ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ Ι. Ενότητα 2: Εφαρμογές διόδων. Επ. Καθηγητής Γαύρος Κωνσταντίνος ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΕ

Transcript

1 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ Ι Ενότητα 2: Εφαρμογές διόδων Επ. Καθηγητής Γαύρος Κωνσταντίνος ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΕ

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2

3 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο TEI Δυτικής Μακεδονίας και στην Ανώτατη Εκκλησιαστική Ακαδημία Θεσσαλονίκης» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3

4 Σκοποί ενότητας (1) Ανάλυση της λειτουργίας, σχεδιασμός και υλοποίηση των τριών βασικών κυκλωμάτων ανόρθωσης : ημιανορθωτή, ανορθωτή κεντρικής επαφής, γέφυρας ανόρθωσης. Σχεδιασμός, υλοποίηση και μέτρηση της απόδοσης τροφοδοτικών με φίλτρα και σταθεροποίηση τάσης εξόδου. 4

5 Περιεχόμενα (1/2) Εφαρμογές των Διόδων. Λειτουργία του Ημιανορθωτή. Μετασχηματιστής και Κορυφή Ανάστροφης Τάσης. Λειτουργία του Ανορθωτή Πλήρους Κύματος. Φίλτρο Πυκνωτή. Κυμάτωση Τάσης. 5

6 Περιεχόμενα (2/2) Αντίσταση της Zener. Σταθεροποίηση Τάσης με Zener. Ανοικτή Δίοδος σε Γέφυρα Ανόρθωσης. Πυκνωτής Φίλτρου με Διαρροή. Εντοπισμός Βλαβών. 6

7 Εφαρμογές των Διόδων Ημιανορθωτές Ανορθωτές πλήρους κύματος Φίλτρα τροφοδοτικών Δίοδοι Zener Εντοπισμός βλαβών σε τροφοδοτικά 7

8 Δίοδος Ανόρθωσης (Rectifying Diode) Χάρη στην ικανότητά της να άγει το ρεύμα στη μία κατεύθυνση και να το εμποδίζει στην αντίθετη, οι δίοδοι χρησιμοποιούνται σε κυκλώματα που ονομάζονται ανορθωτές (rectifiers) τα οποία μετατρέπουν την ac τάση σε dc τάση. Οι ανορθωτές βρίσκονται σε όλα τα dc τροφοδοτικά (dc power supplies) τα οποία μετατρέπουν την καθορισμένη ac τάση των 220 V, 50 Hz σε σταθερή dc τάση. Τα τροφοδοτικά αποτελούν ένα βασικό τμήμα όλων των ηλεκτρονικών συστημάτων από τα απλούστερα ως τα πλέον σύνθετα (τηλεοράσεις, συστήματα ήχου, Video, CD και εργαστηριακά όργανα). 8

9 Το Βασικό Τροφοδοτικό DC (DC Power Supply) (1/2) Το βασικό τροφοδοτικό dc περιλαμβάνει τα εξής τμήματα: τον ανορθωτή (rectifier) που μετατρέπει την ac τάση σε dc. το φίλτρο (filter) που περιορίζει τις διακυμάνσεις της ανορθωμένης τάσης και παράγει μια σχετικά ομαλή τάση. Εικόνα 1: Το Βασικό Τροφοδοτικό DC. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 9

10 Το Βασικό Τροφοδοτικό DC (DC Power Supply) (2/2) Tον σταθεροποιητή τάσης (regulator) ο οποίος διατηρεί την dc τάση σταθερή ανεξάρτητα από τις μεταβολές στην τάση εισόδου ή στο φορτίο. 10

11 Ο Ημιανορθωτής (Half-wave Rectifier) Ο ημιανορθωτής είναι μια διάταξη διόδου που επιτρέπει τη θετική και αποκόπτει την αρνητική ημι-περίοδο μιας ac ημιτονοειδούς τάσης. 11

12 Το Κύκλωμα του Ημιανορθωτή V in είναι η ac τάση εισόδου που πρόκειται να ανορθωθεί. D είναι η δίοδος που εκτελεί την ημιανόρθωση. R L είναι η αντίσταση-φορτίο πάνω στην οποία εφαρμόζεται η ημι-ανορθωμένη τάση. Η ημι-ανορθωμένη τάση στα άκρα του φορτίου R L είναι η τάση εξόδου (V out ) του κυκλώματος ημι-ανορθωτή. Εικόνα 2: Το Κύκλωμα του Ημιανορθωτή. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 12

13 Λειτουργία του Ημιανορθωτή (1/2) Λειτουργία κατά την θετική ημιπερίοδο της τάσης εισόδου. Η δίοδος άγει. Εικόνα 3: Λειτουργία του Ημιανορθωτή. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 13

14 Λειτουργία του Ημιανορθωτή (2/2) Λειτουργία κατά την αρνητική ημιπερίοδο της τάσης εισόδου. Η δίοδος δεν άγει. Εικόνα 4: Λειτουργία του Ημιανορθωτή. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 14

15 Ενεργός Τιμή και Πλάτος ac τάσης εισόδου Εικόνα 5: Ενεργός Τιμή και Πλάτος ac τάσης εισόδου. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 15

16 Παράδειγμα 2.1 (1/2) Ποια είναι η μέση (dc) τιμή της ημιανορθωμένης τάσης εξόδου που φαίνεται στην παρακάτω εικόνα; Εικόνα 6: Παράδειγμα 2.1. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 16

17 Παράδειγμα 2.1 (2/2) 17

18 Μετασχηματιστής και Κορυφή Ανάστροφης Τάσης (1/2) Η σύνδεση των ηλεκτρονικών συσκευών με το δίκτυο γίνεται μέσω μετασχηματιστή διότι ο μετασχηματιστής (α) υποβιβάζει την τάση και (β) απομονώνει ηλεκτρικά το δίκτυο από τη συσκευή και μειώνει τον κίνδυνο ηλεκτροπληξίας. Εικόνα 7: Μετασχηματιστής και Κορυφή Ανάστροφης Τάσης. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 18

19 Μετασχηματιστής και Κορυφή Ανάστροφης Τάσης (2/2) Σε ένα μετασχηματιστή ισχύει για το λόγο των τάσεων: Η τάση στο φορτίο είναι η τάση του δευτερεύοντος V out = V 2 οπότε: η dc τάση και το dc ρεύμα στο φορτίο είναι V dc = V out(peak) και Η μέγιστη ανάστροφη τάση (PIV) στη δίοδο είναι PIV = V 2(peak). 19

20 dc Ρεύμα Φορτίου dc Ρεύμα Από τη dc τιμή της τάσης στο φορτίο V dc = V out(peak) μπορούμε να υπολογίσουμε, με το νόμο του Ohm, το dc ρεύμα στο φορτίο: Εικόνα 8: dc Ρεύμα Φορτίου dc Ρεύμα Διόδου. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall Διόδου (1/2) 20

21 dc Ρεύμα Φορτίου dc Ρεύμα Διόδου (2/2) Επειδή το φορτίο και η δίοδος είναι σε σειρά, η dc τιμή του ρεύματος της διόδου I diode είναι ίσο με τη dc τιμή του ρεύματος του φορτίου. I diode = I dc 21

22 Αποτέλεσμα φραγμού δυναμικού στην τάση εξόδου ημιανορθωτή Αν λάβουμε υπ όψη μας το φραγμό δυναμικού της διόδου, η τάση στο φορτίο είναι: V p(out) = V p(sec) 0.7V Εικόνα 9: Αποτέλεσμα φραγμού δυναμικού στην τάση εξόδου ημιανορθωτή. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 22

23 Παράδειγμα 2.2 (1/3) Στο παρακάτω κύκλωμα προσδιορίστε: Τη dc τάση στα άκρα της αντίστασης φορτίου. Την κορυφή της ανάστροφης τάσης που εφαρμόζεται στη δίοδο. Το dc ρεύμα που διαρρέει τη δίοδο. Εικόνα 10: παράδειγμα 2.2. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 23

