Τροφοδοτική διάταξη με ψηφιακή ένδειξη

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Τροφοδοτική διάταξη με ψηφιακή ένδειξη ΚΟΥΣΙΟΠΟΥΛΟΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ (Α.Ε.Μ.: 13304) ΕΠΙΒΛΕΠΟΝΤΕΣ: ΝΙΚΟΛΑΙΔΗΣ ΣΠΥΡΟΣ (ΑΝΑΠΛ. ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ) ΝΙΚΟΛΑΙΔΗΣ ΜΑΝΩΛΗΣ (ΕΔΙΠ) ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ 2014

2 2

3 ΤΡΟΦΟ ΟΤΙΚΗ ΙΑΤΑΞΗ ΜΕ ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΝ ΕΙΞΗ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ

4 4

5 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Θα ήθελα να ευχαριστήσω τους επιβλέποντες καθηγητές κ. Σπύρο Νικολαΐδη (αναπλ. καθηγητή) και κ. Μανώλη Νικολαΐδη (ΕΔΙΠ), για την πολύτιμη βοήθειά τους στην διεκπεραίωση της παρούσας πτυχιακής εργασίας. 5

6 6

7 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Α) Θεωρητικό μέρος 1. Εισαγωγή Θεωρία τυπωμένων κυκλωμάτων Κατασκευή τροφοδοτικού με το LM Ο σταθεροποιητής τάσης LM Μετασχηματιστές Πυκνωτές Άλλα στοιχεία του κυκλώματος Ψηφιακή ένδειξη τάσης (panel meter) Μετατροπή αναλογικού σήματος σε ψηφιακό Ανάλυση του κυκλώματος του panel meter Επέκταση του τροφοδοτικού Προτάσεις για περαιτέρω έρευνα 45 Β) Πειραματικές μετρήσεις Έλεγχος λειτουργίας 1. Πειραματικές μετρήσεις Έλεγχος λειτουργίας.. 50 Γ) Παράρτημα.. 53 Βιβλιογραφία 55 7

8 8

9 Α. Θεωρητικό μέρος 1. Εισαγωγή Ένα από τα συχνότερα χρησιμοποιούμενα όργανα, που βρίσκουν εφαρμογή τόσο σε πειραματικές όσο και σε καθημερινές εφαρμογές της ηλεκτρονικής, είναι το τροφοδοτικό συνεχούς (DC) τάσης. Η DC τάση χρησιμοποιείται στα περισσότερα ηλεκτρονικά κυκλώματα, είτε ως τροφοδοσία διαφόρων ηλεκτρονικών στοιχείων (π.χ. τρανζίστορ, τελεστικών ενισχυτών, λογικών πυλών κτλ.), είτε επιτελώντας κάποιον ενεργό ρόλο στο κύκλωμα (π.χ. σήμα εισόδου σε λογικές πύλες, σήμα ελέγχου σε ταλαντωτές, τάση αναφοράς σε κυκλώματα συγκριτών κτλ.). Επομένως, η ύπαρξη ενός τροφοδοτικού συνεχούς τάσης σε έναν εργαστηριακό πάγκο (και όχι μόνο) είναι απαραίτητη. Στη συγκεκριμένη εργασία, περιγράφεται η διαδικασία κατασκευής ενός ρυθμιζόμενου τροφοδοτικού συνεχούς τάσης, η έξοδος του οποίου παρέχει τάση από 1,2 έως 27 Volts περίπου. Η βασική οργάνωση ενός τροφοδοτικού παρουσιάζεται στο Σχήμα 1.1. Σχήμα 1.1: Βαθμίδες ενός τροφοδοτικού συνεχούς τάσης Όπως φαίνεται από το παραπάνω σχήμα, ένα τροφοδοτικό αποτελείται από τις ακόλουθες τέσσερις κύριες βαθμίδες: α) Βαθμίδα μετασχηματισμού β) Βαθμίδα ανόρθωσης γ) Βαθμίδα εξομάλυνσης δ) Βαθμίδα σταθεροποίησης Το φορτίο δεν ελήφθη υπόψη παραπάνω, ως βαθμίδα του τροφοδοτικού, καθώς δεν συμμετέχει στην μετατροπή της εναλλασσόμενης τάσης του δικτύου σε συνεχή τάση στην έξοδο του τροφοδοτικού (το οποίο είναι και το ζητούμενο). Ας δούμε τώρα το σκοπό που επιτελεί καθεμία από τις προαναφερθείσες βαθμίδες. Η πρώτη βαθμίδα αποτελείται από έναν μετασχηματιστή, ο οποίος μετατρέπει την υψηλή (εναλλασσόμενη) τάση του δικτύου σε εναλλασσόμενη τάση μικρότερου πλάτους. Με αυτόν τον τρόπο, το πλάτος της εναλλασσόμενης τάσης στην έξοδο του μετασχηματιστή είναι κοντά στην 9

10 περιοχή τιμών τάσης, στην οποία θα κυμαίνεται η DC τάση στην έξοδο του τροφοδοτικού. Η δεύτερη βαθμίδα αποτελείται από ένα κύκλωμα διπλής ανόρθωσης. Το κύκλωμα αυτό έχει ως σκοπό την μετατροπή της εναλλασσόμενης τάσης, στην έξοδο του μετασχηματιστή, σε συνεχή τάση, μεγάλης όμως κυμάτωσης (ίσης με το πλάτος της εναλλασσόμενης τάσης). Η προκύπτουσα αυτή τάση δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί απευθείας ως DC τροφοδοσία για κάποια συσκευή, διότι η μεγάλη κυμάτωση που παρουσιάζει μπορεί να προκαλέσει διάφορα προβλήματα στην ορθή λειτουργία της συσκευής. Για τον λόγο αυτό, είναι απαραίτητη η παρουσία περαιτέρω βαθμίδων, οι οποίες θα βοηθούν στην σταθεροποίηση αυτής της συνεχούς τάσης. Η τρίτη βαθμίδα είναι ουσιαστικά ένα φίλτρο εξομάλυνσης, το οποίο περιλαμβάνει συνήθως (μεταξύ άλλων) έναν ή περισσότερους πυκνωτές. Το φίλτρο αυτό συντελεί στην ελάττωση της κυμάτωσης, η οποία εμφανίζεται στην έξοδο του δικτυώματος διπλής ανόρθωσης (το οποίο προηγείται αυτής της βαθμίδας, όπως περιγράφηκε παραπάνω). Η μείωση αυτή βασίζεται στην αδράνεια την οποία παρουσιάζει ένας πυκνωτής κατά την διάρκεια της φόρτισης και της εκφόρτισής του, η οποία δεν επιτρέπει απότομες μεταβολές της τάσης μεταξύ των οπλισμών του. Η τέταρτη βαθμίδα, η οποία έχει παρόμοια λειτουργία με την προηγούμενη (εξού και ο ίδιος χρωματισμός της τρίτης και της τέταρτης βαθμίδας στο Σχήμα 1.1), αποτελείται από ένα κύκλωμα σταθεροποίησης τάσης (το οποίο μπορεί να αποτελείται από διακριτά στοιχεία ή να είναι σε ολοκληρωμένη μορφή). Η βαθμίδα αυτή έχει ως στόχο την καταστολή οποιουδήποτε εναπομείναντος AC σήματος, το οποίο έχει καταφέρει να διέλθει μέσα από τις προηγούμενες βαθμίδες, με αποτέλεσμα την δημιουργία μίας DC τάσης με αμελητέα κυμάτωση. Σε γενικές γραμμές, αυτή είναι η δομή ενός τροφοδοτικού συνεχούς τάσης. Περαιτέρω ανάλυση των παραπάνω βαθμίδων (με αναφορά και στα αντίστοιχα κυκλώματα) θα εκτεθεί στα επόμενα κεφάλαια. 10

11 2. Θεωρία τυπωμένων κυκλωμάτων Πριν προχωρήσουμε στην ανάλυση του κυκλώματος του συγκεκριμένου τροφοδοτικού, κρίνεται σκόπιμη μία αναφορά στις βασικές τεχνικές κατασκευής τυπωμένων κυκλωμάτων, καθώς ένα πολύ μεγάλο ποσοστό το ηλεκτρονικών κυκλωμάτων σήμερα κατασκευάζονται με βάση αυτές τις τεχνικές (κάτι το οποίο ισχύει και για το συγκεκριμένο κύκλωμα τροφοδοτικού που θα μελετήσουμε στα επόμενα κεφάλαια). Τα τυπωμένα κυκλώματα, γνωστά και ως PCBs (Printed Circuit Boards), αποτελούνται από μία πλακέτα βακελίτη, πάνω στην οποία συνδέονται τα διάφορα ηλεκτρονικά στοιχεία του κυκλώματος. Τα στοιχεία αυτά συνδέονται μεταξύ τους με την βοήθεια χάλκινων διασυνδέσεων, οι οποίες είναι αποτυπωμένες πάνω στον βακελίτη (εξού και η ονομασία τυπωμένα κυκλώματα). Αυτού του είδους η τεχνική αποτελεί μία εξέλιξη των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων, η οποία ήρθε στο προσκήνιο γύρω στη δεκαετία του 50 και παρά το γεγονός ότι τις τελευταίες δεκαετίες έχουν αναπτυχθεί καινούριες μέθοδοι (όπως τα ολοκληρωμένα κυκλώματα), η τεχνική των τυπωμένων κυκλωμάτων συνεχίζει να χρησιμοποιείται σε πάρα πολλές εφαρμογές της ηλεκτρονικής. Όσον αφορά την επιχάλκωση της πλακέτας (βακελίτη), τα τυπωμένα κυκλώματα χωρίζονται σε τρεις κατηγορίες: α) Απλής επιχάλκωσης (single sided): Η πλακέτα είναι επιχαλκωμένη μόνο από τη μία πλευρά. β) Διπλής επιχάλκωσης (double sided): Η πλακέτα είναι επιχαλκωμένη και από τις δύο πλευρές. γ) Πολλαπλής επιχάλκωσης (multi layer): Υπάρχουν πολλαπλά επίπεδα βακελίτη και χαλκού, τα οποία επικοινωνούν μεταξύ τους με την βοήθεια ειδικών διασυνδέσεων. Η πλακέτα του συγκεκριμένου τροφοδοτικού ανήκει στην πρώτη από τις παραπάνω κατηγορίες. Σχήμα 2.1: Παραδείγματα τυπωμένων κυκλωμάτων 11

