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

Transcript

1 ΠΑΝΔΠΗΣΖΜΗΟ ΠΑΣΡΩΝ ΣΜΗΜΑ ΗΛΔΚΣΡΟΛΟΓΧΝ ΜΗΥΑΝΙΚΧΝ ΚΑΙ ΣΔΥΝΟΛΟΓΙΑ ΤΠΟΛΟΓΙΣΧΝ ΣΟΜΔΑ ΤΣΗΜΑΣΧΝ ΗΛΔΚΣΡΙΚΗ ΔΝΔΡΓΔΙΑ ΔΡΓΑΣΖΡΗΟ ΖΛΔΚΣΡΟΜΖΥΑΝΗΚΖ ΜΔΣΑΣΡΟΠΖ ΔΝΔΡΓΔΗΑ ΓΙΠΛΧΜΑΣΙΚΗ ΔΡΓΑΙΑ ηνπ Φνηηεηή ηνπ Σκήκαηνο Ζιεθηξνιφγσλ Μεραληθψλ θαη Σερλνινγίαο Τπνινγηζηψλ ηεο Πνιπηερληθήο ρνιήο ηνπ Παλεπηζηεκίνπ Παηξψλ ΘΔΟΦΑΝΗ ΙΧΑΝΝΗ ΑΡΑΒΑΝΗ Α.Μ.: 6476 ΜΔΛΔΣΗ ΚΑΙ ΚΑΣΑΚΔΤΗ ΓΙΑΣΑΞΗ ΓΙΑΤΝΓΔΗ ΦΧΣΟΒΟΛΣΑΨΚΗ ΓΔΝΝΗΣΡΙΑ ΜΔ ΣΟ ΗΛΔΚΣΡΙΚΟ ΓΙΚΣΤΟ ΥΑΜΗΛΗ ΣΑΗ Δπηβιέπσλ: Γξ.-Μερ. Δκκαλνπήι Σαηάθεο, Αλαπιεξσηήο Καζεγεηήο Ν ο 336 Πάηξα, Φεβξνπάξηνο 2012 ΠΑΝΔΠΗΣΖΜΗΟΤΠΟΛΖ ΠΑΣΡΑ ΡΗΟ - ΠΑΣΡΑ Σει: Σει: Σει: Fax: e.c.tatakis@ece.upatras.gr

2

3 ΠΑΝΔΠΗΣΖΜΗΟ ΠΑΣΡΩΝ ΣΜΗΜΑ ΗΛΔΚΣΡΟΛΟΓΧΝ ΜΗΥΑΝΙΚΧΝ ΚΑΙ ΣΔΥΝΟΛΟΓΙΑ ΤΠΟΛΟΓΙΣΧΝ ΣΟΜΔΑ ΤΣΗΜΑΣΧΝ ΗΛΔΚΣΡΙΚΗ ΔΝΔΡΓΔΙΑ ΔΡΓΑΣΖΡΗΟ ΖΛΔΚΣΡΟΜΖΥΑΝΗΚΖ ΜΔΣΑΣΡΟΠΖ ΔΝΔΡΓΔΗΑ ΓΙΠΛΧΜΑΣΙΚΗ ΔΡΓΑΙΑ ηνπ Φνηηεηή ηνπ Σκήκαηνο Ζιεθηξνιφγσλ Μεραληθψλ θαη Σερλνινγίαο Τπνινγηζηψλ ηεο Πνιπηερληθήο ρνιήο ηνπ Παλεπηζηεκίνπ Παηξψλ ΘΔΟΦΑΝΗ ΙΧΑΝΝΗ ΑΡΑΒΑΝΗ Α.Μ.: 6476 ΜΔΛΔΣΗ ΚΑΙ ΚΑΣΑΚΔΤΗ ΓΙΑΣΑΞΗ ΓΙΑΤΝΓΔΗ ΦΧΣΟΒΟΛΣΑΨΚΗ ΓΔΝΝΗΣΡΙΑ ΜΔ ΣΟ ΗΛΔΚΣΡΙΚΟ ΓΙΚΣΤΟ ΥΑΜΗΛΗ ΣΑΗ Δπηβιέπσλ: Γξ.-Μερ. Δκκαλνπήι Σαηάθεο, Αλαπιεξσηήο Καζεγεηήο Ν ο /2012 Πάηξα, Φεβξνπάξηνο 2012

4

5 ΠΙΣΟΠΟΙΗΗ Πιζηοποιείηαι όηι η διπλυμαηική επγαζία με θέμα: "ΜΔΛΔΣΗ ΚΑΙ ΚΑΣΑΚΔΤΗ ΓΙΑΣΑΞΗ ΓΙΑΤΝΓΔΗ ΦΧΣΟΒΟΛΣΑΨΚΗ ΓΔΝΝΗΣΡΙΑ ΜΔ ΣΟ ΗΛΔΚΣΡΙΚΟ ΓΙΚΣΤΟ ΥΑΜΗΛΗ ΣΑΗ" ηνπ θνηηεηή ηνπ Σκήκαηνο Ζιεθηξνιφγσλ Μεραληθψλ θαη Σερλνινγίαο Τπνινγηζηψλ ηεο Πνιπηερληθήο ρνιήο ηνπ Παλεπηζηεκίνπ Παηξψλ: ΘΔΟΦΑΝΗ ΙΧΑΝΝΗ ΑΡΑΒΑΝΗ (Α.Μ. 6476) Παξνπζηάζηεθε δεκφζηα θαη εμεηάζηεθε ζην Σκήκα Ζιεθηξνιφγσλ Μεραληθψλ θαη Σερλνινγίαο Τπνινγηζηψλ ζηηο 23/02/2012 Ο Δπηβιέπσλ Ο Γηεπζπληήο ηνπ Σνκέα Δκκαλνπήι Σαηάθεο Αλαπιεξσηήο Καζεγεηήο Αληψληνο Αιεμαλδξίδεο Καζεγεηήο

6

7 And headed straight... into the shining Sun... Pink Floyd The Division Bell, Coming Back to Life, 1994 Lyrics by David Gilmour

8

9 Απιθμόρ Γιπλυμαηικήρ Δπγαζίαρ: /2012 ΣΙΣΛΟ: "ΜΔΛΔΣΗ ΚΑΙ ΚΑΣΑΚΔΤΗ ΓΙΑΣΑΞΗ ΓΙΑΤΝΓΔΗ ΦΧΣΟΒΟΛΣΑΨΚΗ ΓΔΝΝΗΣΡΙΑ ΜΔ ΣΟ ΗΛΔΚΣΡΙΚΟ ΓΙΚΣΤΟ ΥΑΜΗΛΗ ΣΑΗ" Φνηηεηήο: Δπηβιέπσλ: Θενθάλεο Αξαβαλήο ηνπ Ησάλλε Γξ.-Μερ. Δκκαλνπήι Σαηάθεο, Αλαπιεξσηήο Καζεγεηήο Πεπίλητη Ζ παξνχζα δηπισκαηηθή εξγαζία πξαγκαηεχεηαη ηε κειέηε, ηελ αλάιπζε θαζψο θαη ηελ θαηαζθεπή κηαο λέαο ηνπνινγίαο γηα ηε δηαζχλδεζε θσηνβνιηατθψλ (Φ/Β) γελλεηξηψλ, κηθξήο ηζρχνο, κε ην ειεθηξηθφ δίθηπν ησλ αζηηθψλ πεξηνρψλ. Ζ εξγαζία απηή εθπνλήζεθε ζην Δξγαζηήξην Ζιεθηξνκεραληθήο Μεηαηξνπήο Δλέξγεηαο ηνπ Σκήκαηνο Ζιεθηξνιφγσλ Μεραληθψλ θαη Σερλνινγίαο Τπνινγηζηψλ ηεο Πνιπηερληθήο ρνιήο ηνπ Παλεπηζηεκίνπ Παηξψλ. ηφρνο ηεο δηπισκαηηθήο εξγαζίαο είλαη ε ζπκβνιή ηεο ζηνλ ηνκέα ησλ Φ/Β κνλάδσλ δηεζπαξκέλεο παξαγσγήο, κε ηελ θαηαζθεπή κηαο ειεθηξνληθήο δηάηαμεο, ε νπνία ζα ρξεζηκνπνηεζεί γηα ηε δηαζχλδεζε θσηνβνιηατθψλ (Φ/B) γελλεηξηψλ κηθξήο ηζρχνο, ζην ειεθηξηθφ δίθηπν ρακειήο ηάζεο. πγθεθξηκέλα, δηεξεπλάηαη θαη θαηαζθεπάδεηαη έλαο πςίζπρλνο αληηζηξνθέαο ξεχκαηνο ηνπνινγίαο Flyback, ν νπνίνο ζα είλαη θαηάιιεινο γηα εθαξκνγέο «Φσηνβνιηατθψλ Πιαηζίσλ Δλαιιαζζφκελνπ Ρεχκαηνο» (AC-PV Modules), δειαδή Φ/Β δηαηάμεσλ, ειεθηξηθήο ηζρχνο έσο 300W, ζηηο νπνίεο ελζσκαηψλεηαη έλαο ειεθηξνληθφο κεηαηξνπέαο ζπλερνχο ηάζεο ζε κνλνθαζηθή ελαιιαζζφκελε (Micro-inverter). Ηδηαίηεξα ραξαθηεξηζηηθά ηνπ αληηζηξνθέα πνπ θαηαζθεπάζηεθε είλαη ν κηθξφο βαζκφο πνιππινθφηεηαο ηνπ θπθιψκαηνο ηζρχνο κε άκεζε ζπλέπεηα ηελ πςειή αμηνπηζηία ηνπ, ε γαιβαληθή απνκφλσζε πνπ παξέρεη αλάκεζα ζηε Φ/Β γελλήηξηα θαη ην ειεθηξηθφ δίθηπν ελαιιαζζφκελνπ ξεχκαηνο (Δ.Ρ.), ε ηθαλφηεηα ζεκαληηθήο αλχςσζεο ηεο ηάζεο εηζφδνπ ηνπ, ν πςειφο ζπληειεζηήο ηζρχνο, θαζψο θαη ν πςειφο βαζκφο απφδνζεο (ν νπνίνο αγγίδεη ην 94,25%) γηα έλα επξχ θάζκα ιεηηνπξγίαο ηνπ. Ο κηθξφο φγθνο θαη ην κηθξφ βάξνο (ζε πεξίπησζε βηνκεραλνπνίεζεο), είλαη επηπξφζζεηα ραξαθηεξηζηηθά ηεο ζπγθεθξηκέλεο ηνπνινγίαο. Αξρηθά, αλαιχεηαη δηεμνδηθά ε ιεηηνπξγία ηνπ αληηζηξνθέα ξεχκαηνο ηνπνινγίαο Flyback, ε νπνία έρεη αλαπηπρζεί ζηε Γηδαθηνξηθή Γηαηξηβή ηνπ Αλαζηάζηνπ Υ. Κπξίηζε, «Βέιηηζηνο ρεδηαζκφο Τςίζπρλνπ Μνλνθαζηθνχ Αληηζηξνθέα γηα ηε Γηαζχλδεζε Φσηνβνιηατθψλ πζηεκάησλ Μηθξήο Ηζρχνο κε ην Γίθηπν Υακειήο Σάζεο». Σαπηφρξνλα, δηεξεπλψληαη δχν δηαθνξεηηθέο ηερληθέο ειέγρνπ, νη νπνίεο νδεγνχλ ζε δηαθνξεηηθέο θαηαζηάζεηο ιεηηνπξγίαο (ιεηηνπξγία ζε αζπλερή αγσγή, DCM - ιεηηνπξγία ζην φξην κεηαμχ ζπλερνχο θαη αζπλερνχο αγσγήο, BCM) θαη εμαζθαιίδνπλ ηε δεκηνπξγία ελαιιαζζφκελνπ εκηηνλνεηδνχο ξεχκαηνο ζπκθαζηθνχ κε ηελ ηάζε ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ. Αλαπηχζζνληαη ηα θπθιψκαηα ειέγρνπ ηνπ αληηζηξνθέα, ελψ παξνπζηάδεηαη έλαο απνηειεζκαηηθφο ηξφπνο κέηξεζεο ηνπ πςίζπρλνπ δηαθνπηηθνχ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ηα ηπιίγκαηα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή ηνπ αληηζηξνθέα. Σέινο, πξαγκαηνπνηείηαη ε θαηαζθεπή ηεο δηάηαμεο ζην εξγαζηήξην, κε ζθνπφ ηε δηεμαγσγή πεηξακαηηθψλ κεηξήζεσλ γηα ηελ επηβεβαίσζε θαη αμηνιφγεζε ηεο ζεσξεηηθήο αλάιπζεο.

10

11 ABSTRACT This degree thesis deals with the study, the analysis and the manufacture of a new topology that will be used for the interconnection of small photovoltaic (PV) generators with the electric network of urban regions. This work was conducted in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion, Department of Electrical and Computer Engineering, School of Engineering, University of Patras. The goal of the present thesis is to contribute in the sector of Dispersed Power Generation PV systems, with the development of an electronic device that will be used for the interconnection of small photovoltaic (PV) generators with the low voltage electric network. Specifically, a high frequency current source Flyback inverter is investigated and manufactured, that will be suitable for Alternative Current Photovoltaic Modules (AC-PV Modules) applications. An AC-PV Module is the combination of a single PV module (whose power production varies under 300W) and a single-phase power electronic micro-inverter in a single electrical device. Special characteristics of the inverter are the simple power electronic circuit structure, having high reliability as an immediate consequence, the electrical isolation provided between the PV generator and the electric network, the high power factor and the high efficiency (reaching 94.25%) for a wide range of its power. Moreover, small volume and weight are particular characteristics, attributes very important considering its applications (incorporation in PV generators that will be placed in aspects or roofs of buildings). For this topology - whose theory is in the Ph.D. thesis of A. Ch. Kyritsis Optimum Design of a High Frequency Singe - Phase Inverter for the Interconnection of Small Power PV Systems with the Low Voltage Network developed - two different control techniques were investigated, leading to different operation modes (Discontinuous Conduction Mode - DCM, Boundary between Continuous and Discontinuous Mode - BCM) and ensuring alternative sinusoidal current, in phase with the electric network voltage. Simultaneously, their suitability is studied for different power levels. Moreover, the control circuits of the inverter were developed and an effective way of measuring the high - frequency switching currents of the inverter s transformer is presented. Last but not least, the design of the whole system is completed in the laboratory, in order to carry out the experimental measurements required, to confirm and evaluate the studied theory.

12

13 Ππόλογορ ΠΡΟΛΟΓΟ ηε δηπισκαηηθή απηή εξγαζία εξεπλάηαη ε ιεηηνπξγία κίαο λέαο ηνπνινγίαο, γηα ηε δηαζχλδεζε θσηνβνιηατθψλ (Φ/Β) γελλεηξηψλ, κηθξήο ηζρχνο, κε ην ειεθηξηθφ δίθηπν ησλ αζηηθψλ πεξηνρψλ. Αλαιπηηθφηεξα, δηεξεπλάηαη ε αλάπηπμε κηαο ειεθηξνληθήο δηάηαμεο κε απνκφλσζε θαη ζπγθεθξηκέλα έλαο πςίζπρλνο αληηζηξνθέαο ξεχκαηνο ηνπνινγίαο Flyback. Ο ζπγθεθξηκέλνο αληηζηξνθέαο ζα είλαη θαηάιιεινο γηα εθαξκνγέο «Φσηνβνιηατθψλ Πιαηζίσλ Δλαιιαζζφκελνπ Ρεχκαηνο» (AC-PV Modules), δειαδή Φ/Β δηαηάμεσλ, ειεθηξηθήο ηζρχνο έσο 300W, ζηηο νπνίεο ελζσκαηψλεηαη έλαο ειεθηξνληθφο κεηαηξνπέαο ζπλερνχο ηάζεο ζε κνλνθαζηθή ελαιιαζζφκελε (Micro-inverter). πγθεθξηκέλα, γηα ηε δηάηαμε απηή δηεξεπλψληαη δχν δηαθνξεηηθέο ηερληθέο ειέγρνπ (νη νπνίεο νδεγνχλ ζε δηαθνξεηηθέο θαηαζηάζεηο ιεηηνπξγίαο), ελψ ειέγρεηαη ε θαηαιιειφηεηά ηνπο γηα δηαθνξεηηθά επίπεδα ηζρχνο. Να ζεκεησζεί, πσο ε παξνχζα δηπισκαηηθή εξγαζία έρεη ζθνπφ λα επηβεβαηψζεη θαη λα βειηηζηνπνηήζεη ηε ζεσξία πνπ αλαπηχρζεθε ζηε Γηδαθηνξηθή Γηαηξηβή ηνπ Αλαζηάζηνπ Υ. Κπξίηζε, «Βέιηηζηνο ρεδηαζκφο Τςίζπρλνπ Μνλνθαζηθνχ Αληηζηξνθέα γηα ηε Γηαζχλδεζε Φσηνβνιηατθψλ πζηεκάησλ Μηθξήο Ηζρχνο κε ην Γίθηπν Υακειήο Σάζεο», Παλεπηζηήκην Παηξψλ, Σκήκα Ζιεθηξνιφγσλ Μεραληθψλ θαη Σερλνινγίαο Τπνινγηζηψλ, Ηαλνπάξηνο Αξρηθά, δίλεηαη κία ζχληνκε ειζαγυγή ζηελ νπνία αλαδεηθλχεηαη ην παγθφζκην ελεξγεηαθφ πξφβιεκα, ελψ ηνλίδεηαη ε ζεκαζία ηεο αλάπηπμεο θαη βειηίσζεο κεζφδσλ ειεθηξνπαξαγσγήο βαζηζκέλσλ ζε Αλαλεψζηκεο Πεγέο Δλέξγεηαο (Α.Π.Δ.). Σν κεθάλαιο 1 πξαγκαηεχεηαη ηνλ ξφιν ησλ ειηαθψλ θπηηάξσλ ζηελ απεπζείαο κεηαηξνπή ηεο ειηαθήο ελέξγεηαο ζε ειεθηξηθή, θαζψο θαη ηα ειεθηξηθά θαη θαηαζθεπαζηηθά ραξαθηεξηζηηθά απηψλ. Δπηπξφζζεηα, παξνπζηάδνληαη επηγξακκαηηθά νη ηξφπνη κε ηνπο νπνίνπο νη Α.Π.Δ. δχλαηαη λα ζπκβάιινπλ ζηελ ελεξγεηαθή ελίζρπζε ελφο πζηήκαηνο Ζιεθηξηθήο Δλέξγεηαο (.Ζ.Δ.) θαη αλαδεηθλχεηαη ε ζπνπδαηφηεηα ησλ κηθξψλ κνλάδσλ δηεζπαξκέλεο παξαγσγήο. Σέινο, αλαιχνληαη νη δπλαηέο ηερλνινγίεο δηαζχλδεζεο Φ/Β γελλεηξηψλ κε ην ειεθηξηθφ δίθηπν ρακειήο ηάζεο. ην κεθάλαιο 2 αλαιχεηαη ε ιεηηνπξγία ηνπ αληηζηξνθέα ξεχκαηνο ηνπνινγίαο Flyback θαη παξνπζηάδεηαη κία ηερληθή ειέγρνπ ε νπνία σζεί ηνλ αληηζηξνθέα λα ιεηηνπξγεί ζηελ πεξηνρή ηεο αζπλερνχο αγσγήο (Discontinuous Conduction Mode, DCM). Δπηπξνζζέησο, I

14 Ππόλογορ παξνπζηάδεηαη θαη αλαιχεηαη δηεμνδηθά ην θχθισκα ειέγρνπ γηα ηελ πεξίπησζε ηεο ιεηηνπξγίαο ηνπ αληηζηξνθέα ζηελ πεξηνρή απηή. ην κεθάλαιο 3 κειεηάηαη κία άιιε ηερληθή ειέγρνπ, ε νπνία αλαγθάδεη ηνλ αληηζηξνθέα λα ιεηηνπξγεί ζην φξην κεηαμχ ζπλερνχο θαη αζπλερνχο αγσγήο (Boundary between Continuous and Discontinuous Conduction Mode, BCM). Καηφπηλ, παξνπζηάδεηαη θαη αλαιχεηαη θαη εδψ ην θχθισκα ειέγρνπ γηα ηελ πεξίπησζε ηεο ιεηηνπξγίαο ηνπ αληηζηξνθέα ζηελ πεξηνρή απηή. ην κεθάλαιο 4 παξνπζηάδεηαη ε δηαδηθαζία θαηαζθεπήο ηνπ θπθιψκαηνο ηζρχνο ηνπ αληηζηξνθέα ξεχκαηνο ηνπνινγίαο Flyback. Αθφκε, ζην ίδην θεθάιαην πεξηγξάθνληαη ιεπηνκεξψο ην θχθισκα ειέγρνπ ηνπ «ελεξγνχ» δεπηεξεχνληνο ηπιίγκαηνο ηνπ κεηαζρεκαηηζηή θαη ην θχθισκα νδήγεζεο ησλ εκηαγσγηθψλ ζηνηρείσλ ηζρχνο. Σέινο, παξνπζηάδεηαη ν ζρεδηαζκφο ησλ ηξνθνδνηηθψλ πνπ ρξεζηκνπνηήζεθαλ. ην κεθάλαιο 5 παξαηίζεληαη ηα πεηξακαηηθά απνηειέζκαηα πνπ πξνέθπςαλ απφ ηηο κεηξήζεηο πνπ πξαγκαηνπνηήζεθαλ ζηηο δχν θαηαζηάζεηο ιεηηνπξγίαο ηνπ αληηζηξνθέα (DCM θαη BCM), θαζψο θαη θσηνγξαθίεο απφ ηελ θαηαζθεπή ηνπ. ην ίδην θεθάιαην παξνπζηάδνληαη ηα ζπκπεξάζκαηα πνπ δηεμήρζεζαλ θαηά ηε κειέηε, αλάιπζε θαη θαηαζθεπή ηνπ θπθιψκαηνο, θαζψο θαη νη πξννπηηθέο ηεο παξνχζαο δηπισκαηηθήο εξγαζίαο. Σέινο, θαηαγξάθεηαη ε βηβιηνγξαθία πνπ ρξεζηκνπνηήζεθε, ελψ ζηα παξαξηήκαηα ελζσκαηψλνληαη ηα ηππσκέλα θπθιψκαηα ησλ πιαθεηψλ πνπ ζρεδηάζηεθαλ θαη θαηαζθεπάζηεθαλ γηα ηε ζπγθεθξηκέλε εθαξκνγή, θαζψο θαη ηα θπιιάδηα ησλ θαηαζθεπαζηψλ ησλ ζηνηρείσλ πνπ ρξεζηκνπνηήζεθαλ. ην ζεκείν απηφ, ζα ήζεια λα επραξηζηήζσ ζεξκά ηνλ επηβιέπνληα Αλαπιεξσηή Καζεγεηή ηεο δηπισκαηηθήο εξγαζίαο Γξ. - Μερ. Δκκαλνπήι Σαηάθε γηα ηελ θαζνξηζηηθή βνήζεηα θαη ζπκβνιή ηνπ ζηελ νξζή εθπφλεζε θαη νινθιήξσζε ηεο δηπισκαηηθήο απηήο εξγαζίαο. Δπηπξνζζέησο, ηδηαίηεξεο επραξηζηίεο απεπζχλνληαη ζηνλ ππνςήθην δηδάθηνξα Αλαζηάζην Ναλάθν γηα ηελ πνιχηηκε βνήζεηά ηνπ θαη ηηο ρξήζηκεο ζπκβνπιέο ηνπ. Σειεηψλνληαο, αηζζάλνκαη ηελ αλάγθε λα επραξηζηήζσ ζεξκά ηελ νηθνγέλεηά κνπ θαη ηνπο θνληηλνχο κνπ αλζξψπνπο γηα ηελ ελεξγφ θαη ακέξηζηε ζπκπαξάζηαζή ηνπο θαζ φιε ηε δηάξθεηα ησλ ζπνπδψλ κνπ. Θενθάλεο Η. Αξαβαλήο II

15 ΠΙΝΑΚΑ ΠΔΡΙΔΥΟΜΔΝΧΝ Πίνακαρ Πεπιεσομένυν ΔΙΑΓΧΓΗ 7 ΚΔΦΑΛΑΙΟ 1 Φυηοβοληαφκά ςζηήμαηα 1.1. Γεληθά Ζιηαθά θχηηαξα Φσηνβνιηατθφ θαηλφκελν Ζιεθηξηθά ραξαθηεξηζηηθά ειηαθψλ θπηηάξσλ Καηαζθεπαζηηθά ραξαθηεξηζηηθά ειηαθψλ θπηηάξσλ Φσηνβνιηατθά πιαίζηα Ζιεθηξνληθνί κεηαηξνπείο γηα θσηνβνιηατθά πιαίζηα πκβνιή ησλ Αλαλεψζηκσλ Πεγψλ Δλέξγεηαο ζηελ ελεξγεηαθή ελίζρπζε ελφο πζηήκαηνο Ζιεθηξηθήο Δλέξγεηαο Πεδία εθαξκνγψλ ησλ θσηνβνιηατθψλ ζπζηεκάησλ Καηεγνξηνπνίεζε ησλ Γηαζπλδεδεκέλσλ Κηηξηαθψλ Φσηνβνιηατθψλ πζηεκάησλ Κεληξηθνπνηεκέλε ηερλνινγία Σερλνινγία Αιπζίδαο Σερλνινγία Πνιιαπιψλ Αιπζίδσλ Σερλνινγία Φσηνβνιηατθψλ Πιαηζίσλ Δλαιιαζζφκελνπ Ρεχκαηνο ΚΔΦΑΛΑΙΟ 2 Ττίζςσνορ ανηιζηποθέαρ πεύμαηορ ηοπολογίαρ Flyback και λειηοςπγία αςηού ζηην πεπιοσή Αζςνεσούρ Αγυγήρ (DCM) 2.1. Αξρέο ιεηηνπξγίαο ηνπ πςίζπρλνπ αληηζηξνθέα ξεχκαηνο ηνπνινγίαο Flyback Γηεξεχλεζε ηεο ιεηηνπξγίαο ηνπ αληηζηξνθέα ζηελ πεξηνρή ηεο αζπλερνχο αγσγήο Δπίδξαζε ησλ παξακέηξσλ ηνπ θπθιψκαηνο ζηα ειεθηξηθά κεγέζε ηνπ αληηζηξνθέα Κχθισκα ειέγρνπ γηα ηελ πεξίπησζε ηεο ιεηηνπξγίαο ηνπ αληηζηξνθέα ζηελ πεξηνρή ηεο αζπλερνχο αγσγήο Πεξηγξαθή θαη κειέηε ηνπ θπθιψκαηνο ειέγρνπ Δπηινγή ησλ ζηνηρείσλ ηνπ θπθιψκαηνο ειέγρνπ III

16 Πίνακαρ Πεπιεσομένυν ΚΔΦΑΛΑΙΟ 3 Λειηοςπγία ηος ςτίζςσνος ανηιζηποθέα πεύμαηορ ηοπολογίαρ Flyback ζηο όπιο ςνεσούρ - Αζςνεσούρ Αγυγήρ (BCM) 3.1. Γηεξεχλεζε ηεο ιεηηνπξγίαο ηνπ αληηζηξνθέα ζην φξην ζπλερνχο - αζπλερνχο αγσγήο Δπίδξαζε ησλ παξακέηξσλ ηνπ θπθιψκαηνο ζηα ειεθηξηθά κεγέζε ηνπ αληηζηξνθέα Κχθισκα ειέγρνπ γηα ηελ πεξίπησζε ηεο ιεηηνπξγίαο ηνπ αληηζηξνθέα ζην φξην κεηαμχ ζπλερνχο θαη αζπλερνχο αγσγήο Πεξηγξαθή θαη κειέηε ηνπ θπθιψκαηνο ειέγρνπ Δπηινγή ησλ ζηνηρείσλ ηνπ θπθιψκαηνο ειέγρνπ Μέηξεζε ηνπ πςίζπρλνπ δηαθνπηηθνχ ξεχκαηνο ησλ ηπιηγκάησλ ηνπ κεηαζρεκαηηζηή ηνπ αληηζηξνθέα ΚΔΦΑΛΑΙΟ 4 Καηαζκεςή ηος ςτίζςσνος ανηιζηποθέα πεύμαηορ ηοπολογίαρ Flyback 4.1. Γεληθά ρεδηαζηηθέο παξάκεηξνη ηνπ αληηζηξνθέα θαηά ηε ιεηηνπξγία ηνπ ζηελ πεξηνρή ηεο αζπλερνχο αγσγήο ρεδηαζηηθέο παξάκεηξνη ηνπ αληηζηξνθέα θαηά ηε ιεηηνπξγία ηνπ ζην φξην ζπλερνχο - αζπλερνχο αγσγήο 4.2. Δπηινγή ησλ ζηνηρείσλ ηνπ πςίζπρλνπ αληηζηξνθέα ξεχκαηνο ηνπνινγίαο Flyback Δπηινγή ησλ ειεγρφκελσλ εκηαγσγηθψλ ζηνηρείσλ ηζρχνο Δπηινγή ησλ δηφδσλ ηζρχνο Δπηινγή ππθλσηψλ εηζφδνπ Δπηινγή ςπθηηθψλ ζσκάησλ Αλάιπζε θαη ζρεδηαζκφο ηνπ κεηαζρεκαηηζηή ηνπ αληηζηξνθέα ρεδίαζε θαη θαηαζθεπή ηνπ θίιηξνπ εμφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα Κχθισκα ειέγρνπ ηνπ «ελεξγνχ» δεπηεξεχνληνο ηπιίγκαηνο ηνπ κεηαζρεκαηηζηή Πεξηγξαθή θαη κειέηε ηνπ θπθιψκαηνο ειέγρνπ Δπηινγή ησλ ζηνηρείσλ ηνπ θπθιψκαηνο ειέγρνπ Κχθισκα νδήγεζεο ησλ εκηαγσγηθψλ ζηνηρείσλ ηζρχνο Πεξηγξαθή θαη κειέηε ηνπ θπθιψκαηνο νδήγεζεο IV

17 Πίνακαρ Πεπιεσομένυν Δπηινγή ησλ ζηνηρείσλ ηνπ θπθιψκαηνο νδήγεζεο 4.7. Κχθισκα πξνζηαζίαο εκηαγσγηθνχ δηαθφπηε ηζρχνο ρεδηαζκφο θαη θαηαζθεπή ησλ ηξνθνδνηηθψλ ΚΔΦΑΛΑΙΟ 5 Μεηπήζειρ - Πειπαμαηικά αποηελέζμαηα - ςμπεπάζμαηα 5.1. Γεληθά Μεηξήζεηο θαη πεηξακαηηθά απνηειέζκαηα απφ ηε ιεηηνπξγία ηνπ αληηζηξνθέα ξεχκαηνο ζηελ πεξηνρή ηεο αζπλερνχο αγσγήο Λεηηνπξγία ηνπ αληηζηξνθέα κε σκηθή αληίζηαζε σο θνξηίν εμφδνπ Λεηηνπξγία ηνπ αληηζηξνθέα παξέρνληαο ειεθηξηθή ηζρχ ζην δίθηπν Δ.Ρ Μεηξήζεηο θαη πεηξακαηηθά απνηειέζκαηα απφ ηε ιεηηνπξγία ηνπ αληηζηξνθέα ξεχκαηνο ζην φξην κεηαμχ ζπλερνχο θαη αζπλερνχο αγσγήο Λεηηνπξγία ηνπ αληηζηξνθέα κε σκηθή αληίζηαζε σο θνξηίν εμφδνπ Λεηηνπξγία ηνπ αληηζηξνθέα παξέρνληαο ειεθηξηθή ηζρχ ζην δίθηπν Δ.Ρ Φσηνγξαθηθφ πιηθφ απφ ηελ θαηαζθεπή ηνπ αληηζηξνθέα ξεχκαηνο πκπεξάζκαηα θαη πξννπηηθέο ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΠΑΡΑΡΣΗΜΑΣΑ ΠΑΡΑΡΣΖΜΑ Α Σππσκέλα θπθιψκαηα (P.C.B.) ησλ πιαθεηψλ ηνπ πςίζπρλνπ αληηζηξνθέα ξεχκαηνο ηνπνινγίαο Flyback ΠΑΡΑΡΣΖΜΑ Β Σερληθά θπιιάδηα - εγρεηξίδηα θαηαζθεπαζηψλ (Datasheets) 195 V

18

19 Διζαγυγή ΔΙΑΓΧΓΗ Δ.1 Σο ενεπγειακό ππόβλημα - Ανανεώζιμερ Πηγέρ Δνέπγειαρ Μέρξη ην πξφζθαην παξειζφλ ε παξαγσγή ειεθηξηθήο ελέξγεηαο ζε δηεζλή θιίκαθα ζηεξηδφηαλ θαηά θαλφλα ζε ζπκβαηηθέο ελεξγεηαθέο ηερλνινγίεο θαη ζε πξψηεο χιεο, φπσο ην πεηξέιαην, ν άλζξαθαο θαη ν ιηγλίηεο. Ωζηφζν, ε ηεξάζηηα παγθφζκηα ελεξγεηαθή δήηεζε, φπσο απηή δηακνξθψλεηαη απφ ηηο ζχγρξνλεο θνηλσληθέο θαη βηνκεραληθέο απαηηήζεηο, έρεη σο απνηέιεζκα ηελ αιφγηζηε θαηαλάισζε ησλ νξγαληθψλ θαπζίκσλ, ζε ζεκείν πνπ ν θίλδπλνο εμάληιεζήο ηνπο λα είλαη πιένλ νξαηφο. Υσξίο λα κπνχκε ζε ιεπηνκέξεηεο, φζνλ αθνξά ην κέγεζνο ηνπ πξνβιήκαηνο, ζα ππνδείμνπκε έλαλ απιφ ινγαξηαζκφ: αο πάξνπκε παξάδεηγκα ην πεηξέιαην, πνπ ε θαηαλάισζή ηνπ απμάλεηαη κε ξπζκφ πεξίπνπ 6% ηνλ ρξφλν. Απηφ ζεκαίλεη δηπιαζηαζκφ θάζε δέθα ρξφληα. Αλ πξνρσξήζνπκε κε απηφλ ηνλ ηξφπν, ζε 300 πεξίπνπ ρξφληα ηα απνζέκαηα ζα έρνπλ εμαληιεζεί θαη αλ αθφκε νιφθιεξε ε γήηλε ζθαίξα ήηαλ πεηξέιαην. Δίλαη ηφζν πεηζηηθή θαη ακείιηθηε ε εθζεηηθή ζπλάξηεζε, πνπ δελ αθήλεη πεξηζψξηα γηα αθειείο αηζηνδνμίεο [1]. Δπηπξφζζεηα, έλαο αθφκε πξνβιεκαηηζκφο ν νπνίνο είλαη άξξεθηα ζπλπθαζκέλνο κε ηνπο ζπκβαηηθνχο ηξφπνπο ειεθηξνπαξαγσγήο είλαη ε επηβάξπλζε ηνπ θπζηθνχ πεξηβάιινληνο απφ ηα «παξαπξντφληα» ηεο θαχζεο ησλ νξγαληθψλ θαπζίκσλ. πγθεθξηκέλα, νη εθπνκπέο επηθίλδπλσλ ξχπσλ, φπσο ηα νμείδηα ηνπ αδψηνπ, νη ελψζεηο ηνπ ζείνπ θαη ην δηνμείδην ηνπ άλζξαθα, κπνξνχλ λα επηζχξνπλ επηθίλδπλεο θιηκαηηθέο αιιαγέο ζηνλ πιαλήηε καο, νη νπνίεο ζην ζχλνιφ ηνπο είλαη γλσζηέο σο «θαηλφκελν ηνπ ζεξκνθεπίνπ». Αλ θαη ν φξνο απηφο αξρηθά ρξεζηκνπνηήζεθε γηα λα πεξηγξαθεί ε θπζηθή δηαδηθαζία κε ηελ νπνία ε αηκφζθαηξα ελφο πιαλήηε ζπκβάιιεη ζηε ζέξκαλζή ηνπ, ηα ηειεπηαία ρξφληα ν φξνο «θαηλφκελν ηνπ ζεξκνθεπίνπ» είλαη ζπλδεδεκέλνο κε ηελ ππεξζέξκαλζε ηεο γεο ιφγσ ηεο ξχπαλζεο ηεο αηκφζθαηξαο απφ ξχπνπο πνπ νθείινληαη ζηηο αλζξψπηλεο παξεκβάζεηο ζην θπζηθφ πεξηβάιινλ. Δίλαη ραξαθηεξηζηηθφ, φηη ζεκαληηθφο αξηζκφο θξαηψλ ηεο δηεζλνχο θνηλφηεηαο, αλαγλσξίδνληαο φηη ν ελεξγεηαθφο ηνκέαο είλαη ν θιάδνο πνπ επζχλεηαη θαηά θχξην ιφγν γηα ηε ξχπαλζε ηνπ πεξηβάιινληνο, απνθάζηζε λα ζεζπίζεη ην 1997 έλα ζεκαληηθφ λνκηθφ εξγαιείν γηα ηνλ έιεγρν ησλ εθπνκπψλ, γλσζηφ θαη σο πξσηφθνιιν ηνπ Κπφην [2]

20 Διζαγυγή Κεληξηθφο άμνλαο ηνπ πξσηνθφιινπ ηνπ Κπφην είλαη νη λνκηθά θαηνρπξσκέλεο δεζκεχζεηο ησλ βηνκεραληθά αλαπηπγκέλσλ θξαηψλ, λα κεηψζνπλ θαηά ηε δηάξθεηα ηεο πεξηφδνπ ηηο εθπνκπέο έμη αεξίσλ πνπ ζπκβάιινπλ ζην θαηλφκελν ηνπ ζεξκνθεπίνπ (δηνμείδην ηνπ άλζξαθα, κεζάλην, κνλνμείδην ηνπ αδψηνπ, πδξνθζνξάλζξαθεο, θζνξάλζξαθεο θαη εμαθζνξηνχρν ζείν), θαηά 5,2% ζε ζρέζε κε ηα επίπεδα ηνπ 1990 (έηνο βάζεο ζχγθξηζεο). Απφξξνηα ησλ παξαπάλσ δεζκεχζεσλ - ππνρξεψζεσλ πνπ αθνξνχλ ζηελ Δπξσπατθή Έλσζε, είλαη ε κείσζε ησλ εθπνκπψλ θαηά 8%. Δλδεηθηηθά, αμίδεη λα ζεκεησζεί φηη θάζε θηινβαηψξα ειεθηξηθνχ ξεχκαηνο πνπ παξάγεηαη απφ νξπθηά θαχζηκα, επηβαξχλεη ηελ αηκφζθαηξα κε έλα ηνπιάρηζηνλ θηιφ δηνμεηδίνπ ηνπ άλζξαθα (CO 2 ) [2]. Οη παξαπάλσ ιφγνη, έζηξεςαλ ην ελδηαθέξνλ ηεο επηζηεκνληθήο θνηλφηεηαο, θπβεξλήζεσλ, ελεξγεηαθψλ ζρεδηαζηψλ θαη εηαηξηψλ παξαγσγήο ειεθηξηθήο ελέξγεηαο ζηελ αλάπηπμε θαη βειηίσζε κεζφδσλ ειεθηξνπαξαγσγήο βαζηζκέλσλ ζε Αλαλεψζηκεο Πεγέο Δλέξγεηαο (Α.Π.Δ.). Ωο Α.Π.Δ. νξίδνληαη νη κε νξπθηέο ελεξγεηαθέο πεγέο, νη νπνίεο ππάξρνπλ ελ αθζνλία ζην θπζηθφ καο πεξηβάιινλ. Σέηνηεο κνξθέο ελέξγεηαο είλαη ε αηνιηθή (ρήκα Δ.1), ε ειηαθή, ε πδξνειεθηξηθή, ε θπκαηηθή, θαζψο θαη ε ελέξγεηα απφ βηνκάδα (ρεκηθή ελέξγεηα κέζα ζηε θπηηθή χιε). Κνηλφ ζηνηρείν ησλ παξαπάλσ ελεξγεηαθψλ πεγψλ, ρήκα E.1: Αηνιηθή ελέξγεηα είλαη ην γεγνλφο φηη ζρεηίδνληαη κε ηνλ ήιην. Δπηπξφζζεηα, ζηηο Αλαλεψζηκεο Πεγέο Δλέξγεηαο αλήθεη θαη ε γεσζεξκηθή ελέξγεηα (ρήκα Δ.2) ε νπνία πξνέξρεηαη απφ ην εζσηεξηθφ ηεο γεο θαη ζρεηίδεηαη κε ηηο ηδηαίηεξεο γεσινγηθέο ζπλζήθεο ηεο θάζε πεξηνρήο

21 Διζαγυγή Απφ ηηο πεγέο απηέο, επηθξαηέζηεξε είλαη ε ειηαθή ελέξγεηα, ε νπνία ζπλδπάδεη ηδαληθά ηηο απαηηήζεηο γηα λένπο ηξφπνπο παξαγσγήο ελέξγεηαο. Αλ θαη ε ρξήζε ησλ Αλαλεψζηκσλ (ή Δλαιιαθηηθψλ) Πεγψλ Δλέξγεηαο είλαη αθφκε πνιχ πεξηνξηζκέλε ζε παγθφζκηα θιίκαθα, αλακέλεηαη λα δηαδξακαηίζνπλ ζεκαληηθφ ξφιν ζηα ελεξγεηαθά πεπξαγκέλα, δηφηη ε ρξήζε ηνπο δελ ξππαίλεη ην πεξηβάιινλ, ελψ είλαη αλεμάληιεηεο. Ζ επξεία αμηνπνίεζή ηνπο έγθεηηαη ζηελ αλάπηπμε αμηφπηζησλ θαη νηθνλνκηθά απνδεθηψλ ηερλνινγηψλ πνπ ζα δεζκεχνπλ θαη ζα κεηαηξέπνπλ ην δπλακηθφ ηνπο ζε επξέσο ρξεζηκνπνηνχκελεο κνξθέο ελέξγεηαο. ρήκα E.2: Γεσζεξκηθή ελέξγεηα Ζ έληαμε ησλ ηερλνινγηψλ Αλαλεψζηκσλ Πεγψλ Δλέξγεηαο ζηνλ ηνκέα ηεο ειεθηξνπαξαγσγήο απνηειεί έλαλ απφ ηνπο βαζηθνχο ζηφρνπο ηεο Δπξσπατθήο πνιηηηθήο, ψζηε λα πινπνηεζνχλ νη πξναλαθεξζείζεο δεζκεχζεηο. Σέινο, γηα πνιιά θξάηε, ε κεξηθή ππνθαηάζηαζε ησλ ζπκβαηηθψλ ελεξγεηαθψλ ηερλνινγηψλ κε Α.Π.Δ. απνηειεί κία εγρψξηα πεγή ελέξγεηαο, ε νπνία ζπκβάιιεη ηφζν ζηε κεξηθή ηνπο απεμάξηεζε απφ ηηο πεηξειαηνπαξαγσγέο ρψξεο, φζν θαη ζηελ αεηθφξν αλάπηπμε ηεο νηθνλνκίαο ηνπο [2]. Δ.2 Η ηλιακή ενέπγεια Ο άλζξσπνο θάλεη ρξήζε ηεο ειηαθήο ελέξγεηαο εδψ θαη ρηιηάδεο ρξφληα αξθεί λα αλαθέξνπκε ην παξάδεηγκα ηνπ Αξρηκήδε πνπ θαηφξζσζε λα θάςεη, κε ηε βνήζεηα - 9 -

22 Διζαγυγή θαηφπηξσλ, ηνλ ζηφιν ησλ Ρσκαίσλ ην 212 π.υ. κε ηε δηαθνξά φηη κέρξη ζήκεξα γηλφηαλ έκκεζε εθκεηάιιεπζή ηεο (νξπθηά θαχζηκα, πδξνδπλακηθφ, αηνιηθή ελέξγεηα, θσηνζχλζεζε θ.ιπ.). Αμίδεη ζην ζεκείν απηφ λα ηνλίζνπκε φηη ην ζχλνιν, ζρεδφλ, ησλ ελεξγεηαθψλ αλαγθψλ ηεο γεο θαιχπηεηαη απφ ηελ ειηαθή ελέξγεηα είηε άκεζα είηε έκκεζα. Σνχην, δηφηη ε θσηεηλή αθηηλνβνιία ηνπ ήιηνπ απνηειεί ηε κφληκε θαη θχξηα ελεξγεηαθή είζνδν ηνπ πιαλήηε καο. Οη κφλεο κνξθέο ελέξγεηαο κε γήηλε πξνέιεπζε πνπ ρξεζηκνπνηνχληαη απφ ηνλ άλζξσπν, είλαη ε γεσζεξκηθή θαη ε ππξεληθή ελέξγεηα. Μεηά ηελ ελεξγεηαθή θξίζε θαη ηελ απμαλφκελε κφιπλζε ηνπ πεξηβάιινληνο, αλνίγεη ν δξφκνο γηα ηελ άκεζε εθκεηάιιεπζε ηφζν ηεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο, φζν θαη ηεο αηνιηθήο ελέξγεηαο. Ο ήιηνο απνηειεί έλαλ ηεξάζηην αληηδξαζηήξα ζχληεμεο (ρήκα Δ.3), φπνπ ππξήλεο πδξνγφλνπ (H) κεηαηξέπνληαη ζε ππξήλεο ειίνπ (He) κε ηαπηφρξνλε απψιεηα κάδαο, ε νπνία κεηαηξέπεηαη ζε ελέξγεηα ζχκθσλα κε ηελ εμίζσζε ηζνδπλακίαο κάδαο - ελέξγεηαο ηνπ Albert Einstein, Δ = m c 2. ρήκα E.3: Ζ ππξεληθή ζχληεμε Καηά ηε δηάξθεηα απηήο ηεο δηαδηθαζίαο, ζε θάζε δεπηεξφιεπην, κεηαηξέπνληαη ζε ελέξγεηα 4,6 εθαηνκκχξηα ηφλνη απφ ηε κάδα ηνπ. Παξά ηε κεγάιε απηή απψιεηα κάδαο, ην ηεξάζηην κέγεζφο ηνπ, ηνπ επηηξέπεη λα ράζεη κφιηο ην έλα εθαηνζηφ ηεο κάδαο ηνπ, αθφκα θαη αλ πεξάζνπλ δηζεθαηνκκχξηα ρξφληα. Με άιια ιφγηα, ν ήιηνο απνηειεί κία ηεξάζηηα θαη αλεμάληιεηε πεγή ελέξγεηαο, ε νπνία ζηέιλεη θάζε ρξφλν ζηελ επηθάλεηα ηεο γεο ελέξγεηα ηεο ηάμεσο ησλ kwh. Απφ θαζαξά ηερλνινγηθήο απφςεσο, ε ελέξγεηα απηή είλαη ηθαλή λα θαιχςεη ηηο παγθφζκηεο ελεξγεηαθέο αλάγθεο πνπ αλήξρνλην, ην 1972, ζε kwh. Ζ ειηαθή αθηηλνβνιία πνπ θζάλεη ζηε γε είλαη θνξέο ε παγθφζκηα ελεξγεηαθή

23 Διζαγυγή θαηαλάισζε. Αλ ηψξα ιεθζνχλ ππ φςηλ ν ζπληειεζηήο απφδνζεο ησλ ειηαθψλ ζπζθεπψλ (πεξίπνπ 20-30% γηα ζεξκηθή κεηαηξνπή θαη 10% γηα ειεθηξηθή κεηαηξνπή), νη απψιεηεο θαηά ηελ απνζήθεπζε (~20%) θαη νη κε παξαγσγηθνί ρψξνη πνπ απαηηνχληαη (~50%), ηφηε ηα ειηαθά ζπζηήκαηα πνπ ζα ζρεδηαζζνχλ λα θαιχςνπλ ηηο παξαπάλσ ελεξγεηαθέο αλάγθεο ζα απαηηήζνπλ επηθάλεηα km 2 (πεξίπνπ δειαδή ην ¼ ηεο επηθάλεηαο ηεο Αηγχπηνπ) [1]. ην ζεκείν απηφ πξέπεη λα ηνληζηεί φηη ηα παξαπάλσ λνχκεξα είλαη εληειψο ελδεηθηηθά, ε ελεξγεηαθή θαηαλάισζε αλαθέξεηαη ζε φιεο ηηο ρξήζεηο θαη ζηελ απφιπηε θάιπςε φισλ ησλ πνζνζηψλ. Φπζηθά, ε ζέζε ηεο ειηαθήο ελέξγεηαο ζην παγθφζκην ελεξγεηαθφ ηζνδχγην δελ αληηθαηνπηξίδεηαη απφ ηελ παξαπάλσ εηθφλα φζνλ αθνξά ηηο κεζφδνπο κεηαηξνπήο, ην είδνο ησλ εθαξκνγψλ θαη ηα πνζνζηά θαιχςεσο (θαλέλαο δελ κπνξεί λα δηαλνεζεί κία ηεξάζηηα γελλήηξηα εγθαηεζηεκέλε ζηελ Αίγππην πνπ ζα θαηαλέκεη ηελ ελέξγεηα ζε φιν ηνλ θφζκν!). Όζνλ αθνξά ηα ζπζηήκαηα κεηαηξνπήο, ε πην βαζηθή (θαη απφ παιηά γλσζηή) δηαδηθαζία ζε επξεία ρξήζε είλαη ην θαηλφκελν ηνπ ζεξκνθεπίνπ. Ωζηφζν, γηα ηελ θάιπςε ησλ ζεκεξηλψλ ελεξγεηαθψλ αλαγθψλ απαηηνχληαη πην πξνσζεκέλα, απφ ηερλνινγηθήο απφςεσο, ζπζηήκαηα κεηαηξνπήο. Ζ επηινγή ηνπ θαηάιιεινπ ζπζηήκαηνο γηα ηελ άκεζε κεηαηξνπή ηεο ειηαθήο ελέξγεηαο είλαη ζπλάξηεζε ηνπ ηχπνπ ηεο ελεξγεηαθήο δήηεζεο γηα ηηο δηάθνξεο εθαξκνγέο. Γεληθά, ηα ζπζηήκαηα απηά, κπνξνχλ λα ρσξηζηνχλ ζε ηξεηο θαηεγνξίεο: Άμεζη μεηαηροπή για θέρμανζη: Πεξηιακβάλνπλ ζέξκαλζε λεξνχ γηα νηθηαθή ρξήζε, ζέξκαλζε ρψξσλ, μήξαλζε ηξνθψλ θαη δηαθφξσλ πιηθψλ, ζεξκφηεηα γηα βηνκεραληθή ρξήζε θ.ιπ. Μεηαηροπή με ενδιάμεζο θερμοδσναμικό κύκλο: Πεξηιακβάλεη αθαιάησζε λεξνχ, ςχμε θαη θπξίσο παξαγσγή κεραληθήο ή ειεθηξηθήο ελέξγεηαο απφ ζεξκφηεηα. Απεσθείας μεηαηροπή ζε ηλεκηρική ενέργεια (ρήκα Δ.4): Πεξηιακβάλεη ην θσηνβνιηατθφ θαηλφκελν θαη άιια κε πνιχ κηθξφηεξε ζεκαζία φπσο ηε θσηνδίνδν, ηα θσηνγαιβαληθά ζηνηρεία θ.ά

