θαη ζε ηέηνηεο ζέζεηο θαη ζρήκα, πνπ λα αθήλνπλ ρψξν ζην ζρεδηαζηή γηα ηελ ηνπνζέηεζε άιισλ εμαξηεκάησλ ηνπ απηνθηλήηνπ. ρήκα 10: Αλάξηεζε κε πνιιαπιέο ζπλδέζεηο [74] 6

21 Αλάξηεζε Π Παξαιιαγή ησλ πζηεξνχλησλ βξαρηφλσλ απνηειεί ε πίζσ αλάξηεζε ζε ζρήκα Π (ρήκα 11). Ιδηαίηεξν ραξαθηεξηζηηθφ ηεο είλαη φηη βαζίδεηαη ζηελ ίδηα ηεο ηελ θάκςε γηα λα ιεηηνπξγήζεη ζηηο ζηξνθέο. Η αζχκκεηξε θφξηηζε πξνθαιεί ηε ζπζηξνθή ηνπ θεληξηθνχ ζηειέρνπο ηεο πνπ δξα ζαλ αληηζηξεπηηθή δνθφο. Η ηθαλφηεηα ηεο λα ζπκπεξηθέξεηαη ζαλ αληηζηξεπηηθή ρσξίο λα ππάξρεη αληηζηξεπηηθή δνθφο θάησ απφ ην ζαζί, ζε ζπλδπαζκφ κε ηνλ ειάρηζην ρψξν πνπ θαηαιακβάλεη, ηελ έθαλε ηδηαίηεξα πξνζθηιή ζηνπο θαηαζθεπαζηέο. Υξεζηκνπνηείηαη φιν θαη πεξηζζφηεξν, ηδίσο ζηα νρήκαηα ηεο κηθξήο θαηεγνξίαο. Η νδηθή ζπκπεξηθνξά ηεο ραξαθηεξίδεηαη κεξηθέο θνξέο εληππσζηαθή, αθφκα θαη ζε απηνθίλεηα πςειψλ επηδφζεσλ. ρήκα 11: Αλάξηεζε Π [74] 1.3. Διαζηηθά Μέξε Η απάληεζε ζην ηη είλαη κηα αλάξηεζε θαη πνπ ρξεζηκεχεη δελ είλαη κνλνζήκαληε. Μηα γεληθή απάληεζε ζα κπνξνχζε λα νξίδεη ηελ αλάξηεζε σο ην κέζν ην νπνίν δελ επηηξέπεη ηε κεηαθνξά ησλ αλσκαιηψλ ηνπ δξφκνπ ζην ζψκα ησλ επηβαηψλ. Με βάζε απηήλ ηελ πξνζέγγηζε θαη ηα αξρηθά πξνβιήκαηα εμαηηίαο ησλ ρσκάηηλσλ δξφκσλ μεθίλεζε ε αξρηθή κειέηε θαη ν ζρεδηαζκφο ησλ πξψησλ ζπζηεκάησλ αλαξηήζεσλ. Γηα λα εμαζθαιηζηεί θάπνηα άλεζε ζηνλ ρψξν ησλ επηβαηψλ θαη λα γίλνπλ ηα απηνθίλεηα πξνζθηιή ζην αγνξαζηηθφ θνηλφ, θη επνκέλσο εκπνξηθά βηψζηκα, ζα έπξεπε λα βξεζεί θάπνηα ιχζε ζην πξφβιεκα απηφ. Με άιια ιφγηα, ζα έπξεπε ε θίλεζε ησλ ηξνρψλ, σο απνηέιεζκα ησλ αλσκαιηψλ ηνπ εδάθνπο, λα κε κεηαθέξεηαη ζην ακάμσκα, δειαδή ζα έπξεπε νη ηξνρνί λα έρνπλ ηε δπλαηφηεηα λα αλεβνθαηεβαίλνπλ αλεμάξηεηα απφ ην ππφινηπν ακάμσκα. ε απηφ ην ζεκείν δηάθνξεο ιχζεηο είραλ παξνπζηαζηεί, κεξηθέο απφ ηηο νπνίεο είλαη: 1. ειαζηηθνί ηάθνη θαη ηκάληεο 2. κεηαιιηθέο βέξγεο θαη ειάζκαηα 3. θχιια ζνχζηαο 4. ειαηήξηα 5. ξάβδνη ζηξέςεο 6. ζθαίξεο κε αέξην ππφ πίεζε 7

22 Διαηήξηα Σν πην δηαδεδνκέλν κέζν ζήκεξα είλαη ηα ειαηήξηα, δηφηη ζπλδπάδνπλ απνηειεζκαηηθφηεηα κε ρακειφ θφζηνο, απιφηεηα κε ζρεηηθή έιιεηςε πξνβιεκάησλ θαη αλάγθεο ζπληήξεζεο. Οη ειαζηηθνί ηάθνη ησλ πξψησλ κηθξψλ απηνθηλήησλ δελ εμαζθαιίδνπλ ζηνπο ηξνρνχο κεγάιεο δηαδξνκέο, νη ξάβδνη ζηξέςεο θαηαιακβάλνπλ ειάρηζην ρψξν, απαηηνχλ φκσο κεγάιε θξνληίδα ζηε ζηήξημή ηνπο θαη ζηηβαξά θαη άθακπηα ςαιίδηα θαη βξαρίνλεο, ελψ νη πδξνπλεπκαηηθέο αλαξηήζεηο απνηεινχλ, ίζσο, ηε ιχζε ηνπ κέιινληνο ιφγσ ηεο δπλαηφηεηαο ζπλδπαζκνχ ηνπο κε ειεθηξνληθέο κνλάδεο ειέγρνπ. Γελ παχνπλ, φκσο, λα είλαη αθξηβέο θαη πνιχπινθεο. Σα ειαηήξηα έρνπλ ηελ ηδηφηεηα φηαλ ζπκπηεζηνχλ λα ππνρσξνχλ, αληηζηεθφκελα φιν θαη πεξηζζφηεξν ζηε ζπκπίεζή ηνπο, θαη φηαλ απειεπζεξσζνχλ λα επαλέξρνληαη ζην αξρηθφ ηνπο κήθνο. Χο απνηέιεζκα, φηαλ ν ηξνρφο ζπλαληά θάπνηα πξνεμνρή ηνπ νδνζηξψκαηνο, ην ειαηήξην ζπκπηέδεηαη θαη ν ηξνρφο αλπςψλεηαη ρσξίο λα παξελνριεζεί ην ππφινηπν απηνθίλεην θαη νη επηβάηεο ηνπ. Μεηά ηελ πξνεμνρή ην ειαηήξην απνζπκπηέδεηαη θαη ν ηξνρφο θαηεβαίλεη ζηελ αξρηθή ηνπ ζέζε. Η ηδαληθή απηή ζπκπεξηθνξά απέρεη αξθεηά απφ ηελ αληίζηνηρε πξαθηηθή ζπκπεξηθνξά. Όηαλ ην ειαηήξην ζπκπηέδεηαη, ην ππφινηπν απηνθίλεην δελ παξακέλεη ζηελ πξαγκαηηθφηεηα αλελφριεην, αιιά πθίζηαηαη κία δχλακε θαη αξρίδεη λα θηλείηαη πξνο ηα πάλσ. Δλ ησ κεηαμχ, μεπεξληέηαη ε πξνεμνρή, ν ηξνρφο θαηεβαίλεη θαη ην απηνθίλεην βξίζθεηαη πην ςειά απφ ηελ αξρηθή ζέζε εξεκίαο ηνπ, άξα πξέπεη λα μαλαθαηέβεη. Σν γεγνλφο απηφ, πξνθαιεί κία ηαιάλησζε ζην ζψκα ηνπ απηνθηλήηνπ. ε πεξίπησζε ζπλερφκελσλ αλσκαιηψλ, ρσξίο ηελ χπαξμε ειαηεξίνπ. νη ηαιαληψζεηο ηνπ ακαμψκαηνο ζα γίλνληαλ φιν θαη πην βίαηεο, κε αθξαίν παξάδεηγκα ην ζπληνληζκφ, θαηαιήγνληαο ζε κηα εμαηξεηηθά θξίζηκε θαηάζηαζε, φπνπ ζα ήηαλ πηζαλή ε πιήξεο απψιεηα ηνπ ειέγρνπ ηνπ νρήκαηνο, αθφκα θαη ε αλαηξνπή ηνπ. ήκεξα ρξεζηκνπνηνχληαη δηαθφξσλ εηδψλ ειαηήξηα, πνπ κπνξεί, πέξα απφ ηελ θαλνληθή θπιηλδξηθή κνξθή ηνπο, λα παξνπζηάδνπλ είηε ζκίθξπλζε ζηε κέζε ηνπ θπιίλδξνπ, είηε λα έρνπλ θσληθή ή νβάι κνξθή. Μεξηθέο πεξηπηψζεηο πεξηγξάθνληαη παξαθάησ [6][7] Απιό Διαηήξην Σν πην θνηλφ είδνο ειαηεξίνπ είλαη ην «απιφ», κε ζηαζεξφ ζπληειεζηή ζθιεξφηεηαο ζε φιεο ηηο ζπείξεο, νη νπνίεο είλαη ίδηαο δηακέηξνπ, βήκαηνο θαη πάρνπο. Σν ειαηήξην απηφ ζπκπεξηθέξεηαη γξακκηθά θαη δηαηεξεί ηνλ ίδην ζπληειεζηή ζθιεξφηεηαο φζν θη αλ ζπκπηεζηεί ή εθηαζεί απφ ηελ έδξαζε θάπνηνπ αλαξηεκέλνπ θνξηίνπ. Σν ειάρηζην κήθνο πνπ κπνξεί λα έρεη έλα ηέηνην ειαηήξην, νξίδεηαη απφ ην ζεκείν φπνπ φιεο νη ζπείξεο ηνπ ζα αθνπκπήζνπλ ε κία πάλσ ζηελ άιιε ηαπηφρξνλα, κεηαηξέπνληάο ην ζε ζπκπαγή κεηαιιηθφ θχιηλδξν. Γηα λα απνθεπρζεί ε πηζαλφηεηα λα ζπκβεί θάηη ηέηνην, ηα ειαηήξηα απηά έρνπλ ζπλήζσο ειαζηηθά ηαθάθηα, ηα νπνία αλαιακβάλνπλ δξάζε ιίγν πξηλ ηνλ ηεξκαηηζκφ. 8

23 Ηκη-ειιεηπηηθά Διαηήξηα Σα ειαηήξηα απηά είλαη ηα πξψηα πνπ ρξεζηκνπνηήζεθαλ γηα ηελ αλάξηεζε ησλ απηνθηλήησλ θαη ζήκεξα ρξεζηκνπνηνχληαη ζρεδφλ απνθιεηζηηθά ζηα βαξηά νρήκαηα. Πξφθεηηαη γηα κηα ζεηξά ειαζκάησλ απφ ράιπβα, πνπ ην κήθνο ηνπο κεηψλεηαη δηαδνρηθά, θαζψο ηνπνζεηνχληαη ην έλα επάλσ ζην άιιν. ην κέζν ηνπο ή ζπαληφηεξα ζε αζχκκεηξε ζέζε, ζπλδένληαη κε έλαλ θεληξηθφ πείξν, ν νπνίνο θαη ηα δηαπεξλά. Ο αξηζκφο ησλ ειαζκάησλ αξρίδεη απφ έλα ή δχν θαη θζάλεη κέρξη θαη πάλσ απφ δέθα, ζηα βαξέα νρήκαηα. Σν ζχλνιν ηνπο ζπκπεξηθέξεηαη ζαλ έλα εληαίν δνθάξη, ρνληξφ ζηε κέζε θαη ζηηο άθξεο ιεπηφ, αιιά κε ειαζηηθφηεηα κεγαιχηεξε απ' φζε ζα είρε αλ ήηαλ έλα εληαίν ζπκπαγέο θνκκάηη. Σα εκηειιεηπηηθά ειαηήξηα κπνξνχλ λα παίμνπλ θαη ην ξφιν ηνπ ςαιηδηνχ κηαο αλάξηεζεο, δειαδή απνηεινχλ θαη ην βξαρίνλα έδξαζεο ηνπ άμνλα ησλ ηξνρψλ ρσξίο λα ρξεηάδεηαη άιιν εμάξηεκα. Δπηπιένλ, ε εζσηεξηθή ηξηβή πνπ δεκηνπξγείηαη αλάκεζα ζηα θχιια φηαλ απηά θάκπηνληαη, κεηαηξέπεη ηελ θηλεηηθή ελέξγεηα ζε ζεξκφηεηα θαη απνζβέλεη ηηο ηαιαληψζεηο, γη' απηφ θαη πνιιά απφ ηα πξψηα απηνθίλεηα δελ ρξεζηκνπνηνχζαλ θαζφινπ επηπξφζζεηα ακνξηηζέξ Διηθνεηδή Διαηήξηα Σα ειηθνεηδή ειαηήξηα απνηεινχληαη απφ θπθιηθήο δηαηνκήο ραιχβδηλε ξάβδν πνπ έρεη πεξηειηρζεί ειηθνεηδψο. Σα ειαηήξηα απηά πνπ απφ ηε θχζε ηνπο δέρνληαη κφλν ζιηπηηθά θνξηία θαη ρξεζηκνπνηνχληαη ζε ζπζηήκαηα αλεμάξηεηεο αλάξηεζεο, ηνπνζεηνχκελα κεηαμχ ηνπ άλσ ή θάησ βξαρίνλα (ςαιηδηνχ) θαη ακαμψκαηνο ή πιαηζίνπ ζε θαηάιιειεο ππνδνρέο. Η δπλαηφηεηα θφξηηζεο ηνπο εμαξηάηαη απφ ηε δηάκεηξν ηεο ραιχβδηλεο ξάβδνπ πνπ δηαζέηνπλ, απφ ην κέγεζνο ηεο δηακέηξνπ ηνπ ειαηεξίνπ θαη απφ ηνλ αξηζκφ ησλ ζπεηξψλ πνπ έρνπλ. Άιιν έλα είδνο ειαηεξίνπ είλαη ην ειηθνεηδέο ειαηήξην κε κεηαβιεηφ ζπληειεζηή ζθιεξφηεηαο, ην νπνίν έρεη ζρεδηαζηεί έηζη ψζηε, πξνο ηηο άθξεο ηνπ, νη ζπείξεο λα είλαη πην ππθλά δηαηεηαγκέλεο, ελψ ζην θεληξηθφ ηκήκα λα απέρνπλ κεηαμχ ηνπο αξθεηά. Καζψο ην ειαηήξην ζπκπηέδεηαη, νη ζπείξεο κε ηα κηθξά δηάθελα αθνπκπνχλ, αθήλνληαο κφλν έλα κηθξφ θεληξηθφ θνκκάηη ηνπ ειαηεξίνπ λα ιεηηνπξγεί. Μεηά ηα πξψηα εθαηνζηά «καιαθήο» βχζηζεο, δειαδή, ην ελαπνκείλαλ ιεηηνπξγηθφ ηκήκα ζπκπεξηθέξεηαη ζαλ ζθιεξφηεξν ειαηήξην Η Παξακόξθσζε ηνπ Διαηεξίνπ Σν θεληξηθφ εμάξηεκα θάζε ζπζηήκαηνο αλάξηεζεο είλαη ην ειαηήξην, έλα ζψκα πνπ θαζψο ζπκπηέδεηαη θαη αιιάδεη ζρήκα, απνζεθεχεη κέζα ηνπ έλα πνζφ κεραληθήο ελέξγεηαο θαη ην απειεπζεξψλεη ακέζσο κφιηο επαλέιζεη ζην αξρηθφ ηνπ ζρήκα. Σν ειαηήξην, δειαδή, έρεη ειαζηηθφηεηα. Κάζε ειαηήξην δηαζέηεη έλαλ ζπγθεθξηκέλν ζπληειεζηή ειαζηηθφηεηαο ή αιιηψο ζπληειεζηή ζθιεξφηεηαο, δειαδή έλαλ αξηζκφ ν νπνίνο πεξηγξάθεη ην ιφγν ηεο δχλακεο πνπ παξακνξθψλεη ην ειαηήξην, πξνο ην κέγεζνο ηεο παξακφξθσζεο πνπ πξνθαιείηαη. Ο ζπληειεζηήο ειαζηηθφηεηαο ηνπ θάζε ειαηεξίνπ πξνέξρεηαη απφ έλα ζχλνιν δεδνκέλσλ φπσο είλαη ν ζπληειεζηήο ειαζηηθφηεηαο ηνπ πιηθνχ απφ ην νπνίν είλαη θαηαζθεπαζκέλν, 9

24 αιιά θαη απφ ηνλ ηξφπν θαη ην είδνο ηεο παξακφξθσζεο πνπ ηνπ γίλεηαη, πάληα βέβαηα ζε ζρέζε κε ηελ επηιεγκέλε δηαηνκή ηνπ πιηθνχ ζηελ πεξηνρή ηεο παξακφξθσζεο. έλα ειαζηηθφ ζψκα κπνξεί λα γίλνπλ πνιιά είδε παξακφξθσζεο: 1. Κακπηηθή, 2. ηξεπηηθή, 3. Πηεζηηθή, 4. Διθηηθή θαη 5. Γηαηκεηηθή. ηηο αλαξηήζεηο ησλ απηνθηλήησλ έρνπλ ρξεζηκνπνηεζεί φια ηα είδε ειαζηηθήο παξακφξθσζεο ζηα πιηθά ησλ ειαηεξίσλ. Κάζε ειαζηηθφ πιηθφ, ζε θάπνην απφ ηα είδε παξακφξθσζεο πνπ κπνξεί λα δερηεί, παξνπζηάδεη δηαθνξεηηθή ηθαλφηεηα ελεξγεηαθήο απνζήθεπζεο. Έηζη, έλα απφ ηα ζνβαξφηεξα ζέκαηα ζην ζρεδηαζκφ ησλ ειαηεξίσλ είλαη ε βειηίσζε ηεο ηθαλφηεηάο ηνπο λα απνζεθεχνπλ φζν γίλεηαη κεγαιχηεξν πνζφ ελέξγεηαο ζηνλ κηθξφηεξν δπλαηφ φγθν, βάξνο θαη, θπζηθά, θφζηνο [8][9][10] θιεξά θαη Μαιαθά Διαηήξηα Γηαθνξά Φάζεο Κάζε ειαηήξην έρεη ηε δηθή ηνπ ηδηνζπρλφηεηα, δειαδή έλαλ δηθφ ηνπ ξπζκφ θαηά ηνλ νπνίν πξνηηκά λα απειεπζεξψλεη ηελ ελέξγεηα θαη λα μαλαβξίζθεη ην αξρηθφ ηνπ ζρήκα. Ο ξπζκφο απηφο είλαη ζπλάξηεζε ηνπ ζπληειεζηή ζθιεξφηεηαο θαη ηνπ θνξηίνπ πνπ ην πηέδεη. Έλα ζθιεξφ ειαηήξην επηζηξέθεη ζην αξρηθφ ηνπ ζρήκα πην γξήγνξα απφ έλα καιαθφ, αλ ην βάξνο πνπ ηα πίεζε είλαη ην ίδην. Καηά ηνλ ίδην ηξφπν, έλα πην βαξηά πηεζκέλν ειαηήξην επηζηξέθεη ζην αξρηθφ ηνπ ζρήκα κε κεγαιχηεξε ηαρχηεηα απφ έλα ειαθξά πηεζκέλν, αλ ν ζπληειεζηήο ζθιεξφηεηάο ηνπο είλαη ν ίδηνο. Έλα ειαηήξην κε ρακειφ ζπληειεζηή ζθιεξφηεηαο, δειαδή έλα καιαθφ ειαηήξην, ζα επηηξέςεη ζηνλ ηξνρφ λα πεξάζεη πην εχθνια απφ κία πξνεμνρή ηνπ δξφκνπ, αιιά ζα πξνζδψζεη ζην ειαηήξην κηα ρακειή ηδηνζπρλφηεηα, ε νπνία, ζε αλψκαιν δξφκν, δελ ζα επηηξέπεη ζηνλ ηξνρφ λα θαηεβαίλεη γξήγνξα θαη λα παξαθνινπζεί φιν ηνλ νδηθφ θπκαηηζκφ. Γηα λα απνθεπρζεί ην παξαπάλσ θαηλφκελν θαη ν ηεξκαηηζκφο ηεο αλάξηεζεο ζηα ιαζηηρέληα πάλσ κέξε ηεο, νη αλαξηήζεηο κε καιαθά ειαηήξηα πξέπεη λα έρνπλ κεγάιε δηαδξνκή βχζηζεο ηνπ ηξνρνχ, αιιά θάηη ηέηνην πξνυπνζέηεη θαη ηελ χπαξμε κεγάισλ ζφισλ ζηα θηεξά, πξάγκα πνπ κεηψλεη ην ρψξν κέζα ζηελ θακπίλα θαη δίλεη χςνο ζην απηνθίλεην. Διαζηηθά ζηφπεξ ρξεζηκνπνηνχληαη θαη γηα ηελ απνθπγή ηνπ κεηαιιηθνχ ρηππήκαηνο ζε πεξίπησζε κέγηζηεο έθηαζεο ησλ αλαξηήζεσλ, πξάγκα πνπ ζπκβαίλεη φηαλ έλα άικα νιφθιεξνπ ηνπ απηνθηλήηνπ αλαγθάδεη ηνπο ηξνρνχο λα ράλνπλ γηα ιίγν ηελ επαθή ηνπο κε ην έδαθνο. Απφ ηελ άιιε κεξηά, έλα ππεξβνιηθά ζθιεξφ ειαηήξην κπνξεί λα έρεη ελνριεηηθή αληίδξαζε ζηηο αλσκαιίεο ηνπ δξφκνπ, εθφζνλ έλα κέξνο απφ ηε κεραληθή ελέξγεηα ζπκπίεζήο ηνπ ζα κπνξεί λα πεξλάεη ζηελ θακπίλα ησλ επηβαηψλ. Όηαλ έλα απηνθίλεην πεξάζεη κε δεδνκέλε ηαρχηεηα πάλσ απφ κία πξνεμνρή ηνπ δξφκνπ, κεηαδίδεηαη ζην ειαηήξην ηεο αλάξηεζεο έλα δεδνκέλν θνξηίν κ έλαλ δεδνκέλν ξπζκφ. Αλ ν ξπζκφο ηνπ θνξηίνπ απηνχ ζπκπέζεη κε ην ξπζκφ, δειαδή ηελ 10

25 ηδηνζπρλφηεηα ηαιάλησζεο ηνπ ειαηεξίνπ, ην εχξνο ηεο ηαιάλησζεο κεγαιψλεη θαη ην ειαηήξην βπζίδεηαη πην πνιχ. Αλ ζ έλα απηνθίλεην ηα ειαηήξηα ησλ κπξνζηά θαη ησλ πίζσ αλαξηήζεσλ είραλ ηελ ίδηα ηδηνζπρλφηεηα, νη ηαιαληψζεηο ζα ζπληνλίδνληαλ. Γηα ηελ απνθπγή απηνχ, νη θαηαζθεπαζηέο ηνπνζεηνχλ ζηα απηνθίλεηά ηνπο εκπξφο θαη πίζσ ειαηήξηα κε ηδηνζπρλφηεηεο έηζη επηιεγκέλεο ψζηε φρη κφλν λα κελ ππάξρεη ζπληνληζκφο, αιιά λα γίλεηαη θαη αιιειναπφζβεζε ησλ ηαιαληψζεσλ Υαξαθηεξηζηηθά Πίλαθαο 1. πλήζε ραξαθηεξηζηηθά ειαηεξίσλ θιεξό Διαηήξην Μαιαθό Διαηήξην Δκπξόο Πίζσ Βειηίσζε ζπκπεξηθνξάο θαηά ην θξελάξηζκα Μείσζε νδεγηθήο ζπκπεξηθνξάο ζηηο ζηξνθέο. Δχθνιε είζνδνο ζηηο ζηξνθέο. Μεησκέλε πξφζθπζε ηνπ ειαζηηθνχ. Μεησκέλε άλεζε ζην πίζσ κέξνο ηνπ νρήκαηνο. Βχζηζε θαηά ην θξελάξηζκα. Δχθνιε είζνδνο ζηηο ζηξνθέο. Γίπισκα ηνπ ηξνρνχ. Απμεκέλε πξφζθπζε ηνπ ειαζηηθνχ θαηά ηελ επηηάρπλζε. Τπνζηξνθή θαηά ηελ είζνδν ζε ζηξνθή. Υεηξνηέξεπζε ηεο νδεγηθήο ζπκπεξηθνξάο, εηδηθά ζε ζπλερηδφκελεο ζηξνθέο Ακνξηηζέξ Δμαηηίαο ησλ πηζαλψλ θηλδχλσλ, ιφγσ ησλ ηαιαληψζεσλ ησλ ειαηεξίσλ θαη ηνπ ακαμψκαηνο, έγηλε επηηαθηηθή ε αλάγθε απφζβεζεο κε θάπνην ηξφπν ησλ ηαιαληψζεσλ θαη ησλ ζπληνληζκψλ ησλ ειαηεξίσλ. Χο απνηέιεζκα ηεο έξεπλαο θα ηεο ηερλνινγηθήο πξνφδνπ, ηα πξσηφγνλα ζπζηήκαηα ηξηβήο αληηθαηαζηάζεθαλ απφ ηα ζεκεξηλά ακνξηηζέξ. Βαζηθφ θνκκάηη ελφο ακνξηηζέξ απνηειεί έλα έκβνιν πνπ θηλείηαη κέζα ζ' έλαλ θχιηλδξν γεκάην ιάδη (ρήκα 12). Ο θχιηλδξνο είλαη ζπλδεδεκέλνο κε ηνπο ηξνρνχο, ην έκβνιν κε ην ζαζί ηνπ νρήκαηνο. Καηά ηελ θίλεζε ηνπ εκβφινπ ην ιάδη εμαλαγθάδεηαη λα πεξάζεη απφ ηε κία πιεπξά ηνπ ζηελ άιιε, κέζσ κηθξνζθνπηθψλ βαιβίδσλ. ε αξγέο θηλήζεηο ε θπθινθνξία γίλεηαη ρσξίο κεγάιε δπζθνιία, φκσο ζηηο γξήγνξεο ε αληίζηαζε ζηελ θίλεζε ηνπ εκβφινπ απμάλεηαη ζεκαληηθά. Έηζη, κε θαηάιιειε επηινγή ηεο ξεπζηφηεηαο ηνπ ιαδηνχ θαη ησλ δηακέηξσλ ησλ βαιβίδσλ, πνπ θαηά θαλφλα, είλαη δηαθνξεηηθέο γηα ηε ζπκπίεζε θαη ηελ απνζπκπίεζε, ζε ζπλδπαζκφ κε ηε ζθιεξφηεηα ησλ ειαηεξίσλ, κπνξεί λα επηηεπρζεί απνηειεζκαηηθή απφζβεζε ησλ ηαιαληψζεσλ. 11

26 ρήκα 12: Ακνξηηζέξ [74] ε απηφ ην ζεκείν, ίζσο αμίδεη λα ηνληζηεί κία ζεκαληηθή δηαθνξά. Σα ειαηήξηα ζηεξίδνπλ ηα απηνθίλεηα θη φρη ηα ακνξηηζέξ. Έξγν ησλ ακνξηηζέξ είλαη ε απφζβεζε ηεο θίλεζεο ηεο αλάξηεζεο, παξνπζηάδνληαο απμαλφκελε αληίζηαζε ζε ηαρχηεξεο θηλήζεηο. Όηαλ ε αλάξηεζε κέλεη αθίλεηε, ηα ακνξηηζέξ ζηελ νπζία δελ ιεηηνπξγνχλ. Σα παξαπάλσ απνηεινχλ ηα ειαζηηθά κέξε ησλ αλαξηήζεσλ, εμαηηίαο ηεο ηθαλφηεηάο ηνπο λα ζπκπηέδνληαη θαη λα απνζπκπηέδνληαη, πξνζαξκνδφκελα θάζε θνξά ζηηο ηδηνκνξθίεο ηνπ επηπέδνπ θίλεζεο. ηε ζπλέρεηα παξνπζηάδνληαη θάπνηα βαζηθά είδε ησλ ακνξηηζέξ [11] Τδξαπιηθόο Σειεζθνπηθόο Απνζβεζηήξαο Η αξρή ιεηηνπξγίαο ηνπ πδξαπιηθνχ ακνξηηζέξ βαζίδεηαη ζηελ παιηλδξφκεζε ελφο κηθξνχ εκβφινπ κέζα ζε έλαλ θχιηλδξν γεκάην κε θάπνην πγξφ κε ηελ θίλεζε ηεο αλάξηεζεο. Σν πγξφ πηέδεηαη θαη αλαγθάδεηαη λα πεξάζεη κέζα απφ θάπνηα ή θάπνηεο νπέο. Δπεηδή βξίζθεη αληίζηαζε, ελεξγνπνηεί κηα δχλακε αληίδξαζεο ζηελ θίλεζε ηνπ πηζηνληνχ, άξα θαη ζηελ θίλεζε ηεο αλάξηεζεο. Γειαδή, απηφ πνπ θάλεη ην πδξαπιηθφ ακνξηηζέξ είλαη λα κεηαηξέπεη ηελ θηλεηηθή ελέξγεηα ηεο πάλσ - θάησ θίλεζεο ηνπ ηξνρνχ, ζε ηξηβή κεηαμχ ησλ κνξίσλ ηνπ ιαδηνχ θαη ζε ζεξκφηεηα, ε νπνία απνβάιιεηαη. Η παξνπζία αέξα κέζα ζην πδξαπιηθφ ζχζηεκα ηξνπνπνηεί ηε ζπκπεξηθνξά ηνπ πγξνχ κεηαηξέπνληαο ην ζε ειαζηηθφ, ελψ θαλνληθά ζα έπξεπε λα είλαη αζπκπίεζην. Πνιιά ακνξηηζέξ, ηδίσο απηά ησλ απηνθηλήησλ πςειψλ επηδφζεσλ, πεξηέρνπλ έλα ζάιακν αεξίνπ πςειήο πίεζεο, ζπλήζσο αδψηνπ, πνπ απνηξέπεη ην ζρεκαηηζκφ θπζαιίδσλ, αιιά θαη πξνθπιάζζεη ηα πιηθά απφ άκεζε επαθή κε ην νμπγφλν Ρπζκηδόκελα Ακνξηηζέξ Σα πεξηζζφηεξα ηέηνηα ζπζηήκαηα ιεηηνπξγνχλ κέζσ κίαο ή δχν ειεθηξνκαγλεηηθά ειεγρφκελσλ δηφδσλ ηνπ πδξαπιηθνχ πγξνχ, νη νπνίεο παξέρνπλ έλαλ ελαιιαθηηθφ δξφκν απφ κία θεληξηθή, κφληκα αλνηρηήο δηφδνπ. ηηο δηφδνπο απηέο, ππάξρνπλ βαιβίδεο πνπ ιεηηνπξγνχλ ζε ζέζεηο On-Off, δειαδή θξαηνχλ ηηο 12

27 δηφδνπο εληειψο αλνηρηέο ή εληειψο θιεηζηέο. Με ηνλ ηξφπν απηφ ειέγρεηαη ην ζπλνιηθφ εκβαδφλ ησλ αλνηγκάησλ δηέιεπζεο ηνπ πγξνχ θαη επηηξέπνληαη δχν ή ηξεηο δηαθνξεηηθέο ξπζκίζεηο ησλ ραξαθηεξηζηηθψλ απφζβεζεο ηνπ ακνξηηζέξ. Γηα παξάδεηγκα, κε ηε κία βαιβίδα θιεηζηή θαη ηελ άιιε αλνηρηή έρνπκε ηελ επηινγή Normal θαη φηαλ αλνίμνπλ θαη νη δπν βαιβίδεο, ην ακνξηηζέξ ιεηηνπξγεί πνιχ καιαθά ζηε ζέζε Comfort. ηελ ηειεπηαία ζθάια θαη νη δχν βαιβίδεο ησλ δηφδσλ είλαη θιεηζηέο. Απηή είλαη ε επηινγή Sport [12][13] Μαγλεηνξενινγηθά Ακνξηηζέξ Σα πλεπκαηηθά δηθαηψκαηα ρξήζεο ηα έρεη ε ακεξηθαληθή εηαηξεία Delphi θαη είλαη γλσζηά κε ην εκπνξηθφ φλνκα Magnetic Ride Control. Η καγλεηνξενινγηθή αξρή ιεηηνπξγίαο ηνπ ζπζηήκαηνο βαζίδεηαη ζηελ ηδηφηεηα ελφο εηδηθνχ πγξνχ, λα κεηαβάιιεη ηελ ξεπζηφηεηά ηνπ αλάινγα κε ηελ έληαζε ηνπ καγλεηηθνχ πεδίνπ κέζα ζην νπνίν βξίζθεηαη. Σν πγξφ απηφ κπνξεί λα γίλεη απφ ηφζν ιεπηφξξεπζην, φζν έλα ιηπαληηθφ SAE 10, έσο ηφζν παρχξξεπζην φζν κία βαιβνιίλε SAE 80. Απηή ε κεηαβνιή ζπκβαίλεη ζρεδφλ αθαξηαία, ρσξίο ηε ζπκκεηνρή θηλνχκελσλ κεξψλ. 13