12 Τα τυπωμένα κυκλώματα παρουσιάζουν πολλά πλεονεκτήματα, σε σχέση με παλαιότερες τεχνικές, από τα οποία τα σημαντικότερα είναι τα ακόλουθα: α) Μείωση του χώρου που καταλαμβάνει ένα κύκλωμα. β) Μείωση του βάρους των ηλεκτρονικών συσκευών (μέχρι και 10 φορές). γ) Ελάττωση του κόστους. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, η πλακέτα του συγκεκριμένου τροφοδοτικού ανήκει στην κατηγορία απλής επιχάλκωσης, δηλαδή είναι επιχαλκωμένη μόνο από τη μία πλευρά. Τέτοιου είδους πλακέτες υφίστανται μία επεξεργασία, με την βοήθεια της οποίας μένει αποτυπωμένο πάνω στην πλακέτα το επιθυμητό σχέδιο του κυκλώματος, ενώ τα περιττά τμήματα χαλκού απομακρύνονται. Υπάρχουν τρεις βασικές μέθοδοι για να πραγματοποιηθεί η παραπάνω επεξεργασία: Α) Απλή μέθοδος Η μέθοδος αυτή αποτελείται από τα ακόλουθα βήματα: Βήμα 1: Κατασκευάζουμε την μακέτα του κυκλώματος (βασιζόμενοι στο ηλεκτρονικό του σχέδιο). Βήμα 2: Μεταξύ της μακέτας και του χαλκού (δηλαδή της επιχαλκωμένης πλευράς της πλακέτας), τοποθετούμε καρμπόν γραφομηχανής και με ένα στυλό ή μολύβι αποτυπώνουμε την μακέτα πάνω σ αυτόν. Βήμα 3: Με την βοήθεια ανεξίτηλου μαρκαδόρου, μαρκάρουμε (πάνω στον χαλκό) το σχέδιο της μακέτας, που έχει αποτυπωθεί από το προηγούμενο βήμα. Βήμα 4: Εισάγουμε την πλακέτα σε ένα δοχείο, μέσα στο οποίο υπάρχει διάλυμα τριχλωριούχου σιδήρου (FeCl 3 ) σε νερό, σε αναλογία 2:3. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τα τμήματα του χαλκού τα οποία δεν είναι προστατευμένα από τον μαρκαδόρο να απομακρύνονται από τον βακελίτη. Με αυτόν τον τρόπο, μένει πάνω στην πλακέτα μόνο το επιθυμητό σχέδιο του κυκλώματος. Βήμα 5: Πλένουμε την πλακέτα με νερό, ώστε να καθαριστεί από το διάλυμα FeCl 3, και στη συνέχεια καθαρίζουμε τις χάλκινες διασυνδέσεις από τον μαρκαδόρο (με λίγο οινόπνευμα ή ασετόν). Βήμα 6: Με ένα μικρό τρυπάνι ανοίγουμε τις κατάλληλες οπές (στην πλακέτα), στις οποίες θα τοποθετηθούν τα διάφορα ηλεκτρονικά εξαρτήματα. Βήμα 7: Με την βοήθεια του ειδικού εργαλείου κόλλησης, στερεώνονται όλα τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα πάνω στην πλακέτα (με προσοχή ώστε να αποφευχθούν τυχόν βραχυκυκλώματα ή ασταθείς κολλήσεις). 12

13 Β) Μέθοδος αρνητικού φιλμ Η μέθοδος αυτή αποτελείται από τα ακόλουθα βήματα: Βήμα 1: Σχεδιάζουμε την μακέτα του κυκλώματος (βασιζόμενοι στο ηλεκτρονικό σχέδιο), με την βοήθεια ειδικών προγραμμάτων στον υπολογιστή. Βήμα 2: Φωτογραφίζουμε την μακέτα και στη συνέχεια εμφανίζουμε το φιλμ (δηλαδή το αρνητικό). Αν υπάρχουν κάποιες ατέλειες, τις διορθώνουμε με ειδικό μαρκαδόρο. Βήμα 3: Με την βοήθεια ειδικού ρολού (κατάλληλου για επάλειψη) ή με ψεκασμό, τοποθετούμε πάνω στην πλακέτα μία φωτοευπαθή ουσία, δηλαδή ένα οργανικό διάλυμα, το οποίο όταν εκτεθεί σε ακτινοβολία συγκεκριμένου μήκους κύματος πολυμερίζεται και καθίσταται αδιάλυτο (σε ουσίες οι οποίες, κάτω από κανονικές συνθήκες, το διαλύουν). Για να απλωθεί η φωτοευπαθής ουσία ομοιόμορφα σε όλη την επιφάνεια της πλακέτας, την τοποθετούμε σε ειδική συσκευή φυγοκέντρισης, στην οποία η πλακέτα περιστρέφεται με συχνότητα περίπου 2 Hz (δηλαδή 120 στροφές το λεπτό). Βήμα 4: Τοποθετούμε το φιλμ πάνω στην πλακέτα, από την πλευρά του χαλκού (από την μεριά, δηλαδή, στην οποία έχει απλωθεί η φωτοευπαθής ουσία). Στη συνέχεια, εισάγουμε την πλακέτα (μαζί με το φιλμ) σε ειδικό θάλαμο, όπου εκτίθεται σε υπεριώδη ακτινοβολία, για δέκα περίπου λεπτά. Η φωτοευπαθής ουσία στα μέρη της πλακέτας τα οποία βρίσκονται κάτω από τις διαφανείς περιοχές του φιλμ (αυτές, δηλαδή, που αντιστοιχούν στους αγωγούς του κυκλώματος) πολυμερίζεται, ενώ με την υπόλοιπη ποσότητα της φωτοευπαθούς ουσίας (η οποία βρίσκεται κάτω από τις αδιαφανείς περιοχές του φιλμ) δεν συμβαίνει το ίδιο. Βήμα 5: Σε αυτή τη φάση, η πλακέτα τοποθετείται σε ειδικό δοχείο, μέσα στο οποίο ψεκάζεται με ένα εμφανιστικό υγρό, για περίπου 2 3 λεπτά. Στη συνέχεια, εισάγεται σε δεύτερο δοχείο, το οποίο περιέχει ένα χρωματικό υγρό. Το υγρό αυτό χρησιμοποιείται για δύο λόγους: α) για την απομάκρυνση της φωτοευπαθούς ουσίας που δεν έχει πολυμεριστεί και β) για τον χρωματισμό των τμημάτων της πλακέτας, τα οποία μετέπειτα θα αποτελέσουν τους αγωγούς του κυκλώματος. Βήμα 6: Στο σημείο αυτό, πραγματοποιείται αποχάλκωση της πλακέτας, όπως ακριβώς γίνεται και στην απλή μέθοδο. Η μόνη διαφορά έγκειται στην χρησιμοποίηση και άλλων χημικών ενώσεων, πέραν του τριχλωριούχου σιδήρου, όπως: χλωριούχος χαλκός (CuCl), μείγματα χρωμικού (CrO 3 ) και θειικού οξέος (H 2 SO 4 ), κυανιούχο νάτριο (NaCN), διαλύματα νιτρικού οξέος (ΗΝΟ 3 ) κτλ. Βήμα 7: Σε αυτή τη φάση, καθαρίζουμε την πλακέτα από τις διάφορες χημικές ουσίες, όπως ακριβώς γίνεται και στην απλή μέθοδο. Βήμα 8: Αυτή είναι η τελευταία φάση επεξεργασίας της πλακέτας, κατά την οποία ανοίγουμε (με ένα μικρό τρυπανάκι) τις κατάλληλες οπές, 13

14 όπου θα τοποθετηθούν τα διάφορα ηλεκτρονικά εξαρτήματα (όπως ακριβώς και στην απλή μέθοδο). Βήμα 9: Στερεώνουμε τα εξαρτήματα πάνω στην πλακέτα, με τη βοήθεια της ειδικής κόλλησης (όπως και στην απλή μέθοδο). Γ) Μέθοδος θερμοδιαφάνειας Η μέθοδος αυτή αποτελείται από τα ακόλουθα βήματα: Βήμα 1: Με την βοήθεια ειδικών σχεδιαστικών προγραμμάτων (στον υπολογιστή), φτιάχνουμε την μακέτα του κυκλώματος (έχοντας, προφανώς, υπόψη το ηλεκτρονικό σχέδιο) και στη συνέχεια την εκτυπώνουμε. Βήμα 2: Με την βοήθεια φωτοτυπικού, περνάμε την μακέτα σε μία θερμοδιαφάνεια, η οποία θα χρησιμεύσει αργότερα ως μάσκα για την αποτύπωση του κυκλώματος πάνω στην πλακέτα (από την πλευρά του χαλκού). Βήμα 3: Η επιχαλκωμένη πλευρά της πλακέτας είναι επιστρωμένη με μία φωτοευπαθή ουσία. Για την προστασία της φωτοευπαθούς ουσίας, η πλακέτα είναι καλυμμένη με ένα λεπτό πλαστικό σκούρου χρώματος (ώστε να μην επιτρέπεται η διέλευση φωτός και η πρόσπτωσή του στην φωτοευπαθή ουσία). Όταν η θερμοδιαφάνεια είναι έτοιμη, απομακρύνουμε το λεπτό πλαστικό από την πλακέτα και στην θέση του τοποθετούμε την θερμοδιαφάνεια και ένα κομμάτι γυαλί (από πάνω). Στη συνέχεια, εισάγουμε την πλακέτα (μαζί με την θερμοδιαφάνεια και το γυαλί) σε ειδικό θάλαμο, μέσα στον οποίο εκτίθεται σε υπεριώδη ακτινοβολία, για δεκαπέντε περίπου λεπτά. Η διαδικασία αυτή είναι ανάλογη με αυτήν που περιγράφηκε στο Βήμα 4 της προηγούμενης μεθόδου, με την διαφορά ότι εδώ τα τμήματα του χαλκού, που θα αποτελέσουν τους αγωγούς του κυκλώματος, προστατεύονται (με την βοήθεια της θερμοδιαφάνειας) από την έκθεση στην ακτινοβολία. Σχήμα 2.2: Η πλακέτα που χρησιμοποιήθηκε για την κατασκευή του τροφοδοτικού. 14

15 Βήμα 4: Στο σημείο αυτό, κάνουμε αποχάλκωση της πλακέτας, όπως ακριβώς και στην απλή μέθοδο. Βήμα 5: Καθαρίζουμε την πλακέτα από την φωτοευπαθή ουσία. Βήμα 6: Ανοίγουμε στην πλακέτα τις κατάλληλες οπές (με ένα μικρό τρυπανάκι), στις οποίες θα τοποθετηθούν τα διάφορα ηλεκτρονικά εξαρτήματα. Βήμα 7: Κολλάμε τα διάφορα εξαρτήματα με το ειδικό εργαλείο κόλλησης (όπως και στην απλή μέθοδο). Εδώ θα πρέπει να σημειωθεί ότι η πλακέτα του τροφοδοτικού, το οποίο μελετάμε στην συγκεκριμένη εργασία, έχει κατασκευαστεί με βάση την μέθοδο της θερμοδιαφάνειας. Στο Σχήμα 2.2 φαίνεται η πλακέτα του τροφοδοτικού (από δύο διαφορετικές οπτικές γωνίες). 15

16 16

17 3. Κατασκευή τροφοδοτικού με το LM317 Στο κεφάλαιο αυτό θα μελετήσουμε το βασικό κύκλωμα του τροφοδοτικού (το οποίο αποτελεί το αντικείμενο της συγκεκριμένης εργασίας) τόσο ως προς την λειτουργία του, όσο και ως προς τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των διαφόρων ηλεκτρονικών εξαρτημάτων που το απαρτίζουν. Το κύκλωμα αυτό, μαζί με το κύκλωμα προστασίας (πριν τον μετασχηματιστή), φαίνεται στο Σχήμα 3.1. Σχήμα 3.1: Το ηλεκτρονικό κύκλωμα του τροφοδοτικού. Όπως είναι φανερό από το Σχήμα 3.1, το τμήμα του κυκλώματος πριν τον μετασχηματιστή, δηλαδή το κύκλωμα προστασίας, αποτελείται από μία ασφάλεια (η οποία προστατεύει το υπόλοιπο κύκλωμα από πιθανές υπερεντάσεις) και από ένα λαμπάκι 220 V, το οποίο δείχνει πότε το τροφοδοτικό βρίσκεται σε λειτουργία. Στη συνέχεια, ακολουθούν οι διάφορες βαθμίδες του τροφοδοτικού, οι οποίες είχαν παρουσιαστεί νωρίτερα στο Σχήμα 1.1 και είναι οι ακόλουθες: α) Βαθμίδα μετασχηματισμού τάσης: Αποτελείται από τον μετασχηματιστή Τ 1, ο οποίος μετασχηματίζει την υψηλή τάση του δικτύου (220 V) σε εναλλασσόμενη τάση χαμηλότερης τιμής (συγκεκριμένα 30 V). β) Βαθμίδα ανόρθωσης τάσης: Αποτελείται από την γέφυρα B80 C , η οποία πραγματοποιεί πλήρη ανόρθωση της εναλλασσόμενης τάσης που δέχεται στην είσοδό της. γ) Βαθμίδα εξομάλυνσης: Αποτελείται από τον πυκνωτή C 1 και έχει ως σκοπό την δραστική μείωση της κυμάτωσης της τάσης που εξέρχεται από την γέφυρα ανόρθωσης (γεγονός το οποίο επιτυγχάνεται λόγω της πολύ μεγάλης χωρητικότητας του συγκεκριμένου πυκνωτή). δ) Βαθμίδα σταθεροποίησης: Αποτελείται από τους πυκνωτές C 2, C 3 και C 4, τις διόδους D 1 και D 2, την αντίσταση R 1, το ποτενσιόμετρο R 2 και το ολοκληρωμένο κύκλωμα (Ο.Κ.) LM317. Η βαθμίδα αυτή έχει ως στόχο την πλήρη εξαφάνιση της εναπομείνασας κυμάτωσης του εξομαλυμένου σήματος και, συνεπώς, την δημιουργία μίας πολύ ικανοποιητικής συνεχούς τάσης εξόδου. 17

