ΠΡΟΛΟΓΟΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1Ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2Ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3Ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4Ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5Ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6Ο

Transcript

1 1

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΡΟΛΟΓΟΣ... 4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΗΣ ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΥΠΟΙ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΩΝ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΕΣ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΩΝ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ ΧΡΗΣΗ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΩΝ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΕΣ ΧΑΜΗΛΩΝ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΑΥΤΟΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΕΣ ΥΨΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ ΤΟΡΟΕΙΔΕΙΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΗΣΤΕΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΝΟΡΘΩΤΙΚΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΕΠΙΛΟΓΗ ΔΙΑΤΑΞΗΣ ΑΝΟΡΘΩΣΗΣ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΣΤΗΝ ΕΠΙΛΟΓΗ ΑΝΟΡΘΩΣΗΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΕΞΟΜΑΛΥΝΣΗΣ ΕΠΙΛΟΓΗ ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΕΞΟΜΑΛΥΝΣΗΣ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΦΙΛΤΡΟΥ C ΔΙΟΔΙΚΟ ΡΕΥΜΑ(surge current) ΤΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ ΤΗΣ ΑΠΟΤΟΜΗΣ ΠΑΡΟΧΗΣ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΚΥΜΜΑΤΩΣΗΣ rc (ripple) ΣΥΝΕΧΗΣ ΤΑΣΗ ΕΞΟΔΟΥ (Vdc) ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΦΙΛΤΡΟΥ L ΣΥΝΕΧΗΣ ΤΑΣΗ ΕΞΟΔΟΥ (Vdc) ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΚΥΜΜΑΤΩΣΗΣ rl (ripple) ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΣΤΑΘΕΡΟΠΟΙΗΣΗΣ ΡΥΘΜΙΣΗ ΤΑΣΗΣ ΕΞΟΔΟΥ ΒΟΗΤΗΙΚΟΙ ΠΥΚΝΩΤΕΣ ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΣΕΙΡΙΑΚΟΥ & ΠΑΡΑΚΑΜΠΤΗΡΙΟΥ ΣΤΑΘΕΡΟΠΟΙΗΤΗ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΕΠΙΔΟΣΗΣ ΣΤΑΘΕΡΟΠΟΙΗΤΩΝ ΠΡΟΣ ΕΛΑΧΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο ΚΟΙΝΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ IF ΚΑΙ RF ΤΗΛΕΧΕΙΡΗΣΤΗΡΙΩΝ ΥΠΕΡΥΘΡΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟ ΥΠΕΡΥΘΡΟΥ ΤΗΛΕΧΕΙΡΙΣΜΟΥ ΡΑΔΙΟΦΩΝΙΚΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΤΗΛΕΧΕΙΡΙΣΤΗΡΙΑ ΑΜΦΙΔΡΟΜΗΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΔΕΔΟΜΕΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Ο ΠΛΑΚΕΤΑ ΙΣΧΥΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΕΙΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ ΠΛΑΚΕΤΑ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΠΛΑΚΕΤΑΣ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ ΠΛΑΚΕΤΑ ΤΗΛΕΧΕΙΡΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΕΛΕΓΧΟΥ ΜΟΤΕΡ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΠΛΑΚΕΤΑΣ ΤΗΛΕΧΕΙΡΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΕΛΕΓΧΟΥ ΜΟΤΕΡ

3 6.4 ΜΟΤΕΡ ΠΕΡΙΣΤΡΟΦΗΣ ΠΟΤΕΝΣΙΟΜΕΤΡΟΥ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΜΟΤΕΡ ΠΕΡΙΣΤΡΟΦΗΣ ΠΟΤΕΝΣΙΟΜΕΤΡΟΥ ΟΘΟΝΗ-Display ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΟΘΩΝΗΣ -Display Περίληψη Abstract ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

4 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα πτυχιακή εργασία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρονικών του Τμήματος Ηλεκτρολογίας του ΤΕΙ Καβάλας κατά το εκπαιδευτικό έτος Πραγματεύεται τη μελέτη, σχεδίαση και κατασκευή ενός τροφοδοτικού ελεγχόμενου από απόσταση με τηλεχειρισμό. Πρόκειται για ρυθμιζόμενο τροφοδοτικό με εύρος τάσης εξόδου 0-20V και ρεύμα 0,5 Α. Στο κεφάλαιο 1, αναφέρονται οι βασικές αρχές του μετασχηματισμού, οι απώλειες και οι τύποι των μετασχηματιστών. Στο κεφάλαιο 2, αναφέρονται οι βασικές αρχές της ανόρθωσης, οι τύποι ανορθωτικών διατάξεων και οι παράμετροι που λαμβάνουμε υπόψη στην επιλογή του τύπου της ανορθωτικής διάταξης. Στο κεφάλαιο 3, αναφέρονται οι αρχές λειτουργίας καθώς και οι διατάξεις εξομάλυνσης. Επίσης, αναλύεται η διαδικασία επιλογής των στοιχείων της διάταξης εξομάλυνσης. Στο κεφάλαιο 4, περιγράφονται οι αρχές λειτουργίας και οι διατάξεις σταθεροποίησης. Επιπλέον, ορίζονται οι παράμετροι επίδοσης σταθεροποιητών προς ελαχιστοποίηση. Στο κεφάλαιο 5, περιγράφονται οι αρχές λειτουργίας των IR και RF τηλεχειρισμών. Στο κεφάλαιο 6, δείχνονται τα επιμέρους τμήματα της κατασκευής και αναφέρονται τα σχέδιά τους καθώς και οι λεπτομέρειες του σχεδιασμού των κυκλωμάτων. Στο σημείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω τον καθηγητή μου Λυκούργο Μαγκαφά για την καθοδήγησή του κατά την εκπόνηση της παρούσας πτυχιακής εργασίας καθώς και για τις πολύτιμες γνώσεις και τη στήριξη που μου προσέφερε. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω ιδιαίτερα, την οικογένειά μου για τη στήριξη που μου παρείχε καθ όλη τη διάρκεια των σπουδών μου καθώς και της εκπόνησης της παρούσας εργασίας. 4

5 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ 1.1 ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΗΣ Ο μετασχηματιστής είναι µία ηλεκτρική συσκευή που μετατρέπει εναλλασσόμενη ηλεκτρική ενέργεια ενός επιπέδου τάσης σε εναλλασσόμενη ηλεκτρική ενέργεια διαφορετικού επιπέδου τάσης χρησιμοποιώντας σαν µέσο το μαγνητικό πεδίο. Αυτή η συσκευή αποτελείται από δύο ή περισσότερα πηνία που τυλίγονται γύρω από έναν κοινό σιδηρομαγνητικό πυρήνα. Τα πηνία αυτά συνήθως δεν είναι ηλεκτρικά συνδεδεμένα μεταξύ τους. Η μόνη σύζευξη που υπάρχει μεταξύ των σπειρών είναι το κοινό μαγνητικό πεδίο που αναπτύσσεται στο εσωτερικό του πυρήνα. 1.2 ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Ο μετασχηματιστής είτε ανυψώνει είτε υποβιβάζει την εισερχόμενη σε αυτόν τάση (τάση πρωτεύοντος του μετασχηματιστή) δίνοντάς της έτσι κατάλληλη μέγιστη τιμή (τάση δευτερεύοντος μετασχηματιστή) για την εφαρμογή που πρόκειται να τροφοδοτηθεί με συνεχή τάση. Αυτό επιτυγχάνεται ως εξής : Το σήμα του πρωτεύοντος καταλήγει σε σπειρώματα γύρω από ένα πυρήνα καθορισμένου υλικού. Όμοια το σήμα του δευτερεύοντος προκύπτει από σπειρώματα στον ίδιο πυρήνα. Δεν υπάρχει καμία σύνδεση μεταξύ των σπειρωμάτων πρωτεύοντος και δευτερεύοντος.( βλέπε σχήμα 1.1) 5

6 Σχήμα 1.1: Βασική διάταξη μετασχηματισμού τάσης. Αν εφαρμοσθεί εναλλασσόμενη τάση ( V 1 ) στο πρωτεύον του μετασχηματιστή, δημιουργείται μαγνητική ροή στον πυρήνα η οποία μεταφέρεται στα σπειρώματα του δευτερεύοντος. Εκεί, λόγω επαγωγής, δημιουργεί εναλλασσόμενη τάση ( V 2 ) η τιμή της οποίας σχετίζεται με το λόγω του πλήθους σπειρωμάτων του πρωτεύοντος ( N 1 ) και του δευτερεύοντος ( N 2 ): V N 2 2 V1 N1 (1.1) Το σήμα που παράγεται (τάση δευτερεύοντος του μετασχηματιστή) διατηρεί την αρχική του μορφολογία (ημιτονοειδής καμπύλη) με τη διαφορά ότι αλλάζει η περίοδος αυτής (Σχήμα 1.2). Η αλλαγή της περιόδου σε σχέση με το αρχικό σήμα είναι αποτέλεσμα της διατήρησης της ενέργειας. Αν αυξανόταν η από κορυφή σε κορυφή τάση της ημιτονοειδούς ενώ παρέμενε ίδια συχνότητα, θα υπήρχε ενίσχυση και όχι μετασχηματισμός σήματος. 6

7 Σχήμα 1.2: Τάσεις πρωτεύοντος και δευτερεύοντος ενός μετασχηματιστή περιορισμού τάσης. Μειώνεται το πλάτος του σήματος ενώ ταυτόχρονα μειώνεται και η συχνότητά του. Η διατήρηση της ενέργειας στο μετασχηματιστή εκφράζεται με διατήρηση της ισχύος των σημάτων του πρωτεύοντος και του δευτερεύοντος: P P V T V L2 από την σχέση (1.1) προκύπτει I N 2 2 I1 N1 (1.2) Οι σχέσεις (1.1) και (1.2) δείχνουν την αντίστροφη αναλογία μεταξύ V και I. Στην πράξη, όσο αυξάνεται η τάση του δευτερεύοντος, μειώνεται το ρεύμα που το διαρρέει. Επομένως ένα σημείο που χρειάζεται προσοχή στη χρήση του μετασχηματιστή είναι να επιτευχθεί η αναγκαία ισορροπία μεταξύ τάσης και ρεύματος καθώς τα δυο αυτά μεγέθη είναι άρρηκτα συνδεδεμένα. 7

8 1.3 ΤΥΠΟΙ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΩΝ Οι μετασχηματιστές χωρίζονται στις εξής κατηγορίες: ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΕΣ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ Οι μετασχηματιστές τροφοδοσίας είναι διατάξεις οι οποίες παίρνουν την ηλεκτρική ενέργεια από μια πηγή εναλλασσόμενου ρεύματος και την αποδίδουν στην έξοδό τους μεταβάλλοντας του βασικούς παράγοντες που είναι η τάση και το ρεύμα. Ένας απλός μετασχηματιστής τροφοδοσίας αποτελείται από δύο πηνία το πρωτεύον και το δευτερεύον τα οποία βρίσκονται σε μαγνητική ζεύξη μεταξύ τους, με την βοήθεια σιδηροπυρήνα Επειδή ο σιδηροπυρήνας είναι καλός αγωγός του ηλεκτρισμού και διαρρέεται από μεταβαλλόμενη μαγνητική ροή, αναπτύσσονται σε αυτόν επαγωγικά ρεύματα (ρεύματα Φουκώ), τα οποία προκαλούν την θερμότητά του. Η θέρμανση αυτή σημαίνει απώλεια ενέργειας και θα πρέπει αυτή η ενέργεια που χάνεται να είναι όσο το δυνατόν μικρότερη. 8

9 Αν θεωρήσουμε έναν μετασχηματιστή χωρίς απώλειες (ιδανικός μετασχηματιστής), τότε το ρεύμα που κυκλοφορεί στο πρωτεύον αναπτύσσει στο δευτερεύον μια ηλεκτρεγερτική δύναμη E 2. Αν E1είναι η τάση του πρωτεύοντος τότε οι μεταβολές της κοινής ροής θα είναι ανάλογες προς τον αριθμό στροφών πρωτεύοντος και δευτερεύοντος πηνίου. N 1 και N 2 του Δηλαδή θα ισχύει η σχέση: E1 N 1 E2 N 2 (1.3) 9

10 Ο λόγος έχουμε N 1 / N 2 ονομάζεται λόγος μετασχηματισμού άρα λοιπόν αν E 1 E 2 N1 N 2 τότε θα. Με άλλα λόγια ο μετασχηματιστής θα είναι μετασχηματιστής υποβιβασμού τάσης. Αν η E μετασχηματιστής ανύψωσης τάσης. 2 E 1, τότε ο μετασχηματιστής ονομάζεται Ο βαθμός απόδοσης του μετασχηματιστή εκφράζει τις απώλειες ενέργειας ενός μετασχηματιστή τροφοδοσίας και δίνεται από την σχέση: P1 P 2 (1.4) όπου P1 είναι η ισχύς εισόδου του μετασχηματιστή και P2 η ισχύς εξόδου του. Σε έναν ιδανικό μετασχηματιστή θα έχουμε η=1 που σημαίνει ότι η ισχύς εξόδου είναι ίση με την ισχύ εξόδου. Κάτι τέτοιο πρακτικά δεν συμβαίνει λόγω των απωλειών του μετασχηματιστή. Αν P1 P 2 τότε οπότε E I E 1 1 2I 2 I I 1 2 E E 2 1 N N 2 1 (1.5) Αυτό σημαίνει ότι το ρεύμα στο δευτερεύον ανυψώνεται, όταν η τάση στο δευτερεύον υποβιβάζεται και αντίστροφα. Ο λόγος έχουμε: E 1 / I 1 εκφράζει την σύνθετη αντίσταση Z 1 του πρωτεύοντος οπότε θα Z E E I E N Z 2 I 1 I 2 I 1 I 2 N 2 I 2 N 2 2 E N 2 (1.6) 10