24 Παράδειγμα 2.2 (2/3) Λύση: Αφού V sec = 20 Vrms το πλάτος είναι Αγνοώντας το φραγμό δυναμικού (0.7V) της διόδου, η τάση στο φορτίο ειναι V p (out) = V p(sec) = 28.3 V Η dc τάση στο φορτίο είναι V dc(out) = V p(out) = (28.3V) = 9 V 24

25 Παράδειγμα 2.2 (3/3) Η κορυφή της ανάστροφης τάσης που εφαρμόζεται στη είναι PIV = V p(sec) = 28.3 V Αφού το dc ρεύμα του φορτίου είναι: το dc ρεύμα που διαρρέει τη δίοδο είναι επίσης I dc(diode) = I dc(out) = 0.13A Εικόνα 11: Παράδειγμα 2.2. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 25

26 Ανορθωτές Πλήρους Κύματος (Full-Wave Rectifiers) Οι ανορθωτές πλήρους κύματος ή απλά αναρθωτές είναι διατάξεις δύο ή περισσοτέρων διόδων που μετατρέπουν (ανορθώνουν) την αρνητική ημι-περίοδο μιας ac ημιτονοειδούς τάσης σε θετική. Αν και οι ημιανορθωτές έχουν κάποιες εφαρμογές, οι ανορθωτές πλήρους κύματος (full-wave rectifiers) είναι ο πλέον κοινά χρησιμοποιούμενος τύπος ανορθωτών στα τροφοδοτικά. Εικόνα 12: Ανορθωτές Πλήρους Κύματος. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 26

27 Το Κύκλωμα Πλήρους Ανόρθωσης (1/2) Το κύκλωμα πλήρους ανόρθωσης λειτουργεί σαν δύο κυκλώματα ημιανόρθωσης. Το δευτερεύον του μετασχηματιστή έχει μια μεσαία λήψη που συνδέεται με το ένα άκρο της αντίστασης φορτίου R L. Εικόνα 13: Ανορθωτές Πλήρους Κύματος. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 27

28 Το Κύκλωμα Πλήρους Ανόρθωσης (2/2) Η τάση του δευτερεύοντος διαιρείται σε δύο ίσα μέρη μεταξύ της κεντρικής επαφής και των δύο άκρων του δευτερεύοντος. Το κύκλωμα αυτό λέγεται και ανορθωτής κεντρικής επαφής (Center Tapped rectifier). 28

29 Λειτουργία του Ανορθωτή Πλήρους Ανορθωτής Κεντρικής Επαφής. Κατά τη διάρκεια της θετικής ημιπεριόδου, η δίοδος D 1 είναι πολωμένη ορθά και η D 2 ανάστροφα. Εικόνα 14: Λειτουργία του Ανορθωτή Πλήρους Κύματος. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall Κύματος (1/2) 29

30 Λειτουργία του Ανορθωτή Πλήρους Κύματος (2/2) Κατά τη διάρκεια της αρνητικής ημιπεριόδου, η δίοδος D 1 είναι πολωμένη ανάστροφα και η D 2 ορθά. Εικόνα 15: Λειτουργία του Ανορθωτή Πλήρους Κύματος. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 30

31 Μέση Τιμή και Συχνότητα εξόδου Εικόνα 16: Μέση Τιμή και Συχνότητα εξόδου. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 31

32 dc Ρεύμα Διόδου στην Πλήρη Ανόρθωση (1/2) Σε ένα κύκλωμα πλήρους ανόρθωσης, κάθε δίοδος άγει για μια μόνο από τις δύο ημιπεριόδους της τάσης, έτσι, ενώ το ρεύμα στο φορτίο είναι πλήρως ανορθωμένο, το ρεύμα στην κάθε δίοδο είναι ημιανορθωμένο. Εικόνα 17: dc Ρεύμα Διόδου στην Πλήρη Ανόρθωση. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 32

33 dc Ρεύμα Διόδου στην Πλήρη Ανόρθωση (2/2) Επομένως, η dc τιμή του ρεύματος της διόδου Ι diode είναι η μισή της dc τιμής I dc του ρεύματος στο φορτίο: 33

34 Παράδειγμα 2.3 Βρείτε τη μέση (dc) τιμή της πλήρως ανορθωμένης τάσης εξόδου που φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Εικόνα 18: Παράδειγμα 2.3. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 34

35 Τάση Εξόδου του Ανορθωτή Κεντρικής Επαφής Η τάση εξόδου του ανορθωτή κεντρικής επαφής είναι πάντα το μισό της ολικής τάσης του δευτερεύοντος του μετασχηματιστή μείον την πτώση των 0.7 V στη δίοδο. Αν αγνοήσουμε το φραγμό δυναμικού των διόδων, η τάση εξόδου ισούται με τη τάση του δευτερεύοντος. Εικόνα 19: Τάση Εξόδου του Ανορθωτή Κεντρικής Επαφής. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 35

36 Παράδειγμα 2.4 (1/4) Σχεδιάστε τις κυματομορφές τάσης στα άκρα του μισού του δευτερεύοντος πηνίου (V sec /2) και στα άκρα του φορτίου R L (V out ). Ποια είναι η μικρότερη ονομαστική τιμή PIV που πρέπει να έχουν οι δίοδοι; Εικόνα 20: Παράδειγμα 2.4. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 36

37 Παράδειγμα 2.4 (2/4) Λύση. Η κυματομορφή στο μισό δευτερεύον του μετασχηματιστή (V sec /2) είναι: και στο φορτίο (V out ) είναι: Εικόνα 21: Παράδειγμα 2.4. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 37

38 Παράδειγμα 2.4 (3/4) Εικόνα 22: Παράδειγμα 2.4. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 38

39 Παράδειγμα 2.4 (4/4) Για τον υπολογισμό της ονομαστικής τιμής PIV που πρέπει να έχουν οι δίοδοι του κυκλώματος, έχουμε: Επομένως, η ελάχιστη PIV τιμή που πρέπει να έχουν οι δίοδοι είναι 49.3 V 39

40 Παράδειγμα 2.5 (1/4) Στο παρακάτω κύκλωμα να βρεθούν: Η dc τάση φορτίου. Το dc ρεύμα στο φορτίου. Η ανάστροφη κορυφή της τάσης στην κάθε δίοδο. Το dc ρεύμα της κάθε διόδου. Εικόνα 23: Παράδειγμα 2.5. Πηγή: Συγγραφέας. 40

41 Παράδειγμα 2.5 (2/4) Λύση. Η κορυφή της τάσης του δευτερεύοντος είναι Η κορυφή της τάσης εξόδου (αν αγνοήσουμε το φραγμό δυναμικού 0.7V της διόδου) είναι το μισό. 41

42 Παράδειγμα 2.5 (3/4) Η dc τάση στο φορτίο είναι: V dc(out) = V p (out) = (8.9V) = 5.7 V Εικόνα 24: Παράδειγμα 2.5. Πηγή: Συγγραφέας. 42

43 Παράδειγμα 2.5 (4/4) Το dc ρεύμα στο φορτίο είναι : Η κορυφή της ανάστροφης τάσης είναι : Αφού το dc ρεύμα στο φορτίο είναι 120 ma, το dc ρεύμα στην κάθε δίοδο θα είναι : 43

44 Ανορθωτής Γέφυρας (Bridge Rectifier) Το κύκλωμα του ανορθωτή γέφυρας (ή γέφυρας ανόρθωσης) χρησιμοποιεί τέσσερις όμοιες διόδους συνδεμένες στο δευτερεύον (secondary) του μετασχηματιστή. Δύο δίοδοι της γέφυρας (οι απέναντι) βρίσκονται πάντοτε σε σειρά με την αντίσταση εξόδου κατά τη διάρκεια τόσο της θετικής όσο και της αρνητικής ημι-περιόδου. Εικόνα 25: Ανορθωτής Γέφυρας. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 44