24 Διζαγυγή ρήκα E.4: Ζιηαθή ελέξγεηα Σέινο, ζην ζεκείν απηφ αμίδεη λα αλαθέξνπκε ηα βαζηθά πιενλεθηήκαηα ηεο ειηαθήο ελέξγεηαο έλαληη ησλ ζπκβαηηθψλ θαπζίκσλ πνπ ζπλίζηαληαη ζην φηη: είλαη άθζνλε, αλεμάληιεηε, ρσξίο πξνβιήκαηα κφιπλζεο, δελ ρξεζηκνπνηεί θαχζηκα, κε κηθξά πξνβιήκαηα ζπληήξεζεο, πξνζθέξεηαη γηα απνθεληξσκέλεο εθαξκνγέο θ.ιπ. Σν βαζηθφ πξφβιεκα έγθεηηαη ζηελ ηερλνινγηθή πξνψζεζε ησλ ζπζηεκάησλ κεηαηξνπήο θαη ε καδηθή παξαγσγή ηνπο κε αληίζηνηρε αχμεζε ηεο απφδνζεο, κε ζηφρν ηελ νηθνλνκηθή αληαγσληζηηθφηεηα ζε ζρέζε κε ηηο ζπκβαηηθέο πεγέο ελέξγεηαο [1]

25 Κεθάλαιο 1 ο ΚΔΦΑΛΑΙΟ 1 ΦΧΣΟΒΟΛΣΑΨΚΑ ΤΣΗΜΑΣΑ 1.1 Γενικά Ζ απεπζείαο κεηαηξνπή ηεο ειηαθήο ελέξγεηαο ζε ειεθηξηθή, επηηπγράλεηαη κε ηε βνήζεηα ησλ ειηαθψλ θπηηάξσλ (Solar cells), ε αξρή ιεηηνπξγίαο ησλ νπνίσλ ζηεξίδεηαη ζην θσηνβνιηατθφ θαηλφκελν, ην νπνίν παξαηεξήζεθε απφ ηνλ Γάιιν θπζηθφ Alexandre - Edmond Becquerel ην Αμίδεη λα επηζεκαλζεί πσο ε δηαδηθαζία ηεο κεηαηξνπήο απηήο δελ εμαξηάηαη απφ ηε ζεξκφηεηα, απελαληίαο ε απφδνζε ησλ ειηαθψλ θπηηάξσλ κεηψλεηαη φηαλ ε ζεξκνθξαζία απμάλεηαη. Ζ παξαγσγή ειεθηξηθήο ελέξγεηαο κε ηε βνήζεηα ησλ ειηαθψλ θπηηάξσλ θαη θαη επέθηαζε ησλ θσηνβνιηατθψλ ζπζηεκάησλ ζπλνδεχεηαη απφ κία ζεηξά πιενλεθηεκάησλ κε βαζηθφηεξα ηα εμήο [3]: Λεηηνπξγνχλ αζφξπβα, θαζαξά, ρσξίο θαηάινηπα, απνθεχγνληαο ηε κφιπλζε ηνπ πεξηβάιινληνο. Λεηηνπξγνχλ ρσξίο θηλεηά κέξε, κε ειάρηζηε ζπληήξεζε. Λεηηνπξγνχλ ρσξίο θαχζηκα. Λεηηνπξγνχλ θαη κε λεθειψδε νπξαλφ (δηάρπηε αθηηλνβνιία). Γελ ρξεζηκνπνηνχλ πγξά ή αέξηα ζε αληίζεζε κε ηα ζεξκηθά ζπζηήκαηα. Καηαζθεπάδνληαη απφ ππξίηην, έλα απφ ηα πιένλ ζε αθζνλία ζηνηρεία. Πιένλ απνδνηηθά ζε ρακειέο ζεξκνθξαζίεο. Έρνπλ γξήγνξε απφθξηζε ζε μαθληθέο κεηαβνιέο ηεο ειηνθάλεηαο. Αλ έλα θνκκάηη ππνζηεί βιάβε, ην ζχζηεκα ζπλερίδεη ηε ιεηηνπξγία ηνπ κέρξη ηελ αληηθαηάζηαζή ηνπ. Μεγάιεο δπλαηφηεηεο ζε κία επξεία πεξηνρή ηζρχσλ (απφ mw κέρξη MW). Έρνπλ κεγάιν ιφγν ηζρχνο / βάξνπο, επνκέλσο είλαη θαηάιιεια γηα εγθαηάζηαζε ζε ζηέγεο. Δίλαη θαηάιιεια γηα επηηφπηεο εθαξκνγέο, φπνπ ή δελ ππάξρεη ή δελ ζπκθέξεη ε επέθηαζε ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ

26 Κεθάλαιο 1 ο Δίλαη δπλαηφλ λα ζπλαξκνινγεζνχλ ηππνπνηεκέλα ζηνηρεία καδηθήο παξαγσγήο ζε ζχζηεκα νπνηνπδήπνηε κεγέζνπο (θαη βαζκφ απφδνζεο πξαθηηθά αλεμάξηεην ηνπ κεγέζνπο) γηα λα θαιχςνπλ κηθξέο, κεζαίεο θαη κεγάιεο ελεξγεηαθέο αλάγθεο. Έρνπλ κεγάιε δηάξθεηα δσήο (πάλσ απφ 20 έηε). Ζ πεγή «θαπζίκνπ», ν ήιηνο, είλαη κεγάιε θαη νπζηαζηηθά «άπεηξε». 1.2 Ηλιακά κύηηαπα Φσηνβνιηατθφ θαηλφκελν Ζ θσηνβνιηατθή κεηαηξνπή ηεο ειηαθήο ελέξγεηαο ζηεξίδεηαη αθελφο κελ ζηελ ειηαθή αθηηλνβνιία, αθεηέξνπ δε ζηηο ηδηφηεηεο ησλ εκηαγσγηθψλ πιηθψλ [3]. Σν άηνκν ηνπ ππξηηίνπ (πνπ απνηειεί ηνλ θπξηφηεξν εθπξφζσπν ησλ εκηαγσγψλ) δηαζέηεη 14 ειεθηξφληα ηνπνζεηεκέλα θαηά ηέηνην ηξφπν ψζηε ηα 4 εμσηεξηθά, πνπ ιέγνληαη θαη ειεθηξφληα ζζέλνπο κπνξνχλ λα δνζνχλ, λα γίλνπλ απνδεθηά ή λα κνηξαζηνχλ κε έλα άιιν άηνκν. Έλαο κεγάινο αξηζκφο αηφκσλ, κέζσ ησλ ειεθηξνλίσλ ζζέλνπο, κπνξνχλ λα αιιεινζπλδεζνχλ κε δεζκνχο (Bonds) θαη λα ζρεκαηίζνπλ έλα θξπζηαιιηθφ πιέγκα (Crystal lattice) δεκηνπξγψληαο έηζη έλα ζηεξεφ (ρήκα 1.1). ρήκα 1.1: Σξηζδηάζηαηε αλαπαξάζηαζε ηνπ θξπζηαιιηθνχ πιέγκαηνο ηνπ ππξηηίνπ Όηαλ ειηαθφ θσο πέζεη ζε θξπζηαιιηθφ ππξίηην, είλαη δπλαηφλ λα αλαθιαζηεί, λα δηαπεξάζεη ηνλ θξχζηαιιν ή λα απνξξνθεζεί. ηελ ηειεπηαία πεξίπησζε θαη αλ ην θσο είλαη ρακειήο ελέξγεηαο (E = h f, h = ζηαζεξά ηνπ Planck), ηα άηνκα ηνπ ππξηηίνπ ηαιαληψλνληαη

27 Κεθάλαιο 1 ο πεξί ηε ζηαζεξή ζέζε ηνπο ρσξίο λα ραιαξψλνπλ νη δεζκνί κεηαμχ ηνπο, ελψ ηα ειεθηξφληα ησλ δεζκψλ, απνθηψληαο κεγαιχηεξε ελέξγεηα, αλεβαίλνπλ ζε πςειφηεξεο ελεξγεηαθέο ζηάζκεο πνπ δελ είλαη επζηαζείο, νπφηε ηα ειεθηξφληα επηζηξέθνπλ ζχληνκα ζηηο αξρηθέο ρακειφηεξεο ελεξγεηαθέο ζηάζκεο, απνδίδνληαο ππφ κνξθή ζεξκφηεηαο ηελ ελέξγεηα πνπ είραλ θεξδίζεη. Απφ ηελ άιιε κεξηά, αλ ην θσο έρεη αξθεηή ελέξγεηα είλαη δπλαηφλ λα αιιάμεη ηηο ειεθηξηθέο ηδηφηεηεο ηνπ θξπζηάιινπ. Έηζη, ην ειεθηξφλην ελφο δεζκνχ είλαη δπλαηφλ λα απνρσξηζζεί ηε ζέζε ηνπ ζηνλ θξχζηαιιν θαη λα κεηαθηλεζεί ζηε δψλε αγσγηκφηεηαο (Conduction band) αθήλνληαο πίζσ ζηε δψλε ζζέλνπο (Valence band) έλα δεζκφ απφ ηνλ νπνίν ιείπεη έλα ειεθηξφλην, πνπ θαιείηαη νπή (ρήκα 1.2). Οπέο ζηε δψλε ζζέλνπο θαη ειεθηξφληα ζηε δψλε αγσγηκφηεηαο είλαη ειεχζεξα λα κεηαθηλεζνχλ κέζσ ηνπ θξπζηάιινπ θαη παίδνπλ ζεκαληηθφ ξφιν ζηελ ειεθηξηθή ζπκπεξηθνξά ησλ ειηαθψλ θπηηάξσλ. ρήκα 1.2: Γηζδηάζηαηε αλαπαξάζηαζε ηνπ πιέγκαηνο - Γεκηνπξγία δεπγψλ ειεθηξνλίσλ - νπψλ κε πξφζπησζε ειηαθνχ θσηφο Σα παξαγφκελα κε ηε βνήζεηα ηνπ ειηαθνχ θσηφο δεχγε ειεθηξνλίσλ - νπψλ απνηεινχλ ηε βαζηθή δηαδηθαζία ηνπ θσηνβνιηατθνχ θαηλνκέλνπ, ρσξίο φκσο λα είλαη ζε ζέζε λα δψζνπλ απφ κφλα ηνπο ξεχκα. Δάλ δελ ππήξρε θαη θάπνηνο άιινο κεραληζκφο ηα δεχγε ειεθηξνλίσλ - νπψλ ζα εθηεινχζαλ, γηα ζχληνκν ρξνληθφ δηάζηεκα, ηπραίνπο ειηγκνχο ζηνλ θξχζηαιιν θαη ηειηθά ζα επαλέξρνληαλ ζηηο αξρηθέο ζέζεηο ηνπο ζηε δψλε ζζέλνπο απνδίδνληαο ζεξκηθή ελέξγεηα. Έηζη, γηα ηελ παξαγσγή ξεχκαηνο είλαη απαξαίηεηνο θαη έλαο άιινο κεραληζκφο, ην θξάγκα δπλακηθνχ (Potential barrier). Κάζε ειηαθφ θχηηαξν πεξηέρεη έλα θξάγκα δπλακηθνχ πνπ δηαρσξίδεη ηα παξαγφκελα δεχγε ειεθηξνλίσλ - νπψλ, ζηέιλνληαο

28 Κεθάλαιο 1 ο πεξηζζφηεξα ειεθηξφληα ζηε κία πιεπξά ηνπ θπηηάξνπ θαη πεξηζζφηεξεο νπέο ζηελ άιιε, έηζη ψζηε λα ππάξρεη κηθξή πηζαλφηεηα επαλαζχλδεζεο κεηαμχ ησλ. Ο ρσξηζκφο απηφο ησλ θνξηίσλ δεκηνπξγεί κία δηαθνξά δπλακηθνχ ζηα δχν άθξα ηνπ θπηηάξνπ, ε νπνία είλαη δπλαηφλ λα δψζεη ξεχκα ζε έλα εμσηεξηθφ θχθισκα. Όπσο πξναλαθέξζεθε, ην άηνκν ηνπ ππξηηίνπ δηαζέηεη 4 ειεθηξφληα ζζέλνπο θαζέλα απφ ηα νπνία αλήθεη ζε έλα δεζκφ κε έλα άιιν άηνκν ππξηηίνπ. Δηζάγνπκε ζε έλαλ θαζαξφ θξχζηαιιν ππξηηίνπ κία πξφζκημε, αληηθαζηζηψληαο έλα άηνκν ππξηηίνπ κε έλα άηνκν απφ ηελ πέκπηε νκάδα ηνπ πεξηνδηθνχ ζπζηήκαηνο π.ρ. θψζθνξν (P), ην νπνίν δηαζέηεη 5 ειεθηξφληα ζζέλνπο. Σν άηνκν - πξφζκημε ζα αληηθαηαζηήζεη έλα άηνκν ππξηηίνπ, πξνζθέξνληαο 4 ειεθηξφληα γηα θαζέλα απφ ηνπο 4 δεζκνχο κε 4 άιια άηνκα ππξηηίνπ, ελψ ζα ππάξρεη πεξίζζεηα ελφο ειεθηξνλίνπ πνπ δελ ζα αλήθεη ζε δεζκφ (ρήκα 1.3). Σν επηπιένλ ειεθηξφλην δελ βξίζθεηαη νχηε ζηε δψλε ζζέλνπο νχηε ζηε δψλε αγσγηκφηεηαο, αιιά ζε κία ελδηάκεζε ζηάζκε πνιχ θνληά ζηε δψλε αγσγηκφηεηαο. Ωζηφζν, ζηε ζεξκνθξαζία δσκαηίνπ ππάξρεη αξθεηή ζεξκηθή ελέξγεηα ζηνλ θξχζηαιιν, πξνθεηκέλνπ λα κεηαθηλήζεη απηφ ην ειεθηξφλην ζηε δψλε αγσγηκφηεηαο. Ζ επαλαζχλδεζε ηνπ ειεθηξνλίνπ απηνχ κε κία νπή δελ είλαη δπλαηή, αθνχ απηφ δελ έρεη δεκηνπξγήζεη πίζσ ηνπ θάπνηα (παξά κφλν έλα ζεηηθφ ηφλ θσζθφξνπ). πλεπψο, ην ειεθηξφλην είλαη πάληα ζε εηνηκφηεηα λα ζπκβάιιεη ζε θάπνην ειεθηξηθφ ξεχκα. Έηζη, έλαο θξχζηαιινο ππξηηίνπ, ζηνλ νπνίν έλαο κεγάινο αξηζκφο αηφκσλ ηνπ έρεη αληηθαηαζηαζεί απφ άηνκα θσζθφξνπ, δηαζέηεη πιήζνο ειεχζεξσλ ειεθηξνλίσλ ζηε δψλε αγσγηκφηεηαο θαη έλαλ αληίζηνηρν αξηζκφ ζεηηθψλ ηφλησλ ζηελ θξπζηαιιηθή δνκή. ρήκα 1.3: Άηνκα θσζθφξνπ έρνπλ αληηθαηαζηήζεη άηνκα ππξηηίνπ (Πεξίζζεηα ειεχζεξσλ ειεθηξνλίσλ ζηελ πιεπξά ηχπνπ-n)

29 Κεθάλαιο 1 ο Έηζη, ελψ ην ζχλνιν ηνπ θξπζηάιινπ παξακέλεη ειεθηξηθά νπδέηεξν, νη ειεθηξηθέο ηδηφηεηεο απηνχ έρνπλ αιιάμεη δξαζηηθά. Πξνζκίμεηο απηνχ ηνπ ηχπνπ πνπ έρνπλ έλα επηπιένλ ειεθηξφλην ζζέλνπο θαινχληαη δφηεο (Donors) θαη ν αληίζηνηρνο θξχζηαιινο θαιείηαη ηχπνπ-n (n-type). Σα παξαπάλσ απνηεινχλ έλα κέξνο ηεο δηαδηθαζίαο γηα ηε δεκηνπξγία ηνπ εζσηεξηθνχ θξάγκαηνο δπλακηθνχ. Αλ ηψξα αληηθαηαζηήζνπκε έλα άηνκν ππξηηίνπ κε έλα άηνκν απφ ηελ ηξίηε νκάδα ηνπ πεξηνδηθνχ ζπζηήκαηνο π.ρ. βφξην (B), ην νπνίν δηαζέηεη 3 ειεθηξφληα ζζέλνπο, ην άηνκν - πξφζκημε ζα πξνζθέξεη ηα 3 ειεθηξφληα ζε 3 δεζκνχο κε 3 άηνκα ππξηηίνπ, σζηφζν απφ ηνλ ηέηαξην δεζκφ ηνπ αληηθαζηζηάκελνπ αηφκνπ ππξηηίνπ ζα ιείπεη έλα ειεθηξφλην, δειαδή ζα δεκηνπξγεζεί κία νπή (ρήκα 1.4). ρήκα 1.4: Άηνκα βνξίνπ έρνπλ αληηθαηαζηήζεη άηνκα ππξηηίνπ (Πεξίζζεηα νπψλ ζηελ πιεπξά ηχπνπ-p) Ζ νπή απηή βξίζθεηαη ζε κία ελδηάκεζε ζηάζκε πνιχ θνληά ζηε δψλε ζζέλνπο πνπ κε αληίζηνηρε ζεξκηθή ελέξγεηα κεηαθηλείηαη ζε απηή. Έηζη, έλαο θξχζηαιινο ππξηηίνπ «ληνπαξηζκέλνο» κε πνιιά άηνκα βφξηνπ δηαζέηεη έλαλ κεγάιν αξηζκφ νπψλ, νη νπνίεο είλαη δπλαηφλ λα ζεσξεζνχλ σο ειεχζεξα ζεηηθά θνξηία θαη λα κεηαθηλεζνχλ κέζσ ηνπ θξπζηαιιηθνχ πιέγκαηνο. Πξνζκίμεηο απηνχ ηνπ ηχπνπ (κε 3 ειεθηξφληα ζζέλνπο) θαινχληαη δέθηεο (Acceptors), δηφηη νη νπέο ηνπο δέρνληαη ειεθηξφληα (ειεθηξφληα ζζέλνπο πνπ αλήθνπλ ζε δεζκνχο ή ειεθηξφληα αγσγηκφηεηαο) θαη ν αληίζηνηρνο θξχζηαιινο θαιείηαη ηχπνπ-p (p-type). ε έλα πιηθφ ηχπνπ-n ηα ειεθηξφληα (αξλεηηθά θνξηία) απνηεινχλ ηνπο θνξείο πιεηνλφηεηαο (Majority carriers), ελψ νη νπέο ηνπο θνξείο κεηνλφηεηαο (Minority carriers)

30 Κεθάλαιο 1 ο Αληίζηξνθα, ζε έλα πιηθφ ηχπνπ-p ηνπο θνξείο πιεηνλφηεηαο απνηεινχλ νη νπέο (ζεηηθά θνξηία), ελψ ηνπο θνξείο κεηνλφηεηαο ηα ειεθηξφληα. Φέξλνληαο ζε επαθή έλα πιηθφ ηχπνπ-n θαη έλα πιηθφ ηχπνπ-p, ε δηαρσξηζηηθή γξακκή πνπ θαιείηαη επαθή (Junction), απνηειεί ηελ εζηία δεκηνπξγίαο ηνπ θξάγκαηνο δπλακηθνχ, ε νπνία θαη απνηειεί νπζηαζηηθή πξνυπφζεζε γηα ηε ιεηηνπξγία ηνπ ειηαθνχ θπηηάξνπ. Όηαλ ινηπφλ ηα δχν πιηθά έιζνπλ ζε επαθή, ειεχζεξα ειεθηξφληα απφ ην πιηθφ ηχπνπ-n κεηαπεδνχλ (κε ηε δηαδηθαζία ηεο δηάρπζεο), κέζσ ηεο επαθήο, ζην πιηθφ ηχπνπ-p θαη ζπλδένληαη κε αληίζηνηρεο νπέο (ην πιηθφ ηχπνπ-p δηαζέηεη πιήζνο νπψλ, ρήκα 1.5). Αλ n ρήκα 1.5: Τιηθφ ηχπνπ-n ζε επαθή κε πιηθφ ηχπνπ-p. Ζιεθηξφληα θαη νπέο αξρίδνπλ λα κεηαθηλνχληαη. Θεηηθά θνξηία δεκηνπξγνχληαη ζην πιηθφ ηχπνπ-n θαη αξλεηηθά θνξηία ζην πιηθφ ηχπνπ-p [4] είλαη ε ππθλφηεηα ησλ ειεθηξνλίσλ, dn/dx είλαη ε κνλνδηάζηαηε βάζκσζε ηεο ζπγθέληξσζεο ειεθηξνλίσλ. Δίλαη πξνθαλέο φηη ε ξνή ησλ ειεθηξνλίσλ είλαη αλάινγε πξνο ηελ αξλεηηθή βάζκσζε ηεο ζπγθέληξσζεο. Δπεηδή ην ξεχκα είλαη αλάινγν πξνο ηε ξνή θνξηηζκέλσλ ζσκαηηδίσλ, ην παξαπάλσ θαηλφκελν ζπλίζηαηαη ζε έλα ξεχκα δηάρπζεο. Απφ ηελ άιιε κεξηά, νπέο απφ ην πιηθφ ηχπνπ-p κεηαπεδνχλ (κε ηε δηαδηθαζία ηεο δηάρπζεο) ζην πιηθφ ηχπνπ-n (ζηελ νπζία ειεθηξφληα ζζέλνπο απφ ην πιηθφ ηχπνπ-n κεηαπεδνχλ ζην πιηθφ ηχπνπ-p θαη ζπλδένληαη κε νπέο) πνπ ζπληζηνχλ έλα ξεχκα δηάρπζεο. Απηή ε δηαδηθαζία κεηαθνξάο ησλ θνξηίσλ δεκηνπξγεί κία αληζνξξνπία θνξηίσλ ζηηο δχν πιεπξέο ηεο επαθήο: αξλεηηθά θνξηία (επηπιένλ ειεθηξφληα) ζηελ πιεπξά ηχπνπ-p ηεο επαθήο θαη ζεηηθά θνξηία (ηφληα) ζηελ πιεπξά ηχπνπ-n ηεο επαθήο (ρήκα 1.5). Ζ παξαπάλσ δηαδηθαζία δελ ζπλερίδεηαη απεξηφξηζηα. Οη θνξηηζκέλνη θνξείο πνπ

31 Κεθάλαιο 1 ο κεηαθέξζεθαλ ζηηο δχν πιεπξέο ηεο επαθήο δεκηνπξγνχλ έλα ειεθηξηθφ πεδίν, ην νπνίν ελεξγεί ζαλ θξάγκα (ρήκα 1.6) θαη αληηηίζεηαη ζηελ παξαπέξα ξνή ησλ θνξέσλ. ρήκα 1.6: Ζ επίδξαζε ηνπ θξάγκαηνο δπλακηθνχ [3] Με άιια ιφγηα, ζε κία ζηελή πεξηνρή πεξί ηελ επαθή (Space charge region ή Depletion region) δεκηνπξγνχληαη θνξηία ρψξνπ. πλέπεηα ηνπ γεγνλφηνο απηνχ, είλαη ε δεκηνπξγία ελφο θξάγκαηνο δπλακηθνχ πεξί ηελ επαθή, πνπ αληηηίζεηαη ζηελ παξαπέξα δηάρπζε ησλ θνξέσλ πιεηνλφηεηαο κέζσ απηήο. Ωζηφζν, νη θνξείο κεηνλφηεηαο δελ εκπνδίδνληαη απφ ην θξάγκα δπλακηθνχ. Αληίζεηα κάιηζηα, (ρσξίο θσηηζκφ ηνπ θπηηάξνπ) ππάξρεη κηθξφο αξηζκφο θνξέσλ κεηνλφηεηαο, φπσο ειεχζεξα ειεθηξφληα ζην πιηθφ ηχπνπ-p, ηα νπνία νδεγνχληαη απφ ην ειεθηξηθφ πεδίν ηεο επαθήο ζηελ αληίζεηε πιεπξά, δειαδή ζην πιηθφ ηχπνπ-n θαη ζπληζηνχλ ην ξεχκα νιίζζεζεο (Drift current). Σν ίδην ηζρχεη θαη γηα ηηο νπέο πνπ βξίζθνληαη ζην πιηθφ ηχπνπ-n. Σν νιηθφ ξεχκα νιίζζεζεο πξνθχπηεη ζαλ άζξνηζκα ησλ δχν παξαπάλσ ζπληζησζψλ. ε ζπλζήθεο ηζνξξνπίαο, φηαλ ην θχηηαξν δελ θσηίδεηαη (G = 0, φπνπ G είλαη ν ξπζκφο παξαγσγήο ηνπ ειηαθνχ θσηφο) ιίγνη θνξείο πιεηνλφηεηαο πνπ απνθηνχλ ηπραία αξθεηή ελέξγεηα ψζηε λα δηαζρίζνπλ ην θξάγκα, ζπληζηνχλ έλα ξεχκα δηάρπζεο, ην νπνίν αληηζηαζκίδεηαη απφ ίζν θαη αληίζεην ξεχκα νιίζζεζεο πνπ νθείιεηαη ζε θνξείο κεηνλφηεηαο, νπφηε ηειηθά δελ ππάξρεη ξεχκα ζηνλ θξχζηαιιν. ηελ πεξίπησζε πνπ ην ειηαθφ θχηηαξν θσηίδεηαη (G 0), θσηφληα κε ελέξγεηα (E photon = h f = h c/ι) κεγαιχηεξε ή ίζε απφ ην ελεξγεηαθφ ράζκα E g ηνπ εκηαγσγνχ (ελεξγεηαθφ ράζκα

32 Κεθάλαιο 1 ο είλαη ε δηαθνξά ελέξγεηαο κεηαμχ ηνπ πάλσ κέξνπο ηεο δψλεο ζζέλνπο θαη ηνπ θάησ κέξνπο ηεο δψλεο αγσγηκφηεηαο, είλαη δε ε ειάρηζηε ελέξγεηα πνπ απαηηείηαη γηα λα ειεπζεξσζεί έλα ειεθηξφλην, ζηαζεξή γηα θάζε πιηθφ, κεηξάηαη ζε κνλάδεο ev θαη ζηελ πεξίπησζε ηνπ ππξηηίνπ είλαη 1,1eV) δεκηνπξγνχλ δεχγε ειεθηξνλίσλ - νπψλ (ρήκα 1.7). ρήκα 1.7: Σν ειηαθφ θσο δεκηνπξγεί δεχγε ειεθηξνλίσλ - νπψλ, ελψ ην θξάγκα δπλακηθνχ ζηέιλεη ηα ειεθηξφληα ζην πιηθφ ηχπνπ-n θαη ηηο νπέο ζην πιηθφ ηχπνπ-p [3] Έζησ φηη έλα ηέηνην δεχγνο δεκηνπξγείηαη ζην πιηθφ ηχπνπ-p. Σν ειεθηξφλην ηνπ δεχγνπο έρεη έλα ζρεηηθά κηθξφ ρξνληθφ δηάζηεκα πνπ κπνξεί λα είλαη ειεχζεξν, δηφηη είλαη πνιχ πηζαλφ λα επαλαζπλδεζεί κε κία απφ ηηο πνιππιεζείο νπέο πνπ ππάξρνπλ ζην πιηθφ ηχπνπ-p. Σα ειηαθά θχηηαξα, εληνχηνηο, ζρεδηάδνληαη θαηά ηέηνην ηξφπν ψζηε ην ειεθηξφλην λα θζάζεη ζηελ πεξηνρή ηεο επαθήο πξηλ ηνπ δνζεί ε επθαηξία επαλαζχλδεζεο κε θάπνηα νπή, νπφηε θαη ζα απνδψζεη ηελ ελέξγεηά ηνπ ππφ κνξθή ζεξκφηεηαο, ρσξίο λα ζπκβάιιεη ζην θσηφξεπκα πνπ καο ελδηαθέξεη. Απφ ηε ζηηγκή πνπ ην ειεχζεξν ειεθηξφλην βξεζεί ζην πεδίν ηεο επαθήο, επηηαρχλεηαη απφ ην θξάγκα δπλακηθνχ πξνο ην πιηθφ ηχπνπ-n, φπνπ ππάξρνπλ ειάρηζηεο νπέο θαη δελ ππάξρεη κεγάινο θίλδπλνο επαλαζχλδεζεο, επηπιένλ δε, ππάξρεη κηθξή πηζαλφηεηα επηζηξνθήο ζην πιηθφ ηχπνπ-p δηφηη πξέπεη λα ππεξληθήζεη ην θξάγκα δπλακηθνχ. Απφ ηελ άιιε πιεπξά, ε νπή ηνπ δεχγνπο παξακέλεη ζην πιηθφ ηχπνπ-p, δηφηη απσζείηαη απφ ην θξάγκα ηεο επαθήο. Αλάινγα θαηλφκελα ζπκβαίλνπλ φηαλ ην θσο παξάγεη δεχγε ειεθηξνλίσλ - νπψλ ζην πιηθφ ηχπνπ-n

33 Κεθάλαιο 1 ο Ζ δηαδηθαζία απηή δηαρσξηζκνχ ησλ θνξηίσλ πνπ παξάγνληαη ζε έλα θσηηδφκελν ειηαθφ θχηηαξν, δεκηνπξγεί πιεφλαζκα αξλεηηθψλ θνξηίσλ ζην πιηθφ ηχπνπ-n θαη ζεηηθψλ θνξηίσλ ζην πιηθφ ηχπνπ-p. Έηζη, αλ ζπλδέζνπκε ηελ πιεπξά ηχπνπ-n κε ηελ πιεπξά ηχπνπ-p ηνπ θπηηάξνπ κέζσ ελφο εμσηεξηθνχ ειεθηξηθνχ θπθιψκαηνο, ζα έρνπκε ξνή ξεχκαηνο κέζσ ηνπ θπθιψκαηνο (ρήκα 1.8). Αξλεηηθά θνξηία ξένπλ απφ ην ειεθηξφδην πνπ βξίζθεηαη ζην πιηθφ ηχπνπ-n, κέζσ ηνπ θνξηίνπ (παξάγνληαο σθέιηκν έξγν ζε απηφ) ζην πιηθφ ηχπνπ-p, φπνπ επαλαζπλδένληαη κε νπέο θνληά ζην ειεθηξφδην. ρήκα 1.8: Ζιηαθφ θσο παξάγεη δεχγε ειεθηξνλίσλ-νπψλ, ην θξάγκα δπλακηθνχ δηαρσξίδεη ηνπο θνξείο ζηηο δχν απέλαληη πιεπξέο ηνπ θπηηάξνπ δεκηνπξγψληαο κία ηάζε, ε νπνία δεκηνπξγεί ξεχκα ζε έλα εμσηεξηθφ θχθισκα Ζ καζεκαηηθή αλάιπζε ησλ θπζηθψλ δηεξγαζηψλ πνπ αλαπηχρζεθαλ παξαπάλσ γηα ηελ πεξίπησζε θσηηδφκελνπ ειηαθνχ θπηηάξνπ, ζηεξίδεηαη ζηηο εμηζψζεηο (δελ παξνπζηάδνληαη εδψ) κε ηηο νπνίεο πξνθχπηεη θαη ε εμίζσζε κηαο δηφδνπ p-n. Ζ επεμεξγαζία ησλ εμηζψζεσλ απηψλ νδεγεί ηειηθά ζηε βαζηθή εμίζσζε ηνπ ειηαθνχ θπηηάξνπ [3]:

34 Κεθάλαιο 1 ο qv I I e K T -1 - I o (1.1) L φπνπ Η ν είλαη ην ξεχκα θφξνπ ηεο δηφδνπ θαη I L είλαη ην θσηφξεπκα (δειαδή ην ξεχκα πνπ παξάγεηαη ιφγσ ηνπ πξνζπίπηνληνο ειηαθνχ θσηφο επί ηνπ θπηηάξνπ). Ζ γξαθηθή παξάζηαζε ηεο παξαπάλσ εμίζσζεο (1.1) θαίλεηαη ζην ρήκα 1.9, ζην νπνίν παξαηεξνχκε φηη ε ραξαθηεξηζηηθή θακπχιε ζηελ πεξίπησζε πνπ ην θχηηαξν θσηίδεηαη, είλαη απιψο ε ραξαθηεξηζηηθή θακπχιε φηαλ ην θχηηαξν δελ θσηίδεηαη (ραξαθηεξηζηηθή θακπχιε δηφδνπ p-n), κεηαηνπηζκέλε πξνο ηα θάησ θαηά I L. Έηζη πξνθχπηεη κία θακπχιε ζην ηέηαξην ηεηαξηεκφξην, πνπ ζεκαίλεη παξαγσγή ηζρχνο. ρήκα 1.9: Υαξαθηεξηζηηθή θακπχιε δηφδνπ p-n φηαλ δελ θσηίδεηαη θαη φηαλ θσηίδεηαη (ειηαθφ θχηηαξν) [4] Ζιεθηξηθά ραξαθηεξηζηηθά ειηαθψλ θπηηάξσλ Ζ βαζηθή εμίζσζε (1.1) ηνπ ειηαθνχ θπηηάξνπ πνπ πξνέθπςε ζεσξεηηθά δελ αληηθαηνπηξίδεη, κε ηθαλνπνηεηηθή αθξίβεηα, ηελ πξαγκαηηθή I-V ραξαθηεξηζηηθή θακπχιε ελφο θπηηάξνπ ζε πξαγκαηηθνχο ζθνπνχο. Πεηξακαηηθέο παξαηεξήζεηο έρνπλ νδεγήζεη ζηε

35 Κεθάλαιο 1 ο βειηίσζε ηεο εμίζσζεο απηήο κε ηε ρξεζηκνπνίεζε ηξηψλ πξφζζεησλ παξακέηξσλ A, R S, R SH. Δπηπιένλ έρεη επηθξαηήζεη, γηα ιφγνπο θπθισκαηηθήο αλάιπζεο, ε αλαπαξάζηαζε ηεο I-V ραξαθηεξηζηηθήο ηνπ θπηηάξνπ λα γίλεηαη ζην πξψην ηεηαξηεκφξην (ρήκα 1.10). ρήκα 1.10: I-V ραξαθηεξηζηηθή ειηαθνχ θπηηάξνπ Οη δχν ηειεπηαίεο παξαηεξήζεηο νδεγνχλ ζηελ παξαθάησ εμίζσζε γηα ην ειηαθφ θχηηαξν [3]: q ( V I RS) V I R I IL Io exp 1 A K T RSH φπνπ, Η = ξεχκα ζηελ έμνδν ηνπ θπηηάξνπ, I L = θσηφξεπκα (ξεχκα πνπ παξάγεηαη ιφγσ ηνπ πξνζπίπηνληνο ειηαθνχ θσηφο επί ηνπ θπηηάξνπ), I o = ξεχκα θφξνπ ηεο δηφδνπ κε ηηκέο κεηαμχ 10-4 ~ Α, q = θνξηίν ειεθηξνλίνπ (1, Cb), V = ηάζε ζηελ έμνδν ηνπ θπηηάξνπ, R S = ζε ζεηξά αληίζηαζε ηνπ θπηηάξνπ. Παξηζηάλεη ζε ζπγθεληξσκέλε κνξθή φια ηα θαηαλεκεκέλα ζηνηρεία αληίζηαζεο θαηά ηε ξνή ησλ θνξέσλ ζηνλ θπξίσο εκηαγσγφ, ηελ επηθαλεηαθή ξνή ζηνλ εκηαγσγφ (ζπλήζσο ηχπνπ-n) πνπ βξίζθεηαη ζηελ πιεπξά πνπ πξνζπίπηεη ην θσο θαη απνηειείηαη απφ πνιχ ιεπηφ ζηξψκα, ηελ ελδνεπηθάλεηα κεηαμχ εκηαγσγνχ - σκηθήο επαθήο θαη ηελ σκηθή επαθή. Ζ αληίζηαζε R S είλαη ζπλήζσο κηθξφηεξε απφ 1Ω, S (1.2)

36 Κεθάλαιο 1 ο V+I R S = V D = ηάζε ηεο δηφδνπ επαθήο κέζα ζην θχηηαξν, Α = ζηαζεξά κε ηηκέο κεηαμχ 1 θαη 2. Οθείιεηαη ζε θαηλφκελα επαλαζχλδεζεο πνπ ζπκβαίλνπλ ζηελ πεξηνρή ηεο επαθήο θαη ηα νπνία θαηά ηελ παξαγσγή ηεο ζεσξεηηθήο εμίζσζεο παξαιήθζεθαλ, δηφηη ην εχξνο W ηεο πεξηνρήο απηήο ζεσξήζεθε ακειεηέν, K = ζηαζεξά Boltzmann (= 1, J/K), T = απφιπηε ζεξκνθξαζία ηνπ θπηηάξνπ ζε βαζκνχο Kelvin (0 o C = 273 o Kelvin), R SH = παξάιιειε αληίζηαζε. Οθείιεηαη ζε δηαξξνέο ησλ θνξέσλ πνπ ζπκβαίλνπλ είηε ζηελ επαθή p-n (επαλαζχλδεζε), είηε ζηελ εμσηεξηθή παξάπιεπξε επηθάλεηα ηνπ θπηηάξνπ (επηθαλεηαθή δηαξξνή), είηε ζε άιιεο αλσκαιίεο ηνπ θξπζηάιινπ θαη δελ είλαη νκνηφκνξθα θαηαλεκεκέλεο ζε φιε ηελ επηθάλεηα ηνπ θπηηάξνπ, νχηε κεηαμχ δχν φκνησλ θπηηάξσλ. Ζ αληίζηαζε R SH είλαη ζπλήζσο ηεο ηάμεο ησλ kω. Ζ εμίζσζε (1.2) απνηειεί ην κνληέιν ηνπ ειηαθνχ θπηηάξνπ, ην νπνίν ππφ κνξθή ηζνδχλακνπ θπθιψκαηνο θαίλεηαη ζην ρήκα ρήκα 1.11: Ηζνδχλακν θχθισκα ειηαθνχ θπηηάξνπ [4] Ζ γξαθηθή παξάζηαζε κεηαμχ ξεχκαηνο ζηελ έμνδν (I) θαη ηάζεσο ζηελ έμνδν (V) ελφο ειηαθνχ θπηηάξνπ θαιείηαη I-V ραξαθηεξηζηηθή θαη έρεη επηθξαηήζεη λα παξηζηάλεηαη ζην πξψην ηεηαξηεκφξην. Οη βαζηθέο παξάκεηξνη πνπ ηε ραξαθηεξίδνπλ είλαη νη αθφινπζεο: Σν πεύμα βπασςκςκλώζευρ I SC, πνπ είλαη ην ξεχκα γηα V = 0 θαη, αλ ζεσξήζνπκε ηελ R S πνιχ κηθξή, είλαη ίζν κε ην θσηφξεπκα I L

37 Κεθάλαιο 1 ο Ζ ηάζη ανοικηού κςκλώμαηορ V OC, πνπ είλαη ε ηάζε γηα I = 0 θαη, αλ ζεσξήζνπκε ηελ R SH πνιχ κεγάιε, απφ ηελ (1.2) πξνθχπηεη: V OC AK T I L ln +1 q Io (1.3) Σν ζημείο μέγιζηηρ ιζσύορ εξόδος P mp, ζην νπνίν αληηζηνηρεί ξεχκα I mp θαη ηάζε V mp θαη βξίζθεηαη ζην ζεκείν απφ ην νπνίν κπνξνχκε λα θαηαζθεπάζνπκε ην νξζνγψλην κε ηε κεγαιχηεξε επηθάλεηα κέζα ζηελ I-V θακπχιε. Μία επζεία πνπ δηέξρεηαη απφ ηελ αξρή ησλ αμφλσλ θαη ην ζεκείν P mp, παξηζηάλεη ηε βέιηηζηε αληίζηαζε θνξηίνπ R L,opt, πνπ έρεη θιίζε 1 / R L,opt = I mp / V mp. Δπίζεο, ε I-V ραξαθηεξηζηηθή είλαη εθαπηφκελε ζε θάπνηα θακπχιε ζηαζεξήο ηζρχνο ζην ζεκείν κέγηζηεο ηζρχνο, φπνπ dp/dv = 0. Δπεηδή ην ζεκείν επαθήο δελ κπνξεί λα θαζνξηζηεί επαθξηβψο γηα θακπχιεο πνπ θαηαζθεπάδνληαη βάζεη πεηξακαηηθψλ δεδνκέλσλ, είλαη δπλαηφλ λα θαηαζθεπαζηεί κία P-V θακπχιε (ρήκα 1.12) θαη λα εληνπηζηεί ην κέγηζην απηήο. ρήκα 1.12: I-V θαη P-V ραξαθηεξηζηηθή ειηαθνχ θπηηάξνπ [4] Ο ζςνηελεζηήρ πληπώζευρ FF (Fill Factor), πνπ νξίδεηαη απφ ηε ζρέζε: FF V I = V I mp mp oc sc (1.4)

38 Κεθάλαιο 1 ο θαη είλαη έλα κέηξν ηνπ πφζν «ηεηξάγσλε» είλαη ε I-V θακπχιε. Σππηθέο ηηκέο βξίζθνληαη κεηαμχ 0,7 θαη 0,85. ην ζεκείν απηφ, πξέπεη λα ηνληζζεί φηη ε I-V θακπχιε εμαξηάηαη ηφζν απφ ηελ έληαζε ηεο πξνζπίπηνπζαο αθηηλνβνιίαο (W/m 2 ), φζν θαη απφ ηε ζεξκνθξαζία ( o C). Ένηαζη ακηινοβολίαρ: Όηαλ κεηαβάιιεηαη ε έληαζε ηεο πξνζπίπηνπζαο αθηηλνβνιίαο (δηαηεξψληαο ζηαζεξά ηε ζεξκνθξαζία ηνπ θπηηάξνπ θαη ηε θαζκαηηθή θαηαλνκή ηεο αθηηλνβνιίαο), κεηαβάιιεηαη θαη ε I-V ραξαθηεξηζηηθή ηνπ θπηηάξνπ (ρήκα 1.13) θαη κάιηζηα ε απφθξηζε είλαη πνιχ γξήγνξε (ζηαζεξά ρξφλνπ ηεο ηάμεσο ησλ κs). Γηα ηνπο πεξηζζφηεξνπο ηχπνπο ειηαθψλ θπηηάξσλ, ην ξεχκα I SC πξαθηηθά κεηαβάιιεηαη αλαινγηθά κε ηελ έληαζε ηεο αθηηλνβνιίαο, ε ηάζε V OC κεηαβάιιεηαη ιηγφηεξν (ινγαξηζκηθή εμάξηεζε), ελψ ε αληίζηαζε R S παξακέλεη ζρεδφλ ζηαζεξή. ρήκα 1.13: Σππηθέο I-V ραξαθηεξηζηηθέο γηα δηαθνξεηηθέο ηηκέο ηεο έληαζεο ηεο πξνζπίπηνπζαο αθηηλνβνιίαο Θεπμοκπαζία: Όηαλ κεηαβάιιεηαη ε ζεξκνθξαζία ηνπ θπηηάξνπ πξνθαινχληαη νη παξαθάησ κεηαβνιέο ζηηο παξακέηξνπο ηεο I-V ραξαθηεξηζηηθήο (ρήκα 1.14)

39 Κεθάλαιο 1 ο ρήκα 1.14: Σππηθέο κεηαβνιέο ηεο I-V ραξαθηεξηζηηθήο κε ηε ζεξκνθξαζία Με αχμεζε ηεο ζεξκνθξαζίαο ιεηηνπξγίαο ηνπ θπηηάξνπ: α) ην ξεχκα I SC απμάλεηαη ειαθξά (εμαξηάηαη βέβαηα θαη απφ ηελ έληαζε ηεο αθηηλνβνιίαο). Απηφ νθείιεηαη ζε κεηαβνιή ηεο δπλαηφηεηαο ζπιινγήο θνξέσλ, αθνχ θαη ην ελεξγεηαθφ ράζκα κεηψλεηαη κε αχμεζε ηεο ζεξκνθξαζίαο. Σππηθέο ηηκέο: di SC / dt = 0,01 [ma cm -2 / o C] ή 0,1 % / o C β) Ζ ηάζε V OC κεηψλεηαη, γεγνλφο ην νπνίν νθείιεηαη ζε κεηαβνιή ησλ ραξαθηεξηζηηθψλ αγσγήο ηεο δηφδνπ. Σππηθέο ηηκέο: dv OC / dt = -2,2 [mv / o C] ή -0,4 % / o C γ) Ζ ηζρχο P mp κεηψλεηαη, ελψ κεηαβάιιεηαη θαη ε κνξθή ηεο θακπχιεο (ην «γφλαην» ηεο θακπχιεο γίλεηαη πην ζηξνγγπιεκέλν κε αχμεζε ηεο ζεξκνθξαζίαο). Σππηθέο ηηκέο: dp mp / dt = -0,4 έσο -0,5 % / o C ην ρήκα 1.15 απεηθνλίδεηαη ζπλνπηηθά ε εμάξηεζε ηεο ηάζεο αλνηθηνχ θπθιψκαηνο V OC θαη ηνπ ξεχκαηνο βξαρπθχθισζεο I SC ελφο ειηαθνχ θπηηάξνπ απφ ηελ έληαζε ηεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο

40 Κεθάλαιο 1 ο ρήκα 1.15: Σάζε αλνηθηνχ θπθιψκαηνο V OC θαη ξεχκαηνο βξαρπθχθισζεο I SC ελφο ειηαθνχ θπηηάξνπ ζπλαξηήζεη ηεο έληαζεο ηεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο [4] Καηφπηλ ησλ αλσηέξσ, έλα ειηαθφ θχηηαξν ζπλεζίδεηαη λα ραξαθηεξίδεηαη απφ ηελ ηζρχ εμφδνπ ηνπ ζε κία πξνθαζνξηζκέλε ζεξκνθξαζία (ζπλήζσο 25 o C ή 28 o C), ζπγθεθξηκέλε έληαζε ειηαθήο αθηηλνβνιίαο (1000W/m 2 ) θαη αέξηα κάδα 1,5 (ε αέξηα κάδα αλαθέξεηαη ζην πάρνο ηεο αηκφζθαηξαο ην νπνίν δηαπεξλά ην ειηαθφ θσο θαη απνηειεί έλαλ ζεκαληηθφ δείθηε ησλ ραξαθηεξηζηηθψλ ηνπ δηαζέζηκνπ θσηφο, δηφηη νη ειηαθέο θπςέιεο αμηνπνηνχλ ηελ ειηαθή αθηηλνβνιία ζε ζπγθεθξηκέλα κήθε θχκαηνο). Ζ παξαπάλσ ηζρχο είλαη γλσζηή σο «ηζρχο αηρκήο» (Peak power) θαη νη ηηκέο ησλ ζπλζεθψλ πνπ κφιηο αλαθέξζεθαλ νλνκάδνληαη Πξφηππεο πλζήθεο Γνθηκψλ (Standard Test Conditions, S.T.C.). πλεπψο, ην κέγεζνο κηαο θσηνβνιηατθήο γελλήηξηαο ζπλήζσο ραξαθηεξίδεηαη απφ ηα Watt αηρκήο (W p, Watt peak) πνπ κπνξεί απηή λα παξάγεη Καηαζθεπαζηηθά ραξαθηεξηζηηθά ειηαθψλ θπηηάξσλ Σα θσηνβνιηατθά (Φ/Β) θχηηαξα θαηαζθεπάδνληαη απφ δηάθνξα εκηαγψγηκα πιηθά, µε δεκνθηιέζηεξν ην ππξίηην (Si) ιφγσ ηεο εμειηγκέλεο ηερλνινγίαο πνπ ην ζπλνδεχεη, ηεο αμηνπηζηίαο ηνπ θαζψο θαη ηεο πςειήο ηνπ απφδνζεο. Σα θχηηαξα ππξηηίνπ δηαρσξίδνληαη ζε ηξεηο κεγάιεο θαηεγνξίεο: κνλνθξπζηαιιηθά (mono c - Si), πνιπθξπζηαιιηθά (poly c - Si)