11 Αυτό σημαίνει ότι η επαγωγική ή ωμική αντίσταση του δευτερεύοντος μπορεί να αναχθεί στο πρωτεύον με πολλαπλασιασμό επί το τετράγωνο του λόγου μετασχηματισμού ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΩΝ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ Όπως είναι γνωστό, ιδανικός μετασχηματιστής δεν υπάρχει, με αποτέλεσμα ένα μέρος της ενέργειάς του να μετατρέπεται στον σιδηροπυρήνα σε θερμότητα. Έτσι η ισχύς που αποδίδεται στην έξοδο είναι μικρότερη της ισχύος εισόδου. Τα αίτια των απωλειών σε ένα μετασχηματιστή είναι τα εξής: Α) Απώλειες από σίδηρο Οι απώλειες αυτές προέρχονται από το υλικό του πυρήνα και τις αντιλαμβανόμαστε όταν ακουμπώντας τον πυρήνα, βλέπουμε ότι ζεσταίνεται. Έχουμε δε δύο ειδών απώλειες σιδήρου(του πυρήνα). α) Δινορεύματα Φουκώ : Μπορούμε να πούμε απλά ότι μεταβαλλόμενης της μαγνητικής ροής δημιουργούνται στον πυρήνα επί μέρους πηγές (Η.Ε.Δ.) από επαγωγή με αποτέλεσμα να δημιουργούνται ρεύματα. Έτσι χάνουμε ενέργεια. Τη μείωση της ενέργειας αυτής την αντιλαμβανόμαστε με την θερμότητα που αναπτύσσεται στον πυρήνα. Ο περιορισμός της απώλειας αυτής επιτυγχάνεται με την χρησιμοποίηση ελασμάτων για τον σχηματισμό πυρήνων και όχι συμπαγούς υλικού. Ένας επί πλέον παράγων που επηρεάζει τις απώλειες δινορευμάτων και τις αυξάνει είναι και η συχνότητα.. Γι αυτό στις υψηλές συχνότητες οι μετασχηματιστές έχουν ειδικό τρόπο κατασκευής του πυρήνα από κόκκους μονωμένους μεταξύ τους. 11

12 β) Μαγνητική υστέρηση : Είναι το φαινόμενο κατά το οποίο μέρος της μαγνητικής επαγωγής εξακολουθεί να υπάρχει, ενώ μηδενίστηκε η ένταση Η του πεδίου που την προκάλεσε. Β) Απώλειες από χαλκό. Οι απώλειες αυτές προέρχονται από τις ωμικές αντιστάσεις των αγωγών με τα οποία τυλίγουμε το πρωτεύον και το δευτερεύον. Αυτές τις απώλειες τις καταλαβαίνουμε από την αναπτυσσόμενη θερμότητα στον μετασχηματιστή. Πρέπει να έχουμε υπ όψη μας ότι όταν δεν υπάρχει φορτίο στο δευτερεύον, τότε οι απώλειες από χαλκό είναι πάρα πολύ μικρές, επειδή στην εν κενό λειτουργία, ή στην λειτουργία χωρίς φορτίο από το πρωτεύον περνά το μικρότερο ρεύμα πρωτεύοντος, το οποίο είναι το 5% μέχρι το 10% του ρεύματος στο πρωτεύον για πλήρες ρεύμα δευτερεύοντος Οι προαναφερθείσες απώλειες ενός σιδηροπυρήνα μπορούν να περιοριστούν με την επιλογή κατάλληλου υλικού το οποίο έχει κύκλο υστέρησης με μικρό εμβαδόν. Πρέπει επίσης να έχουν μεγάλη ειδική αντίσταση ρ για τον περιορισμό των δεινορευμάτων. Οι απώλειες αυτές περιορίζονται κατασκευάζοντας τον πυρήνα από λεπτά πυριτιούχα ελάσματα, πάχους 0,3-0,5 cm ή από μίγμα σκόνης σιδήρου με μονωτικό υλικό που είναι μονωμένα από την μία όψη τους. 12

13 Ο πυρήνας του μετασχηματιστή μπορεί να είναι είτε τύπος μανδύα, είτε τύπος πυρήνα. Ο τύπος μανδύα συνηθίζεται σε μετασχηματιστές πολύ μεγάλης ισχύος. Τα πηνία πρωτεύοντος και δευτερεύοντος τυλίγονται στο κεντρικό στέλεχος αυτού, η δε όλη περιέλιξη προφυλάσσεται από δύο απέναντι στελέχη. Στους μετασχηματιστές με τύπο πυρήνα τα πηνία πρωτεύοντος και δευτερεύοντος κατανέμονται ομοιόμορφα στα δύο ακραία στελέχη και χρησιμοποιούνται συνήθως σαν μετασχηματιστές υψηλών συχνοτήτων. Οι περιελίξεις διαιρούνται εξίσου στα δύο σκέλη του πυρήνα και στον καθένα περιελίσσεται το μισό κάθε πηνίου. Η περιέλιξη χαμηλής τάσης μπαίνει κοντά στον πυρήνα και η περιέλιξη υψηλής τάσης εξωτερικά της περιέλιξης χαμηλής τάσης, για να μειωθούν οι απαιτήσεις μόνωσης. Οι συνδέσεις ενός σιδηροπυρήνα γίνονται με συνδετήρες ή βίδες. Οι καλές συνδέσεις περιορίζουν τον μαγνητικό θόρυβο. Η διάρκεια ζωής ενός μετασχηματιστή εξαρτάται περισσότερο από τις μονώσεις του και από τα μονωτικά υλικά που χρησιμοποιούνται. Τα μονωτικά υλικά που συνήθως χρησιμοποιούνται είναι το εμποτισμένο χαρτί, η μίκα και ειδικό λάδι. Τα τυλίγματα του μετασχηματιστή γίνονται συνήθως με σύρμα κυκλικής διατομής, μονωμένο με ειδικό μονωτικό υλικό. Συνήθως στην περιέλιξη τα κενά που δημιουργούνται κατά το τύλιγμα γεμίζονται από ειδικό σκληρυντικό βερνίκι ΧΡΗΣΗ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΩΝ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ Οι μετασχηματιστές τροφοδοσίας χρησιμοποιούνται σε κυκλώματα τροφοδοτικών σε ηλεκτρονικές συσκευές, οι οποίοι υποβιβάζουν την υψηλή τάση του δικτύου σε χαμηλές τάσεις για τα κυκλώματα των συσκευών. Παράλληλα παρέχουν γαλβανική απομόνωση των κυκλωμάτων των συσκευών για προστασία από κινδύνους ηλεκτροπληξίας. Πολλοί μετασχηματιστές χρησιμοποιούν περισσότερες από μία εξόδους για διάφορες τάσεις και ρεύματα σε ηλεκτρονικές συσκευές ενώ σε κυκλώματα παλμοτροφοδοτικών οι μετασχηματιστές είναι κατασκευασμένοι για υψηλότερες 13

14 συχνότητες από τα 50Hz, με εντελώς διαφορετικά κατασκευαστικά χαρακτηριστικά από τους απλούς μετασχηματιστές των Hz ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΕΣ ΧΑΜΗΛΩΝ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ Οι μετασχηματιστές χαμηλών συχνοτήτων χρησιμοποιούνται για να λειτουργούν σωστά σε όλο το ακουστικό φάσμα από 16ΗΖ έως 16ΚΗΖ. Χρησιμοποιούνται συνήθως ως μετασχηματιστές εξόδου σε ενισχυτές τάξης Α μεγάλης ισχύος, ενώ σε πολύ μικρές τιμές ισχύος συναντώνται μικροί μετασχηματιστές σε ραδιόφωνα με ενισχυτή push pull για προσαρμογή της χαμηλής αντίστασης του μεγαφώνου. Η κατασκευή ενός μετασχηματιστή ήχου είναι ιδιαίτερα δύσκολη, καθώς λαμβάνονται πολλοί παράγοντες, όπως όρια συχνοτήτων, παρασιτικές χωρητικότητες, μαγνητικές διαφυγές ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΡΕΥΜΑΤΟΣ Η χρήση των μετασχηματιστών ρεύματος είναι κυρίως στα αμπερόμετρα καθώς με αυτόν τον τρόπο αυξάνεται η ευαισθησία τους. Αποτελούνται από δύο πηνία, το πρωτεύον και το δευτερεύον και έναν σιδηροπυρήνα, όπως και οι μετασχηματιστές τάσης. Η διαφορά μεταξύ τους είναι ότι οι μετασχηματιστές ρεύματος έχουν λίγες σπείρες στο πρωτεύον τους και το χάλκινο σύρμα που χρησιμοποιείται είναι πολύ χοντρό. Το δευτερεύον πηνίο τους έχει περισσότερες σπείρες και το σύρμα που χρησιμοποιείται είναι μικρότερης διατομής. Το δευτερεύον πηνίο συνδέεται ένα αμπερόμετρο σαν φορτίο για την μέτρηση του ρεύματος ΑΥΤΟΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΕΣ Οι αυτομετασχηματιστές αποτελούνται από ένα πηνίο με σιδηροπυρήνα, το οποίο διαθέτει μία ή περισσότερες λήψεις. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα η τάση που λαμβάνεται ανάμεσα σε μία λήψη και ένα κοινό σημείο να είναι μικρότερη από την τάση εισόδου. Έτσι επιτυγχάνεται υποβιβασμός τάσης. Για ανύψωση τάσης πραγματοποιείται η αντίστροφη διαδικασία. Τροφοδοτείται ο αυτομετασχηματιστής από το τύλιγμα λήψης και ένα κοινό σημείο και λαμβάνεται μεγαλύτερη τάση στα δύο άκρα του. Αν η λήψη του αυτομετασχηματιστή είναι μεταβλητή, τότε θα 14

15 λαμβάνονται διάφορες τάσεις στην έξοδό του. Σο πλεονέκτημα που έχει αυτός ο μετασχηματιστής είναι ότι έχει μικρότερο κόστος διότι διαθέτει μόνο ένα τύλιγμα άρα λιγότερος χαλκός, καθώς επίσης και λιγότερο σιδηρομαγνητικό υλικό. Επίσης ένα από το μεγάλα πλεονεκτήματά του είναι ο υψηλός βαθμός απόδοσης που έχει. Η χρήση του όμως είναι πάρα πολύ περιορισμένη διότι δεν παρέχει γαλβανική απομόνωση και υπάρχει κίνδυνος εμφάνισης της φάσης στην έξοδό του. Σο μεγάλο αυτό μειονέκτημα που έχει τον καθιστά κατάλληλο σε πολύ ειδικές εφαρμογές ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΕΣ ΥΨΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ Οι μετασχηματιστές υψηλής τάσης είναι μικρής ισχύος και χρησιμοποιούνται στους δέκτες τηλεοράσεως για την τροφοδότηση των πηνίων απόκλισης του καθοδικού σωλήνα. Η κατασκευή αυτών των μετασχηματιστών έχει διαφορές καθώς απαιτούνται μονώσεις υψηλής ποιότητας και συμπαγής πυρήνας. Ο πυρήνας στους μετασχηματιστές υψηλής τάσης αποτελείται από δύο κομμάτια φερρίτη σχήματος Π. Στο ένα σκέλος του πυρήνα περιελίσσονται το πρωτεύον και δύο άλλα δευτερεύοντα πηνία, ενώ στο άλλο σκέλος του περιελίσσετε το δευτερεύον, δηλαδή το τύλιγμα υψηλής τάσης. Κατά την περιέλιξη του δευτερεύοντος παρεμβάλλονται μεταξύ των στρωμάτων φύλλα από πλαστική ταινία μεγάλης μόνωσης και η όλη περιέλιξη γίνεται συμπαγής χωρίς να υπάρχουν κενά. Μετά τοποθετείται σε φούρνο με θερμοκρασία από 200 έως 300C και ψήνεται. Τέλος εμποτίζεται σε πολυεστέρα και τοποθετείται μέσα σε θήκη από πολυκαρβονικό υλικό. Στην τελική μορφή του καλύπτεται ξανά με πολυεστέρα. Η υψηλή τάση που φτάνει τα 16KV επιτυγχάνεται με την βοήθεια διόδων (καταρράκτης), που στους σύγχρονους μετασχηματιστές υψηλής τάσης περιέχεται και το κύκλωμα του καταρράκτη. 15

16 1.3.6 ΤΟΡΟΕΙΔΕΙΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΗΣΤΕΣ Ένας τοροειδής μετασχηματιστής ανήκει στην κατηγορία των μετασχηματιστών τροφοδοσίας, όπου η κατασκευαστική του μορφή είναι διαφορετική από την συνήθη κατασκευή των μετασχηματιστών με σιδηροπυρήνα. Αποτελούνται από έναν στρογγυλό πυρήνα από φερρίτη, πάνω στον οποίο τυλίγονται το πρωτεύον και το δευτερεύον πηνίο. Οι μετασχηματιστές αυτοί έχουν περισσότερα πλεονεκτήματα από έναν μετασχηματιστή τροφοδοσίας με σιδηροπυρήνα, διότι έχουν μικρότερο μέγεθος και δημιουργούν μικρότερο μαγνητικό πεδίο γύρω τους. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να εξαλείφεται ο θόρυβος που μπορεί τυχόν να δημιουργηθεί σε κυκλώματα, από την κοντινή απόσταση του μετασχηματιστή. Γι' αυτό σε κυκλώματα ήχου υψηλής ποιότητας, (προενισχυτές, ενισχυτές, κτλ), χρησιμοποιούν τοροειδής μετασχηματιστές στα κυκλώματα τροφοδοσίας τους. Το μόνο μειονέκτημά τους είναι το υψηλότερο κόστος τους. 16

17 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο ΑΝΟΡΘΩΣΗ 2.1 ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΝΟΡΘΩΤΙΚΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ Υπάρχουν τρείς βασικές ανορθωτικές διατάξεις. Η ημιανόρθωση, η πλήρης ανόρθωση και η ανόρθωση γέφυρας οι οποίες παρουσιάζονται στο σχήμα που ακολουθεί. Στην ημιανόρθωση, η δίοδος επιτρέπει τη διέλευση του ρεύματος της θετικής ημιπεριόδου, ενώ λειτουργεί σαν ανοικτό κύκλωμα κατά την αρνητική (Σχήμα 2.1). Σχήμα 2.1 :Θετική και αρνητική ημιπερίοδος ημιανόρθωσης. Στην πλήρη ανόρθωση, κατά τη θετική ημιπερίοδο το ρεύμα περνά από τη δίοδο D1 και κατά την αρνητική από τη δίοδο D2. Και στις δύο περιπτώσεις όμως διοχετεύεται στη θετική πολικότητα της αντίστασης φόρτου αξιοποιώντας έτσι τη «χαμένη» στην ημιανόρθωση αρνητική ημιπερίοδο (Σχήμα 2.2) 17