28 14

29 2. Μαγλεηνξενινγηθά Τγξά 2.1. Γεληθά Σα καγλεηνξενινγηθά πγξά (MR fluids) είλαη πιηθά ηα νπνία απνθξίλνληαη κε δηαθνξεηηθφ ηξφπν ζε εθαξκνδφκελν καγλεηηθφ πεδίν. Η αιιαγή απηή εθθξάδεηαη κε αχμεζε ηνπ ημψδνπο, κε αληίζηνηρε αχμεζε ηνπ εθαξκνδφκελνπ πεδίνπ. Απηφ πνπ θαζηζηά ηε κειέηε ησλ καγλεηνξενινγηθψλ πγξψλ ελδηαθέξνπζα είλαη ε ηθαλφηεηά ηνπο λα παξέρνπλ γξήγνξε απφθξηζε φηαλ ειέγρνληαη απφ ειεθηξνληθά ζπζηήκαηα. Σα καγλεηνξενινγηθά θαζψο θαη ηα ειεθηξνξενινγηθά πγξά είλαη ηα πην πνιιά ππνζρφκελα πγξά γηα ρξήζε ζε ελεξγέο αλαξηήζεηο. Δκπίπηνπλ ζηελ θαηεγνξία πγξψλ πνπ επηδεηθλχνπλ δηαθνξεηηθή απφθξηζε αλάινγα κε ην εθαξκνδφκελν πεδίν. Σν πην ζεκαληηθφ πιενλέθηεκα ησλ πγξψλ απηψλ έλαληη ησλ αληίζηνηρσλ κεραληθψλ είλαη ε ηθαλφηεηά ηνπο λα επηηχρνπλ κεγάιν εχξνο ζην ημψδεο ηνπο αλάινγα κε ην εθαξκνδφκελν πεδίν. Έηζη παξνπζηάδνπλ κηα κεγάιε αιιαγή ζηε ξενινγηθή ηνπο ζπκπεξηθνξά αλάινγα κε ην εθαξκνδφκελν πεδίν. Ιζηνξηθά, ηα ξενινγηθά πγξά έρνπλ ηηο απαξρέο ηνπο ζηηο αξρέο ηνπ 1940 ζηελ Ακεξηθή. Σέηνηα πιηθά κπνξνχλ λα ρξεζηκνπνηεζνχλ ζε πιήζνο εθαξκνγψλ, φπσο αλαξηήζεηο, ζπζηήκαηα πέδεζεο, απνζβεζηήξεο θξαδαζκψλ (ακνξηηζέξ) θαη ζπζηήκαηα ζχκπιεμεο. Ο ρξφλνο απφθξηζεο απηψλ ησλ πιηθψλ πεξηνξίδεηαη απφ ην ρξφλν αλφδνπ, t=l/r, ηνπ εθαξκνδφκελνπ καγλεηηθνχ πεδίνπ ν νπνίνο θπκαίλεηαη απφ 10-1 έσο 10-2 sec [14]. Όπνπ t: ν ρξφλνο απφθξηζεο, L: ε απηεπαγσγή ηνπ πελίνπ θαη R: ε αληίζηαζε ηνπ πελίνπ ρήκα 13: Δλεξγνπνίεζε MR πγξνύ [75] 15

30 Σα καγλεηνξενινγηθά πγξά γηα πνιιά ρξφληα δε ρξεζηκνπνηνχληαλ, ιφγσ ηεο πεπνίζεζεο φηη ην βάξνο θαη ν θαηαιακβαλφκελνο ρψξνο ησλ πελίσλ πνπ ζα δεκηνπξγνχζαλ ην πεδίν, ζα ηα θαζηζηνχζαλ κε απνηειεζκαηηθά γηα ρξήζε ζε πξαθηηθέο θαη ζπλεπψο εκπνξηθέο εθαξκνγέο. Δπηπιένλ, έλα άιιν κεηνλέθηεκα ήηαλ ν κηθξφο βαζκφο επαλαρξεζηκνπνίεζεο ηνπ πγξνχ ιφγσ ηεο θαθήο εμάπισζεο ησλ κνξίσλ ηνπ πγξνχ θαηφπηλ ηεο εθαξκνγήο καγλεηηθνχ πεδίνπ. Μέρξη πξηλ απφ κεξηθά ρξφληα, ε ιχζε βξηζθφηαλ ζηε ρξήζε πξνζζεηηθψλ ζην πγξφ γηα ηνλ πεξηνξηζκφ ηέηνησλ θαηλνκέλσλ. Η απαηηνχκελε ελέξγεηα γηα ηελ ελεξγνπνίεζε (ρήκα 13) ησλ ειεθηξνξενινγηθψλ πγξψλ είλαη αξθεηά πςειή θαη ηίζεληαη πεξηνξηζκνί σο πξνο ην εχξνο ζεξκνθξαζίαο θαζψο θαη σο πξνο ηηο αλνρέο ζε δηαθνξεηηθέο πηέζεηο. Χο απνηέιεζκα, είλαη κηθξή ε δπλαηφηεηα λα επηηεπρζνχλ επξείεο πεξηνρέο δπλακηθήο ιεηηνπξγίαο γηα εθαξκνγέο, φπσο ζπζηήκαηα αλαξηήζεσλ θαη απνζβέζεσο. Απνδεηθλχεηαη φηη ε απαηηνχκελε ελέξγεηα γηα ηε δεκηνπξγία ειεθηξηθνχ πεδίνπ είλαη κεγαιχηεξε ηεο αληίζηνηρεο γηα ηε δεκηνπξγία αλάινγνπ καγλεηηθνχ πεδίνπ. Κάπνηα ζχγθξηζε ησλ απσιεηψλ ζηηο δπν πεξηπηψζεηο δελ είλαη εχθνιε. Οη απψιεηεο ησλ ER πγξψλ εμαξηψληαη θπξίσο απφ ηε ζεξκνθξαζία ηνπ πγξνχ, ελψ ζηα MR πγξά θπξίσο παξνπζηάδνληαη απψιεηεο ζην πελίν γηα ηε δεκηνπξγία ηνπ καγλεηηθνχ πεδίνπ. Οη απψιεηεο ζην πελίν εμαξηψληαη απφ ηα ηερληθά θαη θαηαζθεπαζηηθά ηνπ ραξαθηεξηζηηθά, φπσο ην πιηθφ θαηαζθεπήο ησλ ζπεηξψλ, ε γεσκεηξία θαη ην εχξνο. Η ηερλνινγία ησλ MR πγξψλ παξνπζηάδεη κεγάιν δπλακηθφ ζηελ πεξηνρή ησλ αλαξηήζεσλ θαη θπξίσο γηα εθαξκνγέο κεγάισλ πηέζεσλ (50-100kPa) ε νπνία έρεη κεγαιψζεη αξθεηά ηα ηειεπηαία ρξφληα. ε αληίζεζε κε ηηο κεραληθέο αλαξηήζεηο, νη καγλεηνξενινγηθέο παξνπζηάδνπλ ηελ ηθαλφηεηα αιιαγήο ζπκπεξηθνξάο ζε κεξηθά ρηιηνζηά ηνπ δεπηεξνιέπηνπ. Δπηπιένλ, ζεκαληηθή είλαη ε δπλαηφηεηα αλάπηπμεο γξήγνξσλ θη αζφξπβσλ δηεπαθψλ κεηαμχ ειεθηξνληθψλ ειεγθηψλ θαη κεραληθψλ ζπζηεκάησλ [15] Μαγλεηνξενινγηθά Τγξά Σα MR πγξά απνηεινχληαη απφ δηαζθνξπηζκέλα κφξηα ζε έλαλ κε καγλεηηθφ θνξέα, φπσο λεξφ, έιαην ζηιηθφλεο, νξπθηφ έιαην ή γιπθφιε. Έλα ζπρλά ρξεζηκνπνηνχκελν MR πγξφ απνηειείηαη απφ κφξηα θαξβνλπιηθνχ ζηδήξνπ ζε έιαην ζηιηθφλεο. Σα κφξηα ησλ MR πγξψλ έρνπλ κέγεζνο 0,1-10 κm. Η ζπγθέληξσζε ηνπο πνηθίιεη 0,3-0,5. Τςειφηεξεο ζπγθεληξψζεηο δε ρξεζηκνπνηνχληαη ζπρλά ιφγσ ηνπ πςεινχ ημψδνπο ζε κε ελεξγή θαηάζηαζε. Η απνηειεζκαηηθφηεηα ελφο MR πγξνχ πξνθχπηεη θαηά θχξην ιφγν απφ ηελ αληνρή ζε πίεζε Ty. Έλα απφ ηα θπξηφηεξα πξνβιήκαηα είλαη ε θαζίδεζε, ε νπνία πξνθχπηεη ζηε κηθξν-δνκή ηνπ πιηθνχ θαη επηδξά ζεκαληηθά φηαλ ππάξρεη δηαθνξά ζηελ ππθλφηεηα αλάκεζα ζην MR πγξφ θαη ζην θνξέα. Σν θαηλφκελν απηφ θαζνξίδεη ε ξενινγηθή ζπκπεξηθνξά ηνπ θνξέα, νη ηδηφηεηεο ηεο επηθάλεηαο ησλ κνξίσλ θαη ε παξνπζία πξνζζέησλ. Οη ζρέζεηο κεηαμχ φισλ απηψλ ησλ παξαγφλησλ θαζνξίδνπλ ζε κεγάιν βαζκφ ηελ απφδνζε ηνπ καγλεηνξενινγηθνχ πγξνχ, φκσο κέζνδνη βειηηζηνπνίεζεο είλαη δχζθνιν λα αλαπηπρζνχλ θαζψο νη κεηαμχ ηνπο ζρέζεηο είλαη πεξίπινθεο. Απφ κειέηεο έρεη παξαηεξεζεί φηη ν αξρηθφο ρξφλνο επαλαθνξάο ηνπ κίγκαηνο ζε θαηάζηαζε αξρηθήο εξεκίαο είλαη κηθξφηεξνο απφ ηνπο ππφινηπνπο [15][16]. 16

31 Πίλαθαο 2. Υαξαθηεξηζηηθνί Υξόλνη Δπαλαθνξάο MR Τγξώλ Τγξό Υξόλνο Δπαλαθνξάο (% / Μέξα) MRX-126PD 1.0 MRX-140ND 0.3 MRX-242AS 0.2 MRX-336AG 0 ήκεξα, ην πξφβιεκα ηεο θαζίδεζεο αληηκεησπίδεηαη ζε κεγάιν βαζκφ κε ηε ρξήζε πξνζζεηηθψλ. Σα πξφζζεηα απηά ρξεζηκνπνηνχληαη γηα ηε βειηίσζε ηεο ζηαζεξφηεηαο ησλ ηδηνηήησλ ησλ κνξίσλ ηνπ θέξνληνο. Δπηπιένλ, ε ρξήζε ησλ πξνζζεηηθψλ νπζηψλ πξνθαιεί αχμεζε ηνπ ημψδνπο ηνπ θέξνληνο πγξνχ θαη ζηελ πιεηνςεθία ησλ πεξηπηψζεσλ ζα ην νδεγήζεη ζε κε γξακκηθή ζπκπεξηθνξά. Παξ φι απηά, ην πξφβιεκα ηεο θαζίδεζεο δελ επηιχεηαη κφληκα κε ηε ρξήζε ησλ πξνζζεηηθψλ. ηελ πιεηνςεθία ησλ πεξηπηψζεσλ ην πγξφ ζα επηδεηθλχεη ζηαζεξή ζπκπεξηθνξά γηα έλα κε δχν ρξφληα. Η ρξήζε κφληκσλ καγλεηψλ θαζψο θαη ηξνπνπνηήζεηο ηνπ πξνζαλαηνιηζκνχ θαη ηεο γεσκεηξίαο ησλ ελεξγψλ κεηαβιεηψλ (δηαζηάζεηο θελνχ, καγλεηηθά ηπιίγκαηα θιπ.) είλαη δσηηθήο ζεκαζίαο γηα ηελ επίηεπμε κεγαιχηεξεο δηάξθεηαο πεξηφδσλ ζηαζεξνπνίεζεο. Σα MR πγξά παξνπζηάδνπλ ην πξφβιεκα ηεο αξαίσζεο, σο απνηέιεζκα ηεο βαζηθήο ηνπο ζχζηαζεο θαζψο θαη ηεο ρξήζεο ηνπο. Σν θαηλφκελν απηφ θαηαιήγεη ζε ζηαδηαθή αχμεζε ηνπ ημψδνπο φηαλ ην πγξφ πθίζηαηαη πςειέο πηέζεηο θη απφηνκνπο ξπζκνχο κεηαβνιήο. Η πξνέιεπζε ηνπ πξνβιήκαηνο απηνχ ηνπνζεηείηαη ζην δηαρσξηζκφ ηνπ επζξαχζηνπ επηθαλεηαθνχ ζηξψκαηνο ησλ κνξίσλ ηνπ πγξνχ. Απηά, ηα κηθξφηεξα θαη δεπηεξεπνχζεο ζεκαζίαο κφξηα έρνπλ κεγάιε επίδξαζε ζηε ξενινγηθή ζπκπεξηθνξά ηνπ MR πγξνχ. ήκεξα, ην πξφβιεκα ηεο ιείαλζεο επηιχεηαη γηα πνιιά πγξά απηνχ ηνπ είδνπο, σζηφζν ην θαζέλα απφ απηά παξνπζηάδεη θάπνην βαζκφ γήξαλζεο. Μία εμίζσζε γηα ηνλ πξνζδηνξηζκφ ηεο γήξαλζεο ηνπ πγξνχ είλαη: Γεγνλφο είλαη φηη, ν ξπζκφο θαζηδήζεσο απμάλεηαη εηο ηελ ηεηάξηε, κε ηελ αχμεζε ηνπ κέγεζνο ησλ κνξίσλ. Χζηφζν, ε κείσζε ηνπ κεγέζνπο ζα πξνθαιέζεη κηα κείσζε ζηελ ειθηηθή δχλακε κεηαμχ ηνπο. Άιια θξηηήξηα θαζνξηζκνχ ηεο ζχζηαζεο ηνπ MR πγξνχ αθνξνχλ ηε ζεξκνθξαζία ιεηηνπξγίαο ηεο ζπζθεπήο, ηελ αληηζηνίρεζε ημψδνπο κε ην πνζνζηφ ιέπηπλζεο, ηε ζπκβαηφηεηα κε άιια πιηθά θαη ηελ απνκφλσζε απφ ηνλ αηκνζθαηξηθφ αέξα. Η πιεηνςεθία ησλ MR πγξψλ ιεηηνπξγνχλ ζε εχξνο ζεξκνθξαζηψλ απφ -40 o C έσο 150 ν C. Σν εχξνο απηφ πεξηνξίδεηαη απφ ηηο ηδηφηεηεο ηνπ θέξνληνο πγξνχ. Η ππθλφηεηα ησλ MR πγξψλ θπκαίλεηαη 3-4 gr/cm 3 θα ην ημψδεο 0,10 1,00 Pa. s (γηα 25 ν C). Η απαηηνχκελε ελέξγεηα γηα ηελ ελεξγνπνίεζε ηνπ πγξνχ εμαξηάηαη απφ ηνλ φγθν ηνπ πγξνχ πνπ ζα πξέπεη λα ελεξγνπνηεζεί θαη ηελ απαηηνχκελε δχλακε πνπ ζα πξέπεη λα επηδείμεη. Ο 17

32 αληίζηνηρνο ρξφλνο απφθξηζεο εμαξηάηαη απφ ηε δχλακε ηνπ πεδίνπ, ηε ζπγθέληξσζε ησλ κνξίσλ, ην ξπζκφ αξαίσζεο θαζψο θαη ηα ππφινηπα πιηθά πνπ βξίζθνληαη ζε αιιειεπίδξαζε. Τπάξρνπλ MR πγξά πνπ απνηεινχληαη απφ κηθξνζθνπηθά κφξηα θη απνθαινχληαη λαλν-καγλεηνξενινγηθά πγξά ή NMR πγξά (Nano-magnetorheological fluids). Η ρξήζε απηψλ ησλ πγξψλ παξνπζηάδεη θάπνηα πιενλεθηήκαηα έλαληη ησλ ζπκβαηηθψλ MR πγξψλ. Καηαξράο, ε ελεξγνπνίεζε ηνπ πγξνχ απαηηεί αζζελέζηεξν καγλεηηθφ πεδίν θη έπεηηα ην πξφβιεκα ηεο θαζηδήζεσο επηδξά ζε αξθεηά κηθξφηεξν βαζκφ, εμαηηίαο ηεο κεγάιεο δηαθνξάο ζηηο ππθλφηεηεο ησλ δχν πγξψλ. Χζηφζν ε ρξήζε κηθξφηεξσλ κνξίσλ νδεγεί ζε κεγαιχηεξν ρξφλν απφθξηζεο εμαηηίαο ησλ αζζελέζηεξσλ δπλάκεσλ έιμεο κεηαμχ ησλ κνξίσλ. Απηφο είλαη θαη ν θχξηνο ιφγνο γηα ηνλ νπνίν ηα NMR πγξά δε ζπληζηνχληαη γηα ρξήζε ζε ζπζηήκαηα αλαξηήζεσλ πνπ εκπιέθνληαη κεγάιεο δπλάκεηο. Δπηπιένλ, είλαη αξθεηά δχζθνιε ε κεηαβνιή ηνπ ημψδνπο ησλ NMR πγξψλ. Γηα κίγκαηα καγλεηηθψλ κνξίσλ ε ζεξκνδπλακηθή εμίζσζε κπνξεί λα δηαηππσζεί σο kt/a. Καηά ηε δηπνιηθή πξνζέγγηζε, ν ιφγνο ηεο καγλεηηθήο πξνο ηε ζεξκνδπλακηθή δχλακε είλαη: Όποσ: H ην εθαξκνδφκελν καγλεηηθφ πεδίν κ ν ε καγλεηηθή επηδεθηηθφηεηα ηνπ θελνχ κ f ε καγλεηηθή επηδεθηηθφηεηα ηνπ πγξνχ α ε δηάκεηξνο ησλ κνξίσλ k ε ζηαζεξά ηνπ Boltzmann T ε ζεξκνθξαζία Έρεη παξαηεξεζεί, φηη γηα ζπλήζε καγλεηηθά πεδία, θπξηαξρνχλ νη δπλάκεηο Brown ή αιιηψο απηέο νη δπλάκεηο πνπ θαζηζηνχλ ηελ θίλεζε ησλ κνξίσλ ηπραία Γπλαηόηεηεο χκθσλα κε ηε [16] ειέρζεζαλ νη δπλαηφηεηεο ησλ MR πγξψλ. Σα απνηειέζκαηα ζπλνςίδνληαη παξαθάησ: Όξην Αληνρήο η y : Δίλαη δέθα θνξέο κεγαιχηεξν απφ ην αληίζηνηρν ησλ ειεθηξνξενινγηθψλ πγξψλ. Σα ειεθηξνξενινγηθά πγξά (ER), παξνπζηάδνπλ δηαθνξεηηθφ ημψδεο ζε ζρέζε κε ην επηβαιιφκελν ειεθηξηθφ πεδίν. [17]. Υξόλνο απόθξηζεο: Ο ρξφλνο απφθξηζεο θπκαίλεηαη ζηα 10ms θαη είλαη αξθεηά γξήγνξνο, εηδηθά φηαλ ζπλδπαζηεί κε ην θαηάιιειν ζχζηεκα ελεξγνπνίεζεο. Δπαηζζεζία: Η απφδνζε ησλ MR πγξψλ είλαη άζρεηε απφ ηελ θαζαξφηεηα ηνπ κίγκαηνο ή ηε δηαηήξεζή ηεο. Σν θχξην πξφβιεκα ηεο θαζηδήζεσο επηιχεηαη κε ηε ρξήζε πξνζζέησλ νπζηψλ, γεγνλφο ην νπνίν θαζηζηά ηηο εθαξκνγέο πην αμηφπηζηεο. Αμηνπηζηία: Ο ζπλδπαζκφο κε κφληκνπο καγλήηεο θαζηζηά ηα ζπζηήκαηα πνπ ρξεζηκνπνηνχλ MR πγξά ιηγφηεξν επηξξεπή ζην θαηλφκελν ηεο θαζηδήζεσο. 18

33 Δλεξγεηαθέο απαηηήζεηο: Οη ζπζθεπέο πνπ ρξεζηκνπνηνχλ MR πγξά απαηηνχλ θαηά πξνζέγγηζε 50Watt (12 24 Volts κε 1 2 Amperes). Μέγεζνο ζπζθεπήο: Πξέπεη λα ιεθζεί ππφςε θαη ε ζπζθεπή ελεξγνπνίεζεο, δειαδή ε δηάηαμε παξαγσγήο ηνπ απαηηνχκελνπ ξεχκαηνο γηα ηε δεκηνπξγία ηνπ καγλεηηθνχ πεδίνπ. Μία ζρέζε πνπ δίλεη ηελ απαηηνχκελε πνζφηεηα MR πγξνχ γηα ηελ επίηεπμε δπλακηθήο πεξηνρήο εχξνπο w, είλαη (ρήκα 14): Όποσ: σ : η ηατύηηηα ηy: ηο όριο ανηοτής ηοσ σγρού Fc: η ελεγτόμενη δύναμη Fη:η σθιζηάμενη δύναμη ( ) ( ) ρήκα 14: Αλαπηπζζόκελεο δπλάκεηο [75] πγθξίλνληαο ηελ απνηειεζκαηηθφηεηα ησλ ER θαη MR πγξψλ, θαη ζεσξψληαο ηνλ απαξαίηεην φγθν γηα ηελ επίηεπμε απηνχ απνηειέζκαηνο ζε κία εθαξκνγή, γηα ηελ ίδηα εθαξκνγή, ηαρχηεηα θαη δχλακε, πξνθχπηεη: 2.4. Μνληέιν Αλαξηήζεσο πρλά ρξεζηκνπνηείηαη ην κνληέιν ηνπ Bingham γηα ηελ πεξηγξαθή ηεο ζρέζεο αλάκεζα ζηε δηαηκεηηθή πίεζε η θαη ηνπ δηαηκεηηθνχ ξπζκνχ παξακνξθψζεσο ηνπ πγξνχ. Σν κνληέιν πηνζεηεί έλα ζηαζεξφ ημψδεο γηα φιεο ηηο πηέζεηο νιηζζήζεσο, θάηη ην νπνίν είλαη αλαθξηβέο γηα πςειέο πηέζεηο. Οκνίσο, πξνθχπηνπλ αλαθξηβή απνηειέζκαηα γηα ηελ επίδξαζε πςειψλ ζεξκνθξαζηψλ θαη πηέζεσλ ζην ρξφλν 19

34 απφθξηζεο θαη ζην ρξφλν ελεξγνπνίεζεο ηνπ MR πγξνχ ζην θέξνλ πγξφ [19][20][21][22]. χκθσλα κε ην κνληέιν ηνπ Bingham [23] πξνθχπηεη ην εχξνο ηεο δπλακηθήο πεξηνρήο ηνπ πγξνχ. Η ζρέζε κεηαμχ ηεο πίεζεο η θαη ηεο ηαρχηεηαο ζεσξείηαη γξακκηθή. Δίλαη γλσζηφ φηη ηα MR πγξά παξνπζηάδνπλ ζπκπεξηθνξά δηαηκεηηθήο ιέπηπλζεο, δειαδή ην θαηλφκελν ηεο κείσζεο ηνπ ημψδνπο κε αχμεζε ηνπ ξπζκνχ παξακφξθσζεο, γεγνλφο ην νπνίν πξνθαιείηαη εμαηηίαο ησλ ηδηνηήησλ ηνπ θέξνληνο πγξνχ. Η ηαρχηεηα ξνήο ζχκθσλα κε ηελ αξρή δηαηήξεζεο ηεο νξκήο είλαη: Λφγσ ηεο κηθξήο ζρέζεο αλάκεζα ζηε ξνή ζην θελφ θαη ηεο δηακέηξνπ ηνπ ζαιάκνπ πνπ βξίζθεηαη ην πγξφ ζηελ αλάξηεζε, κπνξεί λα ζεσξεζεί φηη ε ξνή ζηελ αλάξηεζε είλαη φκνηα κε απηή ελφο παξάιιεινπ αγσγνχ [24]. Ο δηαηκεηηθφο ξπζκφο παξακφξθσζεο δίλεηαη απφ ηελ εμίζσζε: Όπνπ: Rpiston: η διάμεηρος ηοσ εμβόλοσ ηης ανάρηηζης Γελ ππάξρνπλ πνιιέο πιεξνθνξίεο δηαζέζηκεο γηα ηε ζπκπεξηθνξά ησλ MR πγξψλ ζε πςειέο ηάζεηο Υξόλνο Απόθξηζεο Ο ρξφλνο απφθξηζεο νξίδεηαη σο ν απαηηνχκελνο ρξφλνο αιιαγήο ηεο ξενινγηθήο ζπκπεξηθνξάο ηνπ πγξνχ ζε παξαπιήζηα κε ελφο ζηεξενχ (ρήκα 15). ρήκα 15: Δπίδξαζε εθαξκνγήο καγλεηηθνύ πεδίνπ [75] Σν καγλεηνξενινγηθφ θαηλφκελν κπνξεί λα νξηζηεί σο ην κέγεζνο ησλ καγλεηηθψλ δπλάκεσλ πνπ αλαπηχζζνληαη κεηαμχ ησλ κνξίσλ ηνπ πγξνχ φηαλ εθαξκφδεηαη ζε απηφ καγλεηηθφ πεδίν [25]. Γηα παξάδεηγκα, ν ρξφλνο απφθξηζεο ηνπ LORD MRF-132AD είλαη ζχκθσλα κε πιεξνθνξίεο ηεο θαηαζθεπάζηξηαο εηαηξίαο 20

35 10ms. Απηφο ν ρξφλνο θαζνξίδεηαη ζην κεγαιχηεξν κέξνο ηνπ απφ ην ρξφλν αλφδνπ ηνπ ειεθηξνκαγλεηηθνχ θπθιψκαηνο Δπίδξαζε Θεξκνθξαζίαο ηα ζπζηήκαηα αλαξηήζεσλ έλα κεγάιν κέξνο ηεο απνξξνθνχκελεο ελέξγεηαο κεηαηξέπεηαη ζε ζεξκφηεηα. Η ηδέα ηεο απνξξφθεζεο ελέξγεηαο βαζίδεηαη ζηελ αξρή ηεο δηάηκεζεο ησλ ζηξσκάησλ ηνπ πγξνχ θαζψο θαη ζηελ αξρή ησλ δπλάκεσλ ηξηβήο ζηα ηνηρψκαηα. Γη απηφ ην ιφγν ε ζεξκνθξαζία ζηελ αλάξηεζε ζα απμεζεί. Σν γεγνλφο φηη έλα θιεηζηφ ζχζηεκα φπσο ε αλάξηεζε επηηξέπεη ειάρηζηε κεηαθνξά ζεξκφηεηαο εληζρχεη ηελ αχμεζε ηεο ζεξκνθξαζίαο. Γηα παξάδεηγκα, αθνινπζεί ε ζπκπεξηθνξά ηνπ MR πγξνχ LORD MRF-132AD, ην νπνίν είλαη αξθεηά επζηαζέο γηα ζεξκνθξαζίεο απφ o C [37]. Οη ηδηφηεηεο ηνπ θέξνληνο πγξνχ επεξεάδνληαη επίζεο απφ ηε ζεξκνθξαζία θαη ε αχμεζή ηεο ζα επεξεάζεη ην ημψδεο ηνπ ζπλνιηθνχ πγξνχ. Απφ κειέηεο πάλσ ζην θαηλφκελν ηεο δηαηκεηηθήο πήμεο πξνθχπηεη φηη ην θαηλφκελν απηφ κπνξεί λα επηβξαδπλζεί κε ηελ αχμεζε ηεο ζεξκνθξαζίαο ηνπ πγξνχ. Η άλνδνο ηεο ζεξκνθξαζίαο κπνξεί επίζεο λα πξνθαιέζεη δηφγθσζε ησλ κνξίσλ θαη ζπλεπψο ελίζρπζε ηνπ καγλεηνξενινγηθνχ θαηλνκέλνπ, αθνχ ηα κφξηα ζα έρνπλ κεγαιχηεξε δηάκεηξν. Δπηπιένλ, ε ζεξκνθξαζία επηδξά ζηελ θίλεζε Brown, ε νπνία κε ηε ζεηξά ηεο επηδξά ζην θαηλφκελν ηεο θαζηδήζεσο. πκπεξαζκαηηθά, ζπζηήκαηα ηα νπνία βαζίδνληαη ζηε ρξήζε έμππλσλ πιηθψλ, φπσο νη καγλεηνξενινγηθέο αλαξηήζεηο, παξέρνπλ κεγάιν εχξνο ιεηηνπξγίαο, είλαη απνηειεζκαηηθά θαη αλζεθηηθά, εηδηθά φηαλ ζπλδπαζηνχλ κε κφληκνπο καγλήηεο Ο Μεραληζκόο ησλ MR Τγξώλ Σα καγλεηηθά κφξηα απνηεινχληαη απφ καγλεηηθέο ππν-πεξηνρέο. Απηέο νη ππνπεξηνρέο έρνπλ καγλεηηθά δίπνια κεηαμχ ησλ νπνίσλ πθίζηαληαη κηθξέο δπλάκεηο εμαηηίαο ηνπ ηπραίνπ πξνζαλαηνιηζκνχ ησλ κνξίσλ ζην πγξφ. Η δχλακε απηή κπνξεί λα γίλεη ηζρπξφηεξε κε ηνλ θαηάιιειν πξνζαλαηνιηζκφ πνπ αθνινπζεί ηελ εθαξκνγή καγλεηηθνχ πεδίνπ. Απφ ηε ζηηγκή πνπ νη καγλεηηθέο δπλάκεηο ππεξβνχλ ην φξην ηεο ζεξκηθήο ελέξγεηαο ηνπ ζπζηήκαηνο δεκηνπξγνχληαη αιπζίδεο κνξίσλ. Πεξαηηέξσ αχμεζε ηνπ καγλεηηθνχ πεδίνπ νδεγεί ζηε δεκηνπξγία ζηειψλ κνξίσλ παξάιιεισλ ζην ππάξρνλ καγλεηηθφ πεδίν. Ο πξνζαλαηνιηζκφο ησλ κνξίσλ θαζνξίδεη εάλ νη δπλάκεηο ζα είλαη ειθηηθέο ή απσζηηθέο. Οη δνκέο απηέο παξαθσιχνπλ ηελ θίλεζε ηνπ πγξνχ θαη ε πξνθχπηνπζα ημψδεο ζπκπεξηθνξά ραξαθηεξίδεηαη απφ ηηο ηδηφηεηεο ηνπ νξίνπ αληνρήο [29][30] Μαγλεηηθέο Ιδηόηεηεο Η ηππηθή ζπκπεξηθνξά ηνπ πγξνχ είλαη επαθφινπζν ησλ δηαθνξψλ ζηε ζπγθέληξσζε θαη ζηε καγλεηηθή θχζε ησλ κνξίσλ. Σν καγλεηνξενινγηθφ θαηλφκελν είλαη ζζελαξά ζπλδεδεκέλν κε ηνλ θνξεζκέλν καγλεηηζκφ J s ησλ κνξίσλ. Ο ζπλνιηθφο θνξεζκφο ησλ MR πγξψλ Bs ηζνχηαη κε: 21

36 Όπνπ: Φ: ν ζηνηρεηψδεο φγθνο ησλ κνξίσλ Σα κφξηα ζηδήξνπ ζπρλά ρξεζηκνπνηνχληαη σο πιηθφ, αιιά ε ρξήζε ηνπ εληζρχεη ην θαηλφκελν ηεο θαζίδεζεο απνπζία καγλεηηθνχ πεδίνπ, εμαηηίαο ηεο ππθλφηεηάο ηνπ. Η βειηηζηνπνίεζε ηνπ κεγέζνπο ησλ κνξίσλ έρεη ζεκαληηθή επίδξαζε ζηελ θαζίδεζε ησλ κνξίσλ. Τπάξρεη πιεζψξα κειεηψλ πνπ αζρνινχληαη κε ηελ πεξηγξαθή ησλ ξενινγηθψλ θαη καγλεηηθψλ ηδηνηήησλ δηαθφξσλ MR πγξψλ [31]. ε δηάθνξα πεηξάκαηα, ηα ραξαθηεξηζηηθά ηεο ειεθηξνκαγλεηηθήο ζπζθεπήο, φπσο ε ζρέζε ηεο ππθλφηεηαο ξνήο B κε ην ξεχκα I, θαζνξίδνληαη απφ κεηξήζεηο ζην δηάθελν κε εθκεηάιιεπζε ηνπ θαηλνκέλνπ Hall. Η κεηξνχκελε καγλεηηθή ξνή ζεσξείηαη ίδηα κε εθείλε ηνπ πγξνχ. Η δηαθνξά ζηελ ππθλφηεηα ξνήο B κεηαμχ ηνπ δηαθέλνπ ηνπ αέξα θαη ηνπ πγξνχ ζπρλά ακειείηαη [32][33]. Γηα ην εθαξκνδφκελν καγλεηηθφ πεδίν Ho ζην MR πγξφ, απαηηείηαη ε γλψζε ηεο καγλεηηθήο επηδεθηηθφηεηαο ηεο MR αλάξηεζεο κ eff γηα ηελ νπνία ηζρχεη [34]: 22