45 Λειτουργία της Γέφυρας Ανόρθωσης (1/2) Κατά τη διάρκεια της θετικής ημιπεριόδου, οι δίοδοι D 1 και D 2 είναι πολωμένες ορθά και άγουν το ρεύμα. Οι D 3 και D 4 είναι πολωμένες ανάστροφα. Εικόνα 26: Λειτουργία της Γέφυρας Ανόρθωσης. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 45

46 Λειτουργία της Γέφυρας Ανόρθωσης (2/2) Κατά τη διάρκεια της αρνητικής ημιπεριόδου στην είσοδο, οι D 3 και D 4 είναι πολωμένες ορθά και άγουν το ρεύμα. Οι D 1 και D 2 είναι πολωμένες ανάστροφα. Αποτέλεσμα: Εικόνα 27: Λειτουργία της Γέφυρας Ανόρθωσης. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 46

47 Τάση Εξόδου της Γέφυρας Ανόρθωσης Επειδή κατά τη λειτουργία της γέφυρας ανόρθωσης, δύο δίοδοι είναι πάντα σε σειρά με το φορτίο, η τάση εξόδου είναι: V p(out) = V p(sec) V Αν αγνοήσουμε το φραγμό δυναμικού των διόδων, η τάση εξόδου ισούται με τη τάση του δευτερεύοντος. V p(out) = V p(sec) (Αν αγνοήσουμε τις διόδους). Εικόνα 28: Τάση Εξόδου της Γέφυρας Ανόρθωσης. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 47

48 Μέγιστη Ανάστροφη Πόλωση (PIV) στη Γέφυρα Ανόρθωσης Κατά τη διάρκεια της θετικής ημιπεριόδου, οι δίοδοι D 3 και D 4 είναι ανάστροφα πολωμένες. Η μέγιστη ανάστροφη πόλωσή τους ισούται με V p(sec) μείον το φραγμό δυναμικού των διόδων που άγουν PIV = V p(sec) V Συναρτήσει της τάσης εξόδου V p(out), η PIV γράφεται: PIV = V p(out) V Εικόνα 29: Μέγιστη Ανάστροφη Πόλωση (PIV) στη Γέφυρα Ανόρθωσης. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 48

49 Παράδειγμα 2.6 (1/2) Προσδιορίστε τη μέγιστη τάση εξόδου για τον ανορθωτή γέφυρας του παρακάτω σχήματος. Εικόνα 30: Παράδειγμα 2.6. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 49

50 Παράδειγμα 2.6 (2/2) Λύση. Λαμβάνοντας υπ όψη το φραγμό δυναμικού των διόδων, έχουμε 50

51 Παράδειγμα 2.7 (1/4) Στο κύκλωμα γέφυρας παρακάτω να βρεθούν: Η dc τάση φορτίου. Το dc ρεύμα φορτίου. Η ανάστροφη κορυφή της τάσης στην κάθε δίοδο. το dc ρεύμα διόδου. Εικόνα 31: Παράδειγμα 2.7. Πηγή: Συγγραφέας. 51

52 Παράδειγμα 2.7 (2/4) Λύση. Η κορυφή της τάσης του δευτερεύοντος είναι Η κορυφή της τάσης εξόδου (αν αγνοήσουμε το φραγμό δυναμικού των διόδων) είναι 52

53 Παράδειγμα 2.7 (3/4) Επομένως, η dc τάση στο φορτίο είναι V dc(out) = V p (out) = (35.4V) = 22.5 V Εικόνα 32: Παράδειγμα 2.7. Πηγή: Συγγραφέας. 53

54 Παράδειγμα 2.7 (4/4) Το dc ρεύμα στο φορτίο είναι: Η κορυφή της ανάστροφης τάσης είναι: Αφού το dc ρεύμα στο φορτίο είναι 1.5 A, το dc ρεύμα στην κάθε δίοδο θα είναι: 54

55 Ερωτήσεις επανάληψης (1/5) Ποιος τύπος ανορθωτή πλήρους κύματος δίνει τη μεγαλύτερη τάση εξόδου για την ίδια τάση εισόδου και τον ίδιο λόγο μετασχηματισμού; ΑΠ.: O ανορθωτής γέφυρας. Για δεδομένη τάση εξόδου, η PIV τιμή των διόδων για έναν ανορθωτή γέφυρας είναι μικρότερη από ότι στον ανορθωτή κεντρικής επαφής. (Σωστό ή Λάθος) ΑΠ.: Σωστό. 55

56 ΒΑΣΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Ανορθωτές Πλήρους Κύματος (1/4) Θεωρήστε το παρακάτω κύκλωμα. Τι τύπος κυκλώματος είναι; Ποια είναι η μέγιστη τιμή της τάσης του δευτερεύοντος ; Η μέγιστη τιμή της τάσης στα άκρα κάθε μισού του δευτερεύοντος; Σχεδιάστε την κυματομορφή της τάσης στα άκρα του φορτίου R L. Ποια είναι η μέγιστη τιμή του ρεύματος μέσα από κάθε δίοδο; Εικόνα 33: Ανορθωτές Πλήρους Κύματος. Πηγή: Συγγραφέας. 56

57 ΒΑΣΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Ανορθωτές Πλήρους Κύματος (2/4) Υπολογίστε τη μέγιστη τιμή της τάσης σε κάθε μισό του δευτερεύοντος ενός μετασχηματιστή κεντρικής επαφής που χρησιμοποιείται σε έναν ανορθωτή πλήρους κύματος ο οποίος δίνει μέση τάση εξόδου 110 V. 57

58 ΒΑΣΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Ανορθωτές Πλήρους Κύματος (3/4) Ποια ονομαστική τιμή μέγιστης ανάστροφης πόλωσης (PIV) απαιτείται για τις διόδους σε μια γέφυρα ανόρθωσης που βγάζει μέση τάση εξόδου 50V; 58

59 ΒΑΣΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Ανορθωτές Πλήρους Κύματος (4/4) Η rms τάση εξόδου μιας γέφυρας ανόρθωσης είναι 20 V. Ποια είναι η μέγιστη ανάστροφη πόλωση (PIV) στα άκρα των διόδων; 59

60 Φίλτρα Τροφοδοτικών (Filters) Τα φίλτρα τροφοδοτικών χρησιμοποιούνται για να μειώνουν σημαντικά τις διακυμάνσεις της τάσης εξόδου ενός ημιανορθωτή ή ανορθωτή πλήρους κύματος έτσι ώστε στην έξοδο του τροφοδοτικού να παράγεται μια σχεδόν σταθερή τάση. 60

61 Περιγραφικό Διάγραμμα ενός Τροφοδοτικού με Φίλτρο Το φιλτράρισμα (filtering) είναι απαραίτητο διότι τα ηλεκτρονικά κυκλώματα απαιτούν μια σταθερή πηγή dc τάσης για τη σωστή πόλωση και λειτουργία τους. Τα φίλτρα φτιάχνονται κυρίως με πυκνωτές (capacitor filter), ενώ σε περιπτώσεις αφαρμογών μεγάλης ισχύος χρησιμοποιούνται και φίλτρα πηνίου-πυκνωτή LC (LC filterς). Εικόνα 34: Περιγραφικό Διάγραμμα ενός Τροφοδοτικού με Φίλτρο. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 61

62 Φίλτρο Πυκνωτή (Capacitor Filter) Σχηματικό διάγραμμα ανορθωτή συνοδευόμενο από φίλτρο πυκνωτή. Εικόνα 35: Φίλτρο Πυκνωτή. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 62

63 Λειτουργία του Φίλτρου Πυκνωτή (1/3) Με το άνοιγμα του διακόπτη τροφοδοσίας (χρονική στιγμή t 0 ) γίνεται η αρχική φόρτιση του πυκνωτή μέχρι τη μέγιστη τάση V p(in) (ή, για την ακρίβεια, V pin 0.7V). Εικόνα 36: Λειτουργία του Φίλτρου Πυκνωτή. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 63