18 Τα διάφορα ηλεκτρονικά εξαρτήματα των προαναφερθέντων βαθμίδων θα εξεταστούν πιο αναλυτικά στα υποκεφάλαια που ακολουθούν. 3.1 Ο σταθεροποιητής τάσης LM317 Ένα από τα βασικότερα στοιχεία του κυκλώματος του τροφοδοτικού (αν όχι το σημαντικότερο) είναι το ολοκληρωμένο κύκλωμα σταθεροποίησης τάσης (voltage regulator) LM317. Το ολοκληρωμένο αυτό, το οποίο φαίνεται στο Σχήμα 3.2, έχει διαστάσεις ενός απλού τρανζίστορ, διαθέτει ειδική οπή, μέσω της οποίας μπορεί να βιδωθεί σε ψύκτρα, και ο ρόλος του είναι να εξαλείφει οποιοδήποτε υπόλοιπο εναλλασσόμενης τάσης εφαρμόζεται στην είσοδό του (χρησιμοποιούμε την λέξη «υπόλοιπο», καθώς ένα μέρος της κυμάτωσης εξουδετερώνεται από τον πυκνωτή C 1 ). Στο συγκεκριμένο τροφοδοτικό, έχει επιλεγεί ένα Ο.Κ. LM317 συσκευασμένο σε θήκη ΤΟ-220 (όπως το δεύτερο από τα τέσσερα Ο.Κ. στην αριστερή πλευρά του Σχήματος 3.2). Όπως φαίνεται στο Σχήμα 3.2, το LM317 έχει τρεις ακροδέκτες, οι οποίοι είναι οι ακόλουθοι: Ακροδέκτης εισόδου: Συμβολίζεται με V in και είναι ο ακροδέκτης στον οποίο εφαρμόζεται η συνεχής τάση η οποία πρόκειται να σταθεροποιηθεί. Ακροδέκτης ρύθμισης: Συμβολίζεται με Adj (δηλαδή adjust) και με την βοήθεια του συγκεκριμένου ακροδέκτη επιτυγχάνεται ρύθμιση της τιμής της τάσης εξόδου. Ακροδέκτης εξόδου: Συμβολίζεται με V out και είναι ο ακροδέκτης από τον οποίο λαμβάνεται η σταθεροποιημένη (συνεχής) τάση, η οποία μπορεί πλέον να τροφοδοτήσει μία ηλεκτρονική συσκευή. Ένα αναλυτικό σχεδιάγραμμα του Ο.Κ. LM317 παρουσιάζεται στο Σχήμα 3.3, όπου διακρίνονται τα διάφορα ηλεκτρονικά στοιχεία από τα οποία αποτελείται, δηλαδή: διπολικά τρανζίστορ (BJT), τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (FET), αντιστάσεις, πυκνωτές και δίοδοι. Φυσικά, όλα τα προαναφερθέντα ηλεκτρονικά εξαρτήματα είναι κατασκευασμένα σε μικροηλεκτρονική μορφή (εξού και η ονομασία ολοκληρωμένο κύκλωμα). Σχήμα 3.2: Το ολοκληρωμένο κύκλωμα LM

19 Σχήμα 3.3: Αναλυτικό σχεδιάγραμμα του Ο.Κ. LM317. Στη συνέχεια, θα αναφερθούμε σε κάποια σημαντικά χαρακτηριστικά του συγκεκριμένου ολοκληρωμένου κυκλώματος: α) Μέγιστη τάση εισόδου εξόδου: Με τον όρο αυτό, αναφερόμαστε στην μέγιστη τιμή την οποία μπορεί να πάρει η διαφορά δυναμικού μεταξύ των ακροδεκτών εισόδου (In) και εξόδου (Out) του LM317. Η εν λόγω διαφορά δυναμικού δεν μπορεί να ξεπεράσει τα 40 V. Αν εφαρμόσουμε, για παράδειγμα, στην είσοδό του μία τάση ίση με 50 V, τότε η τιμή της σταθεροποιημένης τάσης, την οποία μπορούμε να πάρουμε (από την έξοδο του ολοκληρωμένου), θα κυμαίνεται στο διάστημα μεταξύ 10 και 47 V. Η απόκλιση της μέγιστης τιμής της σταθεροποιημένης τάσης από τα 50 V θα εξηγηθεί παρακάτω. β) Τάση dropout: Το μέγεθος αυτό αντιπροσωπεύει την πτώση τάσης μέσα στο ολοκληρωμένο. Η τάση αυτή είναι ίση με 3 V, το οποίο σημαίνει ότι η μέγιστη τιμή της σταθεροποιημένης τάσης, που μπορούμε να πάρουμε, είναι κατά 3 V μικρότερη από την τιμή της τάσης εισόδου του ολοκληρωμένου (γεγονός το οποίο εξηγεί την τιμή των 47 V στο προηγούμενο παράδειγμα). γ) Ελάχιστη τάση εξόδου: Η τάση αυτή, όπως γίνεται φανερό από το όνομά της, είναι η μικρότερη δυνατή σταθεροποιημένη τάση, η οποία μπορεί να ληφθεί από την έξοδο του LM317. Η τιμή της ισούται με 1,25 V και είναι ίση με την διαφορά δυναμικού μεταξύ του ακροδέκτη ρύθμισης και του ακροδέκτη εξόδου του ολοκληρωμένου. δ) Μέγιστο ρεύμα εξόδου: Το μέγιστο ρεύμα το οποίο μπορεί να ληφθεί από τον ακροδέκτη εξόδου του LM317 είναι 1,5 Α, εφόσον το ολοκληρωμένο είναι βιδωμένο πάνω σε ψύκτρα (ώστε να υπάρχει επαρκής απαγωγή θερμότητας). Σε αντίθετη περίπτωση, η μέγιστη ένταση ρεύματος που μπορεί να αναπτυχθεί είναι περίπου 0,7 Α, καθώς μετά από την τιμή αυτή ενεργοποιείται το 19

20 εσωτερικό κύκλωμα προστασίας από υπερθέρμανση, με αποτέλεσμα την διακοπή της τάσης εξόδου (και, κατά συνέπεια, της λειτουργίας του τροφοδοτικού). ε) Κυμάτωση εξόδου: Με τον όρο αυτό αναφερόμαστε στο πηλίκο της κυμάτωσης στον ακροδέκτη εξόδου του LM317 προς την κυμάτωση στον ακροδέκτη εισόδου, εκφρασμένο σε db. Το συγκεκριμένο ολοκληρωμένο παρουσιάζει κυμάτωση εξόδου -80 db, το οποίο σημαίνει ότι το πλάτος της κυμάτωσης στην έξοδο είναι φορές μικρότερο από αυτό στην είσοδο. Αυτό μπορεί να αποδειχθεί ως εξής: V r( out) Vr ( out) Vr ( out) 20log 80 log 4 10 Vr ( in) Vr ( in) Vr ( in) V 4 r ( in) Vr ( out ) 10 Vr ( in) Vr ( out ) στ) Μέγιστη καταναλισκόμενη ισχύς: Η τιμή αυτής της ισχύος είναι 15 W, με την προϋπόθεση ότι το ολοκληρωμένο είναι βιδωμένο πάνω σε ψύκτρα. Σε αντίθετη περίπτωση, η θερμοκρασία του ολοκληρωμένου αυξάνεται, με αποτέλεσμα την ενεργοποίηση του εσωτερικού κυκλώματος προστασίας και την διακοπή της λειτουργίας του ολοκληρωμένου. Στη συνέχεια παρατίθενται μερικά σχήματα, στα οποία παρουσιάζονται κάποια σημαντικά χαρακτηριστικά του LM317. Σχήμα 3.4: Ρεύμα εξόδου σαν συνάρτηση της τάσης εισόδου εξόδου. 20

21 Σχήμα 3.5: Θερμοκρασιακή σταθερότητα της τάσης αναφοράς. Σχήμα 3.6: Απόρριψη κυμάτωσης σαν συνάρτηση της τάσης εξόδου. 21

22 Σχήμα 3.7: Απόρριψη κυμάτωσης σαν συνάρτηση του ρεύματος εξόδου. Σχήμα 3.8: Απόρριψη κυμάτωσης σαν συνάρτηση της συχνότητας. 22

23 Εδώ θα πρέπει να σημειωθεί ότι το LM317 διαθέτει εσωτερικό κύκλωμα προστασίας από βραχυκυκλώματα. Στη συνέχεια, παρατίθεται η μαθηματική σχέση, η οποία συνδέει την τάση εξόδου του LM317 με τις τιμές των αντιστάσεων R 1 και R 2 του σχήματος 3.1: V out R 2 Vref 1 I AdjR2 (3.1) R1 Από την παραπάνω σχέση γίνεται φανερό πόσο σημαντική είναι η θερμοκρασιακή σταθερότητα της V ref, δηλαδή της τάσης μεταξύ των ακροδεκτών ρύθμισης και εξόδου (όπως φαίνεται στο σχήμα 3.5), αφού ακόμη και μια μικρή μεταβολή στην V ref πολλαπλασιάζεται (όπως φαίνεται από την παραπάνω σχέση) με τον παράγοντα (1+R 2 /R 1 ), με αποτέλεσμα μια αρκετά αισθητή μεταβολή στην τάση εξόδου. Μέχρι στιγμής, έχουμε ασχοληθεί με την λειτουργία του LM317, καθώς επίσης και με τα διάφορα χαρακτηριστικά του. Για να ολοκληρωθεί η ανάλυση του συγκεκριμένου ολοκληρωμένου κυκλώματος, θα πρέπει να μελετήσουμε και τα ηλεκτρονικά στοιχεία που απαρτίζουν το εξωτερικό κύκλωμα. Συγκεκριμένα, τα στοιχεία αυτά είναι τα ακόλουθα: α) Πυκνωτής C 1 : Είναι ένας ηλεκτρολυτικός πυκνωτής, χωρητικότητας 2200 μf, ο οποίος συνδέεται αμέσως μετά την γέφυρα ανόρθωσης, με σκοπό μία πρώτη εξομάλυνση της τάσης (πριν αυτή εφαρμοστεί στο LM317). β) Πυκνωτής C 2 : Είναι ένας πολυεστερικός πυκνωτής, μικρής σχετικά χωρητικότητας (100 nf), ο οποίος τοποθετείται μεταξύ της εισόδου του LM317 και της γείωσης, έτσι ώστε να αποφεύγονται τυχόν αυτοδιεγέρσεις. γ) Πυκνωτής C 3 : Είναι ένας ηλεκτρολυτικός πυκνωτής (τανταλίου), χωρητικότητας 10 μf, ο ρόλος του οποίου είναι να σταθεροποιεί εντελώς την τάση που εφαρμόζεται στον ακροδέκτη ρύθμισης του LM317. δ) Πυκνωτής C 4 : Είναι ένας ηλεκτρολυτικός πυκνωτής, χωρητικότητας 1 μf, ο οποίος συνδέεται στην έξοδο του κυκλώματος, με σκοπό την εξουδετέρωση οποιασδήποτε εναπομείνασας κυμάτωσης στην τάση εξόδου. ε) Δίοδος D 1 : Η δίοδος αυτή συνδέεται μεταξύ των ακροδεκτών In και Out (με φορά όπως φαίνεται στο σχήμα 3.1). Σε κανονικές συνθήκες λειτουργίας, η δίοδος D 1 είναι ανάστροφα πολωμένη, επομένως λειτουργεί σαν ανοικτό κύκλωμα (δηλαδή, είναι σαν να μην υπάρχει στο κύκλωμα). Η χρησιμότητα της συγκεκριμένης διόδου είναι να προστατεύει το LM317 από τυχόν βραχυκύκλωμα της εισόδου του ολοκληρωμένου. Αν συμβεί, δηλαδή, ένα τέτοιο βραχυκύκλωμα, ο πυκνωτής C 4 θα εκφορτιστεί μέσω της D 1 και όχι μέσω του LM317. στ) Δίοδος D 2 : Η δίοδος αυτή συνδέεται μεταξύ των ακροδεκτών ρύθμισης και εξόδου και χρησιμοποιείται για λόγους προστασίας, όπως ακριβώς και η D 1. Συγκεκριμένα, αν συμβεί κάποιο βραχυκύκλωμα στην έξοδο του LM317, τότε ο πυκνωτής C 3 εκφορτίζεται μέσω της D 2 και όχι μέσω του ολοκληρωμένου. Επιπλέον, ο συνδυασμός των διόδων D 1 και D 2 προστατεύει 23