37 3. Μαγλεηνξενινγηθή Αλάξηεζε 3.1. Γεληθά Σα ακνξηηζέξ (ρήκα 16), ζηα πεξηζζφηεξα απηνθίλεηα, βαζίδνληαη ζηε ρξήζε θάπνηνπ πγξνχ ζε θάπνην ζάιακν, ζε θάπνην θηλεηφ κέξνο, πηζηφλη, θαη ζε δηάθνξα άιια κεραληθά κέξε ηα νπνία είλαη εππξφζβιεηα ζε θζνξά ιφγσ ρξήζεο θαη ρξφλνπ. Δπηπιένλ, ηα ζπκβαηηθά ακνξηηζέξ, έρνπλ ζηαζεξή ή ζρεδφλ ζηαζεξή ή αξγά, ζρεηηθά, κεηαβαιιφκελε ζπκπεξηθνξά [35]. Με άιια ιφγηα δελ είλαη κία δηάηαμε ε νπνία κπνξεί λα πξνζαξκφδεηαη δπλακηθά θαη γξήγνξα ζηηο απαηηήζεηο ηνπ νδνζηξψκαηνο, είηε ζε νπνηαζδήπνηε άιιε εθαξκνγή. Σα MR πγξά απνηεινχλ ηελ ηερλνινγηθή θαηλνηνκία πνπ επηηξέπεη ηελ αλαίξεζε ησλ πξναλαθεξζέλησλ κεηνλεθηεκάησλ, θαη παξέρνπλ κεγάιε αληνρή ζε θζνξά ιφγσ ρξφλνπ θαη ρξήζεο θαζψο θαη κεγάιε αμηνπηζηία ζε ζπλδπαζκφ κε ηαρχηαηε απφθξηζε. ρήκα 16: Ακνξηηζέξ ζε Audi R8 [27] Οη καγλεηνξενινγηθέο αλαξηήζεηο πξσηνεκθαλίζηεθαλ ην Αθφκα, ρξεζηκνπνηείηαη ζήκεξα ε ηερλνινγία ηεο εκη-ελεξγήο αλάξηεζεο, ε νπνία βαζίδεηαη ζηα MR πγξά, αιιά απνηειεί έλα ζπλδπαζκφ κε ηηο παιαηφηεξεο ηερλνινγίεο αλαξηήζεσλ [36]. ηφρνο απηψλ ησλ αλαξηήζεσλ είλαη ε ειαρηζηνπνίεζε ησλ θξαδαζκψλ θαη ζε αξθεηέο πεξηπηψζεηο ησλ δπλάκεσλ πνπ αλαπηχζζνληαη θαηά ηε δηάξθεηα θάπνηαο ζχγθξνπζεο. Η ηερλνινγία ησλ καγλεηνξενινγηθψλ αλαξηήζεσλ απνηειεί παηέληα ηεο εηαηξίαο Delphi. Όπσο αλαθέξζεθε παξαπάλσ, ην πγξφ πεξηέρεη κηθξά κεηαιιηθά ζσκαηίδηα ζε θιίκαθα ηνπ κίθξν ή θαη ηνπ λάλν ηα νπνία αλάινγα κε ηε κεηαβνιή ηνπ πεδίνπ αιιάδνπλ ζέζε κεηαβάιινληαο ηε δηέιεπζε ηνπ πγξνχ. Με άιια ιφγηα, ε εθαξκνγή πεδίνπ επεξεάδεη ηε ξεπζηφηεηα ηνπ πγξνχ θαη εκπνδίδεη ή δηεπθνιχλεη ηελ θίλεζε ηνπ πγξνχ. πλεπψο εθεί πνπ ζε έλα ζπκβαηηθφ ακνξηηζέξ ε ζθιεξφηεηα ειέγρεηαη απφ βαιβίδεο πνπ επηηξέπνπλ ή εκπνδίδνπλ ηελ θίλεζε ηνπ ιαδηνχ, ηψξα ε ζθιεξφηεηα ειέγρεηαη κέζσ ειέγρνπ ηνπ εθαξκνδφκελνπ πεδίνπ. ε αληίζεζε κε ηηο ζπκβαηηθέο αλαξηήζεηο, νη νπνίεο παξέρνπλ ηε κέγηζηε απφζβεζε ζε ζπγθεθξηκέλε 23

38 ζπρλφηεηα θαη πιάηνο δηέγεξζεο, ε MR αλάξηεζε παξέρεη κέγηζηε απφζβεζε ζε κία επξεία πεξηνρή ζπρλνηήησλ θαη πιάηνπο. Ο ηξφπνο κε ηνλ νπνίνλ καγλεηίδνληαη ηα ζσκαηίδηα ειέγρεηαη απφ κία ειεθηξνληθή κνλάδα [37][38][39][40][41] Έιεγρνο Αλάξηεζεο θνπφο είλαη ηα ακνξηηζέξ λα έρνπλ πάληα ηελ επηζπκεηή ζθιεξφηεηα θαη απφζβεζε θάζε ρξνληθή ζηηγκή, ζε ζπλάξηεζε κε ηελ ηαρχηεηα ηνπ νρήκαηνο, ηελ θιίζε θαη ην θνξηίν πνπ αζθείηαη ζε θάζε άμνλα [42]. Η αλάξηεζε εθηφο απφ ην εηδηθφ καγλεηνξενινγηθφ πγξφ πνπ πεξηέρεη, κέζα ζε εηδηθά δηακνξθσκέλν ζάιακν, πεξηιακβάλεη θη έλα πελίν, ην νπνίν ηνπνζεηείηαη ζηνλ ζάιακν ηνπ πγξνχ θαη θαζνξίδεη ηελ ελεξγνπνίεζε θαη ηε ζθιεξφηεηα ηεο αλάξηεζεο. Σν πελίν είλαη ππεχζπλν γηα ηε δεκηνπξγία ηνπ καγλεηηθνχ πεδίνπ θάζε ρξνληθή ζηηγκή θαη θάησ απφ δηαθνξεηηθέο ζπλζήθεο. Απηφ επηηπγράλεηαη κέζσ θαηάιιεισλ αηζζεηήξσλ πνπ ηνπνζεηνχληαη ζην φρεκα θαη δεκηνπξγνχλ ηα απαξαίηεηα ζήκαηα πνπ ζα θαζνξίδνπλ ηε βέιηηζηε ζθιεξφηεηα ηεο αλάξηεζεο (ρήκα 17)[43]. ρήκα 17: Σππηθή δηάηαμε ειέγρνπ [25] Με άιια ιφγηα, νη αηζζεηήξεο ζα δηαβάδνπλ θάζε ρξνληθή ζηηγκή ην δξφκν, ζα ζηέιλνπλ ηα θαηάιιεια ζήκαηα ζηνλ ειεθηξνληθφ εγθέθαιν ηνπ νρήκαηνο ν νπνίνο ζα επηθνηλσλεί κε ην ζχζηεκα νδήγεζεο ηεο αλάξηεζεο. Σν ζχζηεκα νδήγεζεο είλαη ππεχζπλν γηα ηελ επεμεξγαζία ησλ εληνιψλ ηνπ ειεθηξνληθνχ εγθεθάινπ θαη ηελ παξαγσγή ηεο θαηάιιειεο ηηκήο ξεχκαηνο ε νπνία ζα πεξάζεη απφ ην πελίν ηεο αλάξηεζεο γηα ηε δεκηνπξγία ηνπ επηζπκεηνχ καγλεηηθνχ πεδίνπ. Πξφθεηηαη δειαδή, γηα κία έμππλε αλάξηεζε, ε νπνία κέζσ ηνπ εγθεθάινπ θαη ηνπ ζπζηήκαηνο νδήγεζεο, καιαθψλεη, άγνληαο ιηγφηεξν ξεχκα ην νπνίν δεκηνπξγεί αζζελέζηεξν καγλεηηθφ πεδίν, θαη ζθιεξαίλεη κε ηε δηέιεπζε κεγαιχηεξεο ηηκήο ξεχκαηνο ε νπνία πξνθαιεί ηζρπξφηεξν καγλεηηθφ πεδίν. Η επίδξαζε ηνπ 24

39 καγλεηηθνχ πεδίνπ, φπσο αλαιχζεθε ζε πξνεγνχκελε ελφηεηα, είλαη ε πχθλσζε ή ε αξαίσζε ηνπ καγλεηνξενινγηθνχ πγξνχ θαη ε κεηαβνιή ηνπ ημψδνπο ηνπ. Ο έιεγρνο ηεο αλάξηεζεο (ρήκα 18) κε ηε ρξήζε κηθξνεπεμεξγαζηή πξνζαξκφδεη ηε ζθιεξφηεηα θαη ηελ απφθξηζε ηεο αλάξηεζεο ζε ζρέζε κε ηελ θαηάζηαζε ηνπ νρήκαηνο. ρήκα 18: Κέιπθνο αλάξηεζεο [27] ε άιιεο πεξηπηψζεηο, ην ζχζηεκα απηφ πηζαλφλ λα αθνξά φρη κφλν ηηο αλαξηήζεηο άιια έλα ζχλνιν κεξψλ πνπ ζα βαζίδνπλ ηε ιεηηνπξγία ηνπο ζε MR πγξά, φπσο θαζίζκαηα, ιάζηηρα, πξνθπιαθηήξεο. Δπηζπκεηφο ρξφλνο απφθξηζεο ηνπ ζπζηήκαηνο νδήγεζεο ηεο αλάξηεζεο ζε απηέο ηηο πεξηπηψζεηο είλαη κεξηθά msec. Κχξην πιενλέθηεκα είλαη ε δπλαηφηεηα νπνηαδήπνηε δηάηαμε λα ελεξγνπνηεζεί ζηελ θαηάιιειε κνξθή, φπνηε θαη εάλ ρξεηαζηεί [44]. Απφ ηηο απηνθηλεηνβηνκεραλίεο αλαθέξεηαη φηη ηα θαιχηεξα απνηειέζκαηα γηα ηέηνηα ζπζηήκαηα αλάξηεζεο επηηπγράλνληαη κε μερσξηζηφ έιεγρν ηεο θάζε αλάξηεζεο. χκθσλα κε ηε Lord, εηαηξία θαηαζθεπήο ησλ Hummer, νη καγλεηνξενινγηθέο ηνπο αλαξηήζεηο κπνξνχλ λα κεηαβάιινπλ ηα ραξαθηεξηζηηθά ηνπο ζε ιηγφηεξν απφ έλα ρηιηνζηφ ηνπ δεπηεξνιέπηνπ. Η καγλεηνξενινγηθή αλάξηεζε (θάικα! Σν αξρείν πξνέιεπζεο ηεο αλαθνξάο δελ βξέζεθε.) δε ζα πξέπεη λα ζπγρέεηαη κε ηα ειεθηξνληθά ειεγρφκελα ακνξηηζέξ, θαζψο ηα ηειεπηαία πεξηέρνπλ ζην ζάιακφ ηνπο ιάδη. Ο έιεγρνο αλαθέξεηαη ζηηο βαιβίδεο πνπ θαζνξίδνπλ ηε ζθιεξφηεηα ηεο αλάξηεζεο πκπεξάζκαηα Αξρηθά, απηνχ ηνπ είδνπο νη αλαξηήζεηο ζε ζρέζε κε ηελ νδεγηθή ζπκπεξηθνξά ελφο νρήκαηνο παξέρνπλ κείσζε ησλ θξαδαζκψλ ηνπ νρήκαηνο, κηθξφηεξε θζνξά ζηα κεραληθά κέξε, πην άλεηε νδήγεζε θαη κεηαθνξά, κηθξφηεξε θζνξά ζην ρξφλν θαη κεγαιχηεξε αμηνπηζηία [45][46]. Οη καγλεηνξενινγηθέο αλαξηήζεηο, πέξαλ ηεο άλεζεο πνπ παξέρνπλ, πξνζθέξνπλ εμαηξεηηθή νδεγηθή ζπκπεξηθνξά, εηδηθά ζε απφηνκεο ελαιιαγέο θαηεχζπλζεο. Γεδνκέλεο ηεο ηαρείαο απφθξηζεο ησλ καγλεηνξενινγηθψλ πγξψλ, ην πξνεγνχκελν ζπκπέξαζκα ήηαλ αλακελφκελν. Σν γεγνλφο απηφ, έρεη νδεγήζεη αξθεηέο απηνθηλεηνβηνκεραλίεο λα θαζηεξψζνπλ ηελ εθαξκνγή ηνπο ζε ζπνξ εθδφζεηο απηνθηλήησλ θη φρη κφλν [47]. Υαξαθηεξηζηηθά παξαδείγκαηα είλαη ην Audi TT θαη 25

40 R8, ε Ferrari 599 θαη F12, ε Red bull ζηα κνλνζέζηά ηεο, ε Corvette, ε Buick Lucerne, ηα Hummer ηεο Lord, εκπνξηθά θαη ζηξαηησηηθά, φπνπ ηα καγλεηνξενινγηθά πγξά ρξεζηκνπνηνχληαη ζηηο αλαξηήζεηο, ε Porshe 911 GT3 ε νπνία ρξεζηκνπνηεί ηελ ηερλνινγία ησλ MR πγξψλ γηα ηηο βάζεηο έδξαζεο ηνπ θηλεηήξα. Υαξαθηεξηζηηθά καγλεηνζπζηαιηηθά πιηθά είλαη θξάκαηα NdFe, TbCo θαη πνιπζηξσκαηηθά πκέληα TbFe/TbCo, θαζψο έρνπλ πςειφ ζπληειεζηή καγλεηνζπζηνιήο. Έλα άιιν πιηθφ πνπ παξνπζηάδεη ελδηαθέξνλ είλαη ην Tefonel-D. ρήκα 19: ρεκαηηθή αλαπαξάζηαζε ηνπ ζπζηήκαηνο αλαξηήζεσο Η ζθιεξφηεηα ηεο καγλεηνξενινγηθήο αλάξηεζεο θαζνξίδεηαη απφ ην εθαξκνδφκελν καγλεηηθφ πεδίν. Η έληαζε ηνπ καγλεηηθνχ πεδίνπ εμαξηάηαη απφ ην ξεχκα πνπ δηαξξέεη έλα πελίν, πνπ αλαθνξηθά κε ηελ αλάξηεζε, βξίζθεηαη πάλσ ζην ζχζηεκα ηεο αλάξηεζεο, έμσ απφ ην ζάιακν ηνπ καγλεηνξενινγηθνχ πγξνχ. Χο απνηέιεζκα, ε ελεξγνπνίεζε θαη ν έιεγρνο κίαο ηέηνηαο ζπζθεπήο απαηηεί ηελ χπαξμε κίαο δηάηαμεο πνπ ζα έρεη ηε δπλαηφηεηα λα παξέρεη ξεχκα, κεηαβαιιφκελνπ πιάηνπο κε ηελ επηζπκεηή απφθξηζε. Σέηνηεο δηαηάμεηο, είλαη νη κεηαηξνπείο ηζρχνο ή αιιηψο ηξνθνδνηηθά. 26

41 4. Σξνθνδνηηθά πλερνύο Σάζεο 4.1. Γεληθά Σξνθνδνηηθά ρξεζηκνπνηνχληαη ζηελ πιεηνςεθία, αλ φρη ζην ζχλνιν, ησλ ειεθηξηθψλ θαη ειεθηξνκεραληθψλ ζπζθεπψλ. ηα πεξηζζφηεξα ζπζηήκαηα ρξεζηκνπνηείηαη ελαιιαζζφκελε ηάζε γηα ηξνθνδνζία, φκσο ππάξρνπλ θαη πεγέο ελέξγεηαο πνπ παξέρνπλ ζπλερή ηάζε, φπσο ζπζζσξεπηέο θαη θσηνβνιηατθέο ζπζηνηρίεο. Απφ ηελ άιιε πιεπξά, ε ιεηηνπξγία ησλ πεξηζζφηεξσλ ειεθηξηθψλ θαη ειεθηξνληθψλ θπθισκάησλ απαηηεί ηελ χπαξμε ηξνθνδνηηθψλ ζπλερνχο ηάζεο κηαο ή πνιιαπιψλ εμφδσλ. Υαξαθηεξηζηηθφ παξάδεηγκα είλαη έλαο πξνζσπηθφο ππνινγηζηήο, φπνπ ρξεζηκνπνηνχληαη δηαθνξεηηθέο ηάζεηο γηα ηελ ηξνθνδνζία ησλ δηαθφξσλ πιαθεηψλ θαη ζπζθεπψλ πνπ δηαζέηεη. Γεληθφηεξα, έλα ηξνθνδνηηθφ θαηαζθεπάδεηαη ψζηε λα πιεξνί θάπνηεο βαζηθέο πξνδηαγξαθέο. ην κεγαιχηεξν βαζκφ ηνπο νη πξνυπνζέζεηο απηέο θαζνξίδνληαη απφ ηελ εθαξκνγή πνπ ζα ρξεζηκνπνηεζεί ην ηξνθνδνηηθφ. Μεξηθέο απφ ηηο πην ζπλεζηζκέλεο απαηηήζεηο είλαη: 1. ηαζεξφ ή θπκαηλφκελν εληφο νξίσλ, ξεχκα/ ηάζε εμφδνπ. 2. Πνιιαπιέο έμνδνη. 3. Απνκφλσζε εηζφδνπ - εμφδνπ. 4. πγθεθξηκέλε ηαρχηεηα απφθξηζεο. 5. Τςειφο βαζκφο απφδνζεο. 6. Μηθξφ κέγεζνο. 7. Μηθξφ βάξνο. ηηο παξαπάλσ απαηηήζεηο κπνξνχλ λα πξνζηεζνχλ πνιιέο αθφκα αλάινγα κε ηελ εθαξκνγή. Τπάξρνπλ ηξεηο ζπληειεζηέο πνπ εθθξάδνπλ ηελ πνηφηεηα θαηαζθεπήο ελφο ηξνθνδνηηθνχ: 1. πληειεζηήο Ρχζκηζεο γηα Μεηαβνιέο ηεο ηάζεο εηζφδνπ Όποσ: ΓVo = Μεηαβνιή ηεο ηάζεο εμφδνπ ΓVi = Μεηαβνιή ηεο ηάζεο εηζφδνπ Vo = Ολνκαζηηθή ηάζε εμφδνπ 2. πληειεζηήο Ρχζκηζεο γηα Μεηαβνιέο ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ Όποσ: 27

42 Vo,without load = Σάζε εμφδνπ ρσξίο θνξηίν Vo,nominal load = Σάζε εμφδνπ κε νλνκαζηηθφ θνξηίν Vo = Ολνκαζηηθή ηάζε εμφδνπ 3. πληειεζηήο Θεξκνθξαζίαο Όποσ: Vo,max = Σάζε εμφδνπ γηα ηε κέγηζηε ζεξ/ζία ιεηηνπξγίαο Tmax Vν.min = Σάζε εμφδνπ γηα ηελ ειάρηζηε ζεξ/ζία ιεηηνπξγίαο Tmin Tmax = Μέγηζηε ζεξ/ζία ιεηηνπξγίαο Tmin = Διάρηζηε ζεξ/ζία ιεηηνπξγίαο Vo = Ολνκαζηηθή ηάζε εμφδνπ Σα ηξνθνδνηηθά κπνξνχλ λα θαηεγνξηνπνηεζνχλ αλάινγα κε δηάθνξα ραξαθηεξηζηηθά ηνπο, φπσο ε ηζρχο θαη ην εκηαγσγηθφ ζηνηρείν πνπ ρξεζηκνπνηείηαη. Χζηφζν, κία θχξηα θαηεγνξηνπνίεζε είλαη ζχκθσλα κε ηε ιεηηνπξγία ηνπ εκηαγσγηθνχ ζηνηρείνπ ηζρχνο πνπ ρξεζηκνπνηείηαη σο δηαθφπηεο, δειαδή κε βάζε ην αλ ε ιεηηνπξγία ηνπ είλαη δηαθνπηηθή ή γξακκηθή, νπφηε ζπκπεξηθέξεηαη σο ειεγρφκελε σκηθή αληίζηαζε. Η πξψηε θαηεγνξία ηξνθνδνηηθψλ νλνκάδεηαη δηαθνπηηθά ηξνθνδνηηθά ή παικνηξνθνδνηηθά θαη ε δεχηεξε γξακκηθά ηξνθνδνηηθά. ρήκα 20: Πεξηνρέο ιεηηνπξγίαο δηαθνπηηθνύ ζηνηρείνπ [76] Ιζηνξηθά, πξψηα εκθαλίζηεθαλ ηα γξακκηθά ηξνθνδνηηθά. Αξγφηεξα, κε ηελ πξφνδν ηεο ηερλνινγίαο αλαπηχρζεθαλ ηα δηαθνπηηθά ηξνθνδνηηθά ή παικνηξνθνδνηηθά. Χζηφζν, ηα γξακκηθά ηξνθνδνηηθά εμαθνινπζνχλ λα ρξεζηκνπνηνχληαη ζε θάπνηεο εθαξκνγέο ιφγσ ζπγθεθξηκέλσλ ραξαθηεξηζηηθψλ ηνπο ηα νπνία ζα αλαθεξζνχλ ζηε ζπλέρεηα. Σν θφζηνο θάζε ηξνθνδνηηθνχ εμαξηάηαη απφ ηελ εθαξκνγή πνπ ζα ρξεζηκνπνηεζεί θαη ηνλ θαηαζθεπαζηή. πλήζσο ε θαηαζθεπή ελφο εμεηδηθεπκέλνπ ηξνθνδνηηθνχ απφ έλαλ θαηαζθεπαζηή 28

43 γηα κία εηδηθή εθαξκνγή πεξηιακβάλεη έλα αξθεηά κεγάιν θφζηνο ην νπνίν δελ αληηθαηνπηξίδεη ην αληίζηνηρν βηνκεραληθφ θφζηνο ηεο καδηθήο παξαγσγήο. ηελ παξνχζα εξγαζία, πξψηα πεξηγξάθεηαη ε ιεηηνπξγία ελφο γξακκηθνχ θη ελ ζπλερεία ελφο δηαθνπηηθνχ ηξνθνδνηηθνχ Γξακκηθό Σξνθνδνηηθό Βαζηθφ ραξαθηεξηζηηθφ απηήο ηεο θαηεγνξίαο είλαη ε ιεηηνπξγία ηνπ δηαθνπηηθνχ ζηνηρείνπ ζηε γξακκηθή πεξηνρή ιεηηνπξγίαο. Με άιια ιφγηα, ην ζηνηρείν ζπκπεξηθέξεηαη σο κηα ξπζκηδφκελε αληίζηαζε, ε νπνία παξνπζηάδεη θάπνηα πηψζε ηάζεο κεηαμχ ζπιιέθηε θη εθπνκπνχ. Αλάινγα κε ηελ ηνπνζέηεζε ηνπ δηαθνπηηθνχ ζηνηρείνπ ζηελ θπθισκαηηθή δηάηαμε, ηα γξακκηθά ηξνθνδνηηθά δηαθξίλνληαη ζε ξπζκηζηέο ζεηξάο θαη ξπζκηζηέο παξάιιειεο δηαθιάδσζεο. Απφ ην ζθάικα πνπ δεκηνπξγεί ε ζχγθξηζε ηεο ηάζεο εμφδνπ κε ηελ επηζπκεηή ηηκή, ειέγρεηαη ην ξεχκα βάζεο ηνπ εκηαγσγηθνχ ζηνηρείνπ θαη ζπλεπψο ε αγσγηκφηεηά ηνπ. Με απηφ ηνλ ηξφπν ην εκηαγσγηθφ ζηνηρείν ζπκπεξηθέξεηαη σο κεηαβιεηή αληίζηαζε. Η πηψζε ηάζεο πνπ εκθαλίδεηαη ζηα άθξα ηνπ δηαθφπηε θαζνξίδεη θαη ηελ ηηκή ηεο ηάζεο εμφδνπ ηνπ ηξνθνδνηηθνχ. ε απηφ ην ζεκείν πξέπεη λα ζεκεησζεί φηη ζπλήζσο ην δηαθνπηηθφ ζηνηρείν κπαίλεη ζε ελ ζεηξά ζχλδεζε, κε απνηέιεζκα θαη ε δηαθνξά δπλακηθνχ εηζφδνπ εμφδνπ λα εκθαλίδεηαη ζηα άθξα ηνπ, αιιά θαη ην ξεχκα εμφδνπ. Έηζη, νη απψιεηεο αγσγήο είλαη απμεκέλεο, κε άκεζε ζπλέπεηα ρακειφ βαζκφ απφδνζεο (30-60%). Καζψο νη απψιεηεο αγσγήο είλαη απμεκέλεο, ε ζεξκνθξαζία πνπ ζα αλαπηπρζεί, ιφγσ ησλ απσιεηψλ ζα είλαη ζεκαληηθή. Γη απηφ ην ιφγν απαηηείηαη ε ρξήζε δαπαλεξψλ δηαηάμεσλ ςχμεο θαη ε θαηαζθεπή νγθψδνπο δηάηαμεο γηα απαγσγή ζεξκφηεηαο απφ ην ηξνθνδνηηθφ ζηνλ πεξηβάιινληα ρψξν. Η απαγσγή ζεξκφηεηαο απνηειεί έλα αξθεηά ζεκαληηθφ θνκκάηη ζηελ θαηαζθεπή ηνπ ηξνθνδνηηθνχ, θαζψο κε ζσζηή ςχμε κπνξεί λα θαηαζηξέςεη θάπνην ζηνηρείν ηνπ ηξνθνδνηηθνχ, κε απνηέιεζκα ηελ αρξήζηεπζή ηνπ. εκαληηθφ ξφιν παίδεη θαη ε γαιβαληθή απνκφλσζε εηζφδνπ εμφδνπ, θπξίσο γηα ιφγνπο πξνζηαζίαο ηνπ θπθιψκαηνο πνπ έπεηαη ηεο εηζφδνπ. Αλάινγα κε ηελ εθαξκνγή κπνξνχλ λα πξνζηεζνχλ θαη δηάθνξνη άιινη ιφγνη γηα ηνπο νπνίνπο λα απαηηείηαη ε γαιβαληθή απνκφλσζε. ηελ πεξίπησζε ησλ γξακκηθψλ ηξνθνδνηηθψλ πνπ ηξνθνδνηνχληαη απφ ηελ ηάζε ηνπ δηθηχνπ, ε ειεθηξηθή απνκφλσζε ηεο εμφδνπ απφ ηελ ηάζε ηνπ δηθηχνπ, εμαζθαιίδεηαη κε έλα κεηαζρεκαηηζηή (50-60Ηz). Ο κεηαζρεκαηηζηήο απηφο, ιφγσ ηεο ζπρλφηεηαο ιεηηνπξγίαο ηνπ, είλαη αξθεηά νγθψδεο θαη βαξχο. Ο ιφγνο ησλ ηπιηγκάησλ N1:N2 ηνπ κεηαζρεκαηηζηή θαζνξίδεηαη απφ ηελ επηζπκεηή ηάζε εμφδνπ. ηε ζπλέρεηα, ρξεζηκνπνηείηαη κία αλνξζσηηθή δηάηαμε κε δηφδνπο γηα ηε κεηαηξνπή ηεο ελαιιαζζφκελεο ηάζεο ηνπ δεπηεξεχνληνο ζε ζπλερή. Σέινο πξνζηίζεηαη έλαο ππθλσηήο κε αξθεηά πςειή ρσξεηηθφηεηα, ζπλήζσο ειεθηξνιπηηθφο, γηα ηελ εμνκάιπλζε ηεο ηάζεο εμφδνπ. Χο πξαθηηθφο θαλφλαο επηινγήο ηεο ηηκήο ηεο ρσξεηηθφηεηαο ηνπ ππθλσηή εμφδνπ αλαθέξεηαη ε ηηκή ησλ 1000κF γηα θάζε έλα ampere ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ. 29

44 ρήκα 21: ρεκαηηθό γξακκηθνύ ηξνθνδνηηθνύ [67] ρήκα 22: Γηάηαμε γξακκηθνύ ηξνθνδνηηθνύ [67] Πίλαθαο 3. Πιενλεθηήκαηα Μεηνλεθηήκαηα Γξακκηθνύ Σξνθνδνηηθνύ 1 2 Μεηνλεθηήκαηα Κφζηνο κεηαζρεκαηηζηή θαη ςπθηηθνχ. Σν βάξνο θαη ν φγθνο ηνπ κεηαζρεκαηηζηή Πιενλεθηήκαηα Υακειή θπκάησζε ηάζεο εμφδνπ Σαρεία δπλακηθή απφθξηζε 3 Υακειφο βαζκφο απφδνζεο Γελ παξνπζηάδνληαη ειεθηξνκαγλεηηθέο παξεκβνιέο 4 Απιή θαηαζθεπή Σα γξακκηθά ηξνθνδνηηθά πιενλεθηνχλ, θπξίσο, ζε εθαξκνγέο ρακειήο ηζρχνο, ιφγσ ηνπ ρακεινχ θφζηνπο θαη ηεο απιφηεηαο ηεο δηάηαμεο, θαζψο θαη ζε 30

45 επαίζζεηεο εθαξκνγέο, ιφγσ ειεθηξνκαγλεηηθήο παξεκβνιήο, φπσο ζηξαηησηηθέο επηθνηλσλίεο. Γηα ηζρείο άλσ ησλ ~15-20W γίλνληαη νηθνλνκηθά αζχκθνξα θαη πξνηηκνχληαη ηα δηαθνπηηθά ηξνθνδνηηθά, ηνπιάρηζηνλ ζηηο εθαξκνγέο φπνπ θπξίαξρν ξφιν παίδεη ην θφζηνο Γηαθνπηηθά Σξνθνδνηηθά Η εμέιημε ηεο ηερλνινγίαο νδήγεζε ζε πξνζπάζεηεο λα αληηκεησπηζηεί ε πεξηνξηζκέλε ηθαλφηεηα κεηαηξνπήο ηζρχνο ησλ γξακκηθψλ ηξνθνδνηηθψλ. Σα θπθιψκαηα απηά ρξεζηκνπνηνχλ έλα ή πεξηζζφηεξα εκηαγσγηθά ζηνηρεία ηα νπνία είλαη είηε αλνηθηά, δειαδή ζε απνθνπή, είηε θιεηζηά, δειαδή ζε αγσγή. Χο απνηέιεζκα ην εκηαγσγηθφ ζηνηρείν είηε παξνπζηάδεη κία ρακειή πηψζε ηάζεο ζηα άθξα ηνπ, είηε απνθφπηεη κία πςειή ηάζε ρσξίο λα δηαξξέεηαη απφ ξεχκα. Καηαπηφ ηνλ ηξφπν, νη απψιεηεο αγσγήο ζε έλα δηαθνπηηθφ ηξνθνδνηηθφ, ζε αληίζεζε κε έλα γξακκηθφ, είλαη αξθεηά πεξηνξηζκέλεο θαη ν ζπληειεζηήο απφδνζεο θπκαίλεηαη κεηαμχ 70-90% αλεμαξηήησο ηεο ηάζεο εηζφδνπ. ε έλα δηαθνπηηθφ ηξνθνδνηηθφ, αξρηθά ε ηάζε εηζφδνπ ζηαζεξνπνηείηαη ή αλνξζψλεηαη θαη ζηαζεξνπνηείηαη, εάλ πξφθεηηαη γηα ελαιιαζζφκελε ηάζε, κέζσ ελφο θίιηξνπ εμνκάιπλζεο. Απηή ε βαζκίδα απνηειεί θα ην θίιηξν εηζφδνπ. Σν θίιηξν ζθνπφ έρεη ηνλ πεξηνξηζκφ ησλ κεγάισλ δηαθπκάλζεσλ ηεο ηάζεο ζε κηθξφηεξα πνζνζηά. πλήζσο, ρξεζηκνπνηείηαη έλαο ζηαζεξνπνηεηήο ηάζεο, ν νπνίνο δηαηεξεί ηελ ηάζε ζηελ επφκελε βαζκίδα ζηαζεξή παξά ηηο κεηαβνιέο ηνπ ξεχκαηνο θαη ηηο κεηαβνιέο ηάζεο ηεο πξνεγνχκελεο βαζκίδαο, εηδηθά φηαλ ε ηάζε εηζφδνπ πξνέξρεηαη απφ ην δίθηπν. ηε ζπλέρεηα ε ζηαζεξνπνηεκέλε ηάζε θαηαηέκλεηαη κέζσ ηνπ εκηαγσγηθνχ ζηνηρείνπ ηζρχνο ζε ηάζε πςειήο δηαθνπηηθήο ζπρλφηεηαο. Η ηάζε απηή, κπνξεί πιένλ λα κεηαζρεκαηηζηεί κε ηε βνήζεηα κεηαζρεκαηηζηψλ πςειήο ζπρλφηεηαο. Οη κεηαζρεκαηηζηέο απηνί, αλ θαη ζηεξίδνληαη ζηηο ίδηεο αξρέο ιεηηνπξγίαο κε ηνπο αληίζηνηρνπο ησλ γξακκηθψλ ηξνθνδνηηθψλ, ιφγσ ηεο πςειήο ζπρλφηεηαο ιεηηνπξγίαο (~khz) έρνπλ πνιχ κηθξφηεξν φγθν θαη βάξνο. Η ρξήζε κεηαζρεκαηηζηψλ κε πεξηζζφηεξα ηνπ ελφο δεπηεξεχνληα ηπιίγκαηα, πξνζθέξεη πνιιαπιέο ηάζεηο εμφδνπ γηα ηελ ίδηα ηάζε εηζφδνπ. Με ηε ρξήζε κεηαζρεκαηηζηή ή ρσξίο, ε ηάζε εμφδνπ ηνπ εκηαγσγηθνχ δηαθφπηε νδεγείηαη ζε έλα θίιηξν εμφδνπ. πλήζσο ην θίιηξν εμφδνπ είλαη κία βαζκίδα LC κε ζπρλφηεηα απνθνπήο κηθξφηεξε ησλ ζπρλνηήησλ ησλ αλψηεξσλ αξκνληθψλ πνπ δεκηνπξγνχληαη απφ ηε δηαθνπηηθή ιεηηνπξγία ηνπ εκηαγσγηθνχ δηαθφπηε. Με απηφ ηνλ ηξφπν, νη αλψηεξεο αξκνληθέο απνθφπηνληαη ζην θίιηξν εμφδνπ, ρσξίο λα κεηαθέξνληαη ζηελ επφκελε βαζκίδα Μέζνδνη Διέγρνπ Γηαθνπηηθνύ ηνηρείνπ Ο έιεγρνο ηνπ εκηαγσγηθνχ δηαθφπηε θαη σο απνηέιεζκα ε δηακφξθσζε ηεο ηάζεο εμφδνπ κπνξεί λα γίλεη αθνινπζψληαο δχν πξνζεγγίζεηο κε ηνλ αληίζηνηρν έιεγρν. Οη ηερληθέο απηέο είλαη: 31