41 Κεθάλαιο 1 ο θαη άµνξθα (a - Si) [5]. Σα κνλνθξπζηαιιηθά θχηηαξα ππξηηίνπ δηαζέηνπλ έλα θξπζηαιιηθφ πιέγκα ην νπνίν πιεζηάδεη ηε κνξθή ηνπ ηέιεηνπ θξπζηάιινπ (δελ παξνπζηάδεη αηαμίεο δνκήο). Καηαζθεπάδνληαη απφ θαζαξφ ππξίηην µε εηδηθέο κεζφδνπο ηήμεο θαη κνξθνπνίεζήο ηνπ ζε ιεπηέο πιάθεο. Παξνπζηάδνπλ ηνλ κέγηζην βαζκφ απφδνζεο απφ ηηο ηξεηο πξναλαθεξζείζεο θαηεγνξίεο, ν νπνίνο θηάλεη ζπλήζσο ην 15 µε 18% [5]. Σε δεχηεξε θαηεγνξία θσηνβνιηατθψλ θπηηάξσλ απνηεινχλ ηα πνιπθξπζηαιιηθά θχηηαξα ππξηηίνπ. Ζ δηαθνξά µε ηελ πξνεγνχκελε θαηεγνξία έγθεηηαη ζηνλ ηξφπν θαηαζθεπήο ησλ θπηηάξσλ, θαζψο εδψ παξαηεξείηαη καδηθή θαη ιηγφηεξν ειεγρφκελε ςχμε ηνπ ππξηηίνπ, µε απνηέιεζκα ην ηειηθφ πιέγκα λα παξνπζηάδεη θξπζηάιινπο δηαθφξσλ πξνζαλαηνιηζκψλ. Ζ χπαξμε ηέηνησλ θξπζηάιισλ νδεγεί ζηελ αχμεζε ηεο εζσηεξηθήο αληίζηαζεο ζηα ζεκεία ζχλδεζήο ηνπο, γεγνλφο ην νπνίν κεηψλεη ηνλ βαζκφ απφδνζεο ησλ θπηηάξσλ απηψλ, ζπγθξηηηθά µε ηνλ βαζκφ απφδνζεο ησλ θπηηάξσλ ηεο πξνεγνχκελεο θαηεγνξίαο. Δδψ, ε πςειφηεξε ηηκή πνπ κπνξεί λα θζάζεη ν βαζκφο απφδνζεο είλαη πεξίπνπ 13 κε 15% [5]. Ωζηφζν, ην πιενλέθηεκα απηνχ ηνπ ηξφπνπ θαηαζθεπήο είλαη ην ρακειφ θφζηνο παξαγσγήο, θαζψο δελ απαηηνχληαη, φπσο πξηλ, εηδηθέο κέζνδνη ςχμεο θαη θνπήο ηνπ εκηαγψγηκνπ ζηνηρείνπ. Σέινο, ηα θχηηαξα ππξηηίνπ πνπ παξνπζηάδνπλ κεγάιε αηαμία ζηελ θξπζηαιιηθή ηνπο δνκή είλαη ηα ιεγφκελα άµνξθα θχηηαξα. Ζ δηαδηθαζία παξαγσγήο ζηελ πεξίπησζε απηή είλαη πην απιή θαη πην γξήγνξε, θαζψο πξαγκαηνπνηείηαη εθαξκνγή ηνπ ππξηηίνπ ζε εηδηθφ ππφζηξσκα γπαιηνχ. Δπηπιένλ, ε πνζφηεηα εκηαγψγηκνπ ζηνηρείνπ πνπ απαηηείηαη γηα ηελ παξαγσγή απηνχ ηνπ ηχπνπ ησλ θπηηάξσλ, είλαη αξθεηά κηθξφηεξε ζπγθξηηηθά µε ηηο άιιεο δχν πεξηπηψζεηο, ελψ ε επθνιία ζηελ εγθαηάζηαζε θαη ηε ζπλαξκνιφγεζή ηνπο, ηα θαζηζηνχλ ηθαλά γηα καδηθή παξαγσγή. Ο βαζκφο απφδνζεο ησλ άκνξθσλ θπηηάξσλ θζάλεη κφιηο ην 5 µε 8% [5], βαζκφο πνπ δελ ζπλεζίδεηαη ηφζν ζηα θσηνβνιηατθά θχηηαξα, σζηφζν ζπλαληάηαη πεξηζζφηεξν ζε ηερλνινγίεο πβξηδηθψλ θσηνβνιηατθψλ πιαηζίσλ, θαζψο θαη ζε θσηνβνιηατθέο γελλήηξηεο ιεπηψλ πκελίσλ (Thin films). Σα ειηαθά θχηηαξα θαηαζθεπάδνληαη ζπλήζσο ζε ζρήκα ηεηξαγσληθφ, νξζνγσληθφ εμαγσληθφ, θπθιηθφ θαη εκηθπθιηθφ. Όζνλ αθνξά ην πάρνο ησλ ειηαθψλ θπηηάξσλ, βξίζθεηαη ζηελ πεξηνρή ησλ κm θαη ε ηάζε είλαη λα πεξηνξηζζεί ζε φζν ην δπλαηφλ κηθξφηεξεο ηηκέο, αλάινγα βέβαηα κε ην πιηθφ. Σέινο, κία ηδηφηεηα ηνπ πιηθνχ κε ηδηαίηεξν ελδηαθέξνλ

42 Κεθάλαιο 1 ο είλαη ε εηδηθή αληίζηαζε ηνπ θπξίσο πιηθνχ ηνπ θπηηάξνπ (κε ηηκέο 0,1-10 Ω cm). Γεληθά, θχηηαξα κε κηθξφηεξε εηδηθή αληίζηαζε ηνπ πιηθνχ, παξνπζηάδνπλ κεγαιχηεξε απφδνζε. 1.3 Φυηοβοληαφκά πλαίζια Ζ ηζρχο ζηελ έμνδν ελφο ειηαθνχ θπηηάξνπ, αθφκα θαη ππφ ηηο θαιχηεξεο ζπλζήθεο, είλαη ζρεηηθά κηθξή (P = V I 0,5V 1A = 0,5W πεξίπνπ). Καηά ζπλέπεηα, γηα λα ηθαλνπνηήζνπκε ηηο ελεξγεηαθέο αλάγθεο ζε θάπνηα εθαξκνγή πνπ ζπλήζσο είλαη πνιχ κεγαιχηεξεο, απαηηείηαη λα ρξεζηκνπνηεζεί έλαο αξηζκφο ειηαθψλ θπηηάξσλ, ηα νπνία ζπλδεδεκέλα θαηάιιεια ζε ζεηξά ή / θαη παξάιιεια ζα δψζνπλ ηελ απαηηνχκελε ειεθηξηθή ηζρχ (ηάζε θαη ξεχκα). Τπάξρνπλ δηάθνξα θαηαζθεπαζηηθά ζηάδηα νκαδνπνίεζεο ειηαθψλ θπηηάξσλ (ρήκα 1.16). Σε κηθξφηεξε δνκηθή κνλάδα ειηαθψλ θπηηάξσλ απνηειεί ην πιαίζην (Module), ην νπνίν είλαη έλα ζχλνιν θπηηάξσλ, ειεθηξηθψλ ζπλδέζεσλ θ.ιπ. θαηάιιεια ζπζθεπαζκέλσλ ψζηε λα πξνζηαηεχνληαη απφ ην πεξηβάιινλ, πνπ δίλεη θάπνηα DC ηζρχ, φηαλ πξνζπίπηεη ειηαθφ θσο. Σα ειηαθά θχηηαξα θαιχπηνληαη κε αληηαλαθιαζηηθά επηζηξψκαηα (Antireflective coatings) πξνθεηκέλνπ λα κεησζεί ην πνζνζηφ ηεο αλαθιψκελεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο, ελψ ηα πιαίζηα θιείλνληαη εξκεηηθά κε θαηάιιεια δηαθαλή θαιχκκαηα (γπάιηλα ή πιαζηηθά) κε ζθνπφ: α) λα πξνζηαηεπζνχλ ηα θχηηαξα θαη νη κεηαιιηθέο επαθέο απφ ηηο επηδξάζεηο ηνπ πεξηβάιινληνο (π.ρ. πγξαζία θ.ιπ.), β) λα απμεζεί ην πνζνζηφ ηεο αθηηλνβνιίαο πνπ θζάλεη ζηελ ελεξγφ επηθάλεηα ηνπ θπηηάξνπ θαη γ) λα βνεζήζνπλ ζηελ απνκάθξπλζε ηεο ζεξκφηεηαο απφ ηα θχηηαξα γηα λα κεηψζνπλ ηε ζεξκνθξαζία ιεηηνπξγίαο, ψζηε λα απμεζεί ε απφδνζε. Αθνινπζεί ην Panel, πνπ είλαη έλα ζχλνιν απφ δχν ή πεξηζζφηεξα πιαίζηα ζπλδεδεκέλα κεηαμχ ηνπο ηφζν απφ κεραληθή φζν θαη απφ ειεθηξηθή άπνςε, πνπ δίλνπλ κία κνλάδα έηνηκε γηα εγθαηάζηαζε. Σέινο, ε ζπζηνηρία (Array) είλαη έλα κεραληθά νινθιεξσκέλν ζχλνιν απφ Panels καδί κε ηελ θαηαζθεπή ζηήξημεο θαη φ,ηη άιιν είλαη απαξαίηεην γηα λα απνηειέζεη κία αλεμάξηεηε κνλάδα θσηνβνιηατθήο παξαγσγήο ηζρχνο. Πξνθαλψο, ε κέγηζηε ηάζε εμφδνπ ελφο θσηνβνιηατθνχ πιαηζίνπ θαζνξίδεηαη απφ ηνλ αξηζκφ ησλ ελ ζεηξά ζπλδεδεκέλσλ ειηαθψλ ζηνηρείσλ, ελψ ην κέγηζην ξεχκα εμφδνπ πξνζδηνξίδεηαη απφ ηνλ αξηζκφ ησλ θπηηάξσλ (ή ησλ ελ ζεηξά ζπλδεδεκέλσλ νκάδσλ θπηηάξσλ) πνπ ζπλδένληαη παξάιιεια [3]

43 Κεθάλαιο 1 ο ρήκα 1.16: Ζιηαθφ θχηηαξν, πιαίζην, panel θαη ζπζηνηρία ειηαθψλ θπηηάξσλ [3] Δίλαη γλσζηφ, φηη ππφ ηδαληθέο ζπλζήθεο δχν ή πεξηζζφηεξεο ίδηεο πεγέο ηάζεο ζε ζεηξά πξνζηίζεληαη, ελψ δχν ή πεξηζζφηεξεο πεγέο ξεχκαηνο παξάιιεια πξνζηίζεληαη. πλεπψο, κφλν γηα ειηαθά θχηηαξα κε αθξηβψο ίδηα ραξαθηεξηζηηθά, ε κέγηζηε ηζρχο πνπ παίξλνπκε απφ κία ζπζηνηρία θπηηάξσλ ζα ηζνχηαη κε ην άζξνηζκα ησλ κεγίζησλ ηζρχσλ, πνπ παίξλνπκε ρσξηζηά απφ θάζε θχηηαξν ηεο ζπζηνηρίαο. Καηά ζπλέπεηα, ε I-V ραξαθηεξηζηηθή ελφο ζπλφινπ ίδησλ θπηηάξσλ ζπλδεδεκέλσλ ζε ζεηξά ή / θαη παξάιιεια, πξνθχπηεη εχθνια κε αληίζηνηρν ζπλδπαζκφ ησλ ραξαθηεξηζηηθψλ ησλ επηκέξνπο θπηηάξσλ, φπσο θαίλεηαη ζην ρήκα Δπνκέλσο, αλ ε ειεθηξηθή ζπκπεξηθνξά φισλ ησλ θπηηάξσλ κηαο ζπζηνηρίαο ήηαλ αθξηβψο ε ίδηα, αθελφο νη ππνινγηζκνί ζα ήηαλ ζρεηηθά εχθνινη κε «ραξηί θαη κνιχβη», αθεηέξνπ δε, δελ ζα είρε θαη πνιχ κεγάιε ζεκαζία ν ηξφπνο ησλ παξάιιεισλ θαη ζεηξηαθψλ ζπλδπαζκψλ γηα ηελ επίηεπμε ηεο επηζπκεηήο ηζρχνο ζηελ έμνδν. Γπζηπρψο φκσο, ζηελ πξάμε ε θαηάζηαζε δελ είλαη ηφζν απιή, δηφηη γηα δηάθνξεο αηηίεο (θαηαζθεπαζηηθνί ιφγνη, κεξηθή ή νιηθή ζθίαζε θ.ά.) ηα θχηηαξα κηαο ζπζηνηρίαο δελ έρνπλ ηα ίδηα αθξηβψο ραξαθηεξηζηηθά, αιιά παξνπζηάδνπλ κία ζηαηηζηηθή θαηαλνκή ησλ παξακέηξσλ ηνπο

44 Κεθάλαιο 1 ο ρήκα 1.17: I-V ραξαθηεξηζηηθή νκνίσλ θπηηάξσλ ζπλδεδεκέλσλ ζε ζεηξά θαη παξάιιεια [4] Απνηειέζκαηα ηνπ γεγνλφηνο απηνχ, είλαη νη απψιεηεο ηζρχνο ζηελ έμνδν ηνπ θσηνβνιηατθνχ πιαηζίνπ, θαζψο θαη ην θαηλφκελν Hot - spot [3, 4], θαηλφκελν ην νπνίν νθείιεηαη ζε αλάζηξνθε πφισζε ελφο ή πεξηζζνηέξσλ θπηηάξσλ θαη ζπλεπάγεηαη ππεξζέξκαλζή ηνπο, πνπ πνιιέο θνξέο κπνξεί λα είλαη θαηαζηξνθηθή. Μέζνδνη ζεξαπείαο γηα ηα πξνβιήκαηα πνπ κφιηο αλαθέξζεθαλ, απνηεινχλ νη πιενλάδνπζεο ζπλδέζεηο κεηαμχ ησλ ειηαθψλ θπηηάξσλ (παξάιιεια ή / θαη ζε ζεηξά) κηαο ζπζηνηρίαο, θαζψο θαη νη δίνδνη παξάθακςεο (Bypass diodes). Οη δίνδνη παξάθακςεο ζπλδένληαη παξάιιεια ζε ειηαθά θχηηαξα ή ζε Blocks απφ ειηαθά θχηηαξα ή ζε αιπζίδεο απφ Blocks, έηζη ψζηε φηαλ ηα θχηηαξα θσηίδνληαη νη δίνδνη είλαη αλάζηξνθα πνισκέλεο. Ωζηφζν, φηαλ θάπνηα θχηηαξα ζθηάδνληαη ή γεληθφηεξα γηα νπνηνδήπνηε ιφγν αλνηρηνθπθιψλνληαη, ηα κελ θχηηαξα πνιψλνληαη αλάζηξνθα, νη δε δίνδνη παξάθακςεο απηφκαηα πνιψλνληαη νξζά, κε απνηέιεζκα λα επηηξέπνπλ ηε ξνή ξεχκαηνο απφ ηα ππφινηπα θσηηδφκελα θχηηαξα ζηνπο δπγνχο (ρήκα 1.18)

45 Κεθάλαιο 1 ο ρήκα 1.18: Αιπζίδα κε ζθηαζκέλα θχηηαξα θαη δηφδνπο παξάθακςεο [4] ην ζεκείν απηφ αμίδεη λα αλαθέξνπκε φηη ζηελ πεξίπησζε ελφο θσηνβνιηατθνχ (Φ/Β) πιαηζίνπ (αλ ζεσξήζνπκε φηη απαξηίδεηαη απφ N s ίδηα ειηαθά θχηηαξα ζε ζεηξά θαη N p ίδηεο αιπζίδεο παξάιιεια), ε εμίζσζε (1.2) κεηαζρεκαηίδεηαη ζηελ αθφινπζε κνξθή [2]: N s N s Ns V N p I RS Ns V N p I RS N p N p N p I N p I L N p Io exp 1 (1.5) K T Ns A N s RSH q N p φπνπ N p Η θαη N s V είλαη ην ξεχκα θαη ε ηάζε ζηελ έμνδν ηνπ Φ/Β πιαηζίνπ αληίζηνηρα, N p I L ην ζπλνιηθφ ηζνδχλακν θσηφξεπκα ηνπ Φ/Β πιαηζίνπ, N p Η o ην ζπλνιηθφ ηζνδχλακν ξεχκα θφξνπ ηεο δηφδνπ, (N s /N p ) R S θαη (N s /N p ) R SH ε ηζνδχλακε ελ ζεηξά θαη παξάιιειε αληίζηαζε ηνπ καζεκαηηθνχ κνληέινπ ηνπ Φ/Β πιαηζίνπ αληίζηνηρα. Σέινο, ζην ρήκα 1.19 θαίλεηαη ην ηζνδχλακν θχθισκα ελφο Φ/Β πιαηζίνπ

46 Κεθάλαιο 1 ο ρήκα 1.19: Ηζνδχλακν θχθισκα ελφο θσηνβνιηατθνχ πιαηζίνπ [2] 1.4 Ηλεκηπονικοί μεηαηποπείρ για θυηοβοληαφκά πλαίζια Ζ ειεθηξηθή ελέξγεηα πνπ παξάγεηαη απφ ηα θσηνβνιηατθά πιαίζηα, παξέρεηαη ππφ ηε κνξθή ζπλερνχο ηάζεο θαη ξεχκαηνο. Γηα λα θαηαζηεί ινηπφλ εθηθηή ε ηξνθνδφηεζε ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ ελαιιαζζνκέλνπ ξεχκαηνο (Δ.Ρ.) κε ηελ ελέξγεηα πνπ παξάγεηαη απφ ηηο θσηνγελλήηξηεο, απαηηείηαη ε δηακεζνιάβεζε θαηάιιεισλ ειεθηξνληθψλ δηαηάμεσλ, ησλ αληηζηξνθέσλ. Πξφθεηηαη νπζηαζηηθά γηα ζηαηηθνχο (ρσξίο θηλνχκελα κέξε) κεηαηξνπείο ηζρχνο (Static Power Converters) νη νπνίνη εκπεξηέρνπλ ελζσκαησκέλα ζπζηήκαηα ειέγρνπ, πξνζηαζίαο θαη θηιηξαξίζκαηνο ηνπ ξεχκαηνο εηζφδνπ θαη εμφδνπ ηνπο [2, 6]. Ζ πξνζαξκνγή ηεο παξαγφκελεο ειεθηξηθήο ελέξγεηαο ζηα επηζπκεηά ραξαθηεξηζηηθά ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ Δ.Ρ. είλαη δπλαηφλ λα πξαγκαηνπνηείηαη ζε έλα ή πεξηζζφηεξα ελ ζεηξά ζπλδεδεκέλα ζηάδηα επεμεξγαζίαο ηεο ειεθηξηθήο ηζρχνο. Γη απηφλ ηνλ ιφγν, έρεη επηθξαηήζεη απηέο νη ειεθηξνληθέο δηαηάμεηο λα νλνκάδνληαη ζην ζχλνιφ ηνπο ειεθηξνληθνί κεηαηξνπείο θαη ην ηκήκα ηνπο πνπ αλαιακβάλεη ηε δηαζχλδεζε κε ην ειεθηξηθφ δίθηπν θαη κεηαηξέπεη ηε ζπλερή ηάζε ζε ελαιιαζζφκελε λα νλνκάδεηαη αληηζηξνθέαο (Inverter). Να ζεκεησζεί ζην ζεκείν απηφ, πσο ηκήκαηα ησλ θεθαιαίσλ πνπ αθνινπζνχλ, βαζίδνληαη ζηε Γηδαθηνξηθή Γηαηξηβή ηνπ Αλαζηάζηνπ Υ. Κπξίηζε, «Βέιηηζηνο ρεδηαζκφο Τςίζπρλνπ Μνλνθαζηθνχ Αληηζηξνθέα γηα ηε Γηαζχλδεζε Φσηνβνιηατθψλ πζηεκάησλ Μηθξήο Ηζρχνο κε ην Γίθηπν Υακειήο Σάζεο», Παλεπηζηήκην Παηξψλ, Σκήκα Ζιεθηξνιφγσλ Μεραληθψλ θαη Σερλνινγίαο Τπνινγηζηψλ, Ηαλνπάξηνο Ωζηφζν, αλαπαξάγνληαη ζην θείκελν απηφ γηα ιφγνπο πιεξφηεηαο θαη απηνλνκίαο, θαζψο θαη δηεπθφιπλζεο ηνπ αλαγλψζηε

47 Κεθάλαιο 1 ο Ζ πξνζαξκνγή ηεο παξαγφκελεο, απφ ηα Φ/Β πιαίζηα, ειεθηξηθήο ελέξγεηαο ζηα επηζπκεηά ραξαθηεξηζηηθά ηνπ δηθηχνπ Δ.Ρ., είλαη δπλαηφλ λα πξαγκαηνπνηεζεί κε πνιιέο δηαθνξεηηθέο ηνπνινγίεο κεηαηξνπέσλ. Παξφια απηά, νη κεηαηξνπείο απηνί είλαη δπλαηφλ λα νκαδνπνηεζνχλ βάζεη νξηζκέλσλ θνηλψλ ραξαθηεξηζηηθψλ ηνπο, φπσο ν αξηζκφο ησλ ελ ζεηξά ζπλδεδεκέλσλ βαζκίδσλ (ρήκα 1.20), ε χπαξμε κεηαζρεκαηηζηή απνκφλσζεο (ρακειφζπρλνπ ή πςίζπρλνπ) θαη ε κέζνδνο ειέγρνπ ηεο βαζκίδαο αληηζηξνθήο (αληηζηξνθέαο ξεχκαηνο ή αληηζηξνθέαο ηάζεο). Να ζεκεησζεί, φηη ε ρξεζηκνπνίεζε κεηαζρεκαηηζηή πξνζθέξεη νξηζκέλα βαζηθά πιενλεθηήκαηα, φπσο ε γαιβαληθή απνκφλσζε ηνπ Φ/Β εμνπιηζκνχ απφ ην δίθηπν Δ.Ρ. θαη ε δπλαηφηεηα απνδνηηθήο αλχςσζεο ηεο ρακειήο ηάζεο εμφδνπ ησλ θσηνγελλεηξηψλ, ρσξίο ηδηαίηεξα πνιχπινθεο θπθισκαηηθέο ηνπνινγίεο. Αθφκε, κνινλφηη ε αχμεζε ησλ ελ ζεηξά ζπλδεδεκέλσλ βαζκίδσλ επηδξά αξλεηηθά ζηε ζπλνιηθή απφδνζε ελφο κεηαηξνπέα, απφ ηελ άιιε πιεπξά επελεξγεί επεξγεηηθά ζηελ εμάιεηςε ηεο ρακειφζπρλεο θπκάησζεο ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ ησλ θσηνγελλεηξηψλ πνπ είλαη απνηέιεζκα ηεο κεηαηξνπήο ηεο ζπλερνχο ηάζεο απηψλ ζε κνλνθαζηθή ελαιιαζζφκελε. Όπσο φιεο νη ειεθηξηθέο εγθαηαζηάζεηο παξαγσγήο ή θαηαλάισζεο ειεθηξηθήο ελέξγεηαο, πνπ ζπλδένληαη ζην δίθηπν Δ.Ρ., έηζη θαη νη ειεθηξνληθνί κεηαηξνπείο ησλ Φ/Β πιαηζίσλ Δ.Ρ. νθείινπλ λα ππφθεηληαη ζηηο πξνδηαγξαθέο πνπ νξίδνληαη απφ ηνπο θαλνληζκνχο θαη ηα πξφηππα πνπ έρνπλ ζεζπηζηεί ή πηνζεηεζεί απφ ηνπο Γηαρεηξηζηέο ησλ πζηεκάησλ Ζιεθηξηθήο Δλέξγεηαο θαη Γηθηχσλ. πγθεθξηκέλα, ε ζχλδεζε κηθξψλ δηεζπαξκέλσλ κνλάδσλ παξαγσγήο ειεθηξηθήο ελέξγεηαο ζην δίθηπν Υακειήο Σάζεο (Υ.Σ.), ζεσξείηαη απνδεθηή φηαλ ε ελέξγεηα πνπ παξέρεηαη ζην ειεθηξηθφ δίθηπν κέζσ ησλ ειεθηξνληθψλ κεηαηξνπέσλ δελ επεξεάδεη αξλεηηθά ηελ πνηφηεηα ηζρχνο πνπ παξέρεηαη ζηνπο άιινπο ζπλδεφκελνπο ρξήζηεο (θαηαλαισηέο ή παξαγσγνχο), δελ δηαηαξάζζεη ηελ νξζή ιεηηνπξγία ησλ κέζσλ ξχζκηζεο θαη πξνζηαζίαο ηνπ δηθηχνπ θαη δελ ζέηεη ζε θίλδπλν πξφζσπα θαη εγθαηαζηάζεηο

48 Κεθάλαιο 1 ο ρήκα 1.20: Γεληθεπκέλε θπθισκαηηθή αλαπαξάζηαζε (α) ηνπνινγηψλ κίαο βαζκίδαο, (β) ηνπνινγηψλ δχν βαζκίδσλ, (γ) ηνπνινγηψλ πνιιψλ βαζκίδσλ [2] 1.5 ςμβολή ηυν Ανανεώζιμυν Πηγών Δνέπγειαρ ζηην ενεπγειακή ενίζσςζη ενόρ ςζηήμαηορ Ηλεκηπικήρ Δνέπγειαρ Πξηλ ηελ παξνπζίαζε ησλ ηξφπσλ κε ηνπο νπνίνπο νη Αλαλεψζηκεο Πεγέο Δλέξγεηαο δχλαληαη λα ζπκβάιινπλ ζηελ ελεξγεηαθή ελίζρπζε ελφο πζηήκαηνο Ζιεθηξηθήο Δλέξγεηαο (.Ζ.Δ.), θξίλεηαη απαξαίηεην λα επηζεκαλζεί ε έλλνηα ησλ φξσλ Κεληξηθνπνηεκέλε θαη Απνθεληξσκέλε παξαγσγή ειεθηξηθήο ελέξγεηαο. Γεληθά, νη παξαπάλσ φξνη ρξεζηκνπνηνχληαη γηα λα πεξηγξάςνπλ ηε δνκή ελφο ειεθηξηθνχ ζπζηήκαηνο. πγθεθξηκέλα, αθελφο κελ πξνζδηνξίδνπλ ηε γεσγξαθηθή ζέζε ησλ ειεθηξνπαξαγσγηθψλ κνλάδσλ (αλεμαξηήησο είδνπο) ζπγθξηηηθά κε ηα ζεκεία δήηεζεο - θαηαλάισζεο, αθεηέξνπ δε είλαη ελδεηθηηθνί ηνπ κεγέζνπο ησλ κνλάδσλ. Αλαιπηηθφηεξα, ν φξνο Κεληξηθνπνηεκέλε παξαγσγή (Centralized Power Generation) πεξηγξάθεη ηηο πεξηπηψζεηο κεγάισλ θεληξηθψλ ειεθηξνπαξαγσγηθψλ ζηαζκψλ (κε εγθαηεζηεκέλε ηζρχ κεγαιχηεξε ησλ 50MW ζπλήζσο), νη νπνίνη ζπλήζσο εγθαζίζηαληαη καθξηά απφ ηηο αζηηθέο πεξηνρέο γηα πεξηβαιινληηθνχο ιφγνπο. ε απηέο ηηο πεξηπηψζεηο ε κεηαθνξά ηεο παξαγφκελεο ειεθηξηθήο ελέξγεηαο ζηα ζεκεία θαηαλάισζεο πξαγκαηνπνηείηαη κέζσ ηνπ δηθηχνπ κεηαθνξάο (400kV θαη 150kV). Αληίζεηα, ζηελ Απνθεληξσκέλε παξαγσγή (Decentralized - Distributed Power Generation),

49 Κεθάλαιο 1 ο νη ζηαζκνί παξαγσγήο ειεθηξηθήο ελέξγεηαο θαηαζθεπάδνληαη πιεζίνλ ησλ ζέζεσλ δήηεζεο θαη απνζθνπνχλ ζηελ ηνπηθή εμππεξέηεζε ησλ θνξηίσλ. Οη κνλάδεο απηέο είλαη ζπλήζσο κηθξφηεξεο ηνπ 1MW θαη ζπλδένληαη ζε δίθηπα Μέζεο Σάζεο ή αθφκα θαη Υακειήο Σάζεο εθφζνλ ε ηζρχο ηνπο είλαη κηθξφηεξε ησλ 100kW. Σέινο, νη ειεθηξνπαξαγσγηθνί ζηαζκνί κε εγθαηεζηεκέλε ηζρχ απφ 1 έσο θαη 50MW κπνξνχλ λα ζπλδεζνχλ ηφζν ζηελ Τςειή φζν θαη ζηε Μέζε Σάζε. Ζ ηειηθή απφθαζε είλαη απνηέιεζκα ζπγθεξαζκνχ κεηαμχ ηερλννηθνλνκηθψλ κειεηψλ θαη απνθάζεσλ πνπ αθνξνχλ ζηε ζηξαηεγηθή αλάπηπμεο ησλ δηθηχσλ [2]. χκθσλα κε ηνπο πξναλαθεξζέληεο ζπιινγηζκνχο, νη ειεθηξνπαξαγσγηθέο κνλάδεο Α.Π.Δ., ιφγσ ηεο ζρεηηθά κηθξήο εγθαηεζηεκέλεο ηζρχνο ηνπο, κπνξνχλ λα ζεσξεζνχλ ζην ζχλνιφ ηνπο σο Απνθεληξσκέλε παξαγσγή. Απφ ηελ άιιε πιεπξά φκσο, ηα αηνιηθά πάξθα, ηα κεγάια θσηνβνιηατθά ζπζηήκαηα θαη νη πδξνειεθηξηθνί ζηαζκνί, εγθαζίζηαληαη θαηά θνηλή πξαθηηθή ζε αξαηνθαηνηθεκέλεο θαη κε αζηηθέο πεξηνρέο γηα ιφγνπο επάξθεηαο ρψξνπ, πεξηβαιινληηθψλ πεξηνξηζκψλ θαη θπξίσο θαιχηεξεο εθκεηάιιεπζεο ηεο Α.Π.Δ. Απηφ έρεη σο ζπλέπεηα, ηα δηεξρφκελα πιεζίνλ ησλ πεξηνρψλ απηψλ δίθηπα λα είλαη αζζελή, κε απνηέιεζκα λα απαηηείηαη ε ελίζρπζή ηνπο ή ε θαηαζθεπή λέσλ, πξνθεηκέλνπ λα θαηαζηεί δπλαηή ε ζχλδεζε ησλ παξαπάλσ ειεθηξνπαξαγσγηθψλ κνλάδσλ ζε απηά. πλεπψο, νη παξαπάλσ κνλάδεο δελ κπνξνχλ λα ζεσξεζνχλ σο Απνθεληξσκέλε παξαγσγή, εθφζνλ ε ηζρχο ηνπο δελ θαηαλαιψλεηαη ηνπηθά. Τηνζεηψληαο ινηπφλ ην ζπκπέξαζκα απηφ, νη παξαπάλσ κνλάδεο κπνξνχλ λα ζεσξεζνχλ θαηαρξεζηηθά σο Κεληξηθνπνηεκέλε παξαγσγή, ελψ, επηπξφζζεηα, κφλν νη ειεθηξνπαξαγσγηθνί ζηαζκνί Α.Π.Δ. πνπ εγθαζίζηαληαη πιεζίνλ ησλ θνξηίσλ (Μέζεο ή Υακειήο Σάζεο) κπνξνχλ λα ζεσξεζνχλ σο Απνθεληξσκέλε παξαγσγή. πρλά νη ζηαζκνί απηνί απνθαινχληαη θαηαλεκεκέλνη ή αθφκα θαη κνλάδεο δηεζπαξκέλεο παξαγσγήο (Dispersed Power Generation Systems) [2]. ην ζεκείν απηφ πξέπεη λα ζεκεησζεί, πσο κνινλφηη ε ρξήζε θεληξηθνπνηεκέλσλ ζηαζκψλ Δλαιιαθηηθψλ Πεγψλ Δλέξγεηαο είλαη δπλαηφλ λα ζπλδξάκεη ζηελ ελεξγεηαθή ελίζρπζε ηνπ ειεθηξηθνχ ζπζηήκαηνο, ε κεγάιε απφζηαζε ησλ κνλάδσλ απηψλ απφ ηα ζεκεία θαηαλάισζεο έρεη σο απνηέιεζκα ην πςειφ επίπεδν θφξηηζεο ησλ γξακκψλ κεηαθνξάο θαη δηαλνκήο, κε άκεζν ζπλεπαθφινπζν ηελ θαηαπφλεζε ησλ ηειεπηαίσλ, ιφγσ ησλ απμεκέλσλ ειεθηξηθψλ απσιεηψλ. Αληίζεηα, ε ρξεζηκνπνίεζε ησλ Αλαλεψζηκσλ Πεγψλ Δλέξγεηαο, κε ηε κνξθή κηθξψλ κνλάδσλ δηεζπαξκέλεο παξαγσγήο, δχλαηαη λα ζπκβάιιεη θαζνξηζηηθά ζηε

50 Κεθάλαιο 1 ο κείσζε ησλ απσιεηψλ θαη ζηελ εμνηθνλφκεζε ελέξγεηαο. ηηο δηεζπαξκέλεο κνλάδεο ειεθηξνπαξαγσγήο ζπκπεξηιακβάλεηαη έλα επξχ θάζκα ηερλνινγηψλ κε ηηο Αλαλεψζηκεο Πεγέο Δλέξγεηαο λα δηαδξακαηίδνπλ ζεκαληηθφ ξφιν, ηδηαίηεξα ζε ρψξεο φπνπ νη γεσγξαθηθέο θαη θιηκαηνινγηθέο ζπλζήθεο ην επλννχλ. εκεηψλεηαη φηη, ζε νξηζκέλεο πεξηπηψζεηο, ε δπλαηφηεηα ηνπηθήο θάιπςεο ηνπ θνξηίνπ ή ελφο κέξνπο απηνχ απφ Απνθεληξσκέλεο κνλάδεο παξαγσγήο, κε ηε ρξεζηκνπνίεζε Α.Π.Δ., επηηξέπεη ζηηο επηρεηξήζεηο δηαλνκήο ειεθηξηθήο ελέξγεηαο λα αληηκεησπίζνπλ ηηο απμαλφκελεο ελεξγεηαθέο απαηηήζεηο κε κηθξφ θφζηνο. Απηφο ν ηξφπνο εμππεξέηεζεο ηνπηθψλ θνξηίσλ απνηειεί θαη ηε βαζηθή θηινζνθία πάλσ ζηελ νπνία έρνπλ δνκεζεί λενεκθαληδφκελα ειεθηξηθά ζπζηήκαηα, ηα νπνία νλνκάδνληαη Μηθξνδίθηπα (Micro - Grids, ζπζηήκαηα δηαλνκήο Μέζεο ή Υακειήο Σάζεο ζηα νπνία είλαη δηαζπλδεδεκέλεο κνλάδεο δηεζπαξκέλεο παξαγσγήο, θνξηία θαζψο επίζεο θαη δηαηάμεηο απνζήθεπζεο ελέξγεηαο [7, 8]). ην ρήκα 1.21 παξνπζηάδνληαη νη πξναλαθεξζέληεο ηξφπνη ελίζρπζεο ελφο παξαδνζηαθά δνκεκέλνπ ειεθηξηθνχ ζπζηήκαηνο, κε ηε δηαζχλδεζε Αλαλεψζηκσλ Πεγψλ Δλέξγεηαο ηφζν κε θεληξηθνπνηεκέλε φζν θαη κε απνθεληξσκέλε κνξθή. Έλα απφ ηα βαζηθά κειήκαηα ησλ επηρεηξήζεσλ δηαλνκήο ειεθηξηθήο ελέξγεηαο είλαη ε κεγηζηνπνίεζε ηεο ελεξγεηαθήο απφδνζεο κέζσ ηεο ειαρηζηνπνίεζεο ησλ απσιεηψλ ηνπ.ζ.δ. Δίλαη γλσζηφ φηη ε (ειεθηξηθή) απφζηαζε ησλ κνλάδσλ παξαγσγήο απφ ηα ζεκεία θαηαλάισζεο θαη ην επίπεδν θφξηηζεο ησλ γξακκψλ κεηαθνξάο θαη δηαλνκήο, είλαη νη ζεκαληηθφηεξνη παξάγνληεο πνπ θαζνξίδνπλ ην πνζφ ησλ ελεξγεηαθψλ απσιεηψλ. Δπηπξφζζεηα, εθφζνλ νη απψιεηεο είλαη ηεηξαγσληθή ζπλάξηεζε ηεο έληαζεο ηνπ ξεχκαηνο, νη κεγαιχηεξεο απψιεηεο εκθαλίδνληαη θαηά ηε ρξνληθή πεξίνδν ηνπ κέγηζηνπ θνξηίνπ. Ζ πξνζεθηηθή κειέηε ησλ παξαπάλσ ζηνηρείσλ, απνδεηθλχεη φηη ε κεξηθή ή νιηθή ηξνθνδφηεζε ηνπηθψλ θνξηίσλ κε ην κνληέιν ηεο δηεζπαξκέλεο παξαγσγήο κπνξεί λα ζπκβάιιεη ζηε κείσζε ησλ ειεθηξηθψλ απσιεηψλ θαη ζηελ εμνηθνλφκεζε ελέξγεηαο, δηφηη κε ηνλ ηξφπν απηφλ κεηψλεηαη ε κεηαθεξφκελε ελέξγεηα κέζσ ησλ γξακκψλ κεηαθνξάο θαη δηαλνκήο. Δπηπιένλ πεξηνξίδνληαη νη δαπάλεο επέθηαζεο θαη ελίζρπζεο ησλ δηθηχσλ κεηαθνξάο θαη δηαλνκήο

51 Κεθάλαιο 1 ο ρήκα 1.21: Σξφπνη δηαζχλδεζεο Αλαλεψζηκσλ Πεγψλ Δλέξγεηαο (Α.Π.Δ.) ζε έλα παξαδνζηαθά δνκεκέλν ειεθηξηθφ ζχζηεκα [2] Αλ θαη ε ελζσκάησζε ειεθηξνπαξαγσγηθψλ κνλάδσλ Αλαλεψζηκσλ Πεγψλ Δλέξγεηαο ζην δίθηπν Μέζεο Σάζεο δελ ζπλνδεχεηαη απφ ηδηαίηεξεο πξαθηηθέο δπζθνιίεο, δελ ζπκβαίλεη ην ίδην θαη κε ην ειεθηξηθφ δίθηπν ησλ αζηηθψλ πεξηνρψλ, εμαηηίαο ηεο δνκήο ησλ ζχγρξνλσλ κεγαινππφιεσλ. ε απηήλ ηελ πεξίπησζε ε θχξηα πεγή ελέξγεηαο πνπ κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζεί είλαη ε ειηαθή, ελψ ε δηαζεζηκφηεηα άιισλ πεγψλ ελέξγεηαο, ζπκπεξηιακβαλνκέλσλ θαη ησλ ππνινίπσλ Α.Π.Δ., είλαη αξθεηά πεξηνξηζκέλε. Μηθξά, επέιηθηα θσηνβνιηατθά ζπζηήκαηα, πνπ κπνξνχλ λα εγθαηαζηαζνχλ ηφζν ζε θαηνηθίεο, φζν θαη ζε εκπνξηθά ή δεκνζία θηίξηα (Γηαζπλδεδεκέλα Κηηξηαθά Φ/Β πζηήκαηα, ΒΗΡV - Building Integrated Photovoltaics [4, 9]), κπνξνχλ λα θαιχςνπλ ζεκαληηθφ κεξίδην ηεο ελεξγεηαθήο θαηαλάισζεο, ελψ κπνξνχλ λα ζπκβάιινπλ ζεκαληηθά - ηδηαίηεξα θαηά ηηο ρξνληθέο πεξηφδνπο πςεινχ θνξηίνπ - ζηελ θαιχηεξε ιεηηνπξγία ηνπ ειεθηξηθνχ ζπζηήκαηνο. ην ζεκείν απηφ, πξέπεη λα επηζεκαλζεί φηη θαηά θνηλή πξαθηηθή ε ρξήζε ησλ παξαπάλσ Φ/Β ζπζηεκάησλ δελ απνζθνπεί ζηελ νιηθή ελεξγεηαθή θάιπςε ησλ ειεθηξηθψλ

52 Κεθάλαιο 1 ο θνξηίσλ ησλ πεξηνρψλ ζηηο νπνίεο εγθαζίζηαληαη, αιιά αληίζεηα απνβιέπεη ζηελ εμνκάιπλζε ηεο ειεθηξηθήο δήηεζεο. Έρνληαο σο δεηνχκελν ηελ εμνκάιπλζε ηεο ειεθηξηθήο δήηεζεο ησλ κεγάισλ αζηηθψλ θέληξσλ απνδεηθλχεηαη, ζχκθσλα κε ηα φζα αλαθέξζεζαλ ζηηο πξνεγνχκελεο παξαγξάθνπο, φηη ε ρξεζηκνπνίεζε Φ/Β ζπζηεκάησλ δηεζπαξκέλεο παξαγσγήο δείρλεη λα απνηειεί κία ηδηαίηεξα ειθπζηηθή πξννπηηθή γηα ηα δίθηπα Υακειήο Σάζεο. Απφ ηελ άιιε πιεπξά, ε αζξφα ρξεζηκνπνίεζή ηνπο, κπνξεί λα επηθέξεη ιεηηνπξγηθά πξνβιήκαηα, φπσο επζηάζεηαο, ξχζκηζεο ηάζεο θαη ζπρλφηεηαο θ.ιπ. Ζ επηξξνή ηεο εθηεηακέλεο ρξήζεο ησλ παξαπάλσ κνλάδσλ δηεζπαξκέλεο παξαγσγήο, φπσο θαη ησλ ππνινίπσλ Α.Π.Δ., ζηελ επζηάζεηα ησλ ειεθηξηθψλ ζπζηεκάησλ θαη ν ηξφπνο κε ηνλ νπνίν ζα πξέπεη λα γίλεηαη ν έιεγρνο απηψλ ησλ κνλάδσλ ψζηε λα κε ζίγεηαη ε αμηνπηζηία ησλ.ζ.δ., απνηειεί ζεκαληηθφ πεδίν έξεπλαο ζηηο κέξεο καο [10]. Βέβαηα, αλ θαη ε ελζσκάησζε ζπζηεκάησλ Α.Π.Δ. κε ηε κνξθή δηεζπαξκέλσλ κνλάδσλ ζηα δίθηπα Μέζεο ή Υακειή Σάζεο δείρλεη λα απνηειεί κία ηδηαίηεξα ειθπζηηθή πξννπηηθή, ην πνζνζηφ δηείζδπζήο ηνπο ζε έλα.ζ.δ. πξέπεη λα ζπλνδεχεηαη απφ αληίζηνηρεο κειέηεο γηα ηελ αληνρή ηνπ ζπζηήκαηνο. ε αληίζεηε πεξίπησζε εγθπκνλνχλ νξηζκέλα ζεκαληηθά ηερληθά πξνβιήκαηα. Παξαδείγκαηνο ράξηλ, ε θάιπςε κεγάινπ πνζνζηνχ ηεο ελεξγεηαθήο θαηαλάισζεο απφ δηεζπαξκέλα ζπζηήκαηα Α.Π.Δ. κπνξεί λα πξνθαιέζεη κεγάιεο δηαθπκάλζεηο ηεο ηάζεο ή αθφκα κπνξεί λα νδεγήζεη θαη ζε αλεπάξθεηα ειεθηξνδφηεζεο, ζηηο πεξηπηψζεηο φπνπ νη παξαπάλσ κνλάδεο δελ κπνξνχλ λα αληαπνθξηζνχλ ζε κία απξφζκελε δηαηαξαρή ηνπ.ζ.δ. Έλα εμίζνπ ζεκαληηθφ ζέκα ην νπνίν πξέπεη λα ιακβάλεηαη ζνβαξά ππ φςηλ, ψζηε ε ελζσκάησζε δηεζπαξκέλσλ πεγψλ ελέξγεηαο ζε έλα ειεθηξηθφ ζχζηεκα λα κελ εγθπκνλεί θηλδχλνπο ηφζν ζε πξφζσπα φζν θαη ζε εμνπιηζκφ, είλαη θαη απηφ ηνπ «θαηλνκέλνπ λεζίδαο» (Islanding) [4]. Με ηνλ φξν απηφ, πξνζδηνξίδεηαη κία κε επηζπκεηή θαηάζηαζε θαηά ηελ νπνία έλα ηκήκα ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ ζην νπνίν εκπεξηέρνληαη ηφζν ειεθηξηθά θνξηία φζν θαη κνλάδεο δηεζπαξκέλεο παξαγσγήο παξακέλεη ειεθηξνδνηεκέλν, ιφγσ ησλ παξαπάλσ κνλάδσλ, παξφηη ην ππφινηπν ειεθηξηθφ δίθηπν είλαη αλελεξγφ. ε απηήλ ηελ πεξίπησζε, ζα πξέπεη νη δηεζπαξκέλεο ειεθηξνπαξαγσγηθέο κνλάδεο λα αληρλεχνπλ απηφκαηα ηε δηαθνπή ηνπ θεληξηθνχ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ θαη λα αλαζηέιινπλ πξνζσξηλά ηε ιεηηνπξγία ηνπο, γηα φζν ρξνληθφ δηάζηεκα νη δηαρεηξηζηέο ηνπ ειεθηξηθνχ ζπζηήκαηνο θξίλνπλ ζθφπηκε ηε δηαθνπή ηνπ. Απφ ηελ άιιε πιεπξά, ε θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο νξηζκέλσλ ηκεκάησλ ηνπ