24 το ολοκληρωμένο από εκφόρτιση του C 3, σε περίπτωση βραχυκυκλώματος της εισόδου. ζ) Αντίσταση R 1 : Η αντίσταση αυτή έχει τιμή ίση με 240 Ω και μαζί με την R 2 δημιουργεί έναν διαιρέτη τάσης, από τον οποίο καθορίζεται η τιμή της τάσης που εφαρμόζεται στον ακροδέκτη ρύθμισης του LM317. η) Αντίσταση R 2 : Η αντίσταση αυτή έχει τιμή η οποία καθορίζεται από την τιμή της τάσης εξόδου που θέλουμε να επιτύχουμε. Συγκεκριμένα, για να υπολογίσουμε την τιμή της, λύνουμε την σχέση (3.1) ως προς R 2, θεωρώντας το ρεύμα I Adj αμελητέο (κάτι το οποίο δεν απέχει πολύ από την πραγματικότητα, αφού η τιμή του είναι συνήθως μερικά μα). Έτσι, προκύπτει η ακόλουθη σχέση για την R 2 : Vout R 2 R1 1 (3.2) Vref Επίσης, θα πρέπει να σημειωθεί ότι αν στη θέση της R 2 τοποθετήσουμε ένα ποτενσιόμετρο, τότε θα έχουμε μία ρυθμιζόμενη (σταθεροποιημένη) τάση εξόδου, κάτι το οποίο εφαρμόζουμε στο συγκεκριμένο τροφοδοτικό. Αν στη σχέση (3.2) θέσουμε V out = 26 V (δηλαδή, 30 V στην έξοδο του μετασχηματιστή μείον 1 V περίπου, το οποίο χάνεται στη γέφυρα ανόρθωσης, μείον την τάση dropout, που είναι 3 V), παίρνουμε: R 2 = 4752 Ω. Όπως παρατηρούμε, η τιμή αυτή είναι πολύ κοντά στην τιμή του ποτενσιομέτρου που χρησιμοποιήσαμε στο κύκλωμα (δηλαδή 4,7kΩ). 3.2 Μετασχηματιστές Ένα απαραίτητο στοιχείο σε κάθε διάταξη σταθεροποίησης τάσης είναι ο μετασχηματιστής, με τη βοήθεια του οποίου μπορούμε να μετασχηματίζουμε εναλλασσόμενες τάσεις. Η ύπαρξη του μετασχηματιστή σε τέτοιου είδους κυκλώματα είναι αναπόφευκτη, καθώς η υψηλή τάση του δικτύου είναι ακατάλληλη για την παραγωγή συνεχούς τάσης μικρής σχετικά τιμής (μέσω μιας διαδικασίας σταθεροποίησης). Πριν ξεκινήσουμε, όμως, την περιγραφή της λειτουργίας του μετασχηματιστή, είναι χρήσιμο να αναφερθούμε σε κάποιες βασικές έννοιες του ηλεκτρομαγνητισμού, οι οποίες σχετίζονται με αυτόν. Όπως είναι γνωστό, στο χώρο γύρω από έναν ρευματοφόρο αγωγό δημιουργείται μαγνητικό πεδίο. Μία πολύ σημαντική έννοια του ηλεκτρομαγνητισμού είναι αυτή της μαγνητικής ροής, η οποία περιγράφει τον αριθμό των δυναμικών γραμμών του πεδίου που διέρχονται μέσα από κάποια επιφάνεια. Η σχέση ορισμού της ροής του μαγνητικού πεδίου είναι η εξής: BS cos (3.3) 24

25 Σύμφωνα με τον νόμο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής του Faraday, μία χρονικά μεταβαλλόμενη μαγνητική ροή δημιουργεί μία ηλεκτρεγερτική δύναμη (Η.Ε.Δ.), δηλαδή μια διαφορά δυναμικού, μεταξύ δύο σημείων ενός αγωγού. Η μαθηματική έκφραση αυτού του φαινομένου είναι η ακόλουθη: - (3.4) t όπου: Ε = η Η.Ε.Δ. εξ επαγωγής Φ = η μαγνητική ροή. Στο φαινόμενο αυτό, όπως θα δούμε παρακάτω, βασίζεται η λειτουργία των μετασχηματιστών. Πριν περάσουμε στην εξήγηση της λειτουργίας των μετασχηματιστών, θα πρέπει να μιλήσουμε για το βασικότερο στοιχείο ενός μετασχηματιστή, δηλαδή το πηνίο. Εάν ένα πηνίο βρεθεί μέσα σε ένα χρονικά μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο, σύμφωνα με όσα προαναφέρθηκαν σχετικά με το νόμο του Faraday, θα αναπτυχθεί στα άκρα του μία Η.Ε.Δ. εξ επαγωγής, η οποία δίνεται από τη σχέση (3.4). Σχήμα 3.9: Παραδείγματα πηνίων. Επίσης, αν ένα πηνίο διαρρέεται από εναλλασσόμενο ρεύμα, τότε στο εσωτερικό του αναπτύσσεται ένα χρονικά μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο. Το πεδίο αυτό δημιουργεί μία μεταβαλλόμενη μαγνητική ροή, η οποία έχει ως αποτέλεσμα την εμφάνιση μίας τάσης στα άκρα του πηνίου (τάση λόγω αυτεπαγωγής), η φορά της οποίας είναι τέτοια ώστε να αντιτίθεται στο αίτιο που την προκάλεσε (κανόνας του Lenz). Η αυτεπαγωγή ενός πηνίου καθορίζεται από τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του. Συγκεκριμένα, η σχέση που δίνει την αυτεπαγωγή ενός ευθύγραμμου σωληνοειδούς είναι η εξής: L N l r (3.5) όπου: Ν = ο αριθμός των σπειρών του πηνίου l = το μήκος του πηνίου R = η ακτίνα των σπειρών του. 25

26 Επιπλέον, ένας ακόμη παράγοντας, ο οποίος καθορίζει την αυτεπαγωγή ενός πηνίου, είναι η ύπαρξη (ή μη) σιδηρομαγνητικού πυρήνα στο εσωτερικό του. Τα πηνία, ανάλογα με τη συχνότητα της τάσης η οποία εφαρμόζεται στα άκρα τους, χωρίζονται σε πηνία χαμηλών (LF) και σε πηνία υψηλών συχνοτήτων (RF). Επίσης, ανάλογα με την κατασκευή τους, διακρίνονται σε σωληνοειδή και σε κυψελοειδή πηνία. Συγκεκριμένα ισχύει: α. Πηνία χαμηλών συχνοτήτων: τα πηνία αυτά χαρακτηρίζονται από μεγάλες τιμές αυτεπαγωγής οι οποίες μπορεί να φτάσουν μέχρι και μερικές δεκάδες Henry. Στα πηνία αυτά υπάρχει συνήθως σιδηροπυρήνας έτσι ώστε να επιτυγχάνονται υψηλές τιμές αυτεπαγωγής. Τέτοιου είδους πηνία χρησιμοποιούνται συχνά σε διατάξεις σταθεροποίησης τάσης, σε περιπτώσεις περιορισμού ή αποκοπής διαφόρων ηλεκτρικών σημάτων κλπ. β. Πηνία υψηλών συχνοτήτων: Τέτοιου είδους πηνία κατασκευάζονται σε διάφορες μορφές με ή χωρίς πυρήνα, με απλή ή κυψελοειδή μορφή κλπ. Τα πηνία αυτά τα συναντούμε κυρίως σε συσκευές τηλεπικοινωνίας, σε πομπούς και δέκτες ραδιοφώνων, σε κυκλώματα κεραιών, σε κυκλώματα ταλαντωτών, σε περιπτώσεις στις οποίες θέλουμε να επιτύχουμε ζεύξη μεταξύ ενισχυτικών βαθμίδων κλπ. Έχοντας μιλήσει για την κατασκευή και την λειτουργία των πυρήνων μπορούμε τώρα να περάσουμε στην μελέτη της λειτουργίας ενός μετασχηματιστή. Ο μετασχηματιστής είναι ένα σύστημα δύο πηνίων πάνω σε κοινό κλειστό σιδηροπυρήνα. Ο πυρήνας αυτός δεν είναι ενιαίος, αλλά αποτελείται από ένα σύνολο μεταλλικών ελασμάτων (έτσι ώστε να αποφεύγεται η δημιουργία παρασιτικών ρευμάτων στη μάζα του). Το πηνίο στο οποίο εφαρμόζεται η αρχική εναλλασσόμενη τάση λέγεται πρωτεύον, ενώ το πηνίο από το οποίο βγαίνει η μετασχηματισμένη τάση ονομάζεται δευτερεύον. Όταν στο πρωτεύον πηνίο ενός μετασχηματιστή εφαρμοστεί μία εναλλασσόμενη τάση δημιουργείται στο εσωτερικό του ένα χρονικά μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο, το οποίο με τη βοήθεια του σιδηροπυρήνα, διέρχεται από το εσωτερικό του δευτερεύοντος πηνίου. Έτσι, η χρονικά μεταβαλλόμενη μαγνητική ροή η οποία αναπτύσσεται στο δευτερεύον πηνίο δημιουργεί μία εναλλασσόμενη τάση εξ επαγωγής στα άκρα του. Οι μετασχηματιστές ανάλογα με τη λειτουργία τους διακρίνονται σε μετασχηματιστές ανύψωσης και υποβιβασμού τάσης. Στην πρώτη περίπτωση το πλάτος της εναλλασσόμενης τάσης στο δευτερεύον πηνίο είναι μεγαλύτερο από αυτό στο πρωτεύον, ενώ στη δεύτερη περίπτωση ισχύει το αντίθετο. Ένα από τα βασικότερα μεγέθη ενός μετασχηματιστή είναι το πηλίκο της τάσης στο πρωτεύον πηνίο προς την τάση στο δευτερεύον, το οποίο ονομάζεται λόγος του μετασχηματιστή: V 1 (3.6) V2 26

