Ιατρικά Ηλεκτρονικά. Χρήσιμοι Σύνδεσμοι ΙΑΤΡΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ - ΜΕΤΑΓΩΓΙΚΟΙ ΣΤΑΘΕΡΟΠΟΙΗΤΕΣ. Σημειώσεις μαθήματος: E mail:

Transcript

1 Ιατρικά Ηλεκτρονικά Δρ. Π. Ασβεστάς Τμήμα Μηχανικών Βιοϊατρικής Τεχνολογίας Τ.Ε Χρήσιμοι Σύνδεσμοι Σημειώσεις μαθήματος: E mail: pasv@teiath.gr 2 1

2 Μεταγωγικοί Σταθεροποιητές Οι γραμμικοί σταθεροποιητές έχουν το σοβαρό μειονέκτημα ότι παρουσιάζουν χαμηλό συντελεστή απόδοσης ισχύος, με συνέπεια ένα μεγάλο ποσοστό της ισχύος εισόδου να μετατρέπεται σε θερμότητα στο στοιχείο. Το φαινόμενο αυτό γίνεται πιο έντονο, όταν υπάρχει μεγάλη διαφορά ανάμεσα στην τάση εισόδου και στην τάση εξόδου. Οι μεταγωγικοί σταθεροποιητές (switching regulators) έχουν καλύτερη απόδοση ισχύος από τους γραμμικούς σταθεροποιητές. Ο συντελεστής απόδοσης ισχύος φθάνει ή και ξεπερνάει το 90%. 3 Μεταγωγικοί Σταθεροποιητές Η λειτουργία των μεταγωγικών σταθεροποιητών σε γενικές γραμμέςέχειωςεξής: Ένα τρανζίστορ που λειτουργεί ως ς ανοιγοκλείνει περιοδικά με συχνότητα 10 khz ή μεγαλύτερη. Όταν το τρανζίστορ άγει (ς κλειστός), η τάση εισόδου συνδέεται σε ένα πηνίο. Το ρεύμα στο πηνίο αυξάνει γραμμικά με αποτέλεσμα να αυξάνει και η ενέργεια που αποθηκεύεται σε αυτό. Όταν το τρανζίστορ παύει να άγει (ς ανοικτός), το πηνίο αποσυνδέεται από την τάση εισόδου και η αποθηκευμένη ενέργεια σε αυτό αποδίδεται σε έναν πυκνωτή, ο οποίος εξομαλύνει την τάση εξόδου. 4 2

3 Μεταγωγικοί Σταθεροποιητές Το ποσοστό του χρόνου που το τρανζίστορ άγει σε μία περίοδο καθορίζει την τιμή της τάσης εξόδου. Για να σταθεροποιηθεί η τάση εξόδου σε μία συγκεκριμένη τιμή, η τιμή της συγκρίνεται κάθε φορά με την επιθυμητή τιμή. Εάν υπάρχει διαφοροποίηση ανάμεσα στην πραγματική και στην επιθυμητή τιμή της τάσης εξόδου, τότε είτε μεταβάλλεται η συχνότητα με την οποία άγει το τρανζίστορ, ή προσαρμόζεται ανάλογα ο χρόνος κατά τον οποίο άγει το τρανζίστορ σε μία περίοδο ώστε να εξαλειφθεί η διαφορά. 5 Μεταγωγικοί Σταθεροποιητές Οι μεταγωγικοί σταθεροποιητές μπορούν να λειτουργήσουν με τρεις τρόπους: Υποβιβασμός τάσης (step down (buck) converter): η τάση εξόδου είναι μικρότερη από την τάση εισόδου. Ανύψωση τάσης (step up (boost) converter): η τάση εξόδου είναι μεγαλύτερη από την τάση εισόδου. Αντιστροφή τάσης (inverting converter): η τάση εξόδου έχει αντίθετη πολικότητα από την τάση εισόδου και μπορεί να είναι μεγαλύτερη ή μικρότερη (κατ απόλυτη τιμή) από αυτή. 6 3