46 Η ηερληθή νδήγεζεο κέζσ δηακφξθσζεο παικψλ ηεηξαγσληθήο θπκαηνκνξθήο ή αιιηψο ηερληθή PWM. Η ηερληθή δηακφξθσζεο δελ είλαη αλάγθε λα πεξηιακβάλεη ηεηξαγσληθνχο παικνχο. Γηάθνξεο πινπνηήζεηο ηεο ηερληθήο PWM έρνπλ αλαπηπρζεί θαη ρξεζηκνπνηεζεί, φπσο εκηηνλνεηδήο PWM, φπνπ ε κεηαβνιή ηνπ ιφγνπ θαηάηκεζεο ζηεξίδεηαη ζε κία εκηηνλνεηδή θπκαηνκνξθή, ζε ηεηξαγσληθή PWM, ζηελ νπνία πξνζηίζεληαη αηρκέο γηα ηελ απαινηθή αξκνληθψλ θαη δηάθνξεο άιιεο. ηελ ηερληθή PWM ν έιεγρνο ζπλίζηαηαη ζηνλ έιεγρν ηνπ εχξνπο ησλ παικψλ πνπ νδεγνχλ ην δηαθφπηε. Γηαηεξψληαο ζηαζεξή ηε ζπρλφηεηα έλαπζεο θαη ζβέζεο ηνπ δηαθφπηε, κεηαβάιιεηαη ή αιιηψο ειέγρεηαη ε δηάξθεηα ηνπ ρξφλνπ αγσγήο ηνπ δηαθφπηε κέζσ ηνπ εχξνπο ηνπ παικνχ νδήγεζεο ηνπ ζηνηρείνπ. Ο ιφγνο ηνπ ρξφλνπ αγσγήο πξνο ηελ πεξίνδν ιεηηνπξγίαο νλνκάδεηαη ιφγνο θαηάηκεζεο θαη απηφ ην κέγεζνο απνηειεί ηελ ειεγρφκελε πνζφηεηα. Μηα δηάηαμε ειέγρνπ είλαη ππεχζπλε γηα ηε κεηαβνιή ηνπ ιφγνπ θαηάηκεζεο έηζη ψζηε ε ηάζε εμφδνπ λα παξακέλεη ζηαζεξή ή λα θπκαίλεηαη ζε απνδεθηά φξηα. ρήκα 23: Μέζνδνο δεκηνπξγίαο παικώλ Fast PWM [79] Γίλεηαη αληηιεπηφ φηη είλαη απαξαίηεην θάπνην ζήκα αλαηξνθνδφηεζεο, κία βαζκίδα ζχγθξηζεο ηνπ ζήκαηνο αλάδξαζεο κε ηελ επηζπκεηή ηηκή, ίζσο θάπνηνο ειεγθηήο PI θη ίζσο έλαο εληζρπηήο ηνπ ζήκαηνο ζθάικαηνο. ηε ζπλέρεηα απηφ ην ζθάικα πξέπεη λα νδεγεζεί ζηε βαζκίδα δηακφξθσζεο ηεο ηερληθήο ειέγρνπ PWM, φπνπ κε θαηάιιειν πξνγξακκαηηζκφ θαη πινπνίεζε ζα δηακνξθψλεη κία λέα παικνζεηξά γηα ην κεδεληζκφ ηνπ ζθάικαηνο πνπ πξνέθπςε. Αμίδεη λα ηνληζηεί φηη θάζε λέα παικνζεηξά ζα έρεη ηελ ίδηα ζπρλφηεηα κε ηε ζπρλφηεηα ιεηηνπξγίαο 32

47 ρήκα 24: Σερληθή δηακόξθσζεο εύξνπο παικνύ [79] ηελ πιεηνςεθία ησλ πεξηπηψζεσλ ειέγρνπ ησλ κεηαηξνπέσλ, ε πνζφηεηα πνπ κεηξηέηαη ζηελ έμνδν γηα ηε δεκηνπξγία ηνπ ζήκαηνο ζθάικαηνο είλαη είηε ηάζε, είηε ξεχκα, πην ζπάληα, είηε θαη ηάζε θαη ξεχκα. πλήζσο νη κεηξνχκελεο πνζφηεηεο αθνξνχλ κέζεο ή κέγηζηεο ηηκέο κεγεζψλ εμφδνπ, αιιά πην ζπγθεθξηκέλα εμαξηψληαη απφ ηηο απαηηήζεηο ηεο εθάζηνηε εθαξκνγήο. Η ηερληθή ησλ κεηαηξνπέσλ ζπληνληζκνχ, ή αιιηψο PFM. ε απηή ηελ πεξίπησζε ν έιεγρνο πνπ πινπνηείηαη βαζίδεηαη ζηε δηακφξθσζε ηεο ζπρλφηεηαο ησλ παικψλ. Απαηηείηαη ε ρξήζε ελφο θπθιψκαηνο ζπληνληζκνχ LC ην νπνίν θαη θαζνξίδεη ηελ αληαιιαγή ελέξγεηαο εηζφδνπ εμφδνπ, εθεί πνπ πξνεγνπκέλσο θαζνξηδφηαλ απφ έλα αλεμάξηεην παικηθφ ξνιφη. Σψξα, ν ρξφλνο αγσγήο δηαηεξείηαη ζηαζεξφο θαη κεηαβάιιεηαη ν ρξφλνο απνθνπήο, άξα θαη ε ζπρλφηεηα ιεηηνπξγίαο ηνπ κεηαηξνπέα. Η αλάγθε απηήο ηεο ηερληθήο κπνξεί λα γίλεη αληηιεπηή αλαθέξνληαο ηα κεηνλεθηήκαηα ηεο πξνεγνχκελεο ηερληθήο. Με ηελ ηερληθή PWM νη δηαθφπηεο ππνβάιινληαη ζε κεγάιε θαηαπφλεζε θαηά ηε δηάξθεηα ησλ κεηαβάζεσλ απφ κία θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο ζε άιιε θαη ζε απψιεηεο ηζρχνο, νθεηιφκελεο ζηε δηαθνπηηθή ιεηηνπξγία, νη νπνίεο απμάλνληαη γξακκηθά κε ηελ αχμεζε ηεο ζπρλφηεηαο ιεηηνπξγίαο ηνπ κεηαηξνπέα. Όκσο, ην γεγνλφο απηφ εκπνδίδεη ηε ιεηηνπξγία ηνπ κεηαηξνπέα ζε πςειφηεξεο ζπρλφηεηεο, πνπ ζπλεπάγνληαη κηθξφηεξα κεγέζε ησλ δηαηάμεσλ θαη κεγαιχηεξε ππθλφηεηα ηζρχνο. Δπηπιένλ, ιφγσ ηεο ιεηηνπξγίαο ησλ κεηαηξνπέσλ πξνθαινχληαη κεγάια di/dt θαη dv/dt ηα νπνία έρνπλ σο απνηέιεζκα ηελ παξαγσγή ειεθηξνκαγλεηηθψλ παξεκβνιψλ (ΔΜΙ). Όια ηα πξνεγνχκελα νδεγνχλ ζε επηινγή δηαθνπηηθψλ ζηνηρείσλ πνπ λα 33

48 αληέρνπλ ηέηνηεο θαηαπνλήζεηο, κε πεξηνξηζκφ ζε άιια ραξαθηεξηζηηθά, φπσο ε αληίζηαζε αγσγήο θαη ν ρξφλνο αλφδνπ ή θαζφδνπ. Έηζη πξνέθπςε ε ηδέα, αιιαγήο θαηάζηαζεο ηνπ δηαθφπηε φηαλ ε ηάζε ή ην ξεχκα ή θαη ηα δχν ζηα άθξα ηνπ είλαη κεδέλ. Γηα ηε δηαδηθαζία απηή απαηηείηαη έλα θίιηξν ζπληνληζκνχ, ιφγσ ηνπ νπνίνπ πήξαλ θαη ην φλνκά ηνπο νη κεηαηξνπείο πνπ βαζίδνληαη ζε απηή ηελ ηερληθή. ρήκα 25: Σερληθή PWM [79] Μεηνλεθηήκαηα Σα θπξηφηεξα πξνβιήκαηα ησλ δηαθνπηηθψλ ηξνθνδνηηθψλ είλαη: I. Οη δηαθνπηηθέο απψιεηεο, νη νπνίεο απνηεινχλ ην κέζν φξν ησλ απσιεηψλ ηζρχνο θαηά ηελ έλαπζε θαη ηε ζβέζε ηνπ δηαθφπηε, είλαη αλάινγεο ηεο ζπρλφηεηαο ιεηηνπξγίαο θαη πεξηνξίδνπλ ην αλψηαην φξην ιεηηνπξγίαο ηνπ κεηαηξνπέα. II. Οη ππεξηάζεηο πνπ παξνπζηάδνληαη ζηα άθξα ηνπ εκηαγσγηθνχ δηαθφπηε θαη νθείινληαη ζηηο παξαζηηηθέο ρσξεηηθφηεηεο θαη επαγσγέο ησλ ζηνηρείσλ θαη θαισδίσλ δηαζχλδεζεο. Παξνπζηάδνληαη θαηά ηελ έλαπζε θαη θαηά ηε ζβέζε. Μεγαιχηεξν πξφβιεκα δεκηνπξγείηαη απφ ηηο ππεξηάζεηο θαηά ηε ζβέζε, νπφηε θαη ζπλππάξρνπλ κεγάιεο ηηκέο ξεχκαηνο θαη ηάζεο, κε απνηέιεζκα λα πξέπεη λα επηιεγεί θαηάιιεια ην εκηαγσγηθφ ζηνηρείν. Οη ππεξηάζεηο απηέο κπνξνχλ λα ειαηησζνχλ κε θαηάιιεια θπθιψκαηα, snubber, θαη κε θαηάιιειν ζρεδηαζκφ ηνπ κεηαηξνπέα. III. Η ειεθηξνκαγλεηηθή παξεκβνιή παξάγεηαη απφ έλα κεηαβαιιφκελν καγλεηηθφ ή ειεθηξηθφ πεδίν. ηνπο δηαθνπηηθνχο κεηαηξνπείο είλαη απνηέιεζκα ηεο δηαθνπηηθήο ζπρλφηεηαο ιεηηνπξγίαο ηνπο. Πξφθεηηαη γηα ειεθηξνκαγλεηηθφ ζφξπβν, πνπ κπνξεί λα επεξεάζεη ηφζν γεηηνληθέο ζπζθεπέο φζν θαη ηα θπθιψκαηα ηνπ ίδηνπ ηνπ κεηαηξνπέα θαη εηδηθά εάλ βξίζθνληαη ζε πνιχ θνληηλέο απνζηάζεηο κεηαμχ ηνπο, φπσο θαη ζπλεζίδεηαη. Μπνξεί λα κεηαδνζεί είηε κέζσ ησλ αγσγψλ είηε 34

49 κέζσ αθηηλνβνιίαο. Ο ζφξπβνο πνπ κεηαδίδεηαη κέζσ ησλ αγσγψλ δηαθξίλεηαη ζε θνηλφ θαη δηαθνξηθφ ζφξπβν. Ο θνηλφο νθείιεηαη ζε ξνή ξεχκαηνο κεηαμχ ησλ γξακκψλ ηξνθνδνζίαο θαη ηνπ κεηαηξνπέα. Ο δηαθνξηθφο νθείιεηαη ζε ξνή ξεχκαηνο κεηαμχ ησλ γξακκψλ ηξνθνδνζίαο θαη ηεο γείσζεο. Γηα ηελ ειάηησζε ησλ δχν απηψλ κνξθψλ ζνξχβνπ, ρξεζηκνπνηνχληαη θαηάιιεια θίιηξα ζηελ είζνδν θαη έμνδν ηνπ κεηαηξνπέα. Δπηπιένλ κπνξεί κε θαηάιιειν ζρεδηαζκφ λα αληηκεησπηζηεί ε γελεζηνπξγφο αηηία. Σέινο κπνξνχλ λα ρξεζηκνπνηεζνχλ νη κεηαηξνπείο ζπληνληζκνχ ύγθξηζε Γξακκηθώλ Γηαθνπηηθώλ Σξνθνδνηηθώλ Σα πιενλεθηήκαηα θαη ηα κεηνλεθηήκαηα ηεο θάζε θαηεγνξίαο πξνθχπηνπλ απφ ηε δνκή ηνπο. Σα γξακκηθά ηξνθνδνηηθά έρνπλ απινχζηεξε θαηαζθεπή θαη παξνπζηάδνπλ κηθξή θπκάησζε ζηελ ηάζε εμφδνπ ζε ζπλδπαζκφ κε θαιή κεηαβαηηθή απφθξηζε. Μεηνλεθηνχλ ιφγσ ηνπ κεηαζρεκαηηζηή, ν νπνίνο πξνζδίδεη φγθν ζε ζπλδπαζκφ κε ηηο δηαηάμεηο απαγσγήο ηεο ζεξκφηεηαο, πνπ πξνθαιείηαη απφ ηηο απψιεηεο αγσγήο. Λφγσ ησλ απμεκέλσλ απσιεηψλ αγσγήο παξνπζηάδεη θαη κηθξφ βαζκφ απφδνζεο. Μηθξφο βαζκφο απφδνζεο ζεκαίλεη θαη κηθξή ηθαλφηεηα κεηαηξνπήο ηεο ηζρχνο εηζφδνπ θαη νθείιεηαη θπξίσο ζηε ιεηηνπξγία ηνπ εκηαγσγηθνχ ζηνηρείνπ ζηελ ελεξγφ πεξηνρή. Σα δηαθνπηηθά ηξνθνδνηηθά, ιεηηνπξγψληαο ζε πςειφηεξεο ζπρλφηεηεο ιεηηνπξγίαο έρνπλ κηθξφηεξν φγθν θαη βάξνο. Δπηπιένλ, γηα ηζρείο κεγαιχηεξεο ησλ 20kW πιενλεθηνχλ έλαληη ησλ γξακκηθψλ έλαληη θφζηνπο. Δπηηπγράλεηαη κεγαιχηεξνο βαζκφο απφδνζεο. Αλαθνξηθά γηα ηελ ίδηα ηζρχ έλα γξακκηθφ ηξνθνδνηηθφ είλαη 10 θνξέο κεγαιχηεξν απφ έλα αληίζηνηρν δηαθνπηηθφ πνπ ιεηηνπξγεί ζηα 50kHz, ε νπνία δελ είλαη ηδηαίηεξα πςειή ζπρλφηεηα ιεηηνπξγίαο. Δθφζνλ απαηηείηαη ειεθηξηθή απνκφλσζε ρξεζηκνπνηείηαη κεηαζρεκαηηζηήο πςειψλ ζπρλνηήησλ ν νπνίνο είλαη ειαθξχηεξνο θαη κηθξφηεξνο απφ ηνλ αληίζηνηρν πνπ απαηηείηαη ζε έλα γξακκηθφ ηξνθνδνηηθφ. Όζνλ αθνξά ην εκηαγσγηθφ ζηνηρείν, ε ιεηηνπξγία σο δηαθφπηεο ηνπ επηηξέπεη λα αληέρεη ζεκαληηθά κεγαιχηεξεο ηζρείο απφ έλα εκηαγσγηθφ ζηνηρείν πνπ ιεηηνπξγεί ζηε γξακκηθή πεξηνρή. Σέινο, ιφγσ ησλ πξναλαθεξζέλησλ πιενλεθηεκάησλ θαη ηεο αλάπηπμεο εμεηδηθεπκέλσλ θπθισκάησλ γηα ηνλ έιεγρν θαη ηελ πξνζηαζία ηνπο, ε θαηαζθεπή ηνπο ζήκεξα έρεη απινπζηεπηεί πάξα πνιχ Δπηινγή Γηαθόπηε Ιζρύνο ήκεξα, ππάξρεη δηαζέζηκε κηα πιεζψξα εκηαγσγηθψλ ζηνηρείσλ ηζρχνο πνπ κπνξνχλ λα ρξεζηκνπνηεζνχλ σο δηαθφπηεο γηα ηξνθνδνηηθά. πλνπηηθά νη παξάγνληεο επηινγήο είλαη: 35

50 1. Η νλνκαζηηθή ηζρχο κεηαηξνπέα. Με βάζε ηελ ηζρχ, ηα ηξνθνδνηηθά, θαη θαη επέθηαζε ηα εκηαγσγηθά ζηνηρεία, δηαθξίλνληαη ζε ηξείο πεξηνρέο, κέρξη 20kW, kW θαη πάλσ απφ 200kW. 2. Η ηζρχο θπθιψκαηνο ειέγρνπ. Γηα παξάδεηγκα, ηα Mosfet κπνξνχλ λα νδεγεζνχλ απφ νινθιεξσκέλν θχθισκα, δειαδή ρακειήο ηζρχνο, ελψ ηα BJT απαηηνχλ ζεκαληηθή ηζρχ γηα ηφζν ζε κφληκε θαηάζηαζε φζν θαη θαηά ηηο κεηαβάζεηο. 3. Σν θφζηνο ηνπ ζηνηρείνπ. 4. Οη ρξφλνη κεηάβαζεο ησλ ζηνηρείσλ, νη νπνίνη θαζνξίδνπλ ηε ζπρλφηεηα ιεηηνπξγίαο, αιιά θαη ηηο δηαθνπηηθέο απψιεηεο θαη ζπλεπψο ηηο απαηηνχκελεο δηαηάμεηο απαγσγήο ζεξκφηεηαο. ηνηρεία πνπ ε ξνή ξεχκαηνο βαζίδεηαη ζε θνξείο πιεηνλφηεηαο (Mosfet, θ.α.) παξνπζηάδνπλ κηθξφηεξνπο δηαθνπηηθνχο ρξφλνπο, κε απνηέιεζκα λα ιεηηνπξγνχλ ζε πςειφηεξεο ζπρλφηεηεο. Αληίζεηα, ζηνηρεία πνπ ε ξνή ξεχκαηνο νθείιεηαη ζε θνξείο κεηνλφηεηαο (Thyristors, BJT θ.α.), ε νπνία πξνθαιεί ξνή θνξέσλ πιεηνλφηεηαο, ραξαθηεξίδνληαη απφ κεγαιχηεξε αληνρή ζε πςειά ξεχκαηα θαη ηάζεηο δηάζπαζεο, αιιά θαη ρακειφηεξεο ζπρλφηεηεο ιεηηνπξγίαο. Οη πςειέο ζπρλφηεηεο ιεηηνπξγίαο θπξηαξρνχληαη απφ δηαθνπηηθέο απψιεηεο, ελψ νη ρακειέο απφ απψιεηεο αγσγήο. Τπάξρνπλ λεψηεξα ζηνηρεία πνπ βαζίδνληαη ζε κίμε ησλ δχν θαηεγνξηψλ, φπσο γηα παξάδεηγκα ην IGBT πνπ ζπλδπάδεη ηα ραξαθηεξηζηηθά ελφο ζηνηρείνπ κε πχιε MOS θαη ελφο BJT. 5. Η αληίζηαζε αγσγήο θαη ε πηψζε ηάζεο ηνπ ζηνηρείνπ, πνπ θαζνξίδνπλ ηηο απψιεηεο αγσγήο. 6. Η ζεξκνθξαζία ιεηηνπξγίαο 7. Δπίζεο ζεκαληηθφ είλαη ην εάλ ην εκηαγσγηθφ ζηνηρείν άγεη ζε θαηάζηαζε εξεκίαο ή φρη. Γεληθά, είλαη αλεπηζχκεηε ηέηνηνπ είδνπο αγσγή. ρήκα 26: Πεξηνρέο ιεηηνπξγίαο εκηαγσγηθώλ ζηνηρείσλ [80][80] 36

51 5. Σνπνινγίεο Γηαθνπηηθώλ Σξνθνδνηηθώλ 5.1. Δηζαγσγή Όπσο ζα έγηλε αληηιεπηφ απφ ηα πξναλαθεξζέληα, ε πιεηνςεθία ησλ εθαξκνγψλ αθνξά πινπνίεζε κε δηαθνπηηθά ηξνθνδνηηθά. ηε ζπλέρεηα παξνπζηάδνληαη νη βαζηθέο ηνπνινγίεο ηχπνπ PWM ([50]-[66]). Γηαθξίλνληαη δχν θαηεγνξίεο ηξνθνδνηηθψλ: a) Υσξίο Απνκφλσζε i. Buck ii. Boost iii. Buck-Boost b) Με Απνκφλσζε i. Forward ii. Flyback iii. Push-Pull 5.2. Μεηαηξνπέαο Σύπνπ Buck Έλαο κεηαηξνπέαο buck είλαη έλαο κεηαηξνπέαο ππνβηβαζκνχ ηεο ηάζεο εηζφδνπ, δειαδή ε κέζε ηηκή ηεο ηάζεο εμφδνπ είλαη ρακειφηεξε απφ ηελ αληίζηνηρε ηεο ηάζεο εηζφδνπ. Η ηάζε εμφδνπ κπνξεί λα ειεγρζεί κέζσ ηνπ ρξφλνπ αγσγήο ηνπ δηαθφπηε. ρήκα 27: Μεηαηξνπέαο buck Όηαλ ν δηαθφπηεο είλαη θιεηζηφο, ην ξεχκα δηαξξέεη ην πελίν, ε ελαιιαζζφκελε ζπληζηψζα πεξλάεη απφ ηνλ ππθλσηή θαη ε ζπλερήο πεξλάεη απφ ην θνξηίν. Όηαλ ν δηαθφπηεο είλαη αλνηθηφο, ε απνζεθεπκέλε ζην πελίν ελέξγεηα πξνθαιεί έλα ξεχκα εθθφξηηζεο πνπ δηαξξέεη ην θχθισκα κέζσ ηεο δηφδνπ, ε νπνία πνιψλεηαη νξζά. Σν LC θίιηξν εμφδνπ επηιέγεηαη έηζη ψζηε ε ζπρλφηεηα απνθνπήο ηνπ λα είλαη πνιχ κηθξφηεξε απφ ηε ζπρλφηεηα κεηάβαζεο ηνπ δηαθφπηε. θνπφο είλαη λα απνθφπηεη ην θίιηξν ηηο αξκνληθέο πνπ δεκηνπξγνχληαη απφ ηε δηαθνπηηθή 37

52 ιεηηνπξγία ηνπ κεηαηξνπέα. Χο απνηέιεζκα, ε θπκάησζε ηεο ηάζεο εμφδνπ εμαιείθεηαη ή ηνπιάρηζηνλ πεξηνξίδεηαη ζε κεγάιν βαζκφ. Σν ξεχκα πνπ δηαξξέεη ην πελίν ηζνχηαη κε ηε ζπλερή ζπληζηψζα ζπλ ηελ ελαιιαζζφκελε ζπληζηψζα. ε θαζαξά σκηθφ θνξηίν κεηαθέξεηαη κφλν ε ζπλερήο ζπληζηψζα ηνπ ξεχκαηνο ηνπ πελίνπ, ελψ εάλ είλαη σκηθφ-επαγσγηθφ κεηαθέξεηαη θαη έλα πνζνζηφ ηεο ελαιιαζζφκελεο ζπληζηψζαο ηνπ ξεχκαηνο. Σν γεγνλφο ηνπ κεδεληζκνχ ή κε ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ην πελίν θαζνξίδεη θαη ηε δηάθξηζε ηεο ιεηηνπξγίαο ηνπ κεηαηξνπέα ζε: Λεηηνπξγία κε ζπλερή αγσγή ξεχκαηνο (CCM) Λεηηνπξγία κε αζπλερή αγσγή ξεχκαηνο (DCM) Αλάινγα κε ηε ιεηηνπξγία ηνπ κεηαηξνπέα, ην θχθισκα πεξηγξάθεηαη απφ δηαθνξεηηθέο εμηζψζεηο. πλερήο Αγσγή Γηα ην κεηαηξνπέα ζηε κφληκε θαηάζηαζε ηζρχεη: Οπφηε, Δπηπιένλ ηζρχνπλ: Όξην πλερνχο Αζπλερνχο Αγσγήο Σν φξην κεηαμχ ζπλερνχο θαη αζπλερνχο αγσγήο θαζνξίδεηαη απφ ηελ ηηκή ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ην πελίν. Η ζρέζε πνπ δίλεη ηελ νξηαθή ηηκή κεηαμχ ζπλερνχο-αζπλερνχο αγσγήο είλαη: ρήκα 28: Πεξηνρέο ιεηηνπξγίαο κεηαηξνπέα buck [50] 38

53 Αζπλερήο Αγσγή Όηαλ ε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ην πελίν είλαη κηθξφηεξε ηνπ νξηαθνχ ξεχκαηνο, ηφηε ν κεηαηξνπέαο βξίζθεηαη ζε αζπλερή ιεηηνπξγία. ε απηή ηελ πεξίπησζε ηζρχνπλ: πλήζσο ε ιεηηνπξγία ηνπ κεηαηξνπέα είλαη ζε ζπλερή αγσγή, φπνπ ν έιεγρνο ηνπ θπθιψκαηνο είλαη απινχζηεξνο. Δλ αληηζέζεη, ιεηηνπξγία κε αζπλερή αγσγή επηηξέπεη ηαρχηεξε δπλακηθή απφθξηζε θαη κηθξφηεξν φγθν, αιιά θαη ζεκαληηθά πνιππινθφηεξν έιεγρν. ηε ζπλέρεηα παξαηίζεληαη νη βαζηθέο θπκαηνκνξθέο ηνπ κεηαηξνπέα ζε ζπλερή θαη αζπλερή αγσγή. ρήκα 29: Υαξαθηεξηζηηθέο θπκαηνκνξθέο κεηαηξνπέα buck [50] 5.3. Μεηαηξνπέαο Σύπνπ Boost Ο κεηαηξνπέαο ηχπνπ boost είλαη έλαο κεηαηξνπέαο αλχςσζεο ηεο ηάζεο εηζφδνπ. Όηαλ ν δηαθφπηεο είλαη θιεηζηφο, ε είζνδνο παξέρεη ελέξγεηα ζην πελίν, ε νπνία απνζεθεχεηαη κε ηε κνξθή καγλεηηθνχ πεδίνπ. Η δίνδνο είλαη αλάζηξνθα πνισκέλε απνκνλψλνληαο ηε βαζκίδα εμφδνπ. Όηαλ ν δηαθφπηεο είλαη αλνηρηφο, ζηε βαζκίδα εμφδνπ κεηαθέξεηαη ελέξγεηα απφ ηελ είζνδν, αιιά θαη ε ελέξγεηα πνπ είλαη απνζεθεπκέλε ζην πελίν. Χο απνηέιεζκα, ε ηάζε εμφδνπ ηνπ κεηαηξνπέα είλαη πάληα κεγαιχηεξε απφ ηελ ηάζε εηζφδνπ. Βαζηθή πξνυπφζεζε ζηελ κφληκε θαηάζηαζε ηζνξξνπίαο είλαη ν ππθλσηήο εμφδνπ λα είλαη αξθεηά κεγάινο ψζηε λα εμαζθαιίδεη κία ζηαζεξή ηάζε εμφδνπ. 39

54 ρήκα 30: Μεηαηξνπέαο boost πλερήο Αγσγή Οη βαζηθέο εμηζψζεηο πνπ ηζρχνπλ ζε απηή ηελ πεξίπησζε είλαη: Όξην πλερνχο Αζπλερνχο Αγσγήο Aζπλερήο Αγσγή ρήκα 31: Πεξηνρέο ιεηηνπξγίαο κεηαηξνπέα boost [50] 40

55 ηε ζπλέρεηα παξαηίζεληαη νη βαζηθέο θπκαηνκνξθέο ηνπ κεηαηξνπέα ζε ζπλερή θαη αζπλερή αγσγή. ρήκα 32: Υαξαθηεξηζηηθέο θπκαηνκνξθέο κεηαηξνπέα boost [50] 5.4. Μεηαηξνπέαο Σύπνπ Buck Boost Πξφθεηηαη γηα έλα κηθηφ κεηαηξνπέα. Υξεζηκνπνηείηαη ζε εθαξκνγέο φπνπ είλαη επηζπκεηή ηάζε εμφδνπ είηε ρακειφηεξε είηε πςειφηεξε απφ ηελ ηάζε εηζφδνπ. Υαξαθηεξηζηηθφ ηνπ κεηαηξνπέα αλχςσζεο/ππνβηβαζκνχ είλαη ε αλαζηξνθή ηεο πνιηθφηεηαο ηεο ηάζεο εμφδνπ ζε ζρέζε κε ηελ ηάζε εηζφδνπ. Με ιίγν πην πξνζεθηηθή παξαηήξεζε γίλεηαη θαηαλνεηφ φηη απηφ ην είδνο κεηαηξνπέα δελ είλαη ηίπνηε άιιν απφ ηνλ ελ ζεηξά ζπλδπαζκφ ελφο κεηαηξνπέα ππνβηβαζκνχ θη ελφο αλχςσζεο ηάζεο. ρήκα 33: Μεηαηξνπέαο buck - boost 41

56 ρήκα 34: Καηαζηάζεηο ιεηηνπξγίαο buck - boost Όηαλ ν δηαθφπηεο είλαη θιεηζηφο, ε δίνδνο είλαη αλάζηξνθα πνισκέλε θαη ελέξγεηα πξνζθέξεηαη απφ ηελ είζνδν ζην πελίν, φπνπ θαη απνζεθεχεηαη κε ηε κνξθή καγλεηηθνχ πεδίνπ. Όηαλ ν δηαθφπηεο είλαη αλνηρηφο, ε απηεπαγσγή πξνζθέξεη ελέξγεηα ζηε έμνδν, ελψ ε είζνδνο δελ παξέρεη ελέξγεηα. Γηα ηνλ ππθλσηή εμφδνπ ηζρχεη ε ίδηα απαίηεζε κε ην κεηαηξνπέα αλχςσζεο ηάζεο. πλερήο Αγσγή Οη βαζηθέο εμηζψζεηο πνπ ηζρχνπλ ζε απηή ηελ πεξίπησζε είλαη: Όξην πλερνχο Αζπλερνχο Αγσγήο ρήκα 35: Πεξηνρέο ιεηηνπξγίαο κεηαηξνπέα [50] 42

57 Aζπλερήο Αγσγή ηε ζπλέρεηα παξαηίζεληαη νη βαζηθέο θπκαηνκνξθέο ηνπ κεηαηξνπέα ζε ζπλερή θαη αζπλερή αγσγή. ρήκα 36: Υαξαθηεξηζηηθέο θπκαηνκνξθέο κεηαηξνπέα buck - boost [50] πκπεξαζκαηηθά, Πίλαθαο 4. Υαξαθηεξηζηηθέο εμηζώζεηο κεηαηξνπέσλ Μεηαηξνπέαο CCM DCM Vin = ζηαζ. ή Buck Vν = ζηαζ. Boost Vin = ζηαζ. Vν = ζηαζ. Buck-Boost Vin = ζηαζ. Vν = ζηαζ. 43