27 Σχήμα 3.10: Σχηματική απεικόνιση της δομής ενός μετασχηματιστή. Βασιζόμενοι στο νόμο του Faraday, μπορούμε να εκφράσουμε το λόγο του μετασχηματιστή συναρτήσει του αριθμού των σπειρών των δύο πηνίων. Συγκεκριμένα για το πρωτεύον πηνίο ισχύει: Ομοίως για το δευτερεύον ισχύει: 1 V1 N1 (3.7) t 2 V2 N 2 (3.8) t Όμως, λόγω της ύπαρξης του σιδηροπυρήνα, η μαγνητική ροή που εξέρχεται από το πρωτεύον πηνίο είναι ουσιαστικά ίση με αυτή που εισέρχεται στο δευτερεύον (δηλαδή δεν έχουμε απώλεια δυναμικών γραμμών). Έτσι προκύπτει: Φ 1 = Φ 2 = Φ. Επομένως, διαιρώντας τις σχέσεις 3.7 και 3.8 κατά μέλη προκύπτει: V V 1 2 N N 1 2 (3.9) Από την παραπάνω ανάλυση βλέπουμε ότι ένας μετασχηματιστής ανυψώνει μια εναλλασσόμενη τάση όταν ο αριθμός των σπειρών του δευτερεύοντος πηνίου είναι μεγαλύτερος από αυτόν του πρωτεύοντος. Αντίστοιχα όταν ο αριθμός σπειρών του πρωτεύοντος είναι μεγαλύτερος από αυτόν του 27

28 δευτερεύοντος, τότε ο μετασχηματιστής υποβιβάζει την εναλλασσόμενη τάση που δέχεται στην είσοδό του. Σε έναν ιδανικό μετασχηματιστή, όλη η ενέργεια που προσφέρεται στο πρωτεύον πηνίο αποδίδεται στο δευτερεύον. Όμως σε έναν πραγματικό μετασχηματιστή κάτι τέτοιο είναι αδύνατο, αφού πάντοτε έχουμε διάφορες απώλειες (οι οποίες, όπως θα δούμε παρακάτω, μπορεί να οφείλονται σε διάφορες αιτίες). Βέβαια οι συνηθισμένες τιμές απόδοσης των μετασχηματιστών είναι αρκετά υψηλές, της τάξης του 90-95%. Η απόδοση ενός μετασχηματιστή ορίζεται από την ακόλουθη σχέση: P 2 a (3.10) P1 Όπου: Ρ 1 = Η απορροφώμενη ισχύς στο πρωτεύον πηνίο Ρ 2 = Η αποδιδόμενη ισχύς από το δευτερεύον πηνίο Επιστρέφοντας στο μοντέλο του ιδανικού μετασχηματιστή, μπορούμε να εξάγουμε μια σχέση για τον λόγο των ρευμάτων στα δυο πηνία. Συγκεκριμένα, θεωρώντας ότι οι ισχείς στα δυο πηνία είναι ίσες προκύπτουν τα ακόλουθα: V1 I 2 P 1 P2 V1I 1 V2I 2 (3.11) V I Από την παραπάνω σχέση παρατηρούμε ότι το ρεύμα σε έναν μετασχηματιστή μετασχηματίζεται αντίστροφα από ότι η τάση. Δηλαδή, όταν ο μετασχηματιστής ανυψώνει την τάση υποβιβάζει το ρεύμα, ενώ όταν υποβιβάζει την τάση ανυψώνει το ρεύμα Σχήμα 3.11: Παράδειγμα μετασχηματιστή.

29 Στη συνέχεια θα μιλήσουμε για τις διάφορες απώλειες που μπορούν να εμφανιστούν σε έναν μετασχηματιστή: α) Απώλειες στα τυλίγματα των πηνίων: Λόγω του ότι τα τυλίγματα των δύο πηνίων είναι κατασκευασμένα από σύρμα χαλκού, κατά την διέλευση ρεύματος από τον μετασχηματιστή έχουμε ωμικές απώλειες στα σύρματα αυτά. β) Απώλειες λόγω κατανεμημένης χωρητικότητας: Μεταξύ των σπειρών, καθώς επίσης και μεταξύ των διαφόρων στρώσεων (των σπειρών) αναπτύσσονται κάποιες παρασιτικές χωρητικότητες. Οι χωρητικότητες αυτές σε χαμηλές συχνότητες δεν επηρεάζουν ιδιαίτερα την λειτουργία του μετασχηματιστή, ενώ σε υψηλές συχνότητες μπορούν να δημιουργήσουν διάφορες απώλειες. γ) Απώλειες λόγω δινορευμάτων: Εξαιτίας της χρονικής μεταβολής της μαγνητικής ροής μέσα στον πυρήνα, αναπτύσσονται εναλλασσόμενα ρεύματα εξ επαγωγής στη μάζα του πυρήνα (ρεύματα Foucault), το οποίο έχει ως αποτέλεσμα την εμφάνιση ωμικών απωλειών. δ) Απώλειες λόγω υστέρησης: Εξαιτίας της διαρκούς μαγνήτισης και απομαγνήτισης του πυρήνα του μετασχηματιστή, εμφανίζονται θερμικές απώλειες οι οποίες οφείλονται σε φαινόμενα υστέρησης των μεταλλικών ελασμάτων του πυρήνα. ε) Απώλειες λόγω σκεδάσεων: Παρά την ύπαρξη του σιδηροπυρήνα στο εσωτερικό των πηνίων του μετασχηματιστή, ένα μικρό ποσοστό των δυναμικών γραμμών του μαγνητικού πεδίου που εξέρχονται από το πρωτεύον πηνίο δεν εισέρχονται στο δευτερεύον, αλλά διασπείρονται στον χώρο γύρω από τον μετασχηματιστή. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα, ένα μέρος της προσφερόμενης στο πρωτεύον πηνίο ενέργειας να μην μεταφέρεται στο δευτερεύον, μειώνοντας έτσι την απόδοση του μετασχηματιστή. Σχήμα 3.11: Σχηματική αναπαράσταση της δομής ενός τοροειδούς μετασχηματιστή. 29

30 Η πιο συνηθισμένη μορφή μετασχηματιστή είναι αυτή που παρουσιάζεται στο σχήμα Μια άλλη μορφή μετασχηματιστή, στην οποία εμφανίζονται μικρότερες απώλειες, είναι ο τοροειδής μετασχηματιστής. Αυτού του είδους οι μετασχηματιστές κατασκευάζονται με πυρήνα δακτυλιοειδούς μορφής, ο οποίος είναι ενιαίος και συμπαγής (σε αντίθεση με τον πυρήνα του απλού μετασχηματιστή που αποτελείται από μεταλλικά ελάσματα). Οι πυρήνες αυτών των μετασχηματιστών αποτελούνται συνήθως από σίδηρο ή μείγματα σιδήρου και πυριτίου. Ένα βασικό μειονέκτημα των τοροειδών μετασχηματιστών είναι η υψηλή τους τιμή σε σχέση με τους απλούς. Σχήμα 3.12: Παράδειγμα τοροειδούς μετασχηματιστή. 3.3 Πυκνωτές Ένα από τα περισσότερο χρησιμοποιούμενα παθητικά ηλεκτρονικά εξαρτήματα είναι ο πυκνωτής. Όπως είναι γνωστό, ένας πυκνωτής αποτελείται από δύο αγώγιμες πλάκες, μεταξύ των οποίων παρεμβάλλεται ένα διηλεκτρικό (δηλαδή ένα υλικό το οποίο δεν επιτρέπει την ροή ρεύματος μέσα από τη μάζα του). Το βασικότερο μέγεθος που χαρακτηρίζει έναν πυκνωτή είναι η χωρητικότητά του ( C ), η οποία περιγράφεται από την ακόλουθη σχέση: Q C (3.12) V Σχήμα 3.13 Όπου: Q = το φορτίο (κατ απόλυτη τιμή) που αποθηκεύεται στον κάθε οπλισμό V = η τάση μεταξύ των οπλισμών 30

31 Η χωρητικότητα ενός πυκνωτή καθορίζεται από τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του (δηλαδή το εμβαδόν των οπλισμών καθώς και την απόστασή τους) και από την ηλεκτρική διαπερατότητα του διηλεκτρικού. Αν έχουμε έναν πυκνωτή με επίπεδους παράλληλους οπλισμούς, τότε η χωρητικότητά του δίνεται από τη σχέση: S C 0, 0885k (3.13) d Όπου: k = η διηλεκτρική σταθερά του μονωτικού υλικού S = το εμβαδόν των οπλισμών ( σε cm 2 ) d = η απόσταση των οπλισμών (σε mm) Αν οι οπλισμοί του πυκνωτή είναι ημικυκλικοί, τότε η χωρητικότητά του δίνεται από τη σχέση: 2 2 r 1 r2 C 0,0885k (3.14) d Όπου: k = η διηλεκτρική σταθερά του μονωτικού υλικού r 1, r 2 = οι ακτίνες των ημικυκλικών οπλισμών d = η απόσταση των οπλισμών (σε mm) Αν ο πυκνωτής έχει κυλινδρικούς ομοαξονικούς οπλισμούς, τότε η χωρητικότητα δίνεται από τη σχέση: kd C 0,242 (3.15) r log 1 r2 Όπου: k = η διηλεκτρική σταθερά του μονωτικού υλικού d = το μήκος των κυλινδρικών οπλισμών (cm) r 1, r 2 = οι ακτίνες των κυλίνδρων Στη συνέχεια αναφέρουμε μερικές χαρακτηριστικές ιδιότητες οι οποίες αφορούν όλα τα είδη πυκνωτών: α) Ανοχή: Εξαιτίας διαφόρων κατασκευαστικών ατελειών η χωρητικότητα ενός πυκνωτή μπορεί να διαφέρει από την ονομαστική της τιμή. Ανάλογα με τον τρόπο κατασκευής κάθε πυκνωτή, η ανοχή του μπορεί να κυμαίνεται συνήθως από 5 20%. β) Τάση λειτουργίας: Είναι η μέγιστη τιμή τάσης η οποία μπορεί να εφαρμοστεί συνεχόμενα στα άκρα του πυκνωτή χωρίς να προκαλέσει καταστροφή του διηλεκτρικού. γ) Αντίσταση μόνωσης: Επειδή το διηλεκτρικό ενός πυκνωτή δεν είναι τέλειος μονωτής, αλλά αφήνει ένα πολύ μικρό ρεύμα να διαρρεύσει μεταξύ των οπλισμών, ορίζεται η αντίσταση μόνωσης η οποία είναι της τάξης των ΜΩ. δ) Συντελεστής θερμοκρασίας: Η χωρητικότητα ενός πυκνωτή αλλάζει με τη θερμοκρασία κυρίως λόγω της μεταβολής της διηλεκτρικής σταθεράς του 31

32 διηλεκτρικού. Κατά συνέπεια μπορούμε να ορίσουμε ένα συντελεστή θερμοκρασίας ο οποίος δίνεται από την ακόλουθη σχέση: C a 1 (3.16) C T Όπου: ΔC = Η μεταβολή της χωρητικότητας του πυκνωτή ΔΤ = Η μεταβολή της θερμοκρασίας Οι πυκνωτές διακρίνονται σε δύο κατηγορίες: α) σταθερής χωρητικότητας και β) μεταβλητής ή ρυθμιζόμενης χωρητικότητας. Στον πίνακα 3.1 παρουσιάζονται αναλυτικά οι διάφορες κατηγορίες πυκνωτών. Πίνακας 3.1 Στη συνέχεια θα μιλήσουμε πιο αναλυτικά για τις παραπάνω κατηγορίες πυκνωτών. Πυκνωτές χαρτιού Το συγκεκριμένο είδος πυκνωτών έχει σαν διηλεκτρικό υλικό χαρτί εμπλουτισμένο με διάφορες μονωτικές ουσίες (όπως παραφίνη). Οι οπλισμοί των πυκνωτών αυτών αποτελούνται είτε από αλουμίνιο, είτε από χαλκό ή άργυρο. Για την κατασκευή τους φύλλα αλουμινίου και χαρτιού τοποθετούνται εναλλάξ το ένα πάνω στο άλλο και στη συνέχεια τυλίγονται σε κυλινδρική μορφή. Έπειτα τοποθετούνται οι ακροδέκτες και η κατασκευή περικλείεται σε πλαστική μονωτική θήκη. Ένα σημαντικό πλεονέκτημα αυτής της κατηγορίας πυκνωτών είναι η μεγάλες τιμές χωρητικότητας που επιτυγχάνονται (έως και 22 μf), ενώ ένα μειονέκτημά τους είναι η πολύ μικρή αντίσταση μόνωσης. Πυκνωτές μίκας Οι πυκνωτές αυτοί διακρίνονται σε δύο βασικές κατηγορίες: φύλλων μίκας και ταινιών μίκας. Στην πρώτη κατηγορία λωρίδες μεταλλικών φύλλων και λωρίδες μίκας στοιβάζονται η μία πάνω στην άλλη και συμπιέζονται σε σχήμα ορθογώνιου παραλληλεπιπέδου. Στη συνέχεια συνδέονται οι ακροδέκτες και η κατασκευή τοποθετείται σε μονωτικό περίβλημα. 32