64 Λειτουργία του Φίλτρου Πυκνωτή (2/3) Στο δεύτερο μισό της θετικής ημιπεριόδου (μέχρι τη χρονική στιγμή t 1 ), η τάση εισόδου V in μειώνεται κάτω από τη μέγιστη τιμή V p(in) ενώ ο πυκνωτής είναι σε τάση V p(in), επομέως, η δίοδος πολώνεται ανάστροφα και αποκόπτει και ο πυκνωτής αποφορτίζεται μέσω της R L και η τάση του πέφτει κάτω από τη μέγιστη τιμή V p(in). Εικόνα 37: Λειτουργία του Φίλτρου Πυκνωτή. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 64

65 Λειτουργία του Φίλτρου Πυκνωτή (3/3) Στο υπόλοιπο της περιόδου, μέχρι τη χρονική στιγμή t 2 που η τάση εισόδου V in γίνεται πάλι μεγαλύτερη από την τάση του πυκνωτή (του οποίου η τάση έχει μειωθεί, λόγω αποφόρτισης), η δίοδος πολώνεται πάλι ορθά και ο πυκνωτής φορτίζεται πάλι μέχρι τη μέγιστη τιμή της τάσης εισόδου V p(in). Εικόνα 38: Λειτουργία του Φίλτρου Πυκνωτή. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 65

66 Κυμάτωση Τάσης (Ripple Voltage) (1/2) Η μεταβολή της τάσης εξόδου λόγω φόρτισης και αποφόρτισης του πυκνωτή ονομάζεται κυμάτωση τάσης (ripple). Εικόνα 39: Κυμάτωση Τάσης. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 66

67 Κυμάτωση Τάσης (Ripple Voltage) (2/2) Ένας ανορθωτής πλήρους κύματος έχει μικρότερη κυμάτωση τάσης σε σχέση με έναν ημιανορθωτή. Για δεδομένη χωρητικότητα πυκνωτή C και αντίσταση φορτίου R L, η κλίση της κυμάτωσης στον ημιανορθωτή και τον πλήρη ανορθωτή είναι η ίδια. Ένας εμπειρικός κανόνας για καλό φιλτράρισμα είναι να κάνουμε: R L C > 10 T όπου T η περίοδος της ανορθωμένης τάσης. 67

68 Συντελεστής Κυμάτωσης (Ripple Factor) (1/2) Ο συντελεστής κυμάτωσης (r) είναι μια ένδειξη της απόδοσης του φίλτρου και ορίζεται σαν όπου, V r είναι το πλάτος κυμάτωσης (peak-to-peak) της τάσης και V DC είναι η μέση τιμή της τάσης εξόδου του φίλτρου. 68

69 Συντελεστής Κυμάτωσης (Ripple Factor) (2/2) Όσο μικρότερος ο συντελεστής κυμάτωσης τόσο καλύτερο το φίλτρο. Εικόνα 40: Συντελεστής Κυμάτωσης. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 69

70 Προσεγγιστικές Εκφράσεις Κυμάτωσης & Μ.Τ Τάσης Εξόδου Φίλτρου(1/2) Εικόνα 41: Προσεγγιστικές Εκφράσεις. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 70

71 Προσεγγιστικές Εκφράσεις Κυμάτωσης & Μ.Τ Τάσης Εξόδου Φίλτρου (2/2) Πλάτος κυμάτωσης της τάσης εξόδου. Μέση τιμή της τάσης εξόδου όπου, f είναι η συχνότητα της ανορθωμένης τάσης, R L το φορτίο στην έξοδο του φίλτρου και C η χωρητικότητα του πυκνωτή. 71

72 Παράδειγμα 2.8 (1/4) Προσδιορίστε το συντελεστή κυμάτωσης για τη γέφυρα ανόρθωσης με ένα φορτίο όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Εικόνα 42: Παράδειγμα 2.8. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 72

73 Παράδειγμα 2.8 (2/4) Λύση. Η κορυφή της τάσης εισόδου είναι V p(in) = 115 V rms 2 = 163 V Η κορυφή της τάσης του δευτερεύοντος του μετασχηματιστή είναι V p(sec) = (1:10) 163 V = 16.3 V Η κορυφή της ανορθωμένης τάσης, χωρίς τον πυκνωτή, θα ήταν V p(ανορθ) = V p(sec) 1.4 V= 16.3 V 1.4 V = 14.9 V 73

74 Παράδειγμα 2.8 (3/4) Εικόνα 43: Παράδειγμα 2.8. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 74

75 Παράδειγμα 2.8 (4/4) Επομένως, το πλάτος της τάσης κυμάτωσης στην έξοδο υπολογίζεται σε Η μέση τιμή της τάσης εξόδου σε Οπότε, ο συντελεστής κυμάτωσης που προκύπτει είναι 75

76 Ερωτήσεις επανάληψης (2/5) Ένα ημιτονοειδές κύμα 50 Hz εφαρμόζεται σε έναν ημιανορθωτή. Ποια είναι η συχνότητα εξόδου; Ποια είναι η συχνότητα εξόδου για έναν ανορθωτή πλήρους κύματος; ΑΠ.: 50 Hz για ημιανορθωτή. 100 Hz για ανορθωτή πλήρους κύματος. Τι προκαλεί την κυμάτωση τάσης στην έξοδο ενός φίλτρου πυκνωτή; ΑΠ.: Η κυμάτωση τάσης προκαλείται από την ελαφρά φόρτιση και εκφόρτιση του πυκνωτή. 76

77 Ερωτήσεις επανάληψης (3/5) Η αντίσταση φορτίου ενός ανορθωτή πλήρους κύματος με φίλτρο πυκνωτή μειώνεται. Τι επίπτωση έχει αυτή η μείωση στον κυματισμό τάσης; ΑΠ.: Μειώνοντας την αντίσταση φορτίου (R L ), η σταθερά χρόνου αποφόρτισης (R L C) μειώνεται, επομένως η κυμάτωση της τάσης αυξάνεται. Αναφέρατε ένα πλεονέκτημα ενός φίλτρου LC ως προς ένα φίλτρο πυκνωτή. Αναφέρατε ένα μειονέκτημα. ΑΠ.: Ένα φίλτρο LC μειώνει την κυμάτωση τάσης αλλά έχει μικρότερη dc τάση εξόδου από ένα φίλτρο πυκνωτή. 77

78 ΒΑΣΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Φίλτρα Τροφοδοτικών (1/3) Ένα ορισμένο φίλτρο ανορθωτή παράγει μια dc τάση εξόδου των 75 V με πλάτος (peak-to-peak) κυμάτωσης 0.5 V. Υπολογίστε το συντελεστή κυμάτωσης. Ένας ορισμένος ανορθωτής πλήρους κύματος έχει κορυφή τάσης εξόδου 30 V. Ένα φίλτρο πυκνωτή 50 F συνδέεται στον ανορθωτή. Υπολογίστε το πλάτος κυμάτωσης και την dc τάση εξόδου που αναπτύσσεται στα άκρα ενός φορτίου αντίστασης 600 Ω. Πόσο είναι το % ποσοστό κυμάτωσης; H συχνότητα του σήματος στην είσοδο του ανορθωτής είναι 50Hz. 78

79 ΒΑΣΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Φίλτρα Τροφοδοτικών (2/3) Ποιας τιμής πυκνωτής φίλτρου απαιτείται ώστε να επιτυγχάνεται συντελεστής κυμάτωσης 1% στην έξοδο ενός ανορθωτή πλήρους κύματος με φορτίο αντίστασης 1.5 kω; Υποθέστε ότι ο ανορθωτής βγάζει μέγιστη έξοδο 18 V. (Συχνότητα σήματος εισόδου 50 Hz). Απ.: 556 μf. 79