4 Μεταγωγικοί Σταθεροποιητές Οι μεταγωγικοί σταθεροποιητές παρουσιάζουν τα ακόλουθα πλεονεκτήματα: Μεγαλύτερη απόδοση ισχύος: το τρανζίστορ δεν άγει συνεχώς όπως συμβαίνει στους γραμμικούς σταθεροποιητές, αλλά περιοδικά. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα λιγότερη ισχύς να χάνεται στο τρανζίστορ ως θερμότητα. Επιτυγχάνεται ανύψωση τάσης: μπορούμε να τροφοδοτήσουμε ένακύκλωμαπουλειτουργείμε5vαπόμίαμπαταρία1,5v. Τα τροφοδοτικά που χρησιμοποιούν μεταγωγικούς σταθεροποιητές είναι λιγότερο ογκώδη. Αυτό οφείλεται στο ότι χρησιμοποιούν μετασχηματιστές που λειτουργούν σε υψηλές συχνότητες (π.χ. 10 khz), οπότε το μέγεθος των μετασχηματιστών αυτών είναι μικρό. Έχουν το μειονέκτημα ότι λόγω της μεταγωγικής φύσης τους παρουσιάζουν κυματισμό στην έξοδο. 7 Μεταγωγικοί Σταθεροποιητές Σύγκριση τροφοδοτικών Τροφοδοτικό με γραμμικό σταθεροποιητή Τροφοδοτικό με μεταγωγικό σταθεροποιητή 8 Πηγή: P. Horowitz and W. Hill, The Art of Electronics, 3 rd Edition, Cambridge University Press, New York,

5 Μεταγωγικοί Σταθεροποιητές Πηνίο Καθώς οι μεταγωγικοί σταθεροποιητές χρησιμοποιούν πηνία, είναι χρήσιμο να γίνει μία σύντομη ανασκόπηση των βασικών ιδιοτήτων τους. Το ρεύμα ( ) και η τάση ( ) στα άκρα ενός πηνίου με συντελεστή αυτεπαγωγής συνδέονται με την ακόλουθη σχέση: Δηλαδή, η τάση προκύπτει από τη χρονική παράγωγο του ρεύματος. Επομένως, με βάση τις ιδιότητες των παραγώγων: Εάν ένα πηνίο διαρρέεται με σταθερό ρεύμα, η τάση στα άκρα του θα είναι μηδέν. Εάν εφαρμοστεί μία σταθερή τάση στα άκρα ενός πηνίου, το ρεύμα θα αυξάνει γραμμικά με τον χρόνο. 9 Μεταγωγικοί Σταθεροποιητές Πηνίο Ένα πηνίο αποθηκεύει ενέργεια ( ) μετημορφήμαγνητικού πεδίου: 1 2 Μία άλλη βασική ιδιότητα ενός πηνίου είναι ότι αντιστέκεται σε οποιαδήποτε αιφνίδια αλλαγή του ρεύματός του. Συγκεκριμένα, εάν ένα πηνίο διαρρέεται από σταθερό ρεύμα και για κάποιο λόγο το ρεύμα αυτό τείνει να αλλάξει (αυξηθεί ή μειωθεί), τότε το πηνίο θα αλλάξει την τάση στα άκρα του ώστε να αντισταθμίσει την επιχειρούμενη αυτή αλλαγή (νόμος του Lenz). 10 5

6 Μεταγωγικοί Σταθεροποιητές Πηνίο Γιαναγίνειπιοκατανοητήη τελευταία ιδιότητα, έστω το κύκλωμα που δείχνει η εικόνα. Ο ς είναι ανοιχτός και ρέει ένα σταθερό ρεύμα μέσω του πηνίου και της αντίστασης. 11 Μεταγωγικοί Σταθεροποιητές Πηνίο Έστω ότι ο ς κλείνει, αυτό έχει ως αποτέλεσμα να τείνει να αυξηθεί το ρεύμα, A καθώς πλέον συνδέεται παράλληλα και η. Τη στιγμή που κλείνει ο ς, το πηνίο θα μειώσει την τάση στο σημείο A, προσπαθώντας να διατηρήσει το ρεύμα σταθερό. Με την πάροδο του χρόνου, το ρεύμα και η τάση θα σταθεροποιηθούν στις τελικές τους τιμές. 12 6

7 Μεταγωγικοί Σταθεροποιητές Πηνίο Έστω ότι ο ς ανοίγει, αυτό έχει ως αποτέλεσμα να μειωθεί το ρεύμα, καθώς A πλέον υπάρχει μόνο μία αντίσταση. Τη στιγμή που ανοίγει ο ς, το πηνίο θα αυξήσει την τάση στο σημείο A, προσπαθώντας να διατηρήσει το ρεύμα σταθερό. Με την πάροδο του χρόνου, το ρεύμα και η τάση θα σταθεροποιηθούν στις τελικές τους τιμές. 13 Η γενική δομή ενός σταθεροποιητή υποβιβασμού τάσης (buck converter) που φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Περιλαμβάνει ένα πηνίο, μία δίοδο Schottky, έναν πυκνωτή και έναν (υλοποιημένο με τρανζίστορ), ο οποίος ελέγχεται από κατάλληλο κύκλωμα με βάση την τιμή της τάσης εξόδου. Ο ς ανοιγοκλείνει με περίοδο. 14 7