53 Κεθάλαιο 1 ο ειεθηξηθνχ δηθηχνπ ππφ κνξθή «απνκνλσκέλεο λεζίδαο» κπνξεί λα έρεη θαη επεξγεηηθέο επηδξάζεηο ζε νξηζκέλεο πεξηπηψζεηο. πγθεθξηκέλα, εάλ ε δηαθνπή ηεο παξνρήο ειεθηξηθήο ελέξγεηαο νθείιεηαη ζηελ εκθάληζε ζθαικάησλ ζηνλ εμνπιηζκφ Μέζεο ή Τςειήο Σάζεο, είηε αθφκα θαη ζε ζθάικαηα δηαθεθξηκέλσλ ηκεκάησλ ηεο Υακειήο Σάζεο, ε δπλαηφηεηα δηαηήξεζεο ηεο ειεθηξνδφηεζεο νξηζκέλσλ θξίζηκσλ θνξηίσλ (απφ ηελ πιεπξά ηνπ θαηαλαισηή) ζεσξείηαη ηδηάδνπζαο ζεκαζίαο γηα ηελ αμηνπηζηία ηνπ ειεθηξηθνχ ζπζηήκαηνο. Μία αθφκα παξάκεηξνο ε νπνία νθείιεη λα δηεξεπλάηαη θαηά ηελ ελζσκάησζε ειεθηξνπαξαγσγηθψλ κνλάδσλ Α.Π.Δ. ζε έλα.ζ.δ., είλαη ε δπλαηφηεηα κεγηζηνπνίεζεο ηεο ελεξγεηαθήο παξαγσγήο απηψλ. Ζ παξάκεηξνο απηή, αλ θαη δελ επεξεάδεη άκεζα ηελ αμηνπηζηία ηνπ ειεθηξηθνχ ζπζηήκαηνο, πξνζδηνξίδεη ηε κέγηζηε δπλαηφηεηα παξνρήο ειεθηξηθήο ελέξγεηαο. Λακβάλνληαο ινηπφλ ππ φςηλ, φηη ε απνδηδφκελε ηζρχο νξηζκέλσλ ζπζηεκάησλ Α.Π.Δ. δελ παξακέλεη ζηαζεξή αιιά κεηαβάιιεηαη ζπλαξηήζεη ησλ εθάζηνηε πεξηβαιινληνινγηθψλ ζπλζεθψλ, απαηηείηαη δξαζηηθφο έιεγρνο ησλ κεηαηξνπέσλ πνπ δηαζχλδενπλ ηηο Α.Π.Δ. κε ην ειεθηξηθφ δίθηπν, ψζηε ζηηο εθάζηνηε ζπλζήθεο λα απνδίδεηαη ε κέγηζηε δπλαηή ηζρχο. Ο έιεγρνο απηφο είλαη γλσζηφο σο αλίρλεπζε ηνπ ζεκείνπ κέγηζηεο παξαγφκελεο ηζρχνο (Μ.Ρ.Ρ.Σ. - Maximum Power Point Tracking) [3, 4, 11]. Σέινο, δχν αθφκα βαζηθά δεηήκαηα πνπ νθείινπλ λα δηεξεπλνχληαη θαηά ηελ ελζσκάησζε δηεζπαξκέλσλ κνλάδσλ ζηα ειεθηξηθά δίθηπα, είλαη απηά ηεο πνηφηεηαο ηεο παξερφκελεο ελέξγεηαο θαη ηεο δηαδηθαζίαο ζχλδεζεο θαη απνζχλδεζεο απηψλ απφ ην δίθηπν. Ζ ζεκαζία απηήο ηεο δηεξεχλεζεο θαζίζηαηαη ηδηαίηεξα ζεκαληηθή ζηελ πεξίπησζε ρξεζηκνπνίεζεο εθηεηακέλνπ αξηζκνχ δηεζπαξκέλσλ πεγψλ ελέξγεηαο. θνπφο απηψλ ησλ δχν πηπρψλ, είλαη αθελφο κελ λα κελ επεξεάδεηαη αξλεηηθά ε πνηφηεηα ηζρχνο ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ θαη αθεηέξνπ δε λα κε δηαηαξάζζεηαη ε νξζή ιεηηνπξγία ησλ κέζσλ ξχζκηζεο θαη πξνζηαζίαο απηνχ. Γηα ηελ πξφιεςε θαη αληηκεηψπηζε ησλ ηερληθψλ πξνβιεκάησλ πνπ αλαπηχρζεθαλ παξαπάλσ έρνπλ ζεζπηζηεί (ή ζεζπίδνληαη), απφ ηηο ρψξεο πνπ απνθαζίδνπλ λα ελζσκαηψζνπλ ζην ειεθηξηθφ ηνπο ζχζηεκα δηεζπαξκέλεο πεγέο ελέξγεηαο, θαλνληζκνί θαη πξφηππα, βάζεη ησλ νπνίσλ θαζνξίδνληαη νη ειάρηζηεο απαηηήζεηο ζηηο νπνίεο νθείινπλ λα ζπκκνξθψλνληαη νη ελ ιφγσ κνλάδεο. Βέβαηα, ζηηο πεξηπηψζεηο ησλ ρσξψλ πνπ δελ έρνπλ αθφκα λνκνζεηήζεη ηνπο δηθνχο ηνπο εζληθνχο θαλνληζκνχο, πηνζεηνχληαη νξηζκέλα δηεζλή πξφηππα, ηα νπνία ηπγράλνπλ επξείαο απνδνρήο. Οη πξνβιεπφκελεο πξνδηαγξαθέο

54 Κεθάλαιο 1 ο δηαθνξνπνηνχληαη αλάινγα κε ηελ εγθαηεζηεκέλε ηζρχ απηψλ ησλ κνλάδσλ, ην επίπεδν ηάζεο ησλ ειεθηξηθψλ γξακκψλ ζηηο νπνίεο δηαζπλδένληαη θαη νξηζκέλεο θνξέο αλάινγα κε ην είδνο ηεο Αλαλεψζηκεο Πεγήο Δλέξγεηαο. 1.6 Πεδία εθαπμογών ηυν θυηοβοληαφκών ζςζηημάηυν Παξαπάλσ δηεξεπλήζεθε ε ζπκβνιή ησλ Φ/Β ζπζηεκάησλ ζηελ ελεξγεηαθή ζσξάθηζε ησλ παξαδνζηαθά δνκεκέλσλ πζηεκάησλ Ζιεθηξηθήο Δλέξγεηαο, ηφζν κε ηε κνξθή κηθξψλ θαηαλεκεκέλσλ κνλάδσλ δηεζπαξκέλεο παξαγσγήο, φζν θαη δεπηεξεπφλησο κε ηε κνξθή κεγάισλ θεληξηθνπνηεκέλσλ ζηαζκψλ. Δπηπξφζζεηα, έλαο αθφκε ηνκέαο ζηνλ νπνίνλ ηα Φ/Β ζπζηήκαηα κπνξνχλ λα ζπκβάιινπλ ζεκαληηθά ζηελ ελεξγεηαθή ηξνθνδφηεζε, είλαη απηφο ησλ θαηαλαισηψλ θαη ησλ θνξηίσλ πνπ δελ έρνπλ άκεζε πξφζβαζε ζε θεληξηθφ ειεθηξηθφ δίθηπν. Σα θσηνβνιηατθά ζπζηήκαηα πνπ ρξεζηκνπνηνχληαη ζε απηέο ηηο πεξηπηψζεηο νλνκάδνληαη απηφλνκα (Stand - Alone PV Systems) θαη κπνξνχλ λα ηξνθνδνηνχλ είηε θνξηία ζπλερνχο, είηε θαη θνξηία ελαιιαζζφκελνπ ξεχκαηνο [2, 4]. ε νξηζκέλεο πεξηπηψζεηο, ηα ελ ιφγσ ζπζηήκαηα ζπλδπάδνληαη ηαπηφρξνλα θαη κε άιιεο αλαλεψζηκεο ή ζπκβαηηθέο πεγέο ελέξγεηαο θαη κέζα ελεξγεηαθήο απνζήθεπζεο νπφηε θαη νλνκάδνληαη Τβξηδηθά Φσηνβνιηατθά ζπζηήκαηα. ην ρήκα 1.22 παξνπζηάδεηαη κία γεληθή θαηεγνξηνπνίεζε ησλ Φ/Β ζπζηεκάησλ αλάινγα κε ηελ εθαξκνγή γηα ηελ νπνία απηά πξννξίδνληαη

55 Κεθάλαιο 1 ο ρήκα 1.22: Καηεγνξηνπνίεζε ησλ θσηνβνιηατθψλ ζπζηεκάησλ [2] 1.7 Καηηγοπιοποίηζη ηυν Γιαζςνδεδεμένυν Κηιπιακών Φυηοβοληαφκών ςζηημάηυν Αλάινγα κε ηνλ ηξφπν πνπ ζπλδπάδνληαη νη δνκηθέο κνλάδεο ελφο Γηαζπλδεδεκέλνπ Κηηξηαθνχ Φσηνβνιηατθνχ πζηήκαηνο (θσηνβνιηατθά πιαίζηα, ειεθηξνληθφο κεηαηξνπέαο), ηα Γηαζπλδεδεκέλα Κηηξηαθά Φ/Β πζηήκαηα θαηεγνξηνπνηνχληαη ζε ηέζζεξηο ηερλνινγηθέο ηάζεηο. Σελ Κεληξηθνπνηεκέλε ηερλνινγία (Centralized technology), ηελ ηερλνινγία Αιπζίδαο (String technology), ηελ ηερλνινγία Πνιιαπιψλ Αιπζίδσλ (Multi - string technology) θαη ηελ ηερλνινγία ησλ Φσηνβνιηατθψλ Πιαηζίσλ Δλαιιαζζνκέλνπ Ρεχκαηνο (Φ/Β Πιαίζηα Δ.Ρ. ή AC-PV Module technology ή ΡV Μ.Η.C. - PV Module Integrated Converter) [2]. Ζ δηαθνξνπνίεζε ησλ πξναλαθεξζέλησλ ηερλνινγηθψλ ηάζεσλ έγθεηηαη αθελφο κελ ζηνλ αξηζκφ ησλ Φ/Β πιαηζίσλ πνπ ζπλδένληαη αλά ειεθηξνληθφ κεηαηξνπέα (επίπεδν ηζρχνο ηνπ κεηαηξνπέα), αθεηέξνπ δε ζηνλ ηξφπν κε ηνλ νπνίν ζπλδένληαη κεηαμχ ηνπο ηα Φ/Β πιαίζηα (ελ ζεηξά ζχλδεζε, παξάιιειε ζχλδεζε ή ζπλδπαζκφο απηψλ). Αθνινχζσο, παξνπζηάδνληαη εθηελψο νη παξαπάλσ ηερλνινγίεο, ελψ ηαπηνρξφλσο επηζεκαίλνληαη ηα πιενλεθηήκαηα θαη κεηνλεθηήκαηα απηψλ

56 Κεθάλαιο 1 ο Κεληξηθνπνηεκέλε ηερλνινγία Ζ Κεληξηθνπνηεκέλε ηερλνινγία ζπληζηά ηελ πξψηε πξνζπάζεηα έληαμεο Φ/Β ζπζηεκάησλ κεγάιεο θιίκαθαο (ηεο ηάμεο ησλ 400kW) ζηελ ειεθηξνπαξαγσγηθή δηαδηθαζία. Σν δνκηθφ δηάγξακκα ησλ Φ/Β ζπζηεκάησλ απηήο ηεο θαηεγνξίαο παξνπζηάδεηαη ζην ρήκα Υαξαθηεξηζηηθφ παξάδεηγκα απνηειεί ε εγθαηάζηαζε ελφο δηαζπλδεδεκέλνπ Φ/Β ζπζηήκαηνο Κεληξηθνπνηεκέλεο δνκήο 330kW ζην Pellworm ηεο Γεξκαλίαο ην Ζ ζπγθεθξηκέλε ηερλνινγηθή ηάζε εθαξκνδφκελε ζηνλ ρψξν ησλ Γηαζπλδεδεκέλσλ Κηηξηαθψλ Φσηνβνιηατθψλ πζηεκάησλ πεξηνξίδεηαη ζηελ παξαγσγή κηθξφηεξσλ πνζψλ ηζρχνο (20 έσο 100kW), ιφγσ ησλ κηθξφηεξσλ δηαζέζηκσλ επηθαλεηψλ εγθαηάζηαζεο. Ο πεξηνξηζκφο απηφο πξνθχπηεη εχινγα εάλ αλαινγηζηνχκε φηη γηα ηελ παξαγσγή ειεθηξηθήο ηζρχνο ηεο ηάμεο ηνπ 1kW απαηηνχληαη πεξίπνπ 8m 2 κνλνθξπζηαιιηθψλ Φ/Β πιαηζίσλ, 10m 2 πνιπθξπζηαιιηθψλ θαη πεξίπνπ δηπιάζηα επηθάλεηα άκνξθσλ Φ/Β πιαηζίσλ. ρήκα 1.23: Γνκή θσηνβνιηατθψλ ζπζηεκάησλ Κεληξηθνπνηεκέλεο ηερλνινγίαο [2]

57 Κεθάλαιο 1 ο Ηδηαίηεξν ραξαθηεξηζηηθφ απηήο ηεο ηερλνινγίαο, απνηειεί ε ρξεζηκνπνίεζε κεγάινπ αξηζκνχ Φ/Β πιαηζίσλ, ηα νπνία κέζσ ελφο κφλν «θεληξηθνχ» αληηζηξνθέα ζπλδένληαη ζην δίθηπν ρακειήο ηάζεο. Σα Φ/Β πιαίζηα ρσξίδνληαη ζε ελ ζεηξά νκάδεο νη νπνίεο νλνκάδνληαη «αιπζίδεο». θνπφο απηήο ηεο νκαδνπνίεζεο, είλαη ε εμαζθάιηζε αξθεηά πςειήο ηηκήο ζπλερνχο ηάζεο (.Σ.) ζηα άθξα ηεο «αιπζίδαο», ψζηε λα είλαη εθηθηή ε απεπζείαο κεηαηξνπή ηεο ζε ελαιιαζζφκελε, ρσξίο ηε δηακεζνιάβεζε επηπιένλ κεηαηξνπέσλ αλχςσζεο.σ. ζε.σ. ή κεηαζρεκαηηζηψλ. Σέινο, ε παξάιιειε ζχλδεζε ησλ «αιπζίδσλ» επηηξέπεη ηελ επίηεπμε ηνπ επηζπκεηνχ επηπέδνπ ηζρχνο. Μνινλφηη ε δνκή ησλ Φ/Β ζπζηεκάησλ απηήο ηεο ηερλνινγίαο είλαη αξθεηά απιή, ε απνδνηηθφηεηά ηνπο θαη ε νηθνλνκηθή ηνπο βησζηκφηεηα απνδπλακψλεηαη απφ νξηζκέλα ζεκαληηθά κεηνλεθηήκαηα. Αλαιπηηθφηεξα, ε χπαξμε ελφο θεληξηθνχ M.P.P.T. γηα ην ζχλνιν ησλ Φ/Β πιαηζίσλ, επηθέξεη ηε κεησκέλε ελεξγεηαθή παξαγσγή ησλ θσηνγελλεηξηψλ ζε ζπλζήθεο αλνκνηφκνξθεο ζθίαζεο ή αλνκνηφκνξθεο ζεξκηθήο θαηαπφλεζεο. Δπηπξφζζεηα, ζηελ πεξίπησζε πνπ θάπνηα απφ ηηο παξάιιεια ζπλδεδεκέλεο «αιπζίδεο» ζθηαζηεί πεξηζζφηεξν απφ ηηο ππφινηπεο, ε ηηκήο ηεο ηάζεο πνπ επηθξαηεί ζηα άθξα ηεο ππνιείπεηαη απηήο ησλ ππνινίπσλ, κε άκεζν απνηέιεζκα λα ειινρεχεη θίλδπλνο κεξηθήο θαηαζηξνθήο ηνπ Φ/Β εμνπιηζκνχ (ε «αιπζίδα» ζπκπεξηθέξεηαη σο θνξηίν). Γηα ηελ απνθπγή απηνχ ηνπ θηλδχλνπ, ε ζχλδεζε ησλ «αιπζίδσλ» πξέπεη λα πξαγκαηνπνηείηαη κέζσ δηφδσλ ηζρχνο, νη νπνίεο φκσο επηβαξχλνπλ ηελ απφδνζε ηνπ φινπ ζπζηήκαηνο κε ηηο απψιεηέο ηνπο. Σν παξαπάλσ θαηλφκελν κπνξεί λα παξαηεξεζεί ζε κηθξφηεξν βαζκφ θαη κεηαμχ Φ/Β πιαηζίσλ ηεο ίδηαο «αιπζίδαο» επηζχξνληαο παξφκνηα θαηαζηξνθηθά απνηειέζκαηα (δεκηνπξγία Ζot - spot θειίδσλ ζηα Φ/Β πιαίζηα). Απφ ηελ άιιε πιεπξά, ε αξθεηά πςειή ηηκή ζπλερνχο ηάζεο δηαζχλδεζεο κεηαμχ ηνπ Φ/Β πιέγκαηνο θαη ηνπ αληηζηξνθέα, επηβάιιεη ηελ εγθαηάζηαζε εηδηθψλ ζπζηεκάησλ πξνζηαζίαο θαη ηελ εθαξκνγή εηδηθψλ ηερληθψλ γεηψζεσο ησλ επηκέξνπο ηκεκάησλ ηνπ Φ/Β ζπζηήκαηνο, απμάλνληαο έηζη ην θφζηνο ηεο φιεο εγθαηάζηαζεο. Δπηπιένλ, εθφζνλ νη ειεθηξνληθνί κεηαηξνπείο ζρεδηάδνληαη θάζε θνξά γηα δηαθνξεηηθά επίπεδα ηζρχνο δελ είλαη εθηθηή ε καδηθή ηνπο παξαγσγή, γεγνλφο πνπ έρεη άκεζε επίδξαζε ζην θφζηνο θαηαζθεπήο ηνπο. Δπίζεο, ιφγσ ηεο χπαξμεο ελφο κφλν «θεληξηθνχ» αληηζηξνθέα ε νινθιεξσηηθή δηαθνπή ηεο ειεθηξνπαξαγσγηθήο δηαδηθαζίαο είλαη αλαπφθεπθηε ηφζν ζε πεξηπηψζεηο

58 Κεθάλαιο 1 ο πξνγξακκαηηζκέλεο ζπληήξεζεο, φζν θαη ζε πεξηπηψζεηο αληηθαηάζηαζεο κέξνπο ηνπ Φ/Β εμνπιηζκνχ. Σέινο, έλα αθφκα πξφβιεκα πνπ αληηκεηψπηζαλ ηα πξψηα Φ/Β ζπζηήκαηα Κεληξηθνπνηεκέλεο δνκήο, ήηαλ απηφ ηεο πνηφηεηαο ηεο παξαγφκελεο ειεθηξηθήο ελέξγεηαο. Οη ειεθηξνληθνί κεηαηξνπείο πνπ ρξεζηκνπνηήζεθαλ αξρηθά ζε απηέο ηηο εθαξκνγέο βαζίδνληαλ ζε νδεγνχκελεο απφ ην δίθηπν θπθισκαηηθέο ηνπνινγίεο, ρξεζηκνπνηψληαο thyristor σο ειεγρφκελα εκηαγσγηθά ζηνηρεία. Άκεζε ζπλέπεηα απηνχ ηνπ γεγνλφηνο ήηαλ ε έγρπζε ρακειφζπρλσλ αξκνληθψλ ξεχκαηνο ζεκαληηθήο ηηκήο ζην ειεθηξηθφ δίθηπν. Ζ αληηθαηάζηαζε ησλ thyristor απφ εκηαγσγηθά ζηνηρεία MOSFET θαη IGBT θαζψο θαη ε ρξήζε λέσλ ηερληθψλ παικνδφηεζεο απηψλ, εμάιεηςε ζε κεγάιν βαζκφ ην κεηνλέθηεκα απηφ Σερλνινγία Αιπζίδαο Σα θσηνβνιηατθά ζπζηήκαηα ηερλνινγίαο Αιπζίδαο εθαξκφζηεθαλ γηα πξψηε θνξά ζηνλ Δπξσπατθφ ρψξν ζε επξεία θιίκαθα ην 1995, κε ηελ εκπνξηθή παξαγσγή ηνπ αληηζηξνθέα SWR 700 Sunny Boy ηεο εηαηξείαο SMA Regelsystem GmbH. Πξφθεηηαη νπζηαζηηθά γηα κία κηθξνγξαθία ηεο Κεληξηθνπνηεκέλεο ηερλνινγίαο. πγθεθξηκέλα, ηα Φ/Β πιαίζηα ζπλδένληαη ελ ζεηξά ζρεκαηίδνληαο κία κφλν «αιπζίδα», ε νπνία ηξνθνδνηεί έλαλ ειεθηξνληθφ κεηαηξνπέα. Λφγσ ηνπ κηθξφηεξνπ αξηζκνχ Φ/Β πιαηζίσλ ε ειεθηξηθή ηζρχο πνπ παξέρεηαη ζην δίθηπν πεξηνξίδεηαη ζην επίπεδν ησλ 0,7 κε 3kW. Σν δνκηθφ δηάγξακκα ησλ Φ/Β ζπζηεκάησλ απηήο ηεο θαηεγνξίαο παξνπζηάδεηαη ζην ρήκα Δάλ ν αξηζκφο ησλ ελ ζεηξά δηαζπλδεδεκέλσλ Φ/Β πιαηζίσλ είλαη κεγάινο (πνπ είλαη θαη ε ζπλήζεο πεξίπησζε), ε ζπλερήο ηάζε ζηα άθξα ηεο «αιπζίδαο» κπνξεί λα κεηαηξαπεί απεπζείαο ζε ελαιιαζζφκελε κε ηε ρξήζε ελφο κφλν αληηζηξνθέα. ε αληίζεηε πεξίπησζε ε δηακεζνιάβεζε ελφο κεηαηξνπέα αλχςσζεο.σ. ζε.σ. ή ε ρξεζηκνπνίεζε ελφο ρακειφζπρλνπ κεηαζρεκαηηζηή ζηελ έμνδν ηνπ αληηζηξνθέα είλαη αλαπφθεπθηε. Ζ δπλαηφηεηα πξνζαξκνγήο ηεο ζπγθεθξηκέλεο ηερλνινγηθήο δνκήο ζε κηθξφηεξεο δηαζέζηκεο επηθάλεηεο, κε αληίζηνηρν βέβαηα πεξηνξηζκφ ηεο παξαγφκελεο ειεθηξηθήο ελέξγεηαο, ζπλέβαιε ζηελ επξχηαηε ρξεζηκνπνίεζή ηεο ζηα αζηηθά θέληξα. Απφ ηελ άιιε πιεπξά, ε παξάιιειε ιεηηνπξγία πνιιψλ Φ/Β ζπζηεκάησλ ηερλνινγίαο Αιπζίδαο επηηξέπεη ηελ παξαγσγή κεγάισλ πνζψλ ειεθηξηθήο ελέξγεηαο, πεξηνξίδνληαο ηαπηφρξνλα αξθεηά απφ ηα κεηνλεθηήκαηα πνπ ζπλαληψληαη ζε θσηνβνιηατθά ζπζηήκαηα Κεληξηθνπνηεκέλεο δνκήο

59 Κεθάλαιο 1 ο ρήκα 1.24: Γνκή θσηνβνιηατθψλ ζπζηεκάησλ ηερλνινγίαο Αιπζίδαο [2] Αλαιπηηθφηεξα, ε απεπζείαο ζχλδεζε θάζε «αιπζίδαο» ζε έλαλ αλεμάξηεην ειεθηξνληθφ αληηζηξνθέα, θαηαξγεί ηελ αλαγθαηφηεηα ρξεζηκνπνίεζεο δηφδσλ ηζρχνο (απαξαίηεησλ ζε Φ/Β ζπζηήκαηα Κεληξηθνπνηεκέλεο ηερλνινγίαο), εληζρχνληαο έηζη ηελ απνδνηηθφηεηα ηνπ φινπ ζπζηήκαηνο. Δπηπξφζζεηα, ηα ελ ιφγσ Φ/Β ζπζηήκαηα έρνπλ λα επηδείμνπλ πςειφηεξε αμηνπηζηία ζε ζρέζε κε απηά ηεο Κεληξηθνπνηεκέλεο δνκήο, θαζψο ε ζπληήξεζε θαη ε επηζθεπή ηνπο ζπλνδεχεηαη απφ κεξηθή κείσζε ηεο παξαγφκελεο ειεθηξηθήο ελέξγεηαο. Δπίζεο, ν έιεγρνο κηθξφηεξνπ αξηζκνχ Φ/Β πιαηζίσλ απφ ηνλ ρξεζηκνπνηνχκελν M.P.P.T., επηηξέπεη ηελ θαιχηεξε εθκεηάιιεπζε ησλ θσηνγελλεηξηψλ. Σέινο, ε κείσζε ηνπ θφζηνπο θαηαζθεπήο ησλ ρξεζηκνπνηνχκελσλ ειεθηξνληθψλ κεηαηξνπέσλ είλαη εκθαλήο, ιφγσ ηεο δπλαηφηεηαο καδηθήο παξαγσγήο απηψλ. ηνλ αληίπνδα ησλ δπλαηψλ ζεκείσλ πνπ έρνπλ λα επηδείμνπλ ηα Φ/Β ζπζηήκαηα ηερλνινγίαο Αιπζίδαο, παξακέλνπλ νξηζκέλα ζεκαληηθά κεηνλεθηήκαηα ηα νπνία πξνέξρνληαη απφ ηε ζπγγεληθή ζρέζε ηεο ελ ιφγσ ηερλνινγίαο κε ηελ πξνγελέζηεξή ηεο. πγθεθξηκέλα, ε αξθεηά πςειή ηηκή ζπλερνχο ηάζεο πνπ εκθαλίδεηαη ζηα άθξα ησλ

60 Κεθάλαιο 1 ο «αιπζίδσλ», απαηηεί ηε ρξήζε αθξηβνχ βνεζεηηθνχ εμνπιηζκνχ θαη ηελ εγθαηάζηαζή ηνπ απφ εηδηθεπκέλν πξνζσπηθφ. Δπίζεο, ιφγσ ηεο ελ ζεηξάο δηαζχλδεζεο κεγάινπ αξηζκνχ Φ/Β πιαηζίσλ, εγθπκνλεί ν θίλδπλνο εκθάληζεο Hot - spot θειίδσλ ζε απηά, ζε πεξηπηψζεηο αλνκνηφκνξθεο ζθίαζεο [3, 4, 12] Σερλνινγία Πνιιαπιψλ Αιπζίδσλ Ζ ηερλνινγία Πνιιαπιψλ Αιπζίδσλ ζπληζηά ηελ αξηηφηεξε πξφηαζε γηα ηελ παξαγσγή ζεκαληηθψλ πνζψλ ειεθηξηθήο ελέξγεηαο απφ Φ/Β ζπζηήκαηα κεγάιεο θιίκαθαο, ελψ επίζεο εθαξκφδεηαη θαη ζε κεγάια θηηξηαθά Φ/Β ζπζηήκαηα ηελ ηειεπηαία δεθαεηία. Πξφθεηηαη νπζηαζηηθά γηα έλα ζπγθεξαζκφ ησλ δχν πξναλαθεξζέλησλ ηερλνινγηθψλ ηάζεσλ. πγθεθξηκέλα, παξέρεη ηε δπλαηφηεηα παξαγσγήο ειεθηξηθήο ελέξγεηαο αλάινγεο ηάμεο κε απηή ηεο Κεληξηθνπνηεκέλεο δνκήο ζπλδπάδνληαο ηαπηφρξνλα ηα πιενλεθηήκαηα ησλ Φ/Β ζπζηεκάησλ ηερλνινγίαο Αιπζίδαο. Σν δνκηθφ δηάγξακκα ησλ Φ/Β ζπζηεκάησλ απηήο ηεο θαηεγνξίαο παξνπζηάδεηαη ζην ρήκα ρήκα 1.25: Γνκή θσηνβνιηατθψλ ζπζηεκάησλ ηερλνινγίαο Πνιιαπιψλ Αιπζίδσλ [2]

61 Κεθάλαιο 1 ο Έλα θσηνβνιηατθφ ζχζηεκα ηερλνινγίαο Πνιιαπιψλ Αιπζίδσλ απαξηίδεηαη απφ πνιινχο αλεμάξηεηνπο κεηαηξνπείο ζπλερνχο ηάζεο ζε ζπλερή, θαζέλαο εθ ησλ νπνίσλ εκπεξηέρεη ην δηθφ ηνπ Μ.Ρ.Ρ.Σ. Ζ είζνδνο θάζε κεηαηξνπέα ζπλδέεηαη κε κία αλεμάξηεηε «αιπζίδα» ελ ζεηξά ζπλδεδεκέλσλ Φ/Β πιαηζίσλ, ελψ νη έμνδνί ηνπο ζπλδένληαη ζε έλαλ κφλν θεληξηθφ αληηζηξνθέα. Με απηφλ ηνλ ηξφπν, επηηπγράλεηαη άξηηα ζπλεξγαζία κεηαμχ πνιιψλ αλεμάξηεησλ «αιπζίδσλ», νη νπνίεο κπνξεί λα απαξηίδνληαη ηφζν απφ δηαθνξεηηθφ αξηζκφ Φ/Β πιαηζίσλ, φζν θαη απφ Φ/Β πιαίζηα δηαθνξεηηθήο ηερλνινγίαο. Δπηπξφζζεηα, ε παξάιιειε ιεηηνπξγία «αιπζίδσλ» κε δηαθνξεηηθφ γεσγξαθηθφ πξνζαλαηνιηζκφ ή κε δηαθνξεηηθέο ζπλζήθεο ζθίαζεο, δελ δπζρεξαίλνπλ ηελ παξαγσγηθφηεηα ηνπ φινπ ζπζηήκαηνο, θαζψο θαζεκία ηνπο κπνξεί λα δνπιεχεη ζην δηθφ ηεο ζεκείν κέγηζηεο απνδηδφκελεο ηζρχνο. Ο ζπλδπαζκφο ησλ παξαπάλσ πιενλεθηεκάησλ, θαζηζηά ηα Φ/Β ζπζηήκαηα Πνιιαπιψλ Αιπζίδσλ σο κία αξθεηά ειθπζηηθή επηινγή γηα δηεζπαξκέλε παξαγσγή ζεκαληηθψλ πνζψλ ειεθηξηθήο ελέξγεηαο απφ κεγάια εκπνξηθά ή δεκφζηα θηίξηα. ηνλ αληίπνδα ησλ πιενλεθηεκάησλ πνπ έρνπλ λα επηδείμνπλ ηα θσηνβνιηατθά ζπζηήκαηα ηερλνινγίαο Πνιιαπιψλ Αιπζίδσλ, ππάξρεη έλα ζεκαληηθφ κεηνλεθηήκαηα ην νπνίν ππνβαζκίδεη ηελ αμηνπηζηία ηνπο. πγθεθξηκέλα, αλ θαη ε ρξεζηκνπνίεζε πνιιψλ αλεμάξηεησλ απηνηειψλ αιπζίδσλ πεξηνξίδεη ηνλ θίλδπλν νιηθήο δηαθνπήο ηεο ειεθηξνπαξαγσγηθήο δηαδηθαζίαο, ζε πεξίπησζε πνπ εκθαληζηεί βιάβε ζε θάπνηεο απφ απηέο, ε χπαξμε ελφο κφλν «θεληξηθνχ» αληηζηξνθέα αλαηξεί ην πιενλέθηεκα απηφ, ζηελ πεξίπησζε πνπ απηφο ν ίδηνο παξνπζηάζεη βιάβε Σερλνινγία Φσηνβνιηατθψλ Πιαηζίσλ Δλαιιαζζφκελνπ Ρεχκαηνο Ζ ηειεπηαία θαη λεφηεξε ηερλνινγηθή ηάζε ζηα Γηαζπλδεδεκέλα Κηηξηαθά Φσηνβνιηατθά πζηήκαηα είλαη γλσζηή κε ηνλ φξν Φσηνβνιηατθά Πιαίζηα Δλαιιαζζφκελνπ Ρεχκαηνο (Φ/Β Πιαίζηα Δ.Ρ. ή AC-PV Modules ζηε δηεζλή βηβιηνγξαθία). πρλά, νη δηαηάμεηο απηέο αλαθέξνληαη θαη σο ΡV Μ.Η.C. - PV Module Integrated Converter ή απιά AC Modules. Πξφθεηηαη γηα Φ/Β δηαηάμεηο κηθξήο ειεθηξηθήο ηζρχνο (έσο 300W), νη νπνίεο δεκηνπξγνχληαη απφ ηελ ελζσκάησζε ελφο κφλν Φ/Β πιαηζίνπ θαη ελφο κνλνθαζηθνχ αληηζηξνθέα (Micro-inverter) ζε κία απηνηειή ειεθηξνληθή δηάηαμε. Σν δνκηθφ δηάγξακκα ησλ Φ/Β ζπζηεκάησλ απηήο ηεο θαηεγνξίαο παξνπζηάδεηαη ζην ρήκα 1.26, ελψ ζην ρήκα 1.27 θαίλεηαη έλα Φ/Β Πιαίζην Δ.Ρ. (AC-PV Module)

62 Κεθάλαιο 1 ο ρήκα 1.26: Γνκή θσηνβνιηατθψλ ζπζηεκάησλ ηερλνινγίαο Φ/Β Πιαηζίσλ Δλαιιαζζνκέλνπ Ρεχκαηνο (AC-PV Modules) [2] Μειεηψληαο ηε δνκή ησλ Φ/Β Πιαηζίσλ Δ.Ρ., γίλεηαη αληηιεπηφ φηη ε κέγηζηε ειεθηξηθή ηζρχο πνπ κπνξεί λα παξαρζεί απφ κία απηνηειή Φ/Β κνλάδα (πιαίζην - αληηζηξνθέαο ή κηθξναληηζηνθέαο) θαζνξίδεηαη απφ ηα ειεθηξηθά ραξαθηεξηζηηθά ηνπ ρξεζηκνπνηνχκελνπ πιαηζίνπ. Σν επίπεδν ηζρχνο θάζε απηνηεινχο Φ/Β κνλάδαο πεξηνξίδεηαη ην πνιχ ζηα 300W. Έλα αθφκα ζπκπέξαζκα πνπ εμάγεηαη απφ ην ρήκα 1.26, είλαη ε αλάγθε αλχςσζεο ηεο ηάζεο ηνπ Φ/Β πιαηζίνπ. Ζ ζπλερήο ηάζε πνπ επηθξαηεί ζηα άθξα ηεο θσηνγελλήηξηαο δελ κπνξεί λα κεηαηξαπεί απεπζείαο ζε ελαιιαζζφκελε ηάζε, ζχκθσλε κε ηηο πξνδηαγξαθέο ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ ησλ αζηηθψλ πεξηνρψλ (220V rms ), ρσξίο ηε δηακεζνιάβεζε ελφο κεηαηξνπέα αλχςσζεο.σ. ζε.σ. ή ηε ρξεζηκνπνίεζε ελφο ρακειφζπρλνπ ή πςίζπρλνπ κεηαζρεκαηηζηή. Ζ παξάιιειε ιεηηνπξγία πνιιψλ απηνηειψλ κνλάδσλ επηηξέπεη ηελ παξαγσγή κεγαιχηεξσλ πνζψλ ειεθηξηθήο ελέξγεηαο, εμαζθαιίδνληαο ηαπηφρξνλα πςειή αμηνπηζηία δηφηη ειαρηζηνπνηείηαη ν θίλδπλνο νιηθήο απψιεηαο ηεο ειεθηξνπαξαγσγήο ζε πεξηπηψζεηο πξνγξακκαηηζκέλεο ζπληήξεζεο ή εκθάληζεο βιαβψλ. Δπηπξφζζεηα, αμίδεη λα ζεκεησζεί φηη ε ρξήζε πνιιψλ αλεμάξηεησλ κνλάδσλ δελ ζεκαηνδνηεί θαη ηελ αλαγθαζηηθή αχμεζε ηνπ θφζηνπο επέλδπζεο, δηφηη ε δηαθαηλφκελε δπλαηφηεηα καδηθήο παξαγσγήο ησλ Φ/Β Πιαηζίσλ Δ.Ρ. εθηηκάηαη πσο ζα νδεγήζεη ηειηθά ζε ζεκαληηθή κείσζε ηνπ θφζηνπο θαηαζθεπήο ησλ ρξεζηκνπνηνχκελσλ ειεθηξνληθψλ κεηαηξνπέσλ

63 Κεθάλαιο 1 ο ρήκα 1.27: Φ/Β Πιαίζην Δ.Ρ. (AC-PV Module) ηεο εηαηξίαο Petra Solar ζην νπνίν θαίλεηαη θαη ν Micro-inverter πνπ ζα ελζσκαησζεί ζε απηφ, γηα ηε δεκηνπξγία ελφο νινθιεξσκέλνπ ζπζηήκαηνο Δπίζεο, ράξε ζηελ απιφηεηα ηεο δνκήο ησλ Φ/Β Πιαηζίσλ Δ.Ρ., θαζίζηαηαη εθηθηή ε εμάιεηςε ησλ κεηνλεθηεκάησλ πνπ δηέπνπλ ηηο πξναλαθεξζείζεο ηερλνινγηθέο ηάζεηο. Αλαιπηηθφηεξα, ε ζχλδεζε ελφο κφλν Φ/Β πιαηζίνπ αλά κεηαηξνπέα επηηξέπεη ηνλ βέιηηζην έιεγρν ηεο θσηνγελλήηξηαο απφ ηνλ M.P.P.T., νδεγψληαο έηζη ζε κεγηζηνπνίεζε ηεο παξαγσγηθφηεηάο ηεο θάησ απφ νπνηνζδήπνηε πεξηβαιινληνινγηθέο ζπλζήθεο. Δπηπξφζζεηα, ε χπαξμε πιεζψξαο Φ/Β πιαηζίσλ δηαθνξεηηθήο νλνκαζηηθήο ηζρχνο επλνεί ηε δεκηνπξγία κηθξψλ θαη επέιηθησλ κνλάδσλ δηεζπαξκέλεο παξαγσγήο, νη νπνίεο κπνξνχλ εχθνια λα εγθαηαζηαζνχλ ηφζν ζε κηθξέο θαηνηθίεο, φζν θαη ζε κεγάια εκπνξηθά ή δεκνζία θηίξηα θαιχπηνληαο, ηνπηθά έλα κεξίδην ηεο ελεξγεηαθήο θαηαλάισζεο ησλ αζηηθψλ πεξηνρψλ. Δπηπιένλ, ιφγσ ηεο ρακειήο ηάζεο δηαζχλδεζεο πιαηζίνπ - κνλνθαζηθνχ αληηζηξνθέα, δελ απαηηείηαη ε εθαξκνγή εηδηθψλ ηερληθψλ γεηψζεσο, νχηε ε ηνπνζέηεζε εηδηθψλ ζπζηεκάησλ πξνζηαζίαο, γεγνλφο πνπ κεηψλεη αθελφο ην θφζηνο ηνπ φινπ ζπζηήκαηνο θαη αθεηέξνπ θαζηζηά ηα Φ/Β Πιαίζηα Δ.Ρ. κία πξνζηηή ιχζε γηα ην επξχ θνηλφ, πνπ δελ έρεη ηδηαίηεξε εμνηθείσζε κε ηηο ειεθηξνινγηθέο εγθαηαζηάζεηο

64 Κεθάλαιο 1 ο Απφ ηελ άιιε πιεπξά, ηα αδχλακα ζεκεία ησλ Φσηνβνιηατθψλ Πιαηζίσλ Δλαιιαζζφκελνπ Ρεχκαηνο εληνπίδνληαη ζε δχν ζεκεία. πγθεθξηκέλα, ζε αληίζεζε κε ηηο πξνεγνχκελεο δνκέο Φ/Β ζπζηεκάησλ ζηηο νπνίεο νη ειεθηξνληθνί κεηαηξνπείο ηνπνζεηνχληαη ζπλήζσο ζην εζσηεξηθφ ησλ θηηξίσλ πνπ εγθαζίζηαληαη, ζηα ελ ιφγσ Φ/Β ζπζηήκαηα είλαη ελζσκαησκέλνη είηε ζην πίζσ κέξνο ηνπ πιαηζίνπ είηε ζηνλ κεραληζκφ ζηήξημεο απηνχ. Απφξξνηα απηήο ηεο ηδηαηηεξφηεηαο είλαη ε άκεζε έθζεζε ηνπ κεηαηξνπέα ζε κεγάιεο ζεξκνθξαζίεο, ηδηαίηεξα θαηά ηε δηάξθεηα ησλ θαινθαηξηλψλ κελψλ, γεγνλφο πνπ κπνξεί λα επηθέξεη κείσζε ηνπ πξνζδφθηκνπ ηεο δηάξθεηαο δσήο ηνπ. Δπίζεο, ιακβάλνληαο ππ φςηλ φηη ε ςχμε ελφο Φ/Β πιαηζίνπ εμαξηάηαη ηφζν απφ ηηο θιηκαηνινγηθέο ζπλζήθεο ηεο πεξηνρήο ζηελ νπνία είλαη εγθαηεζηεκέλν (ζεξκνθξαζία πεξηβάιινληνο, ζπλζήθεο ειηνθάλεηαο, πγξαζία θαη άλεκνο), φζν θαη απφ ηηο ζεξκηθέο ηδηφηεηέο ηνπ, είλαη εχινγν φηη ν ηξφπνο κε ηνλ νπνίν ν κεηαηξνπέαο εδξάδεηαη ζε απηφ, κπνξεί λα πξνθαιέζεη ηελ ηνπηθή ηνπ ππεξζέξκαλζε θαη ζε αθξαίεο πεξηπηψζεηο αθφκα θαη ηελ θαηαζηξνθή ηνπ. Κιείλνληαο, πξέπεη λα επηζεκαλζεί φηη ε ζεξκηθή θαηαπφλεζε ηφζν ηνπ Φ/Β πιαηζίνπ φζν θαη ηνπ ειεθηξνληθνχ κεηαηξνπέα κπνξεί λα κεηξηαζζεί κε ηελ εθαξκνγή εηδηθψλ ηερληθψλ έδξαζεο. Λακβάλνληαο ππ φςηλ ηα πιενλεθηήκαηα θαη ηα κεηνλεθηήκαηα πνπ αλαπηχρζεθαλ ελδειερψο παξαπάλσ, ηεθκαίξεηαη φηη ηα Φ/Β ζπζηήκαηα Πνιιαπιψλ Αιπζίδσλ, φπσο θαη ηα Φσηνβνιηατθά Πιαίζηα Δλαιιαζζφκελνπ Ρεχκαηνο ππεξηεξνχλ έλαληη ησλ ππνινίπσλ ηερλνινγηθψλ δνκψλ. Δπηπιένλ, ζπλππνινγίδνληαο ηνλ ηξφπν δφκεζεο ησλ ζχγρξνλσλ αζηηθψλ θέληξσλ, ηα Φ/Β Πιαίζηα Δ.Ρ. απνηεινχλ ηελ ηδαληθφηεξε επηινγή, δηφηη παξέρνπλ ηε δπλαηφηεηα δεκηνπξγίαο επέιηθησλ θσηνβνιηατθψλ ζπζηεκάησλ, ηα νπνία κπνξνχλ εχθνια λα πξνζαξκνζηνχλ ηφζν ζηηο πεξηνξηζκέλεο δηαζέζηκεο επηθάλεηεο ησλ κηθξψλ θαηνηθηψλ φζν θαη ζηηο επκεγέζεηο επηθάλεηεο ησλ κεγάισλ εκπνξηθψλ ή δεκφζησλ θηηξίσλ. ην ζεκείν απηφ, πξέπεη λα επηζεκαλζεί φηη ζηελ πεξίπησζε ησλ Φ/Β ζπζηεκάησλ πνπ εγθαζίζηαληαη ζε κεγάια εκπνξηθά ή δεκφζηα θηίξηα, ε επηινγή ησλ Φ/Β Πιαηζίσλ Δ.Ρ. πξνζδίδεη κεγαιχηεξε αμηνπηζηία έλαληη ησλ Φ/Β ζπζηεκάησλ Πνιιαπιψλ Αιπζίδσλ, ιφγσ ησλ πνιιψλ αλεμάξηεησλ απηνηειψλ κνλάδσλ. Απφ νηθνλνκηθήο απφςεσο φκσο, ελδερνκέλσο ην θφζηνο εγθαηάζηαζεο λα είλαη κεγαιχηεξν, ιφγσ ηνπ κεγαιχηεξνπ πιήζνπο ησλ ρξεζηκνπνηνχκελσλ ειεθηξνληθψλ κεηαηξνπέσλ. ε απηήλ ηελ πεξίπησζε, ε ηειηθή επηινγή κεηαμχ ησλ δχν ηερλνινγηθψλ ηάζεσλ πξνθχπηεη απφ ηε βαξχηεηα πνπ δίλεηαη ζηελ αμηνπηζηία θαη ζην νηθνλνκηθφ θφζηνο

65 Κεθάλαιο 1 ο Δπηπξνζζέησο, αμίδεη λα παξνπζηαζηνχλ νξηζκέλεο ηνπνινγίεο κεηαηξνπέσλ, νη νπνίνη ζα κπνξνχζαλ λα ρξεζηκνπνηεζνχλ ζε Φ/Β Πιαίζηα Δ.Ρ. ην ρήκα 1.28 θαίλνληαη νη ηνπνινγίεο απηέο, νη νπνίεο θαη αλαιχνληαη εθηελψο ζηηο δεκνζηεχζεηο [13-27] πνπ έρνπλ παξνπζηαζηεί ζηε δηεζλή βηβιηνγξαθία. Μία ζεηξά απφ αληηζηξνθείο κηαο βαζκίδαο, νη νπνίνη κπνξνχλ λα ρξεζηκνπνηεζνχλ γηα ηνλ ίδην ζθνπφ παξνπζηάδεηαη ζηε δεκνζίεπζε [28]. Απφ ηηο ηνπνινγίεο πνπ εκθαλίδνληαη ζην ρήκα 1.28, ζηε ζπγθεθξηκέλε δηπισκαηηθή εξγαζία, ζα θαηαπηαζηνχκε κε ηε κειέηε θαη θαηαζθεπή ηεο ηνπνινγίαο (β), αθνχ ζπγθεληξψλεη πιήζνο επηζπκεηψλ ραξαθηεξηζηηθψλ γηα εθαξκνγέο Φ/Β ζπζηεκάησλ ηερλνινγίαο AC-PV Module, φπσο ζα δηαπηζησζεί ζηα επφκελα θεθάιαηα. Αθνινχζσο, παξαηίζεληαη ζηνλ Πίλαθα 1.1, εηαηξίεο νη νπνίεο θαηαζθεπάδνπλ κηθξναληηζηξνθείο (Micro-inverters) πνπ ελζσκαηψλνληαη ζηα Φ/Β Πιαίζηα Δ.Ρ. ηνλ πίλαθα απηφλ απεηθνλίδνληαη ελδεηθηηθά κνληέια Micro-inverters ησλ εηαηξηψλ, θαζψο θαη αληηπξνζσπεπηηθά ηερληθά ραξαθηεξηζηηθά απηψλ. Απφ ηνλ ζπγθεθξηκέλν πίλαθα παξαηεξνχκε πσο ππάξρεη πνηθηιία κηθξναληηζηξνθέσλ ζηε δηεζλή αγνξά, ε ειεθηξηθή ηζρχο ησλ νπνίσλ θπκαίλεηαη πεξί ηα 200W. Ζ ηάζε εηζφδνπ ηεο πιεηνςεθίαο απηψλ βξίζθεηαη ζηελ πεξηνρή ησλ 27-65V, ελψ ε ηάζε εμφδνπ (110V / 220V) θαη ε ζπρλφηεηα (50Hz / 60Hz) απηψλ εμαξηάηαη απφ ην ειεθηξηθφ δίθηπν Δ.Ρ. ζην νπνίν ν θάζε κηθξναληηζηξνθέαο ζα ζπλδεζεί. Ο ζπληειεζηήο ηζρχνο ηνπο μεπεξλά ην 0,95 θαη ν ζπληειεζηήο απφδνζεο ην 92%, ζε νξηζκέλα κνληέια σζηφζν, αγγίδεη ην 98,6%. Να ζεκεησζεί, φηη ην έηνο 2012 ε εηαηξία SMA Solar Technology AG ζα είλαη ζε ζέζε λα θπθινθνξήζεη ζηε δηεζλή αγνξά ην δηθφ ηεο κνληέιν Micro-inverter [29]

66 Κεθάλαιο 1 ο ρήκα 1.28: Σνπνινγίεο κεηαηξνπέσλ κηαο βαζκίδαο κε απνκφλσζε [2]

67 Company Model SolarBridge Technologies [30] P235LV- 240 P235HV- 240 M S12/ Enphase Energy [31] M S12/3 M S12 Κεθάλαιο 1 ο M S12 Max P in DC (W) Nom P in DC (W) Min V in (V) Max V in (V) V MP Range (V) Max I SC (A) Max I in (A) 9 6, Nom P out (W) Max P out (W) Nom I out (A) 0,9375 0,9375 0,92 0,8 1 0,88 Max I out (A) Nom V out (V) Nom Voltage Range (V) Nom f (Hz) Nom Frequency Range (Hz) 59,3-60,5 59,3-60,5 59,3-60,5 59,3-60,5 59,3-60,5 59,3-60,5 P.F. > 0,99 > 0,99 > 0,95 > 0,95 > 0,95 > 0,95 T.H.D. < 5% < 5% Peak Efficiency 95,5% 95,5% 95,5% 95,5% 96% 96% C.E.C. Efficiency 94,2% 94,2% 95% 95% 95,5% 95,5% Euro Efficiency M.P.P. Tracking 99,6% 99,6% 99,6% 99,6% 99,6% 99,6% Efficiency Night Time Power Consumption < 30 mw < 30 mw 30 mw 30 mw 30 mw 30 mw Πίλαθαο 1.1: Δλδεηθηηθά κνληέια Micro-inverters θαη αληηπξνζσπεπηηθά ηερληθά ραξαθηεξηζηηθά απηψλ

68 Company Model Enphase Energy [31] D LL-S12/3 D LL-S12/3- NA GreenRay [32] Petra Solar [33] Κεθάλαιο 1 ο Exeltech [34] SunSine200 SEM120 SEM230 UL-1741 Max P in DC (W) Nom P in DC (W) Min V in (V) Max V in (V) V MP Range (V) Max I SC (A) Max I in (A) Nom P out (W) Max P out (W) /- 5% Nom I out (A) 1,8 1, ,8 Max I out (A) - - 1,6 1, Nom V out (V) Nom Voltage Range (V) Nom f (Hz) Nom Frequency Range (Hz) 59,3-60,5 59,3-60,5 59,4-60,4 59,3-60, ,3-60,5 P.F. > 0,95 > 0,95 0,98 > 0,99 > 0,99 > 0,99 T.H.D. - - < 5% < 5% < 5% < 5% Peak Efficiency 95,5% 95,5% ,8% C.E.C. Efficiency 95% 95% - 93% 91,5% 94,5% Euro Efficiency M.P.P. Tracking 99,6% 99,6% Efficiency Night Time Power Consumption 50 mw 50 mw W Πίλαθαο 1.1 (πλέρεηα): Δλδεηθηηθά κνληέια Micro-inverters θαη αληηπξνζσπεπηηθά ηερληθά ραξαθηεξηζηηθά απηψλ