33 Στη δεύτερη κατηγορία οι πυκνωτές μίκας κατασκευάζονται από ταινία μίκας, η οποία μοιάζει με χαρτί και έχει πολύ καλή συνοχή. Οι πυκνωτές αυτοί περιελίσσονται όπως ακριβώς και οι πυκνωτές χαρτιού. Ένας άλλος τύπος πυκνωτών μίκας είναι οι πυκνωτές επιμεταλλωμένης μίκας. Κατά την κατασκευή τους, πάνω σε ένα φύλλο μίκας αναπτύσσεται και στις δύο πλευρές (με χημικές κατεργασίες) ένα λεπτό στρώμα οξειδίου του αργύρου το οποίο θα αποτελέσει τους οπλισμούς του πυκνωτή και στη συνέχεια η κατασκευή τοποθετείται σε προστατευτικό περίβλημα. Κεραμικοί πυκνωτές Οι πυκνωτές αυτοί χρησιμοποιούν σαν διηλεκτρικό διάφορα κεραμικά υλικά, όπως μείγματα πυριτιούχου μαγνησίου, οξείδιο του ζιρκονίου κλπ στα οποία προστίθενται συνήθως ουσίες όπως τιτάνιο, βάριο, ασβέστιο κλπ. Τα διάφορα κεραμικά υλικά παίρνουν το τελικό τους σχήμα με την βοήθεια ειδικών καλουπιών και στη συνέχεια ψήνονται σε θερμοκρασίες ο C για να στερεοποιηθεί το υλικό. Έπειτα ακολουθεί η επιμετάλλωση των δυο πλευρών του κεραμικού υλικού με τη χρήση αργύρου, στον οποίο τοποθετούνται αργότερα οι ακροδέκτες του πυκνωτή. Τέλος, κατασκευάζεται ειδικό προστατευτικό περίβλημα από πλαστικό υλικό ή σμάλτο. Πυκνωτές πλαστικού Η διαδικασία κατασκευής των συγκεκριμένων πυκνωτών είναι ίδια με αυτή των πυκνωτών χαρτιού με τη μόνη διαφορά ότι σαν διηλεκτρικό υλικό χρησιμοποιούνται διάφορα πλαστικά. Αυτός ο τύπος πυκνωτών είναι σήμερα ο πιο συχνά χρησιμοποιούμενος σε ηλεκτρονικά κυκλώματα, τείνοντας να αντικαταστήσει τους πυκνωτές χαρτιού και μίκας. Ανάλογα με το υλικό που χρησιμοποιείται ως διηλεκτρικό, οι πυκνωτές πλαστικού διακρίνονται στις ακόλουθες κατηγορίες: Πυκνωτές πολυεστέρα (polyester) Πυκνωτές πολυπροπυλενίου (polypropylene) Πυκνωτές πολυκαρβονικούς (polycarbon) Πυκνωτές πολυστερίνης (polystyrene) Πυκνωτές τεφλόν (teflon) 33

34 Ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές Τόσο η κατασκευή όσο και η λειτουργία αυτού του είδους βασίζεται στην διαδικασία της ηλεκτρόλυσης. Στους πυκνωτές αυτούς ο ένας οπλισμός είναι μέταλλο ενώ ο δεύτερος είναι ηλεκτρολύτης εμπλουτισμένος σε χαρτί. Επιπλέον, το μέταλλο είναι οξειδωμένο και το οξείδιο αυτό που αναπτύσσεται στην επιφάνειά του αποτελεί το διηλεκτρικό του πυκνωτή. Βασικό χαρακτηριστικό τους είναι η πολικότητα στην οποία πρέπει να δίνεται μεγάλη προσοχή κατά τη σύνδεσή τους σε ένα κύκλωμα, διότι σε αντίθετη περίπτωση υπάρχει κίνδυνος καταστροφής του πυκνωτή. Ανάλογα με το είδος του μετάλλου που χρησιμοποιείται για την κατασκευή ενός οπλισμού οι ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές χωρίζονται σε: Πυκνωτές αλουμινίου: Στη μία επιφάνεια ενός φύλλου αλουμινίου αναπτύσσεται (με τη βοήθεια βορικού οξέος) ένα λεπτό στρώμα οξειδίου του αλουμινίου το οποίο έχει πολύ καλές μονωτικές ιδιότητες. Μ αυτό τον τρόπο δημιουργείται ο ένας οπλισμός του πυκνωτή (άνοδος) μαζί με το διηλεκτρικό. Έπειτα, ένα φύλλο οξειδωμένου αλουμινίου, ένα φύλλο πορώδους χαρτιού και ένα φύλλο μη οξειδωμένου αλουμινίου τοποθετούνται το ένα πάνω στο άλλο και στη συνέχεια βυθίζονται σε υγρό ηλεκτρολύτη έτσι ώστε να εμποτιστεί το χαρτί. Ο ηλεκτρολύτης αποτελεί τον δεύτερο οπλισμό του πυκνωτή (κάθοδος). Τέλος, η όλη κατασκευή τοποθετείται σε προστατευτικό περίβλημα το οποίο είναι κλειστό ερμητικά έτσι ώστε να αποφεύγονται τυχόν διαρροές του ηλεκτρολύτη. Πυκνωτές τανταλίου: Στο συγκεκριμένο είδος πυκνωτών σκόνη τανταλίου τοποθετείται σε ειδικά καλούπια και συμπιέζεται σε υψηλή θερμοκρασία έτσι ώστε να αποκτήσει κυλινδρική μορφή. Ο πορώδης κύλινδρος που σχηματίζεται οξειδώνεται επιφανειακά, έτσι ώστε να αναπτυχθεί ένα λεπτό στρώμα οξειδίου του τανταλίου (Τα 2 Ο 5 ) το οποίο, μαζί με τον ηλεκτρολύτη, θα αποτελέσει το διηλεκτρικό του πυκνωτή. Το μη οξειδωμένο τμήμα του κυλίνδρου είναι η άνοδος, η οποία μαζί με το διηλεκτρικό τοποθετείται μέσα σε εσωτερικά επαργυρωμένη θήκη. Αυτή η επαργυρωμένη επιφάνεια αποτελεί την κάθοδο του πυκνωτή. 34

35 Μεταβλητοί πυκνωτές Αυτού του είδους οι πυκνωτές χρησιμοποιούνται συνήθως για την μεταβολή της χωρητικότητας κατά την διάρκεια λειτουργίας ενός κυκλώματος. Ένας μεταβλητός πυκνωτής αποτελείται από ένα σύνολο ακίνητων παράλληλων πλακών που αποτελούν τον έναν οπλισμό (στάτης) και από ένα σύνολο κινούμενων παράλληλων πλακών οι οποίες έχουν την δυνατότητα να εισέρχονται ενδιάμεσα στις ακίνητες και αποτελούν το δεύτερο οπλισμό του πυκνωτή (ρότορας). Ως διηλεκτρικό χρησιμοποιείται συνήθως ο αέρας ή πλαστικά υλικά. Οι μεταβλητοί πυκνωτές διακρίνονται σε δύο κατηγορίες: Γραμμικοί ως προς τη χωρητικότητα: Στην περίπτωση αυτή το σύνολο των κινούμενων οπλισμών έχει ημικυκλικό σχήμα και η χωρητικότητα του πυκνωτή μεταβάλλεται γραμμικά με τη στροφή του άξονα περιστροφής τους. Γραμμικοί ως προς τη συχνότητα: Στην περίπτωση αυτή το σύνολο των κινούμενων οπλισμών έχει ελικοειδές ημικυκλικό σχήμα και το μέγεθος το οποίο μεταβάλλεται γραμμικά σε σχέση με την στροφή του άξονα περιστροφής είναι η συχνότητα του τμήματος συντονισμού στο οποίο ανήκει ο πυκνωτής. Ρυθμιζόμενοι πυκνωτές Αποτελούν κατηγορία πυκνωτών μεταβλητής χωρητικότητας οι οποίοι συνδέονται σε συνδυασμό με σταθερούς πυκνωτές όταν θέλουμε να επιτύχουμε ακριβή ρύθμιση της χωρητικότητας σε ένα κύκλωμα. Αυτού του είδους οι πυκνωτές είναι συνήθως γνωστοί με την ονομασία trimmer. 3.4 Άλλα στοιχεία του κυκλώματος Α. Αντιστάσεις Ένα από τα πιο συνηθισμένα εξαρτήματα που χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρονικές πλακέτες είναι η ηλεκτρική αντίσταση. Όπως είναι γνωστό η αντίσταση είναι ένα στοιχείο το οποίο χρησιμοποιείται είτε για την ρύθμιση του ρεύματος σε έναν κλάδο ενός κυκλώματος, είτε για την δημιουργία μιας συγκεκριμένης πτώσης τάσης μεταξύ δύο σημείων του κυκλώματος. Η τιμή μίας ηλεκτρικής αντίστασης καθορίζεται από τα γεωμετρικά της χαρακτηριστικά και από το είδος του υλικού από το οποίο είναι κατασκευασμένη. Επιπλέον, η τιμή της μπορεί να μεταβληθεί όταν αλλάζει η 35

36 θερμοκρασία περιβάλλοντος στο οποίο βρίσκεται. Μονάδα μέτρησης της αντίστασης είναι το Ωμ (Ω) και η τιμή της καθορίζεται από την ακόλουθη σχέση: R l S (3.17) Όπου: ρ = Η ειδική αντίσταση του υλικού (σε Ω m) l = Το μήκος της αντίστασης (σε m) S = Το εμβαδόν της διατομής της αντίστασης (σε m 2 ) Επίσης, η εξάρτηση της τιμής της αντίστασης από την θερμοκρασία περιγράφεται από την παρακάτω σχέση: R R0 1 a (3.18) Όπου: R 0 = Η τιμή της αντίστασης σε θερμοκρασία 0 ο C (σε Ω) θ = Η θερμοκρασία (σε ο C ) α = Ο θερμικός συντελεστής (σε 1/ ο C ) Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζονται οι διάφορες κατηγορίες ηλεκτρικών αντιστάσεων. Τύπος αντίστασης Σταθερής τιμής (Γραμμικές) Ρυθμιζόμενης τιμής Μεταβλητής τιμής Μη γραμμικές Ονομασία αντίστασης Σύρματος Στρώματος Μείγματος Ποτενσιόμετρα Ροοστάτες Θερμίστορ Βαρίστορ Φωτοαντιστάσεις Πίνακας 3.2 Η επιλογή της σωστής αντίστασης που θα χρησιμοποιήσουμε σε ένα κύκλωμα απαιτεί την γνώση των βασικών χαρακτηριστικών της. Τα χαρακτηριστικά μεγέθη των αντιστάσεων παρουσιάζονται παρακάτω: α. Ονομαστική τιμή της αντίστασης: είναι η τιμή (σε Ω) την οποία περιμένουμε να παρουσιάσει η αντίσταση κατά την χρήση της σε ένα κύκλωμα. Η τιμή αυτή αναγράφεται πάνω στο σώμα της αντίστασης είτε με χρωματικό κώδικα, είτε με γράμματα και αριθμούς. β. Η ισχύς της αντίστασης: Είναι η μέγιστη τιμή ισχύος που μπορεί να καταναλωθεί πάνω στην αντίσταση, χωρίς να καταστραφεί λόγω θερμικών φαινομένων. 36