58 5.5. Ηιεθηξηθή Απνκόλσζε ηνπο κεηαηξνπείο πνπ αλαθέξζεθαλ παξαπάλσ ππάξρεη απεπζείαο ζχδεπμε εηζφδνπ εμφδνπ. Βαζηθφ κεηνλέθηεκα είλαη ν πεξηνξηζκφο ηεο ηάζεο εμφδνπ εληφο θάπνησλ νξίσλ θαη νη πςειέο ηηκέο ηνπ ξεχκαηνο, νη νπνίεο πξνθαινχλ πςειέο απψιεηεο θαη αλάπηπμε ζεξκνθξαζίαο κε απνηέιεζκα θζνξά ησλ πιηθψλ ηνπ κεηαηξνπέα. Η ηάζε εμφδνπ, γηα παξάδεηγκα ζε έλαλ κεηαηξνπέα αλχςσζεο, δε κπνξεί λα αλπςσζεί ζε νπνηαδήπνηε ηηκή. Απηνί νη κεηαηξνπείο παξέρνπλ ππνβηβαζκφ ή αλχςσζε ηάζεο ηξεηο κε ηέζζεξεηο θνξέο ηελ ηάζε εηζφδνπ. Η ρξήζε κεηαζρεκαηηζηή επηηξέπεη ηνλ πεξηνξηζκφ ή αθφκα θαη ηελ εμάιεηςε ησλ πξναλαθεξζέλησλ κεηνλεθηεκάησλ, ζπλνδεπφκελνο κε ηα αθφινπζα κεηνλεθηήκαηα θαη πιενλεθηήκαηα. Πίλαθαο 5. Πιενλεθηήκαηα Μεηνλεθηήκαηα ρξήζεο κεηαζρεκαηηζηή απνκόλσζεο Μεηαζρεκαηηζηήο Ηιεθηξηθή απνκφλσζε εηζφδνπεμφδνπ. Καζνξηζκφο ηεο πνιηθφηεηαο εμφδνπ απφ ηε θνξά ηνπ δεπηεξεχνληνο ηνπ Μ/Σ. Σάζε εμφδνπ θαζνξηζκέλε απφ ην ιφγν κεηαζρεκαηηζκνχ. Γπλαηφηεηα πνιιαπιψλ εμφδσλ, κε ηελ πξνζζήθε ηπιηγκάησλ ζην Μ/Σ. Πξφζζεην θφζηνο. Μεγαιχηεξνο φγθνο. Τπεξηάζεηο ιφγσ ησλ επαγσγηκνηήησλ ζθέδαζεο ηνπ Μ/Σ. Δπηπξφζζεηεο απψιεηεο ζηα ηπιίγκαηα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή. Έλαο κεηαζρεκαηηζηήο απνηειείηαη απφ ηα ηπιίγκαηα πξσηεχνληνο, δεπηεξεχνληνο θαη ηνλ ππξήλα, ζηνλ νπνίνλ είλαη ηπιηγκέλα ηα δχν πελία. Αλάινγα κε ηνλ ηξφπν δηέγεξζεο ηνπ ππξήλα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή, νη κεηαηξνπείο δηαθξίλνληαη ζε: Μνλνθαηεπζπληηθήο δηέγεξζεο, φπσο είλαη νη κεηαηξνπείο forward θαη flyback Ακθίδξνκεο δηέγεξζεο, φπσο είλαη νη κεηαηξνπείο push-pull κηζήο θαη πιήξνπο γέθπξαο. Σν είδνο ηεο δηέγεξζεο, νπζηαζηηθά θαζνξίδεηαη απφ ηελ πεξηνρή ιεηηνπξγίαο ηνπ κεηαζρεκαηηζηή ζηε ραξαθηεξηζηηθή B-H. Δάλ ιεηηνπξγεί ζην πξψην ηεηαξηεκφξην είλαη κνλνθαηεπζπληηθήο δηέγεξζεο, ελψ εάλ ιεηηνπξγεί θαη ζην ηξίην είλαη ακθίδξνκεο 44

59 ρήκα 37: Υαξαθηεξηζηηθή B-H ιεηηνπξγίαο κεηαζρεκαηηζηή 5.6. Γηαηάμεηο Snubber Πξφθεηηαη γηα βνεζεηηθά θπθιψκαηα πνπ πξνζηίζεληαη γηα λα ππνβνεζήζνπλ ηελ έλαπζε ή ηε ζβέζε ησλ δηαθνπηηθψλ ζηνηρείσλ, ή γηα πξνζηαζία απφ ηηο εκθαληδφκελεο ππεξηάζεηο. Καηά ηελ έλαπζε θαη ηε ζβέζε, θαζψο ηα ζηνηρεία δελ είλαη ηδαληθά, ζπλππάξρεη γηα θάπνην ρξνληθφ δηάζηεκα πςειή, αιιά ζπλερψο ειαηησκέλε, ηηκή ξεχκαηνο θαη κία κηθξή ηηκή ηάζεο ζπλερψο απμαλφκελε. Σν θαηλφκελν απηφ παξαηεξείηαη θαηά ηε ζβέζε ηνπ δηαθφπηε θαη πξνθαιεί απψιεηα ηζρχνο πνπ νλνκάδεηαη δηαθνπηηθέο απψιεηεο. Αληίζηνηρν θαηλφκελν παξαηεξείηαη θαη θαηά ηελ έλαπζε ηνπ εκηαγσγηθνχ ζηνηρείνπ. Θεσξψληαο γξακκηθή κεηάβαζε ησλ ζηνηρείσλ, νη απψιεηεο απηέο πξνζεγγίδνληαη απφ ηνλ αθφινπζν ηχπν: Όπνπ: V, I νη ηηκέο ησλ κεγεζψλ πνπ εκθαλίδνληαη ζην δηαθφπηε θαηά ηελ έλαπζε ή ηε ζβέζε t s t on ή t off, αλάινγα ηε ζηηγκή γηα ηελ νπνία αλαθέξνληαη νη απψιεηεο. Οη δηαηάμεηο απηέο πεξηνξίδνπλ πεξηνξίδνπλ ηηο ππεξηάζεηο πνπ παξνπζηάδνληαη θαηά ηε κεηάβαζε ησλ δηαθνπηψλ, φκσο πξνζζέηνπλ θφζηνο, επηπιένλ πεξηνξηζκνχο ζηε ιεηηνπξγία ηεο δηάηαμεο θαη επηπξφζζεηεο απψιεηεο. Χζηφζν είλαη δπλαηφλ, κε θαηάιιειν ζρεδηαζκφ, λα επηηεπρζεί κείσζε ηεο ζπλνιηθήο απψιεηαο ελέξγεηαο έσο θαη 30%. Όπσο αλαθέξζεθε θαη πξνεγνπκέλσο δηαθξίλνληαη ζε θπθιψκαηα πξνζηαζίαο: Καηά ηελ έλαπζε Καηά ηε ζβέζε Απφ ππεξηάζεηο Σα θπθιψκαηα απηά απνηεινχληαη απφ θπθιψκαηα RC ή RCD ή RCL θαη δηάθνξεο άιιεο παξαιιαγέο ηνπο, έηζη ψζηε λα πάξνπλ ηελ ελέξγεηα πνπ πξνθαιεί ηελ ππέξηαζε απφ ην δηαθνπηηθφ ζηνηρείν, φπνπ ζπλήζσο ζπλδένληαη, θαη λα ηελ απνζβέζνπλ ζηελ αληίζηαζε. ρεηηθά κε ηα snubber πξνζηαζίαο απφ ππεξηάζεηο, αξρηθά ππνινγίδεηαη ε ζπρλφηεηα ηαιάλησζεο ηεο ηάζεο, ηνπ πξνο πξνζηαζία εκηαγσγηθνχ ζηνηρείνπ f r. 45

60 ηε ζπλέρεηα ππνινγίδεηαη ε επαγσγηκφηεηα ζθέδαζεο ηνπ κεηαζρεκαηηζηή Lζ1 ή ηίζεηαη πξνζεγγηζηηθά ίζε κε ην 3-5% ηεο επαγσγηκφηεηαο καγλήηηζεο Lm. Καηφπηλ ηα ζηνηρεία ελφο RC snubber ππνινγίδνληαη απφ ηηο αθφινπζεο ζρέζεηο: 5.7. Μεηαηξνπέαο Σύπνπ Forward Ο κεηαηξνπέαο forward είλαη έλαο buck κε ηελ πξνζζήθε ελφο κεηαζρεκαηηζηή θαη κηαο δηφδνπ ζην δεπηεξεχνλ ηνπ. Όηαλ ν δηαθφπηεο είλαη θιεηζηφο, ε δίνδνο D1 πνιψλεηαη νξζά θαη ε D2 αλάζηξνθα. Χο απνηέιεζκα, παξνπζηάδεηαη ξνή ελέξγεηαο απεπζείαο απφ ηελ είζνδν ζηελ έμνδν. ρήκα 38: Μεηαηξνπέαο Forward κε ηύιηγκα απνκαγλήηηζεο Όηαλ ν δηαθφπηεο είλαη αλνηρηφο, ε δίνδνο D2 πνιψλεηαη νξζά, ελψ ην πελίν παξέρεη ηελ ελέξγεηα πνπ έρεη απνζεθεχζεη ζηελ έμνδν. Σαπηφρξνλα, θαη ην ξεχκα καγλήηηζεο ξέεη κέζσ ηεο δηφδνπ ηνπ ηξίηνπ ηπιίγκαηνο. Δάλ ηα δχν ηπιίγκαηα ηνπ πξσηεχνληνο έρνπλ ηνλ ίδην αξηζκφ ζπεηξψλ, ηφηε ζην κεηαζρεκαηηζηή εκθαλίδεηαη ηάζε -V in θαη ζην δηαθφπηε 2V in. ρήκα 39: Υαξαθηεξηζηηθέο θπκαηνκνξθέο κεηαηξνπέα forward [50] Δάλ δελ ππήξρε ην ηξίην ηχιηγκα, ε απνζεθεπκέλε ελέξγεηα ζα εκθαληδφηαλ σο ππέξηαζε ζην δηαθνπηηθφ ζηνηρείν. Πξνθεηκέλνπ λα ππάξμεη πιήξεο απνκαγλήηηζε, 46

61 έηζη ψζηε ζε θάζε θχθιν λα κελ απμάλεηαη ε απνζεθεπκέλε ελέξγεηα κε ζπλέπεηα ν κεηαζρεκαηηζηήο λα νδεγεζεί ζηνλ θφξν, επηβάιιεηαη ν ιφγνο θαηάηκεζεο λα είλαη κηθξφηεξνο ηνπ 0,5, εάλ ηα δχν ηπιίγκαηα ηνπ πξσηεχνληνο έρνπλ ηνλ ίδην αξηζκφ ζπεηξψλ. Πξαθηηθά, επηιέγεηαη γχξσ ζην 0,4. Αμίδεη λα ζεκεησζεί φηη ην ηξίην ηχιηγκα είλαη αληίζηξνθα ηπιηγκέλν ζε ζρέζε κε ην θπξίσο ηχιηγκα ηνπ πξσηεχνληνο. Γηα λα κεγαιψζεη ν ιφγνο θαηάηκεζεο, πξέπεη ε εθθφξηηζε ηνπ πελίνπ λα γίλεη πην απφηνκε. Έλαο ηξφπνο λα επηηεπρζεί απηφ είλαη βάδνληαο ιηγφηεξεο ζπείξεο ζην ηξηηεχσλ ηχιηγκα ή πξνζζέηνληαο αληίζηαζε. ε απηή ηελ πεξίπησζε ζα ππήξρε επηπξφζζεηε ηάζε ζην δηαθφπηε, αιιά γξεγνξφηεξε εθθφξηηζε. Ο κεηαηξνπέαο κπνξεί λα ιεηηνπξγεί ζε ζπλερή ή ζε αζπλερή αγσγή ξεχκαηνο. Ιζρχνπλ νη ίδηεο εμηζψζεηο κε ην κεηαηξνπέα ηχπνπ buck κε ηε δηαθνξά φηη ηψξα, γηα ηε ζπλερή αγσγή, ηζρχεη: φπνπ: n o ιφγνο κεηαζρεκαηηζκνχ. Μεηαηροπέας forward δύο διακοπηών Βαζηθφ κεηνλέθηεκα ηνπ κεηαηξνπέα forward κε έλα δηαθφπηε είλαη ε ηάζε πνπ επηβάιιεηαη ζην εκηαγσγηθφ ζηνηρείν θαη ζηε δίνδν ηνπ ηξίηνπ ηπιίγκαηνο θαηά ηε ιεηηνπξγία ζε θαηάζηαζε απνθνπήο. Η αηρκή ηεο ηάζεο πνπ εκθαλίδεηαη θαηά ηε ζβέζε ηνπ δηαθφπηε επηβάιιεη ηελ επηινγή ησλ ζηνηρείσλ γηα ζεκαληηθά κεγαιχηεξε ηηκή ηάζεο απφ φηη δχν θνξέο ε ηάζε εηζφδνπ. Σν κεηνλέθηεκα απηφ αληηκεησπίδεηαη, είηε κε πξνζζήθε δηαηάμεσλ snubber, είηε, φπσο ζα απνδεηρζεί ζηε ζπλέρεηα, ζε κεγαιχηεξν βαζκφ κε ηελ ρξήζε ηεο ηνπνινγίαο κε δχν δηαθφπηεο. ρήκα 40: Μεηαηξνπέαο Forward κε δύν δηαθνπηηθά ζηνηρεία Οη δχν δηαθφπηεο είλαη ζε θαηάζηαζε αγσγήο ή απνθνπήο ηαπηφρξνλα. Βαζηθφ πιενλέθηεκα είλαη φηη ε ηάζε πνπ πέθηεη ζε θάζε δηαθφπηε είλαη ε κηζή, γεγνλφο πνπ επηηξέπεη ηελ επηινγή δηαθνπηηθψλ ζηνηρείσλ ρακειφηεξεο ηάζεο. Δπηπιένλ, φηαλ νη δηαθφπηεο βξίζθνληαη ζε απνθνπή, ην ξεχκα καγλήηηζεο ξέεη κέζσ ησλ δηφδσλ, ζηελ είζνδν ηνπ ηξνθνδνηηθνχ. Χο απνηέιεζκα, δελ ρξεηάδεηαη νχηε ηξίην ηχιηγκα νχηε θάπνηα δηάηαμε snubber. 47

62 ρήκα 41: Λεηηνπξγία Μεηαηξνπέα Forward 5.8. Μεηαηξνπέαο Σύπνπ Flyback Ο κεηαηξνπέαο flyback πξνέξρεηαη απφ ην κεηαηξνπέα αλχςσζεο/ππνβηβαζκνχ ηάζεο. Η κφλε δηαθνξά είλαη φηη πξνζηίζεηαη ζηελ απηεπαγσγή ηνπ buck-boost έλα δεχηεξν ηχιηγκα γηα ηελ επίηεπμε ειεθηξηθήο απνκφλσζεο. Με άιια ιφγηα ν κεηαζρεκαηηζηήο απνκφλσζεο δε ιεηηνπξγεί σο κεηαζρεκαηηζηήο, αιιά σο δχν ζπδεπγκέλα πελία. ρήκα 42: Μεηαηξνπέαο Flyback Όηαλ ν δηαθφπηεο είλαη θιεηζηφο, ζην πξσηεχσλ εκθαλίδεηαη ε ηάζε εηζφδνπ, ε δίνδνο D πνιψλεηαη αλάζηξνθα θαη δελ άγεη. Σν ξεχκα ζην θνξηίν παξέρεηαη απφ ηνλ ππθλσηή ν νπνίνο ζεσξείηαη αξθεηά κεγάιεο ρσξεηηθφηεηαο. ην πξσηεχνλ ην ξεχκα ζην κεηαζρεκαηηζηή απμάλεηαη γξακκηθά ιφγσ ηεο επαγσγήο καγλήηηζεο. Σν ξεχκα απηφ ηζνχηαη κε ην ξεχκα καγλήηηζεο. Σν ξεχκα καγλήηηζεο καγλεηίδεη ηνλ ππξήλα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή, φπνπ απνζεθεχεηαη ελέξγεηα ίζε κε: Όηαλ ν δηαθφπηεο είλαη αλνηθηφο, ε απνζεθεπκέλε ελέξγεηα κεηαθέξεηαη απφ ην πξσηεχσλ ζην δεπηεξεχσλ ηνπ κεηαζρεκαηηζηή, θη απφ εθεί ζηελ έμνδν. Σν ξεχκα κεηψλεηαη γξακκηθά, ν κεηαζρεκαηηζηήο εθθνξηίδεηαη θαη ν ππθλσηήο εμφδνπ θνξηίδεηαη. Γνπιεχεη φπσο ν κεηαηξνπέαο buck-boost ζε ζπλερή θαη αζπλερή αγσγή κε δηαθνξά φηη ηψξα ηζρχεη: 48

63 ε αληίζεζε κε ηνλ buck-boost, δελ ππάξρεη πεξηνξηζκφο ζην εχξνο ηνπ ιφγνπ θαηάηκεζεο. Δπηπιένλ, ιφγσ ηνπ δηαθέλνπ, φηαλ ν δηαθφπηεο είλαη αλνηθηφο, ε ελέξγεηα ζθέδαζεο εκθαλίδεηαη σο ππέξηαζε ζην δηαθφπηε. πλεπψο είλαη απαξαίηεηε ε πξνζζήθε θπθισκάησλ πξνζηαζίαο απφ ηηο ππεξηάζεηο ή θπθιψκαηα snubber. πλήζσο ρξεζηκνπνηείηαη ζε εθαξκνγέο κηθξήο ηζρχνο θαη θπξίσο φηαλ ε ηάζε εμφδνπ είλαη πςειή. Πιενλεθηεί έλαληη ησλ ππνινίπσλ κεηαηξνπέσλ ιφγσ ηεο έιιεηςεο πελίνπ ζηελ έμνδν θαη ιφγσ ηνπ φηη παξνπζηάδεη κηθξφηεξε δηαθχκαλζε ζηελ ηάζε εμφδνπ. Χζηφζν, απαηηείηαη έλαο κεγάινο ππθλσηήο εμφδνπ θαη ζε αληίζεζε κε ηνπο ππφινηπνπο κεηαηξνπείο, ε ελέξγεηα κεηαθέξεηαη ζηελ έμνδν φηαλ ν δηαθφπηεο βξίζθεηαη ζε απνθνπή. Σέινο, ζπρλά ν ππξήλαο ηνπ κεηαζρεκαηηζηή, δελ θαηαζθεπάδεηαη απφ θάπνην θεξίηε, φπσο γίλεηαη ζηνπο ππφινηπνπο, αιιά κε δηαθνξεηηθφ πιηθφ γηα λα απνθεπρζεί ν θνξεζκφο ηνπ ππξήλα. Ο θνξεζκφο ηνπ ππξήλα ζέιεη ηδηαίηεξε πξνζνρή, θαζψο ην ξεχκα καγλήηηζεο, αθφκα θαη ζε κηθξέο ηζρείο, παξνπζηάδεη κεγάιεο ηηκέο Μεηαηξνπέαο Σύπνπ Push - Pull Ο κεηαηξνπέαο push-pull είλαη ζηελ νπζία δχν κεηαηξνπείο forward πνπ δνπιεχνπλ κε δηαθνξά θάζεο 180 ν θαη γηα ρξφλν ίζν κε ηελ εκηπεξίνδν. Χο απνηέιεζκα, ζε κία εκηπεξίνδν, γηα ηελ ίδηα ζπρλφηεηα ιεηηνπξγίαο κε έλαλ forward, δηπιαζηάδνπκε ηε ζπρλφηεηα ηνπ ξεχκαηνο ηνπ πελίνπ. Με απηφ ηνλ ηξφπν, κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζεί κηθξφηεξν πελίν θαη κε ηηο δηαθνπηηθέο απψιεηεο λα κελ απμάλνληαη. Αθφκα, θαζψο ρξεζηκνπνηείηαη ζην δεπηεξεχσλ κεζαία ιήςε, ζην δεπηεξεχσλ πξνθαιείηαη πηψζε ηάζεο κφλν κίαο δηφδνπ. ρήκα 43: Μεηαηξνπέαο Push - Pull Όηαλ ν δηαθφπηεο 1 είλαη θιεηζηφο, άγεη ε δίνδνο 1 θαη ε 2 πνιψλεηαη αλάζηξνθα. Αληίζηνηρα θαη γηα ηνλ δηαθφπηε 2. Όηαλ είλαη θαη νη δχν δηαθφπηεο αλνηθηνί, ην ξεχκα ηεο απηεπαγσγήο κνηξάδεηαη εμίζνπ ζηα δχν δεπηεξεχνληα. 49

64 Αμίδεη λα αλαθεξζεί, φηη νη αληηπαξάιιειεο δίνδνη ζην πξσηεχσλ είλαη απαξαίηεηεο γηα λα παξέρνπλ δξφκν αγσγήο ζην ξεχκα δηαξξνήο ηνπ κεηαζρεκαηηζηή, φηαλ νη δηαθφπηεο είλαη αλνηθηνί. Απηνχ ηνπ είδνπο ν κεηαηξνπέαο, πιενλεθηεί ιφγσ ηεο ηθαλφηεηάο ηνπ λα ρεηξηζηεί κεγάιεο ηζρείο, ιφγσ ζπκκεηξηθήο ιεηηνπξγίαο ηνπ ππξήλα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή πνπ ζπλεπάγεηαη ρξήζε κηθξφηεξνπ κεηαζρεκαηηζηή. Όκσο, ν ιφγνο θαηάηκεζεο κπνξεί λα θηάζεη ην 50%, ιφγσ ηεο δηαθνξηθήο ιεηηνπξγίαο ησλ δηαθνπηψλ. Πξαθηηθά, ν ιφγνο θαηάηκεζεο ζα είλαη αθφκα κηθξφηεξνο, έηζη ψζηε κε ηελ πξνζζήθε ελφο θελνχ ρξνληθνχ δηαζηήκαηνο λα εμαζθαιηζηεί ε δηαθνξηθή ιεηηνπξγία ησλ δηαθνπηψλ. Ιζρχνπλ νη ίδηεο εμηζψζεηο κε ηνλ forward θαη νη ίδηεο θπκαηνκνξθέο, κε δηαθνξά φηη ηψξα ηζρχεη: θαη φηη νη θπκαηνκνξθέο επαλαιακβάλνληαη ζε θάζε εκηπεξίνδν. Ο push-pull, κεηαηξνπέαο έρεη ην πιενλέθηεκα φηη ηφζν ην πελίν φζν θαη ν κεηαζρεκαηηζηήο πνπ απαηηνχληαη είλαη κηθξφηεξα απφ ηα αληίζηνηρα ζηνλ forward θαη θαζψο θαη ηα δχν δηαθνπηηθά ζηνηρεία ρξεζηκνπνηνχλ ην ίδην επίπεδν ηάζεο, δελ απαηηείηαη απνκφλσζε γηα ην δηαρσξηζκφ ησλ παικψλ, φπσο ζε έλαλ κεηαηξνπέα forward. Χζηφζν, νη δηαθφπηεο πξέπεη λα αληέρνπλ ηάζε δηπιάζηα ηεο εηζφδνπ θαη αθφκα πην βαζηθφ είλαη ε δπζθνιία ζηελ θαηαζθεπή ηνπ κεηαζρεκαηηζηή. Πξέπεη λα επηηεπρζεί ζπκκεηξία ζηα ηπιίγκαηα, δηαθνξεηηθά ε αζπκκεηξία ζηε καγλεηηθή ξνή ζα νδεγήζεη ηνλ ππξήλα ζηνλ θνξεζκφ. Η ζπκκεηξηθή ιεηηνπξγία επεξεάδεη θαη ηε ιεηηνπξγία ηπρφλ πξφζζεησλ θπθισκάησλ πξνζηαζίαο. ε ζπλέρεηα αθνινπζνχλ νη βαζηθέο ραξαθηεξηζηηθέο ηνπ κεηαηξνπέα. ρήκα 44: Υαξαθηεξηζηηθέο θπκαηνκνξθέο κεηαηξνπέα Push Pull [50] 50

65 5.10. Μεηαηξνπέαο Ηκηγέθπξαο ε απηή ηελ ηνπνινγία ηα δηαθνπηηθά ζηνηρεία άγνπλ δηαθνξηθά. Οη δχν ππθλσηέο ηνπνζεηνχληαη ζε ζεηξά, έηζη ψζηε θάζε θνξά ζην πξσηεχσλ ηνπ κεηαζρεκαηηζηή λα πέθηεη ε κηζή ηάζε εηζφδνπ. ηελ έμνδν επηθξαηνχλ θπκαηνκνξθέο δηπιάζηαο ζπρλφηεηαο απφ ηελ είζνδν. Σα πιενλεθηήκαηα αλαθέξζεθαλ ζε άιιν κεηαηξνπέα. Ο ζεσξεηηθφο ιφγνο θαηάηκεζεο αλέξρεηαη κέρξη ην 100%, πξαθηηθά θαη γηα ιφγνπο αζθαιείαο κέρξη 90-95%. ρήκα 45: Μεηαηξνπέαο εκηγέθπξαο Δπηπιένλ, κε ηε ρξήζε ελφο ηξίηνπ ππθλσηή, απνθφπηεηαη ε ζπλερήο αγσγή ξεχκαηνο πξνο ηνλ ππξήλα θη επηηξέπεηαη ε ξνή ελαιιαζζφκελνπ ξεχκαηνο. Σν γεγνλφο απηφ επηηξέπεη ηε κε χπαξμε πξνβιήκαηνο θνξεζκνχ ζηνλ ππξήλα. Οη ραξαθηεξηζηηθέο ηνπ κεηαηξνπέα είλαη παλνκνηφηππεο κε ηνλ push-pull. Βαζηθφ κεηνλέθηεκα, πέξαλ ηεο απμεκέλεο πνιππινθφηεηαο, είλαη ε αλάγθε απνκφλσζεο γηα ηελ παικνδφηεζε ηνπ πάλσ ηξαλδίζηνξ, φπσο θαη ζην κεηαηξνπέα forward. πλήζσο, ε πνιππινθφηεηα θαη ην θφζηνο πνπ ζπλεπάγεηαη θαζηζηνχλ ηε ρξήζε ηνπ γηα εθαξκνγέο ρακειήο ηζρχνο αληη-νηθνλνκηθή Μεηαηξνπέαο Πιήξνπο Γέθπξαο Ο δηπιαζηαζκφο ησλ δηαθνπηψλ, επηηξέπεη δηαηεξψληαο ην ίδην ξεχκα ζην πξσηεχσλ ην δηπιαζηαζκφ ηεο ηάζεο θαη ηεο ηζρχνο πνπ κεηαθέξεηαη ζηελ έμνδν. Ο κεηαηξνπέαο παξνπζηάδεη ηα ίδηα κεηνλεθηήκαηα κε ην κεηαηξνπέα εκηγέθπξαο, ελψ ην βαζηθφ πιενλέθηεκα πνπ πξνζθέξεη είλαη ε δηπιάζηα ηζρχο εμφδνπ. Δπίζεο, ιφγσ ηεο πνιππινθφηεηαο θαη ηνπ θφζηνπο πνπ επηθέξεη, ε ρξήζε ηνπ ζπλίζηαηαη γηα εθαξκνγέο απμεκέλεο ηζρχνο. ρήκα 46: Μεηαηξνπέαο πιήξνπο γέθπξαο 51

66 52

67 6. Μειέηε Μεηαηξνπέα Forward 6.1. Δπηινγή ηνπ Καηάιιεινπ Μεηαηξνπέα θνπφο ηεο δηπισκαηηθήο είλαη ε κειέηε, θαηαζθεπή, πξνγξακκαηηζκφο θαη έιεγρνο κίαο ειεθηξνληθήο δηάηαμεο ηζρχνο πνπ λα νδεγεί κία καγλεηνξενινγηθή αλάξηεζε. Καζψο ε θαηαζθεπή αθνξά αλάξηεζε ελφο νρήκαηνο, πεγή ηξνθνδνζίαο ζεσξείηαη κία κπαηαξία απηνθηλήηνπ ησλ 12V. ε ζεσξεηηθφ επίπεδν, ν κεηαηξνπέαο ζα επηθνηλσλεί κε ηνλ ειεθηξνληθφ εγθέθαιν ηνπ νρήκαηνο θαη ζα ηνπνζεηείηαη ζε θάπνην ρψξν πάλσ απφ ηνλ ηξνρφ, ηελ αλάξηεζε ηνπ νπνίνπ ζα ειέγρεη. Γεδνκέλεο ηεο επηθνηλσλίαο κε ηνλ εγθέθαιν, πέξα απφ ηα ππφινηπα πιενλεθηήκαηα, γίλεηαη απαηηεηή ε ειεθηξηθή απνκφλσζε. πλεπψο ζα επηιερζεί έλαο κεηαηξνπέαο κε γαιβαληθή απνκφλσζε. Βάζεη ησλ πξνδηαγξαθψλ πνπ ηέζεθαλ γηα ηελ εθαξκνγή, ν κεηαηξνπέαο ζα πξέπεη λα δίλεη ζηελ έμνδφ ηνπ ηάζε απφ 2V κέρξη 24V θαη κε ξεχκα εμφδνπ απφ 1-2A. πλεπψο ν κεηαηξνπέαο πξέπεη λα έρεη ηελ ηθαλφηεηα θαη αλχςσζεο θαη ππνβηβαζκνχ ηεο ηάζεο. Όκσο, ε πξνζζήθε ηνπ κεηαζρεκαηηζηή επηηξέπεη ηε ρξεζηκνπνίεζε θαη κεηαηξνπέα ππνβηβαζκνχ ηάζεο. Απιά ρξεηάδεηαη θαηάιιειε επηινγή ιφγνπ κεηαζρεκαηηζκνχ γηα ηελ επηζπκεηή ηάζε εμφδνπ ζε ζπλδπαζκφ κε ηνλ έιεγρν ηνπ ιφγνπ θαηάηκεζεο. Δπηπιένλ, ν κεηαηξνπέαο ζα έπξεπε λα έρεη ρξφλν απφθξηζεο 1-2 ms θαη ζπρλφηεηα ιεηηνπξγίαο 50kHz. Αξρηθά ν επηζπκεηφο βαζκφο απφδνζεο επηιέρζεθε γχξσ ζην 75%, κε απνδεθηή δηαθχκαλζε ηεο ηάζεο εμφδνπ 20mV θαη ξεχκαηνο εμφδνπ 50mA. Ο κεηαηξνπέαο flyback έρεη κεγάιν ππθλσηή εμφδνπ θαη αξθεηά κεγάιε θπκάησζε εμφδνπ πνπ είλαη αλεπηζχκεηε. Ο κεηαηξνπέαο push-pull θαη αθφκα πεξαηηέξσ, νη κεηαηξνπείο γέθπξαο, αλ θαη ίζσο λα παξνπζηαδφληνπζαλ πιενλεθηηθφηεξνη, ιφγσ πνιππινθφηεηαο θαη εμαηηίαο ηεο κηθξήο ηζρχο ηεο εθαξκνγήο δελ εμεηάδνληαη. Οπφηε, απνκέλεη ν κεηαηξνπέαο ηχπνπ forward, ν νπνίνο θαιχπηεη ηηο αλάγθεο ηζρχνο κε ηνλ πην απιφ θαη νηθνλνκηθφ ηξφπν. Λεηηνπξγψληαο ην κεηαηξνπέα ζε ζπλερή αγσγή, δελ πζηεξεί φζνλ αθνξά ηε ρακειή θπκάησζε εμφδνπ. Η ιεηηνπξγία ζε CCM απαηηείηαη ιφγσ αλάγθεο ρακειήο θπκάησζεο εμφδνπ. Όκσο, βαζηθφηεξε είλαη ε αλάγθε ηαρείαο απφθξηζεο ηνπ ζπζηήκαηνο, νπφηε ε ιεηηνπξγία ζε αζπλερή αγσγή δελ απνθιείεηαη. ε απηή ηελ πεξίπησζε ζα ζπζηαζηεί ε ρακειή θπκάησζε γηα γξήγνξε απφθξηζε, πνπ θξίλεηαη φηη είλαη επηηαθηηθήο αλάγθεο γηα ηε ζπγθεθξηκέλε εθαξκνγή. Η κειέηε ηνπ κεηαηξνπέα μεθίλεζε κε ηελ απιή δηάηαμε ηνπ forward κε έλα ειεγρφκελν εκηαγσγηθφ δηαθφπηε, κεηά πξνζηέζεθε κία δηάηαμε πξνζηαζίαο γηα ηηο ππεξηάζεηο έλαπζεο θαη ηέινο πξνηηκήζεθε ν κεηαηξνπέαο κε δχν δηαθφπηεο. Χο δηαθνπηηθφ ζηνηρείν έρεη επηιεγεί ην Mosfet ηζρχνο, ηφζν ιφγσ ηεο ρακειήο ηζρχνο ηεο εθαξκνγήο φζν θαη ιφγσ ηεο ζπρλφηεηαο ιεηηνπξγίαο ηνπ κεηαηξνπέα. πλήζσο ηα Mosfet πξνηηκψληαη ζε: Δθαξκνγέο κε ηζρχ κηθξφηεξε ησλ 500W. Δθαξκνγέο ρακειήο ηάζεο. Μεηαηξνπείο πςειψλ ζπρλνηήησλ 53

68 Απφ φζα αλαθέξζεθαλ παξαπάλσ γηα ηηο καγλεηνξενινγηθέο αλαξηήζεηο, είλαη θαηαλνεηφ φηη ν έιεγρνο πνπ ρξεηάδεηαη είλαη έιεγρνο ξεχκαηνο εμφδνπ, θαζψο απηφ ζα ξέεη ζην πελίν ηεο αλάξηεζεο θαη ζα είλαη ππεχζπλν γηα ηε δεκηνπξγία ηνπ καγλεηηθνχ πεδίνπ. Η έληαζε ηνπ καγλεηηθνχ πεδίνπ, κε ηε ζεηξά ηεο, ζα θαζνξίζεη ηε ζθιεξφηεηα ηεο αλάξηεζεο. πλεπψο, κε ηελ επηινγή ελφο κεηαηξνπέα forward δχν δηαθνπηηθψλ ζηνηρείσλ, κπνξνχλ λα ρξεζηκνπνηεζνχλ δηαθνπηηθά ζηνηρεία κε αληνρή ζε κηζή ηάζε απφ έλαλ θιαζζηθφ forward. Σν βαζηθφ κεηνλέθηεκα είλαη φηη παικνί ηνπ πάλσ ζηνηρείνπ απαηηνχλ γαιβαληθή απνκφλσζε. Δπηπιένλ, ππάξρεη ην επηπξφζζεην θφζηνο ηνπ επηπιένλ ζηνηρείνπ Θεσξεηηθή Αλάιπζε ηνπ Μεηαηξνπέα. Γηα ηελ πεξίπησζε ζπλερνχο αγσγήο, θαη ζεσξψληαο ιεηηνπξγία ζε θαηάζηαζε ηζνξξνπίαο ζα πξέπεη ε κέζε ηηκή ηεο ηάζεο ηνπ πελίνπ λα είλαη κεδέλ. πλεπψο ηζρχεη: Σα ραξαθηεξηζηηθά εηζφδνπ θη εμφδνπ ηνπ κεηαηξνπέα, φπσο ηέζεθαλ γηα ηελ θαιή ιεηηνπξγία ηεο αλάξηεζεο, είλαη: Πίλαθαο 6. Υαξαθηεξηζηηθά Μεηαηξνπέα Σάζε Δηζόδνπ 12V Διάρηζηε Θεσξεηηθή Σάζε Δμόδνπ Μέγηζηε Θεσξεηηθή Σάζε Δμόδνπ Διάρηζην Ρεύκα Δμόδνπ Μέγηζην Ρεύκα Δμόδνπ πρλόηεηα Λεηηνπξγίαο Υξόλνο Απόθξηζεο Μέγηζηνο Λόγνο Καηάηκεζεο Ολνκαζηηθή Ιζρύο 2V 24V 1Α 2Α 50kHz msec δmax~0.4 ~40-45W Τπνινγηζκφο Λφγνπ Μεηαζρεκαηηζκνχ χκθσλα κε ηα παξαπάλσ: Δπηιέγεηαη 54