69 Company Model Sparq [35] S190NA3250 S215NA DGM- S460 Direct Grid Technologies [36] DGM- S250 DGA-S250 Κεθάλαιο 1 ο DGA- S400 Max P in DC (W) Nom P in DC (W) Min V in (V) Max V in (V) V MP Range (V) Max I SC (A) Max I in (A) ,2 2,7 2,7 Nom P out (W) Max P out (W) Nom I out (A) Max I out (A) 0,8 0,9 2 Nom V out (V) Nom Voltage Range (V) 208 (EU) / 230 (US) 0,9 (EU) / 1 (US) 208 (EU) / 230 (US) 1,14 1, Nom f (Hz) / / / / 60 Nom Frequency Range (Hz) 59,3-60,5 59,3-60, P.F. > 0,99 > 0,99 > 0,99 > 0,99 > 0,995 > 0,995 T.H.D. < 2% < 2% Peak Efficiency 94,5% 94,5% 93% 92% 95% 94% C.E.C. Efficiency 93,5% 93,5% 92% 91% 92% 92% Euro Efficiency M.P.P. Tracking % 99% 99% 99% Efficiency Night Time Power Consumption 26 mw 25 mw 10 mw 10 mw 10 mw 10 mw Πίλαθαο 1.1 (πλέρεηα): Δλδεηθηηθά κνληέια Micro-inverters θαη αληηπξνζσπεπηηθά ηερληθά ραξαθηεξηζηηθά απηψλ

70 Company Model SMI- 200/G83 SMI- 200/VDE SMI- 240/G Enecsys [37] SMI- 240/VDE SMI- 280/G83 Κεθάλαιο 1 ο SMI- 280/VDE Max P in DC (W) Nom P in DC (W) Min V in (V) Max V in (V) V MP Range (V) Max I SC (A) Max I in (A) Nom P out (W) Max P out (W) Nom I out (A) Max I out (A) 1,2 1,2 1,2 1,2 1,4 1,4 Nom V out (V) Nom Voltage Range (V) Nom f (Hz) Nom Frequency Range (Hz) 47-50,5 47,5-50, ,5 47,5-50, ,5 47,5-50,2 P.F. > 0,95 > 0,95 > 0,95 > 0,95 > 0,95 > 0,95 T.H.D. < 5% < 5% < 5% < 5% < 5% < 5% Peak Efficiency 94% 94% 94% 94% 94% 94% C.E.C. Efficiency Euro Efficiency 92% 92% 92,1% 92,1% 92,1% 92,1% M.P.P. Tracking Efficiency Night Time Power Consumption < 30 mw 0 W < 30 mw 0 W 0 W 0 W Πίλαθαο 1.1 (πλέρεηα): Δλδεηθηηθά κνληέια Micro-inverters θαη αληηπξνζσπεπηηθά ηερληθά ραξαθηεξηζηηθά απηψλ

71 Company Involar [38] SunSil [39] Model MAC250 MAC250-B MAC300 MAC900 SunSil 300 Κεθάλαιο 1 ο SolarEdge [40] PB250-CSI / PB350-CSI Max P in DC (W) Nom P in DC (W) / 350 Min V in (V) Max V in (V) V MP Range (V) Max I SC (A) Max I in (A) 10 3, ,5-14 Nom P out (W) Max P out (W) Nom I out (A) 0,82 1,02 1,22 3,74 1,2 - Max I out (A) ,7 - Nom V out (V) /- 20% - Nom Voltage Range (V) Nom f (Hz) /- 2,5 - Nom Frequency Range (Hz) 49,5-50, P.F. 0,99 > 0,99 0,99 > 0, T.H.D. < 4% < 3% < 3% < 3% - - Peak Efficiency 95% 95% 95% 96,5% - 98,6% C.E.C. Efficiency 94% 94% 94% 96% - 97,7% Euro Efficiency ,8% M.P.P. Tracking Efficiency Night Time Power Consumption 100 mw 100 mw 80 mw 100 mw < 30 mw 0 mw Πίλαθαο 1.1 (πλέρεηα): Δλδεηθηηθά κνληέια Micro-inverters θαη αληηπξνζσπεπηηθά ηερληθά ραξαθηεξηζηηθά απηψλ

72 Company Apparent [41] Grace Solar [42] Model MGi-220 M-180 M Delta Energy Systems [43] Delta Micro Inverter YC200-EU Κεθάλαιο 1 ο HAQ Solar [44] YC200-NA Max P in DC (W) Nom P in DC (W) Min V in (V) Max V in (V) V MP Range (V) Max I SC (A) Max I in (A) Nom P out (W) Max P out (W) Nom I out (A) 1, ,88 0,87 0,83 Max I out (A) 2, ,2 - Nom V out (V) Nom Voltage Range (V) Nom f (Hz) / Nom Frequency Range (Hz) ,1 - P.F. - > 0,99 > 0,99 > 0,99 > 0,99 0,99 T.H.D < 5% < 3% Peak Efficiency 91% 96% 96% 95% 95% 95% C.E.C. Efficiency % - 94% Euro Efficiency % M.P.P. Tracking - 99% 99% 99,6% 99% 99% Efficiency Night Time Power Consumption mw 30 mw - Πίλαθαο 1.1 (πλέρεηα): Δλδεηθηηθά κνληέια Micro-inverters θαη αληηπξνζσπεπηηθά ηερληθά ραξαθηεξηζηηθά απηψλ

73 Κεθάλαιο 1 ο Company XSLent Energy Technologies [45] Power-One [46] Model XPX A100 Micro I-OUTD Micro-0.3- I-OUTD Micro-0.25-I- OUTD-US Micro-0.3-I- OUTD-US Max P in DC (W) Nom P in DC (W) Min V in (V) Max V in (V) V MP Range (V) Max I SC (A) Max I in (A) Nom P out (W) Max P out (W) Nom I out (A) 1, Max I out (A) 1,75 1,2 1,5 1,3 1,15 Nom V out (V) / / 240 Nom Voltage Range (V) / / Nom f (Hz) Nom Frequency Range (Hz) ,3-60,5 59,3-60,5 P.F. - > 0,95 > 0,95 > 0,95 > 0,95 T.H.D. - Peak Efficiency 91% 96% 96,3% 96% 96,3% C.E.C. Efficiency - 95,5% 95,5% 95,5% 95,5% Euro Efficiency - 95,4% 95,5% 95,4% 95,5% M.P.P. Tracking Efficiency Night Time Power Consumption - < 50 mw < 50 mw < 50 mw < 50 mw Πίλαθαο 1.1 (πλέρεηα): Δλδεηθηηθά κνληέια Micro-inverters θαη αληηπξνζσπεπηηθά ηερληθά ραξαθηεξηζηηθά απηψλ

74 Κεθάλαιο 1 ο Σέινο, ζην ζεκείν απηφ ζα παξνπζηαζηεί έλα αληηπξνζσπεπηηθφ κνληέιν Micro-inverter, ην νπνίν θαηαζθεπάδεηαη απφ ηελ εηαηξία Enphase Energy. Ο ζπγθεθξηκέλνο Micro-inverter θαίλεηαη ζην ρήκα 1.29 θαη ε θπθισκαηηθή ηνπ ηνπνινγία ζην ρήκα Δλζσκαηψλεη ζε κία εληαία ζπζθεπή έλαλ Maximum Power Point Tracker, έλαλ αληηζηξνθέα, ελψ παξάιιεια δηαζέηεη κνλάδα ειέγρνπ, ε νπνία επηηξέπεη ζηνλ ρξήζηε λα παξαθνινπζεί ιεπηνκεξψο ηε ιεηηνπξγία ηνπ κέζσ ελφο ειεθηξνληθνχ ππνινγηζηή (Ζ/Τ). Ο αληηζηξνθέαο είλαη ηνπνινγίαο Flyback κηαο βαζκίδαο. Πέληε κεγάινη ειεθηξνιπηηθνί ππθλσηέο (1800κF έθαζηνο) βξίζθνληαη ζηελ είζνδφ ηνπ, πξνθεηκέλνπ λα επηηεπρζεί ηθαλνπνηεηηθφ θηιηξάξηζκα ηνπ ξεχκαηνο εηζφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα, θαζψο θαη απνηειεζκαηηθφ Maximum Power Point Tracking [47]. ρήκα 1.29: Enphase Micro-inverter [47] ρήκα 1.30: Κπθισκαηηθή ηνπνινγία ηνπ Enphase Micro-inverter [47]

75 Κεθάλαιο 2 ο ΚΔΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΦΙΤΥΝΟ ΑΝΣΙΣΡΟΦΔΑ ΡΔΤΜΑΣΟ ΣΟΠΟΛΟΓΙΑ FLYBACK ΚΑΙ ΛΔΙΣΟΤΡΓΙΑ ΑΤΣΟΤ ΣΗΝ ΠΔΡΙΟΥΗ ΑΤΝΔΥΟΤ ΑΓΧΓΗ (DCM) 2.1 Απσέρ λειηοςπγίαρ ηος ςτίζςσνος ανηιζηποθέα πεύμαηορ ηοπολογίαρ Flyback Απφ ηα φζα πξνεγήζεθαλ, ηεθκαίξεηαη πσο ν αληηζηξνθέαο ξεχκαηνο ηνπνινγίαο Flyback, απνηειεί κία ηδηαίηεξα ειθπζηηθή ηνπνινγία Micro-inverter (κηαο βαζκίδαο κε απνκφλσζε) γηα ηηο εθαξκνγέο ησλ Φ/Β Πιαηζίσλ Δ.Ρ. (AC-PV Modules). Οη θπξηφηεξνη ιφγνη πνπ νδήγεζαλ ζηελ εμαγσγή ηνπ ζπκπεξάζκαηνο απηνχ, είλαη ε απιφηεηα ηεο δνκήο ηνπ θπθιψκαηνο ηζρχνο ηνπ, ε γαιβαληθή απνκφλσζε πνπ παξέρεη αλάκεζα ζηε θσηνβνιηατθή γελλήηξηα θαη ην ειεθηξηθφ δίθηπν Δ.Ρ., ν πςειφο ζπληειεζηήο ηζρχνο, θαζψο θαη ν πςειφο βαζκφο απφδνζεο ζε έλα επξχ θάζκα ηεο ιεηηνπξγίαο ηνπ. Να επηζεκαλζεί, πσο κέξνο ηεο ζεσξεηηθήο αλάιπζεο πνπ ππάξρεη ζην παξφλ θεθάιαην αληιήζεθε απφ ηε Γηδαθηνξηθή Γηαηξηβή ηνπ Αλαζηάζηνπ Υ. Κπξίηζε, «Βέιηηζηνο ρεδηαζκφο Τςίζπρλνπ Μνλνθαζηθνχ Αληηζηξνθέα γηα ηε Γηαζχλδεζε Φσηνβνιηατθψλ πζηεκάησλ Μηθξήο Ηζρχνο κε ην Γίθηπν Υακειήο Σάζεο», Παλεπηζηήκην Παηξψλ, Σκήκα Ζιεθηξνιφγσλ Μεραληθψλ θαη Σερλνινγίαο Τπνινγηζηψλ, Ηαλνπάξηνο ηελ παξνχζα δηπισκαηηθή εξγαζία θαηαζθεπάδεηαη ε ζπγθεθξηκέλε δηάηαμε πξνθεηκέλνπ λα επηβεβαησζεί ε ζεσξεηηθή κειέηε, θαζψο θαη λα βειηηζηνπνηεζεί ζε δηάθνξα ζεκεία. ην θεθάιαην απηφ, αλαιχεηαη δηεμνδηθά ε ιεηηνπξγία ηνπ ελ ιφγσ αληηζηξνθέα θαη παξνπζηάδεηαη κία ηερληθή ειέγρνπ, ε νπνία ηνλ νδεγεί λα ιεηηνπξγεί ζηελ πεξηνρή ηεο αζπλερνχο αγσγήο (Discontinuous Conduction Mode, DCM) [2, 48-52]. Ζ βαζηθή ηδέα ζηελ νπνία ζηεξίδεηαη ε αξρή ιεηηνπξγίαο ηνπ αληηζηξνθέα ξεχκαηνο ηνπνινγίαο Flyback, είλαη ε θαηάιιειε δηακφξθσζε κηαο πεγήο ξεχκαηνο ψζηε ζε νπνηαδήπνηε ρξνληθή ζηηγκή λα παξάγεηαη ελαιιαζζφκελν εκηηνλνεηδέο ξεχκα, ίδηαο ζπρλφηεηαο θαη ζπκθαζηθφ κε ηελ ηάζε ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ. Οη απαηηήζεηο απηέο ζπλνςίδνληαη ζηηο αθφινπζεο δχν εμηζψζεηο: i ( t) g u (t) (2.1) S S AC u ( t) V sint (2.2) AC AC, p

76 Κεθάλαιο 2 ο φπνπ, i S (t) είλαη ε ρξνληθή ζπλάξηεζε ηεο πεγήο ξεχκαηνο, u AC (t) ε ρξνληθή ζπλάξηεζε ηεο ηάζεο ηνπ δηθηχνπ, V AC,p ε ηηκή θνξπθήο (peak) ηεο ηάζεο ηνπ δηθηχνπ θαη g S ε αγσγηκφηεηα ηεο πεγήο ξεχκαηνο, δειαδή ηνπ αληηζηξνθέα, φπσο θαίλεηαη απφ ηε κεξηά ηνπ δηθηχνπ. Απφ ηε κειέηε ηεο εμίζσζεο (2.1), ηεθκαίξεηαη πσο ν αληηζηξνθέαο παξέρεη ζην δίθηπν ειεθηξηθή ελέξγεηα ππφ κνλαδηαίν ζπληειεζηή ηζρχνο. Πξφθεηηαη ινηπφλ, γηα κία δηάηαμε παξφκνηα κε απηέο πνπ ρξεζηκνπνηνχληαη γηα ηε δηφξζσζε ηνπ ζπληειεζηή ηζρχνο, ε νπνία φκσο ζε αληίζεζε κε ηνπο θιαζηθνχο κεηαηξνπείο απηήο ηεο θαηεγνξίαο, κεηαθέξεη ελέξγεηα ζην ειεθηξηθφ δίθηπν απφ ηελ πιεπξά ηεο ζπλερνχο ηάζεο. Σν θπθισκαηηθφ δηάγξακκα ηνπ αληηζηξνθέα παξνπζηάδεηαη ζην ρήκα 2.1. ρήκα 2.1: Κπθισκαηηθφ δηάγξακκα ηνπ αληηζηξνθέα ξεχκαηνο ηνπνινγίαο Flyback [2] Πξνθεηκέλνπ λα είλαη εθηθηή ε κεηαθνξά κφλν πξαγκαηηθήο ηζρχνο απφ ηε θσηνβνιηατθή γελλήηξηα πξνο ηε κεξηά ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ, ζα πξέπεη λα εμαζθαιίδεηαη ζηελ έμνδν ηνπ αληηζηξνθέα ξεχκα εκηηνλνεηδνχο κνξθήο, ζπρλφηεηαο 50Hz θαη ζπκθαζηθφ κε ηελ ηάζε ηνπ δηθηχνπ. Ζ δεκηνπξγία εκηηνλνεηδνχο ελαιιαζζφκελνπ ειεθηξηθνχ ξεχκαηνο επηηπγράλεηαη αθελφο κελ κε ηελ εθαξκνγή θαηάιιειεο ηερληθήο ειέγρνπ ζην εκηαγσγηθφ ζηνηρείν S 1 ηνπ πξσηεχνληνο ηπιίγκαηνο, αθεηέξνπ δε κε ηε ρξεζηκνπνίεζε δχν φκνησλ δεπηεξεπφλησλ ηπιηγκάησλ ζηνλ κεηαζρεκαηηζηή. Διέγρνληαο ηα ρξνληθά δηαζηήκαηα αγσγήο ησλ δηαθνπηηθψλ ζηνηρείσλ S 2 θαη S 3, βάζεη ηεο πνιηθφηεηαο ηεο ηάζεο ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ,

77 Κεθάλαιο 2 ο ηα δχν δεπηεξεχνληα ηπιίγκαηα άγνπλ ζπκπιεξσκαηηθά θαη ζπγθεθξηκέλα γηα δηάζηεκα κηζήο πεξηφδνπ ηνπ δηθηχνπ Δ.Ρ. ην θαζέλα. Έηζη, ην ηζνδχλακν θχθισκα ηνπ αληηζηξνθέα ζε θάζε εκηπεξίνδν ηεο ηάζεο ηνπ δηθηχνπ Δ.Ρ. δηακνξθψλεηαη φπσο θαίλεηαη ζην ρήκα 2.2. πλεπψο, ν αληηζηξνθέαο ζπκπεξηθέξεηαη ζαλ έλαο θιαζηθφο κεηαηξνπέαο.σ./.σ. ηχπνπ Flyback, αιιά κε κεηαβιεηή ηάζε εμφδνπ. ρήκα 2.2: Ηζνδχλακν θχθισκα ηνπ κεηαηξνπέα γηα θάζε εκηπεξίνδν [2] Λακβάλνληαο ππ φςηλ φηη (γηα δεδνκέλα επίπεδα ηζρχνο θαη ζπρλφηεηαο ιεηηνπξγίαο), ν θχξηνο παξάγνληαο πνπ θαζνξίδεη ην κέγεζνο φισλ ησλ πςίζπρλσλ δηαθνπηηθψλ κεηαηξνπέσλ κε απνκφλσζε, είλαη ν φγθνο ηνπ ππξήλα θαη επνκέλσο ε ηηκή ηεο απηεπαγσγήο ηνπ κεηαζρεκαηηζηή, εμάγεηαη ην ζπκπέξαζκα πσο γηα λα είλαη δπλαηή ε ειαρηζηνπνίεζε ησλ δηαζηάζεσλ ηνπ αληηζηξνθέα, ζα πξέπεη λα απνθεπρζεί ε ιεηηνπξγία ηνπ ζηελ πεξηνρή ηεο ζπλερνχο αγσγήο (Continuous Conduction Mode, CCM) [53, 54]. Δπηπιένλ, εθφζνλ ζε απηήλ ηελ πεξηνρή ιεηηνπξγίαο ν κεηαζρεκαηηζηήο δελ εθθνξηίδεηαη πιήξσο κε ηε ζπκπιήξσζε κηαο δηαθνπηηθήο πεξηφδνπ, ν αληηζηξνθέαο ζα ζπκπεξηθέξεηαη ζαλ κία πεγή ηάζεο, ε ηηκή ηεο νπνίαο είλαη αλεμάξηεηε ηνπ θνξηίνπ. 2.2 Γιεπεύνηζη ηηρ λειηοςπγίαρ ηος ανηιζηποθέα ζηην πεπιοσή ηηρ αζςνεσούρ αγυγήρ Όπσο είλαη γλσζηφ, ζηελ πεξηνρή ηεο αζπλερνχο αγσγήο, ν κεηαζρεκαηηζηήο εθθνξηίδεηαη πιήξσο πξηλ ηε ζπκπιήξσζε κηαο δηαθνπηηθήο πεξηφδνπ [53, 54]. Γηα λα είλαη εθηθηή ε δεκηνπξγία εκηηνλνεηδνχο ξεχκαηνο ζηελ έμνδν ηνπ αληηζηξνθέα, εθαξκφδεηαη κία ηερληθή

78 Κεθάλαιο 2 ο ειέγρνπ, ε νπνία εμαλαγθάδεη ηηο κέγηζηεο ηηκέο ηνπ δηαθνπηηθνχ ξεχκαηνο εηζφδνπ, ζε θάζε δηαθνπηηθφ θχθιν, λα δηακνξθψλνληαη ζχκθσλα κε ηελ εκηηνλνεηδή ηάζε ηνπ δηθηχνπ [2]. ην ρήκα 2.3 αλαπαξίζηαηαη ε θπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ηνλ κεηαζρεκαηηζηή. Δπηπιένλ, ζην ίδην ζρήκα, δηεπθξηλίδνληαη νξηζκέλα κεγέζε ηα νπνία ρξεζηκνπνηνχληαη ζηε ζπλέρεηα. Σέινο, πξέπεη λα επηζεκαλζεί, πσο νη ηηκέο ηνπ ξεχκαηνο ησλ δεπηεξεπφλησλ ηπιηγκάησλ έρνπλ αλαρζεί ζηελ πιεπξά ηεο Φ/Β γελλήηξηαο. ρήκα 2.3: Απεηθφληζε ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ηνλ κεηαζρεκαηηζηή ζηελ πεξηνρή ηεο αζπλερνχο αγσγήο (νη ηηκέο ηνπ ξεχκαηνο ησλ δεπηεξεπφλησλ ηπιηγκάησλ έρνπλ αλαρζεί ζηελ πιεπξά ηεο Φ/Β γελλήηξηαο) [2] Όηαλ ν δηαθφπηεο S 1 βξίζθεηαη ζε θαηάζηαζε αγσγήο (δηάζηεκα t on ), ην ξεχκα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή ξέεη κέζσ ηνπ πξσηεχνληνο ηπιίγκαηνο φπσο θαίλεηαη ζην ρήκα 2.4, ελψ θαηά ηε δηάξθεηα ηνπ ρξνληθνχ δηαζηήκαηνο t off, ξέεη κέζσ ηνπ «ελεξγνχ» δεπηεξεχνληνο ηπιίγκαηνο (ρήκα 2.5). Δπηπξφζζεηα, ζηα δχν ηειεπηαία ζρήκαηα επηζεκαίλνληαη θαη νη

79 Κεθάλαιο 2 ο θαηαζηάζεηο ησλ εκηαγσγηθψλ ζηνηρείσλ ηνπ «αλελεξγνχ» δεχηεξνπ δεπηεξεχνληνο ηπιίγκαηνο (απηφ ζην νπνίν ν ειεγρφκελνο δηαθφπηεο είλαη ζε θαηάζηαζε απνθνπήο). ρήκα 2.4: Ηζνδχλακν θχθισκα ηνπ κεηαηξνπέα γηα ην ρξνληθφ δηάζηεκα t on θαη γηα ηε ζεηηθή εκηπεξίνδν ηεο ηάζεο ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ Δ.Ρ. [2] Σν «ελεξγφ» δεπηεξεχνλ ηχιηγκα θαζνξίδεηαη θάζε θνξά απφ ηελ πνιηθφηεηα ηεο ηάζεο ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ, άξα απφ ηνλ έιεγρν ησλ S 2 θαη S 3. Σέινο, ζην ρξνληθφ δηάζηεκα πνπ κεζνιαβεί απφ ηελ πιήξε εθθφξηηζε ηνπ κεηαζρεκαηηζηή κέρξη ην μεθίλεκα ηνπ λένπ δηαθνπηηθνχ θχθινπ, ν κεηαζρεκαηηζηή δελ δηαξξέεηαη απφ ξεχκα. Ζ δηάξθεηα ηνπ δηαζηήκαηνο αγσγήο ηνπ S 1 θαζνξίδεηαη αλάινγα κε ην επίπεδν ηεο ηζρχνο εμφδνπ ηνπ Φ/Β πιαηζίνπ. ρήκα 2.5: Ηζνδχλακν θχθισκα ηνπ κεηαηξνπέα γηα ην ρξνληθφ δηάζηεκα t off θαη γηα ηε ζεηηθή εκηπεξίνδν ηεο ηάζεο ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ Δ.Ρ. [2]

80 Κεθάλαιο 2 ο Καηά ηε δηάξθεηα ηνπ ρξνληθνχ δηαζηήκαηνο αγσγήο ηνπ δηαθφπηε S 1 (δηάζηεκα t on ), ην ξεχκα πνπ δηαξξέεη ην πξσηεχνλ ηχιηγκα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή ππνινγίδεηαη απφ ηελ αθφινπζε εμίζσζε: V DC di () DC t L1 (2.3) dt φπνπ V DC είλαη ε ηάζε εμφδνπ ηεο θσηνβνιηατθήο γελλήηξηαο θαη L 1 είλαη ε απηεπαγσγή ηνπ πξσηεχνληνο ηπιίγκαηνο ηνπ κεηαζρεκαηηζηή ηνπ αληηζηξνθέα. πλεπψο, ε κέγηζηε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο (ε νπνία επηζεκαίλεηαη γξαθηθά ζην ρήκα 2.3) ζε θάζε δηαθνπηηθφ θχθιν είλαη: V i ( t) t ( t), φπνπ t [(i-1) T, i T ], i=1,2,..w DC DC, p on S S L1 (2.4) Υξεζηκνπνηψληαο ην ιφγν θαηάηκεζεο d = t on / Σ S, ε εμίζσζε (2.4) παίξλεη ηελ αθφινπζε κνξθή: VDC idc, p ( t) d( t) L f 1 S (2.5) φπνπ f S είλαη ε δηαθνπηηθή ζπρλφηεηα ιεηηνπξγίαο ηνπ κεηαηξνπέα. Λακβάλνληαο ππ φςηλ, φηη ε κέγηζηε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ηνλ κεηαζρεκαηηζηή πξέπεη λα έρεη εκηηνλνεηδή κνξθή, κπνξνχκε λα γξάςνπκε φηη: i ( t) I sin t, σt [0,π] (2.6) DC, p DC, p VDC φπνπ IDC, p ton, p (βιέπε ρήκα 2.3) είλαη ε κέγηζηε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ην L 1 πξσηεχνλ ηχιηγκα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή (εκθαλίδεηαη γχξσ απφ ηε ρξνληθή ζηηγκή σt = π/2) θαη t on,p είλαη ε ηηκή ηνπ ρξνληθνχ δηαζηήκαηνο αγσγήο ηνπ εκηαγσγηθνχ δηαθφπηε S 1, ε νπνία αλαθέξεηαη ζηελ ίδηα ρξνληθή ζηηγκή. πλεπψο, ν ιφγνο θαηάηκεζεο κπνξεί λα εθθξαζηεί σο εμήο: d( t) d sint (2.7) p φπνπ d p είλαη ε ηηκή ηνπ ιφγνπ θαηάηκεζεο γηα ηε ρξνληθή ζηηγκή σt = π/2. Ζ αθξηβήο ηηκή ηνπ d p θαζνξίδεηαη απφ ηελ ηηκή ηεο ηζρχνο εμφδνπ ηεο θσηνβνιηατθήο γελλήηξηαο. Βάζεη ηεο παξαπάλσ αλάιπζεο, ην δηάγξακκα ειέγρνπ γηα ηελ πεξίπησζε ηεο

81 Κεθάλαιο 2 ο ιεηηνπξγίαο ηνπ κεηαηξνπέα ζηελ πεξηνρή ηεο αζπλερνχο αγσγήο, είλαη έλαο απιφο βξφρνο P.W.M. (Pulse Width Modulation - Γηακφξθσζε ηνπ εχξνπο ησλ παικψλ) ζηαζεξήο δηαθνπηηθήο ζπρλφηεηαο, φπσο θαίλεηαη ζην ρήκα 2.6. ην ίδην ζρήκα παξνπζηάδνληαη θαη ηα ζήκαηα ειέγρνπ ησλ εκηαγσγηθψλ δηαθνπηψλ ησλ δεπηεξεπφλησλ ηπιηγκάησλ ηνπ κεηαζρεκαηηζηή. Απφ ηηο εμηζψζεηο (2.6) θαη (2.7) πξνθχπηεη ε αθφινπζε έθθξαζε γηα ην Η DC,p : I DC, p V L DC 1 d f S p (2.8) Γηα λα εμαζθαιίδεηαη ε ιεηηνπξγία ηνπ αληηζηξνθέα ζηελ πεξηνρή ηεο αζπλερνχο αγσγήο ζα πξέπεη, γηα ην κέγηζην επίπεδν ηζρχνο ηεο Φ/Β γελλήηξηαο, ην ξεχκα πνπ δηαξξέεη ην δεπηεξεχνλ ηχιηγκα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή λα κεδελίδεηαη πξηλ ην μεθίλεκα ηεο επφκελεο δηαθνπηηθήο πεξηφδνπ. Γειαδή, πξέπεη λα ηζρχεη: t T t (2.9) off S on, p ρήκα 2.6: Γεληθφ δηάγξακκα ειέγρνπ ησλ εκηαγσγηθψλ δηαθνπηψλ S 1, S 2, S 3 γηα ηελ πεξίπησζε ηεο αζπλερνχο αγσγήο (DCM) [2]

82 Κεθάλαιο 2 ο Υξεζηκνπνηψληαο ην ηζνδχλακν θχθισκα ηνπ κεηαηξνπέα γηα ην ρξνληθφ δηάζηεκα ζην νπνίν ν δηαθφπηεο S 1 δελ άγεη (ρήκα 2.5), κπνξνχκε λα ππνινγίζνπκε ηελ ηηκή ηνπ t off. ην δηάζηεκα απηφ ηζρχεη: u AC d[ n idc ( t)] L1 () t (2.10) 2 dt n φπνπ n είλαη ε ηηκή ηνπ ιφγνπ κεηαζρεκαηηζκνχ: n N DC (2.11) N AC Ν DC, ν αξηζκφο ησλ ζπεηξψλ ηνπ ηπιίγκαηνο ηνπ κεηαζρεκαηηζηή πνπ ζπλδέεηαη κε ηε θσηνβνιηατθή γελλήηξηα θαη Ν AC, ν αξηζκφο ησλ ζπεηξψλ ηνπ ηπιίγκαηνο ηνπ κεηαζρεκαηηζηή πνπ ζπλδέεηαη κε ην δίθηπν Δ.Ρ. Δθφζνλ ε δηαθνπηηθή πεξίνδνο είλαη πνιχ κηθξή ζε ζρέζε κε ηελ πεξίνδν ηνπ ελαιιαζζφκελνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ, κπνξεί λα ζεσξεζεί φηη ε u AC (t) παξακέλεη ζηαζεξή θαηά ηε δηάξθεηα κηαο δηαθνπηηθήο πεξηφδνπ. Δπηπιένλ, εθφζνλ ην ξεχκα πνπ δηαξξέεη ην δεπηεξεχνλ ηχιηγκα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή κεδελίδεηαη ζην ηέινο ηνπ δηαζηήκαηνο t off, ζχκθσλα κε ην ρήκα 2.5, ην t off κπνξεί λα εθθξαζηεί απφ ηελ αθφινπζε ζρέζε: t off n i () t L () t (2.12) u t n DC, p 1 2 AC () Υξεζηκνπνηψληαο ηηο εμηζψζεηο (2.2), (2.6) θαη (2.8), ε (2.12) ιακβάλεη ηελ αθφινπζε κνξθή: t off V () t V DC AC, p d p n f S (2.13) Δηζάγνληαο ηελ παξάκεηξν ι, ε νπνία εθθξάδεη ηνλ ιφγν ηεο ηάζεο εηζφδνπ ηνπ κεηαηξνπέα πξνο ηελ ηηκή θνξπθήο (peak) ηεο ηάζεο ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ Δ.Ρ., έρνπκε: V ι= DC V AC, p θαη ζπλδπάδνληαο ηηο εμηζψζεηο (2.13) θαη (2.14) θαηαιήγνπκε ζηελ αθφινπζε ζρέζε: (2.14) toff () t = dp (2.15) T n S

83 Κεθάλαιο 2 ο πλεπψο, ν παξαπάλσ ιφγνο είλαη ζηαζεξφο γηα νπνηαδήπνηε δηαθνπηηθή πεξίνδν ζην δηάζηεκα ηεο πεξηφδνπ ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ Δ.Ρ., εθφζνλ βέβαηα ε ηηκή ηεο παξακέηξνπ ι παξακέλεη ζηαζεξή. Σέινο, αληηθαζηζηψληαο ζηελ εμίζσζε (2.9) ηελ (2.15), εμάγεηαη ην αθφινπζν θξηηήξην γηα ηε δηαζθάιηζε ηεο ιεηηνπξγίαο ηνπ αληηζηξνθέα ζηελ πεξηνρή ηεο αζπλερνχο αγσγήο: d p 1 (2.16) 1 n πλεπψο, γηα ην κέγηζην επίπεδν ηζρχνο ηεο Φ/Β γελλήηξηαο (ζεκείν M.P.P.), ε νξηαθή ηηκή ηνπ ιφγνπ θαηάηκεζεο (ε νπνία αληηζηνηρεί ζην ρξνληθφ δηάζηεκα αγσγήο γχξσ απφ ην σt = π/2) πνπ εμαζθαιίδεη ην κεδεληζκφ ηνπ ξεχκαηνο ηνπ ελεξγνχ δεπηεξεχνληνο ηπιίγκαηνο ηνπ κεηαζρεκαηηζηή, πξηλ ην μεθίλεκα ηεο επφκελεο δηαθνπηηθήο πεξηφδνπ, δίλεηαη απφ ηελ αθφινπζε ζρέζε: d p,max 1 (2.17) 1 n Αλαθνξηθά κε ηε κεηαθεξφκελε ειεθηξηθή ηζρχ πνπ ξέεη απφ ηνλ αληηζηξνθέα πξνο ην ειεθηξηθφ δίθηπν θαη ζεσξψληαο φηη ν πξψηνο παξέρεη ελέξγεηα ζην δίθηπν ππφ κνλαδηαίν βαζκφ απφδνζεο, ε πξαγκαηηθή ηζρχο πνπ κεηαθέξεηαη ζην δίθηπν P AC ζα ηζνχηαη κε ηελ ηζρχ εμφδνπ ηεο θσηνβνιηατθήο γελλήηξηαο P DC, δειαδή P AC = P DC = P. ηε κφληκε θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο, ε κεηαθεξφκελε ηζρχο κπνξεί λα εθθξαζηεί ζχκθσλα κε ηελ επφκελε εμίζσζε: P V I (2.18) DC DC, avg φπνπ I DC,avg είλαη ε κέζε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ην πξσηεχνλ ηχιηγκα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή. Απνδεηθλχεηαη ηειηθά, πσο ην I DC,avg θαηαιήγεη ζηελ αθφινπζε κνξθή [2]: d V I g d V 2 p DC 1 2 DC, avg L p DC 4 fs L1 4 (2.19) φπνπ g L = 1 / f S L 1. Ζ παξάκεηξνο g L έρεη δηαζηάζεηο αγσγηκφηεηαο θαη εθθξάδεη ηελ αγσγηκφηεηα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή. πλεπψο, ε g L ζρεηίδεηαη κε ηελ αγσγηκφηεηα ηνπ αληηζηξνθέα φπσο θαίλεηαη απφ ηελ είζνδν. πλδπάδνληαο ηηο εμηζψζεηο (2.14), (2.18) θαη (2.19), ε κεηαθεξφκελε ηζρχο ζπλαξηήζεη ηεο ηάζεο ηεο Φ/Β γελλήηξηαο, θαζψο θαη

84 Κεθάλαιο 2 ο ζπλαξηήζεη ηεο ελεξγνχο ηηκήο ηεο ηάζεο ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ Δ.Ρ. είλαη θαη αληηζηνηρία: P d p gl VDC (2.20) d p 1 P V d g V 2 f L 2 S AC, rms p L AC, rms (2.21) Λακβάλνληαο ππ φςηλ ηελ εμίζσζε (2.1), απφ ηελ νπνία θαίλεηαη φηη ε βαζηθή αξκνληθή ηνπ ξεχκαηνο πνπ ξέεη απφ ηνλ αληηζηξνθέα πξνο ην ειεθηξηθφ δίθηπν είλαη ζπκθαζηθή κε ηελ ηάζε ηνπ δηθηχνπ, ε κεηαθεξφκελε ηζρχο κπνξεί λα εθθξαζηεί ζχκθσλα κε ηελ αθφινπζε εμίζσζε: P g V (2.22) S 2 AC, rms Γηαηξψληαο θαηά κέιε ηηο εμηζψζεηο (2.21) θαη (2.22) θαηαιήγνπκε ζηελ αθφινπζε ζρέζε: g g S L d p (2.23) Δπίδπαζη ηυν παπαμέηπυν ηος κςκλώμαηορ ζηα ηλεκηπικά μεγέθη ηος ανηιζηποθέα Ο ιφγνο κεηαζρεκαηηζκνχ ηνπ κεηαζρεκαηηζηή έρεη ηζρπξή επίδξαζε ζηε κέγηζηε αλακελφκελε ηάζε ζηα άθξα ησλ εκηαγσγηθψλ δηαθνπηψλ [2]. Υξεζηκνπνηψληαο ην ηζνδχλακν θχθισκα ηνπ ρήκαηνο 2.5, ε κέγηζηε ηάζε ζηα άθξα ηνπ εκηαγσγηθνχ δηαθφπηε πνπ βξίζθεηαη ζηελ πιεπξά ηεο θσηνβνιηατθήο γελλήηξηαο, κπνξεί λα ππνινγηζηεί απφ ηελ αθφινπζε εμίζσζε: V V n V (2.24) s1, p DC AC, p πλδπάδνληαο ηηο εμηζψζεηο (2.14) θαη (2.24) θαηαιήγνπκε πσο: V V s1, p AC, p n (2.25) ην ρήκα 2.7 απεηθνλίδεηαη ν ιφγνο V S1,p / V AC,p ζπλαξηήζεη ηνπ n θαη κε παξάκεηξν ην ι. Απφ ηελ πξνζεθηηθή κειέηε απηνχ ηνπ ζρήκαηνο, απνδεηθλχεηαη φηη ππάξρεη ζεκαληηθφο πεξηνξηζκφο σο πξνο ηελ επηινγή ηνπ ιφγνπ κεηαζρεκαηηζκνχ, αθνχ αλ ην n πάξεη κεγάιεο

85 Κεθάλαιο 2 ο ηηκέο, κπνξεί λα νδεγήζεη ζηελ αλάπηπμε επηθίλδπλα πςειψλ ηηκψλ ηάζεσλ ζηα άθξα ηνπ εκηαγσγηθνχ δηαθφπηε S 1. Απφ ηελ άιιε πιεπξά, ε κέγηζηε ηάζε ζηνπο δηαθφπηεο πνπ βξίζθνληαη ζηε κεξηά ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ εκθαλίδεηαη φηαλ ν κεηαζρεκαηηζηήο δελ δηαξξέεηαη απφ ξεχκα (έρεη εθθνξηίζεη πιήξσο) θαη κπνξεί λα ππνινγηζηεί απφ ην θπθισκαηηθφ δηάγξακκα ηνπ αληηζηξνθέα ηνπ ρήκαηνο 2.1: V 2 V (2.26) s2, p AC, p H εμίζσζε (2.26) πνιχ εχθνια κεηαζρεκαηίδεηαη ζηελ: V V s2, p AC, p 2 (2.27) ρήκα 2.7: Απεηθφληζε ηνπ ιφγνπ V S1,p / V AC,p ζπλαξηήζεη ηνπ n, κε παξάκεηξν ην ι [2] Αθνινχζσο, ζα εμεηαζζεί ε επίδξαζε ηνπ ιφγνπ κεηαζρεκαηηζκνχ n ζηε κέγηζηε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ηα εκηαγσγηθά ζηνηρεία. Ζ κέγηζηε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ηνλ

86 Κεθάλαιο 2 ο δηαθφπηε S 1 είλαη ζπλάξηεζε ηνπ ιφγνπ κεηαζρεκαηηζκνχ. πλδπάδνληαο ηηο εμηζψζεηο (2.5), (2.17) θαη (2.19) θαηαιήγνπκε ζην φηη ε κέγηζηε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο I DC,p πνπ δηαξξέεη ηα εκηαγσγηθά ζηνηρεία ζην πξσηεχνλ ηχιηγκα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή, δίλεηαη απφ ηελ αθφινπζε ζρέζε: I I DC, p DC, avg 4 1 n (2.28) ην ρήκα 2.8 ζρεδηάδεηαη ν ιφγνο I DC,p / I DC,avg ζπλαξηήζεη ηνπ n θαη κε παξάκεηξν ην ι. Απφ ηελ πξνζεθηηθή κειέηε απηνχ ηνπ ζρήκαηνο, απνδεηθλχεηαη φηη κία αξθεηά κηθξή ηηκή ηνπ ιφγνπ κεηαζρεκαηηζκνχ, κπνξεί λα νδεγήζεη ζε αξθεηά κεγάιεο κέγηζηεο ηηκέο ξεχκαηνο δηακέζνπ ηνπ S 1, νη νπνίεο αλάινγα κε ηελ ηηκή ηεο παξακέηξνπ ι κπνξεί λα θπκαλζνχλ απφ 6 (γηα ι = 0,05 θαη n = 0,1) έσο θαη 22 (γηα ι = 0,45 θαη n = 0,1) θνξέο ηε κέζε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο ηεο θσηνγελλήηξηαο. Σέινο, ν ππνινγηζκφο ηεο κέγηζηεο ηηκήο ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ηα δηαθνπηηθά ζηνηρεία ησλ δεπηεξεπφλησλ ηπιηγκάησλ κπνξεί λα γίλεη απφ ηελ εμίζσζε (2.28), ιακβάλνληαο ππ φςηλ φηη ε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο πνπ πξνθχπηεη απφ ηελ παξαπάλσ ζρέζε ζα είλαη κεησκέλε ή απμεκέλε (αλάινγα κε ηελ ηηκή ηνπ ιφγνπ κεηαζρεκαηηζκνχ) θαηά n θνξέο. ρήκα 2.8: Απεηθφληζε ηνπ ιφγνπ I DC,p / I DC,avg ζπλαξηήζεη ηνπ n, κε παξάκεηξν ην ι [2]

87 Κεθάλαιο 2 ο 2.4 Κύκλυμα ελέγσος για ηην πεπίπηυζη ηηρ λειηοςπγίαρ ηος ανηιζηποθέα ζηην πεπιοσή ηηρ αζςνεσούρ αγυγήρ Πεξηγξαθή θαη κειέηε ηνπ θπθιψκαηνο ειέγρνπ Όπσο αλαθέξζεθε παξαπάλσ, ην δηάγξακκα ειέγρνπ γηα ηελ πεξίπησζε ηεο ιεηηνπξγίαο ηνπ αληηζηξνθέα ζηελ πεξηνρή ηεο αζπλερνχο αγσγήο (DCM), είλαη έλαο απιφο βξφρνο P.W.M. (Pulse Width Modulation - Γηακφξθσζε ηνπ εχξνπο ησλ παικψλ) ζηαζεξήο δηαθνπηηθήο ζπρλφηεηαο. Σν ζήκα ειέγρνπ, ην νπνίν ζα πξνθχςεη απφ ηε δηακφξθσζε P.W.M., είλαη απηφ πνπ ζα νδεγήζεη ηνλ εκηαγσγηθφ δηαθφπηε S 1. Σν θχθισκα γηα ηα ζήκαηα ειέγρνπ ησλ εκηαγσγηθψλ δηαθνπηψλ S 2 θαη S 3 ζα παξνπζηαζηνχλ θαη ζα αλαιπζνχλ ζε επφκελν θεθάιαην. Παξαθάησ, ζην ρήκα 2.9, παξνπζηάδεηαη ην αλαιπηηθφ δηάγξακκα ειέγρνπ ηνπ εκηαγσγηθνχ δηαθφπηε S 1 γηα ηελ πεξίπησζε ηεο αζπλερνχο αγσγήο. ρήκα 2.9: Κχθισκα ειέγρνπ ηνπ εκηαγσγηθνχ δηαθφπηε S 1 γηα ηελ πεξίπησζε ηεο αζπλερνχο αγσγήο (DCM)

88 Κεθάλαιο 2 ο Αξρηθά, ε εκηηνλνεηδήο ηάζε ηνπ δηθηχνπ (220V rms ) κεηαζρεκαηίδεηαη ζε κία κηθξφηεξε ηηκή (24V rms ), κε ηε βνήζεηα ελφο κεηαζρεκαηηζηή κε ππξήλα ζηδήξνπ 220V rms / 24V rms. Έπεηηα, αλνξζψλεηαη πιήξσο κέζσ κηαο γέθπξαο πιήξνπο αλφξζσζεο κε δηφδνπο. Ζ δίνδνο Zener ρξεζηκνπνηείηαη πξνθεηκέλνπ λα κεηψζεη θαηά V Z Volts ην αλνξζσκέλν εκίηνλν (φπνπ V Z είλαη ε ηάζε δηάζπαζεο ηεο δηφδνπ Zener). Απηφ έρεη σο απνηέιεζκα ηε δεκηνπξγία κηθξψλ ρξνληθψλ δηαζηεκάησλ (ηεο ηάμεο ησλ κs) ζηα νπνία ην αλνξζσκέλν εκίηνλν κεδελίδεηαη, ηφζν ζηελ έλαξμε φζν θαη ζηε ιήμε θάζε εκηπεξηφδνπ ηνπ. Ο ιφγνο γηα ηνλ νπνίν είλαη απαξαίηεηα ηα ρξνληθά απηά δηαζηήκαηα κεδεληζκνχ ηνπ αλνξζσκέλνπ εκηηφλνπ, είλαη ν εμήο: θαηά ηε ζβέζε ηνπ εκηαγσγηθνχ δηαθφπηε S 2 θαη έσο φηνπ αλάςεη ν S 3, ππάξρεη έλα κηθξφ ρξνληθφ δηάζηεκα, ζην νπνίν θαη νη δχν δηαθφπηεο S 2 θαη S 3 είλαη ζβεζηνί (Off), εμαηηίαο ησλ ρξφλσλ έλαπζεο θαη ζβέζεο απηψλ. ην ρξνληθφ απηφ δηάζηεκα σζηφζν, πξέπεη λα δηαηεξεζεί θαη ν δηαθφπηεο S 1 ζβεζηφο (Off), δηαθνξεηηθά ππάξρεη πεξίπησζε ππεξζέξκαλζεο ή αθφκε θαη θαηαζηξνθήο ηνπ θπθιψκαηνο ηζρχνο, ιφγσ ζπζζψξεπζεο ηεο ελέξγεηαο ζηνλ πςίζπρλν κεηαζρεκαηηζηή ηζρχνο. Ο ππθλσηήο C 1 απνηειεί έλα βαζππεξαηφ θίιηξν, ελψ νη αληηζηάζεηο R 1 - R 4 θνξηίδνπλ ηνλ κεηαζρεκαηηζηή 220V rms / 24V rms. Οη κεηαβιεηέο αληηζηάζεηο RV 1 θαη RV 2 ρξεζηκνπνηνχληαη πξνθεηκέλνπ λα πξνζαξκφζνπλ ην ζήκα αλαθνξάο (αλνξζσκέλν εκίηνλν) ζην εχξνο πνπ απαηηεί ην νινθιεξσκέλν πνπ ρξεζηκνπνηήζεθε γηα ηε δηακφξθσζε P.W.M. (δειαδή ην LM3524). Σν εχξνο απηφ, γηα ην ζπγθεθξηκέλν νινθιεξσκέλν, είλαη 0,8-3,9V. Να ζεκεησζεί φηη ε RV 2 δεκηνπξγεί κία DC ζπληζηψζα πξνθεηκέλνπ λα γίλεη ε παξαπάλσ πξνζαξκνγή. Ζ κεηαβιεηή αληίζηαζε RV 3 ρξεζηκνπνηείηαη γηα ηε ξχζκηζε ηεο πξαγκαηηθήο ηζρχνο πνπ κεηαθέξεηαη απφ ην θσηνβνιηατθφ πιαίζην ζην ειεθηξηθφ δίθηπν Δ.Ρ. ηελ νπζία, κεηαβάιιεη θαη απηή ην εχξνο ηνπ ζήκαηνο αλαθνξάο, ξπζκίδνληαο έηζη ην εχξνο ησλ παικψλ ηνπ ζήκαηνο ειέγρνπ ηνπ εκηαγσγηθνχ δηαθφπηε S 1. Ο ηειεζηηθφο εληζρπηήο (LM7171), κε ηε βνήζεηα ησλ αληηζηάζεσλ R 5 - R 8, αζξνίδεη ηα ζήκαηα πνπ πξνέξρνληαη απφ ηηο κεηαβιεηέο αληηζηάζεηο RV 2 θαη RV 3 (π εμφδνπ ηει. εληζρπηή = π RV2 + π RV3 ). Σν άζξνηζκα ησλ ζεκάησλ απηψλ απνηειεί ην ζήκα αλαθνξάο ηνπ νινθιεξσκέλνπ LM3524, ην νπνίν θαη ρξεζηκνπνηείηαη γηα ηε δηακφξθσζε P.W.M. Πην ζπγθεθξηκέλα, ην νινθιεξσκέλν απηφ παξάγεη παικνχο κεηαβιεηνχ εχξνπο γηα µηα νξηζκέλε ζπρλφηεηα, ε νπνία ξπζκίδεηαη εθ ησλ πξνηέξσλ µε ηελ επηινγή θαηάιιεισλ ηηκψλ ηεο αληίζηαζεο R T θαη ηνπ ππθλσηή C T. Ζ αληίζηαζε R T δεκηνπξγεί έλα ζηαζεξφ ξεχκα, µε