18 Σχήμα 2.2 :Θετική και αρνητική ημιπερίοδος πλήρους ανόρθωσης, όπου V2 (pk) η μέγιστη τάση του δευτερεύοντος του μετασχηματιστή. Η αξιοποίηση της αρνητικής ημιπεριόδου πραγματοποιείται και στον ανορθωτή γέφυρας με έναν διαφορετικό τρόπο. Κατά τη θετική ημιπερίοδο το ρεύμα διέρχεται από τις D1, D3 ενώ κατά την αρνητική από τις D2, D4 (Σχήμα 2.3). Σχήμα 2.3 : Θετική και αρνητική ημιπερίοδος ανόρθωσης γέφυρας. Στο παρακάτω συγκριτικό διάγραμμα (Σχήμα 2.4) απεικονίζονται οι κυματομορφές εξόδου των τεχνικών ανόρθωσης. Κανείς παρατηρεί αφενός ότι στην ημιανόρθωση παρουσιάζονται χρονικά κενά που ενδεχομένως αργότερα να δώσουν κακή ποιότητα εξομάλυνσης και αφετέρου ότι σε καμιά από τις τρείς περιπτώσεις οι κυματομορφές εξόδου δεν έχουν το ίδιο πλάτος αλλά μικρότερο. Η παρατηρούμενη πτώση τάσης σε σχέση με τη μέγιστη τιμή τάσης του δευτερεύοντος (0,7V στην ημιανόρθωση και 18

19 στην πλήρη ανόρθωση, και 1,4V στην ανόρθωση γέφυρας) οφείλεται στην τάση που απαιτεί μια δίοδος στα άκρα της προκειμένου να άγει (0,7V). Σχήμα 2.4 :Παρατηρούμενες κυματομορφές εξόδου ανορθωτικών συστημάτων όπου V2 (pk) η μέγιστη του δευτερεύοντος του μετασχηματιστή 2.2 ΕΠΙΛΟΓΗ ΔΙΑΤΑΞΗΣ ΑΝΟΡΘΩΣΗΣ Παράμετροι επίδοσης ανορθωτικών συστημάτων. Εκτός από τις εμφανείς διαφορές μεταξύ των διατάξεων ανόρθωσης όπως προαναφέραμε υπάρχουν και άλλες, ιδιαίτερα σημαντικές, που σχετίζονται με τις παραμέτρους επίδοσης κάθε διάταξης. Οι παράμετροι αυτές είναι : Α) Τάση δευτερεύοντος : Είναι η τάση που απαιτεί η είσοδος του συστήματος ανόρθωσης προκειμένου η κυματομορφή εξόδου να παρουσιάζει ίδια μέγιστη τιμή και στις τρείς περιπτώσεις. 19

20 Β) Μέγιστη ανάστροφη τάση (peak inverse voltage PIV) : Η μέγιστη ανάστροφη τάση που παρουσιάζεται (και επομένως πρέπει να επιλεγεί έτσι ώστε να την αντέχει) στα άκρα μιας διόδου. Γ) Συνεχής τάση εξόδου : Είναι η αναμενόμενη συνεχής τάση στα άκρα της εξόδου του ανοικτού (χωρίς φόρτο) ανορθωτικού συστήματος. Χρησιμεύει στην επιβεβαίωση με βολτόμετρο (όχι με παλμογράφο) της σωστής λειτουργίας του συστήματος. Δ) Συντελεστής κυμάτωσης (ripple factor): Μέτρο εκτίμησης του εναλασσόμενου περιεχομένου της εξόδου. Ορίζεται ως r = (rms τιμή των ac συνιστωσών της τάσης φόρτου)/(dc συνιστώσα της τάσης φόρτου). Ε) Απόδοση μετατροπής ισχύος : Μέτρο εκτίμησης της αξιοποίησης της διαθέσιμης ισχύος στην είσοδο του ανορθωτικού συστήματος. Ορίζεται ως η =(dc ισχύς εξόδου/ac ισχύς εισόδου)x100%. ΣΤ) Σταθεροποίηση τάσης (voltage regulation): Είναι το μέτρο εκτίμησης των αλλαγών της τάσης εξόδου με αλλαγές στην τιμή της αντίστασης φόρτου. Ορίζεται ως [(Vχωρίς φόρτο-vμε φόρτο)/ Vμε φόρτο]x100%. Ζ) Συντελεστής εκμετάλλευσης του μετασχηματιστή (transformer utilization factor TUF): Λόγω μη ημιτονοειδούς ρεύματος, οι σπείρες ενός μετασχηματιστή μπορούν να αντέξουν μόνο ένα ποσοστό του ημιτονοειδούς ρεύματος που κανονικά θα άντεχαν. Σο ποσοστό αυτό είναι ο συντελεστής TUF. Με αναφορά το δευτερεύον, ορίζεται ως TUFs = (αποδιδόμενη dc ισχύς φόρτου)/(προδιαγραφόμενη ac ισχύς δευτερεύοντος). Η) Θεμελιώδης συχνότητα κυμάτωσης : η συχνότητα του ανορθωμένου σήματος. Είναι επιθυμητή η μέγιστη δυνατή καθώς όσο μεγαλώνει τόσο διευκολύνεται το φιλτράρισμα. 20

21 2.3 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΣΤΗΝ ΕΠΙΛΟΓΗ ΑΝΟΡΘΩΣΗΣ Α) Τάση δευτερεύοντος: Στη διάταξη πλήρους ανορθωτή λόγω της μεσαίας λήψης του μετασχηματιστή, παρουσιάζονται τρία διαφορετικά ζεύγη ακροδεκτών εισερχόμενης εναλασσόμενης τάσης. (VΑΒ, VΒΓ, VΑΓ). Το ένα ζεύγος (VAB) παρέχει τάση στη θετική, και το δεύτερο(vβγ) στην αρνητική ημιπερίοδο. Είναι φανερό ότι και οι δυο αυτές τάσεις πρέπει να είναι ίσες (κατά απόλυτη τιμή) με τη μέγιστη επιθυμητή συνεχή τάση κάτι το οποίο απαιτεί διπλάσια τάση στο τρίτο ζεύγος (VΑΓ) που ουσιαστικά είναι και η συνολική τάση του δευτερεύοντος. Συμπερασματικά, στον πλήρη ανορθωτή απαιτείται πιο ακριβός μετασχηματιστής καθώς όχι μόνο έχει μεσαία λήψη, αλλά και περισσότερα σπειρώματα στον πυρήνα που ανεβάζουν το κόστος. Β) Μέγιστη ανάστροφη τάση: Λόγω της προηγούμενης παραμέτρου, καθεμιά από τις δύο διόδους του πλήρους ανορθωτή πρέπει να αντέχει στα άκρα της τάση διπλάσια από αυτήν των άλλων μεθόδων ανόρθωσης, κάτι που συνιστά άλλον ένα παράγοντα αύξησης του κόστους στην πλήρη ανόρθωση. Γ) Συνεχής τάση εξόδου: Ο μέσος όρος των παλμών συνεχούς τάσης που μετρά ένα βολτόμετρο είναι ο μισός στην ημιανόρθωση σε σχέση με την πλήρη ανόρθωση και τη γέφυρα. Αυτό αποτελεί μια πρώτη ένδειξη της κακής προσαρμογής σε συνεχή τάση που προκαλούν τα χρονικά κενά της ημιανόρθωσης. Δ) Συντελεστής κυμάτωσης: Άλλη μια ένδειξη κακής προσαρμογής σε συνεχή τάση στην ημιανόρθωση η οποία οδηγεί σε αύξηση της κυμάτωσης στην έξοδο. Η αιτία είναι και πάλι η μη εκμετάλλευση των αρνητικών ημιπεριόδων και υποβόσκει αύξηση του κόστους λόγω απαίτησης εντατικότερης εξομάλυνσης κατά το φιλτράρισμα. Ε) Απόδοση: Είναι η παράμετρος που μαρτυρά με τον καταφανέστερο τρόπο τη σπατάλη των αρνητικών ημιπεριόδων στην ημιανόρθωση. Χρησιμοποιείται λιγότερη από τη μισή της διαθέσιμης ισχύος κάτι μη αποδεκτό μιλώντας τόσο ενεργειακά όσο και κατασκευαστικά. 21

22 ΣΤ) Σταθεροποίηση: Είναι η μόνη παράμετρος επίδοσης στην οποία υστερεί η γέφυρα. Παρουσιάζει μεγαλύτερη σταθεροποίηση ενώ στην πράξη είναι επιθυμητή η μικρότερη δυνατή, έτσι ώστε να μην παρουσιάζεται σημαντική διακύμανση στη συνεχή τάση λόγω αλλαγής φόρτου. Το πρόβλημα είναι μικρό όμως αν αναλογιστεί κανείς ότι η αντίσταση φόρτου είναι σταθερή στις περισσότερες περιπτώσεις τροφοδοτούμενων συστημάτων. Ζ) TUF: Το μη ημιτονοειδές ρεύμα που εμποδίζει την ιδανική λειτουργία του μετασχηματιστή είναι μικρότερο στην ανόρθωση γέφυρας κάτι το οποίο επιτρέπει τη χρήση λιγότερο εξειδικευμένων τεχνικών και υλικών στην κατασκευή του μετασχηματιστή γέφυρας. Αντίθετα, στις άλλες δύο τεχνικές, προκειμένου να προκύπτουν ίδια αποτελέσματα πρέπει να χρησιμοποιηθούν μετασχηματιστές είτε με εξειδικευμένα υλικά είτε με υψηλότερες παραμέτρους επίδοσης, που και τα δύο συνεπάγονται αύξηση του κόστους. Η) Συχνότητα: Όσο μεγαλύτερη η συχνότητα της κυματομορφής, τόσο πιο μικρά τα χρονικά διαστήματα της εκφόρτισης των πυκνωτών εξομάλυνσης. Με μείωση του χρόνου αυτού όμως, μειώνεται και η πτώση τάσης, παράμετρος επίδοσης την οποία μετριέται με το συντελεστή διακύμανσης (ripple). Θα μπορούσε λοιπόν κάποιος να ισχυριστεί ότι η παράμετρος της συχνότητας καθορίζει σε μεγάλο βαθμό την παράμετρο της κυμάτωσης. Προφανώς είναι επιθυμητή η μέγιστη δυνατή για να επιτευχθεί η βέλτιστη προσαρμογή σε συνεχή τάση, δηλαδή μικρότερες απαιτήσεις σε υλικά και κόστος και καλύτερες παραμέτρους επίδοσης. Συμπερασματικά : Από την ανάλυση που προηγήθηκε, ως καταλληλότερη μέθοδος ανόρθωσης κρίνεται η ανόρθωση γέφυρας καθώς συνδυάζει τα εξής πλεονεκτήματα: Έχει μικρές ενεργειακές απαιτήσεις. Παρουσιάζει την καλύτερη dc προσαρμογή. Έχει μικρό κόστος κατασκευής. 22

23 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΕΞΟΜΑΛΥΝΣΗ 3.1 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΕΞΟΜΑΛΥΝΣΗΣ Στο υψηλό εναλλασσόμενο περιεχόμενο του σήματος εξόδου ενός συστήματος ανόρθωσης δεν είναι ανεκτό στις περισσότερες εφαρμογές. Είναι λοιπόν αναγκαίο να εξομαλυνθεί περισσότερο αυτή η κυμάτωση. Αυτή η επιπρόσθετη αλλά αναγκαία λειτουργία της εξομάλυνσης σημαίνει πως μεταξύ ανορθωτή και φόρτου πρέπει να ενταχθεί δομική λειτουργική μονάδα μείωσης της κυμάτωσης που ονομάζεται φίλτρο εξομάλυνσης. Η λειτουργική απαίτηση από μια τέτοια μονάδα είναι να αφαιρεί τις συνιστώσες εναλλασσόμενης τάσης χωρίς να επηρεάζει τη συνεχή τάση. Αυτό μπορεί να γίνει με δυο τρόπους. Είτε συνδέοντας σε σειρά προς το φόρτο κάποιο στοιχείο που θα δρα σαν ανοιχτό κύκλωμα στην εναλλασσόμενη και σαν βραχυκύκλωμα στη συνεχή τάση, είτε συνδέοντας παράλληλα στο φόρτο κάποιο στοιχείο που θα δρα σαν ανοιχτό κύκλωμα στη σταθερή και βραχυκύκλωμα στην εναλλασσόμενη τάση. Το πηνίο είναι το στοιχείο της πρώτης επιλογής, και ο πυκνωτής της δεύτερης. Οι βασικές μέθοδοι εξομάλυνσης είναι είτε σύνδεση πηνίου σε σειρά, είτε σύνδεση πυκνωτή παράλληλα στο φόρτο. Υβριδικές μορφές φίλτρων που περιλαμβάνουν και πηνίο και πυκνωτή είναι χρήσιμες σε πολλές εφαρμογές, ωστόσο εδώ θα παρουσιαστούν μόνο οι βασικές τεχνικές. Σχήμα 3.1: Φίλτρο πηνίου σε πλήρη ανορθωτή (choke filter) 23

24 Σχήμα 3.2: Κυματομορφές εισόδου - εξόδου ενός φίλτρου πηνίου σε πλήρη ανόρθωση. Το πηνίο συνδεδεμένο σε σειρά με το φορτίο ( σχήμα 3.1) λόγω επαγωγής αντιτίθεται σε αλλαγές στην τιμή του ρεύματος. Συνεπώς, επειδή ακριβώς η παράμετρος επίδοσης την οποία το φίλτρο καλείται να βελτιώσει δραστικά, (η κυμάτωση) δεν είναι τίποτε άλλο από διακύμανση στην τιμή του ρεύματος και της τάσης, το πηνίο βελτιώνει την κυμάτωση (σχήμα 3.2) Το φίλτρο πυκνωτή σε πλήρη ανορθωτή (σχήμα 3.3) έχει εντελώς διαφορετική συμπεριφορά. Όταν το κύκλωμα τεθεί σε λειτουργία, ο πυκνωτής φορτίζεται κατά τη διάρκεια της μισής ημιπεριόδου από την ορθά πολωμένη δίοδο D1 στη μέγιστη τάση Esm. την αρχή του δεύτερου μισού της ημιπεριόδου (π/2 έως π) η δίοδος D1 πολώνεται ανάστροφα και σταματά να άγει. Το διάστημα αυτό, ο πυκνωτής εκφορτιζόμενος από το φόρτο, του παρέχει ρεύμα. Η εκφόρτιση πραγματοποιείται έως το σημείο Β (σχήμα 3.4) το οποίο είναι τοποθετημένο στο τέταρτο από π μέχρι 3π/2. το Β, η τάση εισόδου ξεπερνά την τάση του πυκνωτή πολώνοντας έτσι ορθά τη δίοδο D2.