80 ΒΑΣΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Φίλτρα Τροφοδοτικών (3/3) Προσδιορίστε το πλάτος της τάσης κυμάτωσης και τη dc τάση εξόδου του κυκλώματος της παρακάτω εικόνας. Ο μετασχηματιστής έχει 36 V τάση δευτερεύοντος και η γραμμή τάσης έχει συχνότητα 60 Hz. Απ.: V r = 1.25 V, V DC = 48.9 V Εικόνα 44: Φίλτρα Τροφοδοτικών. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 80

81 Δίοδοι Zener (Zener diodes) Η δίοδος Zener είναι μια ειδική περίπτωση διόδου πυριτίου. Η διαφορά της από την απλή δίοδο ανόρθωσης είναι ότι είναι σχεδιασμένη να λειτουργεί (α) με ανάστροφη πόλωση και (β) στην περιοχή διάσπασης (ή περιοχή ανάστροφης κατάρρευσης - reverse breakdown). Εικόνα 44: Φίλτρα Τροφοδοτικών. Πηγή: Συγγραφέας. 81

82 Χαρακτηριστικά Λειτουργίας της Zener (1/2) Καθώς η ανάστροφη τάση V R που εφαρμόζουμε στη zener αυξάνει, το ανάστροφο ρεύμα I R που τη διαρρέει παραμένει εξαιρετικά μικρό μέχρι το σημείο καμπής ( knee ) I ZK. Το σημείο καμπής ακολουθείται από μια σχεδόν κατακόρυφη αύξηση του ρεύματος ως μια μέγιστη τιμή I ZM. Από το σημείο καμπής, η δίοδος zener διατηρεί μια σχεδόν σταθερή τάση στα άκρα της (τάση zener V Z ) για την περιοχή τιμών του ανάστροφου ρεύματος μεταξύ I ZK και I ZΜ. 82

83 Χαρακτηριστικά Λειτουργίας Η ακριβής τιμή της τάσης zener V Z συνήθως αντιστοιχεί στην τιμή του ρεύματος δοκιμής zener (zener test current, I ΖT ) και συμβολίζεται V ΖΤ. Εικόνα 45: Χαρακτηριστικά Λειτουργίας της Zener. Πηγή: Συγγραφέας. της Zener (2/2) 83

84 Αντίσταση της Zener (1/2) Εικόνα 46: Αντίσταση της Zener. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 84

85 Αντίσταση της Zener (2/2) Ιδανική δίοδος Zener. Συχνά, σε προβλήματα και εφαρμογές, θεωρούμε ιδανική δίοδο zener, δηλαδή, R Z = 0 Η μεταβολή V Ζ της τάσης εξόδου μιας ιδανικής zener θεωρείται μηδενική, επομένως η τάση της V Ζ είναι απολύτως σταθερή. 85

86 Παράδειγμα 2.9 Μια συγκεκριμένη δίοδος Zener παρουσιάζει μια μεταβολή 50 mv στη V Z για μια μεταβολή 2 ma στο I Z. Ποια είναι η αντίσταση της Zener; Λύση. 86

87 Παράδειγμα 2.10 (1/3) Η δίοδος zener 1N4758A, στο κύκλωμα της παρακάτω εικόνας, έχει V Z =10V. Χρησιμοποιήστε το ιδανικό μοντέλο για να υπολογίσετε την τάση εξόδου. Ποιό είναι το μέγιστο και ποιό το ελάχιστο ρεύμα της διόδου; Εικόνα 47: Παράδειγμα Πηγή: Συγγραφέας. 87

88 Λύση. Παράδειγμα 2.10 (2/3) Αφού η τάση της πηγής (20 40V) είναι μεγαλύτερη από την τάση διάσπασης της zener (10V), η zener θα λειτουργεί πάντα στην περιοχή διάσπασης. Σύμφωνα με το ιδανικό μοντέλο, μπορούμε να αντικαταστήσουμε τη zener με μια ιδανική πηγή τάσης 10 V. Επομένως, η τάση εξόδου είναι V out = 10 V. Εικόνα 48: Παράδειγμα Πηγή: Συγγραφέας. 88

89 Παράδειγμα 2.10 (3/3) 89

90 Παράδειγμα 2.11 (1/4) Η αντίσταση της διόδου zener 1N4758A της παρακάτω εικόνας είναι 17Ω. Χρησιμοποιήστε το μοντέλο της πραγματικής διόδου για να υπολογίσετε το μέγιστο και ελάχιστο ρεύμα της. Ποιά είναι η μέγιστη και η ελάχιστη τάση εξόδου; Εικόνα 49: Παράδειγμα Πηγή: Συγγραφέας. 90

91 Παράδειγμα 2.11 (2/4) Λύση Σύμφωνα με το πραγματικό μοντάλο, μπορούμε να αντικαταστήσουμε τη zener με μια ιδανική πηγή τάσης 10 V και αντίστασης 17Ω. Εικόνα 50: Παράδειγμα Πηγή: Συγγραφέας. 91

92 Παράδειγμα 2.11 (3/4) 92

93 Παράδειγμα 2.11 (4/4) Λόγω της αντίστασης της διόδου zener, η τάση εξόδου V out θα είναι λίγο μεγαλύτερη από 10 V. Η ελάχιστη τάση εξόδου θα είναι: V out,min = 10V + I Z,min 17Ω = 10V + (9.8mA) (17Ω) 10.2 V Η μέγιστη τάση εξόδου θα είναι: V out,max = 10V + I Z,max 17Ω = 10V + (29.5mA) (17Ω) 10.5 V Εικόνα 51: Παράδειγμα Πηγή: Συγγραφέας. 93

94 Παράδειγμα 2.12 (1/2) Μια συγκεκριμένη δίοδος Zener έχει αντίσταση 5 Ω. Το φύλλο χαρακτηριστικών γι αυτή τη δίοδο δίνει V ZΤ = 6.8 V για I ZΤ = 20 ma, I ZK = 1 ma και I ZΜ = 50 ma. Ποια είναι η τάση στα άκρα της όταν το ρεύμα είναι 30 ma; Όταν είναι 10 ma; Λύση. Σε ρεύμα I ZΤ = 20 ma η τάση της zener είναι V ZΤ = 6.8 V. Τα 30 ma ρεύμα σημαίνουν μια αύξηση ΔI Z = +10 ma πάνω από το I ZΤ. Επομένως, η τάση στη zener θα αυξηθεί ανάλογα κατά και θα γίνει: ΔV Z = ΔI Z R Z = (10 ma) (5 Ω) = +50 mv V Z = 6.8 V + ΔV Z = 6.8 V + 50 mv = 6.85 V 94

95 Παράδειγμα 2.12 (2/2) Επίσης, τα 10 ma ρεύμα σημαίνουν μια μείωση ΔI Z = -10 ma κάτω από το I ZΤ. Η τάση zener μειώνεται ανάλογα κατά Συνεπώς: ΔV Z = (-10 ma) (5 Ω) = 50 mv V Z = 6.8 V 50 mv = 6.75 V Συμπέρασμα: Mε αντίσταση 5 Ω, η τάση εξόδου της zener θα μεταβάλλεται από 6.75 V ως 6.85 V καθώς το ρεύμα που τη διαρρέει θα αλλάζει από 10 σε 30 ma. 95

96 Σταθεροποίηση Τάσης με Zener (Zener Voltage Regulation) (1/2) Καθώς η τάση εισόδου (V IN ) αυξάνει, η τάση εξόδου (V OUT ) παραμένει σταθερή στην τιμή zener V Ζ με την προϋπόθεση Ι ΖΚ < Ι Ζ < Ι ΖΜ. Εικόνα 52: Σταθεροποίηση Τάσης με Zener. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 96

97 Σταθεροποίηση Τάσης με Zener (Zener Voltage Regulation) (2/2) Επίσης, καθώς η τάση εισόδου (V IN ) μειώνεται, η τάση εξόδου (V OUT ) παραμένει σταθερή στην τιμή zener V Ζ (Ι ΖΚ < Ι Ζ < Ι ΖΜ ). Εικόνα 53: Σταθεροποίηση Τάσης με Zener. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 97