89 Κεθάλαιο 2 ο ηε βνήζεηα ηνπ νπνίνπ θνξηίδεηαη γξακκηθά ν ππθλσηήο C T. Ζ θφξηηζε απηή έρεη σο απνηέιεζκα, ε ηάζε ζηα άθξα ηνπ ππθλσηή (αθξνδέθηεο 7) λα είλαη µηα πςίζπρλε ξάκπα (ηξίγσλν), ε νπνία θαη ζπγθξίλεηαη µέζσ ελφο ζπγθξηηή µε ηελ ηάζε - ζήκα αλαθνξάο (αθξνδέθηεο 9). ηα ρξνληθά δηαζηήκαηα φπνπ ην ηξίγσλν βξίζθεηαη πάλσ απφ ηελ ηάζε αλαθνξάο δελ έρνπκε παικφ ζηελ έμνδν (ινγηθφ 0), ελψ φπνπ είλαη απφ θάησ έρνπκε παικφ (ινγηθφ 1). Με ηνλ ηξφπν απηφλ, πξνθχπηεη ην ζήκα ειέγρνπ ηνπ εκηαγσγηθνχ δηαθφπηε S 1 γηα ηελ πεξίπησζε ηεο αζπλερνχο αγσγήο (DCM Out S 1 ). ην ζεκείν απηφ, πξέπεη λα ηνληζηεί πσο ε παικνζεηξά πνπ πξνθχπηεη ζηελ έμνδν ηνπ LM3524 (DCM Out S 1, ρήκα 2.9) δελ είλαη απηή ε νπνία ζα νδεγήζεη απεπζείαο ηνλ εκηαγσγηθφ δηαθφπηε ηζρχνο S 1. Σν ζήκα DCM Out S 1 ζα νδεγεζεί αξρηθά ζε έλαλ νπηηθφ απνκνλσηή (Optocoupler) θαη έπεηηα ζην νινθιεξσκέλν θχθισκα (MOSFET Driver), ην νπνίν ηειηθά ζα νδεγήζεη ηνλ εκηαγσγηθφ δηαθφπηε ηζρχνο. Σα ζηνηρεία απηά ζα κειεηεζνχλ αλαιπηηθά ζε επφκελν θεθάιαην Δπηινγή ησλ ζηνηρείσλ ηνπ θπθιψκαηνο ειέγρνπ Γηα ην θχθισκα έιεγρνπ θαη γηα ηελ πεξίπησζε ηεο ιεηηνπξγίαο ηνπ αληηζηξνθέα ζηελ πεξηνρή ηεο αζπλερνχο αγσγήο (DCM), ην νπνίν θαη αλαιχζεθε παξαπάλσ, ε ηηκή ηνπ ππθλσηή C 1 επηιέρζεθε 15nF ελψ νη αληηζηάζεηο R 1 - R 4 είλαη 4,7kΩ έθαζηε. Γηα ηε δίνδν Zener επηιέρζεθε ηάζε δηάζπαζεο V Z = 2,4V, ελψ φιεο νη κεηαβιεηέο αληηζηάζεηο πνπ ρξεζηκνπνηήζεθαλ ζηελ θαηαζθεπή ηνπ θπθιψκαηνο ειέγρνπ είλαη πνιχζηξνθεο, ηχπνπ 202Τ (0-2kΩ). Ο ηειεζηηθφο εληζρπηήο πνπ ρξεζηκνπνηήζεθε είλαη ν πνιχ γξήγνξεο ηαρχηεηαο LM7171, ελψ νη αληηζηάζεηο πνπ ηνλ πιαηζηψλνπλ R 5 - R 8 είλαη 100kΩ ε θαζεκία. Σν νινθιεξσκέλν θχθισκα πνπ ρξεζηκνπνηήζεθε γηα ηε δηακφξθσζε P.W.M., φπσο εηπψζεθε θαη παξαπάλσ, είλαη ην LM3524. Σν νινθιεξσκέλν απηφ απνηειεί κία επξέσο δηαδεδνκέλε θαη ρακεινχ θφζηνπο ιχζε γηα γεληθά θπθιψκαηα ειέγρνπ ζηα νπνία απαηηείηαη δηακφξθσζε ηνπ εχξνπο ησλ παικψλ. Οη ηηκέο ηεο αληίζηαζεο R T θαη ηνπ ππθλσηή C T, νη νπνίεο θαζνξίδνπλ ηε δηαθνπηηθή ζπρλφηεηα ιεηηνπξγίαο, επηιέρζεθαλ ζηε ζπγθεθξηκέλε πεξίπησζε έηζη ψζηε λα πξνθχπηεη κία ζπρλφηεηα ίζε κε 40kHz. πλεπψο, κε βάζε ην θπιιάδην ηνπ θαηαζθεπαζηή, πξνθχπηεη φηη R T = 2,6kΩ θαη C T = 0,01κF. Σέινο, ην νινθιεξσκέλν LM7171 ηξνθνδνηήζεθε κε ειεθηξηθή ηάζε ±15V DC ελψ ην LM3524 κε ηάζε +15V DC. ε θαζέλα απφ απηά ζπλδέζεθε, φζν ην δπλαηφλ πην θνληά ζην

90 Κεθάλαιο 2 ο αληίζηνηρν νινθιεξσκέλν, ππθλσηήο παξάθακςεο (Bypass capacitor), ν νπνίνο παξέρεη ηηο αηρκέο ξεχκαηνο πνπ κπνξεί λα «δεηεζνχλ» απφ θάζε νινθιεξσκέλν. Ο ππθλσηήο παξάθακςεο ζηελ νπζία δηαηεξεί ρακειή ηελ εκπέδεζε ηνπ ηξνθνδνηηθνχ ζε έλα εχξνο ζπρλνηήησλ

91 Κεθάλαιο 3 ο ΚΔΦΑΛΑΙΟ 3 ΛΔΙΣΟΤΡΓΙΑ ΣΟΤ ΤΦΙΤΥΝΟΤ ΑΝΣΙΣΡΟΦΔΑ ΡΔΤΜΑΣΟ ΣΟΠΟΛΟΓΙΑ FLYBACK ΣΟ ΟΡΙΟ ΤΝΔΥΟΤ - ΑΤΝΔΥΟΤ ΑΓΧΓΗ (BCM) 3.1 Γιεπεύνηζη ηηρ λειηοςπγίαρ ηος ανηιζηποθέα ζηο όπιο ζςνεσούρ - αζςνεσούρ αγυγήρ Κχξην ραξαθηεξηζηηθφ ηεο ιεηηνπξγίαο ηνπ αληηζηξνθέα ζην φξην ζπλερνχο - αζπλερνχο αγσγήο είλαη ην γεγνλφο πσο, θάζε θνξά πνπ ην ξεχκα ηνπ «ελεξγνχ» δεπηεξεχνληνο ηπιίγκαηνο ηνπ κεηαζρεκαηηζηή γίλεηαη κεδέλ, μεθηλάεη έλαο λένο δηαθνπηηθφο θχθινο [53, 54]. πλεπψο, δελ ππάξρνπλ ρξνληθά δηαζηήκαηα ζηα νπνία ν κεηαζρεκαηηζηήο δελ δηαξξέεηαη απφ ξεχκα. Άκεζν απνηέιεζκα ηνπ γεγνλφηνο απηνχ, είλαη φηη ε δηαθνπηηθή ζπρλφηεηα ιεηηνπξγίαο δελ παξακέλεη ζηαζεξή, αιιά κεηαβάιιεηαη ζε φιε ηε δηάξθεηα κηαο εκηπεξηφδνπ ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ, έηζη ψζηε λα επηηπγράλεηαη πιήξεο εθθφξηηζε ηνπ κεηαζρεκαηηζηή [2, 48-52]. ην ρήκα 3.1 αλαπαξίζηαηαη ε θπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ηνλ κεηαζρεκαηηζηή, ελψ παξάιιεια δηεπθξηλίδνληαη νξηζκέλα κεγέζε ηα νπνία ρξεζηκνπνηνχληαη ζηε ζπλέρεηα. Δπηζεκαίλεηαη φηη, νη ηηκέο ηνπ ξεχκαηνο ησλ δεπηεξεπφλησλ ηπιηγκάησλ έρνπλ αλαρζεί θαη εδψ ζηελ πιεπξά ηνπ πξσηεχνληνο ηπιίγκαηνο. Σα ηζνδχλακα θπθιψκαηα ηνπ αληηζηξνθέα γηα ηα ρξνληθά δηαζηήκαηα αγσγήο θαη απνθνπήο ηνπ εκηαγσγηθνχ δηαθφπηε ηνπ πξσηεχνληνο ηπιίγκαηνο είλαη ίδηα κε απηά πνπ παξνπζηάζηεθαλ ζην πξνεγνχκελν θεθάιαην. πγθεθξηκέλα, φηαλ ν δηαθφπηεο S 1 βξίζθεηαη ζε θαηάζηαζε αγσγήο (δηάζηεκα t on ), ην ξεχκα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή ξέεη κέζσ ηνπ πξσηεχνληνο ηπιίγκαηνο φπσο επηζεκάλζεθε ζην ρήκα 2.4, ελψ θαηά ηε δηάξθεηα ηνπ ρξνληθνχ δηαζηήκαηνο t off ξέεη κέζσ ηνπ «ελεξγνχ» δεπηεξεχνληνο ηπιίγκαηνο, ζχκθσλα κε ην ρήκα 2.5. Δθφζνλ δελ ππάξρνπλ ρξνληθά δηαζηήκαηα κεδεληζκνχ ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ηνλ κεηαζρεκαηηζηή, ηζρχνπλ νη αθφινπζεο ζρέζεηο: T ( t) t ( t) t ( t), 0 i w (3.1.α) Si on, i off, i θαη

92 Κεθάλαιο 3 ο w i0 T Si T hl (3.1.β) φπνπ w είλαη ην αθέξαην ηκήκα ηνπ ζπλνιηθνχ αξηζκνχ ησλ δηαθνπηηθψλ πεξηφδσλ ιεηηνπξγίαο πνπ πεξηιακβάλνληαη ζην δηάζηεκα κηαο εκηπεξηφδνπ ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ Δ.Ρ. Δπεηδή ε δηαθνπηηθή πεξίνδνο ιεηηνπξγίαο έρεη πνιιαπιάζηα ζπρλφηεηα απφ ηελ εκηπεξίνδν ηνπ δηθηχνπ, ην ζθάικα πνπ εηζάγεηαη κε ηελ εμίζσζε (3.1.β) κπνξεί λα ζεσξεζεί ακειεηέν. ρήκα 3.1: Απεηθφληζε ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ηνλ κεηαζρεκαηηζηή ζην φξην ζπλερνχο - αζπλερνχο αγσγήο (ην ξεχκα είλαη αλεγκέλν ζην πξσηεχνλ ηνπ κεηαζρεκαηηζηή) [2] Γηα λα είλαη εθηθηή ε δεκηνπξγία εκηηνλνεηδνχο ξεχκαηνο ζηελ έμνδν ηνπ αληηζηξνθέα, απαηηείηαη ε δηακφξθσζε ησλ κέγηζησλ ηηκψλ ηνπ δηαθνπηηθνχ ξεχκαηνο εηζφδνπ, ζε θάζε δηαθνπηηθφ θχθιν, ζχκθσλα κε ηελ εκηηνλνεηδή ηάζε ηνπ δηθηχνπ. Λακβάλνληαο ππ φςηλ ην

93 Κεθάλαιο 3 ο ρήκα 2.4, ε κέγηζηε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ην πξσηεχνλ ηχιηγκα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή δίλεηαη απφ ηελ εμίζσζε (2.4). πλεπψο, ην t on κπνξεί λα εθθξαζηεί σο αθνινχζσο: t t sin t, 0 t (3.2) on, i on, p i1 i1 φπνπ t on,p είλαη ε ηηκή ηνπ ρξνληθνχ δηαζηήκαηνο t on ε νπνία αληηζηνηρεί ζηε δηαθνπηηθή πεξίνδν γχξσ απφ ηε ρξνληθή ζηηγκή σt i-1 = π/2 θαη i1 t T + T + T T = T (3.3) i1 S 0 S1 S 2 Si1 Sj j0 χκθσλα κε ην ρήκα 3.1 ε εμίζσζε (2.4), πνπ δίλεη ηελ θπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο ζην πξσηεχνλ ηνπ κεηαζρεκαηηζηή, ιακβάλεη ηελ αθφινπζε κνξθή: V i ( t) ( t t ), t t t t (3.4) DC DC, p i1 i1 i1 on, i L1 Απφ ηελ άιιε πιεπξά, ην ρήκα 2.5 θαη ε εμίζσζε (2.10) κπνξνχλ λα ρξεζηκνπνηεζνχλ γηα λα πεξηγξάςνπλ ηε ιεηηνπξγία ηνπ αληηζηξνθέα ζην ρξνληθφ δηάζηεκα t off. πλδπάδνληαο ηηο εμηζψζεηο (2.2), (2.12), (2.14), (3.2) θαη (3.4) θαηαιήγνπκε ζηελ αθφινπζε ζρέζε: toff, i = toff = ton, p (3.5) n Ο παξαπάλσ ιφγνο είλαη ζηαζεξφο γηα νπνηαδήπνηε δηαθνπηηθή πεξίνδν ζην δηάζηεκα ηεο εκηπεξηφδνπ ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ Δ.Ρ. T hl, εθφζνλ ην ι παξακέλεη ζηαζεξφ. Σέινο, βάζεη ησλ εμηζψζεσλ (3.1), (3.2) θαη (3.5) ε δηαθνπηηθή πεξίνδνο κπνξεί λα εθθξαζηεί απφ ηελ αθφινπζε ζρέζε: T t t t t n Si on, i off = sin i 1 on, p (3.6) πλεπψο, ην άζξνηζκα ησλ δηαθνπηηθψλ πεξηφδσλ ζην δηάζηεκα κηαο εκηπεξηφδνπ ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ Δ.Ρ., κπνξεί λα εθθξαζηεί σο αθνινχζσο: T ( w 1) t t sin T t + sin T T w w i1 w i1 (3.7) Si on, p on, p S ( j) on, p S ( j) hl i0 n i1 j0 n i1 n j0 χκθσλα κε ηελ εμίζσζε (3.6), ε κέγηζηε f S,max θαη ε ειάρηζηε f S,min δηαθνπηηθή ζπρλφηεηα θαηά ηε δηάξθεηα κηαο εκηπεξηφδνπ ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ, αληηζηνηρνχλ ζηηο δχν αθξαίεο ηηκέο ηνπ sinσt (δειαδή ζηηο ρξνληθέο ζηηγκέο σt = 0 ή π θαη σt = π/2 αληίζηνηρα) θαη πεξηγξάθνληαη απφ ηηο αθφινπζεο δχν εμηζψζεηο:

94 Κεθάλαιο 3 ο f S,max 1 1 n = T T t S,min S σt=0 on, p (3.8) f S,min = TS,max TS σt=π/2 1t n on, p (3.9) πλεπψο, ε κέγηζηε ηηκή ηεο δηαθνπηηθήο ζπρλφηεηαο εκθαλίδεηαη θνληά ζηα ρξνληθά δηαζηήκαηα κεδεληζκνχ ηεο ηάζεο ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ, ελψ ε ειάρηζηε ηηκή απηήο παξαηεξείηαη ηε ρξνληθή ζηηγκή φπνπ ε ζηηγκηαία ηηκή ηεο ηάζεο ηνπ δηθηχνπ Δ.Ρ. κεγηζηνπνηείηαη. ην ζεκείν απηφ, εηζάγεηαη ε παξάκεηξνο «κέζε δηαθνπηηθή ζπρλφηεηα» f S,avg (=1 / T S,avg ), ε νπνία, φπσο απνδεηθλχεηαη [2], δίλεηαη απφ ηελ αθφινπζε ζρέζε: f S, avg 1 1 = t 2 on, p n (3.10) Ο ιφγνο γηα ηνλ νπνίν εηζήρζε ε παξαπάλσ παξάκεηξνο, έγθεηηαη ζην γεγνλφο φηη, ε δηαθνπηηθή ζπρλφηεηα ιεηηνπξγίαο ηνπ αληηζηξνθέα δελ παξακέλεη ζηαζεξή θαηά ηε δηάξθεηα κηαο εκηπεξηφδνπ ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ Δ.Ρ., αιιά αληηζέησο κεηαβάιιεηαη κεηαμχ ησλ αθξαίσλ ηηκψλ f S,min θαη f S,max. Ζ ρξεζηκνπνίεζε ηεο παξακέηξνπ f S,avg εμππεξεηεί ηφζν ηελ απεπζείαο ζχγθξηζε ησλ πεξηνρψλ ιεηηνπξγίαο BCM θαη DCM κε βάζε ηελ ηηκή ηεο δηαθνπηηθήο ζπρλφηεηαο ιεηηνπξγίαο ηνπ αληηζηξνθέα ζε απηέο, φζν θαη ηελ εμαγσγή καζεκαηηθψλ εμηζψζεσλ παξφκνηαο κνξθήο κε απηέο πνπ ηζρχνπλ ζηε ιεηηνπξγία ηνπ αληηζηξνθέα ζηελ πεξηνρή ηεο αζπλερνχο αγσγήο (φπσο ζα θαλεί ζηε ζπλέρεηα). Αλαθνξηθά κε ηε κεηαθεξφκελε ειεθηξηθή ηζρχ πνπ ξέεη απφ ηνλ αληηζηξνθέα πξνο ην ειεθηξηθφ δίθηπν, ζηε κφληκε θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο, ε ηζρχο απηή κπνξεί λα εθθξαζηεί θαη εδψ ζχκθσλα κε ηελ εμίζσζε (2.18). ηε ζπγθεθξηκέλε πεξίπησζε σζηφζν, ε κέζε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ην πξσηεχνλ ηχιηγκα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή I DC,avg, απνδεηθλχεηαη φηη δίλεηαη απφ ηελ αθφινπζε πξνζεγγηζηηθή έθθξαζε [2]: 1 V I t F n DC DC, avg on, p 2 L1 φπνπ (3.11)

95 Κεθάλαιο 3 ο 2 F S n n n n θαη 2 (3.12) 2 2 arctan 1, φηαλ 1 2 n n 1 n 2 S, φηαλ 1 (3.13) n n 2 2 arctan 1, φηαλ 1 2 n n 1 n πλδπάδνληαο ηηο εμηζψζεηο (2.18), (3.10), (3.11) θαη (3.12), ε κεηαθεξφκελε ηζρχο ζπλαξηήζεη ηεο ηάζεο ηεο Φ/Β γελλήηξηαο, θαζψο θαη ζπλαξηήζεη ηεο ελεξγνχο ηηκήο ηεο ηάζεο ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ Δ.Ρ. είλαη θαη αληηζηνηρία: 1 V P t F 2 DC on, p 2 L1 n (3.14) P F VAC, rms f 2 S, avg L 1 n n g S V 2 n n n n L, avg AC, rms (3.15) φπνπ g L,avg = 1 / f S,avg L 1. Ζ παξάκεηξνο g L,avg έρεη δηαζηάζεηο αγσγηκφηεηαο θαη εθθξάδεη ηελ αγσγηκφηεηα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή. πλεπψο, ε g L,avg ζρεηίδεηαη κε ηελ αγσγηκφηεηα ηνπ αληηζηξνθέα φπσο θαίλεηαη απφ ηελ είζνδν. Γηαηξψληαο ηηο εμηζψζεηο (3.15) θαη (2.22) πξνθχπηεη ν αθφινπζνο ζπζρεηηζκφο γηα ηα κεγέζε g S θαη g L,avg : 2 2 gs 2 S g 2 L, avg n n n n (3.16)

96 Κεθάλαιο 3 ο Σειεηψλνληαο, ζην ρήκα 3.2 παξνπζηάδεηαη ην γεληθφ δηάγξακκα ειέγρνπ γηα ηελ πεξίπησζε ιεηηνπξγίαο ηνπ αληηζηξνθέα ζην φξην ζπλερνχο θαη αζπλερνχο αγσγήο, ζην νπνίν είλαη εκθαλήο ε εθαξκνγή κηαο κεζφδνπ ειέγρνπ κεηαβιεηήο δηαθνπηηθήο ζπρλφηεηαο. Απφ ηε κειέηε ηνπ ζπγθεθξηκέλνπ ζρήκαηνο, γίλεηαη εκθαλέο φηη γηα ηε δεκηνπξγία ηνπ ζήκαηνο ειέγρνπ ηνπ εκηαγσγηθνχ ζηνηρείνπ S 1, απαηηείηαη ε κέηξεζε ηνπ πςίζπρλνπ δηαθνπηηθνχ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ηφζν ην πξσηεχνλ φζν θαη ην «ελεξγφ» δεπηεξεχνλ ηχιηγκα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή. πγθεθξηκέλα, ε ζβέζε ηνπ δηαθφπηε S 1 είλαη απνηέιεζκα ηεο ζχγθξηζεο ηνπ δηαθνπηηθνχ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ην πξσηεχνλ ηχιηγκα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή κε ηελ επηζπκεηή εκηηνλνεηδή αλαθνξά κέγηζηνπ ξεχκαηνο, ελψ ε δεκηνπξγία ηνπ ζήκαηνο έλαπζεο ηνπ S 1 είλαη απνηέιεζκα ηεο ζχγθξηζεο ηνπ πςίζπρλνπ δηαθνπηηθνχ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ην «ελεξγφ» δεπηεξεχνλ ηχιηγκα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή κε κία κεδεληθή ηηκή. Να ζεκεησζεί, πσο ε κέηξεζε ηνπ πςίζπρλνπ δηαθνπηηθνχ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ην πξσηεχνλ φζν θαη ην «ελεξγφ» δεπηεξεχνλ ηπιίγκαηα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή ηνπ αληηζηξνθέα, πξαγκαηνπνηείηαη ζηε ζπγθεθξηκέλε εθαξκνγή, κε ηε ρξήζε κεηαζρεκαηηζηψλ ξεχκαηνο θαη αλαιχεηαη ζε επφκελν θεθάιαην. πλεπψο, ζε αληίζεζε κε ηελ πεξίπησζε ηεο αζπλερνχο αγσγήο, ην δηάγξακκα ειέγρνπ ζε απηήλ ηε ιεηηνπξγηθή θαηάζηαζε είλαη πην πνιχπινθν, αθνχ είλαη ππνρξεσηηθή ε κέηξεζε θαη ησλ δχν ηκεκάησλ ηνπ δηαθνπηηθνχ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ηνλ κεηαζρεκαηηζηή. Απφ ηελ άιιε πιεπξά σζηφζν, κε ηνλ ηξφπν απηφλ, εμαζθαιίδεηαη φηη ζε θακία πεξίπησζε ν αληηζηξνθέαο δελ ζα εηζέιζεη ζηελ πεξηνρή ηεο ζπλερνχο αγσγήο (CCM), κηαο θαη ην μεθίλεκα θάζε δηαθνπηηθήο πεξηφδνπ πξνυπνζέηεη ηελ πιήξε εθθφξηηζε ηνπ κεηαζρεκαηηζηή

97 Κεθάλαιο 3 ο ρήκα 3.2: Γεληθφ δηάγξακκα ιεηηνπξγίαο ησλ ζεκάησλ ειέγρνπ ησλ εκηαγσγηθψλ ζηνηρείσλ S 1, S 2, S 3 γηα ηελ πεξίπησζε ιεηηνπξγίαο ζην φξην ζπλερνχο θαη αζπλερνχο αγσγήο (BCM) [2]

98 Κεθάλαιο 3 ο 3.2 Δπίδπαζη ηυν παπαμέηπυν ηος κςκλώμαηορ ζηα ηλεκηπικά μεγέθη ηος ανηιζηποθέα Ύζηεξα απφ ηε βαζηθή ζεσξεηηθή αλάιπζε ηεο ιεηηνπξγίαο ζην φξην ζπλερνχο - αζπλερνχο αγσγήο, θξίλεηαη ζθφπηκν λα δηεξεπλεζεί ν ηξφπνο κε ηνλ νπνίν νη παξάκεηξνη ι θαη n επηδξνχλ ζηε ιεηηνπξγία ηνπ αληηζηξνθέα [2]. πγθεθξηκέλα, ζα αλαιπζεί ε επίδξαζε ησλ παξακέηξσλ ι θαη n, ηφζν ζηε ζπρλφηεηα ιεηηνπξγίαο, φζν θαη ζηηο κέγηζηεο ηηκέο ησλ ξεπκάησλ ηνπ αληηζηξνθέα. Αλαθεξφκελνη, θαη αξρήλ ζηε δηαθνπηηθή ζπρλφηεηα ιεηηνπξγίαο, ζηα ρήκαηα 3.3 θαη 3.4 παξαηίζεληαη αληίζηνηρα, νη ιφγνη ηεο κέγηζηεο θαη ηεο ειάρηζηεο δηαθνπηηθήο ζπρλφηεηαο πξνο ηε κέζε δηαθνπηηθή ζπρλφηεηα ζπλαξηήζεη ηνπ n θαη κε παξάκεηξν ην ι. Οη καζεκαηηθέο ζρέζεηο βάζεη ησλ νπνίσλ πξνθχπηνπλ νη παξαπάλσ ιφγνη ππνινγίδνληαη ζπλδπάδνληαο ηηο ζρέζεηο (3.8), (3.9) θαη (3.10). πγθεθξηκέλα, ηζρχεη φηη: fs,max 2 n 1 (3.17) f f f S, avg S,min S, avg 2 n (3.18) 1 n Απφ ηε κειέηε ησλ ρεκάησλ 3.3 θαη 3.4 θαη ζεσξψληαο ζηαζεξή ηε κέζε δηαθνπηηθή ζπρλφηεηα f S,avg (αθνχ απηή επηιέγεηαη απφ ηνλ ζρεδηαζηή), εμάγεηαη ην ζπκπέξαζκα πσο γηα δεδνκέλε ηηκή ηεο παξακέηξνπ ι, ε αχμεζε ηεο ηηκήο ηνπ ιφγνπ κεηαζρεκαηηζκνχ n πξνθαιεί ηζρπξή αχμεζε ηεο κέγηζηεο δηαθνπηηθήο ζπρλφηεηαο ιεηηνπξγίαο f S,max θαη κηθξή κείσζε ηεο ειάρηζηεο δηαθνπηηθήο ζπρλφηεηαο ιεηηνπξγίαο f S,min (ηδηαίηεξα γηα ηηκέο ηνπ ι κηθξφηεξεο απφ 0,2, πνπ είλαη πξαθηηθά εθαξκφζηκεο ζε Φ/Β εθαξκνγέο). πλεπψο, ε ηηκή ηνπ n επηδξά θπξίσο ζηελ f S,max, ε ηηκή ηεο νπνίαο κπνξεί λα ππεξβαίλεη ηελ f S,avg απφ 1,3 έσο θαη 37 θνξέο. Σν γεγνλφο απηφ νδεγεί ζε αχμεζε ησλ δηαθνπηηθψλ απσιεηψλ ησλ εκηαγσγηθψλ ζηνηρείσλ ηνπ αληηζηξνθέα. Παξφια απηά, επεηδή νη κέγηζηεο ηηκέο ηεο δηαθνπηηθήο ζπρλφηεηαο εκθαλίδνληαη ζε ρξνληθά δηαζηήκαηα φπνπ νη ηηκέο ηνπ ξεχκαηνο θαη ηεο ηάζεο είλαη αξθεηά ρακειφηεξεο απφ ηηο κέγηζηεο ηηκέο ηνπο (πεξίπνπ κηζέο), νη δηαθνπηηθέο απψιεηεο - ζε απηέο ηηο δηαθνπηηθέο πεξηφδνπο ιεηηνπξγίαο - δελ πξφθεηηαη λα είλαη ππεξβνιηθά πςειέο. Σέινο, κνινλφηη ε επίδξαζε ηνπ n είλαη αξθεηά κηθξή ζηελ ηηκή

99 Κεθάλαιο 3 ο ηεο f S,min (φπσο θαίλεηαη απφ ην ρήκα 3.4), ε ηηκή ηεο ηειεπηαίαο είλαη θαζνξηζηηθήο ζεκαζίαο γηα ηελ επηινγή ησλ θαηαζθεπαζηηθψλ κεγεζψλ (ππξήλαο, αξηζκφο ζπεηξψλ θ.ιπ.) ηνπ κεηαζρεκαηηζηή, πξνθεηκέλνπ λα κελ εηζέιζεη απηφο ζηελ πεξηνρή θνξεζκνχ. ρήκα 3.3: Απεηθφληζε ηνπ ιφγνπ ηεο κέγηζηεο δηαθνπηηθήο ζπρλφηεηαο πξνο ηε κέζε δηαθνπηηθή ζπρλφηεηα ζπλαξηήζεη ηνπ n θαη κε παξάκεηξν ην ι [2]

100 Κεθάλαιο 3 ο ρήκα 3.4: Απεηθφληζε ηνπ ιφγνπ ηεο ειάρηζηεο δηαθνπηηθήο ζπρλφηεηαο πξνο ηε κέζε δηαθνπηηθή ζπρλφηεηα ζπλαξηήζεη ηνπ n θαη κε παξάκεηξν ην ι [2] Αθνινχζσο, ζην ρήκα 3.5 ζρεδηάδεηαη ν ιφγνο ηνπ εχξνπο ηεο δηαθνπηηθήο ζπρλφηεηαο (f S,max - f S,min ) πξνο ηε κέζε δηαθνπηηθή ζπρλφηεηα ζπλαξηήζεη ηνπ n θαη κε παξάκεηξν ην ι. Ζ καζεκαηηθή έθθξαζε ηνπ παξαπάλσ ιφγνπ κπνξεί λα βξεζεί απφ ηνλ ζπλδπαζκφ ησλ ζρέζεσλ (3.17) θαη (3.18): fs,max fs,min n 2 n 1 f n S, avg (3.19)

101 Κεθάλαιο 3 ο ρήκα 3.5: Απεηθφληζε ηνπ ιφγνπ ηνπ εχξνπο ηεο δηαθνπηηθήο ζπρλφηεηαο (f S,max - f S,min ) πξνο ηε κέζε δηαθνπηηθή ζπρλφηεηα f S,avg ζπλαξηήζεη ηνπ n θαη κε παξάκεηξν ην ι [2] Απφ ηε κειέηε ηνπ ρήκαηνο 3.5, εμάγεηαη ην ζπκπέξαζκα πσο γηα δεδνκέλε ηηκή ηεο παξακέηξνπ ι, ε αχμεζε ηεο ηηκήο ηνπ ιφγνπ κεηαζρεκαηηζκνχ n πξνθαιεί ζεκαληηθή αχμεζε ηνπ εχξνπο κεηαβνιήο ηεο δηαθνπηηθήο ζπρλφηεηαο, ην νπνίν κάιηζηα είλαη αλάινγν ησλ κεηαβνιψλ πνπ πθίζηαηαη ε f S,max. Απηέο νη κεγάιεο κεηαβνιέο ηεο δηαθνπηηθήο ζπρλφηεηαο ελδέρεηαη λα επεξεάζνπλ αξλεηηθά ηε κνξθή ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα ζηελ πεξίπησζε πνπ ππεξβαίλνπλ είηε ηα αζθαιή φξηα ιεηηνπξγίαο ησλ εκηαγσγηθψλ ζηνηρείσλ ηνπ αληηζηξνθέα (επηινγή δηαθφπηε ηχπνπ MOSFET ή IGBT), είηε ηελ ηθαλφηεηα απφθξηζεο ηνπ θπθιψκαηνο ειέγρνπ (κέγηζηε ζπρλφηεηα απφθξηζεο ησλ νινθιεξσκέλσλ θπθισκάησλ πνπ πξαγκαηνπνηνχλ ηηο ζπγθξίζεηο ηνπ ρήκαηνο 3.2). Δπνκέλσο, ε επηινγή ηεο ηηκήο ηνπ ιφγνπ κεηαζρεκαηηζκνχ δηαδξακαηίδεη ζεκαληηθφ ξφιν ζηε ζσζηή ιεηηνπξγία ηνπ αληηζηξνθέα, αιιά θαη ζηνλ ζσζηφ ππνινγηζκφ ηνπ θίιηξνπ εμφδνπ

102 Κεθάλαιο 3 ο Απφ ηελ άιιε πιεπξά, ιακβάλνληαο ππ φςηλ αθελφο κελ ηα επηηξεπφκελα φξηα κεηαβνιψλ ηεο ηάζεο ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ Υ.Σ. (±3% πεξί ηεο νλνκαζηηθήο ηηκήο ηφζν γηα αξγέο φζν θαη γηα γξήγνξεο κεηαβνιέο ηεο ηάζεο θαη νξηαθή αλχςσζε έσο 10% κφλν γηα αξγέο κεηαβνιέο [55]), αθεηέξνπ δε φηη ε ηηκή ηεο ηάζεο εμφδνπ κηαο θσηνβνιηατθήο γελλήηξηαο εμαξηάηαη ηφζν απφ ηηο κεηαβνιέο ηεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο φζν θαη απφ ηε ζεξκνθξαζία ηνπ, γίλεηαη εκθαλέο φηη ε ηηκή ηνπ ι δελ παξακέλεη ζηαζεξή θαηά ηελ εκεξήζηα ιεηηνπξγία ηνπ αληηζηξνθέα. ηα ρήκαηα 3.6 θαη 3.7 παξαηίζεληαη, αληίζηνηρα, νη ιφγνη ηεο κέγηζηεο θαη ηεο ειάρηζηεο δηαθνπηηθήο ζπρλφηεηαο πξνο ηε κέζε δηαθνπηηθή ζπρλφηεηα ζπλαξηήζεη ηνπ ι θαη κε παξάκεηξν ην n. ρήκα 3.6: Απεηθφληζε ηνπ ιφγνπ ηεο κέγηζηεο δηαθνπηηθήο ζπρλφηεηαο πξνο ηε κέζε δηαθνπηηθή ζπρλφηεηα ζπλαξηήζεη ηνπ ι θαη κε παξάκεηξν ην n [2]

103 Κεθάλαιο 3 ο ρήκα 3.7: Απεηθφληζε ηνπ ιφγνπ ηεο ειάρηζηεο δηαθνπηηθήο ζπρλφηεηαο πξνο ηε κέζε δηαθνπηηθή ζπρλφηεηα ζπλαξηήζεη ηνπ ι θαη κε παξάκεηξν ην n [2] Απφ ηε κειέηε ησλ ρεκάησλ 3.6 θαη 3.7 θαη ζεσξψληαο ζηαζεξή ηε κέζε δηαθνπηηθή ζπρλφηεηα f S,avg, ζπκπεξαίλνπκε φηη γηα δεδνκέλε ηηκή ηνπ ιφγνπ κεηαζρεκαηηζκνχ n ηνπ κεηαζρεκαηηζηή, ε κείσζε ηεο ηηκήο ηεο παξακέηξνπ ι πξνθαιεί ηζρπξή αχμεζε ηεο κέγηζηεο δηαθνπηηθήο ζπρλφηεηαο ιεηηνπξγίαο f S,max (απφ 1,3 έσο θαη 21 θνξέο) θαη κηθξή κείσζε ηεο ειάρηζηεο δηαθνπηηθήο ζπρλφηεηαο ιεηηνπξγίαο f S,min. πλεπψο, ε κείσζε ηεο ηηκήο ηεο παξακέηξνπ ι επηθέξεη ηελ αχμεζε ησλ δηαθνπηηθψλ απσιεηψλ ησλ εκηαγσγηθψλ ζηνηρείσλ ηνπ αληηζηξνθέα εμαηηίαο ηεο αχμεζεο ηεο f S,max. Βέβαηα, φπσο επηζεκάλζεθε θαη πξνεγνπκέλσο, επεηδή νη κέγηζηεο ηηκέο ηεο δηαθνπηηθήο ζπρλφηεηαο εκθαλίδνληαη ζε ρξνληθά δηαζηήκαηα φπνπ νη ηηκέο ηνπ ξεχκαηνο θαη ηεο ηάζεο είλαη αξθεηά ρακειφηεξεο απφ ηηο κέγηζηεο ηηκέο ηνπο, νη δηαθνπηηθέο απψιεηεο - ζε απηέο ηηο δηαθνπηηθέο πεξηφδνπο ιεηηνπξγίαο - δελ πξφθεηηαη λα είλαη ππεξβνιηθά πςειέο. Σέινο, κειεηψληαο ην ρήκα 3.8, ζην νπνίν απεηθνλίδεηαη ν ιφγνο ηνπ εχξνπο κεηαβνιήο ηεο δηαθνπηηθήο ζπρλφηεηαο (f S,max - f S,min ) πξνο ηε κέζε δηαθνπηηθή ζπρλφηεηα f S,avg ζπλαξηήζεη

104 Κεθάλαιο 3 ο ηνπ ι θαη κε παξάκεηξν ηνλ ιφγν κεηαζρεκαηηζκνχ n, δηαπηζηψλεηαη πσο γηα δεδνκέλε ηηκή ηνπ n, ε κείσζε ηνπ ι νδεγεί ζε αχμεζε ηνπ εχξνπο κεηαβνιήο ηεο δηαθνπηηθήο ζπρλφηεηαο (ηδηαίηεξα γηα πςειέο ηηκέο ηνπ n), ην νπνίν κάιηζηα είλαη αλάινγν ησλ κεηαβνιψλ πνπ πθίζηαηαη ε f S,max. ρήκα 3.7: Απεηθφληζε ηνπ ιφγνπ ηνπ εχξνπο ηεο δηαθνπηηθήο ζπρλφηεηαο πξνο ηε κέζε δηαθνπηηθή ζπρλφηεηα f S,avg ζπλαξηήζεη ηνπ ι θαη κε παξάκεηξν ην n [2] Βέβαηα, ιακβάλνληαο ππ φςηλ ηφζν ηα επηηξεπφκελα φξηα κεηαβνιήο ηεο ηάζεο ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ [55], φζν θαη ηηο κεηαβνιέο πνπ πθίζηαηαη ε ηηκή ηεο ηάζεο εμφδνπ κηαο θσηνβνιηατθήο γελλήηξηαο (ιφγσ κεηαβνιψλ ηεο ζεξκνθξαζίαο αιιά θαη ηεο αθηηλνβνιίαο) [3, 4], ζπκπεξαίλεηαη φηη, γηα κία δεδνκέλε Φ/Β γελλήηξηα, νη κεηαβνιέο ηεο ηηκήο ηνπ ι δελ πξφθεηηαη λα είλαη κεγαιχηεξεο απφ 0,1 ζηε ρείξηζηε ησλ πεξηπηψζεσλ. πλεπψο, ε αχμεζε ηνπ εχξνπο κεηαβνιήο ηεο δηαθνπηηθήο ζπρλφηεηαο (f S,max - f S,min ) αιιά θαη ησλ ηηκψλ πνπ ιακβάλεη ε f S,max είλαη ζίγνπξα πεξηνξηζκέλεο, αιιά παξφια απηά ελδέρεηαη λα επεξεάζνπλ αξλεηηθά ηφζν ηε κνξθή ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα (ζηελ πεξίπησζε πνπ

105 Κεθάλαιο 3 ο ππεξβαίλνπλ είηε ηα αζθαιή φξηα ιεηηνπξγίαο ησλ εκηαγσγηθψλ ζηνηρείσλ ηνπ αληηζηξνθέα), φζν θαη ηελ ηθαλφηεηα απφθξηζεο ηνπ θπθιψκαηνο ειέγρνπ φπσο επηζεκάλζεθε θαη πξνεγνπκέλσο. Έλα άιιν ζεκαληηθφ ζεκείν δηεξεχλεζεο, απνηειεί ε επίδξαζε ηεο κείσζεο ηεο ηζρχνο εμφδνπ ηεο Φ/Β γελλήηξηαο (ιφγσ κεηαβνιήο ηεο αθηηλνβνιίαο ή ηεο ζεξκνθξαζίαο ηνπ πιαηζίνπ) ζηε δηαθνπηηθή ζπρλφηεηα ιεηηνπξγίαο ηνπ αληηζηξνθέα, φηαλ απηφο ιεηηνπξγεί ζην φξην ζπλερνχο - αζπλερνχο αγσγήο. Απνδεηθλχεηαη φηη, γηα ην νλνκαζηηθφ ζεκείν ιεηηνπξγίαο (P nom, f S,avg,nom, ι nom ) θαη γηα έλα κεησκέλν επίπεδν ηζρχνο (P, f S,avg, ι) ηζρχεη ε αθφινπζε πξνζεγγηζηηθή εμίζσζε [2]: f P P' f nom S, avg S, avg, nom (3.20) Απφ ηελ εμίζσζε (3.20), εμάγεηαη ην ζπκπέξαζκα φηη ε κείσζε ηεο ηζρχνο εμφδνπ ηεο θσηνβνιηατθήο γελλήηξηαο, επηθέξεη αχμεζε ηεο κέζεο δηαθνπηηθήο ζπρλφηεηαο ιεηηνπξγίαο ηνπ αληηζηξνθέα. πλεπψο, κε βάζε ηελ αλάιπζε πνπ πξνεγήζεθε, ζα παξαηεξεζεί θαη αχμεζε ησλ ηηκψλ ηφζν ηεο κέγηζηεο φζν θαη ηεο ειάρηζηεο δηαθνπηηθήο ζπρλφηεηαο ιεηηνπξγίαο ηνπ αληηζηξνθέα. Δπνκέλσο, γηα δεδνκέλεο ηηκέο ησλ ι, n, L, ππάξρεη έλα ειάρηζην επίπεδν ηζρχνο γηα ην νπνίν ν κεηαηξνπέαο δχλαηαη λα ιεηηνπξγεί ζην φξην ζπλερνχο - αζπλερνχο αγσγήο ρσξίο νη ηηκέο ησλ f S,max, f S,min θαη f S,avg λα ιακβάλνπλ επηθίλδπλα κεγάιεο ηηκέο. πλνςίδνληαο ηελ πξναλαθεξζείζα αλάιπζε θαηαιήγνπκε ζηα εμήο: α) γηα δεδνκέλε ηηκή ηεο παξακέηξνπ ι, ε αχμεζε ηεο ηηκήο ηνπ ιφγνπ κεηαζρεκαηηζκνχ n ηνπ κεηαζρεκαηηζηή πξνθαιεί ζεκαληηθή αχμεζε ζηηο ηηκέο ησλ f S,max θαη ηνπ εχξνπο κεηαβνιήο ηεο δηαθνπηηθήο ζπρλφηεηαο, αιιά ηαπηφρξνλα θαη κηθξή κείσζε ηεο ηηκήο ηεο f S,min, β) γηα δεδνκέλε ηηκή ηνπ ιφγνπ κεηαζρεκαηηζκνχ, ε κείσζε ηεο ηάζεο εμφδνπ ηεο Φ/Β γελλήηξηαο επηθέξεη ηελ αχμεζε ησλ f S,max θαη ηνπ εχξνπο κεηαβνιήο ηεο δηαθνπηηθήο ζπρλφηεηαο, αιιά ηαπηφρξνλα θαη κηθξή κείσζε ηεο ηηκήο ηεο f S,min, γ) ε κείσζε ηεο ηζρχνο εμφδνπ ηεο θσηνβνιηατθήο γελλήηξηαο επηθέξεη αχμεζε ζηηο ηηκέο ησλ f S,max, f S,min θαη f S,avg. ηε ζπλέρεηα, ζα αλαθεξζνχκε ζηελ επίδξαζε ηνπ ιφγνπ κεηαζρεκαηηζκνχ n ηνπ κεηαζρεκαηηζηή, θαζψο θαη ηνπ ι ζηε κέγηζηε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ηνλ

106 Κεθάλαιο 3 ο εκηαγσγηθφ δηαθφπηε S 1. πλδπάδνληαο ηηο εμηζψζεηο (3.4), (3.12), (3.13) θαη (3.14) θαηαιήγνπκε ζηε ζρέζε απφ ηελ νπνία ππνινγίδεηαη ε κέγηζηε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ην πξσηεχνλ ηχιηγκα (Η DC,p φπσο ζεκεηψλεηαη ζην ρήκα 3.1) ζπλαξηήζεη ηεο κέζεο ηηκήο ηνπ ξεχκαηνο ηεο Φ/Β γελλήηξηαο (I DC,avg ) θαη ησλ παξακέηξσλ ι θαη n: I I DC, p DC, avg 2, φηαλ 1 n arctan 1 n n 2 n 1 n 2, φηαλ n n n 2, φηαλ 1 n arctan 1 n n 2 n 1 n (3.21) ην ρήκα 3.8 ζρεδηάδεηαη ν ιφγνο Η DC,p / Η DC,avg ζπλαξηήζεη ηνπ n θαη κε παξάκεηξν ην ι. Απφ ηελ πξνζεθηηθή κειέηε ηνπ ζρήκαηνο απηνχ, εμάγεηαη ην ζπκπέξαζκα πσο κία αξθεηά κηθξή ηηκή ηνπ ιφγνπ κεηαζρεκαηηζκνχ, κπνξεί λα νδεγήζεη ζε αξθεηά κεγάιεο ηηκέο θνξπθήο (peak) ηνπ ξεχκαηνο δηακέζνπ ηνπ S 1, νη νπνίεο αλάινγα κε ηελ ηηκή ηεο παξακέηξνπ ι κπνξεί λα είλαη απφ 5 έσο θαη 21 θνξέο κεγαιχηεξεο ηεο κέζεο ηηκήο ηνπ ξεχκαηνο ηεο θσηνγελλήηξηαο. πγθξίλνληαο ηνλ ιφγν I DC,p / I DC,avg γηα ιεηηνπξγία ζε αζπλερή αγσγή (ρήκα 2.9) θαη ιεηηνπξγία ζην φξην ζπλερνχο - αζπλερνχο αγσγήο (ρήκα 3.8), πξνθχπηεη φηη ε κέγηζηε ηηκή I DC,p σο πξνο ηε κέζε ηηκή I DC,avg ηνπ ξεχκαηνο ηεο θσηνβνιηατθήο γελλήηξηαο είλαη ζηα ίδηα επίπεδα θαη γηα ηηο δχν πεξηπηψζεηο ιεηηνπξγίαο (κάιηζηα ε ηηκή είλαη ειαθξψο κηθξφηεξε ζηελ πεξίπησζε ιεηηνπξγίαο ζην φξην ζπλερνχο - αζπλερνχο αγσγήο). πλεπψο, ε ιεηηνπξγία ζην φξην ζπλερνχο - αζπλερνχο αγσγήο απμάλεη ζεκαληηθά ηελ ηθαλφηεηα κεηαθεξφκελεο ηζρχνο ηνπ αληηζηξνθέα ρσξίο λα επηβαξχλεη ηα εκηαγσγηθά ζηνηρεία κε ππεξβνιηθά πςειέο ηηκέο δηαθνπηηθνχ ξεχκαηνο

107 Κεθάλαιο 3 ο ρήκα 3.8: Απεηθφληζε ηνπ ιφγνπ I DC,p / I DC,avg ζπλαξηήζεη ηνπ n θαη κε παξάκεηξν ην ι [2] 3.3 Κύκλυμα ελέγσος για ηην πεπίπηυζη ηηρ λειηοςπγίαρ ηος ανηιζηποθέα ζηο όπιο μεηαξύ ζςνεσούρ και αζςνεσούρ αγυγήρ Πεξηγξαθή θαη κειέηε ηνπ θπθιψκαηνο ειέγρνπ Όπσο αλαθέξζεθε πην πάλσ, γηα ηε δεκηνπξγία ηνπ ζήκαηνο ειέγρνπ ηνπ εκηαγσγηθνχ δηαθφπηε S 1 γηα ηελ πεξίπησζε ιεηηνπξγίαο ηνπ αληηζηξνθέα ζην φξην ζπλερνχο - αζπλερνχο αγσγήο, είλαη απαξαίηεηε ε κέηξεζε ηνπ πςίζπρλνπ δηαθνπηηθνχ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ηφζν ην πξσηεχνλ φζν θαη ην «ελεξγφ» δεπηεξεχνλ ηπιίγκαηα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή. πγθεθξηκέλα, ε ζβέζε ηνπ δηαθφπηε S 1 είλαη απνηέιεζκα ηεο ζχγθξηζεο ηνπ δηαθνπηηθνχ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ην πξσηεχνλ ηχιηγκα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή κε ηελ επηζπκεηή εκηηνλνεηδή αλαθνξά κεγίζηνπ ξεχκαηνο I ref, ελψ ε δεκηνπξγία ηνπ ζήκαηνο έλαπζεο ηνπ S 1 είλαη απνηέιεζκα ηεο ζχγθξηζεο ηνπ πςίζπρλνπ δηαθνπηηθνχ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ην «ελεξγφ» δεπηεξεχνλ ηχιηγκα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή κε κία κεδεληθή ηηκή. Με βάζε ηηο παξαπάλσ παξαηεξήζεηο, παξαηίζεηαη ζην ρήκα 3.9 ην θχθισκα ειέγρνπ ηνπ εκηαγσγηθνχ

108 Κεθάλαιο 3 ο δηαθφπηε S 1 γηα ηελ πεξίπησζε ιεηηνπξγίαο ηνπ αληηζηξνθέα ζην φξην ζπλερνχο - αζπλερνχο αγσγήο, ην νπνίν θαη βαζίδεηαη ζην γεληθφ δηάγξακκα ηνπ ρήκαηνο 3.2 πνπ έρεη παξνπζηαζηεί πξσζχζηεξα. ρήκα 3.9: Κχθισκα ειέγρνπ ηνπ εκηαγσγηθνχ δηαθφπηε S 1 γηα ηελ πεξίπησζε ιεηηνπξγίαο ηνπ αληηζηξνθέα ζην φξην ζπλερνχο - αζπλερνχο αγσγήο (BCM)