25 Σχήμα 3.3 : Φίλτρο πυκνωτή σε πλήρη ανόρθωση. Σχήμα 3.4 :κυματομορφές εισόδου και εξόδου φίλτρου πυκνωτή σε πλήρη ανόρθωση. 25

26 3.2 ΕΠΙΛΟΓΗ ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΕΞΟΜΑΛΥΝΣΗΣ Στη συνέχεια, θα εξεταστούν οι παράμετροι που συντελούν στην επιλογή διάταξης εξομάλυνσης τόσο για την περίπτωση φίλτρου πυκνωτή, όσο και για την περίπτωση φίλτρου πηνίου όπως αυτές αναπτύχθηκαν στις παραπάνω παραγράφους ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΦΙΛΤΡΟΥ C ΔΙΟΔΙΚΟ ΡΕΥΜΑ(surge current). Στον ανορθωτή γέφυρας του (σχήμα 3.5), ο διακόπτης τη χρονική στιγμή t=0 είναι κλειστός. Έτσι, οι δίοδοι D1 και D2 πολώνονται ορθά και άγουν. Αρχικά, ο πυκνωτής δρα σαν βραχυκύκλωμα, οπότε τις πρώτες στιγμές δεν προσφέρει κάποια αντίσταση στο αρχικό ρεύμα. Η ορθή αντίσταση των διόδων είναι πολύ μικρή οπότε ένα υψηλό ρεύμα διαρρέει στιγμιαία τις ορθά πολωμένες διόδους D1 και D2. Το ρεύμα αυτό ονομάζεται διοδικό ρεύμα. Αν υποτεθεί ότι ο διακόπτης κλείνει τη στιγμή που το δευτερεύον του μετασχηματιστή λαμβάνει τη μέγιστη τιμή του, θα μεγιστοποιηθεί ανάλογα και το διοδικό ρεύμα. Ένα τέτοιο διοδικό ρεύμα κορυφής μπορεί να καταστρέψει τις διόδους. Σχήμα 3.5 :Ο πυκνωτής δρα στιγμιαία ως βραχυκύκλωμα δημιουργώντας έτσι το διοδικό ρεύμα κορυφής. Αποδεικνύεται, ότι μια έκφραση του διοδικού ρεύματος δίνεται από 26

27 τη σχέση : I p( surge) I DC T 1 T1 C (3.1) Όπου ΙDC το μέσο σταθερό ρεύμα. Σ η περίοδος του ανορθωμένου σήματος. Σ1(1/C) ο χρόνος φόρτισης ο οποίος γράφεται έτσι ως υπενθύμιση του ότι είναι αντιστρόφως ανάλογος της χωρητικότητας. Σ χ ή μ α 3.6 : Διοδικό ρεύμα σε ημιανορθωσή με φίλτρο πυκνωτή. Πράγματι, η αύξηση της χωρητικότητας προκαλεί μικρή πτώση τάσης κατά την εκφόρτιση. Όσο μικρότερη όμως η πτώση τάσης τόσος λιγότερος χρόνος απαιτείται για την επαναφόρτιση του πυκνωτή. Και φυσικά με μικρότερες τιμές του χρόνου Σ1 μεγαλώνει το διοδικό ρεύμα κορυφής. C V T1 I P ( surge) 27

28 Συμπερασματικά, αύξηση της χωρητικότητας συνεπάγεται αύξηση στο διοδικό ρεύμα κορυφής το οποίο μπορεί να είναι καταστρεπτικό για τις διόδους καθώς θεωρώντας ότι Σ1<Σ το ρεύμα αυτό μπορεί να είναι πολλές φορές μεγαλύτερο από το μέσο σταθερό ρεύμα που παρέχεται στο φόρτο. Το πρόβλημα αντιμετωπίζεται με δυο τρόπους : 1.Επιλέγονται ανθεκτικότερες (και κατά συνέπεια ακριβότερες) διόδους με τιμή ανοχής ρεύματος ορθής φοράς ίση τουλάχιστον με το διοδικό ρεύμα κορυφής. 2. Περιορίζεται το διοδικό ρεύμα κορυφής τοποθετώντας μια αντίσταση έξοδο της ανόρθωσης. R S στην Σχήμα 3.7 : Περιορισμός διοδικού ρεύματος (a ) σε πλήρη ανόρθωση και (b ) σε ανόρθωση γέφυρας Η τιμή της RS πρέπει να είναι μικρή σε σχέση με την αντίσταση φόρτου, καθώς μειώνει τη συνεχή τάση εξόδου. Αν έχουν επιλεγεί δίοδοι με τιμή ανοχής ρεύματος ορθής φοράς τιμή της I FMS,και το ανορθωμένο σήμα έχει μέγιστη τάση Esm, η ενδεικνυόμενη R S δίνεται από τις σχέσεις: R S E sm I 1.4 FMS (3.2) (για ανόρθωση γέφυρας) 28

29 R S E sm I 0.7 FMS (3.3) (για άλλη ανόρθωση) ΤΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ ΤΗΣ ΑΠΟΤΟΜΗΣ ΠΑΡΟΧΗΣ Υπάρχει ακόμα ένας πολύ σημαντικός περιορισμός στη χρήση του πυκνωτή. Αυτός είναι η αδυναμία πυκνωτών υψηλής χωρητικότητας να καλύψουν τις απαιτήσεις του φόρτου σε μεταβατικά ρεύματα (οξείες, απότομες αιχμές ρεύματος). Η αναπόφευκτα υψηλή σταθερά χρόνου εκφόρτισης (RC) στους πυκνωτές μεγάλης χωρητικότητας, αν και βελτιώνει την παράμετρο επίδοσης της κυμάτωσης, σημαίνει ταυτόχρονα «επαγωγική» αδράνεια εκφόρτισης του πυκνωτή. Με άλλα λόγια ο ίδιος ο πυκνωτής αντιτίθεται στην ελεύθερη ροή του ρεύματος εκφόρτισής του δρώντας έτσι αυτεπαγωγικά. Αποτέλεσμα της συμπεριφοράς αυτής, είναι ο μεγάλος πυκνωτής να αδυνατεί να παράσχει στο φόρτο με πιστότητα κάποιον απότομο παλμό ρεύματος που πιθανόν να ζητηθεί από το φόρτο. Υπάρχει βέβαια, πρακτικός τρόπος αντιμετώπισης του προβλήματος αυτού, που στηρίζεται στο γεγονός ότι αυτές οι απότομες μεταβατικές απαιτήσεις ρεύματος μπορεί να είναι μεγάλης τιμής, αλλά συνήθως είναι μικρής διάρκειας και επομένως μικρής σχετικά συνολικής ενέργειας. Έτσι, αυτού του τύπου τις απαιτήσεις (του όποιου φόρτου) θα μπορούσε να τις καλύψει κάλλιστα ένας μικρότερος πυκνωτής, που αποθηκεύει μεν μικρότερη ενέργεια, αλλά λόγω της μικρής σταθεράς χρόνου εκφόρτισης μπορεί να αποδώσει ταχύτερα και άρα πιστότερα έναν οξύ παλμό ρεύματος που θα ζητηθεί από το φόρτο. Επομένως συχνά σε συστήματα τροφοδοτικών, υπάρχει παράλληλα στο μεγάλο πυκνωτή εξομάλυνσης και άλλος μικρότερης τιμής. Αυτή η συμπεριφορά των μεγάλων πυκνωτών μπορεί να οδηγήσει έναν σχεδιαστή τροφοδοτικού στη σύνθεση φίλτρου εξομάλυνσης από μεγάλο αριθμό μικρών πυκνωτών, παράλληλα συνδεδεμένων, για να πετύχει ποιοτικότερη εξομάλυνση. 29

30 1 C 1 C 1 1 C 2 1 C 3 (3.4) C C1 C2 C3 (3.5) Σχήμα 3.8 : Συνδεσμολογίες συνδυαστικής χρήσης πυκνωτών. 30

31 ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΚΥΜΜΑΤΩΣΗΣ rc (ripple). Είναι η βασικότερη παράμετρος επίδοσης κάθε φίλτρου και αποτελεί τον κυριότερο παράγοντα σύγκρισης μεταξύ των συστημάτων εξομάλυνσης εφόσον το ζητούμενο ενός φίλτρου είναι προφανώς να μειώνει την κυμάτωση. Για το φίλτρο πυκνωτή πάνω σε πλήρη ανόρθωση συνδεδεμένη σε δίκτυο συχνότητας f, αποδεικνύεται ότι η τάση κυμάτωσης (peακ to peak) δίνεται από τη σχέση : V r 4V 4 fcr m L 1 (3.6) ενώ ο συντελεστής κυμάτωσης που αντιστοιχεί στη διακύμανση τάσης της σχέσης (3.6) παίρνει την τιμή : r C fcr L (3.7) Η προηγούμενη σχέση δηλώνει ότι όσο μεγαλύτερη η χωρητικότητα C του πυκνωτή, τόσο μειώνεται η κυμάτωση. Ωστόσο στην αύξηση της χωρητικότητας υπάρχουν οι περιορισμοί που συζητήθηκαν στις προηγούμενες παραγράφους. Στην παραπάνω σχέση παρατηρεί κανείς αντίστροφη αναλογία του συντελεστή κυμάτωσης rc και με την αντίσταση φόρτου, κάτι που καταδεικνύει το φίλτρο πυκνωτή ως κατάλληλο φίλτρο για συστήματα υψηλού φόρτου καθώς τότε θα ελαχιστοποιείται η κυμάτωση ΣΥΝΕΧΗΣ ΤΑΣΗ ΕΞΟΔΟΥ (Vdc). Η συνεχής τάση εξόδου είναι η τιμή που θα δει κάποιος στο πολύμετρο αν μετρήσει την τάση στα άκρα του πυκνωτή εξομάλυνσης. Στην πραγματικότητα είναι η μέση τιμή μεταξύ της μέγιστης και της ελάχιστης του κυμαινόμενου σήματος εξόδου, Vr (Σχήμα 3.9). 31

32 Το συγκεκριμένο χαρακτηριστικό ενδιαφέρει γιατί προφανώς σε οποιαδήποτε εφαρμογή είναι επιθυμητή η επίτευξη της μέγιστης δυνατής συνεχούς τάσης ενώ παράλληλα η τιμή της να μη μεταβάλλεται με αλλαγές στο φόρτο. Αποδεικνύεται ότι για φίλτρο πυκνωτή σε πλήρη ανόρθωση με μέγιστη τάση ανορθωμένου σήματος (Vm), η συνεχής τάση εξόδου είναι : V DC 4 fcr L V 4 fcr 1 L m (3.8) Σχήμα 3.9 : Η κυμάτωση (ripple voltage) απο φίλτρο πυκνωτή. Μελετώντας την προηγούμενη σχέση οριακά, προκύπτει : 0 lim CR 0 Vdc 0 L 1 lim CR L V dc d d 4 fcr d d CR 4 fcr CR L L L L V m 1 4 fv 4 f m V m 32

33 Επομένως, αύξηση της σταθεράς χρόνου (RC) σημαίνει αύξηση και στη συνεχή τάση εξόδου με μέγιστο όριο τη μέγιστη τάση του ανορθωμένου σήματος και ελάχιστο όριο το μηδέν. Το συμπέρασμα αυτό εμπεριέχει δυο διαπιστώσεις : Εφόσον C R L C V m,πυκνωτές υψηλότερης χωρητικότητας μεγιστοποιούν αναλόγως και τη συνεχή τάση εξόδου. Θετική παράμετρος επίδοσης εφόσον η αύξηση της χωρητικότητας δεν βγάζει εκτός κάποιων αποδεκτών ορίων τις «παρενέργειες» της υψηλής χωρητικότητας όπως αυτές αναλύθηκαν νωρίτερα. Εφόσον R L R L C V m,αλλαγές στην αντίσταση φόρτου δημιουργούν αντίστοιχες μεταβολές στη συνεχή τάση εξόδου. Η συμπεριφορά αυτή αντιτίθεται στην αρχική απαίτηση ενός τροφοδοτικού να διατηρεί συνεχή τάση στην έξοδό του ανεξαρτήτως των όποιων αλλαγών. Επομένως είναι αρνητική παράμετρος επίδοσης και καθιστά το φίλτρο πυκνωτή φίλτρο κακής προσαρμογής σε συνεχή τάση (poor regulation). Σχήμα 3.10 : Εξάρτηση της συνεχούς τάσης εξόδου από το ρεύμα (που εξαρτάται από το φόρτο). Ένδειξη κακής dc 33