69 Τπνινγηζκφο Πελίνπ Δμφδνπ Γηα ιεηηνπξγία ζε αζπλερή αγσγή ξεχκαηνο, πξέπεη ε επαγσγή ηνπ πελίνπ λα επηιεγεί έηζη ψζηε γηα ην κεγαιχηεξν κέζν ξεχκα εμφδνπ λα βξίζθεηαη ζε αζπλερή αγσγή, δειαδή ηα 2Α λα είλαη κεγαιχηεξα απφ ηελ νξηαθή ηηκή ξεχκαηνο Iob. ηελ είζνδν ηνπνζεηείηαη γηα ηξνθνδνζία κία κπαηαξία 12V ε ηάζε ηεο νπνίαο θπκαίλεηαη απφ 10,5~10V κέρξη 13.5~14V. Θεσξψληαο κέγηζην κέζν ξεχκα εμφδνπ 2.5Α γηα αζθάιεηα, ε κέγηζηε ηηκή πελίνπ γηα ιεηηνπξγία ζε αζπλερή αγσγή είλαη: Τπνινγηζκφο Γηφδσλ Απνκαγλήηηζεο θαη Mosfet Γεληθφηεξα, ηα εκηαγσγηθά ζηνηρεία επηιέγνληαη κε βάζε ηελ ελεξγφ ηηκή ηνπ ξεχκαηνο πνπ ηα δηαξξέεη θαη ηε κέγηζηε δπλαηή ηηκή ηάζεο γηα ηα δηαθνπηηθά ζηνηρεία, θαη γηα ηηο δηφδνπο κε βάζε ηε κέζε ηηκή ξεχκαηνο θαη ηε κέγηζηε ηηκή ηάζεο. Οη δχν δίνδνη ζην πξσηεχσλ ηνπ κεηαζρεκαηηζηή ρξεζηκεχνπλ γηα ηελ απνθφξηηζε ηνπ ππξήλα θαηά ηε δηάξθεηα απνθνπήο ησλ εκηαγσγηθψλ δηαθνπηψλ. πλεπψο ζα δέρνληαη ην ξεχκα καγλήηηζεο. Οπφηε ηζρχεη: Όζνλ αθνξά ηηο δηφδνπο ζην δεπηεξεχσλ, ππάξρνπλ δχν δίνδνη. Η θχξηα δίνδνο πνπ άγεη φηαλ ν δηαθφπηεο είλαη θιεηζηφο θαη ε δεπηεξεχνπζα πνπ άγεη φηαλ ν δηαθφπηεο είλαη αλνηθηφο. Ιζρχεη: Γηα ηελ θχξηα δίνδν Όζνλ αθνξά ην ξεχκα ηεο δηφδνπ, ε δίνδνο δηαξξέεηαη απφ ην κέζν ξεχκα ηνπ δεπηεξεχνληνο, δειαδή: Η δεπηεξεχνπζα δίνδνο δέρεηαη ηελ ίδηα ηάζε, αιιά δηαθνξεηηθφ ξεχκα, δειαδή: 55

70 Ιζρχεη γηα ην Mosfet: ηελ πεξίπησζε ηνπ κεηαηξνπέα κε δχν δηαθνπηηθά ζηνηρεία ε ηηκή ηεο ηάζεο ζα ήηαλ ε δηπιάζηα. Τπνινγηζκφο Ππθλσηή Δηζφδνπ Γεδνκέλεο ηεο ηξνθνδνζίαο ησλ 12V απφ ηε κπαηαξία ηνπ απηνθηλήηνπ, ε νπνία ζεσξείηαη ζηαζεξή ιφγσ ειιείςεσο ζηνηρείσλ, αλ θαη δελ είλαη, ν ππθλσηήο εηζφδνπ δε κπνξεί λα ππνινγηζηεί ζηελ πξάμε γηα απηή ηελ εθαξκνγή. θνπφο ηνπ θίιηξνπ εηζφδνπ είλαη λα ζηαζεξνπνηήζεη ηηο ηπρφλ αλσκαιίεο ηεο ηάζεο εηζφδνπ. Κπξηφηεξν φκσο, ν ππθλσηήο ζα δέρεηαη ηελ ελέξγεηα καγλήηηζεο φηαλ νη δηαθφπηεο ζα είλαη αλνηθηνί, κέζσ ησλ δχν δηφδσλ. Θα ππνινγηζηεί ε ηηκή ηνπ πεηξακαηηθά θαηά ηε δηάξθεηα ησλ πξνζνκνηψζεσλ. πλίζηαηαη ε πξνζζήθε ελφο πελίνπ ζηελ είζνδν γηα ηε δεκηνπξγία ελφο θίιηξνπ εηζφδνπ γηα ηηο αλψηεξεο αξκνληθέο. Η ζπρλφηεηα ηνπ θίιηξνπ επηιέγεηαη ζπλήζσο δέθα θνξέο κηθξφηεξε απφ ηε ζπρλφηεηα ιεηηνπξγίαο ηνπ κεηαηξνπέα, έηζη ψζηε λα επηηξέπεη ηε δηέιεπζε κφλν ηεο ζπλερνχο ζπληζηψζαο. Τπνινγηζκφο Ππθλσηή Δμφδνπ ηελ έμνδν ηνπ κεηαηξνπέα ππάξρεη έλα θίιηξν LC, ζθνπφο ηνπ πνίνπ είλαη ε εμνκάιπλζε ηεο εμφδνπ ηνπ κεηαηξνπέα. Ο ππθλσηήο πξέπεη λα αληέρεη ηε κέγηζηε δπλαηή ηάζε εμφδνπ, δειαδή 24V. Δπηπιένλ, γλσξίδνληαο ηελ ηηκή ηνπ πελίνπ, επηιέγεηαη ζπλήζσο ε ηηκή ηνπ ππθλσηή έηζη ψζηε εθηφο ηεο απνζήθεπζεο ελέξγεηαο, ε ζπρλφηεηα απνθνπήο ηνπ θίιηξνπ εμφδνπ λα απνθφπηεη ηηο αξκνληθέο πνπ δεκηνπξγεί ε δηαθνπηηθή ιεηηνπξγία ηνπ κεηαηξνπέα. πλήζσο, ε ζπρλφηεηα απνθνπήο επηιέγεηαη δέθα θνξέο κηθξφηεξε ηεο ζπρλφηεηαο ιεηηνπξγίαο ηνπ κεηαηξνπέα. Ιζρχεη: Με βάζε ηελ επηζπκεηή θπκάησζε εμφδνπ, θαη γηα ζπλερή αγσγή, ν ππθλσηήο εμφδνπ ππνινγίδεηαη: Πξνθχπηεη: Γηα επηζπκεηέο δηαθπκάλζεηο 20mV θαη 50mA: 56

71 Τπνινγηζκφο Μεηαζρεκαηηζηή Η θαξδηά θαη ην θπξηφηεξν θνκκάηη ηνπ κεηαζρεκαηηζηή είλαη ν ππξήλαο ηνπ. Χζηφζν ηφζν ν ππξήλαο θαζψο θαη ηα ππφινηπα πιηθά δελ είλαη ηδαληθά αιιά παξνπζηάδνπλ απψιεηεο. Δίλαη πξνθαλέο φηη ζθνπφο θάζε θαηαζθεπήο είλαη ν πεξηνξηζκφο απηψλ ησλ απσιεηψλ. Γηα ηελ θαηαζθεπή κεηαζρεκαηηζηψλ, αιιά θαη πελίσλ ρξεζηκνπνηνχληαη δχν κεγάιεο θαηεγνξίεο πιηθψλ. Η πξψηε θαηεγνξία απνηειείηαη απφ θξάκαηα ζηδήξνπ, ηα νπνία παξνπζηάδνπλ κεγάιε ειεθηξηθή εηδηθή αγσγηκφηεηα ζε ζχγθξηζε κε ηε δεχηεξε θαηεγνξία θαη κεγάιεο ηηκέο ππθλφηεηαο ξνήο θνξεζκνχ. Χζηφζν, παξνπζηάδνπλ απψιεηεο πζηέξεζεο θαη απψιεηεο ιφγσ δηλνξεπκάησλ. Οη απψιεηεο πζηέξεζεο αλαθέξνληαη ζε κε εθκεηαιιεχζηκν καγλεηηθφ πεδίν, ελψ νη απψιεηεο δηλνξεπκάησλ αλαθέξνληαη ζε έλα πνζφ κείσζεο ηεο καγλεηηθήο επαγσγήο ιφγσ αλάπηπμεο καγλεηηθνχ πεδίνπ αληίζεηεο θνξάο πξνο ην επηζπκεηφ. Ο ιφγνο είλαη ε δεκηνπξγία ξεπκάησλ πνπ θηλνχληαη ζε ηξνρηά δίλεο ιφγσ ηνπ ελαιιαζζφκελνπ πεδίνπ πνπ εθαξκφδεηαη. Οη απψιεηεο ιφγσ δηλνξεπκάησλ εμαξηψληαη απφ ηε ζπρλφηεηα ιεηηνπξγίαο. Γηα απηφ ην ιφγν ε ρξήζε απηήο ηεο θαηεγνξίαο ππξήλσλ ζπλίζηαηαη γηα εθαξκνγέο ρακειψλ ζπρλνηήησλ. Αθφκα φκσο θαη ζε απηέο ηηο ζπρλφηεηεο ν ππξήλαο ρσξίδεηαη ζε ειάζκαηα γηα ηνλ πεξηνξηζκφ ησλ απσιεηψλ. Δλαιιαθηηθά κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζεί αληί γηα ειαζκαηνπνηεκέλνο ππξήλαο, ππξήλαο κε θνληνξηνπνηεκέλν ζίδεξν, κε ηνλ νπνίνλ κπνξνχλ λα επηηεπρζνχλ πςειφηεξεο ζπρλφηεηεο. Η δεχηεξε θαηεγνξία είλαη νη θεξίηεο. Παξνπζηάδνπλ ρακειή ηηκή ππθλφηεηαο ξνήο θνξεζκνχ, γχξσ ζηα 0.3Σ, αιιά κεγάιε ηηκή εηδηθήο αληίζηαζεο. Λφγσ ηεο πςειήο απηή ηηκήο αληίζηαζεο, νη θεξίηεο παξνπζηάδνπλ κφλνλ απψιεηεο πζηέξεζεο θαη ζπλεπψο είλαη θαηαιιειφηεξνη γηα εθαξκνγέο πςειψλ ζπρλνηήησλ. Αλάινγα κε ηε ζπρλφηεηα ιεηηνπξγίαο θαη ηελ ηζρχ ηεο εθαξκνγήο πξνηείλνληαη απφ ηεο θαηαζθεπάζηξηεο εηαηξίεο δηάθνξνη ηχπνη θεξηηψλ. πλεπψο, γίλεηαη θαηαλνεηφ φηη γηα ηελ παξνχζα εθαξκνγή ζα ρξεζηκνπνηεζεί ππξήλαο θεξίηε. Ο κεηαζρεκαηηζηήο ζε έλα κεηαηξνπέα forward κεηαθέξεη ηελ ελέξγεηα απφ ηελ είζνδν ζηελ έμνδν. Λεηηνπξγεί ζην πξψην ηεηαξηεκφξην θαη θνξηίδεηαη απφ ην ξεχκα καγλήηηζεο. Η θαηαζθεπή ηνπ κεηαζρεκαηηζηή είλαη αξθεηά πνιχπινθε δηαδηθαζία. Χο πξψην βήκα απαηηείηαη ν ππνινγηζκφο ησλ ξεπκάησλ ζε πξσηεχνλ θαη δεπηεξεχνλ ηνπ κεηαζρεκαηηζηή. ηε ζπλέρεηα παξνπζηάδνληαη ηα απαξαίηεηα βήκαηα. Απφ ηελ εθαξκνγή απαηηείηαη κέγηζην ξεχκα εμφδνπ 2Α. Γηα αζθάιεηα ζηνπο ππνινγηζκνχο θαη ηηο επηινγέο ζηνηρείσλ πξνζαπμάλεηαη απηή ε ηηκή ζε 2.5Α. ε απηή ηελ ηηκή πεξηιακβάλεηαη θαη ε φπνηα θπκάησζε ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ. ηελ παξνχζα εθαξκνγή επηθξαηεί ιεηηνπξγία ζε αζπλερή αγσγή θαη φρη ζπλερή, νπφηε δε κπνξνχλ λα ρξεζηκνπνηεζνχλ νη ηχπνη γηα ηε ζπλερή αγσγή. Απφ ηα πξνεγνχκελα γίλεηαη θαηαλνεηφ φηη παξέρεηαη σο δεδνκέλν απφ ηηο απαηηήζεηο ηεο εθαξκνγήο ην κέγηζην κέζν ξεχκα εμφδνπ. Απηή ε ηηκή ζα ρξεζηκνπνηεζεί γηα ηελ εχξεζε ηεο ελεξγνχ θαη κέγηζηεο αηρκήο ησλ ξεπκάησλ ζην 57

72 δεπηεξεχνλ θαη ζηε ζπλέρεηα ζην πξσηεχνλ ηνπ κεηαζρεκαηηζηή. Η κνξθή ησλ ξεπκάησλ είλαη ηξηγσληθή. ηε ζπλέρεηα ζα παξνπζηαζηνχλ νη αλαγθαίεο εμηζψζεηο γηα ηνλ ππνινγηζκφ ησλ απαξαηηήησλ ηηκψλ. Σε έναν ηριγωνικό παλμό ιζτύει: ( ) ( ) * + θαη ( ) ( ( ) ( * ) [( ) ( * ] ρήκα 47: Σξηγσληθή Κπκαηνκνξθή Σν κέγηζην ξεχκα εμφδνπ αληηζηνηρεί ζε κέγηζηε ηάζε εμφδνπ θαη ζε ειάρηζηε ηάζε εηζφδνπ ππφ κέγηζην ιφγν θαηάηκεζεο. Σν γεγνλφο απηφ γίλεηαη 58

73 θαιχηεξα αληηιεπηφ εάλ θάπνηνο ρξεζηκνπνηήζεη ην ιφγν κεηαζρεκαηηζκνχ γηα λα ζπγθξίλεη ηα ξεχκαηα πξσηεχνληνο θαη δεπηεξεχνληνο. Δπηιέγνληαο ην πελίν Lf=15κH είλαη: Καη απφ ηνπο ηχπνπο πνπ απνδείρηεθαλ ηζρχεη: Έρνληαο ππνινγίζεη ηα ξεχκαηα ζην δεπηεξεχνλ πξέπεη λα ππνινγηζηνχλ θαη ηα αληίζηνηρα ζην πξσηεχνλ. Αθνχ έρεη επηιεγεί ιφγνο κεηαζρεκαηηζκνχ 0.2 ηζρχεη: Έηζη, πξνθχπηεη: ρήκα 48: Ρεύκα Πξσηεύνληνο Αθφκα ρξεηάδνληαη νη παξάκεηξνη Ku, Kp θαη K, φπνπ: 59

74 Καη νη ηξείο παξάκεηξνη ππνινγίδνληαη, φπσο ππνινγίζηεθε ε παξάκεηξνο Kt. Χζηφζν νη ηηκέο ηνπο παξέρνληαη απφ δηάθνξεο θαηαζθεπαζηηθέο εηαηξίεο. Αλαθνξηθά παξνπζηάδνληαη νη ραξαθηεξηζηηθέο ηηκέο πνπ παξέρεη ε [72] γηα έλα κεηαηξνπέα ηχπνπ forward κε κία έμνδν (SE Single Ended). Πίλαθαο 7. ηαζεξέο Μεηαζρεκαηηζηή K Kt Ku Kp Forward SE/SE Δπηπιένλ, K H = 4e-5 θαη K E =4e-10. Οη κεηαβιεηέο Aw θαη Ap αλαθέξνληαη ζε παξακέηξνπο ηνπ ππξήλα πνπ ζα επηιεγεί. Πην αλαιπηηθά, ζεσξψληαο έλαλ ππξήλα ηχπνπ EE, πνπ νπζηαζηηθά είλαη δχν θνκκάηηα καγλεηηθνχ πιηθνχ ζε ζρήκα E ηνπνζεηεκέλα αληηθξηζηά, γηα ην ζρεκαηηζκφ ελφο εληαίνπ ππξήλα, είλαη: Ae αλαθέξεηαη ζηελ ελεξγφ πεξηνρή ηνπ ππξήλα θαη παξέρεηαη ε ηηκή ηνπ, γηα θάζε ππξήλα, ζην θπιιάδην ηνπ θαηαζθεπαζηή. Υνλδξηθά, πξφθεηηαη γηα ην εκβαδφ ηνπ κεζαίνπ ζηειέρνπο ηνπ ππξήλα, αιιά απφ ηε ζηηγκή πνπ παξέρεηαη ε ηηκή ηνπ δελ ππάξρεη αλάγθε γηα πεξαηηέξσ θαηά πξνζέγγηζε ππνινγηζκφ. ρήκα 49: Effective Area Aw πξφθεηηαη γηα ην παξάζπξν ηνπ ππξήλα. Τπνινγίδεηαη σο εμήο: Ο πξνεγνχκελνο ηχπνο αλαθέξεηαη ζε ππξήλα ηχπνπ EE ή παξαπιήζηα είδε, δειαδή πνπ λα απνηεινχληαη απφ δχν θνκκάηηα. Αληηζέησο, εάλ απνηειείηαη απφ έλα θνκκάηη, γηα παξάδεηγκα ν ηχπνο EI, δελ ρξεηάδεηαη λα πνιιαπιαζηαζηεί ην πξνεγνχκελν γηλφκελν επί δχν, αιιά ν αληίζηνηρνο ηχπνο είλαη: 60

75 ρήκα 50: Γηαζηάζεηο Ππξήλα AP απνηειεί ην βαζηθφ θξηηήξην επηινγήο ηνπ ππξήλα. Η ηηκή απηή παξέρεηαη ζε θάπνηα θπιιάδηα κφλν γηα θαηαζθεπή πελίσλ. Η ηηκή ηνπ ζπγθξίλεηαη κε ηηο αληίζηνηρεο πξνθχπηνπζεο ηηκέο απσιεηψλ, φπσο ζα παξνπζηαζηεί ζηε ζπλέρεηα. Τπνινγίδεηαη σο εμήο: Απηά απνηεινχλ θαη ηα απαξαίηεηα κεγέζε γηα λα επηιεγεί ηχπνο/ζρήκα ππξήλα. Τπάξρνπλ δηάθνξα ζρήκαηα, ηα νπνία παξέρνπλ θάπνηα πιενλεθηήκαηα θαη θάπνηα κεηνλεθηήκαηα. Γηα παξάδεηγκα, έλαο ππξήλαο ETD, παξέρεη πξνζηαζία έλαληη ειεθηξνκαγλεηηθήο παξεκβνιήο αιιά δελ ππάξρεη ζηα ίδηα κεγέζε κε έλαλ αληίζηνηρν ηχπνπ Δ ή ΔΙ πνπ πξνζθέξεη ην κηζφ παξάζπξν απφ έλαλ ΔΔ. ρήκα 51: Καηαζθεπαζηηθέο Μνξθέο Ππξήλσλ [77] 61

76 Με βάζε ηα ραξαθηεξηζηηθά ηνπ κεηαηξνπέα, ππνινγίδεηαη ε αλαγθαία πεξηνρή ηνπ ππξήλα, έηζη ψζηε λα ππεξθαιχπηεη ηηο κέγηζηεο απψιεηεο κεηαμχ ησλ απσιεηψλ θφξνπ APsat θαη απσιεηψλ ηπιηγκάησλ APlosses, δειαδή: ρήκα 52: Ππξήλαο ΔΙ θαη κπνκπίλα [78] Τπάξρεη πεξίπησζε λα επηιεγεί θαη ππξήλαο κε ειαθξψο κηθξφηεξε ηηκή, εάλ κπνξεί λα επηηεπρζεί αξθεηά ζηελή πεξηέιημε ησλ ηπιηγκάησλ, αθήλνληαο κηθξφηεξν θελφ κεηαμχ ησλ ζπεηξψλ. Γηα ηελ πεξηέιημε ρξεζηκνπνηείηαη εηδηθή θαηαζθεπή, κπνκπίλα, ζηελ νπνία ηπιίγνληαη εχθνια ηα ηπιίγκαηα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή θαη έπεηηα ηνπνζεηνχληαη ζηνλ ππξήλα. Κάζε ππξήλαο έρεη ηελ αληίζηνηρε κπνκπίλα, ε νπνία, ζπλήζσο, πεξηγξάθεηαη ζην θπιιάδην ηνπ θαηαζθεπαζηή. Απψηεξνο ζθνπφο φισλ απηψλ πνπ πξναλαθέξζεθαλ είλαη ν θαζνξηζκφο ηεο κεηαβνιήο ηεο καγλεηηθήο ξνήο ΓΒ, ε νπνία πεξηνξίδεηαη απφ ηηο απψιεηεο ησλ ηπιηγκάησλ θαη ηνλ θνξεζκφ. Γειαδή εθκεηαιιεχεηαη ε γξακκηθή πεξηνρή ηεο ραξαθηεξηζηηθήο B-H ηνπ καγλεηηθνχ πιηθνχ. Η κεηαβνιή ΓΒ νξίδεηαη σο: 62

77 Η ηηκή Bsat επηιέγεηαη ζην ζεκείν πνπ μεθηλάεη ε ραξαθηεξηζηηθή Β-Η λα θακππιψλεη θαη ην Βr ιακβάλεη ηελ ηηκή 0, ηνπιάρηζηνλ ζηνπο κνλνθαηεπζπληηθήο δηέγεξζεο κεηαηξνπείο, φπσο ν Forward. πλεπψο: ρήκα 53: B-H ραξαθηεξηζηηθή [82][78] Τπνινγηζκφο Απσιεηψλ ( ) ( ) ( ) 63

78 ( ) ( ) ( ) ( ) Απφ ηηο δχν ηηκέο ιακβάλεηαη ππφςε ε πςειφηεξε γηα επηινγή ππξήλα. Δμεηάδνληαο έλαλ θαηάινγν κε ππξήλεο επηιέγεηαη ππξήλαο κε ηε κηθξφηεξε ηηκή AP, ππφ ηελ πξνυπφζεζε φηη είλαη κεγαιχηεξε απφ ηελ πςειφηεξε ηηκή απσιεηψλ κεηαμχ ησλ δχν πνπ ππνινγίζηεθαλ απφ ηηο πξνεγνχκελεο δχν εμηζψζεηο. Γηα ιφγνπο επθνιίαο θαη ηαρχηεηαο θαηά ηνπο ππνινγηζκνχο νη απαξαίηεηεο ηηκέο θη εμηζψζεηο εηζήρζεζαλ ζε έλα ινγηζηηθφ θχιιν ηνπ excel. Καηφπηλ έξεπλαο ζηνλ θαηάινγν ηεο Feroxcube επηιέρζεθε ν ππξήλαο ΔΙ 28/17/11 κε: Αe=83,7mm 2 ηε ζπλέρεηα ππνινγίδνληαη νη ζπείξεο ησλ δχν ηπιηγκάησλ. θνπφο είλαη ν ιφγνο κεηαζρεκαηηζκνχ λα είλαη ν επηζπκεηφο, αιιά θαη ν αξηζκφο ησλ ζπεηξψλ ηνπ πξσηεχνληνο λα κπνξεί λα ππνζηεξίμεη ηελ ειάρηζηε ηάζε εηζφδνπ γηα ην κέγηζην ρξφλν αγσγήο. πλεπψο ν ειάρηζηνο αξηζκφο ζπεηξψλ ζην πξσηεχνλ είλαη: θαη ρξεζηκνπνηψληαο θαη ην ιφγν κεηαζρεκαηηζκνχ, Δίλαη πξνθαλέο φηη ην απνηέιεζκα είλαη ιάζνο. Χζηφζν, ν ηχπνο πνπ ρξεζηκνπνηήζεθε είλαη ν αλαγξαθφκελνο ζην θπιιάδην ηεο unitrode ηνπ ζπγθεθξηκέλνπ ζεκηλαξίνπ ην 1993 θαη ε κεζνδνινγία πνπ αθνινπζήζεθε παξακέλεη ζσζηή. Λφγσ, φκσο ηεο αζάθεηαο ηνπ πνιιαπιαζηαζκνχ κε ην ηειηθφ 10 4, ρξεζηκνπνηήζεθε θαη ε κέζνδνο πνπ αλαγξάθεηαη ζην βηβιίν ηνπ Μohan. Αλ θαη ε επηινγή ηνπ ππξήλα απηνχ παξνπζηαδφηαλ αξηζκεηηθά ηδαληθή, σζηφζν δελ ππήξρε δηαζέζηκνο νχηε ζην εξγαζηήξην νχηε ζε θάπνην θαηάζηεκα γηα λα γίλεη ε παξαγγειία. Γηα ην ιφγν απηφ αλαδεηήζεθε ππξήλαο, ν νπνίνο λα είλαη θαη εκπνξηθά δηαζέζηκνο. Γηα ηνλ ηαρχηεξν ππνινγηζκφ ησλ απηηνχκελσλ ζηνηρείσλ απφ θάζε πηζαλφ ππξήλα, ρξεζηκνπνηήζεθε έλα θαηάιιεια δηακνξθσκέλν ππνινγηζηηθφ θχιιν ηνπ excel, ζην νπνίν νπζηαζηηθά είραλ πξνγξακκαηηζηεί νη απαηηνπκελνη ππνινγηζκνί ζηα αληίζηνηρα θειηά. Ο επηζπκεηφο ππξήλαο αλαδεηήζεθε αλάκεζα ζηνπο ΔΔ, ΔΙ θαη ΔΣD. Πξνηηκήζεθαλ νη ETD, θαζψο ην θπθιηθφ κεζαίν ζηέιερνο επηηξέπεη ηελ θαιχηεξε πεξηέιημε ησλ ηπιηγκάησλ θαη ήηαλ δηαζέζηκνη ζην 64

79 εξγαζηήξην. Αξρηθά επηιέρηεθε ν ETD29/16/10 ζχκθσλα κε ηηο απψιεηεο, φκσο ε πιήξσζε παξαζχξνπ ήηαλ πνιχ κεγάιε. ηε ζπλέρεηα ρξεζηκνπνηήζεθε ν ππξήλαο ETD44/22/15, ν νπνίνο έδηλε πιήξσζε παξαζχξνπ γχξσ ζην 0,48. Έγηλε κία απφπεηξα γηα ην ηχιηγκα ηνπ ππξήλα, ε νπνία ήηαλ φρη κφλν απνηπρεκέλε, αιιά νδήγεζε θαη ζηε ραιάξσζε ησλ ζπξκάησλ ηα νπνία είραλ πιερηεί κεηαμχ ηνπο, γηα ηε δεκηνπξγία ησλ ηπιηγκάησλ Litz. Σα ηπιίγκαηα Litz κεηψλνπλ ηελ επίδξαζε ηνπ επηδεξκηθνχ θαηλνκέλνπ ζηα ηπιίγκαηα ραιθνχ. Σειηθά, επηιέρηεθε ν ππξήλαο ETD49/25/16 ν νπνίνο ήηαλ αξθεηά κεγαιχηεξνο.σα ραξαθηεξηζηηθά ηνπ ETD49/25/16 θαίλνληαη ζηε αθφινπζε ρήκα (ρήκα 54). ρήκα 54: Ππξήλαο ETD49/25/16 [83] Αξρηθά, ππνινγίζηεθαλ νη επαγσγηκφηεηεο ησλ δχν ηπιηγκάησλ, ρξεζηκνπνηψληαο ην ξεχκα καγλήηηζεο. Θεσξψληαο φηη ην ξεχκα καγλήηηζεο απνηειεί πεξίπνπ ην 10% ηνπ θπξίσο ξεχκαηνο: ρήκα 55: Ρεύκα Μαγλήηηζεο 65

80 Έρνληαο ππνινγίζεη ην ξεχκα καγλήηηζεο, νη ζπείξεο ππνινγίδνληαη ζχκθσλα κε ηνλ πεξηνξηζκφ γηα ηηο απψιεηεο ηνπ ππξήλα, απφ ηνλ ηχπν: Έπεηηα ππνινγίδεηαη, ε απαξαίηεηε επηθάλεηα αγσγήο ζηα δχν ηπιίγκαηα. Ο ραιθφο, θαζψο ηα ηπιίγκαηα ζα είλαη ράιθηλα, έρεη ππθλφηεηα ξνήο J=4-6A/mm 2. Δπηιέγεηαη ε ηηκή 5 A/mm 2. Άξα: Έλα κέγεζνο πνπ ζα πξέπεη λα ππνινγηζηεί είλαη θαη ην επηδεξκηθφ βάζνο. Η εθαξκνγή ελφο ρξνληθά κεηαβαιιφκελνπ πεδίνπ ζε έλα αγψγηκν πιηθφ παξάγεη θπθιηθά ξεχκαηα πνπ θηλνχληαη ζε ηξνρηέο δίλεο. Σα ξεχκαηα απηά, ηα νπνία νλνκάδνληαη δηλνξεχκαηα δεκηνπξγνχλ δεπηεξνγελή πεδία ηα νπνία αληηηίζεληαη ζηα εθαξκνδφκελα θαη ηα εμαζζελνχλ. Η επίδξαζε ηνπ θαηλνκέλνπ απηνχ εμαζζελεί εθζεηηθά ζπλαξηήζεη ηεο απφζηαζεο κέζα ζηνλ ππξήλα. Έηζη πξνθχπηεη θαη ην ραξαθηεξηζηηθφ κέγεζνο ηνπ θαηλνκέλνπ πνπ νλνκάδεηαη επηδεξκηθφ βάζνο. Η ζρέζε πνπ εθθξάδεη ην επηδεξκηθφ βάζνο είλαη: φπνπ, κ ε καγλεηηθή δηαπεξαηφηεηα ηνπ πιηθνχ σ ε θπθιηθή ζπρλφηεηα ηνπ ζήκαηνο ζ ε αγσγηκφηεηα ηνπ πιηθνχ Πξνθχπηεη απφ ηελ πξνεγνχκελε ζρέζε, φηη φζν ε ζπρλφηεηα απμάλεηαη, ηφζν ειαηηψλεηαη ην επηδεξκηθφ βάζνο, γη απηφ ην ιφγν θαη δελ παξνπζηάδεηαη ζεκαληηθφ πξφβιεκα ζε πςειέο ζπρλφηεηεο απφ ηηο απψιεηεο ιφγσ δηλνξεπκάησλ. Σν θαηλφκελν απηφ φκσο δελ παξνπζηάδεηαη κφλν ζηνλ ππξήλα, αιιά θαη ζηα ηπιίγκαηα ραιθνχ. Σν απνηέιεζκα ησλ δηλνξεπκάησλ ζε απηή ηελ πεξίπησζε είλαη ε 66

81 δηαθνξνπνίεζε ηεο ππθλφηεηαο ξνήο φζν πιεζηάδνπκε πξνο ηνλ ππξήλα. Δκπεηξηθά αλαθέξεηαη φηη ε δηαηνκή ηνπ πιηθνχ πξέπεη λα είλαη κηθξφηεξε απφ ην δηπιάζην επηδεξκηθφ βάζνο ζε απηή ηε ζπρλφηεηα. Σν επηδεξκηθφ βάζνο κπνξεί λα βξεζεί γηα ζπγθεθξηκέλν πιηθφ θαη γηα ηε ζρεηηθή ζπρλφηεηα ιεηηνπξγίαο απφ ην αθφινπζν δηάγξακκα. ρήκα 56: Δπηδεξκηθό Βάζνο [82] Απφ ηελ παξαπάλσ ρήκα, γηα f=50khz, πξνθχπηεη επηδεξκηθφ βάζνο πεξίπνπ 0,55mm γηα ηα ηπιίγκαηα ραιθνχ. Ο πεξηνξηζκφο ηνπ ξεχκαηνο ζε κία κηθξή πεξηνρή ζην εμσηεξηθφ ηνπ αγσγνχ ζπλεπάγεηαη απμεκέλε ππθλφηεηα ξνήο ζε απηέο ηηο πεξηνρέο. Γηα ην ιφγν απηφ, πξνθεηκέλνπ λα αληηκεησπηζηεί ην πξφβιεκα απηφ, ρξεζηκνπνηνχληαη πνιιά ιεπηά ζχξκαηα ηνπνζεηεκέλα παξάιιεια κεηαμχ ηνπο θαη κπιεγκέλα ζε θνηζίδα. Οη παξάιιεινη απηνί αγσγνί νλνκάδνληαη θιψλνη. ηε ζπλέρεηα ππνινγίδεηαη ε επηθάλεηα πνπ θαιχπηεηαη ζην παξάζπξν ηνπ ππξήλα. πλήζσο θαιχπηεηαη γχξσ ζην 40-50% ηνπ παξαζχξνπ. Η επηθάλεηα πνπ θαιχπηεηαη ππνινγίδεηαη απφ ηελ αθφινπζε ζρέζε: ην εξγαζηήξην ήηαλε δηαζέζηκεο νη δηαηνκέο 0.2, 0.56, απνηειέζκαηα παξνπζηάδνληαη ζηνπο αθφινπζνπο πίλαθεο: 0.71mm. Σα 67