8 Έστω το χρονικό διάστημα (μέσα σε μία περίοδο) που ο ς είναι ανοικτός (δεν διέρχεται ρεύμα από αυτόν) και το χρονικό διάστημα που ο ς είναι κλειστός (ρέει ρεύμα). Προφανώς, ισχύει ότι: Ορίζουμε ως κύκλο εργασίας (duty cycle) ( ) το ποσοστό του χρόνου που ο ς είναι κλειστός: Ισχύει επίσης ότι: 1 15 Έστω ότι ο ς κλείνει για χρονικό διάστημα,τότε: η δίοδος είναι ανάστροφα πολωμένη αναπτύσσεται τάση στα άκρα του πηνίου, η οποία προκαλεί ένα ρεύμα που αυξάνει γραμμικά με τον χρόνο 16 8

9 Έστω ότι ο ς ανοίγει για χρονικό διάστημα,τότε λόγω του νόμου του Lenz, η τάση στο σημείο Α θα αρχίσει να πέφτει, μέχρι να γίνει αρνητική και να αρχίσει να άγει η δίοδος. Πλέον, υπάρχει ροή ρεύματος μέσω της διόδου Schottky και του πηνίου. A 17 ΑγνοώνταςτηνπτώσητάσηςσταάκρατηςδιόδουSchottky, θα αναπτυχθεί τάση στα άκρα του πηνίου, μειώνοντας το ρεύμα από τη μέγιστη τιμή. Η προηγούμενη διαδικασία επαναλαμβάνεται συνεχώς με περίοδο. A 18 9

10 Η μέση τάση στα άκρα του πηνίου θα πρέπει να είναι μηδέν, γιατί διαφορετικά το ρεύμα του θα αύξανε συνεχώς (λόγω της σχέσης ). Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, το πηνίο έχει τάση στα άκρα του για χρονικό διάστημα και τάση για χρονικό διάστημα. Ημέσητάσηείναι καιπρέπεινα ισούται με μηδέν, δηλαδή: 0 19 Επομένως, επιλέγοντας κατάλληλα τον κύκλο εργασίας, ητάση εξόδου μπορεί να ρυθμιστεί σε οποιαδήποτε τιμή μεταξύ 0 V και. Η υψηλή απόδοση των σταθεροποιητών αυτών έγκειται στο γεγονός ότι τα στοιχεία που χρησιμοποιούνται (πηνίο, δίοδος Shottky και τρανζίστορ) έχουν χαμηλή κατανάλωση ισχύος. Ειδικά για το τρανζίστορ (που είναι η μεγάλη πηγή κατανάλωσης ισχύος στους γραμμικούς σταθεροποιητές) ισχύει ότι: Όταν είναι κλειστό (άγει) η τάση στα άκρα του είναι θεωρητικά μηδέν. Όταν είναι ανοικτό (δεν άγει) το ρεύμα που το διαρρέει είναι μηδέν. Επομένως, ανά πάσα χρονική στιγμή η κατανάλωση ισχύος στο τρανζίστορ είναι θεωρητικά μηδενική. Στην πράξη, βέβαια δεν είναι ακριβώς μηδέν, αλλά σίγουρα πολύ μικρότερη σε σχέση με την περίπτωση των γραμμικών σταθεροποιητών

11 Παράδειγμα Έστω ένας μεταγωγικός σταθεροποιητής υποβιβασμού τάσης με τάση εισόδου 9 V. Έστω ότι το τρανζίστορ του σταθεροποιητή ανοιγοκλείνει με συχνότητα 10 khz. 1) Πόσο πρέπει να είναι ο κύκλος εργασίας ώστε η τάση εξόδου να είναι 6 V; 2) Για πόσο χρόνο άγει το τρανζίστορ του σταθεροποιητή; Λύση 1) Είναι 0,66. 2) Καθώς, η συχνότητα είναι 10 khz, η περίοδος θα είναι 100. Άρατοτρανζίστοράγειγια Το κύκλωμα που ελέγχει την κατάσταση του (τρανζίστορ) αποτελείται από: Έναν διαιρέτη τάσης που παράγει ένα τμήμα της τάσης εξόδου. Έναν συγκριτή που συγκρίνει την τάση από τον διαιρέτη με μία σταθερή τάση αναφοράς ( ). Έναν ταλαντωτή που ανάλογα με την έξοδο του συγκριτή παράγει κατάλληλη τετραγωνική κυματομορφή που ανοιγοκλείνει το τρανζίστορ με τον σωστό κύκλο εργασίας. Ταλαντωτής 22 11