34 3.2.2 ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΦΙΛΤΡΟΥ L ΣΥΝΕΧΗΣ ΤΑΣΗ ΕΞΟΔΟΥ (Vdc). Αποδεικνύεται ότι η έξοδος ενός εξομαλυμένου με πηνίο πλήρους ανορθωτή, προσεγγίζεται από τη σχέση : V dc R L R f 2RL R S R ί ~ L V m (3.9) Όπου : Rf η αντίσταση ορθής φοράς κάθε διόδου. Rs η αντίσταση του δευτερεύοντος του μετασχηματιστή. Rπηνίου η ωμική dc αντίσταση που παρουσιάζει το πηνίο η οποία είναι ανάλογη του συντελεστή αυτεπαγωγής L. Από την ανωτέρω σχέση, προκύπτει : 0 lim RL 0 Vdc 0 R R R ~ L f S ί d RL lim RL 0 Vdc dr R R R L d 2R V f d L R L m S ί 2V m Κατά συνέπεια, η αύξηση της αντίστασης φόρτου σημαίνει αύξηση και στη συνεχή τάση εξόδου με μέγιστο όριο τα 2/3 περίπου της μέγιστη τάσης του ανορθωμένου σήματος και ελάχιστο όριο το μηδέν. Επιπλέον η εξάρτηση της Rπηνίου από το 34

35 συντελεστή L επιβάλλει έναν πρακτικό περιορισμό στο μέγεθος του συντελεστή αυτεπαγωγής που θα επιλεγεί καθώς όπως είναι φανερό, αύξηση του L αυξάνει την Rπηνίου η οποία με τη σειρά της, ως αντιστρόφως ανάλογη της Vdc, τη μειώνει ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΚΥΜΜΑΤΩΣΗΣ rl (ripple). Για το φίλτρο πηνίου πάνω σε πλήρη ανόρθωση συνδεδεμένη σε δίκτυο συχνότητας f, αποδεικνύεται ότι ο συντελεστής κυμάτωσης παίρνει την τιμή : r L R L 6 2fL (3.10) Τα συμπεράσματα που δίνει η προηγούμενη έκφραση της κυμάτωσης είναι δυο : Α) Όσο μεγαλύτερος ο συντελεστής αυτεπαγωγής L του πηνίου, τόσο μειώνεται η κυμάτωση. Ωστόσο στην αύξηση του L υπάρχει περιορισμός καθώς όπως συζητήθηκε νωρίτερα, την αύξηση του L ακολουθεί η μείωση της συνεχούς τάσης εξόδου. Β) Το δεύτερο που παρατηρεί κανείς στη σχέση της κυμάτωσης, είναι η αναλογία του συντελεστή κυμάτωσης rl με την αντίσταση φόρτου, κάτι που καταδεικνύει το φίλτρο πηνίου ως κατάλληλο φίλτρο για συστήματα χαμηλού φόρτου καθώς τότε θα ελαχιστοποιείται η κυμάτωση. Συμπερασματικά : Από την ανάλυση που προηγήθηκε, ως καταλληλότερη μέθοδος εξομάλυνσης κρίνεται η εξομάλυνση πυκνωτή καθώς συνδυάζει τα εξής πλεονεκτήματα: Είναι στοιχείο που διατίθεται στην αγορά σε μεγάλη ποικιλία, με μικρό κόστος. Έχει μικρότερες ενεργειακές απαιτήσεις από το φίλτρο πηνίου (Αποδίδει μεγαλύτερη μέγιστη τάση εξόδου). Λειτουργεί στο έπακρο των δυνατοτήτων του για υψηλό Φόρτο. 35

36 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο Σταθεροποίηση 4.1 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΣΤΑΘΕΡΟΠΟΙΗΣΗΣ Η δουλειά ενός ηλεκτρονικού σταθεροποιητή είναι να εξαφανίζει την όποια εναπομένουσα κυμάτωση διέφυγε του φίλτρου, αλλά και να διατηρεί σταθερό το σήμα στην έξοδό του ανεξάρτητα από τυχόν μεταβολές του σήματος εισόδου του. Οι μεταβολές αυτές μπορεί να είναι μεταξύ άλλων : Α) Μεταβολή στο ρεύμα φόρτου : Με τροφοδοτικό χωρίς σταθεροποιητή, μεταβολή στο ρεύμα φόρτου θα προκαλούσε μεταβολή στην τάση φόρτου καθώς υπάρχει αντίστροφη αναλογία μεταξύ τους (R=V/I). Β) Μεταβολή στην τάση του δικτύου : Η είσοδος στην ανόρθωση που είναι η τάση του δικτύου καθορίζει και την τελική τιμή της συνεχούς τάσης. Συνεπώς διακυμάνσεις στην τάση του δικτύου προκαλούν ανεπιθύμητες αναταράξεις και στο τελικό (συνεχούς τάσης) σήμα. Γ) Μεταβολές στη θερμοκρασία : Οι δίοδοι που χρησιμοποιούνται στην ανόρθωση, αλλά και άλλα ημιαγωγικά στοιχεία του τροφοδοτικού έχουν ευαισθησία στις αλλαγές της θερμοκρασίας που τελικά είναι ικανές να προκαλέσουν μεταβολές στο σήμα εξόδου. Η αναγκαιότητα του σταθεροποιητή προέκυψε λοιπόν από την ύπαρξη των προηγούμενων παραγόντων μεταβολής της τάσης την επίδραση των οποίων επιχειρεί να εξαλείψει. 36

37 Το κύκλωμα ενός σταθεροποιητή στην απλούστερη μορφή του, αποτελείται από : Τάση αναφοράς (VR). Ενισχυτή σφάλματος. Ανατροφοδότηση. Ενεργό σειριακό ή παρακαμπτήριο στοιχείο ελέγχου. Η τάση αναφοράς εξασφαλίζει ένα επίπεδο τάσης που εφαρμόζεται στο κύκλωμα ενός συγκριτή που γενικά αναφέρεται ως ενισχυτής σφάλματος. Η δεύτερη είσοδος του ενισχυτή σφάλματος λαμβάνεται από τον κλάδο ανατροφοδότησης. Γενικά, το ανατροφοδοτούμενο σήμα παράγεται με δειγματοληψία της τάσης εξόδου. Ο ενισχυτής σφάλματος μετατρέπει τη διαφορά ανάμεσα στο σήμα της ανατροφοδότησης και της τάσης αναφοράς σε ένα σήμα σφάλματος. Αυτό το σήμα σφάλματος με τη σειρά του ελέγχει το ενεργό στοιχείο (το ενεργό στοιχείο γενικά είναι ένα τρανζίστορ) του σταθεροποιητή έτσι ώστε να αντισταθμίσει τη μεταβολή στην τάση εξόδου. Επομένως, η τάση εξόδου του σταθεροποιητή έχει παραμείνει σταθερή. Η καρδιά ενός κυκλώματος σταθεροποίησης είναι το ενεργό στοιχείο ελέγχου. Αν το στοιχείο αυτό είναι συνδεδεμένο σε παρακαμπτήριο κλάδο σε σχέση με το φόρτο, το κύκλωμα ονομάζεται σταθεροποιητής παράκαμψης (shunt regulator). Αν είναι συνδεδεμένο σε σειρά με το φόρτο, ονομάζεται σειριακός σταθεροποιητής (series regulator). Σχήμα 4.1 : Block διάγραμμα σταθεροποιητή παράκαμψης (s hunt regulator) 37

38 Στο σταθεροποιητή παράκαμψης (Σχήμα 4.1), η μη σταθεροποιημένη τάση εισόδου Vin παρέχει ρεύμα στο φόρτο. Ωστόσο ένα μέρος αυτού του ρεύματος εκτρέπεται προς το στοιχείο ελέγχου (control element) το οποίο προσπαθεί να διατηρήσει σταθερή την τάση στο φόρτο. Με αλλαγή στην τάση φόρτου, ο κλάδος ανατροφοδότησης δειγματοληπτεί την τάση αυτή (sampling circuit) και στέλνει το δείγμα στο συγκριτή (comparator circuit). Έχοντας ως δεύτερη είσοδο μια τάση αναφοράς, ο συγκριτής στέλνει τη διαφορά των δυο εισόδων του στο στοιχείο ελέγχου το οποίο με βάση αυτή την πληροφορία αποφασίζει την τιμή του ρεύματος που εκτρέπεται έτσι ώστε η τάση φόρτου να παραμείνει σταθερή. Στο σειριακό σταθεροποιητή (Σχήμα 4.2) η είσοδος είναι η μη σταθεροποιημένη τάση εισόδου Vin. Το στοιχείο ελέγχου ελέγχει το ποσό της τάσης εισόδου που φθάνει στην έξοδο. Ο κλάδος της ανατροφοδότησης παρέχει και πάλι μέσω δειγματολειψίας πληροφορίες του σήματος εξόδου στο συγκριτή ο οποίος συγκρίνει τα δείγματα αυτά με μια προκαθορισμένη τάση αναφοράς. Στη συνέχεια διοχετεύει το αποτέλεσμα της σύγκρισης στο στοιχείο ελέγχου όπου αποφασίζεται ανάλογα η μεταβολή του εισερχόμενου σήματος. Σχήμα 4.2: Block διάγραμμα σειριακού σταθεροποιητή (series regulator). 38

39 4.1.1 ΡΥΘΜΙΣΗ ΤΑΣΗΣ ΕΞΟΔΟΥ Η ακόλουθη τοπολογία, επιτρέπει τη ρύθμιση της τάσης εξόδου του σταθεροποιητή: Σχημα 4.3 : Τοπολογία ρύθμισης τάσης εξόδου σταθεροποιητή. Η ρύθμιση της τάσης εξόδου στους σταθεροποιητές πραγματοποιείται λαμβάνοντας υπ όψη τα παρακάτω: Η τάση εισόδου του σταθεροποιητή πρέπει να είναι η μέγιστη δυνατή που θα προκύψει στην έξοδό του, μετά από τη ρύθμιση. Η αντίσταση ρύθμισης R1 παραμένει σταθερή. Η αντίσταση ρύθμισης R2 μεταβάλλεται εντός ενός διαστήματος στο μέγιστο όριο του οποίου η έξοδος είναι η μέγιστη δυνατή (ίση με την είσοδο) ενώ στο ελάχιστο όριο μηδενίζεται. Εν συνεχεία εξετάζεται ποιά μαθηματική σχέση διέπει τη ρύθμιση. Με δεδομένο οτι η τάση Vo-Vadj ή τάση αναφοράς (Vref)στους σταθεροποιητές είναι μια σταθερή ποσότητα όπως είναι και το ρεύμα που διαρρέει τον ακροδέκτη ρύθμισης (Iadj), στο κύκλωμα του Σχήματος 4.3 ισχύει : 39

40 V V V V ref I adj I R1 R2 Vref I adj 2 0 R1 R2 ref R R1 V V V R I 2 0 ref 1 adjr2 R 1 (4.1) ΒΟΗΤΗΙΚΟΙ ΠΥΚΝΩΤΕΣ Κατά τη διαδικασία της ρύθμισης συνήθως είναι απαραίτητοι δύο πυκνωτές, ένας στην είσοδο του σταθεροποιητή και ένας στην έξοδο (Σχήμα 4.4). Ο πυκνωτής εισόδου (C1) είναι αναγκαίος όταν η σταθεροποίηση απέχει σημαντική απόσταση από το φίλτρο πυκνωτή και προορίζεται να εξαλείψει ανεπιθύμητες συνιστώσες εναλασσόμενης τάσης που δημιουργούνται. Σχήμα 4.4: Σταθεροποιητής με βοηθητικούς πυκνωτές απόστασης και επιτάχυνσης. Ο πυκνωτής εξόδου (C2) είναι απολύτως απαραίτητος σε κάθε κύκλωμα τροφοδοσίας. Ο ρόλος του είναι να δημιουργεί παρακαμπτήρια οδό για τις ανεπιθύμητες υψηλές συχνότητες βελτιώνοντας έτσι το χρόνο σταθεροποίησης στο φόρτο. 40

41 4.2 ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΣΕΙΡΙΑΚΟΥ & ΠΑΡΑΚΑΜΠΤΗΡΙΟΥ ΣΤΑΘΕΡΟΠΟΙΗΤΗ Η βασική διαφορά μεταξύ των δυο διατάξεων σταθεροποίησης έχει να κάνει με τη φύση του σήματος που τελικά διέρχεται από το στοιχείο ελέγχου. Στο σταθεροποιητή παράκαμψης, (Σχήμα 4.1) από το στοιχείο ελέγχου διέρχεται ένα μέρος του ρεύματος φόρτου. Επομένως είναι ασφαλές το στοιχείο ελέγχου να θεωρηθεί ως ένα στοιχείο χαμηλού ρεύματος και κατά συνέπεια υψηλής τάσης. Η αποδοτικότητά του κατά τον έλεγχο είναι απόλυτα εξαρτημένη από την τιμή του ρεύματος φόρτου, και επειδή η τιμή αυτή είναι συνάρτηση της αντίστασης φόρτου, η σταθεροποίηση παράκαμψης δεν ενδείκνυται για συστήματα μεταβαλλόμενου φόρτου. Στο σειριακό σταθεροποιητή (Σχήμα 4.2) όλο το ρεύμα περνά από το στοιχείο ελέγχου που σημαίνει ότι εδώ το στοιχείο αυτό πρέπει να είναι στοιχείο υψηλής τάσης και χαμηλού ρεύματος. Εφόσον το ρεύμα εισόδου ταυτίζεται με το ρεύμα φόρτου, η αποδοτικότητά του στον έλεγχο εξαρτάται από την τάση εξόδου. Ο σειριακός σταθεροποιητής εκτός από την ευελιξία στο φόρτο που παρέχει στο σχεδιαστή, έχει λόγω κυκλωμάτωσης μια εν γένει καλύτερης ποιότητας σταθεροποίηση. Τέτοια που κάνει τη σταθεροποίηση παράκαμψης να φαίνεται φτωχή συγκριτικά. Αυτά τα θετικά όμως δε θα μπορούσαν να μην εμπεριέχουν κάποια δυσκολία. Για την περίπτωση του σειριακού σταθεροποιητή, η δυσκολία έγκειται στην πολυπλοκότητα στη σχεδίαση και την υλοποίηση (συγκριτικά πάντα με το σταθεροποιητή παράκαμψης). 41