98 Παράδειγμα 2.13 (1/4) Η παρακάτω εικόνα δείχνει έναν σταθεροποιητή zener σχεδιασμένο να διατηρεί 10 V στην έξοδο. Υποθέστε ότι το ρεύμα της zener μπορεί να μεταβάλλεται από 4 ma ελάχιστο (I ZK ) ως 40 ma μέγιστο (I ZΜ ). Ποιες είναι η ελάχιστη και μέγιστη τάσεις εισόδου γι αυτά τα ρεύματα; Εικόνα 54: Παράδειγμα Πηγή: Συγγραφέας. 98

99 Παράδειγμα 2.13 (2/4) Λύση. Για το ελάχιστο ρεύμα I ZK, η τάση στα άκρα του αντιστάτη 1.0 kω είναι η ελάχιστη V R,min = I ZK R = (4 ma) (1.0 kω) = 4 V Εφ όσον V R = V IN V Z, V ΙΝ,min = V R,min + V Z = 4 V + 10 V = 14 V 99

100 Παράδειγμα 2.13 (3/4) Για το μέγιστο ρεύμα zener I ZM, η τάση στα άκρα του αντιστάτη 1.0 kω είναι η μέγιστη: V R,max = I ZM R = (40 ma) (1.0 kω) = 40 V Συνεπώς, η μέγιστη τάση εισόδου θα είναι: V ΙΝ,max = V R,max + V Z = 40 V + 10 V = 50 V 100

101 Παράδειγμα 2.13 (4/4) Άρα, αυτή η δίοδος zener μπορεί να επιτύχει σταθεροποίηση για μια τάση εισόδου που μεταβάλλεται από 14 V ως 50 V και διατηρεί σταθερή έξοδο 10 V. Η έξοδος θα μεταβάλλεται ελαφρά από αυτή την τιμή εξ αιτίας της αντίστασης της διόδου zener. Εικόνα 55: Παράδειγμα Πηγή: Συγγραφέας. 101

102 Παράδειγμα 2.15 (1/4) Ποιο είναι το ελάχιστο και το μέγιστο ρεύμα στο φορτίο R L για τα οποία η δίοδος zener της παρακάτω εικόνας θα διατηρεί σταθεροποιημένη τάση στο φορτίο. Υποθέστε ότι το ελάχιστο ρεύμα (I ZK ) της zener είναι 3 ma και το μέγιστο (I ZΜ ) είναι 90 ma. Ποιο είναι το ελάχιστο φορτίο R L που μπορεί να χρησιμοποιηθεί; Εικόνα 56: Παράδειγμα Πηγή: Συγγραφέας. 102

103 Παράδειγμα 2.15 (2/4) Λύση. Για I L = 0, όλο το ρεύμα της πηγής περνά από τη δίοδο, Ι Ζ,max = Ι. Το ρεύμα αυτό είναι: Εφ όσον το ρεύμα αυτό είναι μικρότερο από I ZM, επιτρέπεται να περάσει από τη δίοδο, δηλαδή, μπορούμε να μηδενίσουμε το ρεύμα I L στο φορτίο. Επομένως, Ι L(min) = 0 A 103

104 Παράδειγμα 2.15 (3/4) 104

105 Ποσοστό Σταθεροποίησης (Percent Regulation) (1/2) Η σταθεροποίηση εκφρασμένη σαν ένα νούμερο επί τοις εκατό (%) χρησιμοποιείται για να προσδιορίσει την απόδοση ενός σταθεροποιητή τάσης. Μπορεί να εκφραστεί σε σχέση με τη σταθεροποίηση της τάσης εισόδου (σταθεροποίηση γραμμής) ή τη σταθεροποίηση φορτίου. Η σταθεροποίηση τάσης εισόδου ή γραμμής (line regulation) ορίζεται σαν ο λόγος της μεταβολής στην τάση εξόδου για μια αντίστοιχη μεταβολή στην τάση εισόδου. 105

106 Ποσοστό Σταθεροποίησης (Percent Regulation) (2/2) Η σταθεροποίηση φορτίου (load regulation) εκφράζει πόση μεταβολή συμβαίνει στην τάση εξόδου για μια ορισμένη περιοχή τιμών του ρεύματος στο φορτίο συνήθως από το ελάχιστο ρεύμα (no load, NL) μέχρι το μέγιστο ρεύμα (full load, FL). 106

107 Παράδειγμα 2.12 Ένας συγκεκριμένος σταθεροποιητής έχει τάση εξόδου χωρίς φορτίο 6 V και τάση εξόδου υπό πλήρες φορτίο 5.82 V. Πόση είναι η % σταθεροποίηση φορτίου ; 107

108 Ερωτήσεις επανάληψης (4/5) Οι δίοδοι Zener λειτουργούν κανονικά στην περιοχή της ανάστροφης κατάρρευσης. (Σωστό ή Λάθος) ΑΠ.: Σωστό. Μια συγκεκριμένη δίοδος Zener των 10 V έχει αντίσταση 8 Ω στα 30 ma. Ποια είναι η τάση στους ακροδέκτες της; ΑΠ.: V Z = 10 V+ (30 ma) (8 Ω) = 10.2 V. Σε έναν σταθεροποιητή διόδου zener, για ποια τιμή της αντίστασης φορτίου το ρεύμα zener είναι μέγιστο; ΑΠ.: Το Ι Z είναι μέγιστο για μέγιστο R Z. 108

109 Ερωτήσεις επανάληψης (5/5) Ένας σταθεροποιητής zener έχει τάση εξόδου 12 V χωρίς φορτίο και 11.9 V με πλήρες φορτίο. Ποιο είναι το ποσοστό σταθεροποίησης φορτίου. 109

110 ΒΑΣΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Δίοδοι zener (1/6) Προσδιορίστε την ελάχιστη τάση εισόδου που απαιτείται για να αποκατασταθεί η σταθεροποίηση στην παρακάτω εικόνα. Υποθέστε μια ιδανική δίοδο με I ZΚ = 1.5 ma και V Z = 14 V. Εικόνα 57: Δίοδοι zener. Πηγή: Συγγραφέας. 110

111 ΒΑΣΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Δίοδοι zener (2/6) Ο σταθεροποιητής zener με φορτίο του παρακάτω σχήματος έχει I ZΚ = 1 ma και I ZΜ = 70 ma. Προσδιορίστε το μέγιστο και ελάχιστο επιτρεπόμενο ρεύμα φορτίου. Ποιο είναι το ελάχιστο φορτίο R L που μπορεί να χρησιμοποιηθεί; Εικόνα 58: Δίοδοι zener. Πηγή: Συγγραφέας. 111

112 ΒΑΣΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Δίοδοι zener (3/6) Η δίοδος zener του παρακάτω κυκλώματος σταθεροποίησης έχει τάση V Z = 12 V στα 30 ma. Σε ποια τιμή πρέπει να ρυθμιστεί η μεταβλητή αντίσταση R ώστε να έχουμε ρεύμα zener I Z = 40 ma; Να λάβετε υπ όψη σας την αντίσταση της διόδου R Z = 30 Ω. Εικόνα 59: Δίοδοι zener. Πηγή: Συγγραφέας. 112

113 Λύση. ΒΑΣΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Δίοδοι zener (4/6) I Z = 40 ma σημαίνει μια αύξηση ΔI Z = +10 ma από τα 30 ma. H αύξηση της τάσης zener θα είναι ΔV Z = ΔI Z R Ζ = (+10 ma) (30 Ω) = +0.3 V. Επομένως, στα 40 ma η τάση zener θα είναι V Z = 12 V V = 12.3 V. 113

114 ΒΑΣΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Δίοδοι zener (5/6) 114

115 ΒΑΣΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Δίοδοι zener (6/6) Υπολογίστε το ποσοστό σταθεροποίησης φορτίου στο Πρόβλημα στην διαφάνεια ΒΑΣΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Δίοδοι zener (2/6). 115