37 γ. Ανοχή: Είναι η απόκλιση της πραγματικής τιμής της αντίστασης σε σχέση με την ονομαστική της. Οι συνηθισμένες τιμές ανοχής κυμαίνονται από ± 0,5% έως ± 20%. δ. Γραμμικότητα: Μια συνηθισμένη αντίσταση υπακούει στο νόμο του Ohm, δηλαδή το ρεύμα που την διαρρέει μεταβάλλεται γραμμικά με την τάση που εφαρμόζεται στα άκρα της (εκτός από τις περιπτώσεις στις οποίες επιδιώκουμε μια μη γραμμική σχέση μεταξύ ρεύματος και τάσης). ε. Τάση θορύβου: Η θερμότητα που αναπτύσσεται πάνω σε μια αντίσταση έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία θερμικού θορύβου ο οποίος δημιουργεί μια παρασιτική τάση στα άκρα της αντίστασης (η οποία είναι συνήθως της τάξης των μv). στ. Σταθερότητα της αντίστασης: Είναι η ικανότητα της αντίστασης να διατηρεί σταθερή την ονομαστική της τιμή με την πάροδο του χρόνου, δηλαδή να μη δημιουργούνται αλλοιώσεις στο υλικό κατασκευής της. Σχήμα 3.17: Διάφορα παραδείγματα αντιστάσεων Στην συνέχεια θα μιλήσουμε πιο αναλυτικά για τους διάφορους τύπους αντιστάσεων που παρουσιάστηκαν στον πίνακα 3.2: 1. Αντιστάσεις σύρματος: Το όνομά τους προέρχεται από το υλικό κατασκευής τους, ένα διηλεκτρικό πάνω στο οποίο τυλίγεται ένας αγωγός μεγάλης ηλεκτρικής αντίστασης. Ο αγωγός αυτός είναι συνήθως κατασκευασμένος από ειδικά κράματα μετάλλων όπως το νικέλιο (Ni) με τον χαλκό (Cu), ή το νικέλιο με το χρώμιο (Cr). Με τον τρόπο αυτόν επιτυγχάνονται μεγάλες τιμές αντιστάσεων με μικρό μήκος αγωγού. Αυτός ο τύπος αντιστάσεων λειτουργεί συνήθως σε κυκλώματα στα οποία παρουσιάζονται ισχείς μέχρι κάποια kw. 2. Αντιστάσεις στρώματος: α. Αντιστάσεις άνθρακα: Στο συγκεκριμένο τύπο αντίστασης μία ποσότητα άνθρακα εναποτίθεται πάνω σε μονωτικό υλικό. Η επεξεργασία του άνθρακα καθορίζει την ονομαστική τιμή της αντίστασης, καθώς επίσης και την ισχύ της. Συνηθισμένες τιμές αντιστάσεων για τη συγκεκριμένη κατηγορία είναι από 37

38 μερικά Ω μέχρι ΜΩ και η ισχύς τους κυμαίνεται συνήθως από 1/8 W μέχρι 10 W. β. Αντιστάσεις μεταλλικού στρώματος: Οι αντιστάσεις αυτές αποτελούνται από ένα στρώμα ευγενούς μετάλλου όπως παλλάδιο (Pd), άργυρος (Ag), ταντάλιο (Ta), τιτάνιο (Ti) κλπ. ή οξειδίου το οποίο αποτίθεται πάνω σε μονωτικό υλικό με τη βοήθεια ειδικών μεθόδων. Αυτός ο τύπος αντιστάσεων χρησιμοποιείται συχνά σε κυκλώματα στα οποία απαιτείται μεγάλη ακρίβεια αφού η ανοχή των αντιστάσεων αυτών είναι πολύ μικρή, ακόμη και 0,05%. Αυτός είναι και ο λόγος για τον οποίο χρησιμοποιήθηκε τέτοιου είδους αντίσταση στο κύκλωμα του τροφοδοτικού που κατασκευάστηκε. 3. Αντιστάσεις μείγματος: Στην κατηγορία αυτή χρησιμοποιείται ένα κράμα άνθρακα και συνθετικών υλικών. Ανάλογα με την περιεκτικότητα του κράματος σε άνθρακα καθορίζεται και η ονομαστική τιμή της αντίστασης. Συγκεκριμένα όσο μεγαλύτερο είναι το ποσοστό του άνθρακα τόσο μεγαλύτερη είναι και η τιμή της αντίστασης. 4. Μεταβλητές αντιστάσεις: Είναι αντιστάσεις στις οποίες υπάρχει δυνατότητα μεταβολής της ονομαστικής τους τιμής. Οι πιο συνηθισμένες ονομασίες τους είναι «ποτενσιόμετρο» ή «trimmer» και ανάλογα με την ισχύ τους κατασκευάζονται είτε από άνθρακα, είτε από αγωγό υψηλής αντίστασης. Στην περίπτωση των ποτενσιομέτρων χαμηλής ισχύος πάνω σε μια μονωτική πλάκα τοποθετείται το υλικό της αντίστασης (άνθρακας) και ένας περιστρεφόμενος δρομέας εφάπτεται πάνω σ αυτό. Στην περίπτωση των ποτενσιομέτρων υψηλής ισχύος πάνω σε ένα μονωτικό υλικό κυλινδρικής μορφής τυλίγεται ένας αγωγός υψηλής αντίστασης, πάνω στον οποίο εφάπτεται ο περιστρεφόμενος δρομέας. Σχήμα 3.17: Διάφορα παραδείγματα ποτενσιομέτρων και trimmer Τα ποτενσιόμετρα άνθρακα διακρίνονται σε δύο κατηγορίες: α) στα γραμμικά, στα οποία η τιμή της αντίστασης μεταβάλλεται σταθερά ανάλογα με την περιστροφή του δρομέα και β) στα λογαριθμικά, στα οποία η τιμή της 38

39 αντίστασης αρχικά μεταβάλλεται με αργό ρυθμό ενώ στη συνέχεια με πολύ μεγαλύτερο. Β. Γέφυρα ανόρθωσης Ένα από τα βασικότερα στοιχεία σε ένα κύκλωμα σταθεροποίησης τάσης είναι η γέφυρα ανόρθωσης. Το εξάρτημα αυτό μετατρέπει την εναλλασσόμενη τάση που εφαρμόζεται στην είσοδό του σε συνεχή τάση (μεγάλης όμως κυμάτωσης). Μία συνηθισμένη δομή γέφυρας ανόρθωσης είναι αυτή που παρουσιάζεται στο σχήμα Σχήμα 3.18 Αν η εναλλασσόμενη τάση είναι ημιτονοειδούς μορφής (όπως η τάση του δικτύου) τότε η συνεχής τάση που προκύπτει στην έξοδο της γέφυρας θα έχει τη μορφή που φαίνεται στο σχήμα Σχήμα 3.19: Τάσεις εισόδου και εξόδου σε μία γέφυρα ανόρθωσης 39

40 Στο κύκλωμα του τροφοδοτικού που κατασκευάστηκε χρησιμοποιήθηκε η γέφυρα Β80 C Από τη συγκεκριμένη ονομασία καταλαβαίνουμε ότι η μέγιστη τάση την οποία μπορούμε να εφαρμόσουμε στη γέφυρα είναι 80 V, ενώ το μέγιστο ρεύμα που μπορεί να διέλθει από αυτήν είναι 3,2 Α. Στο ακόλουθο σχήμα παρουσιάζονται δύο βασικά χαρακτηριστικά της συγκεκριμένης γέφυρας, δηλαδή το ρεύμα εξόδου συναρτήσει της θερμοκρασίας περιβάλλοντος και η χαρακτηριστική του κάθε κλάδου της. Σχήμα 3.20: α) Χαρακτηριστική κάθε κλάδου της γέφυρας β) Ρεύμα εξόδου συναρτήσει της θερμοκρασίας περιβάλλοντος 40

41 4. Ψηφιακή ένδειξη τάσης (panel meter) 4.1 Μετατροπή αναλογικού σήματος σε ψηφιακό Μία πολύ συνηθισμένη διαδικασία η οποία συναντάται σε όργανα μέτρησης (όπως το panel meter που χρησιμοποιήθηκε στο συγκεκριμένο τροφοδοτικό) είναι η μετατροπή ενός αναλογικού σήματος σε ψηφιακό. Η διαδικασία αυτή περιλαμβάνει την αντιστοίχιση ενός ψηφιακού αριθμού με το πλάτος του αναλογικού σήματος (συνήθως τάσης) το οποίο θέλουμε να μετατρέψουμε. Η μετατροπή αυτή περιλαμβάνει κβάντιση του αναλογικού σήματος και δειγματοληψία (γεγονός που συνεπάγεται και κάποιο σφάλμα κατά τη μετατροπή). Σε αρκετές περιπτώσεις η δειγματοληψία του σήματος δεν γίνεται σε μια φορά αλλά περιοδικά. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία μιας σειράς ψηφιακών σημάτων τα οποία έχουν μετατραπεί από σήματα συνεχούς χρόνου και συνεχούς πλάτους σε σήματα διακριτού χρόνου και διακριτού πλάτους. Οι πιο συνηθισμένες μέθοδοι μετατροπής αναλογικού σήματος σε ψηφιακό είναι οι ακόλουθες: Ευθέως μετατροπής Διαδοχικών προσεγγίσεων Μέθοδος Wilkinson Ολοκλήρωσης Κωδικοποίηση δέλτα Μέθοδος σίγμα - δέλτα 4.2 Ανάλυση του κυκλώματος του panel meter Το panel meter (δηλαδή το όργανο ένδειξης της τάσης εξόδου) που χρησιμοποιείται στο συγκεκριμένο τροφοδοτικό είναι το UP Η λειτουργία του συγκεκριμένου οργάνου βασίζεται στο ολοκληρωμένο κύκλωμα 7107, το οποίο περιλαμβάνει. Για τη μετατροπή του αναλογικού σήματος σε ψηφιακό, το συγκεκριμένο ολοκληρωμένο χρησιμοποιεί τη μέθοδο ολοκλήρωσης διπλής κλίσης (dual slope integration). Η συγκεκριμένη μέθοδος (το κύκλωμα της οποίας παρουσιάζεται απλοποιημένα στο σχήμα 4.1) περιλαμβάνει τα ακόλουθα βήματα: με τη βοήθεια ενός ηλεκτρονικού διακόπτη το αναλογικό σήμα (V in ) εφαρμόζεται στην είσοδο του ολοκληρωτή για χρονικό διάστημα t u με αποτέλεσμα στην έξοδό του να παίρνουμε μια γραμμική τάση, επειδή η τάση εισόδου είναι συνεχής (όπως φαίνεται στο σχήμα 4.2). Μόλις παρέλθει αυτό το χρονικό διάστημα ο ψηφιακός μετρητής μηδενίζεται και την ίδια χρονική στιγμή στην είσοδο του ολοκληρωτή εφαρμόζεται η τάση αναφοράς V ref (με τη βοήθεια του ηλεκτρονικού διακόπτη), η οποία είναι αντίθετης πολικότητας από το αναλογικό σήμα. Αυτή η χρονική στιγμή είναι η έναρξη της μέτρησης. Κατά τη διάρκεια της μέτρησης η τάση εξόδου του ολοκληρωτή μειώνεται (πάλι) 41

42 γραμμικά μέχρι η τιμή της να μηδενιστεί. Μόλις γίνει αυτό ο συγκριτής στέλνει ένα σήμα στην μονάδα λογικού ελέγχου, το οποίο σηματοδοτεί τη λήξη της μέτρησης (η οποία διαρκεί χρονικό διάστημα t d ). Η τιμή που είναι αποθηκευμένη εκείνη τη χρονική στιγμή στον μετρητή αποτελεί την ψηφιακή έξοδο του μετατροπέα. Σχήμα 4.1: Σχηματική αναπαράσταση του κυκλώματος ολοκλήρωσης διπλής κλίσης. Ο υπολογισμός της τιμής της V in από το ψηφιακό τμήμα του κυκλώματος (μονάδα λογικού ελέγχου και ψηφιακός μετρητής) βασίζεται στη μέτρηση του χρονικού διαστήματος t d, σαν πολλαπλάσιο της περιόδου του ρολογιού (του ψηφιακού κυκλώματος). Σχήμα 4.2: Διάγραμμα της τάσης εξόδου του ολοκληρωτή σε συνάρτηση με το χρόνο. 42