42 4.3 ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΕΠΙΔΟΣΗΣ ΣΤΑΘΕΡΟΠΟΙΗΤΩΝ ΠΡΟΣ ΕΛΑΧΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Εκτός της επισήμανσης της διαφοράς των σταθεροποιητών παράκαμψης με τους σειριακούς που πραγματοποιήθηκε στην προηγούμενη παράγραφο, από την πληθώρα των στοιχείων αυτών στο εμπόριο προκύπτει η ανάγκη σύγκρισης σταθεροποιητών του ίδιου είδους. Σύγκριση η οποία επιτυγχάνεται μελετώντας τα εξής χαρακτηριστικά, τις μαθηματικές εκφράσεις των οποίων ένας καλός σταθεροποιητής αν όχι να εξαλείφει πλήρως, οφείλει να ελαχιστοποιεί: Α) Σταθεροποίηση φόρτου (Load regulation): Η τάση εξόδου τείνει να παρουσιάζει πτώση όσο η αντίσταση φόρτου αυξάνει. Αν η μέγιστη τάση (που αντιστοιχεί σε μηδενικό φόρτο) είναι η Vχωρίς φόρτο και η ελάχιστη (που παρουσιάζεται στη μέγιστη τιμή του φόρτου) είναι η Vπλήρους φόρτου, ως σταθεροποίηση φόρτου (LR) ορίζεται το ποσοστό αυτής της πτώσης και δίνεται από τη σχέση : V % LR ί ό V V ή ό ή ό 100 (4.2) Προφανώς όσο καλύτερος ο σταθεροποιητής, τόσο μικρότερο θα είναι και το ποσοστό της πτώσης. Β) Σταθεροποίηση δικτύου (Line regulation): Η τάση εξόδου είναι άμεσα εξαρτημένη από την τάση που παρέχει το δίκτυο. Διακυμάνσεις στην τάση δικτύου αναπόφευκτα προκαλούν αντίστοιχες μεταβολές στην έξοδο του σταθεροποιητή, ο οποίος εδώ κρίνεται από την ικανότητά του να τις ελαχιστοποιήσει. Αν η μέγιστη τάση στο φόρτο λόγω μιας διακύμανσης του δικτύου είναι η Vhigh, η ελάχιστη είναι η Vlow, και η επιθυμητή είναι η Vnom, ως σταθεροποίηση δικτύου (SR) ορίζεται το ποσοστό : 42

43 % SR V high V V nom low 100 (4.3) Γ) Σταθεροποίηση θερμοκρασίας (Temperature regulation): Τα ημιαγωγικά στοιχεία που περιλαμβάνει το τροφοδοτικό είναι ευαίσθητα σε μεταβολές της θερμοκρασίας. Τέτοιες μεταβολές είναι ικανές να αλλάξουν τις τιμές των ηλεκτρικών μεγεθών ένα από τα οποία είναι και η τάση εξόδου. Ένας σταθεροποιητής στοχεύει στην εξάλειψη της επίδρασης των μεταβολών αυτών στην τάση εξόδου (ΔVout), και η ικανότητά του να το επιτύχει εκφράζεται μαθηματικά με ελαχιστοποίηση της σχέσης : % TR V T out 100 (4.4) Δ) Απόρριψη κυμάτωσης (Ripple rejection): Το σήμα εισόδου ενός σταθεροποιητή είναι σήμα ανορθωμένο και εξομαλυμένο. Από την εξομάλυνση ωστόσο έχει διαφύγει μια μικρής κλίμακας κυμάτωση την οποία ο σταθεροποιητής πρέπει να ελαχιστοποιήσει. Αν η τάση της κυμάτωσης πριν τη σταθεροποίηση είναι VR(in) και μετά VR(out), η ικανότητα του σταθεροποιητή να καταστέλλει ή να απορρίπτει την κυμάτωση δίνεται σε decibel από τη σχέση : VR( out) RR 20log 10 db (4.5) V R( in) 43

44 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο ΑΣΥΡΜΑΤΟΣ ΤΗΛΕΧΕΙΡΙΣΜΟΣ 5.1 ΚΟΙΝΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ IF ΚΑΙ RF ΤΗΛΕΧΕΙΡΗΣΤΗΡΙΩΝ Το τηλεχειριστήριο, αναφέρεται επίσης ως πομπός, είναι μια κινητή συσκευή και πρέπει να παρέχει καλή χρηστικότητα στο χέρι του ανθρώπου. Η μόνη λογική πηγή ενέργειας είναι οι μπαταρίες. Επιπρόσθετα μπορούν να χρησιμοποιηθούν επαναφορτιζόμενες μπαταρίες, AA, ΑΑΑ, 9V-PP3-μπλοκ ή μπαταρίες κουμπιά, το πιο σημαντικό όμως είναι ότι γίνεται ελάχιστη κατανάλωση ενέργειας. Είναι πολύ ενδιαφέρον ότι όχι μόνο υπάρχει άμεσα ενεργή τρέχουσα παροχή ρεύματος με το πάτημα ενός κουμπιού (έως 500mA ρεύμα κορυφής στο IR εκπομπής δίοδων) αλλα επίσης και οι χαμηλές στροφές του ρεύματος κατά τη διάρκεια που το κουμπί δεν είναι πατημένο. Αναλυτικότερα το ενεργό ρεύμα καθορίζεται κυρίως από την ισχύ εξόδου του πομπού και την διάρκεια της εντολής αυτής από απόσταση. Έχουν εγκατασταθεί διαφορετικά πρωτοκολλά για τις ραδιοφωνικές συχνότητες και για τις υπέρυθρες συχνότητες και αρκετα απ αυτά είναι πρότυπα. Όλα τα πρότυπα που χρησιμοποιούνται δείχνουν έναν διαφορετικό αριθμό δυαδικών ψηφίων, διαφορετική διαμόρφωση και κωδικοποίηση, και διαφορετικούς ρυθμούς δεδομένων. Ενώ μια μεμονωμένη εντολή μπορεί να είναι μικρή (π.χ. power on or channel up) υπάρχουν επίσης εντολές, όπου το κουμπί μπορεί να είναι πατημένο για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα (π.χ. volume up ). Για την σωστή επιλογή ή τον ορισμό ενός τέτοιου πρωτοκόλλου ο μηχανικός πρέπει να λαβει υπόψη του τις ακόλουθες παραμέτρους. Α) Μήκος δεδομένων των δυαδικών ψηφίων εντολής πλαισίου: Όσο χαμηλότερος είναι ο αριθμός των δυαδικών ψηφίων σε ένα πλαίσιο, τόσο χαμηλότερη είναι η 44

45 κατανάλωση ενέργειας. Από την άλλη μεριά, τα μεγαλύτερα πλαίσια επιτρέπουν και μεγαλύτερο συγχρονισμό καθώς και ωφέλιμες πληροφορίες. Β) Ρυθμός των δυαδικών ψηφίων: Ο υψηλότερος ρυθμός των δυαδικών ψηφίων έχει ως αποτέλεσμα μικρότερη διάρκεια της μετάδοσης. Παρόλα αυτα ο υψηλότερος ρυθμός των δυαδικών ψηφίων απαιτεί ταχύτερο λογισμικό για τον δέκτη και μεγαλύτερο εύρος ζώνης για χειριστήρια ραδιοφωνικής συχνότητας. Γ) Αξιοπιστία: Η σταθερότητα του συνδέσμου μπορεί να αυξηθεί με επιπρόσθετα δυαδικά ψηφία ανίχνευσης σφάλματος στο πλαίσιο δεδομένων (π.χ. CRC). Δ) Η αρχιτεκτονική του δέκτη: Ανάλογα με το δέκτη και την έννοια της διαφοροποίησης, το πρωτόκολλο πρέπει ενδεχομένως να είναι απαλλαγμένο από DCδεδομένα και πρέπει να μεταδίδεται η πληροφορία με τέτοια σειρά ώστε ο δέκτης να μπορεί εύκολα να προσαρμοστεί στις μεταβαλλόμενες συνθήκες. Το κλείσιμο του ρεύματος καθορίζεται από έναν μικροελεγκτή όπου με το πάτημα ενός κουμπιού θα ξαναδώσει ρεύμα στο σύστημα. Τα υψηλής ποιότητας τηλεχειριστήρια μπορούν να προσφέρουν επιπλέον χαρακτηριστικά τα οποία συμβάλουν περαιτέρω στη συνολική κατανάλωση ενέργειας: Ο φωτισμός των κουμπιών, οι οθόνες LCD, αυτόματα χαρακτηριστικά και πολλά άλλα. Ένα από τα πιο ενδιαφέροντα θέματα είναι η ανάγκη για ασφάλεια. Ανάλογα με τη περίπτωση μπορεί να υπάρχει η απαίτηση για μια ασφαλή σύνδεση έτσι ώστε να αποφευχθεί η κακή χρήση της συσκευής (π.χ. συστήματα εισόδου από απόσταση χωρίς κλειδί για την αυτοκινητοβιομηχανία ή για το άνοιγμα πόρτας στο γκαράζ). Επιπροσθέτως υπάρχουν κατάλληλα κρυπτογραφημένοι αλγόριθμοι (π.χ., AES) αλλα και κώδικες πού αλλάζουν την μετάδοση δυαδικών ψηφίων με κάθε πάτημα του κουμπιού αυτή η διαδικασία αποβλέπει συνήθως στην ασφάλεια μεταξύ άλλων σχετικών τηλεχειριστηρίων. Η ανταλλαγή των κλειδιών κρυπτογράφησης εισάγει κάποια πρόσθετη πολυπλοκότητα στο ασφαλές σύστημα. Επιπλέον, η κρυπτογράφηση και η αποκρυπτογράφηση καταναλώνουν πρόσθετη δύναμη. 45

46 Σε αντίθεση με τo τηλεχειριστήριο, οι ελεγχόμενες συσκευές (π.χ. TV-set) είναι τυπικά τροφοδοτούμενες από το δίκτυο. Όμως, το γεγονός αυτό δεν σημαίνει ότι η ζήτηση για χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας δεν είναι αναγκαία. Οι συσκευές αυτές είναι έτοιμες να λάβουν εντολές κάθε στιγμή όντας στην αναμονή μέχρι να παραχθεί ισχύς -με εντολή. Παρόλα αυτά είναι απαραίτητη διαδικασία για να συμβάλλει στην κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας στα νοικοκυριά. Αυτή η κατανάλωση ενέργειας δεν προκαλείται από το ίδιο το κύκλωμα του δέκτη, αλλά κυρίως από την κακή απόδοση του τροφοδοτικού, ιδίως όταν λειτουργεί με κατανάλωση ρεύματος σε πολύ χαμηλότερα επίπεδα από αυτή που απαιτείται. Η Ευρωπαϊκή Ένωση έχει εκδώσει κανονιστικές διατάξεις που περιορίζει την κατανάλωση ενέργειας των ηλεκτρικών συσκευών έως 2 Watt κατά την φάση της αναμονής (1 Watt από το 2014 και μετά). 5.2 ΥΠΕΡΥΘΡΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ. Ο υπέρυθρος τηλεχειρισμός χρησιμοποιεί αόρατο παλμικό φώς σε ορατό φάσμα κύματος(περίπου 950 nm). Όσον αφορά τη συμπεριφορά της ακτινοβολίας είναι σαν οποιαδήποτε άλλη πηγή ορατού φωτός: Θα πρέπει να υπάρχει μία οπτική επαφή μεταξύ του πομπού (πηγή φωτός) και του δέκτη (ανιχνευτή φωτός). Τυχόν εμπόδια μεταξύ του πομπού και του δέκτη θα αποτρέψει τη σωστή λήψη. Κάτω από καλές συνθήκες διάσπαρτο φως ή το φως που αντανακλάται από τους τοίχους μπορεί να κρατήσει το σύστημα σε λειτουργία. Πιθανά εμπόδια μεταξύ του τηλεχειριστηρίου και του δέκτη σίγουρα θα απενεργοποιήσει το τηλεχειριστήριο. Αυτό το προφανές μειονέκτημα του ελέγχου που κάνουν τα υπέρυθρα τηλεχειριστήρια απλοποιεί το πρωτόκολλο ταυτόχρονα. Όλα τα τηλεχειριστήρια για το ίδιο μοντέλο συσκευής μπορεί να χρησιμοποιήσουν την ίδια κωδικοποίηση. Δεν υπάρχει καμία ανάγκη για ρητή αντιστοίχιση μεταξύ πομπού και δέκτη με ειδικούς μοναδικούς κωδικούς καθώς η διαφοροποίηση είναι εγγυημένη από τον οπτικό διαχωρισμό των ίδιων συσκευών. Πρακτικά δεν υπάρχει νομικός θεσμός για την μεγίστη ισχύ του φωτός που εκπέμπεται. Βέβαια είναι περιορισμένη η κατανάλωση ενέργειας (διάρκεια ζωής μπαταρίας) και το εύρος της. Μέχρι 10 μέτρα είναι το τυπικό πεδίο των υπέρυθρων τηλεχειριστήριων προϋποθέτοντας ιδανικές συνθήκες (ελεγκτής φυσικά προσανατολισμένος προς το δέκτη, χωρίς εμπόδια, και η μη διαταραχή από άλλες 46

47 πηγές φωτός). Για να γίνει η σύνδεση υπερύθρων πιο ισχυρή έναντι οποιωνδήποτε άλλων υπέρυθρων πηγών φωτός (π.χ. ηλεκτονικές βάσεις- πηνία των λαμπτήρων φθορισμού) το απομακρυσμένο σήμα ελέγχου πρέπει να είναι on-off παλμικά με συχνότητα περίπου 38 khz. Οι πληροφορίες δεδομένων είναι διαμορφωμένες σε αυτό το 38-kHz φορέα με το πάτημα του on-off. Οι πληροφορίες των δυαδικών μεταφέρονται από απόσταση με την χρήση παλμικής κωδικοποίησης ή διφασική (Μάντσεστερ) κωδικοποίηση. Τα πλεονεκτήματα του υπέρυθρου τηλεχειρισμου απομακρυσμένων συστημάτων είναι προφανή. Χαμηλό κόστος των υλικών και για τον πομπό και τον δέκτη. Για την πλευρική μετάδοση υπάρχει μόνο η ανάγκη ενός μικροελεγκτή. Ο αριθμός των εσοχών και εξοχών ορίζεται από τον αριθμό των κουμπιών του χειριστηρίου. Το υπέρυθρο LED φως είναι απλά συνδεδεμένο με μία από τις ακίδες εξόδου του μικροελεγκτή απευθείας ή σε ορισμένες περιπτώσεις, κινείται από ένα επιπρόσθετο τρανζίστορ. Σε βάθος χρόνου δίνεται μεγάλη σημασία στο κρύσταλλο οπού και ξεπερνά τα πεδία της μηχανικής Τα περισσότερα σχέδια βασίζονται σε ένα φτηνό κεραμικό αντηχείο ή ακόμα και ένα RC-ταλαντωτή με μάλλον κακή σταθερότητα (έως + / -5% μπορεί να γίνει ανεκτή από το δέκτη). Οι επαναφορτιζόμενες μπαταρές είναι η πρώτη επιλογή για την παροχή ηλεκτρικού ρεύματος. Δεδομένου ότι οι διαστάσεις του απομακρυσμένου πομπού καθορίζεται κυρίως από τον αριθμό των κουμπιών και τις εργονομικές πτυχές υπάρχει αρκετός χώρος για φθηνότερες μπαταρίες όπως ΑΑ ή ΑΑΑ. Σχημα 5.1. Τυπικό διάγραμμα υπέρυθρου τηλεχειρισμού 47