116 Εντοπισμός Βλαβών (Τroubleshooting) Διάφοροι τύποι βλαβών μπορεί να συμβούν σε ένα κύκλωμα τροφοδοτικού. Σε αυτήν την παράγραφο, θα εξετάσουμε μερικές από τις πιο πιθανές βλάβες και το αποτέλεσμα που έχουν στη λειτουργία ενός κυκλώματος. Εντοπισμός βλάβης σε ένα κύκλωμα τροφοδοτικού με ανορθωτές σημαίνει: Προσδιορισμός μιας ανοικτής διόδου. Προσδιορισμός μιας βραχυκυκλωμένης διόδου. Προσδιορισμός ενός ανοικτού πυκνωτή φίλτρου. Προσδιορισμός ενός βραχυκυκλωμένου πυκνωτή φίλτρου ή πυκνωτή με διαρροή. 116

117 Ανοικτή δίοδος σε κύκλωμα ημιανορθωτή (open diode) Ημι-ανορθωτής με ανοικτή (καμένη) δίοδο. Ανοικτή (καμένη) δίοδος σημαίνει ότι η αντίστασή της τόσο στην ορθή όσο και στην ανάστροφη πόλωση είναι άπειρη, R d =. Σε αυτήν την περίπτωση, μετράμε 0 V dc στην έξοδο του ανορθωτή. Εικόνα 60: Ανοικτή δίοδος σε κύκλωμα ημι-ανορθωτή. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 117

118 Ανοικτή Δίοδος σε Ανορθωτή Κεντρικής Επαφής Με μια δίοδο ανοικτή το αποτέλεσμα είναι ημιανορθωμένη έξοδος. Για μια τάση εισόδου συχνότητας 60 Hz, θα παρατηρούσαμε στην οθόνη του παλμογράφου αυξημένη κυμάτωση με συχνότητα 60 Hz που αντιστοιχεί στην ημιανόρθωση αντί για 120 Hz της πλήρους ανόρθωσης. Εικόνα 61: Ανοικτή δίοδος σε σε Ανορθωτή Κεντρικής Επαφής. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 118

119 Ανοικτή Δίοδος σε Γέφυρα Ανόρθωσης Μια ανοικτή δίοδος σε έναν ανορθωτή γέφυρας θα δημιουργούσε τα ίδια συμπτώματα με εκείνα του ανορθωτή κεντρικής επαφής. Η ανοικτή δίοδος θα απέτρεπε να περνάει το ρεύμα μέσω του φορτίου R L κατά τη διάρκεια του μισού κύκλου εισόδου με αποτέλεσμα έξοδο μεγάλης κυμάτωσης και συχνότητας 60 Hz για τάση εισόδου συχνότητας 60 Hz. Εικόνα 62: Ανοικτή Δίοδος σε Γέφυρα Ανόρθωσης. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 119

120 Βραχυκυκλωμένη Δίοδος σε Γέφυρα Ανόρθωσης (1/2) Κατά τη θετική ημι-περίοδος, η βραχυκυκλωμένη δίοδος D 1 λειτουργεί σαν μια ορθά πολωμένη δίοδος, έτσι το ρεύμα στο φορτίο είναι κανονικό. Εικόνα 63: Βραχυκυκλωμένη Δίοδος σε Γέφυρα Ανόρθωσης. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 120

121 Βραχυκυκλωμένη Δίοδος σε Γέφυρα Ανόρθωσης (2/2) Κατά την αρνητική ημι-περίοδος, η βραχυκυκλωμένη δίοδος D 1 δημιουργεί σε συνδυασμό με την ορθά πολωμένη δίοδο D 4 ένα βραχυκύκλωμα στα άκρα της πηγής. Σαν αποτέλεσμα, οι D 1 και D 4 ή το δευτερεύον του μετασχηματιστή μπορεί να καούν. Εικόνα 64: Βραχυκυκλωμένη Δίοδος σε Γέφυρα Ανόρθωσης. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 121

122 Συνέπειες της Βραχυκυκλωμένης Διόδου στη Γέφυρα (1/2) Αν καεί η μία δίοδος (D 4 ) θα έχουμε ημι-ανορθωμένη έξοδο. Εικόνα 65: Συνέπειες της Βραχυκυκλωμένης Διόδου στη Γέφυρα. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 122

123 Συνέπειες της Βραχυκυκλωμένης Διόδου στη Γέφυρα (2/2) Αν καούν και οι δύο δίοδοι (D 1 και D 4 ) θα έχουμε έξοδο 0 V. Εικόνα 66: Συνέπειες της Βραχυκυκλωμένης Διόδου στη Γέφυρα. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 123

124 Ανοικτός Πυκνωτής Φίλτρου (Open Capacitor) Ένας ανοικτός (καμένος) πυκνωτής θα είχε σαν αποτέλεσμα μια πλήρως ανορθωμένη τάση στην έξοδο διότι θα έχει χαθεί το φιλτράρισμα. 124

125 Βραχυκυκλωμένος Πυκνωτής Φίλτρου(Shorted Capacitor) Ένας βραχυκυκλωμένος πυκνωτής θα είχε σαν αποτέλεσμα πιθανότατα κάποιες ή όλες τις διόδους να καούν (ανοικτές δίοδοι) λόγω του υπερβολικού ρεύματος μέσα από αυτόν. Σε κάθε περίπτωση, δεν θα υπήρχε καθόλου dc τάση στην έξοδο. 125

126 Πυκνωτής Φίλτρου με Διαρροή (Leaky Capacitor) Ένας πυκνωτής με διαρροή μπορεί να θεωρηθεί σαν μια αντίσταση διαρροής R leak (leak = διαρροή) παράλληλα με το φορτίο R L. Η ολική αντίσταση εξόδου (R L R leak ) μειώνεται σημαντικά. Σαν αποτέλεσμα της μειωμένης αντίστασης εξόδου, η σταθερά χρόνου αποφόρτισης [ = (R L R leak )C] μειώνεται σημαντικά, προκαλώντας μια αύξηση στον κυματισμό της τάσης εξόδου. Εικόνα 67: Πυκνωτής Φίλτρου με Διαρροή. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 126

127 ΒΑΣΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Εντοπισμός Βλαβών (1/9) Από τις ενδείξεις των οργάνων στο παρακάτω σχήμα, προσδιορίστε αν το κύκλωμα του ανορθωτή λειτουργεί σωστά. Αν όχι, προσδιορίστε την (τις) πιο πιθανή (-ες) βλάβη (-ες). Εικόνα 68: Εντοπισμός Βλαβών. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 127

128 ΒΑΣΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Εντοπισμός Βλαβών (2/9) 128

129 ΒΑΣΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Εντοπισμός Βλαβών (3/9) Συνέχεια Λύσης. Τάση εξόδου (DMM3): Βλάβη. Το όργανο είναι dc βολτόμετρο και δείχνει την μέση τάση εξόδου που θα έπρεπε να είναι η σταθεροποιημένη τάση εξόδου. Οι πιθανές βλάβες είναι: (α) Βραχυκυκλωμένος πυκνωτής (σ αυτήν την περίπτωση θα καούν κάποιες ή όλες οι δίοδοι) (β) Ανοικτό (κομμένο) πηνίο. Εικόνα 69: Εντοπισμός Βλαβών. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 129

130 ΒΑΣΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Εντοπισμός Βλαβών (4/9) Κάθε τμήμα του παρακάτω σχήματος δείχνει στην οθόνη του παλμογράφου την τάση εξόδου ενός τροφοδοτικού. Σε κάθε περίπτωση, προσδιορίστε αν το τροφοδοτικό λειτουργεί σωστά και αν όχι, προσδιορίστε την (τις) περισσότερο πιθανή (-ες) βλάβη (-ες). Εικόνα 70: Εντοπισμός Βλαβών. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 130