43 Η εξαγωγή της σχέσης η οποία δίνει την τιμή της V in γίνεται με τον ακόλουθο τρόπο: Για το χρονικό διάστημα από 0 sec έως t u, όσον αφορά την έξοδο του ολοκληρωτή, ισχύει: V p tu Vin( t) dt Vp Vintu RC (4.1) RC 0 Για το χρονικό διάστημα από t u έως t u +t d, με όμοιο τρόπο, προκύπτει: t t u d 1 0 Vp Vref dt Vp RC t u 1 V RC ref t d (4.2) Συνδυάζοντας τις σχέσεις (4.1) και (4.2), προκύπτει: 1 V RC in t u 1 V RC ref t d V in t u V ref t d V in V ref t t d u (4.3) Όπως γίνεται φανερό από τη σχέση (4.3), μετρώντας το χρονικό διάστημα t d και γνωρίζοντας τις τιμές των V ref και t u (κάτι το οποίο ισχύει, αφού τα δύο αυτά μεγέθη είναι καθορισμένα και αμετάβλητα κατά τη λειτουργία του κυκλώματος), μπορούμε να υπολογίσουμε την τιμή της V in. Αυτή η διαδικασία εκτελείται από το ψηφιακό τμήμα του κυκλώματος, το οποίο οδηγεί το κύκλωμα της ψηφιακής ένδειξης, δηλαδή το σύνολο των τεσσάρων ενδεικτών επτά τομέων (7-segment LED). Μία πιο αναλυτική σχηματική αναπαράσταση του ολοκληρωμένου κυκλώματος 7107 δίνεται στο παράρτημα, στο τέλος της εργασίας. 43

44 44

45 5. Επέκταση του τροφοδοτικού Προτάσεις για περαιτέρω έρευνα Στο παρόν κεφάλαιο προτείνουμε δύο τρόπους με τους οποίους μπορεί κάποιος να επεκτείνει το κύκλωμα του συγκεκριμένου τροφοδοτικού. Ο πρώτος από αυτούς σχετίζεται με το ρεύμα εξόδου του τροφοδοτικού, ενώ ο δεύτερος με την τάση εξόδου του: α) Ενίσχυση του ρεύματος εξόδου: Το κύκλωμα που παρουσιάστηκε στο σχήμα 3.1 μπορεί να τροφοδοτήσει οποιαδήποτε ηλεκτρονική συσκευή, η οποία καταναλώνει ρεύμα μέχρι 1,5 Α. Αν θέλουμε να κατασκευάσουμε ένα τροφοδοτικό το οποίο να μπορεί να δίνει ένα ρεύμα εξόδου της τάξης των 5 6 Α, θα πρέπει να προσθέσουμε στο κύκλωμα και ένα ΡΝΡ τρανζίστορ ισχύος (όπως για παράδειγμα το MJ2955), συνδέοντάς το όπως φαίνεται στο σχήμα 5.1. Σχήμα 5.1: Ενίσχυση ρεύματος εξόδου με ένα τρανζίστορ ισχύος. Αν θέλουμε να ενισχύσουμε ακόμη περισσότερο το ρεύμα εξόδου (για παράδειγμα 10 Α), θα πρέπει να προσθέσουμε δύο τρανζίστορ ισχύος παράλληλα συνδεδεμένα μεταξύ τους, όπως φαίνεται στο σχήμα 5.2. Επίσης, να σημειωθεί ότι τα τρανζίστορ ισχύος θα πρέπει να είναι τοποθετημένα πάνω σε ψύκτρα. β) Συμμετρική τάση εξόδου: Ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα με λειτουργία παρόμοια με αυτήν του LM317 είναι το LM337.Το ολοκληρωμένο αυτό είναι συμπληρωματικό του LM317, αφού πραγματοποιεί σταθεροποίηση αρνητικών τάσεων. Έτσι, συνδυάζοντας τα δύο αυτά ολοκληρωμένα, μπορούμε να κατασκευάσουμε ένα τροφοδοτικό με συμμετρική τάση εξόδου (δηλαδή +V out, γείωση, -V out ). 45

46 46 Σχήμα 5.2: Περαιτέρω ενίσχυση του ρεύματος εξόδου με δύο τρανζίστορ ισχύος.

47 Β. Πειραματικές μετρήσεις Έλεγχος λειτουργίας 1. Πειραματικές μετρήσεις Για να ολοκληρωθεί η μελέτη του τροφοδοτικού θα πρέπει να παρουσιάσουμε και τα αποτελέσματα των πειραματικών μετρήσεων, οι οποίες διεξήχθησαν με σκοπό τον έλεγχο της ορθής λειτουργίας του. Πριν περάσουμε όμως στις πειραματικές μετρήσεις θα ήταν χρήσιμο να κάνουμε μία αναφορά σε κάποιες μαθηματικές εκφράσεις, οι οποίες περιγράφουν το φαινόμενο της διπλής ανόρθωσης. Συγκεκριμένα, σε ένα κύκλωμα διπλής ανόρθωσης η ανορθωμένη τάση που προκύπτει (με βάση την ανάλυση Fourier) αποδεικνύεται ότι περιγράφεται από την ακόλουθη σχέση: 2V 4V 0 4V 0 ( t) 0 cos(2 t ) cos(4 t ) (Β.1) όπου θεωρήσαμε ότι η αρχική εναλλασσόμενη τάση (πριν τη διαδικασία της ανόρθωσης) είναι ίση με V 0 sin(ωt). Ο πρώτος όρος στο δεξιό μέλος της σχέσης (Β.1) δίνει την DC τάση. Επιπλέον, η ενεργός τιμή της ανορθωμένης τάσης που προκύπτει (αναφερόμενοι στο διάστημα [0,π]) δίνεται από την παρακάτω σχέση: V rms V ( t) V0 sin ( t) d( t) 2 (Β.2) 0 Έτσι, η κυμάτωση της ανορθωμένης τάσης που προκύπτει είναι ίση με: V r V V 0,307V (Β.3) 2 rms 2 dc 0 Επομένως, ο συντελεστής κυμάτωσης της διπλής ανόρθωσης είναι: Vr r 0,483 (Β.4) V dc Στη συνέχεια, παρατίθενται τα αποτελέσματα των πειραματικών μετρήσεων που πραγματοποιήθηκαν, καθώς επίσης και οι αντίστοιχες εικόνες από την οθόνη του παλμογράφου, στις οποίες φαίνονται οι κυματομορφές τάσης στα διάφορα σημεία του κυκλώματος. 47

48 Συγκεκριμένα, στην έξοδο του μετασχηματιστή (δευτερεύον πηνίο) το πλάτος της εναλλασσόμενης τάσης (από κορυφή σε κορυφή) προκύπτει ίσο με: V 80 V ( p ) (Β.5) M / T p Σχήμα Β.1: Τάση στην έξοδο του μετασχηματιστή. Η ενεργός τιμή αυτής της τάσης, όπως προκύπτει από τη σχέση (Β.2), είναι: V V0 VM / T 28, V (Β.6) M / T ( rms) 3 Έπειτα, οι μετρήσεις στα άκρα του πυκνωτή C 1 έδωσαν τις ακόλουθες τιμές: V C ) dc 40 V ( 1 (Β.7) V( C1 ) ac 18 mv (Β.8) Από τις παραπάνω τιμές μπορούμε να υπολογίσουμε το συντελεστή κυμάτωσης της τάσης στα άκρα του πυκνωτή: V( C1 ) ac r 1,59 10 (Β.9) V ( C ) dc 1 48

49 Σχήμα Β.2: Κυμάτωση στα άκρα του πυκνωτή C 1. Τέλος, με τις μετρήσεις στην έξοδο του τροφοδοτικού βρίσκουμε ότι η ελάχιστη και η μέγιστη τάση εξόδου είναι 1,2 V και 27 V, αντίστοιχα. Επίσης, όπως μπορούμε να δούμε και στο σχήμα Β.3, η κυμάτωση εξόδου είναι ουσιαστικά μηδενική. Αυτό είναι λογικό, αφού το LM317 μειώνει την κυμάτωση που δέχεται στην είσοδό του κατά 80 db (δηλαδή κατά φορές). Επομένως, αφού η κυμάτωση στην είσοδό του είναι 18 mv (ίδια, δηλαδή, με αυτήν στα άκρα του C 1 ), η κυμάτωση στην έξοδο θα είναι 1,8 μv, μία τιμή που είναι προφανώς έξω από τα όρια της διακριτικής ικανότητας του παλμογράφου. Σχήμα Β.3: Τάση εξόδου του τροφοδοτικού. 49

50 2. Έλεγχος λειτουργίας Μετά την διεξαγωγή των πειραματικών μετρήσεων που περιγράφηκαν στην προηγούμενη παράγραφο, πραγματοποιήθηκαν και κάποιες μετρήσεις σχετικές με τη λειτουργία του τροφοδοτικού, στην περίπτωση που στην έξοδό του είναι συνδεδεμένο κάποιο φορτίο. Ως φορτία χρησιμοποιήθηκαν δύο ηλεκτρικές συσκευές, οι οποίες φαίνονται στον πίνακα Β.1. Φορτία Φορτίο 1 Φορτίο 2 Ηλεκτρικές συσκευές Μηχανή φραπέ Κουρευτική μηχανή Πίνακας Β.1 Αρχικά, στην έξοδο του τροφοδοτικού συνδέεται το φορτίο 1 και η τάση εξόδου ρυθμίζεται στα 8,2 V. Στο σχήμα Β.4 φαίνεται η ένδειξη του παλμογράφου πριν και κατά τη διάρκεια λειτουργίας του φορτίου 1. Σχήμα Β.4: Ένδειξη του παλμογράφου πριν (αριστερά) και κατά τη διάρκεια (δεξιά) λειτουργίας του φορτίου 1. Όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα, πριν θέσουμε σε λειτουργία το φορτίο 1 η τάση εξόδου του τροφοδοτικού είναι απόλυτα σταθεροποιημένη, ενώ κατά τη διάρκεια της λειτουργίας του φορτίου παρουσιάζει μία κυμάτωση ίση με 2 V. Επίσης, με την ενεργοποίηση του φορτίου η τάση εξόδου μεταπίπτει στα 2,2 V (όπως μπορούμε να δούμε στο σχήμα Β.5). Στη συνέχεια, στην έξοδο του τροφοδοτικού συνδέουμε το φορτίο 2 και ρυθμίζουμε την τάση στα 3,6 V. Στην περίπτωση αυτή, με την ενεργοποίηση του φορτίου η τάση εξόδου του τροφοδοτικού μεταπίπτει στα 2,8 V και εμφανίζεται πάλι μία κυμάτωση (όπως φαίνεται στο σχήμα Β.6). 50

51 Σχήμα Β.5: Μείωση της τάσης εξόδου από 8,2 V σε 2,2 V, κατά την λειτουργία του φορτίου 1. Σχήμα Β.6: Αρχική ρύθμιση τάσης (αριστερά) και κυμάτωση εξόδου (δεξιά) για την περίπτωση του φορτίου 2. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι όταν η τάση εξόδου του τροφοδοτικού ρυθμίζεται σε μία τιμή κάτω από την τάση κανονικής λειτουργίας των δύο συσκευών (6 V στην πρώτη περίπτωση και 3 V στη δεύτερη), η κυμάτωση εξόδου έχει μικρότερη τιμή, η οποία τείνει να μηδενιστεί καθώς μειώνουμε την τάση εξόδου. 51