48 Από την πλευρά του δέκτη η αξία των υλικών βασίζεται στο πόσο ευαίσθητος θα είναι ο τρανζίστορ. Σήμερα, πολλά σχέδια χρησιμοποιούν ένα ολοκληρωμένο δέκτη υπερύθρων συστατικό το οποίο δεν περιλαμβάνει μόνο το IRtransistor αλλά και αποδιαμορφωτή και μια αυτόματη-αύξηση του κυκλώματος (π.χ. TSOP 1838, TSOP 11xx, SFH 506, SFH 5110). Η έξοδος του είναι ήδη ένα ψηφιακό σήμα με καθαρές ακμές για εύκολο χειρισμό του πρωτοκόλλου από ένα μικροελεγκτή. Καθώς ο ρυθμός μεταφοράς δεδομένων των υπερύθρων είναι ηδη χαμηλός (περίπου μπιτ ανά δευτερόλεπτο) ο μικροελεγκτής ο οποίος είναι ούτως ή άλλως η λαμβάνουσα συσκευή ενδέχεται να χρησιμοποιήσει το ΙΚ-υποδοχέα ως ενέργεια απλά μετρώντας την απόσταση μεταξύ των άκρων του χρόνου χρησιμοποιώντας ένα χρονόμετρο. Η πραγματική πρόκληση του σχεδιασμού είναι η έννοια τροφοδοσίας από το δέκτη που πρέπει να παραμείνει ενεργή ακόμη και σε κατάσταση stand-by του συστήματος ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟ ΥΠΕΡΥΘΡΟΥ ΤΗΛΕΧΕΙΡΙΣΜΟΥ. Οι περισσότεροι υπέρυθροι τηλεχειρισμοί περιέχουν τις ακόλουθες πληροφορίες: Μια διεύθυνση συσκευής που είναι ίδια για όλες τις συσκευές και μια εντολή( πχ. Όγκος). Απλές στρατηγικές χρησιμοποιούνται για να βελτιώσουν την αξιοπιστία, όπως για παράδειγμα η επαναποστολή των bits στο ίδιο μοτίβο με έναν αντίστροφο τρόπο. Συγκρίνοντας το φορτίο πού ελήφθη σε διαφορετικές εκδόσεις επιτρέπεται στο δέκτη η ανίχνευσης σφαλμάτων στο λαμβανόμενο ρεύμα δυαδικών ψηφίων. Μερικά εκτεταμένα χαρακτηριστικά των IR-πρωτοκόλλων είναι: Η εναλλαγή των bits όπου μεταβάλλεται η κατάστασή τους με κάθε πάτημα του πλήκτρου ώστε ο δέκτης να διακρίνει τα συνεχή πατήματα κουμπιών από την αρχή. Η χαμηλή μπαταρία - bits: Από τη στιγμή που το επίπεδο φόρτισης της μπαταρίας του πομπού πέφτει κάτω από ένα ορισμένο όριο αυτό το κομμάτι θα ρυθμιστεί. Ο δέκτης θα δίνει αυτή την πληροφορία στον χρήστη ο οποίος έχει την ευκαιρία να αλλάξει μπαταρίες πριν από μια ξαφνική ολική αποφόρτιση της μπαταρίας. Τα περισσότερα IR-πρωτόκολλα χρησιμοποιούν μία από τις ακόλουθες τεχνικές διαμόρφωσης που εκπροσωπούν το ένα-μηδέν-και δυαδικά ψηφία για τις 38 khz διαβιβαστή: 48

49 Παλμική κωδικοποίηση από απόσταση: Οι πληροφορίες δυαδικών ψηφίων εκπροσωπούνται στην απόσταση των άκρων. Τυπικά, αυτή η κωδικοποίηση δεν είναι απαλλαγμένη από DC-συστατικά. Αλλά αυτό δεν είναι πραγματικό πρόβλημα για το IR-δέκτες. Είναι μάλλον απλό να αποκωδικοποιήσει κανείς την πληροφορία στον μικροελεγκτή του δέκτη με μέτρηση της διάρκειας παλμού χρησιμοποιώντας ένα χρονόμετρο. Κωδικοποίηση Μαντσεστερ: Το πλεονέκτημα του Manchester Coding είναι ότι είναι απαλλαγμένο από DC-συστατικά. Αυτό επιτρέπει στους δέκτες να προσαρμόσουν τέλεια το κατώτατο όριο μεταξύ των εισερχόμενων υψηλών και χαμηλών επιπέδων. Η αποκωδικοποίηση είναι λίγο πιο δύσκολη στον μικροελεγκτή του δέκτη δεδομένου ότι η κατεύθυνση του άκρου στο μέσον του κάθε δυαδικού ψηφίου πρέπει να ανιχνευθεί (την άνοδο ή την πτώση). 5.3 ΡΑΔΙΟΦΩΝΙΚΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ Η ραδιοφωνική επικοινωνία συχνότητας χρησιμοποιεί ηλεκτρομαγνητικά κύματα ως μέσο μετάδοσης. Οι ιδιότητες πολλαπλασιασμού επιτρέπει τις συνδέσεις εξαιρετικά μεγάλων αποστάσεων. Ηλεκτρομαγνητικά κύματα περνούν από μη προστατευτικά υλικά σε κάποια έκταση (π.χ. σκυρόδεμα). Αυτό απαιτεί κάποιους περιορισμούς που επιβάλλονται από όλο τον κόσμο και ορίζονται από τις ομάδες τυποποίησης (π.χ. ETSI, FCC,...). Για όλες τις περιοχές του κόσμου υπάρχουν δεσμευτικοί κανονισμοί που καλύπτουν τις ακόλουθες πτυχές: Ζώνες συχνοτήτων (φάσμα) Η μέγιστη ισχύς των εκπεμπόμενων ραδιοκυμάτων Εύρος ζώνης του εκπεμπόμενου σήματος Διάρκεια των εκπομπών (φόρος κύκλου) Σκοπός της εκπομπής (π.χ. τηλεοπτική μετάδοση, τα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας, επικοινωνίας αρχής, γενικής χρήσης) Τέλη αδείας Για τις απομακρυσμένες εφαρμογές ελέγχου υπάρχουν ορισμένες περιοχές χωρίς άδεια διαθέσιμες, η λεγόμενη ISM-ζώνες (βιομηχανικές, επιστημονικές και ιατρικές ζώνες). Για παράδειγμα Περιφέρεια 1 (Ευρώπη, Αφρική, πρώην Σοβιετική Ένωση), η 49

50 πιο ελκυστική ζώνη συχνοτήτων είναι 434 MHz, για τη Βόρεια και τη Νότια Αμερική σε MHz. Επιπλέον, στην Ευρώπη η SRD-band (σύντομη ταινία συσκευής σειρά) στα 868 MHz και στις ΗΠΑ τη ζώνη συχνοτήτων στα 315 MHz χρησιμοποιείται συνήθως για τηλεχειριστήρια. Μια εναλλακτική λύση με παγκόσμια συμβατότητα είναι ISM ζώνης στα 2,4 GHz. Δυστυχώς 2,4 GHz απαιτεί μεγαλύτερη κατανάλωση ενέργειας σε συγκρίσιμη κλίμακα και ως εκ τούτου υψηλότερο κόστος. Πρακτικά, RF τηλεχειριστήρια χρησιμοποιούν 315, 434 ή 868 MHz ως φέρουσα συχνότητα RF. Το φορτίο δεδομένων πρέπει να είναι διαμορφωμένο στο φορέα ραδιοσυχνοτήτων. Βασικά, υπάρχουν δύο μάλλον απλές τεχνικές διαμόρφωσης δημοφιλείς: ένταση μετατόπισης χειρισμού με πλήκτρα (ASK) και διαμόρφωση μετατόπισης συχνότητας (FSK). Για λόγους κατανάλωση ενέργειας, ASK εφαρμόζεται κυρίως ως On-Off- Keying (OOK). Αυτό σημαίνει ότι ο μεταφορέας απλά ενεργοποιείται και απενεργοποιείται (αυτό γίνεται και για την επικοινωνία με υπέρυθρες που περιγράφεται παραπάνω). Πομποί και για τις δύο τεχνικές, OOK και FSK, μπορούν να εφαρμοστούν ως Class-C- ενισχυτές ισχύος με αποτέλεσμα την υψηλή απόδοση ισχύος. Με OOK δεν υπάρχει ανάγκη για αλλαγή της φέρουσας συχνότητας παντού. Σε αυτή την περίπτωση, η SAW βασίζεται σε πομπούς και είναι η πρώτη επιλογή αν κάποια ανοχή συχνότητας είναι αποδεκτή. Χρησιμοποιώντας κρύσταλλο σταθεροποιητή PLL-σύνθεσης επιτρέπεται υψηλότερη ισχύς εξόδου, καθώς δεν χρειάζεται κανένα όριο ασφαλείας όσον αφορά τα όρια του κανονισμού. Για FSK, SAW πομποί μπορούν να χρησιμοποιηθούν μόνο με ορισμένους περιορισμούς και τρικ καθώς η συχνότητα εξόδου πρέπει να εναλλάσσεται συνεχώς. Συνεπώς, η FSK υλοποιείται κατά προτίμηση με συνθέτες PLL-οι οποίοι επιτρέπουν την ακριβή παραγωγή των δύο συχνοτήτων από ψηφιακή μετάβαση του διαιρέτη παράγοντα του PLL. Σε γενικές γραμμές, η FSK παρέχει την καλύτερη ανθεκτικότητα έναντι disturbers στην τιμή της υψηλότερης πολυπλοκότητας του υλικού και ελαφρώς αυξημένη κατανάλωση ενέργειας. Συγκεκριμένη τεχνογνωσία και δεξιοτεχνία πρέπει να χρησιμοποιηθεί για το σχεδιασμό της κεραίας του ιδίου και του δικτύου αντιστοιχία μεταξύ κεραίας και Tx- Rx ή-ic. Τα σύγχρονα εργαλεία λογισμικού έχουν απλοποιήσει τη ζωή των 50

51 σχεδιαστών και με τον τρόπο αυτό το σημαντικό βήμα του σχεδιασμού λύνεται εύκολα. Η πρόκληση είναι να βρεθεί ένα σχέδιο κεραίας ή μια ιδέα που να αντιπροσωπεύει ένα τέλειο συμβιβασμό μεταξύ κόστους και απόδοσης. Επιπλέον, μια καθαρή σχεδίαση RF είναι απαραίτητη για την επίτευξη των κανονισμών για τις ραδιοεπικοινωνίες ΤΗΛΕΧΕΙΡΙΣΤΗΡΙΑ ΑΜΦΙΔΡΟΜΗΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΔΕΔΟΜΕΩΝ. Τα High-end τηλεχειριστήρια μπορούν να βασίζονται σε διπλής κατεύθυνσης συνδέσεις RF. Εκτός του συνδέσμου από το τηλεχειριστήριο στην ελεγχόμενη συσκευή υπάρχει ένας επιπλέων σύνδεσμος πίσω από τη συσκευή προς τον ελεγκτή. Η προς τα πίσω-σύνδεση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για διάφορους σκοπούς: Η διασφάλιση της ανθεκτικότητας του απομακρυσμένου συνδέσμου με τη χρήση αναγνώρισης πρωτοκόλλων: Ο ελεγκτής είναι σε αναμονή για μια θετική επιβεβαίωση ότι η εντολή ήταν επιτυχής. Διαφορετικά, θα ξεκινήσει μια νέα προσπάθεια μετάδοσης (ίσως και με μεγαλύτερη ισχύ εξόδου ή σε διαφορετικό RF κανάλι). Δίνοντας παλίνδρομη τροφοδότηση στο χρήστη: Η οθόνη του τηλεχειριστηρίου μπορεί να απεικονίσει τις πληροφορίες από την ελεγχόμενη συσκευή (π.χ. την κατάσταση της συσκευής). Αυτό μπορεί να έχει ιδιαίτερο ενδιαφέρον όταν δεν υπάρχει οπτική επαφή μεταξύ του χρήστη και της απομακρυσμένης ελεγχόμενης συσκευής. Τα ραδιοφωνικής συχνότητας πρωτόκολλα τηλεχειριστηρίου πρέπει να αντιπροσωπεύουν τις ίδιες πληροφορίες με εκείνα των IR τηλεχειριστήριων μεγάλης εμβέλειας πρωτοκόλλων: Την διεύθυνση συσκευής και την εντολή. Όμως, η επικοινωνία μέσω RF απαιτεί κάποια πρόσθετα μέτρα. Η κατανάλωση ισχύος ενός πομπού RF δεν είναι τόσο υψηλή όσο ενός IR-LED και τα μέγιστα ποσοστά δεδομένων που προκύπτουν από έναν RF σύνδεσμο είναι υψηλότερα στο πεδίο με μικρότερη διάρκεια. Κατά συνέπεια, κουφώματα με μεγαλύτερο αριθμό των bits και περισσότερο περιεχόμενο πληροφοριών είναι πιθανά χρησιμοποιώντας RF με παράλληλη εξοικονόμηση χρόνου ζωής της μπαταρίας στον ίδιο χρόνο. Το γεγονός αυτό επιτρέπει μοναδικά και ελκυστικά χαρακτηριστικά για τα RF τηλεχειριστήρια. 51