82 Γηαην κή Πξση εύνλη νο (mm) Δκβα δό 0.2 0, , ,395 9 Κιώλ νη 121, , ,622 9 Πίλαθαο 8. Πιήξσζε Παξαζύξνπ Πξσηεύνληνο Δπηθάλε S/A ηα S w 49, , ,5288 0, , ,07 72 Κιώλνη (Με ζηξνγγπινπνίε ζε) Δπηθάλεηα S (Με ζηξνγγπινπνίεζε ) S/Aw (Με ζηξνγγπιν πνίεζε) ,825 0, ,2305 0, ,4694 0,0803 Γηαηνκ ή Γεπηεξ εύνλην ο (mm) 0.2 Δκβαδ ό Πίλαθαο 9. Πιήξσζε Παξαζύξνπ Γεπηεξεύνληνο Δπηθάλ S/Aw εηα S Κιώλν η Κιώλνη (Με ζηξνγγπ ινπνίεζ ε) Δπηθάλεηα S (Με ζηξνγγπινπνίεζε) S/Aw (Με ζηξνγγπιν πνίεζε) 0, , ,942 0, ,5632 0, ,2463 2, ,942 0, ,5508 0, ,3959 1, ,942 0, ,8857 0,0778 Καη ζπγθεληξσηηθά: Πίλαθαο 10. πλνιηθή Πιήξσζε Μεηαζρεκαηηζηή Διατομή (prim - sec) S/Aw total Επιθάνεια 0,2-0,2 0, , ,2-0,56 0,15 96, ,2-0,71 0, , ,56-0,2 0, , ,56-0,56 0, , ,56-0,71 0, , ,71-0,2 0, , ,71-0,56 0, , ,71-0,71 0, ,

83 Σειεπηαίν βήκα απνηειεί ν ππνινγηζκφο ηνπ δηαθέλνπ. Σν βήκα απηφ είλαη δηαθνξεηηθφ γηα έλα κεηαηξνπέα forward θη έλαλ flyback. Σα ζπλήζε καγλεηηθά πιηθά δελ παξέρνπλ κεγάιεο ηηκέο δηαπεξαηφηεηαο, νπφηε δε κπνξνχλ λα απνζεθεχζνπλ κεγάια πνζά ελέξγεηαο. Γηα ην ιφγν απηφ πξνζηίζεηαη θάπνην δηάθελν γηα ηελ απνζήθεπζε ηεο απαξαίηεηεο ελέξγεηαο. ε έλαλ κεηαηξνπέα forward δελ είλαη ζεκαληηθφ λα κπνξεί λα απνζεθεχζεη θάπνην ζεκαληηθφ πνζφ ελέξγεηαο ν κεηαζρεκαηηζηήο, αιιά λα κπνξεί λα ην κεηαθέξεη απφ ηελ είζνδν ζηελ έμνδν. Έηζη ην δηάθελν ζα πξέπεη λα πξνθχςεη αξθεηά κηθξφ. Η εμίζσζε πνπ δίλεη ηε ζρεηηθή ηηκή είλαη: Κη επεηδή νη καγλεηηθέο γξακκέο δηαξξένπλ δχν δηάθελα: ρήκα 57: Γηάθελα ππξήλα ΔΔ [84] Η δηαηνκή ησλ ηπιηγκάησλ ηνπ κεηαζρεκαηηζηή κπνξεί λα επηιεγεί είηε ίδηα, ιφγσ ηεο ίδηαο ζπρλφηεηαο πξσηεχνληνο θαη δεπηεξεχνληνο, είηε δηαθνξεηηθή ιφγσ ηεο δηαθνξεηηθήο ηηκήο ησλ ξεπκάησλ. ηελ πξνθεηκέλε πεξίπησζε, ζα κπνξνχζε λα ρξεζηκνπνηεζεί κηθξφηεξε δηαηνκή ζην δεπηεξεχνλ. Χζηφζν, επηιέρηεθε δηαηνκή 0.56mm θαη ζηα δχν ηπιίγκαηα, ιφγσ ηνπ κηθξφηεξνπ αξηζκνχ θιψλσλ. Σέινο, γηα ην δηάθελν πξέπεη λα ρξεζηκνπνηεζεί έλα πιηθφ πνπ λα κελ επεξεάδεη ην καγλεηηθφ πεδίν. ηελ πξνθεηκέλε πεξίπησζε, ρξεζηκνπνηήζεθαλ θνκκαηάθηα ραξηηνχ αλάκεζα ζηα δχν ζηειέρε ηνπ ππξήλα κέρξη λα επηηεπρζεί ε επηζπκεηή ηηκή ηεο επαγσγηκφηεηαο ηνπ πξσηεχνληνο. Η ηηκή ηεο επαγσγηκφηεηαο κεηξνχληαλ κε εηδηθφ φξγαλν, αθνχ βξαρπθπθιψζεθε ην δεπηεξεχνλ. ην πξσηεχνλ κεηξήζεθαλ 26.5κΗ, φκσο ιφγσ θαθήο πεξηέιημεο ζην δεπηεξεχνλ κεηξήζεθαλ 704κΗ. Σν γεγνλφο απηφ αλακέλεηαη λα πξνθαιέζεη πηψζε ηνπ ζπληειεζηή ηζρχνο θαζψο θαη ηαιάλησζε ζην ξεχκα εμφδνπ. 69

84 70

85 7. Πξνζνκνίσζε ηνπ Μεηαηξνπέα ζην Matlab 7.1. Δηζαγσγή ηε ζπλέρεηα ζα παξνπζηαζηνχλ νη πξνζνκνηψζεηο γηα ηξία δηαθνξεηηθά θπθιψκαηα πνπ πινπνηήζεθαλ ζην πξφγξακκα Matlab [67][68][69]. Έγηλε κηα πξνζπάζεηα ζε φιεο ηηο πξνζνκνηψζεηο λα κε ζεσξεζνχλ ηδαληθά ζηνηρεία, αιιά λα ιεθζνχλ ππφςε θαη ηα παξαζηηηθά ζηνηρεία ησλ γξακκψλ αιιά θαη νη αληηζηάζεηο αγσγήο ησλ δηαθφξσλ ζηνηρείσλ ηνπ θπθιψκαηνο. Μφλν ν κεηαζρεκαηηζηήο δελ αληηθαηνπηξίδεη ηνλ πξαγκαηηθφ, γηαηί ηε ζηηγκή ησλ πξνζνκνηψζεσλ δελ είρε θαηαζθεπαζηεί. Οη πξνζνκνηψζεηο ζα βνεζήζνπλ ζηελ θαηαλφεζε ηεο ζπκπεξηθνξάο ηνπ θπθιψκαηνο θαη ζα δείμνπλ ηπρφλ πξνβιήκαηα. θνπφο ησλ ηξηψλ πξνζνκνηψζεσλ, πέξα απφ ηελ πνξεία πνπ αθνινπζήζεθε, είλαη λα πξνθχςεη ε θαιχηεξε επηινγή γηα ηελ εθαξκνγή. Όιεο νη πξνζνκνηψζεηο πεξηέρνπλ έιεγρν δχν φξσλ PI ξεχκαηνο εμφδνπ. Σα θπθιψκαηα πνπ ζα παξνπζηαζηνχλ αθνξνχλ: I. Μεηαηξνπέα Forward κε έλα δηαθφπηε ρσξίο θχθισκα πξνζηαζίαο. II. Μεηαηξνπέα Forward κε έλα δηαθφπηε κε θχθισκα πξνζηαζίαο. III. Μεηαηξνπέα Forward κε δχν δηαθφπηεο ρσξίο θχθισκα πξνζηαζίαο. Θα παξνπζηαζηνχλ ηα απνηειέζκαηα γηα κέγηζηε θη ειάρηζηε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ. Αξρηθά παξνπζηάδεηαη ε γεληθή δνκή ηνπ θπθιψκαηνο θαη ε παικνδφηεζε. ρήκα 58: Γηάηαμε Πξνζνκνίσζεο Σν θνπηί Gate Drive απνηειεί ηε δηάηαμε παικνδφηεζεο πνπ ηξνθνδνηεί ην κεηαηξνπέα ζην θνπηί Forward. Η έμνδνο ξεχκαηνο ηνπ κεηαηξνπέα ζπγθξίλεηαη κε 71

86 κία ηηκή Iref θαη ην ζθάικα πνπ πξνθχπηεη πεγαίλεη ζε έλαλ PI ειεγθηή πνπ βξίζθεηαη ζην θνπηί Current Control. Η έμνδνο ηνπ Current Control απνηειεί ηελ είζνδν ηνπ Gate Drive, βάζεη ηεο νπνίαο πινπνηείηαη ν έιεγρνο θιεηζηνχ βξφρνπ. Αλάινγα κε ην ζθάικα κεηαβάιιεηαη ε παικνδφηεζε, έηζη ψζηε λα επηηεπρζεί ηαχηηζε ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ κε ηελ ηηκή αλαθνξάο. Σα ραξαθηεξηζηηθά ηνπ κεηαηξνπέα θαη ηνπ κεηαζρεκαηηζηή γηα ηελ πξνζνκνίσζε είλαη Πίλαθαο 11. Υαξαθηεξηζηηθά Πξνζνκνίσζεο Rin, Cin 0.01Χ, 100κF Rout, Cout R f, L f 0.01Χ, 20κF 0.01Χ, 16κΗ Ri 0.05Χ Vinput R Load, L Load 12V 7Χ, 12κΗ Χρόνος προζομοίωζης 0,02 δεσηερόλεπηα. Σν θχθισκα ειέγρνπ απνηειείηαη απφ έλαλ PI ειεγθηή κε ηηκέο νη νπνίεο θαζνξίδνληαη κε δνθηκέο ζε θάζε πεξίπησζε. ρήκα 59: Γηάηαμε ειέγρνπ Σέινο, πεξηγξάθεηαη ζην Simulink ην θχθισκα παικνδφηεηεζεο, κε κέγηζην ιφγν θαηάηκεζεο 40%. 72

87 ρήκα 60: Δίζνδνο δηάηαμεο PWM ρήκα 61: Έμνδνο δηάηαμεο PWM ρήκα 62: Γηάηαμε PWM 73

88 7.2. Πξνζνκνίσζε Μεηαηξνπέα Forward κε έλα δηαθόπηε, ρσξίο θύθισκα πξνζηαζίαο P=65 θαη I=2 ρήκα 63: Μεηαηξνπέαο Forward κε έλα δηαθόπηε Ιout = 1Α ρήκα 64: Γεκηνπξγία Παικώλ (5 msec/div) ην ρήκα 64, απεηθνλίδεηαη ε δηαδηθαζία δεκηνπξγίαο παικψλ απφ ηε ζχγθξηζε κίαο ηξηγσληθήο θπκαηνκνξθήο κε κία ζηαζεξή ηηκή, ή αιιηψο ε κέζνδνο fast PWM, ε νπνία παξνπζηάζηεθε ζε πξνεγνχκελν θεθάιαην. 74

89 ρήκα 65: Σάζε θαη Ρεύκα Δηζόδνπ-Δμόδνπ (5 msec/div) ην ρήκα 65, απεηθνλίδεηαη ε ηάζε εηζφδνπ, ε νπνία είλαη ζηαζεξή ζηα 12V, ην ξεχκα εηζφδνπ, ην νπνίν έρεη ηξηγσληθή θπκαηνκνξθή φπσο θαη ην δηαθνπηηθφ ζηνηρείν θαη ην πξσηεχνλ ηνπ κεηαζρεκαηηζηή, θαζψο ην ξεχκα είλαη ην νινθιήξσκα ηεο ηάζεο εηζφδνπ, ε ηάζε εμφδνπ θαη ην ξεχκα εμφδνπ ην νπνίν αθνινπζεί ηελ ηάζε εμφδνπ, αθνχ ην σκηθφ θνξηίν είλαη αξθεηά κεγαιχηεξν ηνπ επαγσγηθνχ. ρήκα 66: Σάζε θαη Ρεύκα Mosfet θαη Πελίνπ (5 msec/div) ην ρήκα 66 παξαηεξνχκε ηελ ππέξηαζε ζην δηαθνπηηθφ ζηνηρείν, ην ξεχκα πνπ ην δηαξξέεη, θαζψο θαη ηα αληίζηνηρα κεγέζε ζην πελίν εμφδνπ. 75

90 ρήκα 67: Σάζε θαη Ρεύκα Γηόδσλ Γεπηεξεύνληνο (5 msec/div) ην ρήκα 67 παξαηεξνχκε ηελ ηάζε θαη ην ξεχκα ζηηο δηφδνπο ηνπ δεπηεξεχνληνο. Ιout = 2Α ηε ζπλέρεηα παξνπζηάδνληαη ηα αληίζηνηρα δηαγξάκκαηα πνπ αλαθέξζεθαλ παξαπάλσ, φηαλ ην επηζπκεηφ ξεχκα εμφδνπ είλαη 2Α. ρήκα 68: Γεκηνπξγία Παικώλ (5 msec/div) ρήκα 69: Σάζε θαη Ρεύκα Δηζόδνπ Δμόδνπ (5 msec/div) 76

91 ρήκα 70: Σάζε θαη Ρεύκα Mosfet θαη Πελίνπ (5 msec/div) ρήκα 71: Σάζε θαη Ρεύκα Γηόδσλ Γεπηεξεύνληνο (5 msec/div) 77

92 ρήκα 72: Ιζρύο Δηζόδνπ (θίηξηλε) Δμόδνπ (κσβ) (2 msec/div) ηελ ηειεπηαία ζρήκα (ρήκα 72), κε θίηξηλε γξακκή απεηθνλίδεηαη ε ηζρχο εηζφδνπ θαη κε ξνδ ε ηζρχο εμφδνπ. Απφ ηελ πξνζνκνίσζε, παξαηεξείηαη, φηη ε δπλακηθή απφθξηζε ηνπ κεηαηξνπέα παξνπζηάδεη πξνβιήκαηα. Η ηηκή ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ έρεη αξγή απφθξηζε κέρξη ηελ ηηκή κφληκεο θαηάζηαζεο. Χζηφζν απηφ ελδερνκέλσο λα δηνξζσζεί ζε θάπνην βαζκφ κε θαηαιιειφηεξεο επηινγέο ησλ κεγεζψλ ηνπ PI ειεγθηή θαη κε άιιε επηινγή ζηνηρείσλ. Σν βαζηθφηεξν, φκσο, πξφβιεκα πνπ πξνθχπηεη είλαη ε ππέξηαζε ζην δηαθνπηηθφ ζηνηρείν, πνπ ε ηηκή ηεο ζηελ πξνζνκνίσζε είλαη ππεξβνιηθά κεγάιε. Δπηπιένλ, θξίλνληαο απφ ηηο ηειεπηαίεο εηθφλεο, ε απφδνζε ηνπ κεηαηξνπέα, είλαη πεξίπνπ: Γηα Iout = 2Α: πλεπψο, θαη κφλν ν βαζκφο απφδνζεο επηβάιιεη ηε δηεξεχλεζε άιιεο ηνπνινγίαο Μεηαηξνπέαο Forward κε έλα δηαθόπηε, κε θύθισκα πξνζηαζίαο P=0.2 θαη I=200 78

93 ρήκα 73: Μεηαηξνπέαο forward κε έλα δηαθόπηε θαη RCD snubber Η ηνπνινγία πξνθχπηεη πξνζζέηνληαο ζηελ πξνεγνχκελε ηνπνινγία Υξεζηκνπνηήζεθε έλα RCD snubber γηα ηνλ πεξηνξηζκφ ησλ ππεξηάζεσλ, κε ηηκέο: Rs=6Χ Cs=20κF Iout = 1Α ρήκα 74: Γεκηνπξγία Παικώλ (5e-3 seconds/div) 79

94 ρήκα 75: Σάζε θαη Ρεύκα Δηζόδνπ Δμόδνπ (2 msec/div) Απφ ην ρήκα 75 παξαηεξνχκε φηη ην ξεχκα εμφδνπ έρεη ηθαλνπνηεηηθή απφθξηζε, πεξίπνπ 5e-4 seconds. Δπηπιένλ, έρεη κηθξέο δηαθπκάλζεηο φπσο επίζεο θαη ε ηάζε εμφδνπ. ρήκα 76: Σάζε θαη Ρεύκα Mosfet θαη Πελίνπ (0.1 msec/div) Απφ ην ρήκα 76, παξαηεξνχκε φηη αλ θαη νη ηηκέο ησλ ξεπκάησλ φζν θαη ηεο ηάζεο ηνπ πελίνπ είλαη ηθαλνπνηεηηθέο θαη δελ παξνπζηάδνπλ θάπνηα αλσκαιία, σζηφζν ε ππέξηαζε πνπ αλαπηχζζεηαη ζην Mosfet είλαη πνιχ κεγάιε. 80

95 ρήκα 77: Σάζε θαη Ρεύκα Γηόδσλ Γεπηεξεύνληνο (0.1 msec/div) ρήκα 78: Σάζε θαη Ρεύκα Snubber (20 κsec/div) Σν snubber είλαη ε δηάηαμε πξνζηαζίαο ηνπ Mosfet απφ ηηο ππεξηάζεηο. Η ιεηηνπξγία ηνπ βαζίδεηαη ζηε κεηαθνξά ηεο ππέξηαζεο απφ ην Mosfet ζην snubber θαη ε απφζβεζή ηεο ζηελ αληίζηαζε. ην ρήκα 78 παξαηεξνχκε φηη ε ηάζε θαη ην ξεχκα ηνπ snubber είλαη πνιχ κεγάια. Iout = 2Α ρήκα 79: Γεκηνπξγία Παικώλ (5 msec/div) 81

96 ρήκα 80: Σάζε θαη Ρεύκα Δηζόδνπ Δμόδνπ (2 msec/div) ρήκα 81: Σάζε θαη Ρεύκα Mosfet θαη Πελίνπ (0.1 msec/div) ρήκα 82: Σάζε θαη Ρεύκα Γηόδσλ Γεπηεξεύνληνο (0.1 msec/div) 82

97 ρήκα 83: Ρεύκα θαη Σάζε snubber (20 κsec/div) Παξαηεξψληαο ην ρήκα 83,ηα ζπκπεξάζκαηα είλαη ίδηα κε πξνεγνπκέλσο. ρήκα 84: Ιζρύο Δηζόδνπ (θίηξηλε) Δμόδνπ (κσβ) (2 msec/div) Παξαηεξείηαη φηη ππάξρεη ζεκαληηθή βειηίσζε ηφζν ζηα ραξαθηεξηζηηθά ηνπ κεηαηξνπέα θαζψο θαη ζηε δπλακηθή απφθξηζε. Πιένλ, επηηπγράλεηαη ε επηζπκεηή απφθξηζε. Δπηπιένλ, ε κεγάιε ππέξηαζε πνπ παξνπζηαδφηαλ ζηελ πξνεγνχκελε δηάηαμε έρεη πεξηνξηζηεί ζεκαληηθά. Χζηφζν, φπσο θαίλεηαη απφ ηνρήκα 84, παξακέλεη ηδηαίηεξα ζεκαληηθή ε θαηαπφλεζε ηφζν ηνπ Mosfet φζν θαη ησλ ζηνηρείσλ ηνπ snubber θαη θπξίσο ηεο δηφδνπ. Όζνλ αθνξά ηελ απφδνζε ηνπ κεηαηξνπέα ηζρχεη: Γηα Iout = 2Α: πλεπψο, κε ηελ πξνζζήθε ηεο δηάηαμεο πξνζηαζίαο, ν βαζκφο απφδνζεο ηνπ κεηαηξνπέα απμήζεθε ζεκαληηθά, φκσο παξακέλεη θάπνην πξφβιεκα κε ηηο παξνπζηαδφκελεο ππεξηάζεηο. Δπηιέγνληαο έλα Mosfet IXFR64N50P πξνθχπηνπλ: 83

98 θαη πξνθχπηνπλ δηαθνπηηθέο απψιεηεο θαη απψιεηεο αγσγήο: ( ) πλνιηθά 22W απψιεηεο Μεηαηξνπέαο Forward κε δύν δηαθόπηεο, ρσξίο θύθισκα πξνζηαζίαο P=0.2 θαη I=2000 ρήκα 85: Μεηαηξνπέαο Forward κε 2 δηαθόπηεο Iout = 1Α 84

99 ρήκα 86: Γεκηνπξγία Παικώλ (5 msec/div) ρήκα 87: Σάζε θαη Ρεύκα Δηζόδνπ Δμόδνπ (0.5 msec/div) ρήκα 88: Σάζε θαη Ρεύκα Mosfet θαη Πελίνπ (0.1 msec/div) 85

100 ρήκα 89: Σάζε θαη Ρεύκα Γηόδσλ Γεπηεξεύνληνο (0.2 msec/div) Iout = 2Α ρήκα 90: Παικνί (5 msec/div) ρήκα 91: Σάζε θαη Ρεύκα Δηζόδνπ - Δμόδνπ (0.1 msec/div) 86

101 ρήκα 92: Σάζε θαη Ρεύκα Mosfet θαη Πελίνπ (0.1 msec/div) ρήκα 93: Σάζε θαη Ρεύκα Γηόδσλ Γεπηεξεύνληνο (0.1 msec/div) 87

102 ρήκα 94: Ιζρύο Δηζόδνπ Δμόδνπ (2 msec/div) Απφ ηηο γξαθηθέο γηα ξεχκα εμφδνπ 1Α θαη 2Α δελ πξνθχπηεη θάπνην πξφβιεκα ππεξηάζεσλ, αιιά αληηζέησο ηα αξρηθά πξνβιήκαηα θαίλεηαη λα έρνπλ επηιπζεί. Δπηπιένλ ε δπλακηθή απφθξηζε ηνπ ζπζηήκαηνο, αλ θαη είλαη ειαθξψο βξαδχηεξε, είλαη εληφο απνδεθηψλ νξίσλ κε κηθξφηεξεο δηαθπκάλζεηο ηφζν ζηελ ηάζε φζν θαη ζην ξεχκα εμφδνπ. Όζνλ αθνξά ηελ απφδνζε ηνπ κεηαηξνπέα (ρήκα 94), πιένλ ηζρχεη: Γηα Iout = 2Α: Δπηιέγνληαο έλα Mosfet I IRFU4510pbf πξνθχπηνπλ: θαη πξνθχπηνπλ δηαθνπηηθέο απψιεηεο θαη απψιεηεο αγσγήο: ( ) πλνιηθά 3W απψιεηεο πκπεξάζκαηα Απφ ηηο πξνζνκνηψζεηο πξνθχπηεη μεθάζαξα ε ππεξνρή ηνπ κεηαηξνπέα κε δχν δηαθνπηηθά ζηνηρεία. Δπηπιένλ, δελ ζέηεη κεγάινπο πεξηνξηζκνχο σο πξνο ηελ ςχμε θαη ηελ επηινγή ηνπ εκηαγσγηθνχ δηαθφπηε. Σν γεγνλφο απηφ απνηειεί θαη έλα βαζηθφ πιενλέθηεκα, πνπ ζπλδέεηαη κε ηελ απφδνζε ηνπ κεηαηξνπέα, θαζψο ζε κεγάιν κέξνο ζπλεηζθέξνπλ νη κεησκέλεο απψιεηεο ηνπ κεηαηξνπέα. 88

103 Μνλαδηθφ, ίζσο, κεηνλέθηεκα είλαη ε παικνδφηεζε ησλ δηαθνπηηθψλ ζηνηρείσλ, θαζψο ν κεηαηξνπέαο απνηειείηαη απφ δχν Mosfet, πνπ παικνδνηνχληαη ηαπηφρξνλα θαη ε αλάγθε γαιβαληθήο απνκφλσζεο ηνπ πάλσ ζηνηρείνπ. 89

104 90

105 8. Δπηινγή Ηκηαγσγηθώλ ηνηρείσλ 8.1. Γεληθά ε απηφ ην θεθάιαην ζα επηιεγνχλ ηα απαξαίηεηα ζηνηρεία ηζρχνο καδί κε ηηο απαξαίηεηεο ςπθηηθέο δηαηάμεηο θαη ηα νινθιεξσκέλα πνπ ζα ρξεζηκνπνηεζνχλ γηα ηελ θαηαζθεπή ηεο δηάηαμεο. Γηα ηε δηαδηθαζία ηεο επηινγήο ζεκαληηθφ ξφιν έπαημαλ ηφζν ηα ραξαθηεξηζηηθά ησλ ζηνηρείσλ φζν θαη ε δηαζεζηκφηεηά ηνπο [70][71] Δπηινγή δηαθνπηηθώλ ζηνηρείσλ θαη δηόδσλ ηζρύνο Σν δηαθνπηηθφ ζηνηρείν πνπ ζα επηιεγεί, φπσο αλαθέξζεθε θαη ζε πξνεγνχκελν θεθάιαην, ζα είλαη Mosfet ηζρχνο. Γηα ηελ επηιερζείζα ηνπνινγία ζα ρξεηαζηνχλ δχν δηαθνπηηθά ζηνηρεία. Η επηινγή ζα γίλεη κε βάζε ηε ζπρλφηεηα ιεηηνπξγίαο ησλ 50kHz ζε ζπλδπαζκφ κε ηελ κέγηζηε ηάζε πνπ εθαξκφδεηαη ζηα άθξα ηνπ ζηνηρείνπ θαη ηελ ελεξγφ ηηκή ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ην δηαθφπηε. Με ηελ ίδηα ινγηθή επηιέγνληαη θαη νη δίνδνη ηζρχνο, κφλν πνπ αληί γηα ηελ ελεξγφ ηηκή ηνπ ξεχκαηνο επηιέγεηαη ε κέζε ηηκή. Ο ιφγνο γηα ηηο δηαθνξεηηθέο ηηκέο είλαη ε θαηαπφλεζε πνπ πθίζηαηαη ην εθάζηνηε ζηνηρείν. Γηα ιφγνπο αζθαιείαο επηιέγεηαη ε ρξήζε ηεο κέγηζηεο ηηκήο ξεχκαηνο γηα ην δηαθνπηηθφ ζηνηρείν. Αθφκα, ζεκαληηθφ ξφιν δηαδξακαηίδεη ε αληίζηαζε αγσγήο. Όζν κηθξφηεξε είλαη ε αληίζηαζε αγσγήο ελφο ζηνηρείνπ, ηφζν κηθξφηεξεο είλαη νη απψιεηεο αγσγήο. Mosfet Ιζρχνο Σν Mosfet ηζρχνο επηιέγεηαη γηα ηάζε 20V θαη ξεχκα 14A. Καηφπηλ έξεπλαο επηιέρζεθε ην IXFR64N50P κε Rds on =180mΧ, t r =25ns θαη t f =22ns. Έπεηηα, κε ηε ζπλδξνκή ηνπ επηβιέπνληνο θαζεγεηή, επηιέρζεθε ην ζηνηρείν IRFU4510PBF κε ζεκαληηθά κηθξφηεξε αληίζηαζε αγσγήο Rds on =11.1mΧ θαη ιίγν κεγαιχηεξνπο ρξφλνπο κεηάβαζεο, t r =42ns θαη t f =34ns. Σα βαζηθά ηνπ ραξαθηεξηζηηθά είλαη ηάζε δηάηξεζεο 100V θαη κέγηζην ξεχκα 56Α. Γίνδνη Ιζρχνο Γηα ηελ επηιερζείζα ηνπνινγία απαηηνχληαη ηέζζεξεηο δίνδνη ηζρχνο. Γχν δίνδνη απνκαγλήηηζεοθαη δχν γηα ην δεχηεξν ζθέινο ηνπ κεηαηξνπέα. Η δίνδνο επηιέγεηαη έηζη ψζηε λα παξνπζηάδεη κηθξέο δηαθνπηηθέο απψιεηεο, δειαδή ρακειή πηψζε ηάζεο θαηά ηε κεηάβαζε ηεο δηφδνπ απφ θαηάζηαζε αγσγήο ζε απνθνπή θαη ην αληίζεην. Όκσο ε ρακειή πηψζε ηάζεο είλαη αληηζηξφθσο αλάινγε κε ηελ αληνρή ζε ηάζε αλάζηξνθεο ηάζεο ζπγθξάηεζεο. Δπηπιένλ, ζεκαληηθφ ξφιν παίδνπλ θαη νη ρξφλνη κεηάβαζεο θαζψο φζν πεξηζζφηεξν ρξφλν δηαξθεί ηφζν κεγαιχηεξεο απψιεηεο παξνπζηάδεη ην ζηνηρείν θαηά ηε κεηάβαζε. ην πξσηεχσλ νη δίνδνη πξέπεη λα αληέρνπλ: 91

106 Αληίζηνηρα, ζην δεπηεξεχσλ νη δίνδνη πξέπεη λα αληέρνπλ, ε θχξηα δίνδνο: θαη ε δίνδνο ειεχζεξεο δηέιεπζεο: Δπηιέγνληαη ηέζζεξεηο ίδηεο δίνδνη MBR40250TG κε ραξαθηεξηζηηθά 40Α θαη 250V. Φπθηηθά Η αλάπηπμε ζεξκφηεηαο απνηειεί ζεκαληηθφ θίλδπλν γηα ηεο ειεθηξνληθέο θαηαζθεπέο. Γηα ην ιφγν απηφ πξέπεη λα εμαζθαιίδεηαη έλαο δξφκνο απαγσγήο ηεο ζεξκφηεηαο κεηαμχ ηεο δηάηαμεο θαη εηδηθά ηνπ ζεκείνπ πνπ παξνπζηάδεη αλάπηπμε ζεξκνθξαζίαο κε ην πεξηβάιινλ. θνπφο είλαη ε ειαρηζηνπνίεζε ηεο ζεξκηθήο αληίζηαζεο κε ην κηθξφηεξν θφζηνο. Η επηινγή ηνπ ςπθηηθνχ γίλεηαη βάζεη ηεο κέγηζηεο ζεξκνθξαζίαο επαθήο Tj,max θαη πεξηβάιινληνο Ta,max θαη ηηο νιηθέο απψιεηεο ηνπ ζηνηρείνπ. Η κέγηζηε επηηξεπηή ζεξκηθή αληίζηαζε ππνινγίδεηαη ζχκθσλα κε ηνλ θάησζη ηχπν: φπνπ: R ζ,jc είλαη ε ζεξκηθή αληίζηαζε ηνπ πεξηβιήκαηνο ηνπ ζηνηρείνπ πνπ ρξεζηκνπνηείηαη γηα απαγσγφο ζεξκφηεηαο. Η ηηκή απηή παξαηίζεηαη ζην θπιιάδην ηνπ θαηαζθεπαζηή ηνπ ςπθηηθνχ. H ζσζηή απαγσγή ηεο ζεξκφηεηαο είλαη απαξαίηεηε ψζηε λα κελ θαηαζηξαθεί θάπνην ζηνηρείν απφ ππεξζέξκαλζε. Δπηπιένλ, ε αχμεζε ηεο ζεξκνθξαζίαο νδεγεί ζε πεξαηηέξσ απψιεηεο. Mosfet: 92

107 Οπφηε επηιέγεηαη ςήθηξα κε απαγσγή ζεξκφηεηαο κέρξη. Γίνδνη: Αθνινπζψληαο ηελ ίδηα δηαδηθαζία γηα ηηο δηφδνπο, επηιέγεηαη ην ίδην ςπθηηθφ κε ην δηαθνπηηθφ ζηνηρείν Ππθλσηέο Δθηφο απφ ηνπο ππθλσηέο εηζφδνπ θη εμφδνπ, είλαη αλαγθαία ε ηνπνζέηεζε αληηπαξαζηηηθψλ ππθλσηψλ, δειαδή ππθλσηψλ ρακειήο ρσξεηηθφηεηαο, γηα ηελ απνξξφθεζε ησλ παικηθψλ ξεπκάησλ ζηηο κεγάιεο ζπρλφηεηεο, ιφγσ ηεο πςειήο εκπέδεζεο πνπ παξνπζηάδνπλ. Χο απνηέιεζκα ιεηηνπξγνχλ σο θίιηξν, πξνζηαηεχνληαο ηα ζηνηρεία ηεο ειεθηξνληθήο πιαθέηαο απφ ππεξηάζεηο θαη ηηο αλψηεξεο αξκνληθέο. Η ηνπνζέηεζή ηνπο γίλεηαη ζηηο εηζφδνπο θη εμφδνπο ηξνθνδνζίαο, δειαδή κεηαμχ Vcc ή νπνηαδήπνηε άιιεο ηξνθνδνζίαο θαη ηεο γείσζεο. Καηφπηλ έξεπλαο θαη ζε ζπλδπαζκφ κε ηηο απαηηήζεηο ηνπ θπθιψκαηνο ηζρχνο, επηιέγνληαη: Multilayer 1C10Z5U104M050B (ρήκα 95) θαη ΜΚΣ 100nF (ρήκα 96) ρήκα 95: Multilayer 100nF [85] ρήκα 96: MKT 100nF [85] MKT 1κF (ρήκα 97) 93