109 Κεθάλαιο 3 ο Αξρηθά, φπσο θαη ζηελ πεξίπησζε ειέγρνπ ηνπ εκηαγσγηθνχ δηαθφπηε S 1 γηα ηελ πεξίπησζε ηεο αζπλερνχο αγσγήο, ε εκηηνλνεηδήο ηάζε ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ (220V rms ) κεηαζρεκαηίδεηαη ζε κία κηθξφηεξε ηηκή (24V rms ), κε ηε βνήζεηα ελφο κεηαζρεκαηηζηή κε ππξήλα ζηδήξνπ 220V rms / 24V rms. Έπεηηα, αλνξζψλεηαη πιήξσο κέζσ κηαο γέθπξαο πιήξνπο αλφξζσζεο κε δηφδνπο. Ζ δίνδνο Zener ρξεζηκνπνηείηαη πξνθεηκέλνπ λα κεηψζεη θαηά V Z Volts ην αλνξζσκέλν εκίηνλν (φπνπ V Z είλαη ε ηάζε δηάζπαζεο ηεο δηφδνπ Zener). Απηφ έρεη σο απνηέιεζκα ηε δεκηνπξγία κηθξψλ ρξνληθψλ δηαζηεκάησλ (ηεο ηάμεο ησλ κs) ζηα νπνία ην αλνξζσκέλν εκίηνλν κεδελίδεηαη, ηφζν ζηελ έλαξμε φζν θαη ζηε ιήμε θάζε εκηπεξηφδνπ ηνπ. Ο ιφγνο γηα ηνλ νπνίν είλαη απαξαίηεηα ηα ρξνληθά απηά δηαζηήκαηα κεδεληζκνχ ηνπ αλνξζσκέλνπ εκηηφλνπ, έρεη ήδε αλαθεξζεί παξαπάλσ ζηελ πεξίπησζε ηεο αζπλερνχο αγσγήο. Ο ππθλσηήο C 1 απνηειεί έλα βαζππεξαηφ θίιηξν, ελψ νη αληηζηάζεηο R 1 - R 4 θνξηίδνπλ ηνλ κεηαζρεκαηηζηή 220V rms / 24V rms. Ζ κεηαβιεηή αληίζηαζε RV 1 ρξεζηκνπνηείηαη γηα λα πξνζαξκφζεη ην ζήκα αλαθνξάο I ref (αλνξζσκέλν εκίηνλν) ζην θαηάιιειν εχξνο, πξνθεηκέλνπ λα ζπγθξηζεί κέζσ ελφο ζπγθξηηή (LM361-1). Σν ζήκα αλαθνξάο I ref, απνηειεί ηελ αλαθνξά κέγηζηνπ ξεχκαηνο θαη είλαη απηφ πνπ ηειηθά θαζνξίδεη ηελ ηζρχ εμφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα ξεχκαηνο. ην ζπγθεθξηκέλν θχθισκα ειέγρνπ ρξεζηκνπνηνχληαη δχν ηειεζηηθνί εληζρπηέο. Ο πξψηνο (LM7171-1), κε ηε βνήζεηα ησλ αληηζηάζεσλ R 5 - R 8, αζξνίδεη ην ζήκα ηάζεο i pr πνπ πξνέξρεηαη απφ ην θχθισκα κέηξεζεο ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ην πξσηεχνλ ηχιηγκα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή (ην νπνίν θαη ζα αλαιπζεί εθηελψο ζε επφκελν θεθάιαην), κε κία κηθξή ζπλερή ηάζε (~0,1V). Ζ ηάζε απηή πξνθχπηεη κε ηε βνήζεηα ηεο κεηαβιεηήο αληίζηαζεο RV 2 κέζσ ελφο βαζππεξαηνχ θίιηξνπ LC, ην νπνίν εμαζθαιίδεη φηη ε κηθξή απηή ζπλερήο ηάζε ζα είλαη απαιιαγκέλε απφ πςίζπρλεο αξκνληθέο. Ο δεχηεξνο ηειεζηηθφο εληζρπηήο (LM7171-2), κε ηε βνήζεηα ησλ αληηζηάζεσλ R 9 - R 12, αζξνίδεη ηα ζήκαηα ηάζεο i sec1, i sec2 πνπ πξνέξρνληαη απφ ην θχθισκα κέηξεζεο ηνπ ξεχκαηνο ησλ δεπηεξεπφλησλ ηπιηγκάησλ (φπσο αλαθέξζεθε πξσζχζηεξα, ζε θάζε εκηπεξίνδν ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ Δ.Ρ., κφλν έλα είλαη ην «ελεξγφ» δεπηεξεχνλ ηχιηγκα). Να ζεκεησζεί εδψ, πσο κε θαηάιιειε επηινγή ησλ αληηζηάζεσλ R 5 - R 12, νη ηειεζηηθνί εληζρπηέο, εθηφο ηεο άζξνηζεο ησλ ζεκάησλ πνπ πξαγκαηνπνηνχλ, κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζνχλ παξάιιεια θαη σο δηαθνξηθνί εληζρπηέο (Differential amplifiers). Δμαηηίαο

110 Κεθάλαιο 3 ο ηνπ γεγνλφηνο φηη ηα θπθιψκαηα κέηξεζεο ησλ ξεπκάησλ πνπ δηαξξένπλ ηα ηπιίγκαηα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή βξίζθνληαη ζην θχθισκα ηζρχνο, κε ηε ρξήζε ηνπ δηαθνξηθνχ εληζρπηή απνξξίπηεηαη ν θνηλφο ζφξπβνο (Common-mode signal), ν νπνίνο έρεη ππεξηεζεί, κέζσ ηνπ θαισδίνπ κεηαθνξάο ζην θαζαξφ ζήκα [56], φπσο θαίλεηαη θαη ζην ρήκα ρήκα 3.10: Απφξξηςε θνηλνχ ζνξχβνπ κε ηε ρξήζε δηαθνξηθνχ εληζρπηή Ζ έμνδνο ηνπ ηειεζηηθνχ εληζρπηή LM7171-1, I pr, ζπγθξίλεηαη κέζσ ηνπ ζπγθξηηή LM361-1 κε ηελ αλαθνξά κέγηζηνπ ξεχκαηνο I ref. Όζν ην ζήκα I pr είλαη κηθξφηεξν απφ ηελ αλαθνξά κέγηζηνπ ξεχκαηνο I ref, ε έμνδνο ηνπ ζπγθξηηή είλαη ινγηθφ 0, ελψ φηαλ ζπκβαίλεη ην αληίζηξνθν ε έμνδνο ηνπ είλαη ινγηθφ 1. Ζ έμνδνο ηνπ ζπγθξηηή LM361-1 (ζήκα Κ) απνηειεί είζνδν ελφο JK Flip-Flop θαη ζπγθεθξηκέλα ηελ είζνδν K. Σαπηφρξνλα, απνηειεί θαη είζνδν ηνπ αθξνδέθηε 13 ηνπ νινθιεξσκέλνπ 74HC00-1, πξνθεηκέλνπ λα πινπνηεζεί κία ινγηθή πξάμε (ζα αλαιπζεί αθνινχζσο), ε νπνία είλαη απαξαίηεηε γηα ηελ νξζή ιεηηνπξγία ηνπ ειέγρνπ ηνπ αληηζηξνθέα. Να ζεκεησζεί εδψ, φηη έλα JK Flip-Flop έρεη ηε ζπκπεξηθνξά ελφο SR Flip-Flop (J = Set, K = Reset). Ζ έμνδνο ηνπ ηειεζηηθνχ εληζρπηή LM ζπγθξίλεηαη κέζσ ηνπ ζπγθξηηή LM361-2 κε κία πνιχ κηθξή ζπλερή ηάζε ηεο ηάμεσο ησλ 0,1V. Όζν ην ζήκα πνπ πξνέξρεηαη απφ ηελ έμνδν ηνπ LM είλαη κεγαιχηεξν απφ ηελ πνιχ κηθξή ζρεδφλ κεδεληθή ζπλερή ηάζε, ε έμνδνο ηνπ ζπγθξηηή είλαη ινγηθφ 0, ελψ φηαλ ζπκβαίλεη ην αληίζηξνθν ε έμνδφο ηνπ είλαη ινγηθφ 1. Ζ έμνδνο ηνπ ζπγθξηηή LM361-2 (ζήκα Β), δελ νδεγείηαη απεπζείαο ζηελ είζνδν J ηνπ JK Flip-Flop, αιιά καδί κε ην ζήκα K (έμνδνο ηνπ LM361-1), απνηειεί είζνδν

111 Κεθάλαιο 3 ο ηνπ νινθιεξσκέλνπ 74HC00-1, ην νπνίν πεξηέρεη ηέζζεξηο αλεμάξηεηεο ινγηθέο πχιεο ΝAND δχν εηζφδσλ. Σν ζπγθεθξηκέλν νινθιεξσκέλν πινπνηεί ηελ αθφινπζε ινγηθή πξάμε: J ( K B) B ( K B) B K B Ζ έμνδφο ηνπ (ζήκα J) είλαη ηειηθά ε είζνδνο J ηνπ JK Flip-Flop. Ζ ζπγθεθξηκέλε ινγηθή πξάμε είλαη απαξαίηεηε, πξνθεηκέλνπ ηε ζηηγκή πνπ ην ζήκα K γίλεηαη ινγηθφ 1, ην ζήκα J λα γίλεηαη απεπζείαο 0, έηζη ψζηε ε έμνδνο Q ηνπ JK Flip-Flop λα αιιάμεη θαηάζηαζε απφ 1 ζε 0. Απφ ηελ παξαπάλσ έθθξαζε, θαίλεηαη αθφκε, φηη φηαλ ην K βξίζθεηαη ζε ινγηθφ 0, ην J «αθνινπζεί» ην Β. Ζ έμνδνο Q ηνπ JK Flip-Flop (BCM Out S 1 ) απνηειεί ηελ παικνζεηξά ειέγρνπ ηνπ εκηαγσγηθνχ δηαθφπηε S 1 γηα ηελ πεξίπησζε ιεηηνπξγίαο ηνπ αληηζηξνθέα ζην φξην ζπλερνχο - αζπλερνχο αγσγήο. Να ζεκεησζεί, φηη θαη εδψ ε παικνζεηξά απηή (BCM Out S 1, ρήκα 3.9) δελ είλαη απηή ε νπνία ζα νδεγήζεη απεπζείαο ηνλ εκηαγσγηθφ δηαθφπηε ηζρχνο S 1. Σν ζήκα BCM Out S 1 ζα νδεγεζεί αξρηθά ζε έλαλ νπηηθφ απνκνλσηή (Optocoupler) θαη έπεηηα ζην νινθιεξσκέλν θχθισκα (MOSFET Driver), ην νπνίν ηειηθά ζα νδεγήζεη ηνλ εκηαγσγηθφ δηαθφπηε ηζρχνο. Σα παξαπάλσ ζηνηρεία ζα κειεηεζνχλ αλαιπηηθά ζε επφκελν θεθάιαην. Σα ζήκαηα K, J, Q θαη CLK ηα νπνία αθνξνχλ ζηε ιεηηνπξγία ηνπ JK Flip-Flop θαίλνληαη ζην ρήκα ρήκα 3.11: Σα ζήκαηα K, J, Q θαη CLK ηα νπνία αθνξνχλ ζηε ιεηηνπξγία ηνπ JK Flip-Flop [2]

112 Κεθάλαιο 3 ο Σειεηψλνληαο, ρξεζηκνπνηείηαη ην νινθιεξσκέλν 74HC00-2, ην νπνίν πεξηέρεη θαη απηφ ηέζζεξηο αλεμάξηεηεο ινγηθέο πχιεο ΝAND δχν εηζφδσλ, σο έλαο αζηαζήο πνιπδνλεηήο (Astable multivibrator). Ο αζηαζήο πνιπδνλεηήο είλαη έλα ειεθηξνληθφ θχθισκα, ην νπνίν έρεη δχν εκηζηαζείο θαηαζηάζεηο (0 θαη 1) θαη κπνξεί λα παξακείλεη ζηελ θαζεκία απφ απηέο γηα πξνθαζνξηζκέλν ρξνληθφ δηάζηεκα T 1 θαη T 2 αληίζηνηρα [57]. Έηζη, κεηά απφ Σ 1 δεπηεξφιεπηα, κεηαπίπηεη ζηελ άιιε εκηζηαζή θαηάζηαζε θαη παξακέλεη ζε απηή γηα Σ 2 δεπηεξφιεπηα κεηά απφ ηα νπνία επηζηξέθεη ζηελ αξρηθή θαηάζηαζε θαη ε δηαδηθαζία επαλαιακβάλεηαη. Ο αζηαζήο πνιπδνλεηήο ηαιαληψλεηαη κε πεξίνδν Σ = Σ 1 + Σ 2 ή ζπρλφηεηα f = 1/T. Σν νινθιεξσκέλν απηφ, κε ηε βνήζεηα ησλ αληηζηάζεσλ R 13 θαη R 14 θαζψο θαη ηνπ ππθλσηή C 2, παξάγεη ηειηθά κία πςίζπρλε παικνζεηξά κε duty cycle 50%, ε νπνία απνηειεί ην ξνιφη (clock, CLK) ηνπ JK Flip-Flop. Ζ ζπρλφηεηα ηεο παικνζεηξάο θαζνξίδεηαη απφ ηε ζηαζεξά ρξφλνπ R 13 C 2 θαη δίλεηαη απφ ηε ζρέζε f 1 / (5,5 R 13 C 2 ). Σν θχθισκα ηνπ αζηαζνχο πνιπδνλεηή πνπ ρξεζηκνπνηείηαη παξνπζηάδεηαη πην αλαιπηηθά ζην ρήκα ρήκα 3.12: Κχθισκα αζηαζνχο πνιπδνλεηή κε πχιεο NAND Γηα ηε ζπγθεθξηκέλε εθαξκνγή, επηιέρζεθε ζπρλφηεηα ξνινγηνχ πεξίπνπ ίζε κε 850kHz, ηελ νπνία πεηπραίλνπκε κε ηηο ηηκέο C 2 = 18pF, R 13 = 12kΩ. Να ζεκεησζεί, φηη πξνθεηκέλνπ ην θχθισκα λα ιεηηνπξγεί απνηειεζκαηηθά, ε αληίζηαζε R 14 πξέπεη λα έρεη ηηκή δεθαπιάζηα ηεο αληίζηαζεο R 13, δειαδή R 14 = 120kΩ Δπηινγή ησλ ζηνηρείσλ ηνπ θπθιψκαηνο ειέγρνπ Γηα ην θχθισκα έιεγρνπ θαη γηα ηελ πεξίπησζε ηεο ιεηηνπξγίαο ηνπ αληηζηξνθέα ζην φξην ζπλερνχο - αζπλερνχο αγσγήο (BCM) ην νπνίν θαη αλαιχζεθε παξαπάλσ, ε ηηκή ηνπ ππθλσηή C 1 επηιέρζεθε, φπσο θαη ζηελ πεξίπησζε ιεηηνπξγίαο ζηελ αζπλερή αγσγή, 15nF

113 Κεθάλαιο 3 ο ελψ νη αληηζηάζεηο R 1 - R 4 είλαη 4,7kΩ έθαζηε. Γηα ηε δίνδν Zener επηιέρζεθε θαη εδψ ηάζε δηάζπαζεο V Z = 2,4V, ελψ νη κεηαβιεηέο αληηζηάζεηο RV 1 θαη RV 2 πνπ ρξεζηκνπνηήζεθαλ είλαη πνιχζηξνθεο, ηχπνπ 202Τ (0-2kΩ). Οη ηειεζηηθνί εληζρπηέο πνπ ρξεζηκνπνηήζεθαλ, είλαη νη πνιχ γξήγνξεο ηαρχηεηαο LM7171, ελψ γηα ηηο αληηζηάζεηο πνπ ηνπο πιαηζηψλνπλ ηζρχεη φηη R 5 = R 7 = 50kΩ, R 6 = R 8 = 100kΩ, ελψ νη αληηζηάζεηο R 9 - R 12 επηιέρζεθαλ 100kΩ ε θαζεκία. Σα νινθιεξσκέλα θπθιψκαηα πνπ ρξεζηκνπνηήζεθαλ γηα ηε ζχγθξηζε ησλ ζεκάησλ είλαη νη πςειήο ηαρχηεηαο δηαθνξηθνί ζπγθξηηέο LM361, ην ινγηθφ δηάγξακκα ησλ νπνίσλ θαίλεηαη ζην ρήκα 3.13, ελψ φπσο αλαθέξζεθε παξαπάλσ, ρξεζηκνπνηήζεθαλ επίζεο δχν νινθιεξσκέλα θπθιψκαηα 74HC00. Σν θαζέλα απφ απηά πεξηέρεη ηέζζεξηο αλεμάξηεηεο ινγηθέο πχιεο ΝAND δχν εηζφδσλ. Δπηπξνζζέησο, ρξεζηκνπνηήζεθε ην νινθιεξσκέλν θχθισκα 74HC73, ην νπνίν πεξηέρεη δχν αλεμάξηεηα JK Flip-Flops. ρήκα 3.13: Λνγηθφ δηάγξακκα ηνπ δηαθνξηθνχ ζπγθξηηή LM361 Σέινο, ε ηξνθνδνζία ησλ νινθιεξσκέλσλ πνπ ρξεζηκνπνηήζεθαλ είλαη ε εμήο: ηα νινθιεξσκέλα 74HC00 θαζψο θαη ην 74HC73 ηξνθνδνηήζεθαλ κε ειεθηξηθή ηάζε +5V DC. Σα νινθιεξσκέλα LM7171 θαη LM361 ηξνθνδνηήζεθαλ κε ηάζεηο +15V, -15V, +5V DC. Να ζεκεησζεί, φηη θαη εδψ, ζε θαζέλα απφ ηα νινθιεξσκέλα θπθιψκαηα ζπλδέζεθε (φζν ην δπλαηφλ πην θνληά ζην αληίζηνηρν νινθιεξσκέλν) Bypass ππθλσηήο, ν νπνίνο παξέρεη ηηο αηρκέο ξεχκαηνο πνπ κπνξεί λα «δεηεζνχλ» απφ απηφ

114 Κεθάλαιο 3 ο 3.4 Μέηπηζη ηος ςτίζςσνος διακοπηικού πεύμαηορ πος διαππέει ηα ηςλίγμαηα ηος μεηαζσημαηιζηή ηος ανηιζηποθέα Ζ κέηξεζε ηνπ πςίζπρλνπ δηαθνπηηθνχ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ην πξσηεχνλ θαη ηα δχν δεπηεξεχνληα ηπιίγκαηα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή γίλεηαη, φπσο έρεη ήδε αλαθεξζεί, κε ηε ρξήζε κεηαζρεκαηηζηψλ ξεχκαηνο (Current Transformers - C.T.) ηνξνεηδνχο ππξήλα. Οη κεηαζρεκαηηζηέο ξεχκαηνο δηαζέηνπλ έλαλ ηθαλνπνηεηηθφ ζπληειεζηή S.N.R. (Signal - to - noise ratio), παξέρνπλ απνκφλσζε κεηαμχ ηνπ θπθιψκαηνο ειέγρνπ θαη ηεο γξακκήο ηελ νπνία «παξαθνινπζνχλ» (θχθισκα ηζρχνο), παξέρνπλ πςειφ ιφγν απφξξηςεο θνηλνχ ζήκαηνο (Common Mode Rejection Ratio - C.M.R.R.), ελψ δελ εηζάγνπλ ππεξβνιηθέο απψιεηεο ηζρχνο ζε εθαξκνγέο πςειψλ ξεπκάησλ [58]. ηε ζπγθεθξηκέλε εθαξκνγή, ιφγσ ηνπ φηη ηα πςίζπςλα (παικηθά) ξεχκαηα πνπ πξέπεη λα κεηξεζνχλ είλαη κίαο θαηεχζπλζεο (Unidirectional), ρξεζηκνπνηήζεθε ε αθφινπζε δηάηαμε κέηξεζεο πνπ θαίλεηαη ζην ρήκα 3.14, ε νπνία θαη θαηαζθεπάζηεθε ζηελ πιαθέηα ηζρχνο. ρήκα 3.14: Γηάηαμε κέηξεζεο πςίζπρλνπ, παικηθνχ ξεχκαηνο (I power ) κε ηε ρξήζε κεηαζρεκαηηζηή ξεχκαηνο (C.T.) [58] ηε δηάηαμε απηή, ην πξσηεχνλ ηχιηγκα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή ξεχκαηνο Σ 1 βξίζθεηαη ζε ζεηξά κε ηε γξακκή ηεο νπνίαο είλαη επηζπκεηή ε κέηξεζε ηνπ ξεχκαηνο. Ζ γξακκή απηή, ζηελ πεξίπησζή καο, είλαη είηε ην πξσηεχνλ ηχιηγκα ηνπ (θχξηνπ) κεηαζρεκαηηζηή, είηε ηα δεπηεξεχνληα ηπιίγκαηα απηνχ. Σν δεπηεξεχνλ ηχιηγκα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή ξεχκαηνο θαηαιήγεη κέζσ κίαο δηφδνπ D 1 ζηελ αληίζηαζε R 2 (Ballast resistor). Παξάιιεια κε ην ηχιηγκα απηφ ζπλδέεηαη θαη κία ζρεηηθά κεγάιε αληίζηαζε R 1 (Flyback resistor). Να ζεκεησζεί εδψ, πσο γηα πξαθηηθνχο ιφγνπο, ην πξσηεχνλ ηχιηγκα ελφο κεηαζρεκαηηζηή

115 Κεθάλαιο 3 ο ξεχκαηνο απνηειείηαη απφ κία ζπείξα, έηζη ψζηε ε γξακκή πνπ κεηαθέξεη ην σο πξνο κέηξεζε ξεχκα I power, λα πεξλά απεπζείαο κέζα απφ ηελ νπή ηνπ ηνξνεηδνχο ππξήλα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή ξεχκαηνο. Ζ ιεηηνπξγία ηεο παξαπάλσ δηάηαμεο έρεη σο εμήο: φηαλ ν εκηαγσγηθφο δηαθφπηεο ηζρχνο (S 1, S 2, S 3, δελ απεηθνλίδνληαη ζην ρήκα 3.14) αλάςεη, ην ξεχκα I power μεθηλά λα απμάλεη. Σφηε, ε δίνδνο D 1 έξρεηαη ζε αγσγή θαη ην ξεχκα ζηελ αληίζηαζε R 2 ζα είλαη κία εηθφλα ηνπ ξεχκαηνο I power. Απνηέιεζκα απηνχ, είλαη ε εκθάληζε κηαο ηάζεο αλάινγεο ηνπ I power ζηα άθξα ηεο R 2. Όηαλ ν εκηαγσγηθφο δηαθφπηεο ζβήζεη (ζην ηέινο ηνπ παικνχ ξεχκαηνο πνπ πξέπεη λα κεηξεζεί), ζα πξνθχςεη κία κεγάιε (αληίζεηεο πνιηθφηεηαο) Flyback ηάζε V fb, ε νπνία βνεζά ζηελ ηαρεία επαλαθνξά ηνπ ππξήλα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή ξεχκαηνο (Core restoration). Σφηε, θαη ιφγσ ηεο V fb, ε δίνδνο D 1 ζα ζηακαηήζεη λα άγεη, κε άκεζε ζπλέπεηα ε εθθφξηηζε ηεο επαγσγήο καγλήηηζεο ηνπ κεηαζρεκαηηζηή ξεχκαηνο λα γίλεη κφλν κέζσ ηεο αληίζηαζεο R 1. Όζν κεγαιχηεξε είλαη ε ηηκή ηεο R 1, ηφζν πην γξήγνξε ζα είλαη θαη ε επαλαθνξά ηνπ ππξήλα, σζηφζν ε ηάζε V fb (ε νπνία θαη ζα εθαξκνζηεί αλάζηξνθα ζηελ δίνδν D 1 ) ζα κεγαιψζεη θαη απηή. Σειηθά, ε ππθλφηεηα ηεο καγλεηηθήο ξνήο ηνπ ππξήλα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή ξεχκαηνο επηζηξέθεη ζηελ παξακέλνπζα ηηκή ηεο B r, θαηά ηε δηάξθεηα πνπ ν εκηαγσγηθφο δηαθφπηεο ηζρχνο είλαη ζβεζηφο, θαζηζηψληαο ηνλ κεηαζρεκαηηζηή ξεχκαηνο έηνηκν γηα ηνλ επφκελν παικφ ξεχκαηνο. ην ζεκείν απηφ, είλαη απαξαίηεην λα αλαθεξζνχλ νξηζκέλεο ζεκαληηθέο επηζεκάλζεηο, νη νπνίεο επεξεάδνπλ ηα θαηαζθεπαζηηθά θαη ιεηηνπξγηθά ραξαθηεξηζηηθά ελφο κεηαζρεκαηηζηή ξεχκαηνο. πγθεθξηκέλα, ην δεπηεξεχνλ ηχιηγκα ελφο ηέηνηνπ κεηαζρεκαηηζηή πξέπεη, ελ γέλεη, λα έρεη κεγάιε ηηκή απηεπαγσγήο, έηζη ψζηε ην ξεχκα καγλήηηζεο πνπ ζα αλαπηπρζεί, λα είλαη φζν ην δπλαηφλ κηθξφηεξν, πξνθεηκέλνπ ε κέηξεζε λα είλαη αθξηβήο. Σν ξεχκα καγλήηηζεο απμάλεη θαηά ηε δηάξθεηα ηνπ παικνχ ξεχκαηνο (ηνλ νπνίν κεηξάκε) θαη ηειηθά ζα αθαηξεζεί απφ ηελ πνζφηεηα πνπ έρεη κεηξεζεί. πλεπψο, ζην ηέινο ηνπ παικνχ ξεχκαηνο, ην ξεχκα καγλήηηζεο πξέπεη λα είλαη ζεκαληηθά κηθξφηεξν ηνπ ξεχκαηνο πνπ κεηξάκε (π.ρ. 10%). πκπεξαίλνπκε ινηπφλ, πσο ν κεηαζρεκαηηζηήο ξεχκαηνο πξέπεη λα δηαζέηεη κεγάιν αξηζκφ ζπεηξψλ ζην δεπηεξεχνλ ηχιηγκα θαη έλαλ ππξήλα κε κεγάιε καγλεηηθή δηαπεξαηφηεηα, πξνθεηκέλνπ λα επηηεπρζεί κεγάιε ηηκή απηεπαγσγήο. Έλαο άιινο ζεκαληηθφο παξάγνληαο ν νπνίνο επεξεάδεη ζεκαληηθά ην ξεχκα καγλήηηζεο, είλαη ην πιάηνο ηεο ηάζεο πνπ ζα αλαπηπρζεί ζην δεπηεξεχνλ ηχιηγκα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή

116 Κεθάλαιο 3 ο ξεχκαηνο V s. Ζ ηάζε απηή, είλαη ην άζξνηζκα ηνπ ζήκαηνο εμφδνπ V o (ην πιάηνο ηνπ νπνίνπ επηιέγεηαη απφ ηνλ ζρεδηαζηή, π.ρ. 200mV) θαη ηεο ηάζεο νξζήο πφισζεο ηεο δηφδνπ D 1 (π.ρ. 0,7V). Ζ ηάζε V s πξέπεη λα είλαη φζν ην δπλαηφλ κηθξφηεξε (< 1V), αθνχ κεγάιεο ηηκέο ηεο ηάζεο απηήο ζα επηθέξνπλ σο απνηέιεζκα κεγάιν ξεχκα καγλήηηζεο. Να επηζεκαλζεί εδψ, πσο ιφγσ ηνπ φηη ην ζήκα εμφδνπ V o είλαη ηδηαίηεξα κηθξφ, ε απεπζείαο (ρσξίο ελίζρπζε) κεηαθνξά ηνπ κέζσ ελφο θαισδίνπ ζην θχθισκα ειέγρνπ ζα παξακφξθσλε ζε κεγάιν βαζκφ ην ζήκα, εμαηηίαο ηνπ παξαζηηηθνχ ζνξχβνπ, ν νπνίνο ζα ππεξηίζεην ζην ρξήζηκν ζήκα V o. πλεπψο, ην ζήκα V o εληζρχεηαη κέζσ ελφο δηαθνξηθνχ εληζρπηή, κε θέξδνο θιεηζηνχ βξφρνπ ίζν κε 10. Ο δηαθνξηθφο απηφο εληζρπηήο ηνπνζεηήζεθε ζηελ πιαθέηα ηζρχνο θαη ην ζπγθεθξηκέλν θέξδνο θιεηζηνχ βξφρνπ επηηεχρζεθε κε θαηάιιειε επηινγή αληηζηάζεσλ. Ζ έμνδφο ηνπ, απνηειεί ην ζήκα εηζφδνπ ηνπ θπθιψκαηνο ειέγρνπ (i pr, i sec1, i sec2, ρήκα 3.9), ην νπνίν αλαιχζεθε ζηελ πξνεγνχκελε ελφηεηα. Αθνινχζσο, ζα γίλεη ε επηινγή ησλ ζηνηρείσλ ηεο δηάηαμεο κέηξεζεο πνπ κφιηο αλαιχζεθε. ηνλ αληηζηξνθέα ξεχκαηνο ηνπνινγίαο Flyback πνπ κειεηήζεθε ζηε ζπγθεθξηκέλε εξγαζία, ε κέγηζηε ηηκή ηνπ σο πξνο κέηξεζε ξεχκαηνο ηνπ πξσηεχνληνο ηπιίγκαηνο ηνπ (θχξηνπ) κεηαζρεκαηηζηή, ε νπνία ζα ππνινγηζηεί αλαιπηηθά ζε επφκελν θεθάιαην, αλέξρεηαη ζηα 18,2Α (θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο BCM, κέγηζην επίπεδν ηζρχνο 200W). Οη παξάκεηξνη ηεο δηάηαμεο νη νπνίεο ρξεζηκνπνηνχληαη παξαθάησ θαη ππνινγίδνληαη ζε επφκελν θεθάιαην είλαη: ειάρηζηε ζπρλφηεηα ιεηηνπξγίαο ηνπ αληηζηξνθέα φηαλ απηφο ιεηηνπξγεί ζηα 200W f S,min = 24,52kHz, ιφγνο κεηαζρεκαηηζκνχ ηνπ (θχξηνπ) κεηαζρεκαηηζηή n = 0,5 θαη ι = 0,16. Υξεζηκνπνηψληαο ηνλ κεηαζρεκαηηζηή ξεχκαηνο AS- 104 ηεο εηαηξίαο Talema, ν νπνίνο έρεη εχξνο δψλεο έσο θαη 200kHz, ιφγν κεηαζρεκαηηζκνχ n = 1:500 θαη επαγσγή δεπηεξεχνληνο ηπιίγκαηνο L sec = 700mH, ην ξεχκα ησλ 18,2Α κεηαζρεκαηίδεηαη ζην δεπηεξεχνλ ηχιηγκα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή ξεχκαηνο ζε n 18,2 = 0,0364A = 36,4mA. Αθνινχζσο, επηιέγεηαη ε κέγηζηε ηηκή ηεο ηάζεο V s ζηα 0,9V, δειαδή 0,7V γηα ηε δίνδν D 1 θαη 0,2V γηα ην ζήκα εμφδνπ V o (peak ηηκή). Ζ θιίζε κε ηελ νπνία απμάλεη ην ξεχκα καγλήηηζεο ηνπ κεηαζρεκαηηζηή ξεχκαηνο ππνινγίδεηαη απφ ηελ αθφινπζε ζρέζε: dim dt e 0,9 1,286 A / s L 0,7 sec

117 Κεθάλαιο 3 ο φπνπ e είλαη ε κέγηζηε ηηκή ηεο ηάζεο V s. Σν ρξνληθφ δηάζηεκα πνπ δηαξθεί ν σο πξνο κέηξεζε παικφο ξεχκαηνο, ηαπηίδεηαη κε ηνλ ρξφλν t on. Ωζηφζν, ν ρξφλνο απηφο, φπσο άιισζηε έρεη αλαθεξζεί πην πάλσ, κεηαβάιιεηαη ζπλερψο κέζα ζε κία εκηπεξίνδν ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ Δ.Ρ. Γηα ηνλ ιφγν απηφ θαη πξνθεηκέλνπ λα ζπλερίζνπκε ηε δηαδηθαζία ππνινγηζκνχ, ζεσξνχκε ηνλ κέγηζην ρξφλν t on (t on,p ), ν νπνίνο, φηαλ ν αληηζηξνθέαο ξεχκαηνο ιεηηνπξγεί ζηελ BCM θαη ζην κέγηζην επίπεδν ηζρχνο ησλ 200W, ππνινγίδεηαη κε ηε βνήζεηα ησλ εμηζψζεσλ (3.6) θαη (3.9) σο εμήο: TS,max ton, p toff 1ton, p ton, p fs,min n 3 0,16 fs,min 1 24, n 0,5 30s πλεπψο, ζην ηέινο ηνπ παικνχ ξεχκαηνο ησλ 30κs πξνθχπηεη ε κέγηζηε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο A καγλήηηζεο ίζε κε Imag,p 1, s 38,58A. Σν ξεχκα απηφ, κεηαζρεκαηηζκέλν ζην s πξσηεχνλ ηχιηγκα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή ξεχκαηνο πξνθχπηεη ίζν κε 19,29mA, ην νπνίν είλαη πνιχ κηθξφ ζε ζχγθξηζε κε ηα 18,2Α, επνκέλσο ην ζθάικα ηεο κέηξεζεο εμαηηίαο ηνπ ξεχκαηνο καγλήηηζεο ζα είλαη κεδακηλφ. Ζ ηηκή ηεο αληίζηαζεο R 2 πνπ ρξεηάδεηαη πξνθεηκέλνπ ε κέγηζηε (peak) ηηκή ηνπ ζήκαηνο εμφδνπ V o λα πξνθχπηεη 0,2V είλαη: 0,2 R2 5,5 0, 0364 Σν δηάζηεκα t off (ζην νπνίν ν παικφο ξεχκαηνο είλαη κεδέλ), φπσο ήδε έρεη εηπσζεί, είλαη ζηαζεξφ φηαλ ν αληηζηξνθέαο ξεχκαηνο ιεηηνπξγεί ζηελ BCM. Γηα ην κέγηζην επίπεδν ηζρχνο ησλ 200W, βάζεη ηεο εμίζσζεο (3.6) ηζρχεη φηη: toff TS,max ton, p ton, p ,7s 3 fs,min 24,52 10 Ζ ηηκή ηεο αληίζηαζεο R 1 επηιέγεηαη ίζε κε 1MΩ. πλεπψο, ην ρξνληθφ δηάζηεκα πνπ ρξεηάδεηαη λα εθθνξηίζεη ε επαγσγή καγλήηηζεο ηνπ κεηαζρεκαηηζηή ξεχκαηνο, ε νπνία εθθνξηίδεη κέζσ ηεο R 1, είλαη πεξίπνπ ίζν κε είλαη ζαθψο κηθξφηεξν απφ ην ρξνληθφ δηάζηεκα t off 10,7κs. L 0,7 s, ην νπνίν θαη sec ,8 6 R

118 Κεθάλαιο 3 ο Σέινο, ε κέγηζηε ηάζε V fb ηελ νπνία πξέπεη λα είλαη ηθαλή λα απνθφςεη ε δίνδνο D 1, πξνθχπηεη ίζε κε Vfb,max Imag, p R1 38,58 A1M 38,58V. ηε ζπλέρεηα, ζα γίλεη ε επηινγή ησλ ζηνηρείσλ γηα ηε κέηξεζε ηνπ ξεχκαηνο ησλ δεπηεξεπφλησλ ηπιηγκάησλ ηνπ (θχξηνπ) κεηαζρεκαηηζηή. Ζ κέγηζηε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ηα ηπιίγκαηα απηά αλέξρεηαη ζηα 9,1Α (θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο BCM, κέγηζην επίπεδν ηζρχνο 200W). Υξεζηκνπνηψληαο ηνλ κεηαζρεκαηηζηή ξεχκαηνο AS-100 ηεο εηαηξίαο Talema, ν νπνίνο έρεη εχξνο δψλεο έσο θαη 200kHz, ιφγν κεηαζρεκαηηζκνχ n = 1:50 θαη επαγσγή δεπηεξεχνληνο ηπιίγκαηνο L sec = 6mH, ην ξεχκα ησλ 9,1Α κεηαζρεκαηίδεηαη ζην δεπηεξεχνλ ηχιηγκα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή ξεχκαηνο ζε n 9,1 = 0,182A = 182mA. Αθνινχζσο, επηιέγεηαη ε κέγηζηε ηηκή ηεο ηάζεο V s ζηα 0,9V, δειαδή 0,7V γηα ηε δίνδν D 1 θαη 0,2V γηα ην ζήκα εμφδνπ V o (peak ηηκή). Ζ θιίζε κε ηελ νπνία απμάλεη ην ξεχκα καγλήηηζεο ηνπ κεηαζρεκαηηζηή ξεχκαηνο, ππνινγίδεηαη απφ ηελ αθφινπζε ζρέζε: dim dt e 0,9 150 A/ s L 0,006 sec φπνπ e είλαη ε κέγηζηε ηηκή ηεο ηάζεο V s. Σν ρξνληθφ δηάζηεκα πνπ δηαξθεί ν σο πξνο κέηξεζε παικφο ξεχκαηνο ζε απηήλ ηελ πεξίπησζε, ηαπηίδεηαη κε ηνλ ρξφλν t off 10,7κs, αθνχ κφλν ζηνλ ρξφλν απηφλ ην εθάζηνηε «ελεξγφ» δεπηεξεχνλ ηχιηγκα ηνπ (θχξηνπ) κεηαζρεκαηηζηή δηαξξέεηαη απφ ξεχκα. πλεπψο, ζην ηέινο ηνπ παικνχ ξεχκαηνο ησλ 10,7κs πξνθχπηεη ε κέγηζηε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο καγλήηηζεο ίζε κε A Imag,p , 7s 1605A 1, 605mA. Σν ξεχκα απηφ κεηαζρεκαηηζκέλν ζην s πξσηεχνλ ηχιηγκα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή ξεχκαηνο πξνθχπηεη ίζν κε 80,25mA, ην νπνίν είλαη πνιχ κηθξφ ζε ζχγθξηζε κε ηα 9,1Α, επνκέλσο ην ζθάικα ηεο κέηξεζεο εμαηηίαο ηνπ ξεχκαηνο καγλήηηζεο ζα είλαη θαη ζε απηήλ ηελ πεξίπησζε κεδακηλφ. Ζ ηηκή ηεο αληίζηαζεο R 2 πνπ ρξεηάδεηαη πξνθεηκέλνπ ε κέγηζηε (peak) ηηκή ηνπ ζήκαηνο εμφδνπ λα πξνθχπηεη 0,2V είλαη: 0,2 R2 1,1 0,182 Σν δηάζηεκα θαηά ην νπνίν δελ ππάξρεη παικφο ξεχκαηνο, ζε απηήλ ηελ πεξίπησζε ηαπηίδεηαη κε ηνλ ρξφλν t on. Παξφιν πνπ ν ρξφλνο απηφο είλαη κεηαβαιιφκελνο, ε ηηκή ηεο αληίζηαζεο R 1 επηιέγεηαη ίζε κε 39kΩ, κε απνηέιεζκα ην ρξνληθφ δηάζηεκα πνπ ρξεηάδεηαη

119 Κεθάλαιο 3 ο λα εθθνξηίζεη ε επαγσγή καγλήηηζεο ηνπ κεηαζρεκαηηζηή ξεχκαηνο, λα είλαη πεξίπνπ ίζν κε L 0,006 s, ρξνληθφ δηάζηεκα ηδηαίηεξα κηθξφ. R sec , 62 1 Σέινο, ε κέγηζηε ηάζε V fb ηελ νπνία πξέπεη λα είλαη ηθαλή λα απνθφςεη ε δίνδνο D 1, πξνθχπηεη ίζε κε Vfb,max Imag, p R1 1,605 ma39k 62,59V. Ζ δίνδνο D 1 πνπ επηιέρζεθε ηφζν ζην θχθισκα πνπ ρξεζηκνπνηήζεθε γηα ηε κέηξεζε ηνπ ξεχκαηνο ηνπ πξσηεχνληνο ηπιίγκαηνο ηνπ (θχξηνπ) κεηαζρεκαηηζηή, φζν θαη ζε απηφ πνπ ρξεζηκνπνηήζεθε γηα ηε κέηξεζε ησλ ξεπκάησλ ησλ δεπηεξεπφλησλ ηπιηγκάησλ, είλαη ε δίνδνο κηθξνχ ζήκαηνο 1Ν4148, ε νπνία έρεη ηάζε δηάζπαζεο V R = 100V, πηψζε ηάζεο θαηά ηελ αγσγή V F 0,72V θαη κέζε ηηκή ξεχκαηνο νξζήο αγσγήο I F = 200mA

120

121 Κεθάλαιο 4 ο ΚΔΦΑΛΑΙΟ 4 ΚΑΣΑΚΔΤΗ ΣΟΤ ΤΦΙΤΥΝΟΤ ΑΝΣΙΣΡΟΦΔΑ ΡΔΤΜΑΣΟ ΣΟΠΟΛΟΓΙΑ FLYBACK 4.1 Γενικά ην θεθάιαην απηφ, ζα αλαιπζεί αξρηθά ν ηξφπνο επηινγήο ησλ δηαθφξσλ ζηνηρείσλ πνπ απαξηίδνπλ ην θχθισκα ηζρχνο ηνπ πςίζπρλνπ αληηζηξνθέα ξεχκαηνο ηνπνινγίαο Flyback, ελψ ζηε ζπλέρεηα ζα παξνπζηαζηεί ν ππνινγηζκφο ησλ ηηκψλ ηνπο, έηζη ψζηε λα επηηεπρζεί ε επηζπκεηή ιεηηνπξγία ηνπ. Έπεηηα, ζα παξνπζηαζηεί θαη ζα κειεηεζεί ην θχθισκα ειέγρνπ ηνπ «ελεξγνχ» δεπηεξεχνληνο ηπιίγκαηνο ηνπ κεηαζρεκαηηζηή ηζρχνο, θαζψο θαη ην θχθισκα νδήγεζεο ησλ εκηαγσγηθψλ ζηνηρείσλ ηζρχνο. Σειεηψλνληαο, ζα παξνπζηαζηεί έλα απιφ θχθισκα πξνζηαζίαο ηνπ εκηαγσγηθνχ δηαθφπηε ηζρχνο S 1, ελψ ζα αλαιπζεί επηγξακκαηηθά ε δνκή ελφο γξακκηθνχ ηξνθνδνηηθνχ. Ο αληηζηξνθέαο πνπ εμεηάδεηαη ζηε ζπγθεθξηκέλε δηπισκαηηθή εξγαζία, φπσο έρεη ήδε εηπσζεί, ζα ιεηηνπξγήζεη ζε δχν θαηαζηάζεηο ιεηηνπξγίαο (ιεηηνπξγία ζηελ πεξηνρή ηεο αζπλερνχο αγσγήο - DCM θαη ιεηηνπξγία ζην φξην ζπλερνχο - αζπλερνχο αγσγήο - BCM). Ζ επηινγή ηεο θαηάζηαζεο ιεηηνπξγίαο ζηελ νπνία απηφο ζα βξίζθεηαη, εμαξηάηαη απφ ηελ ηζρχ εμφδνπ ηνπ θσηνβνιηατθνχ πιαηζίνπ ζην νπνίν απηφο ζα ζπλδεζεί, βάζεη ηεο παξαηήξεζεο πνπ ήδε έρεη γίλεη, φηη ε κείσζε ηεο ηζρχνο εμφδνπ ηεο θσηνβνιηατθήο γελλήηξηαο επηθέξεη αχμεζε ζηηο ηηκέο ησλ f S,max, f S,min θαη f S,avg. Ζ κεηάβαζε κπνξεί λα γίλεη κε ηελ εθαξκνγή ηεο ηερληθήο πνπ παξνπζηάδεηαη ζηε Γηδαθηνξηθή Γηαηξηβή ηνπ Αλαζηάζηνπ Υ. Κπξίηζε, «Βέιηηζηνο ρεδηαζκφο Τςίζπρλνπ Μνλνθαζηθνχ Αληηζηξνθέα γηα ηε Γηαζχλδεζε Φσηνβνιηατθψλ πζηεκάησλ Μηθξήο Ηζρχνο κε ην Γίθηπν Υακειήο Σάζεο», Παλεπηζηήκην Παηξψλ, Σκήκα Ζιεθηξνιφγσλ Μεραληθψλ θαη Σερλνινγίαο Τπνινγηζηψλ, Ηαλνπάξηνο 2009 [2]. ηελ παξνχζα εθαξκνγή, ν αληηζηξνθέαο πνπ θαηαζθεπάδεηαη ζα ρξεζηκνπνηεζεί γηα ηε δηαζχλδεζε ελφο θσηνβνιηατθνχ πιαηζίνπ κε ειεθηξηθά ραξαθηεξηζηηθά P MP = 200W θαη V MP = 50V (ζηε κέγηζηε ειηαθή αθηηλνβνιία). Πξνθεηκέλνπ λα ππνινγηζηνχλ νη θαηαζθεπαζηηθέο παξάκεηξνη ηνπ αληηζηξνθέα, απνθαζίζηεθε φηη ε κέγηζηε ηζρχο πνπ ζα κεηαθέξεη απηφο ζην ειεθηξηθφ δίθηπν Δ.Ρ. ζηελ θαηάζηαζε ηεο αζπλερνχο αγσγήο (DCM) ζα είλαη ηα 100W, ελψ γηα ηε ιεηηνπξγία ηνπ ζην φξην κεηαμχ ζπλερνχο θαη αζπλερνχο

122 Κεθάλαιο 4 ο αγσγήο, σο κέγηζηε ηζρχο νξίζηεθαλ ηα 200W. Γη απηέο ηηο ηηκέο ηζρχνο ζα γίλεη παξαθάησ θαη ν ππνινγηζκφο ησλ ζρεδηαζηηθψλ παξακέηξσλ ηνπ αληηζηξνθέα. Γηα ηηο πεηξακαηηθέο κεηξήζεηο ρξεζηκνπνηήζεθε, αληί Φ/Β πιαηζίνπ, ηξνθνδνηηθφ ζπλερνχο ηάζεο 50V. ην ζεκείν απηφ, πξέπεη λα ζεκεησζεί πσο γηα ηηο ίδηεο ζρεδηαζηηθέο θαη ιεηηνπξγηθέο παξακέηξνπο ηνπ αληηζηξνθέα (ίδηνο καγλεηηθφο ππξήλαο, ίδηεο ηηκέο ι θαη n), απνδεηθλχεηαη φηη κε ηελ θαηάζηαζε BCM επηηπγράλεηαη δηπιαζηαζκφο ηεο κεηαθεξφκελεο ηζρχνο ηνπ ζπγθξηηηθά κε ηελ DCM [2]. ηελ θαηαζθεπή ηνπ ζπγθεθξηκέλνπ αληηζηξνθέα, ζα θαηαζθεπαζηεί έλα θχθισκα ηζρχνο, σζηφζν, γηα πξαθηηθνχο ιφγνπο, ζα θαηαζθεπαζηνχλ δχν κεηαζρεκαηηζηέο, έλαο δειαδή γηα θάζε θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο ηεο δηάηαμεο. Αθνινπζεί ν ππνινγηζκφο ησλ ζρεδηαζηηθψλ παξακέηξσλ ηνπ αληηζηξνθέα γηα θάζε θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο, ν νπνίνο έγηλε βάζεη ηεο ζεσξίαο πνπ έρεη αλαπηπρζεί ζηελ παξαπάλσ Γηδαθηνξηθή Γηαηξηβή ρεδηαζηηθέο παξάκεηξνη ηνπ αληηζηξνθέα θαηά ηε ιεηηνπξγία ηνπ ζηελ πεξηνρή ηεο αζπλερνχο αγσγήο α) Αξρηθά, ππνινγίδεηαη ε ηηκή ηεο παξακέηξνπ ι απφ ηελ εμίζσζε (2.14), ε νπνία πξνθχπηεη ίζε κε 0,16 ( 50 / ). β) Όζνλ αθνξά ηνλ ιφγν κεηαζρεκαηηζκνχ n, ιακβάλνληαο ππ φςηλ ηελ ηηκή ηνπ ι πνπ κφιηο ππνινγίζηεθε, θαζψο θαη ηηο παξαηεξήζεηο πνπ δηαηππψζεθαλ ζηηο παξαγξάθνπο 2.3 θαη 3.2 γηα ηελ επίδξαζε ηνπ n ζηηο κέγηζηεο ηηκέο ηάζεο θαη ξεχκαηνο ησλ εκηαγσγηθψλ δηαθνπηψλ, επηιέρζεθε ε ηηκή ηνπ n ίζε κε 0,5 θαη γηα ηηο δχν θαηαζηάζεηο ιεηηνπξγίαο (DCM - BCM). γ) ηε ζπλέρεηα, γηα ηηο ζπγθεθξηκέλεο ηηκέο ηεο παξακέηξνπ ι θαη ηνπ ιφγνπ κεηαζρεκαηηζκνχ πνπ επηιέρζεθε, απφ ηελ εμίζσζε (2.17) ζπλεπάγεηαη φηη γηα λα εμαζθαιηζηεί ε κε ιεηηνπξγία ηνπ αληηζηξνθέα ζηελ πεξηνρή ηεο ζπλερνχο αγσγήο (CCM), ζα πξέπεη ε κέγηζηε ηηκή ηνπ d p, λα είλαη κηθξφηεξε απφ 0,76. δ) Απφ ηελ εμίζσζε (2.22) ε ηηκή ηεο αγσγηκφηεηαο ηεο πεγήο ξεχκαηνο, δειαδή ηνπ αληηζηξνθέα, φπσο θαίλεηαη απφ ηελ πιεπξά ηνπ δηθηχνπ ππνινγίδεηαη φηη είλαη g S = 2,066mΩ -1, ελψ απφ ηελ εμίζσζε (2.23) ε ηηκή ηεο αγσγηκφηεηαο g L πξνθχπηεη g L = 0,281Ω