52 Κάθε RF τηλεχειριστήριο απαιτεί μια μοναδική ταυτότητα. Αυτό μπορεί να συγκριθεί με την διεύθυνση της συσκευής των IR τηλεχειριστηρίων. Η μόνη διαφορά είναι ότι το IR χρησιμοποιεί την ίδια διεύθυνση για ολόκληρη τη σειρά των συσκευών της ιδίου τύπου μοντέλου, ενώ τα RF τηλεχειριστήρια χρησιμοποιούν πραγματικά μοναδικά αναγνωριστικά στοιχεία που σημαίνει ότι κάθε πομπός σε παγκόσμιο επίπεδο έχει μια άλλη ταυτότητα. Συνεπώς, το μήκος δυαδικών ψηφίων που προορίζονται για RF ταυτότητες είναι μακρύτερο (π.χ δυαδικών ψηφίων). Όπως προαναφέρθηκε, μερικά IR πρωτόκολλα παρέχουν μια εναλλαγή δυαδικών ψηφίων για την αναγνώριση των διαδοχικών με το πάτημα των κουμπιών. Ορισμένα RF πρωτόκολλα εφαρμόζουν ακόμη και ένα μετρητή που σηματοδοτεί το πόσο συχνά ένα κουμπί πατήθηκε επανειλημμένα. Για τη βελτίωση της ανθεκτικότητας του συνδέσμου RF Οι τιμές CRC (κυκλικό έλεγχο πλεονασμού) συχνά δημιουργούνται και μεταδίδονται σε ένα μέρος του πλαισίου (π.χ. 8 bit). Ο δέκτης μπορεί να προσδιορίσει με σαφήνεια τυχόν λάθη δυαδικών ψηφίων με τον εκ νέου υπολογισμό του CRC-αξία του ληφθέντος πλαισίου δεδομένων και συγκρίνοντάς το με εκείνο που δημιουργούνται πριν από τη μετάδοση. Η μπαταρία του πομπού και το επίπεδο φόρτισης μπορεί να σηματοδοτήσουν ότι όχι μόνο την χαμηλή μπαταρία bit, αλλά ακόμη και με την πλήρη 4-bit ή 8-bit δεδομένα πεδίου που αντιπροσωπεύει την μετρούμενη τάση της μπαταρίας. Συμπερασματικά: Τα ποικίλα πλεονεκτήματα των RF έναντι των IR παρακινούν τους μηχανικούς να μετατρέψουν τα υπάρχοντα συστήματα τηλεχειρισμού από IR σε RF. Η αντικατάσταση ενός IR-LED με πομπό RF (-ενότητα) και ένα IR-δέκτη με ένα RFδέκτη (-ενότητα) δεν είναι μεγάλη υπόθεση. Πίσω από αυτή την απλή πρόταση υπάρχει όμως η ανάγκη για τον σχεδιασμό της μετατροπής αυτής. Ενώ το ΙΚ-υλικό είναι μάλλον απλό (ένα IR-δίοδο όπως πομπό και ένα ολοκληρωμένο δέκτη IRσυστατικού με ένα ψηφιακό σήμα εξόδου ως δέκτης), τα υλικά RF είναι πιο περίπλοκα. Μια απλή λύση μπορεί να είναι η χρήση των ενοτήτων RF-τα οποία περιλαμβάνουν όλα τα απαραίτητα συστατικά σε ένα μικρό PCB. Η βέλτιστη λύση είναι ένας λεπτομερές σχεδιασμός πομπού και δέκτη. Η κίνηση αυτή θα δώσει την ευκαιρία να χρησιμοποιηθούν συγκεκριμένοι τύποι κεραίας και ο κατάλληλος σχεδιασμός αντίστοιχα. 52

53 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Ο ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΡΟΦΟΔΟΤΙΚΟΥ ΤΑΣΗΣ (0-20V/0,5A) ΜΕ ΑΠΟΜΑΚΡΥΣΜΕΝΗ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ Σχήμα 6.1:Πρόσοψη τροφοδοτικού. 53

54 Σχήμα 6.2: Εσωτερική όψη τροφοδοτικού. Τα κύρια μέρη του τροφοδοτικού: Μετασχηματιστές πλακέτας ισχύος και πλακέτας τροφοδοσίας. Πλακέτα ισχύος. Πλακέτα τροφοδοσίας (Μοτέρ, πλακέτας τηλεχειρισμού,display). Πλακέτα τηλεχειρισμού και ελέγχου μοτέρ. Μοτέρ περιστροφής ποτενσιομετρού. Οθόνη-Display 54

55 6.1 ΠΛΑΚΕΤΑ ΙΣΧΥΟΣ Σχήμα 6.3: Πλακέτα ισχύος.. Σχήμα 6.4: Πλακέτα ισχύος.. 55

56 Σχήμα 6.5: Πλακέτα ισχύος. Σχηματικό 1. Πλακέτα ισχύος. 56

57 6.1.1 ΛΕΙΤΟΥΡΓΕΙΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ Στα σημεία 1και 2 συνδέεται το δευτερεύον ενός μετασχηματιστή 220 volt(πρωτεύον) 18Volt/3 Ampere (δευτερεύον). Η εναλλασσόμενη τάση των 18 volt από το δευτερεύον του μετασχηματιστή ανορθώνεται από τις διόδους D1, D2, D3 και D4, που είναι συνδεσμολογημένες σε διάταξη γέφυρας και κάνουν διπλή ανόρθωση. Το παλμόρευμα από την έξοδο της γέφυρας εφαρμόζεται στα άκρα του δικτυώματος R1-C1 και φιλτράρεται. Το κύκλωμα γύρω από το ολοκληρωμένο U1 παράγει την απαραίτητη τάση αναφοράς για τη σταθερή λειτουργία του κυκλώματος. Η δίοδος Zener D8, λειτουργεί με το ελάχιστο ρεύμα για μηδενικό θερμικό συντελεστή έτσι ώστε να εξασφαλίζεται η σταθερή λειτουργία του τροφοδοτικού. Οι αντιστάσεις R5 και R6 ρυθμίζουν την έξοδο της γεννήτριας αναφοράς. Το κύκλωμα λειτουργεί ως εξής: Η τάση στην έξοδο του U1 αυξάνει μέχρι να αρχίσει να άγει η D8, οπότε το κύκλωμα σταθεροποιείται και η τάση αναφοράς της Zener (5,6 Volt) παρουσιάζεται στα άκρα της R5. Το ρεύμα που διαρρέει την μη αναστρέφουσα είσοδο του τελεστικού ενισχυτή είναι αμελητέο, άρα όλο το ρεύμα που διαρρέει την R5 περνάει επίσης από την R6 και έτσι η τάση εξόδου του U1 είναι διπλάσια από την τάση της διόδου. Το U2 με την βοήθεια των αντιστάσεων R11 και R12 κάνει ενίσχυση της τάσης σύμφωνα με τον τύπο Α=R11+R12/R11, και έτσι ανεβάζει την τάση περίπου στα 20 volt. Το τρίμμερ RV1 και η αντίσταση R10 χρησιμοποιούνται για την ρύθμιση των ορίων της τάσης εξόδου ώστε να κατεβαίνει μέχρι το μηδέν. Όταν το τροφοδοτικό βρίσκεται σε λειτουργία και συνδεθεί στην έξοδο του κάποιο φορτίο, τότε όλο το ρεύμα εξόδου διέρχεται και από την αντίσταση R7. Τη στιγμή αυτή η αναστρέφουσα είσοδος (-) του U3 έχει δυναμικό 0 και πολώνεται από την αντίσταση R21 ενώ αντίθετα η μη αναστρέφουσα (+) είσοδος του U3 πολώνεται με 57

58 μια μικρή τάση που κυμαίνεται από 0 2 volt ανάλογα με τη θέση του δρομέα του ποτενσιόμετρου P2. Έστω ότι η η τάση στο σημείο αυτό του κυκλώματος είναι 1 volt και η τάση εξόδου έχει ρυθμιστεί σε μερικά volts. Αν το φορτίο αυξηθεί τότε θα αυξηθεί και η τάση στα άκρα της R7, οπότε θα ενεργοποιηθεί το U3, και θα οδηγήσει το U2 μέσω της διόδου D9, και κατά συνέπεια το U2 ελέγχεται από μία τιμή τάσης και άνω. Από την στιγμή αυτή δρα το κύκλωμα περιορισμού του ρεύματος εξόδου, εφόσον το U3 ελέγχει την λειτουργία του U2 ώστε η πτώση τάσης επάνω στα άκρα της R7 να είναι σταθερή. Ο πυκνωτής C8 παρέχει την απαιτούμενη σταθερότητα λειτουργίας βρόγχου ανασύζευξης του U3. Όσο το τροφοδοτικό δουλεύει και παρέχει σταθερή τάση η δίοδος LED D12 είναι σβηστή. Ενώ μόλις το ρεύμα υπερβεί την προρρυθμισμένη από το P2 τιμή, ανάβει το LED και το τροφοδοτικό από πηγή σταθερής τάσης γίνεται πηγή σταθερού ρεύματος και ταυτόχρονα η τάση εξόδου μεταβάλλεται έτσι ώστε να διατηρείται το ρεύμα σταθερό για το συγκεκριμένο φορτίο. Το δικτύωμα R19, R20 ορίζει τις απαραίτητες συνθήκες λειτουργίας του Q3 που ανιχνεύει πότε αρχίζει και λειτουργεί το κύκλωμα περιορισμού του ρεύματος και τη στιγμή εκείνη άγει, και ανάβει το ενδεικτικό LED D12, μέσω της R22 που ορίζει το ρεύμα λειτουργίας του LED. Ο περιορισμός του ρεύματος όμως γίνεται κύρια από την R7 που χρησιμεύει σαν αισθητήριο και η τιμή του ρεύματος που θα αρχίσει να δρα το κύκλωμα περιορισμού προρυθμίζεται από το ποτενσιόμετρο P2. Έτσι ανάλογα με την θέση του ποτενσιόμετρου P2 εμφανίζεται διαφορετική τάση κάθε φορά στα άκρα της R7, και διαιρείται με την εσωτερική τάση αναφοράς του ολοκληρωμένου κυκλώματος U1. Από τον κόμβο των D2, D4, μέσω της R2 και του δικτυώματος D5, D6, C2, C3, R3, παράγει μία αρνητική τάση απαραίτητη για την λειτουργία των U2, U3 ώστε να μπορούν να κατεβαίνουν μέχρι το 0 volt.η δίοδος D7 σταθεροποιεί την αρνητική τάση που οδηγείται στους ακροδέκτες 4 των U2 και U3. 58

59 Η αντίσταση R4 εξασφαλίζει την πόλωση στο U1 και οι πυκνωτές C4 και C5 απαλλάσσουν το κύκλωμα από υψηλές συχνότητες που θα μπορούσαν να προκαλέσουν αστάθεια στα ολοκληρωμένα κυκλώματα. Το τρανζίστορ Q1,προστατεύει το τροφοδοτικό από την πτώση της αρνητικής τάσης που προκαλείται όταν κλείνει ο διακόπτης ON-OFF του τροφοδοτικού διατηρώντας την έξοδο του U2 χαμηλή. Η αντίσταση R14 αποκόπτει το τρανζίστορ όταν το τροφοδοτικό λειτουργεί κανονικά και με αυτό τον απλό τρόπο το τροφοδοτικό είναι πολύ χρήσιμο για πειραματισμούς γιατί κόβει απότομα την τάση εξόδου χωρίς να χρειάζεται να περιμένει κανείς ώσπου να ξεφορτώσει ο πυκνωτής χάνοντας έτσι αρκετό χρόνο. Τέλος μέσω της R15 η τάση οδηγείται στα τρανζίστορ Q2 και Q4 που παρέχουν την απαιτούμενη ισχύ των 0,5 A. Η αντίσταση R16 τέλος πολώνει τα τρανζίστορ Q2 και Q4, τα οποία είναι σε συνδεσμολογία DARLINGTON. 59

60 ΠΙΝΑΚΑΣ ΥΛΙΚΩΝ ΠΛΑΚΕΤΑΣ ΙΣΧΥΟΣ Μετασχηματιστής Τ1 18V/3A Αντιστάσεις R1 2.2 KΩ 1W R Ω 5W Τουβλάκι R2 82 Ω 1/4W R3 220 Ω 1/4W R4 4.7 KΩ 1/4W R5,R6,R13,R20,R21 10 KΩ 1/4W R8,R11 27 KΩ 1/4W R9,R KΩ 1/4W R KΩ 1/4W R12,R18 56 KΩ 1/4W R KΩ 1/4W R15,R16 1 KΩ 1/4W R17 33 Ω 1/4W R KΩ 1/4W RV K Τρίμμερ P1,P2 10 KΩ Γραμμικό ποτενσιόμετρο Πυκνωτές C μf 40V Ηλεκτρολυτικός C2,C3 47 μf 63V Ηλεκτρολυτικός C4 100 nf Πολυεστερικός C5 220 nf Πολυεστερικός C6 100pF Κεραμικός C7 10μF 50V Ηλεκτρολυτικός C8 330pF Κεραμικός Δίοδοι D1,D2,D3,D4 1N A RAX GI837U D5,D6 1N4148 Γεν. χρήσεως D7,D8 5.6V Zener D9,D10 1N4148 Γεν. χρήσεως D11 1N4001 1A Τρανζίστορ Ω1 BC547 NPN Τρανζίστορ Ω2 2N2219 NPN Τρανζίστορ Ω3 BC327 PNP Τρανζίστορ Ω4 BD249C NPN Power τρανζίστορ Τελεστικοί ενισχυτές U1,U2,U3 LED D12 TLO81 60

61 6.2 ΠΛΑΚΕΤΑ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ Σχήμα 6.6: Πλακέτα τροφοδοσίας Σχήμα 6.7: Πλακέτα τροφοδοσίας Σχηματικό 2. Πλακέτα τροφοδοσίας. 61