108 ρήκα 97: MKT 1κF [85] Ππθλσηέο Film (ρήκα 98) ρήκα 98: Ππθλσηέο Film [85] Ππθλσηέο Tantalum (ρήκα 99) ρήκα 99: Ππθλσηέο Tantalum [85] θαη ειεθηξνιπηηθνί 4.7κF, 10κF, 20κF, θαη 100κF (ρήκα 100), γηα ηελ είζνδν θη έμνδν ηνπ θπθιψκαηνο ηζρχνο. ρήκα 100: Ηιεθηξνιπηηθνί Ππθλσηέο [85] Παξνπζηάζηεθαλ νη εηθφλεο ησλ πεξηζζφηεξσλ, εκπνξηθά δηαζέζηκσλ, ππθλσηψλ. ηελ πιεηνςεθία ηνπο, αλαγξάθεηαη ε ρσξεηηθφηεηα ζην ζηνηρείν. Οη ππθλσηέο απηνί επηιέρζεθαλ θαη κε βάζε ηα ηερληθά ραξαθηεξηζηηθά ηνπο θαη θπξίσο ηελ αληνρή ηνπο ζε ηάζε θαη ηε ρσξεηηθφηεηά ηνπο. Η αληνρή ζε ηάζε είλαη ζεκαληηθή θαζψο αλ εθαξκνζηεί κεγαιχηεξε ηάζε ν ππθλσηήο κπνξεί λα θαηαζηξαθεί. Οκνίσο θαη κε ηε ρσξεηηθφηεηά ηνπ. Δάλ δνζεί πεξηζζφηεξε ελέξγεηα 94

109 απφ ηελ ηηκή πνπ κπνξεί λα απνζεθεχζεη ηφηε πάιη κπνξεί λα θαηαζηξαθεί. Ο ππθλσηήο ππεξζεξκαίλεηαη ζην αξρηθφ ζηάδην θαη ζηελ θαιχηεξε ησλ πεξηπηψζεσλ, εθφζνλ ηνπ επηβιεζεί κεγαιχηεξε ηηκή ηεο αλεθηήο γηα πνιχ κηθξφ ρξνληθφ δηάζηεκα. ηελ πιεηνςεθία ησλ πεξηπηψζεσλ απιά ζθάεη Δπηινγή Οινθιεξσκέλσλ LM7805ACT Δπηιέγεηαη γηα ηξνθνδνζία 5V. Σξνθνδνηείηαη απφ ηελ θπξίσο πεγή ηξνθνδνζίαο ηεο δηάηαμεο θαη παξέρεη ζηελ έμνδν ζηαζεξνπνηεκέλε ηάζε 5V, θαηάιιειε γηα ηελ νδήγεζε ησλ νινθιεξσκέλσλ, φπνπ ρξεηάδεηαη (ρήκα 101). ρήκα 101: Σξνθνδνηηθό LM7805 LM2575 Αλ θαη ε ηξνθνδνζία είλαη 12V, επεηδή πξφθεηηαη γηα ηξνθνδνζία απφ κπαηαξία, ε νπνία ζπλεπάγεηαη θαη δηαθπκάλζεηο, ε επηινγή αλεμάξηεηνπ ηξνθνδνηηθνχ πιενλεθηεί ζηελ αθξίβεηα ηεο ηάζεο πνπ παξέρεη. Σα νινθιεξσκέλα πνπ ζα ρξεζηκνπνηεζνχλ ζηελ πιαθέηα ζέινπλ κηθξή δηαθχκαλζε ηεο ηάζεο ηξνθνδνζίαο ηνπο. Έηζη αλ θαη ην επίπεδν ηεο ηάζεο εηζφδνπ είλαη ηθαλφ γηα ηελ νδήγεζε ησλ δηαθφξσλ νινθιεξσκέλσλ, σζηφζν νη δηαθπκάλζεηο ηεο κπνξνχλ λα δεκηνπξγήζνπλ αξθεηά πξνβιήκαηα (ρήκα 102). ρήκα 102: Σξνθνδνηηθό LM2575 [86] AD623 Γηα ηελ πξνζαξκνγή ησλ ζεκάησλ ζε αληίζηνηρα θαηάιιεια γηα ην κηθξνεπεμεξγαζηή, ρξεζηκνπνηήζεθαλ νη εληζρπηέο ζήκαηνο AD623. Βαζηθφ ραξαθηεξηζηηθφ γηα ην νπνίν επηιέρζεθε είλαη ε ηθαλφηεηά ηνπ ε έμνδνο λα αθνινπζεί ηελ είζνδν (rail to rail) (ρήκα 103). 95

110 ρήκα 103: Δληζρπηήο AD623 [87] LM741 Απνηειεί έλαλ ηειεζηηθφ εληζρπηή. Οη ηειεζηηθνί εληζρπηέο κπνξνχλ κε θαηάιιειε πξνζαξκνγή λα εληζρχνπλ ή λα ππνβηβάζνπλ ην ζήκα εηζφδνπ. Πην ζπγθεθξηκέλα, εληζρχνπλ ηε δηαθνξά ησλ δχν ζεκάησλ εηζφδνπ (ρήκα 104). ρήκα 104: Σειεζηηθόο εληζρπηήο LM741 [88] 74HCT04 Πξφθεηηαη γηα έλαλ αληηζηξνθέα ή αιιηψο κία πχιε not, ε νπνία αληηζηξέθεη ην ζήκα εηζφδνπ. Σν νινθιεξσκέλν απνηειείηαη απφ 6 πχιεο not. πλνιηθά, ην ζπγθεθξηκέλν έρεη 14 αθξνδέθηεο, 12 γηα ηηο πχιεο θαη δχν γηα ηελ ηξνθνδνζία θαη ηε γείσζε (ρήκα 105). ρήκα 105: Αληηζηξνθέαο 74HC04 [89] 96

111 6N137 Σν νινθιεξσκέλν 6N137 είλαη έλαο νπην-απνδεχθηεο LED. Παξέρεη γξήγνξε απφθξηζε θαη αληηζηξέθεη ην ζήκα εηζφδνπ. Σν νινθιεξσκέλν απνηειείηαη απφ 8 αθξνδέθηεο (ρήκα 106). ρήκα 106: Οπην-απνδεύθηεο 6N137 [90] ICL7667 Δίλαη έλα νινθιεξσκέλν γηα ηελ νδήγεζε δηαθνπηηθψλ ζηνηρείσλ Mosfet. Σξνθνδνηείηαη απφ 4,5-15V θαη παξέρεη ξεχκα εμφδνπ κέρξη 1A, γεγνλφο πνπ παξέρεη γξήγνξε απφθξηζε. Σν νινθιεξσκέλν απνηειείηαη απφ 8 αθξνδέθηεο κε ίρλνο DIP-8 (ρήκα 107). Πξνηηκήζεθε γηα ηελ ηξνθνδνζία ελφο Mosfet. ρήκα 107: Driver ICL7667 [91] ACS712 Απνηειεί κία νηθνλνκηθή ιχζε γηα κεηξήζεηο AC ή DC. Η ιεηηνπξγία ηνπ νινθιεξσκέλνπ βαζίδεηαη ζηελ αξρή ηνπ θαηλνκέλνπ Hall. Σξνθνδνηείηαη απφ 5V ζπλερνχο ηάζεο. Χο έμνδνο παξάγεηαη έλα ζήκα ηάζεο ην νπνίν εμαξηάηαη γξακκηθά απφ ην ξεχκα πνπ δηαξξέεη ηνπο αθξνδέθηεο 1-4 ηνπ νινθιεξσκέλνπ. Δπηπιένλ, παξέρεη απνκφλσζε κε ηνπο αθξνδέθηεο ζήκαηνο 5-8 (ρήκα 108). ρήκα 108: Μεηξεηηθό ξεύκαηνο ACS712 [92] 97

112 DSPIC30F4011 Δπηιέρζεθε λα ρξεζηκνπνηεζεί ν κηθξνειεγθηήο 4011 ηεο εηαηξίαο microchip (ρήκα 109). Ο ζπγθεθξηκέλνο κηθξνεπεμεξγαζηήο έρεη 40 αθξνδέθηεο (pins), απαηηεί ηξνθνδνζία 5V, έρεη κήθνο εληνιψλ 24bit θαη ζπρλφηεηα ιεηηνπξγίαο έσο 120MHz. Παξέρεη αλαινγηθέο θαη ςεθηαθέο εηζφδνπο θη εμφδνπο. ηελ παξνχζα εθαξκνγή ρξεζηκνπνηνχληαη: Σν ζήκα MCLEAR, γηα ρεηξνθίλεηε επαλεθθίλεζε. Η επαλεθθίλεζε ειέγρεηαη κε ην πάηεκα ελφο θνπκπηνχ. Μία έμνδνο παικψλ. Σα ζήκαηα PGC, PGD γηα επηθνηλσλία κε ην αλαπηπμηαθφ. Σξεηο αλαινγηθέο είζνδνη, Μία γηα ηε ξχζκηζε ηεο ηηκήο εηζφδνπ κέζσ ελφο trimmer. Μία γηα ηελ εηζαγσγή ηνπ ζήκαηνο ηεο ηάζεο εηζφδνπ. Μία γηα ηελ εηζαγσγή ηνπ ζήκαηνο εμφδνπ ηνπ κεηξεηηθνχ ξεχκαηνο. Σα ζήκαηα PGC θαη PGD γηα επηθνηλσλία κε ην MCP2551 γηα πινπνίεζε επηθνηλσλίαο κέζσ CANBus. Μηα ακθίδξνκε είζνδν ηελ OC3, ζπλδεκέλε κε έλα θνπκπί κε ζθνπφ ηε ιεηηνπξγία ή ηε δηαθνπή ιεηηνπξγίαο φιεο ηεο δηάηαμεο. Ο κηθξνειεγθηήο είλαη ππεχζπλνο γηα ηελ εθηέιεζε ηνπ πξνγξάκκαηνο θαη ηελ παξαγσγή ησλ αληίζηνηρσλ ζεκάησλ εμφδνπ, πνπ ζηελ παξνχζα εθαξκνγή ρξεζηκνπνηνχληαη γηα ηνλ έιεγρν ηεο παικνδφηεζεο ησλ δηαθνπηηθψλ ζηνηρείσλ. Ο DSPIC30F4011 απνηειεί φρη έλαλ κηθξνεπεμεξγαζηή, αιιά έλα κηθξνειεγθηή. Έλαο κηθξνεπεμεξγαζηήο είλαη ηθαλφο γηα έλα πιήζνο εξγαζηψλ, δειαδή είλαη γεληθνχ ζθνπνχ. Αληίζεηα, ν DSPIC30F4011 δελ είλαη γεληθνχ ζθνπνχ, αιιά είλαη θαηάιιεινο γηα νξηζκέλε ρξήζε δίλνληαο θπξίσο βαξχηεηα ζηελ πςειή ηηκή απφδνζεο θφζηνπο. Έλαο κηθξνεπεμεξγαζηήο απνηειείηαη απφ ηξία κέξε, ηελ αξηζκεηηθή θαη ινγηθή κνλάδα, ηε κνλάδα ειέγρνπ θαη ηε κλήκε. Ο κηθξνειεγθηήο δηαζέηεη επηπιένλ θαη κλήκε ηπραίαο πξνζπέιαζεο (RAM). Σν γεγνλφο απηφ ηνπ επηηξέπεη ηελ ηνπνζέηεζή ηνπ ζε κηθξφηεξν θαη θζελφηεξν παθέην. Οπζηαζηηθά, ηνπνζεηείηαη ν κηθξνεπεμεξγαζηήο θαη ε πεξηθεξεηαθή ηνπ κλήκε ζην ίδην νινθιεξσκέλν, επηηξέπνληαο ηε ρξήζε ηνπ ζε πιαθέηεο. Δπηπιένλ, ε κείσζε ρψξνπ θαη θαισδηψζεσλ νδεγεί ζηε κείσζε ησλ παξαζηηηθψλ ηάζεσλ ζηα ζήκαηα. ρήκα 109: Μηθξνειεγθηήο DSPIC30F pins [93] 98

113 MCP2551 To MCP2551 απνηειεί ην νινθιεξσκέλν πνπ πινπνηεί ηελ επηθνηλσλία κε έλα πξσηφθνιιν βηνκεραληθνχ δηθηχνπ CANBus. Τπνζηεξίδεη ηαρχηεηα 1Mbit/s θαη είλαη θαηάιιειν γηα ζπζηήκαηα 12 θαη 24V (ρήκα 110). ρήκα 110: Οινθιεξσκέλν γηα επηθνηλσλία κέζσ CANBus MCP2551 [93] 99

114 100

115 9. ρεδηαζκόο Σππσκέλνπ Κπθιώκαηνο 9.1. Γεληθά ε απηφ ην θεθάιαην ζα παξνπζηαζηεί ε κεηαηξνπή ηνπ θπθιψκαηνο πξνζνκνίσζεο ζην αληίζηνηρν ζρεκαηηθφ θαη ζηε ζπλέρεηα ζην ζρεδηαζκφ ηνπ ηππσκέλνπ θπθιψκαηνο. Πξψην ζηάδην απνηειεί ε θαηαζθεπή ηνπ ζρεκαηηθνχ δηαγξάκκαηνο φπνπ παξνπζηάδνληαη νη ζπλδέζεηο ηνπ θπθιψκαηνο. ε δεχηεξν ζηάδην, δεκηνπξγείηαη ην δίθηπν ηεο ηνπνινγίαο ηνπ ζρεκαηηθνχ. Καηφπηλ, αληηζηνηρίδνληαη ηα δηάθνξα εμαξηήκαηα ηνπ ζρεκαηηθνχ κε ηα πξαγκαηηθά απνηππψκαηά ηνπο ζε κία πιαθέηα. Σα απνηππψκαηα ζπλήζσο παξέρνληαη απφ ην εγρεηξίδην ηνπ εθάζηνηε πξντφληνο. Σέινο, ζην ηέηαξην θαη ηειεπηαίν ζηάδην, κεηαθξάδεηαη ην ζρεκαηηθφ, κε ηα απνηππψκαηα θαη ην δίθηπν ηεο ηνπνινγίαο ζε ηππσκέλν θχθισκα, δειαδή ζε πξνζνκνίσζε ηεο ηειηθήο θαηαζθεπήο, φπνπ πξέπεη λα ηνπνζεηεζνχλ ηα δηάθνξα εμαξηήκαηα θαη λα πινπνηεζνχλ νη αγψγηκεο ζπλδέζεηο. Σν πξφγξακκα πνπ ρξεζηκνπνηείηαη γηα απηή ηε δηαδηθαζία είλαη ην KiCad. Σν παξάζπξν εθθίλεζεο παξνπζηάδεηαη ζην ρήκα 111. ρήκα 111: Παξάζπξν Έλαξμεο Kicad 9.2. ρεκαηηθό Η δηαδηθαζία θαηαζθεπήο ηνπ ζρεκαηηθνχ αθνξά ηελ ηνπνζέηεζε ησλ εμαξηεκάησλ ζηελ νζφλε ηνπ πξνγξάκκαηνο θαη ηελ αληηζηνίρεζε ησλ ζεκάησλ εηζφδνπ θαη εμφδνπ θαηάιιεια κεηαμχ ηνπο γηα ηε δεκηνπξγία ελφο ιεηηνπξγηθνχ θπθιψκαηνο. Οη είζνδνη ηεο πιαθέηαο είλαη κία κπαηαξία θαη κία είζνδνο 12V πνπ πξνέξρεηαη απφ έλα εμσηεξηθφ ζηαζεξνπνηεηηθφ ηάζεο. Σν ζήκα ηεο κπαηαξίαο εληζρχεηαη απφ έλαλ εληζρπηή AD623 πξηλ πάεη ζην κηθξνειεγθηή, φπνπ ζα ρξεζηκεχζεη σο ζήκα αλαθνξάο θαηά ηε δηαδηθαζία ηνπ πξνγξακκαηηζκνχ ηνπ κηθξνειεγθηή γηα ηελ πινπνίεζε ηνπ ειέγρνπ ηεο δηάηαμεο (ρήκα 112ρήκα 112). 101

116 ρήκα 112: Δίζνδνη Κπθιώκαηνο ην ρήκα 113 παξνπζηάδνληαη ηα δχν θπξίσο ηξνθνδνηηθά LM2575 ησλ 5V θαη 12V. Σα ηξνθνδνηηθά απηά δέρνληαη ηελ θχξηα είζνδν απφ ηε κπαηαξία θαη ηε κεηαηξέπνπλ ζε ζηαζεξνπνηεκέλε κε αληίζηνηρν εχξνο. Ο ιφγνο ρξήζεο ηνπ LM είλαη φηη ε κπαηαξία κπνξεί λα παξέρεη ηάζε 12V, αιιά ε ηηκή απηή παξνπζηάδεη δηαθχκαλζε κεηαμχ 10.5V θαη 13.5V. Η δηαθχκαλζε απηή δελ είλαη επηηξεπηή γηα ηα ςεθηαθά νινθιεξσκέλα θπθιψκαηα. Γηα ην ιφγν απηφ ρξεζηκνπνηείηαη ην ηξνθνδνηηθφ. Κάζε ηξνθνδνηηθφ, φκσο κπνξεί λα ππνζηεξίμεη έλα νξηζκέλν πιήζνο ζπζθεπψλ ζχκθσλα κε ην ξεχκα πνπ απαηηνχλ. Γηα παξάδεηγκα ην LM ππνζηεξίδεη κέρξη 1Α ξεχκα εμφδνπ. ρήκα 113: Σξνθνδνηηθά Καζψο ηα νινθιεξσκέλα πνπ ηξνθνδνηνχληαη κε 5V είλαη αξθεηά, ζπκπεξηιακβαλνκέλνπ θαη ηνπ κηθξνειεγθηή, ρξεζηκνπνηείηαη θαη έλα δεχηεξν ηξνθνδνηηθφ ησλ 5V ην LM7805ACT, γηα πεξηνξηζκέλν αξηζκφ ζπζθεπψλ. ηελ πξάμε, δέρεηαη σο είζνδν ηελ ηάζε ηεο δεχηεξεο εηζφδνπ θαη ηξνθνδνηεί ηνλ νπηναπνδεχθηε ηνπ θπθιψκαηνο νδήγεζεο ηνπ δεχηεξνπ mosfet (high) (ρήκα 114). 102

117 ρήκα 114: Γηάηαμε Γεύηεξεο Δμσηεξηθήο Σξνθνδνζίαο Η θχξηα δηαθνξά ησλ δχν ηξνθνδνηηθψλ είλαη ην είδνο ηνπο. Σν LM2575 είλαη έλα πάικνηξνθνδνηηθφ πνπ ζπλεπάγεηαη ιηγφηεξεο απψιεηεο θαη κηθξφηεξε αχμεζε ζεξκφηεηαο. πλεπψο, αλ ππάξρεη αλάγθε ςπθηηθνχ απηή ζα πεξηιακβάλεη θάηη κηθξφ θαη φρη νγθψδεο. Δπηπιένλ, πεξηιακβάλεη θχθισκα πεξηνξηζκνχ ηνπ ξεχκαηνο. Αληίζεηα, ην LM7805 είλαη έλα γξακκηθφ ηξνθνδνηηθφ, κε κεγαιχηεξεο απψιεηεο, ζπλεπψο ππαξρεη αλάγθε θαιχηεξεο ςχμεο. Δηδηθά φηαλ ε ηάζε ηξνθνδνζίαο ππεξβεί ηελ νλνκαζηηθή ηηκή ζε έλα γξακκηθφ ηξνθνδνηηθφ, ε ζεξκνθξαζία αξρίδεη λα απμάλεηαη ζεκαληηθά (ρήκα 115). ρήκα 115: Αύμεζε Θεξκνθξαζίαο ζε Γξακκηθό Σξνθνδνηηθό ην ρήκα 116 παξνπζηάδεηαη ε ρξήζε ελφο trimmer ζε ζπλδπαζκφ κε έλαλ ηειεζηηθφ εληζρπηή, γηα ηνλ έιεγρν ηεο φιεο δηάηαμεο ηνπ κεηαηξνπέα κέρξη ηνλ πξνγξακκαηηζκφ ηνπ κηθξνειεγθηή. Μέζσ ηνπ trimmer παξάγεηαη έλα κεηαβιεηφ ζήκα εηζφδνπ, ην νπνίν εληζρχεηαη κε ηνλ ηειεζηηθφ εληζρπηή θαη θαηαιήγεη ζε κία αλαινγηθή είζνδν ηνπ κηθξνειεγθηή. Σν trimmer είλαη ησλ 10kΧ θαη επηιέρζεθε απφ ην εξγαζηήξην. 103

118 ρήκα 116: Trimmer ην ρήκα 117ρήκα 117 παξνπζηάδεηαη ν κηθξνειεγθηήο, κε ηνπο ππθλσηέο ζηαζεξνπνίζεο εηζφδνπ, φπνπ ππάξρεη Vcc κε GND, νη αθξνδέθηεο εμσηεξηθήο ζχλδεζεο ηνπ θαισδίνπ γηα ηνλ πξνγξακκαηηζκφ ηνπ κηθξνειεγθηή (PIC-ICSP/ICD), ν νπνίνο έρεη 6 αθξνδέθηεο απφ ηνπο νπνίνπο ρξεζηκνπνηνχληαη νη 5, θαη δχν κπνπηφλ, έλα γηα ηελ εθαζάξξηζε ηεο κλήκεο ηνπ κηθξνειεγθηή, κε έμνδν MCLR, θαη έλα γηα ηε δηαθνπή ηεο ιεηηνπξγίαο, κε έμνδν RD0. ρήκα 117: Γηάηαμε Μηθξνειεγθηή ην ρήκα 118 παξνπζηάδεηαη ε πινπνίεζε ηεο επηθνηλσλίαο κέζσ πξσηνθφιινπ CANBus. Η είζνδνο ηνπ ζήκαηνο γίλεηαη κέζσ ησλ αθξνδεθηψλ 1 θαη 2 ηνπ PIN HEADER, πνπ αλαπαξηζηά ηα ζεκεία ζχλδεζεο ησλ δχν θαισδίσλ εηζφδνπ, ην νινθιεξσκέλν MCP2551 πνπ ιακβάλεη ηα δχν ζήκαηα εηζφδνπ θαη παξάγεη ην ζήκα 104

119 εμφδνπ RXD ην νπνίν πεγαίλεη ζηελ αληίζηνηρε είζνδν ηνπ κηθξνειεγθηή, φπνπ επεμεξγάδεηαη θαη επηζηξέθεη ην ζήκα εμφδνπ C1TX. Δπίζεο έρεη πξνζηεζεί κία κηθξή αληίζηαζε ζπλδεδεκέλε κε έλα jumper, γηα ηελ δηαθνπή ή κε ηνπ ζήκαηνο. Σν jumper, είλαη δχν αθξνδέθηεο πνπ βξαρπθπθιψλνληαη ζην πάλσ κέξνο νπφηε δηαθφπηεηαη ην ζήκα ή δε βξαρπθπθιψλνληαη θαη ην ζήκα πεξλάεη απφ ην ΜCP2551. ρήκα 118: Γηάηαμε CANBus ην ρήκα 119 παξνπζηάδεηαη ην θχθισκα παικνδφηεζεο γηα ηα δχν Mosfet, πνπ πεξηιακβάλεη δχν πχιεο NOT σο αληηζηξνθείο, νη νπνίεο ζηελ πξάμε είλαη NAND ζε έλα παθέην 8 ππιψλ αλά νινθιεξσκέλν, δχν νπην-απνδεχθηεο 6Ν137 θαη δχν θπθιψκαηα νδήγεζεο παικψλ ICL7667 γηα ηα Mosfet. Η ρξήζε ηνπ αληηζηξνθέα επηβάιιεηαη ιφγσ ηεο αληηζηξνθήο ηνπ ζήκαηνο εηζφδνπ ζηελ έμνδν ηνπ 6N137. Σέινο, ηα ICL7667 είλαη ππεχζπλα, αλάινγα κε ην ζήκα εηζφδνπ, γηα ηελ παξαγσγή ησλ παικψλ νδήγεζεο. Υξεζηκνπνηνχληαη δχν θπθιψκαηα παικνδφηεζεο αληί γηα έλα γηα ηε δηάθξηζε ησλ γεηψζεσλ θαη ηελ απνθπγή δεκηνπξγίαο βξαρπθπθιψκαηνο ζην κεηαηξνπέα. ρήκα 119: Γηαηάμεηο Παικνδόηεζεο ην ρήκα 120 παξνπζηάδεηαη ην κεηξεηηθφ ξεχκαηνο ACS712 ηεο εηαηξίαο Allegro. Σν κεηξεηηθφ ιακβάλεη σο ζήκα εηζφδνπ ην ξεχκα εμφδνπ ηνπ κεηαηξνπέα θαη παξάγεη έλα αληίζηνηρν ζήκα ηάζεο, Vout. ηε ζπλέρεηα, ην ζήκα απηφ εληζρχεηαη απφ ηνλ εληζρπηή AD623 θαη πεγαίλεη σο είζνδνο ζην κηθξνειεγθηή, CMdc, γηα ηελ πινπνίεζε ηνπ ειέγρνπ ηνπ κεηαηξνπέα ζε θιεηζηφ βξφρν. 105

120 ρήκα 120: Μεηξεηηθό Ρεύκαηνο Σέινο, ζην ρήκα 121 παξνπζηάδεηαη ην θχθισκα ηνπ κεηαηξνπέα κε ηελ έμνδν ζην ηέινο (P4) θαη ηα δχν ζήκαηα IP+ θαη IP- πνπ πεγαίλνπλ ζην κεηξεηηθφ ξεχκαηνο ACS712. Δπηπιένλ, ζηε είζνδν ρξεζηκνπνηνχληαη δχν δίνδνη zener γηα λα κε κεηαθέξνληαη νη κεηαβνιέο ηεο ηάζεο γξακκήο ζην θνξηίν θαη δχν αληηζηάζεηο παξάιιεια, ψζηε λα ππάξρεη ζε θάζε πεξίπησζε δξφκνο δηαθπγήο γηα ην ξεχκα. ρήκα 121: Κύθισκα Ιζρύνο Αθνχ ηειεηψζεη ε δεκηνπξγία ηνπ ζρεκαηηθνχ, αθνινπζνχλ νη θάησζη ελέξγεηεο κε ηε ζεηξά: 1. ρνιηαζκφο / annotate (ρήκα 122). ρήκα 122: Annotate 106

121 2. Έιεγρνο ειεθηξηθψλ θαλφλσλ / CER (ρήκα 123). ρήκα 123: CER 3. Γεκηνπξγία δηθηχνπ ηνπνινγίαο / Generate Netlist (ρήκα 124). ρήκα 124: Generate Netlist 4. Αληηζηνίρεζε ηρλψλ / footprint (ρήκα 125). ρήκα 125: Footprint 5. Γεκηνπξγία ηππσκέλεο πιαθέηαο /PCB (ρήκα 126). ρήκα 126: PCB 107

122 9.3. Γεκηνπξγία Γηθηύνπ Σνπνινγίαο ην βήκα απηφ πινπνηνχληαη νη ζπλδέζεηο ζχκθσλα κε ηηο εηηθέηεο πνπ έρνπλ ηνπνζεηεζεί ζην ζρεκαηηθφ γηα ηελ απηφκαηε έλδεημε ζχλδεζεο ησλ νινθιεξσκέλσλ ζηελ θαηαζθεπή ηνπ PCB Αληηζηνίρεζε Ιρλώλ Αθνχ γίλεη ε δεκηνπξγία ηνπ δηθηχνπ ηνπνινγίαο, αθνινπζεί ε αληηζηνίρεζε ησλ ηρλψλ ησλ δηαθφξσλ εμαξηεκάησλ. Σν ίρλνο θάζε εμαξηήκαηνο είλαη ν ρψξνο πνπ ζα θαηαιάβεη ζηελ πιαθέηα, ην ζρήκα ηνπ, ν αξηζκφο ησλ αθξνδεθηψλ θαη θπξίσο ε απφζηαζε κεηαμχ ησλ αθξνδεθηψλ. Σν ίρλνο ηνπ θάζε εμαξηήκαηνο παξέρεηαη ζην ζρεηηθφ θπιιάδην ηνπ θαηαζθεπαζηή, εθηφο απφ ηα απιά ζηνηρεία, φπσο δίνδνη, ππθλσηέο, αθξνδέθηεο ζχλδεζεο θαισδίσλ πνπ είηε είλαη ηππνπνηεκέλα δχν αθξνδεθηψλ, είηε γηα ηηο ζπλδέζεηο θαισδίσλ εμαξηάηαη απφ ηνλ αξηζκφ. Σν kicad έρεη κία κεγάιε βηβιηνζήθε γηα ηελ αληηζηνίρεζε ηρλψλ. ε θάζε πεξίπησζε ν ρξήζηεο κπνξεί λα δεκηνπξγήζεη ζρεηηθά εχθνια ηα δηθά ηνπ ίρλε εάλ δελ είλαη δηαζέζηκα ζηε βηβιηνζήθε. πλήζσο γηα ηα νινθιεξσκέλα, ζπλίζηαηαη ε ρξήζε ησλ ηρλψλ DIP - -ELL ρεδηαζκόο Σππσκέλνπ Κπθιώκαηνο Η ηειεπηαία ελέξγεηα ζην kicad είλαη ν ζρεδηαζκφο ηνπ ηππσκέλνπ θπθιψκαηνο. Απαξαίηεηε είλαη ε πινπνίεζε, φζν ην δπλαηφλ πην ζσζηά ησλ πξνεγνπκέλσλ βεκάησλ. Αξρηθά, αθνχ γίλεη αλάγλσζε ηνπ δηθηχνπ ηεο ηνπνινγίαο θαη εκθαληζηνχλ ηα δηάθνξα ζηνηρεία, ηνπνζεηνχληαη ζην ρψξν, φπσο θαη ζηελ πξαγκαηηθή πιαθέηα θαη ζηε ζπλέρεηα πινπνηνχληαη νη ζπλδέζεηο κε αγψγηκνπο δξφκνπο. Γηα ηα δηάθνξα ζήκαηα ρξεζηκνπνηείηαη δηαθνξεηηθφ πάρνο αγσγνχ. Γηα παξάδεηγκα, ηα ζήκαηα ηζρχνο είλαη πην παρηά απφ ηα ζήκαηα κεηαθνξάο πιεξνθνξηψλ, θαζψο ηα πξψηα ρξεζηκνπνηνχληαη γηα ηε δηέιεπζε ξεχκαηνο πςειφηεξεο ηηκήο. ηελ παξνχζα εθαξκνγή, ρξεζηκνπνηήζεθαλ αγσγνί 0,650mm γηα ηνπο αγσγνχο ζήκαηνο πιεξνθνξηψλ θαη 1,016mm γηα ηνπο αγσγνχο ηζρχνο. Καηά ηε δεκηνπξγία ησλ ζπλδέζεσλ, ην πξφγξακκα εκθαλίδεη άζπξνπο ελδεηθηηθνχο δξφκνπο ζχκθσλα κε ην δίθηπν ηνπνινγίαο ηνπ ζρεκαηηθνχ. Όηαλ νη αληίζηνηρνη δξφκνη έρνπλ ελσζεί κε αγσγνχο ή έρεη δεκηνπξγεζεί έλαο ελαιιαθηηθφο δξφκνο νη γξακκέο εμαθαλίδνληαη. Παξαηεξήζεθε ην θαηλφκελν, είηε έλαο πξνηεηλφκελνο δξφκνο λα κελ εκθαληδφηαλ, είηε λα κελ ήηαλ ζσζηφο. ε απηή ηελ πεξίπησζε δηνξζσλφηαλ ε δηεχζπλζε ηνπ δηθηχνπ ζηνπο αληίζηνηρνπο αθξνδέθηεο κέζσ ηνπ PCB ή ε εηηθέηα κέζσ ηνπ ζρεκαηηθνχ. Καηά ηε δεκηνπξγία ηεο πιαθέηαο ιήθζεθε ηδηαίηεξε κέξηκλα γηα ηνλ απαηηνχκελν ρψξν γηα ηα ςπθηηθά πνπ ζα ρξεζηκνπνηεζνχλ θαζψο θαη γηα ην κεηαζρεκαηηζηή. Γηα ην κεηαζρεκαηηζηή απαηηήζεθε ζπγθεθξηκέλν ίρλνο πνπ λα αληαπνθξίλεηαη φζν ην δπλαηφλ κε κεγαιχηεξε αθξίβεηα ζηελ πξαγκαηηθφηεηα. Δπηπιένλ ηνπνζεηήζεθαλ 4 αθξνδέθηεο ζηα άθξα ηεο πιαθέηαο, γηα ηελ ηνπνζέηεζε ησλ βηδψλ ζπγθξάηεζεο, 4 νπέο ζηα άθξα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή γηα ηε ζχλδεζε ησλ ηπιηγκάησλ πάλσ ζε βίδεο θαη έλα 108

123 θίηξηλν πιαίζην γηα λα μέξεη ν ππεχζπλνο γηα ηελ ηχπσζε ηεο πιαθέηα πνχ ζα ηελ θφςεη. Η ηειηθή φςε ηεο πιαθέηαο ζην PCB παξαηίζεηαη ζην ρήκα 127. ρήκα 127: Σειηθή Όςε PCB Η ηειηθή φςε ηεο πιαθέηαο πξνο εθηχπσζε παξαηίζεηαη ζην ηέινο ζην παξάξηεκα 1 θαη