131 ΒΑΣΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Εντοπισμός Βλαβών (5/9) Για κάθε ομάδα μετρούμενων τάσεων στα σημεία 1, 2 και 3 του παρακάτω κυκλώματος, προσδιορίστε αν υπάρχει σφάλμα και αν ναι, προσδιορίστε την (τις) περισσότερο πιθανή (-ες) βλάβη (-ες). Αναφέρατε τι θα κάνατε για να διορθώσετε το πρόβλημα. V 1 = 110 V rms, V 2 30 V dc, V 3 12 V dc. Απάντηση: Δεν υπάρχει σφάλμα. Η τάση εξόδου αντιστοιχεί στην κανονική τάση V ZT λειτουργίας της zener. Εικόνα 71: Εντοπισμός Βλαβών. Πηγή: Συγγραφέας. 131

132 ΒΑΣΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Εντοπισμός Βλαβών (6/9) V 1 = 110 V rms, V 2 30 V dc, V 3 32 V dc. Απάντηση :Υπάρχει σφάλμα. Η τάση στο 3 είναι ίση περίπου με την τάση στο 2, δηλαδή, δεν υπάρχει πτώση τάσης στον αντιστάτη 330 Ω, άρα το ρεύμα Ι (330Ω) = 0. Επομένως, η zener είναι ανοικτή (καμένη). Εικόνα 72: Εντοπισμός Βλαβών. Πηγή: Συγγραφέας. 132

133 ΒΑΣΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Εντοπισμός Βλαβών (7/9) V 1 = 0 V rms, V 2 0 V dc, V 3 2 V dc. Απάντηση: Δεν υπάρχει καθόλου τάση στην είσοδο. Καμένη ασφάλεια εισόδου F1. Εικόνα 73: Εντοπισμός Βλαβών. Πηγή: Συγγραφέας. 133

134 ΒΑΣΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Εντοπισμός Βλαβών (8/9) V 1 = 110 V rms, V 2 30 V κορυφή πλήρως ανορθωμένης τάση (120 Hz), V 3 12 V, 120 Hz κυμαινόμενη τάση. Απάντηση: Υπάρχει σφάλμα. Απώλεια φιλτραρίσματος. Ο πυκνωτής φίλτρου (1000 μf) είναι ανοικτός (καμένος). Εικόνα 74: Εντοπισμός Βλαβών. Πηγή: Συγγραφέας. 134

135 ΒΑΣΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Εντοπισμός Βλαβών (9/9) (ε) V 1 = 110 V rms, V 2 0 V dc, V 3 0 V dc Απάντηση: Υπάρχει σφάλμα. Μηδενική έξοδος γέφυρας. Πιθανές αιτίες: Βραχυκυκλωμένη μια δίοδος (D1, D2, D3 ή D4). Ανοικτές (καμένες) δύο δίοδοι (D1 και D4 ή D2 και D3). Βραχυκυκλωμένος πυκνωτής. Εικόνα 75: Εντοπισμός Βλαβών. Πηγή: Συγγραφέας. 135

136 Ερωτήσεις εξέτασης (1/5) Η διαδικασία της μετατροπής του ac σε παλλόμενο dc ονομάζεται (α) ψαλιδισμός (β) φόρτιση (γ) ανόρθωση (δ) φιλτράρισμα ΑΠ.: (γ). Η συχνότητα εξόδου ενός ημι-ανορθωτή με 60 Hz ημιτονοειδή είσοδο είναι (α) 30 Hz (β) 60 Hz (γ) 120 Hz (δ) 0 Hz ΑΠ.: (β). O αριθμός διόδων που χρησιμοποιούνται σε έναν ημιανορθωτή είναι (α) μια (β) δύο (γ) τρείς (δ) τέσσερις ΑΠ.: (α). 136

137 Ερωτήσεις εξέτασης (2/5) Αν ένα ημιτονοειδές κύμα 75 V εφαρμοστεί σε έναν ημιανορθωτή, η μέγιστη ανάστροφη τάση στη δίοδο είναι (α) 75 V (β) 150 V (γ) 37.5 V (δ) 0 V ΑΠ.: (α). Η συχνότητα εξόδου ενός ανορθωτή πλήρους κύματος με 60 Hz ημιτονοειδή είσοδο είναι (α) 30 Hz (β) 60 Hz (γ) 120 Hz (δ) 0 Hz ΑΠ.: (γ). 137

138 Ερωτήσεις εξέτασης (3/5) Δύο τύποι ανορθωτών πλήρους κύματος είναι (α) απλής διόδου και διπλής διόδου. (β) πρωτεύων και δευτερεύων. (γ) ορθά πολωμένος και ανάστροφα πολωμένος. (δ) κεντρικής επαφής και γέφυρας. ΑΠ.: (δ). Όταν μια δίοδος σε έναν ανορθωτή κεντρικής επαφής ανοίγει (καίγεται), η έξοδος είναι (α) 0 V. (β) ημι-ανορθωμένη. (γ) μειωμένη σε πλάτος. (δ) δεν επηρεάζεται. ΑΠ.: (β). 138

139 Ερωτήσεις εξέτασης (4/5) Κατά τη διάρκεια της θετικής ημιπεριόδου της τάσης εισόδου σε έναν ανορθωτή γέφυρας. (α) μία δίοδος είναι πολωμένη ορθά. (β) όλες οι δίοδοι είναι πολωμένες ορθά. (γ) όλες οι δίοδοι είναι ανάστροφα πολωμένες. (δ) δύο δίοδοι είναι πολωμένες ορθά. ΑΠ.: (δ). Η διαδικασία της μετατροπής μιας ενός ημι- ή πλήρως ανορθωμένης τάσης σε μια σταθερή dc τάση ονομάζεται. (α) φιλτράρισμα. (β) μετατροπή ac σε dc. (γ) απόσβεση. (δ) απόσβεση κυμάτωσης. ΑΠ.: (α). 139

140 Ερωτήσεις εξέτασης (5/5) Η ελαφρά μεταβολή της τάσης εξόδου ενός dc τροφοδοτικού ονομάζεται : (α) μέση τάση. (β) τίναγμα τάσης. (γ) παραμένουσα τάση. (δ) κυμάτωση τάσης. ΑΠ.: (δ). Μια δίοδος zener είναι σχεδιασμένη για λειτουργία σε: (α) κατάρρευση zener. (β) ορθή πόλωση. (γ) ανάστροφη πόλωση. (δ) κατάρρευση χιονοστιβάδας. ΑΠ.: (α). 140

141 Βιβλιογραφία Albert P. Malvino, «Βασική Ηλεκτρονική», 4η έκδ./2007, ΙSBN: , Εκδ. ΤΖΙΟΛΑ, Κωδικός βιβλίου «ΕΥΔΟΞΟΣ»: Thomas L. Floyd, «Ηλεκτρονικά Στοιχεία», 1η έκδ./2014, ΙSBN: , ΕΚΔΟΤΙΚΟΣ ΟΜΙΛΟΣ ΙΩΝ Γ. Χαριτάντης, «Εισαγωγή στα Ηλεκτρονικά», 2006, ΙSBN: , Εκδ. ΔΕΜΕΡΝΤΖΗΣ ΠΑΝΤΕΛΗΣ, Κωδικός βιβλίου «ΕΥΔΟΞΟΣ»: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hal 141

142 Τέλος Ενότητας

143 Σημείωμα Αναφοράς Copyright ΤΕΙ Δυτικής Μακεδονίας, Γαύρος Κωνσταντίνος. «Ηλεκτρονικά Ι». Έκδοση: 1.0. Κοζάνη 2015.

144 Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Μη Εμπορική Χρήση Παρόμοια Διανομή 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [1] Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο. που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο. που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο. Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί. 144

145 Διατήρηση Σημειωμάτων Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς. το Σημείωμα Αδειοδότησης. τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων. το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει). μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους. 145

146 Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων Το Έργο αυτό κάνει χρήση των ακόλουθων έργων: Εικόνες/Σχήματα/Διαγράμματα/Φωτογραφί ες: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 146