12 Ανύψωση Τάσης Το μεγάλο πλεονέκτημα των μεταγωγικών σταθεροποιητών είναι ότι μπορούν να παράγουν τάση εξόδου μεγαλύτερη από την τάση εισόδου ( ). Ένας σταθεροποιητής ανύψωσης τάσης (boost converter) περιλαμβάνει πάλι ένα πηνίο, μία δίοδο Schottky, έναν πυκνωτή και έναν (υλοποιημένο με τρανζίστορ), ο οποίος ανοιγοκλείνει με περίοδο. 23 Ανύψωση Τάσης Η ανάλυση είναι παρόμοια με πριν. Έστω ότι ο ς κλείνει για χρονικό διάστημα,τότεθααναπτυχθείτάση σταάκρατουπηνίουπροκαλώνταςγραμμικήαύξησητου ρεύματος του πηνίου. Το ρεύμα ρέει από την πηγή τάσης, στο πηνίο και καταλήγει στηγηαναφοράς

13 Ανύψωση Τάσης Έστω ότι ο ς ανοίγει για χρονικό διάστημα,τότε λόγω του νόμου του Lenz, η τάση στο σημείο Β θα αρχίσει να αυξάνει, μέχρι να αρχίσει να άγει η δίοδος. ΑγνοώνταςτηνπτώσητάσηςσταάκρατηςδιόδουSchottky, θα αναπτυχθεί τάση στα άκρα του πηνίου και το ρεύμα αρχίσει να μειώνεται. Η ροή του ρεύματος είναι από την πηγή τάσης, στο πηνίο, στη δίοδο, στον πυκνωτή και καταλήγει στη γη αναφοράς. Β 25 Ανύψωση Τάσης Μετοίδιοεπιχείρημαμεπριν,δηλαδήότιημέσητάσηστα άκρα του πηνίου θα πρέπει να είναι μηδέν, γιατί διαφορετικά το ρεύμα του θα αύξανε συνεχώς, προκύπτει ότι:

14 Ανύψωση Τάσης Παράδειγμα Πόσο πρέπει να είναι ο κύκλος εργασίας σε ένα boost converter ώστε να παραχθεί τάσης εξόδου 5 V για τάση εισόδου 1,5 V. Λύση Είναι 1 1, 0,7. 27 Αντιστροφή Τάσης Τέλος, η αντιστροφή τάσης μπορεί να επιτευχθεί με το επόμενο κύκλωμα (negative buck boost). Έστω ότι ο ς κλείνει για χρονικό διάστημα,τότε θα αναπτυχθεί τάση στα άκρα του πηνίου προκαλώντας γραμμική αύξηση του ρεύματος του πηνίου. Το ρεύμα ρέει από την πηγή τάσης, τον, το πηνίο και καταλήγει στη γη αναφοράς

15 Αντιστροφή Τάσης Έστω ότι ο ς ανοίγει για χρονικό διάστημα,τότελόγω του νόμου του Lenz, η τάση στο σημείο Γ μειώνεται μέχρι να αρχίσει να άγει η δίοδος. Το ρεύμα ρέει από τον πυκνωτή, στη δίοδο, στο πηνίο και καταλήγει στηγηαναφοράς. Αγνοώντας την πτώση τάσης στα άκρα της διόδου Schottky, θα αναπτυχθεί τάση στα άκρα του πηνίου και το ρεύμα θα αρχίσει να μειώνεται. Γ 29 Αντιστροφή Τάσης Απαιτώντας μηδενική μέση τάση στα άκρα του πηνίου, θα έχουμε ότι: 0 /Τ /Τ Εάν 0,5, τότε η τάση εξόδου θα είναι μεγαλύτερη κατά απόλυτη τιμή από την τάση εισόδου ( ). Εάν 0,5, τότε η τάση εξόδου θα είναι μικρότερη κατά απόλυτη τιμή από την τάση εισόδου ( )