123 Κεθάλαιο 4 ο ε) Σέινο, επηιέγνληαο δηαθνπηηθή ζπρλφηεηα ιεηηνπξγίαο ηα 40kHz, απφ ηελ εμίζσζε πνπ ζπλδέεη ηα κεγέζε g L, f S θαη L 1 (Κεθάιαην 2), ε απηεπαγσγή ηνπ πξσηεχνληνο ηπιίγκαηνο ηνπ κεηαζρεκαηηζηή L 1 πξνθχπηεη πεξίπνπ ίζε κε 85κH ρεδηαζηηθέο παξάκεηξνη ηνπ αληηζηξνθέα θαηά ηε ιεηηνπξγία ηνπ ζην φξην ζπλερνχο - αζπλερνχο αγσγήο α) Καηά ηε ιεηηνπξγία ηνπ αληηζηξνθέα ζην φξην ζπλερνχο - αζπλερνχο αγσγήο ε ηηκή ηεο παξακέηξνπ ι θαη ν ιφγνο κεηαζρεκαηηζκνχ παξακέλνπλ ίδηνη φπσο θαη ζηελ πεξίπησζε ιεηηνπξγίαο απηνχ ζηελ πεξηνρή αζπλερνχο αγσγήο, δειαδή ι = 0,16 θαη n = 0,5. β) Απφ ηελ εμίζσζε (2.22) ε ηηκή ηεο αγσγηκφηεηαο ηεο πεγήο ξεχκαηνο, δειαδή ηνπ αληηζηξνθέα φπσο θαίλεηαη απφ ηελ πιεπξά ηνπ δηθηχνπ, ππνινγίδεηαη φηη είλαη g S = 4,132mΩ -1, ελψ απφ ηελ εμίζσζε (3.16) ε ηηκή ηεο αγσγηκφηεηαο g L,avg πξνθχπηεη g L,avg = 0,348Ω -1. γ) Υξεζηκνπνηψληαο ηελ εμίζσζε πνπ αλαθέξζεθε πξσζχζηεξα, ε νπνία ζπλδέεη ηα κεγέζε g L,avg, f S,avg θαη L 1 (Κεθάιαην 3) θαη έρνληαο δεδνκέλε ηελ ηηκή ηεο απηεπαγσγήο ηνπ πξσηεχνληνο ηπιίγκαηνο ηνπ κεηαζρεκαηηζηή (L 1 = 85κH, ίδηα ηηκή κε απηήλ πνπ ππνινγίζηεθε ζηελ πεξίπησζε ιεηηνπξγίαο ζε DCM), πξνθχπηεη φηη ε κέζε δηαθνπηηθή ζπρλφηεηα ιεηηνπξγίαο ηνπ αληηζηξνθέα f S,avg γηα ην κέγηζην επίπεδν παξαγφκελεο / κεηαθεξφκελεο ηζρχνο (200W), αλέξρεηαη ζηα 33,81kHz. δ) Όπσο έρεη αλαθεξζεί ζην πξνεγνχκελν θεθάιαην, ε ιεηηνπξγία ηνπ αληηζηξνθέα ζην φξην ζπλερνχο - αζπλερνχο αγσγήο επηθέξεη σο απνηέιεζκα κεηαβαιιφκελε δηαθνπηηθή ζπρλφηεηα ιεηηνπξγίαο. Απφ ηηο ζρέζεηο (3.17) θαη (3.18) ππνινγίδεηαη, φηη νη ηηκέο ηεο κέγηζηεο θαη ηεο ειάρηζηεο δηαθνπηηθήο ζπρλφηεηαο (γηα ην κέγηζην επίπεδν ηζρχνο) είλαη f S,max = 100,76kHz θαη f S,min = 24,52kHz, νη νπνίεο ζεσξνχληαη απνδεθηέο ηηκέο ζπρλνηήησλ γηα θιαζηθνχο βηνκεραληθνχο κεηαηξνπείο ηχπνπ P.W.M. (Hard Switching Converters) κε κέγηζην επίπεδν ηζρχνο ηα 200W. ε) Σέινο, βάζεη ηεο παξαηήξεζεο πνπ ήδε έρεη γίλεη, φηη ε κείσζε ηεο ηζρχνο εμφδνπ ηεο θσηνβνιηατθήο γελλήηξηαο επηθέξεη αχμεζε ζηηο ηηκέο ησλ f S,max, f S,min θαη f S,avg, απνθαζίζηεθε σο θαηψηαην φξην ιεηηνπξγίαο ηνπ αληηζηξνθέα ηα 60W (30% ηεο κέγηζηεο ηηκήο ηεο ηζρχνο εμφδνπ ηεο Φ/Β γελλήηξηαο). Γη απηήλ ηελ ηηκή ηζρχνο, πξνθχπηεη απφ ηε ζρέζε (3.20) φηη f S,avg = 113kHz, ελψ απφ ηε ζρέζε (3.17) ππνινγίδεηαη φηη f S,max =

124 Κεθάλαιο 4 ο 337kHz, νη νπνίεο θαη ζεσξήζεθαλ ηθαλνπνηεηηθέο γηα ηελ εξγαζηεξηαθή πεηξακαηηθή θαηαζθεπή. Ζ ηηκή ηεο ειάρηζηεο δηαθνπηηθήο ζπρλφηεηαο ιεηηνπξγίαο ηνπ αληηζηξνθέα (κε βάζε ηελ νπνία νθείινπλ λα θαζνξηζηνχλ ηα θαηαζθεπαζηηθά ραξαθηεξηζηηθά ηνπ κεηαζρεκαηηζηή) πξνθχπηεη απφ ηε ζρέζε (3.18) f S,min = 24,52kHz. 4.2 Δπιλογή ηυν ζηοισείυν ηος ςτίζςσνος ανηιζηποθέα πεύμαηορ ηοπολογίαρ Flyback Δπηινγή ησλ ειεγρφκελσλ εκηαγσγηθψλ ζηνηρείσλ ηζρχνο Γηα ηελ θαηαζθεπή ηνπ ζπγθεθξηκέλνπ πςίζπρλνπ αληηζηξνθέα ξεχκαηνο ηνπνινγίαο Flyback, είλαη απαξαίηεηε ε ρξήζε ηξηψλ εκηαγσγηθψλ δηαθνπηηθψλ ζηνηρείσλ ηζρχνο (S 1, S 2, S 3 ). Σα ζηνηρεία απηά ζα κπνξνχζαλ λα είλαη είηε transistor BJT, είηε MOSFET, είηε εκηαγσγηθά ζηνηρεία λεφηεξεο ηερλνινγίαο, φπσο είλαη ηα IGBT. Δπηιέρζεθαλ ηειηθά εκηαγσγηθά ζηνηρεία ηχπνπ MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), εμαηηίαο ησλ πιενλεθηεκάησλ πνπ απηά δηαζέηνπλ θαη ηα νπνία ζα αλαθεξζνχλ αθνινχζσο. Σν MOSFET ηζρχνο είλαη έλα ειεγρφκελν απφ ηάζε εκηαγσγηθφ ζηνηρείν ην νπνίν έρεη ηξεηο αθξνδέθηεο, ηελ ππνδνρή (Drain), ηελ πεγή (Source) θαη ηελ πχιε (Gate). Μέζσ ηεο πχιεο ηνπ, πνπ απνκνλψλεηαη απφ ην αγψγηκν θαλάιη κε ρξήζε κνλσηηθνχ δηνμεηδίνπ ηνπ ππξηηίνπ (SiO 2 ), ειέγρεηαη ε ξνή ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηέξρεηαη κεηαμχ ππνδνρήο θαη πεγήο [53, 54]. Σν ζηνηρείν απηφ, είλαη απιφ θαη εχθνιν ζηνλ έιεγρφ ηνπ, ελψ νη ηαρχηεηεο κεηάβαζήο ηνπ είλαη ηδηαίηεξα πςειέο, ζπγθξηηηθά κε άιια εκηαγσγηθά ζηνηρεία. Σν MOSFET αλάβεη (άγεη) φηαλ εθαξκνζηεί έλαο παικφο ηάζεο ζηελ πχιε ηνπ θαη ζηακαηάεη λα άγεη φηαλ απηφο ν παικφο ζηακαηήζεη λα πθίζηαηαη. Απηφ ζεκαίλεη πσο δελ απαηηείηαη θχθισκα ζβέζεο, φπσο ζπκβαίλεη κε άιια εκηαγσγηθά ζηνηρεία (π.ρ. thyristor). Σέινο, ηα MOSFET ηζρχνο έρνπλ ην πιενλέθηεκα φηη κπνξνχλ λα ρξεζηκνπνηεζνχλ ζε εθαξκνγέο πςειψλ δηαθνπηηθψλ ζπρλνηήησλ, ελψ ε επξεία ηνπο ρξήζε έρεη νδεγήζεη ζε πηψζε ηνπ θφζηνπο ηνπο. Ζ δνκή ησλ εκηαγσγηθψλ απηψλ ζηνηρείσλ, πνπ ρξεζηκνπνηείηαη ζήκεξα απφ φινπο ηνπο θαηαζθεπαζηέο, είλαη ε VDMOS (Vertical Double - Diffused MOS), ζηελ νπνία ν αθξνδέθηεο ππνδνρήο, ηνπνζεηείηαη ζηελ θάησ επηθάλεηα ηνπ πιαθηδίνπ κε απνηέιεζκα ηελ θαηαθφξπθε ξνή ξεχκαηνο [54]. Ζ εκπέδεζε εηζφδνπ ηνπ MOSFET ηζρχνο είλαη πςειή, γεγνλφο ην νπνίν νθείιεηαη ζην φηη ε πχιε ηνπ ζηνηρείνπ ζπκπεξηθέξεηαη σο ππθλσηήο. Απηφ

125 Κεθάλαιο 4 ο έρεη σο απνηέιεζκα ε ηζρχο πνπ απαηηείηαη γηα ηνλ έιεγρφ ηνπ λα είλαη εμαηξεηηθά ρακειή. ηελ πξαγκαηηθφηεηα, ην εκηαγσγηθφ ζηνηρείν δηαηεξείηαη ζε θαηάζηαζε αγσγήο ή απνθνπήο ρσξίο πξαθηηθά λα απαηηείηαη ηζρχο απφ ην θχθισκα παικνδφηεζεο, ελψ θαηά ηηο κεηαβαηηθέο θαηαζηάζεηο απαηηείηαη έλαο κηθξφο παικφο ξεχκαηνο γηα ηε θφξηηζε θαη ηελ εθθφξηηζε απηνχ ηνπ ππθλσηή εηζφδνπ. Δθηφο απφ ηε ρσξεηηθφηεηα εηζφδνπ, πνπ αλαθέξζεθε, ππάξρνπλ επίζεο θαη νη ρσξεηηθφηεηεο αλάδξαζεο θαη εμφδνπ, νη ηηκέο ησλ νπνίσλ δίλνληαη απφ ηνπο θαηαζθεπαζηέο. Σν MOSFET ηζρχνο είλαη έλα εκηαγσγηθφ ζηνηρείν, ζην νπνίν ε ξνή ηνπ ξεχκαηνο νθείιεηαη ζηε ξνή θνξέσλ πιεηνλφηεηαο. Απηφ έρεη σο απνηέιεζκα, νη ρξφλνη θαζπζηέξεζεο θαη κεηάβαζεο ηνπ ζηνηρείνπ απφ ηελ απνθνπή ζηελ αγσγή θαη ηαλάπαιηλ λα είλαη εμαηξεηηθά ρακεινί θαη λα κελ εμαξηψληαη απφ ηε ζεξκνθξαζία. Άκεζε ζπλέπεηα ηνπ γεγνλφηνο απηνχ, είλαη νη ζπρλφηεηεο ιεηηνπξγίαο ηνπ ζηνηρείνπ λα είλαη εμαηξεηηθά πςειέο (κπνξνχλ λα θζάζνπλ έσο θαη 1MHz), πεξηνξηδφκελεο, ζηηο δηάθνξεο εθαξκνγέο, κφλν απφ ηηο δηαθνπηηθέο απψιεηεο. Λφγσ ηεο δνκήο ηνπ, ην MOSFET ηζρχνο έρεη εζσηεξηθά κία δίνδν, ε νπνία εκθαλίδεηαη κεηαμχ πεγήο θαη ππνδνρήο (άλνδνο ζηελ πεγή), κε απνηέιεζκα λα κελ έρεη ηε δπλαηφηεηα ζπγθξάηεζεο αλάζηξνθσλ ηάζεσλ. Ωζηφζν, ε παξνπζία ηεο δηφδνπ απηήο απνδεηθλχεηαη επσθειήο γηα δηαηάμεηο φπσο νη αληηζηξνθείο, φπνπ κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζεί σο αληηπαξάιιειε δίνδνο. ην ρήκα 4.1 θαίλεηαη ε ζρεκαηηθή αλαπαξάζηαζε ελφο MOSFET ηζρχνο. ρήκα 4.1: ρεκαηηθή αλαπαξάζηαζε ελφο MOSFET ηζρχνο

126 Κεθάλαιο 4 ο Ζ επηινγή ελφο MOSFET ηζρχνο γίλεηαη κε γλψκνλα δχν παξακέηξνπο. Πξψηνλ, είλαη ζεκαληηθή ε ηάζε πνπ κπνξεί λα αληέμεη ην εκηαγσγηθφ ζηνηρείν ζηα άθξα ηνπ ζε θαηάζηαζε απνθνπήο (ηάζε κεηαμχ ππνδνρήο θαη πεγήο, V DSS ) θαη δεχηεξνλ είλαη εμίζνπ απαξαίηεηε ε R.M.S. ηηκή ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ην ζηνηρείν ζε θαηάζηαζε αγσγήο. Σν ξεχκα απηφ, είλαη ην ξεχκα πνπ δηέξρεηαη απφ ηελ ππνδνρή ηνπ ζηνηρείνπ θαη θζάλεη σο ηελ πεγή ηνπ (I D ). Γηα ηε ζπγθεθξηκέλε εθαξκνγή θαη γηα ηε ιεηηνπξγία DCM, ε ηηκή ηνπ ιφγνπ κεηαζρεκαηηζκνχ (n = 0,5) έρεη σο απνηέιεζκα, βάζεη ησλ εμηζψζεσλ (2.25) θαη (2.27), ηελ εκθάληζε κέγηζησλ ηηκψλ ηάζεο ζηα άθξα ησλ εκηαγσγηθψλ ζηνηρείσλ V S1,p 200V θαη V S2,p = V S3,p 623V. Δπηπιένλ, ε κέγηζηε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο γηα ηνλ δηαθφπηε S 1 ππνινγίδεηαη απφ ηελ εμίζσζε (2.28) ίζε κε I DC,p = 10,6A, φπνπ ην I DC,avg = P / V MP = 100W / 50V = 2A, ελψ γηα ηνπο δηαθφπηεο S 2 θαη S 3 είλαη I AC,p = n I DC,p = 0,5 10,6A = 5,3Α. ην ζεκείν απηφ, πξέπεη λα ζεκεησζεί φηη επηδηψρζεθε ν πεξηνξηζκφο ηεο V S1,p ζε ηδηαίηεξα ρακειέο ηηκέο αθελφο κελ ιφγσ ηνπ γεγνλφηνο φηη ν δηαθφπηεο S 1 βξίζθεηαη ζηελ πιεπξά ηεο ρακειήο ηάζεο θαη αθεηέξνπ δε γηα λα είλαη δπλαηή ε επηινγή ελφο εκηαγσγηθνχ δηαθφπηε ηχπνπ MOSFET κε αξθεηά ρακειή ηηκή αληίζηαζεο αγσγήο. Γηα ιεηηνπξγία ζε BCM, νη ηηκέο ησλ V S1,p, V S2,p θαη V S3,p είλαη ίδηεο κε απηέο ζηε ιεηηνπξγία ζε DCM, σζηφζν ε κέγηζηε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο γηα ηνλ δηαθφπηε S 1 ζε απηήλ ηελ πεξίπησζε, πξνθχπηεη απφ ηελ εμίζσζε (3.21) ίζε κε 18,2Α, ελψ γηα ηνπο δηαθφπηεο S 2 θαη S 3 είλαη I AC,p = n I DC,p = 0,5 18,2A = 9,1Α. Σα εκηαγσγηθά ζηνηρεία πνπ επηιέρζεθαλ ηειηθά, είλαη ην transistor IXFH26N50 ζηε ζέζε ηνπ δηαθφπηε S 1 θαη ην transistor IXFK24N100F ζηε ζέζε ησλ S 2 θαη S 3, ηα νπνία θαη πιεξνχλ ηηο πξναπαηηνχκελεο πξνυπνζέζεηο θαη κάιηζηα κε θάπνηνλ ζπληειεζηή αζθαιείαο. Παξφιν πνπ ηα transistor ηχπνπ MOSFET επηιέγνληαη κε βάζε ηελ R.M.S. ηηκή ηνπ ξεχκαηνο αγσγήο, ε επηινγή ηνπο ζε απηήλ ηελ πεξίπησζε έγηλε βάζε ηεο ηηκήο θνξπθήο (peak) ηνπ ξεχκαηνο πνπ ηα δηαξξέεη. Απηφ έγηλε, αθνχ ν ππνινγηζκφο ησλ R.M.S. ηηκψλ ησλ ξεπκάησλ πνπ δηαξξένπλ ηνπο εκηαγσγηθνχο δηαθφπηεο ηεο δηάηαμεο είλαη ηδηαίηεξα θνπηαζηηθφο. Όπσο κπνξεί θαλείο λα δηαπηζηψζεη απφ ηα θπιιάδηα ησλ θαηαζθεπαζηψλ, ηα νπνία επηζπλάπηνληαη ζην Παξάξηεκα B ηεο εξγαζίαο απηήο, ην transistor IXFH26N50 κπνξεί λα αληέμεη ηάζεηο κεηαμχ ππνδνρήο θαη πεγήο, φηαλ απηφ είλαη ζε θαηάζηαζε απνθνπήο, έσο θαη 500V, ελψ έρεη νλνκαζηηθφ ξεχκα ππνδνρήο ίζν κε 26A. Ζ αληίζηαζε αγσγήο ηνπ ζπγθεθξηκέλνπ MOSFET είλαη 0,2Ω. Όζνλ αθνξά ην transistor IXFK24N100F, κε βάζε θαη πάιη ην θπιιάδην ηνπ θαηαζθεπαζηή, κπνξεί λα αληέμεη έσο θαη 1000V κεηαμχ

127 Κεθάλαιο 4 ο ππνδνρήο θαη πεγήο φηαλ απηφ είλαη ζε θαηάζηαζε απνθνπήο, ελψ έρεη νλνκαζηηθφ ξεχκα ππνδνρήο ίζν κε 24A. Ζ αληίζηαζε αγσγήο ηνπ είλαη ίζε κε 0,39Ω Δπηινγή ησλ δηφδσλ ηζρχνο Ζ δίνδνο είλαη έλα κε ειεγρφκελν δηαθνπηηθφ ζηνηρείν, δειαδή δελ είλαη δπλαηφο ν έιεγρνο ηεο ιεηηνπξγίαο ηεο κέζσ άιισλ ειεθηξηθψλ ζεκάησλ. Ζ ζπκπεξηθνξά ηεο εμαξηάηαη απνθιεηζηηθά απφ ηελ ηάζε πνπ εθαξκφδεηαη ζηα άθξα ηεο ή ην ξεχκα πνπ ηε δηαξξέεη, δειαδή απφ ηηο ηάζεηο θαη ηα ξεχκαηα ηνπ θπθιψκαηνο ζην νπνίν ζπλδέεηαη [53, 54]. Ζ δίνδνο ηζρχνο θαηαζθεπάδεηαη ζπλήζσο κε βάζε ην ππξίηην θαη απνηειείηαη απφ δχν εκηαγσγνχο, ηχπνπ P + θαη N -, κε πςειφ πνζνζηφ πξνζκίμεσλ, κεηαμχ ησλ νπνίσλ ππάξρεη κία πεξηνρή ηχπνπ N - (βάζε - base), κε ρακειφ πνζνζηφ πξνζκίμεσλ [54]. Οη δχν απηνί εκηαγσγνί ζπλδένληαη εμσηεξηθά κε ηνπο αθξνδέθηεο ηεο δηφδνπ, ηελ άλνδν θαη ηελ θάζνδν. Έηζη, ε δνκή απηή, επηηξέπεη αθελφο κελ πςειέο αλάζηξνθεο ηάζεηο δηάζπαζεο, αθεηέξνπ δε ηε ξνή ξεπκάησλ πςειήο ππθλφηεηαο. Να ζεκεησζεί φηη, ε ηάζε αλάζηξνθεο ζπγθξάηεζεο, ε πηψζε ηάζεο ζε νξζή πφισζε, ην ξεχκα δηαξξνήο θαη ε ηαρχηεηα ησλ κεηαβάζεσλ κηαο δηφδνπ ηζρχνο εμαξηψληαη κεηαμχ άιισλ θαη απφ ην πάρνο ηεο πεξηνρήο ηεο βάζεο. πγθεθξηκέλα, γηα δεδνκέλε ηερλνινγία θαη δνκή, αχμεζε ηνπ πάρνπο ηεο πεξηνρήο βάζεο πξνθαιεί αχμεζε ηεο ηάζεο αλάζηξνθεο ζπγθξάηεζεο, αιιά θαη αχμεζε ηεο πηψζεο ηάζεο θαηά ηελ αγσγή. ην ρήκα 4.2 θαίλεηαη κία δίνδνο ηζρχνο, θαζψο επίζεο θαη κία ηππηθή ραξαθηεξηζηηθή θακπχιε απηήο. Όηαλ ε δίνδνο είλαη νξζά πνισκέλε κε κία ηάζε ζηα άθξα ηεο, κηθξφηεξεο ηεο ηάζεο θαησθιίνπ (V threshold, V th, V F ), έλα πνιχ κηθξφ ξεχκα δηαξξέεη ην εζσηεξηθφ ηεο. Μφιηο ε ηάζε μεπεξάζεη ηελ ειάρηζηε απηή ηηκή, ηφηε ην ξεχκα απμάλεη απφηνκα έσο φηνπ απνθηήζεη ηελ επηζπκεηή ηηκή, ε νπνία θαη θαζνξίδεηαη απφ ην εμσηεξηθφ θχθισκα. Οκνίσο, φηαλ εθαξκνζηεί κία αξλεηηθή ηάζε ζηα άθξα ηεο δηφδνπ, ηέηνηα ψζηε ην δπλακηθφ ηεο θαζφδνπ λα είλαη πςειφηεξν απφ απηφ ηεο αλφδνπ, απφ ηε δίνδν δηέξρεηαη αλάζηξνθα έλα κηθξφ ξεχκα δηαξξνήο. Όηαλ ε ηάζε απηή γίλεη ίζε ή κεγαιχηεξε απφ ηελ ηάζε γνλάηνπ (V breakdown voltage, V BR, V R ), ε δίνδνο θαηαξξέεη θαη ην αλάζηξνθν ξεχκα κπνξεί λα πάξεη κεγάιεο ηηκέο. Σφηε ε δίνδνο θαηαζηξέθεηαη. Αμηνζεκείσην είλαη ην γεγνλφο, πσο ηφζν ην ξεχκα νξζήο ιεηηνπξγίαο (I F ), φζν θαη απηφ ηεο αλάζηξνθεο (I R ), εμαξηψληαη απφ ηε

128 Κεθάλαιο 4 ο ζεξκνθξαζία. Όηαλ ε ζεξκνθξαζία επαθήο T j απμάλεη, ε ηάζε V F ή V ΒR (αλάινγα κε ην αλ έρνπκε νξζή ή αλάζηξνθε ιεηηνπξγία) κεηψλεηαη θαη ε ραξαθηεξηζηηθή θακπχιε ηεο δηφδνπ γίλεηαη πην «θιεηζηή», πιεζηάδεη δειαδή πεξηζζφηεξν ηνλ θαηαθφξπθν άμνλα. ρήκα 4.2: Γίνδνο ηζρχνο θαη ηππηθή ζηαηηθή ραξαθηεξηζηηθή θακπχιε απηήο Έλα ζεκαληηθφ θεθάιαην ζηελ αλάιπζε κηαο δηφδνπ ηζρχνο, είλαη νη απψιεηεο πνπ παξνπζηάδεη ηφζν θαηά ηε ζηαηηθή φζν θαη θαηά ηε δπλακηθή ιεηηνπξγία ηεο. Καηά ηε ζηαηηθή ιεηηνπξγία έρνπκε ηηο απψιεηεο αγσγήο, νη νπνίεο δίλνληαη απφ ηε ζρέζε: P I V I R (4.1) D D, avg F D, rms on φπνπ I D,avg θαη I D,rms είλαη ε κέζε θαη ε R.M.S. ηηκή ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ηε δίνδν αληίζηνηρα, V F ε ηάζε θαησθιίνπ ηεο δηφδνπ θαη R on ε αληίζηαζε αγσγήο απηήο. Καηά ηε δπλακηθή ιεηηνπξγία, νη δηαθνπηηθέο απψιεηεο ηεο δηφδνπ είλαη εμαηξεηηθά δχζθνιν λα ππνινγηζζνχλ, ιφγσ ηεο έληνλεο κε γξακκηθφηεηαο ησλ θαηλνκέλσλ πνπ ιακβάλνπλ ρψξα θαηά ηε δηάξθεηα ησλ κεηαβαηηθψλ θαηαζηάζεσλ

129 Κεθάλαιο 4 ο ηνλ ζπγθεθξηκέλν αληηζηξνθέα ξεχκαηνο ηνπνινγίαο Flyback πνπ εμεηάδεηαη, ρξεζηκνπνηνχληαη δχν δίνδνη ηζρχνο νη νπνίεο βξίζθνληαη ζηελ πιεπξά ηεο πςειήο ηάζεο (AC πιεπξά). Οη δίνδνη πνπ επηιέρζεθαλ είλαη νη DSEI12-12A (ηχπνπ FRED - Fast Recovery Epitaxial Diode), νη νπνίεο έρνπλ αλάζηξνθε ηάζε ίζε κε 1200V, κέζν νλνκαζηηθφ ξεχκα αγσγήο ίζν κε 11A θαη ρξφλν αλάζηξνθεο αλάθηεζεο t rr = 50ns. Να ζεκεησζεί, πσο ε κνξθή ησλ ξεπκάησλ πνπ δηαξξένπλ ηηο δηφδνπο ηζρχνο ηεο δηάηαμεο είλαη ηδηαίηεξα πεξίπινθε θαη ν ππνινγηζκφο ηεο κέζεο ηηκήο απηψλ είλαη δχζθνινο. Γηα ηνλ ιφγν απηφλ, ρξεζηκνπνηήζεθαλ δίνδνη κε ηηο νπνίεο πεηπραίλνπκε έλαλ ζεκαληηθφ ζπληειεζηή αζθάιεηαο Δπηινγή ππθλσηψλ εηζφδνπ Όπσο φινη νη κεηαηξνπείο κηαο βαζκίδαο (πνπ ρξεζηκνπνηνχληαη γηα ηε δηαζχλδεζε Φ/Β γελλεηξηψλ κε ην κνλνθαζηθφ ειεθηξηθφ δίθηπν Δ.Ρ.), έηζη θαη ζηνλ αληηζηξνθέα ξεχκαηνο ηνπνινγίαο Flyback δεκηνπξγείηαη έληνλε θπκάησζε ζην ξεχκα θαη ζηελ ηάζε εμφδνπ ησλ Φ/Β γελλεηξηψλ. ηα δηαζπλδεδεκέλα κε ην δίθηπν κνλνθαζηθά Φ/Β ζπζηήκαηα, ε ηξνθνδφηεζε ηνπ κνλνθαζηθνχ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ Δ.Ρ. απφ ηε ζπλερή ηάζε θαη ην ζπλερέο ξεχκα πνπ παξάγνπλ νη θσηνγελλήηξηεο, πξνθαιεί ρακειφζπρλε θπκάησζε ηζρχνο (2 f δηθηχνπ = 2 50Hz = 100Hz) ζηελ είζνδν ησλ ειεθηξνληθψλ κεηαηξνπέσλ πνπ ζπλδένληαη κε ηελ έμνδν ηεο Φ/Β γελλήηξηαο. πλέπεηα απηήο ηεο ηδηαηηεξφηεηαο ηεο ιεηηνπξγηθήο ζπκπεξηθνξάο ησλ κεηαηξνπέσλ κηαο βαζκίδαο, είλαη ε αλαπφθεπθηε κείσζε ηεο ελεξγεηαθήο απφδνζεο ησλ θσηνγελλεηξηψλ [2]. Δμαηηίαο ινηπφλ ηεο κνξθήο ηνπ ξεχκαηνο εηζφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα, ην ζεκείν ιεηηνπξγίαο ηεο Φ/Β γελλήηξηαο ζα δηαγξάθεη κεγάιν ηκήκα ηεο I-V ραξαθηεξηζηηθήο, κε άκεζν απνηέιεζκα ηε κείσζε ηεο ηζρχνο εμφδνπ ηεο. Δπηπιένλ, ζηα ρξνληθά δηαζηήκαηα θαηά ηα νπνία ε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο πνπ δεηείηαη απφ ηνλ αληηζηξνθέα ππεξβαίλεη ηελ ηηκή ηνπ ξεχκαηνο βξαρπθχθισζεο I SC ηεο Φ/Β γελλήηξηαο, ε ηηκή ηνπ πξψηνπ ζα πεξηνξίδεηαη απφ ηελ ηηκή I SC, πξνθαιψληαο έηζη παξακφξθσζε ζηελ θπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα. Μηα ηδηαίηεξα απιή θαη ηαπηφρξνλα απνηειεζκαηηθή ιχζε, γηα ηελ εμνκάιπλζε ηεο ρακειφζπρλεο θπκάησζεο ηνπ ξεχκαηνο εηζφδνπ ησλ ειεθηξνληθψλ κεηαηξνπέσλ, είλαη ε ρξήζε ειεθηξνιπηηθψλ ππθλσηψλ C in, νη νπνίνη ζπλδένληαη παξάιιεια κε ηελ έμνδν ησλ θσηνγελλεηξηψλ (ρήκα 4.3). Γηα λα είλαη εθηθηή ε απνκφλσζε ηεο θσηνγελλήηξηαο απφ ηηο

130 Κεθάλαιο 4 ο κεηαβνιέο πνπ πθίζηαληαη ηα ειεθηξηθά κεγέζε εηζφδνπ ηνπ κεηαηξνπέα, ζα πξέπεη ε εκπέδεζε ηνπ ρξεζηκνπνηνχκελνπ ππθλσηή (γηα ζπρλφηεηα δηπιάζηα ηνπ δηθηχνπ Δ.Ρ.) λα είλαη πνιχ κηθξφηεξε απφ απηή ηεο Φ/Β γελλήηξηαο. ε απηή ινηπφλ ηελ πεξίπησζε, νη αξκνληθέο ζπληζηψζεο ηνπ ξεχκαηνο εηζφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα δελ ηαιαληψλνληαη πξνο ηε Φ/Β γελλήηξηα αιιά πξνο ηνλ ππθλσηή. Έηζη, επηηπγράλεηαη ζηαζεξή ηάζε ζηα άθξα ηεο Φ/Β γελλήηξηαο, κε άκεζν απνηέιεζκα ην ξεχκα πνπ αληιείηαη απφ απηή λα παξακέλεη ζρεδφλ ζηαζεξφ, κεγηζηνπνηψληαο ηελ ελεξγεηαθή απφδνζή ηεο. Να ζεκεησζεί φηη, παξάιιεια ζηνπο ειεθηξνιπηηθνχο ππθλσηέο C in, ζπλδέεηαη ζπλήζσο έλαο ππθλσηήο πνιππξνππιελίνπ ή έλαο θεξακηθφο ππθλσηήο, πνιχ κηθξφηεξεο ρσξεηηθφηεηαο απφ ηνλ ππθλσηή C in, ιφγσ ηεο πνιχ κηθξφηεξεο E.S.L. (Equivalent Series Inductance) πνπ νη ζπγθεθξηκέλνη ππθλσηέο παξνπζηάδνπλ. Έηζη, απνξξνθάηαη επθνιφηεξα ε πςίζπρλε θπκάησζε ηνπ ξεχκαηνο εηζφδνπ ηνπ κεηαηξνπέα. ρήκα 4.3: Δμνκάιπλζε ηεο ρακειφζπρλεο θπκάησζεο ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ ησλ Φ/Β γελλεηξηψλ κε ρξήζε ειεθηξνιπηηθψλ ππθλσηψλ [2]

131 Κεθάλαιο 4 ο Ζ θπκάησζε ηεο ηάζεο ζηα άθξα ηεο Φ/Β γελλήηξηαο, φπσο ήδε αλαθέξζεθε, πξέπεη λα είλαη φζν ην δπλαηφλ κηθξφηεξε, έηζη ψζηε λα ιεηηνπξγεί ζε κία ζηελή πεξηνρή γχξσ απφ ην ζεκείν κέγηζηεο απνδηδφκελεο ηζρχνο. ηε ζπγθεθξηκέλε πεξίπησζε ινηπφλ, έγηλε ρξήζε δχν ειεθηξνιπηηθψλ ππθλσηψλ ζε παξάιιειε ζπλδεζκνινγία ρσξεηηθφηεηαο 1000κF θαη ηάζεο 160V ν θαζέλαο. Να ζεκεησζεί, φηη νη ππθλσηέο επηιέγνληαη κε βάζε ηελ απαηηνχκελε ρσξεηηθφηεηα, ηελ ηάζε ιεηηνπξγίαο, ηελ ελεξγφ ηηκή ηνπ ξεχκαηνο θαη ηε ζπρλφηεηα [5]. Οη ειεθηξνιπηηθνί ππθλσηέο έρνπλ κεγάιε ρσξεηηθφηεηα αλά κνλάδα φγθνπ θαη είλαη πνισκέλνη. Ωζηφζν, ιφγσ ηεο αληίζηαζεο ηνπ ειεθηξνιχηε, έρνπλ κία κεγάιε ηζνδχλακε αληίζηαζε ζεηξάο (E.S.R. - Equivalent Series Resistance). Δπηπξνζζέησο, παξάιιεια ζηνπο ειεθηξνιπηηθνχο ππθλσηέο ζπλδέζεθαλ δχν ππθλσηέο πνιππξνππιελίνπ 1κF, 63V έθαζηνο. ην ζεκείν απηφ, δελ πξέπεη λα ιεζκνλνχκε ην γεγνλφο φηη ζηα Φ/Β ζπζηήκαηα Δ.Ρ. νη ειεθηξνληθνί κεηαηξνπείο είλαη ελζσκαησκέλνη είηε ζην πίζσ κέξνο ηνπ Φ/Β πιαηζίνπ, είηε ζηνλ κεραληζκφ ζηήξημεο απηνχ. Έηζη, ε ρξήζε ειεθηξνιπηηθψλ ππθλσηψλ κπνξεί λα νδεγήζεη ηειηθά ζε κείσζε ηεο δηάξθεηαο δσήο ηνπ φινπ ζπζηήκαηνο, αθνχ ε άκεζε έθζεζή ηνπο ζε κεγάιεο ζεξκνθξαζίεο, ηδηαίηεξα θαηά ηε δηάξθεηα ησλ θαινθαηξηλψλ κελψλ, επεξεάδεη ζεκαληηθά ηε γήξαλζή ηνπο Δπηινγή ςπθηηθψλ ζσκάησλ Καηά ηε ιεηηνπξγία ησλ εκηαγσγηθψλ ζηνηρείσλ εκθαλίδνληαη απψιεηεο αγσγήο, φηαλ απηά βξίζθνληαη ζε ιεηηνπξγία θαη δηαθνπηηθέο απψιεηεο θαηά ηελ έλαπζε ή ηε ζβέζε ηνπο, νη νπνίεο θαη εμαξηψληαη απφ ηε ζπρλφηεηα ιεηηνπξγίαο. Οη απψιεηεο απηέο ηζνδπλακνχλ κε ζεξκφηεηα, ε νπνία νδεγεί ζηελ αχμεζε ηεο ζεξκνθξαζίαο ησλ ζηνηρείσλ. Σν γεγνλφο απηφ, κπνξεί κε ηε ζεηξά ηνπ λα νδεγήζεη ζηε κείσζε ηεο απφδνζεο ησλ εκηαγσγηθψλ ζηνηρείσλ θαη θαη επέθηαζε ηνπ ζπλνιηθνχ αληηζηξνθέα ή αθφκα θαη ζε πιήξε θαηαζηξνθή ησλ εκηαγσγηθψλ ζηνηρείσλ. Γηα ηνλ ιφγν απηφ, ηα ζηνηρεία ηνπνζεηνχληαη ζε θαηάιιεια δηακνξθσκέλα ςπθηηθά ζψκαηα, ηα νπνία θαηαζθεπάδνληαη ζπλήζσο απφ αινπκίλην. Σα ςπθηηθά ζψκαηα δηακνξθψλνληαη θαηάιιεια ψζηε λα απάγνπλ ζεκαληηθά πνζά ζεξκφηεηαο ζε ζρέζε κε ην κέγεζφο ηνπο. Γηαζέηνπλ πνιιέο πηπρψζεηο, έηζη ψζηε λα κεγηζηνπνηείηαη ην εκβαδφλ ηνπο, ρσξίο λα απμάλεηαη ην κέγεζνο. Έηζη, ε απμεκέλε επηθάλεηα εληζρχεη ηε ζεξκηθή δηάδνζε ηφζν κε αγσγή φζν θαη κε αθηηλνβνιία. πλήζσο, ηα

132 Κεθάλαιο 4 ο ςπθηηθά απηά ζψκαηα επηθαιχπηνληαη κε καχξν νμείδην, ην νπνίν θαη ειαηηψλεη ηε ζεξκηθή αληίζηαζή ηνπο, αθνχ κε ηνλ ηξφπν απηφλ απμάλεηαη ε ηθαλφηεηα εθπνκπήο ηεο επηθάλεηαο ηνπ ςπθηηθνχ [53]. ην ρήκα 4.4 θαίλεηαη ν ηξφπνο κε ηνλ νπνίν έλα εκηαγσγηθφ ζηνηρείν ηνπνζεηείηαη πάλσ ζε έλα ςπθηηθφ ζψκα (απαγσγφ ζεξκφηεηαο). Να ζεκεησζεί, φηη κεηαμχ ηνπ ζηνηρείνπ θαη ηνπ απαγσγνχ ζεξκφηεηαο ρξεζηκνπνηείηαη ζεξκηθφ πξφζζεην, ην νπνίν απνκαθξχλεη ηνλ αέξα απφ ηα κηθξνζθνπηθά αηρκεξά ζεκεία κεηαμχ ησλ γεηηνληθψλ επηθαλεηψλ, ρξεζηκνπνηψληαο έηζη φιν ην εκβαδφλ ηεο επηθάλεηαο γηα ηελ αγσγή ηεο ζεξκφηεηαο. Δάλ ρξεζηκνπνηεζεί κεγάιε πνζφηεηα πξφζζεηνπ, ην ζηξψκα ζα είλαη ππεξβνιηθά παρχ θαη ζα απμεζεί ε ζεξκηθή αληίζηαζε. Ζ νιηθή ζεξκηθή αληίζηαζε απφ ηελ επαθή πξνο ην πεξηβάιινλ (ja) δίλεηαη απφ ηελ αθφινπζε ζρέζε: R R R R ja jc cs sa Σφηε, ν ππνινγηζκφο ηνπ απαηηνχκελνπ ςπθηηθνχ ζψκαηνο γίλεηαη απφ ηε ζρέζε [53]: T T T T P R ( R R ) j,max a,max j,max a,max Loss sa jc cs R ja PLoss (4.2) (4.3) φπνπ, T j,max = ε κέγηζηε ζεξκνθξαζία ηεο επαθήο ηνπ εκηαγσγηθνχ ζηνηρείνπ, T α,max = ε κέγηζηε ζεξκνθξαζία πεξηβάιινληνο, P Loss = νη κέγηζηεο απψιεηεο ηζρχνο ζην εκηαγσγηθφ ζηνηρείν (άζξνηζκα ησλ απσιεηψλ αγσγήο θαη ησλ απσιεηψλ κεηάβαζεο), R ζjc = ε ζεξκηθή αληίζηαζε επαθήο - πεξηβιήκαηνο (ππνινγίδεηαη απφ ηα θπιιάδηα ησλ πξνδηαγξαθψλ ηνπ εκηαγσγηθνχ ζηνηρείνπ), R ζcs = ε ζεξκηθή αληίζηαζε πεξηβιήκαηνο - απαγσγνχ (εμαξηάηαη απφ ην ζεξκηθφ πξφζζεην θαη ην κνλσηηθφ, εάλ ππάξρεη)

133 Κεθάλαιο 4 ο ρήκα 4.4: Θεξκηθή αληίζηαζε κηαο δνκήο πνιιψλ ζηξσκάησλ πνπ πεξηιακβάλεη έλαλ απαγσγφ ζεξκφηεηαο θαη ξνή ζεξκφηεηαο ζηε κφληκε θαηάζηαζε ηζνξξνπίαο [53] Οη απψιεηεο ηζρχνο ζην εκηαγσγηθφ ζηνηρείν είλαη ην άζξνηζκα ησλ απσιεηψλ αγσγήο θαη ησλ απσιεηψλ κεηάβαζεο. Θεσξψληαο γξακκηθέο πξνζεγγίζεηο γηα ηηο θπκαηνκνξθέο ηεο ηάζεο θαη ηνπ ξεχκαηνο θαηά ηε κεηάβαζε ηνπ ζηνηρείνπ, πξνθχπηεη φηη νη νιηθέο απψιεηεο δίλνληαη απφ ηε ζρέζε [53]: V I P P P I R ( t t ) f 2 2 m m Loss on S D, rms DS, on c( on) c( off ) S (4.4) φπνπ, P Loss = νη ζπλνιηθέο απψιεηεο ηζρχνο ζην εκηαγσγηθφ ζηνηρείν, P on P S = νη απψιεηεο αγσγήο ζην εκηαγσγηθφ ζηνηρείν, = νη δηαθνπηηθέο απψιεηεο ζην εκηαγσγηθφ ζηνηρείν, Η D,rms = ε ελεξγφο ηηκή ηνπ ξεχκαηνο ζην ζηνηρείν θαηά ηελ αγσγή, R DS,on = ε αληίζηαζε αγσγήο ηνπ ζηνηρείνπ, V m Η m = ε κέγηζηε ηάζε ηνπ ζηνηρείνπ θαηά ηε δηάξθεηα ησλ κεηαβάζεσλ, = ην κέγηζην ξεχκα πνπ δηαξξέεη ην ζηνηρείν θαηά ηε δηάξθεηα ησλ κεηαβάζεσλ, t c(on) = ν ρξφλνο πνπ απαηηείηαη γηα ηελ έλαπζε ηνπ ζηνηρείνπ (turn - on crossover interval), t c(off) = ν ρξφλνο πνπ απαηηείηαη γηα ηε ζβέζε ηνπ ζηνηρείνπ (turn - off crossover interval), f S = ε δηαθνπηηθή ζπρλφηεηα ιεηηνπξγίαο

134 Κεθάλαιο 4 ο Δμαηηίαο ηνπ γεγνλφηνο φηη νη κέγηζηεο ηηκέο ηνπ δηαθνπηηθνχ ξεχκαηνο εηζφδνπ, ζε θάζε δηαθνπηηθφ θχθιν, δηακνξθψλνληαη ζχκθσλα κε ηελ εκηηνλνεηδή ηάζε ηνπ δηθηχνπ, ν αθξηβήο ππνινγηζκφο ησλ απσιεηψλ ησλ εκηαγσγηθψλ ζηνηρείσλ είλαη ηδηαίηεξα πνιχπινθνο. πλεπψο, παξαθάησ αθνινπζεί έλαο πξνζεγγηζηηθφο ππνινγηζκφο, ν νπνίνο κάιηζηα νδεγεί ζε ππεξεθηίκεζε ησλ απσιεηψλ ηζρχνο. Γηα ηελ πεξίπησζε ηεο ιεηηνπξγίαο ηνπ αληηζηξνθέα ζηελ πεξηνρή ηεο αζπλερνχο αγσγήο (DCM) θαη γηα ηνλ εκηαγσγηθφ δηαθφπηε S 1, βάζεη ηνπ θπιιαδίνπ ηνπ θαηαζθεπαζηή, πξνθχπηεη απφ ηε ζρέζε (4.4) φηη νη κέγηζηεο απψιεηεο είλαη: 2 200V 10, 6A PLoss Pon PS (2 A) 0, 2 40ns 40kHz 2, 496W 2 Να ζεκεησζεί φηη, ζηνλ παξαπάλσ ππνινγηζκφ νη δηαθνπηηθέο απψιεηεο έλαπζεο αγλνήζεθαλ, αθνχ ην δηαθνπηηθφ ζηνηρείν αλάβεη ππφ κεδεληθφ ξεχκα. Αθφκε, ζεσξήζεθε φηη Η D,rms I D,avg = 100W / 50V = 2A, ελψ t c(off) 40ns. Γηα ηελ πεξίπησζε ηεο ιεηηνπξγίαο ηνπ αληηζηξνθέα ζηελ πεξηνρή ηεο αζπλερνχο αγσγήο (DCM) θαη γηα ηνλ εκηαγσγηθφ δηαθφπηε S 2 ή/θαη S 3, βάζεη ηνπ θπιιαδίνπ ηνπ θαηαζθεπαζηή, πξνθχπηεη απφ ηελ εμίζσζε (4.4) φηη νη κέγηζηεο απψιεηεο είλαη: 2 PLoss Pon PS Pon (1 A) 0,39 0,39W Να ζεκεησζεί φηη, ζηνλ παξαπάλσ ππνινγηζκφ νη δηαθνπηηθέο απψιεηεο ηνπ ζηνηρείνπ αγλνήζεθαλ, αθνχ απηφ αλάβεη θαη ζβήλεη ππφ κεδεληθή ηάζε θαη ππφ ειάρηζην ξεχκα. Αθφκε, ζεσξήζεθε φηη Η D,rms I D,avg = 0,5 2A = 1Α. Γηα ηελ πεξίπησζε ηεο ιεηηνπξγίαο ηνπ αληηζηξνθέα ζην φξην ζπλερνχο - αζπλερνχο αγσγήο (BCM) θαη γηα ηνλ εκηαγσγηθφ δηαθφπηε S 1, βάζεη ηνπ θπιιαδίνπ ηνπ θαηαζθεπαζηή, πξνθχπηεη απφ ηε ζρέζε (4.4) φηη νη κέγηζηεο απψιεηεο είλαη: 2 200V18, 2A PLoss Pon PS (4 A) 0, 2 40ns 33,81kHz 6,112W 2 Να ζεκεησζεί φηη, ζηνλ παξαπάλσ ππνινγηζκφ νη δηαθνπηηθέο απψιεηεο έλαπζεο αγλνήζεθαλ αθνχ ην δηαθνπηηθφ ζηνηρείν αλάβεη θαη ζε απηήλ ηελ πεξίπησζε ππφ κεδεληθφ ξεχκα. Αθφκε, ζεσξήζεθε φηη Η D,rms I D,avg = 200W / 50V = 4A, t c(off) 40ns, ελψ f S f S,avg = 33,81kHz. Σέινο, γηα ηελ πεξίπησζε ηεο ιεηηνπξγίαο ηνπ αληηζηξνθέα ζην φξην ζπλερνχο - αζπλερνχο αγσγήο (BCM) θαη γηα ηνλ εκηαγσγηθφ δηαθφπηε S 2 ή / θαη S 3, βάζεη ηνπ

135 Κεθάλαιο 4 ο θπιιαδίνπ ηνπ θαηαζθεπαζηή, πξνθχπηεη απφ ηελ εμίζσζε (4.4) φηη νη κέγηζηεο απψιεηεο είλαη: 2 PLoss Pon PS Pon (2 A) 0,39 1,56 W Να ζεκεησζεί φηη, ζηνλ παξαπάλσ ππνινγηζκφ νη δηαθνπηηθέο απψιεηεο ηνπ ζηνηρείνπ αγλνήζεθαλ, αθνχ απηφ αλάβεη θαη ζβήλεη ππφ κεδεληθή ηάζε θαη ππφ ειάρηζην ξεχκα. Αθφκε, ζεσξήζεθε φηη Η D,rms I D,avg = 0,5 4A = 2Α. Οη απψιεηεο ηζρχνο ζηηο δηφδνπο D 1 θαη D 2 ηαπηίδνληαη ιφγσ ηεο ζπκκεηξίαο ηεο δηάηαμεο θαη δίλνληαη απφ ηελ αθφινπζε ζρέζε: P P I V (4.5) Loss on D, avg F φπνπ I D,avg είλαη ε κέζε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ηε δίνδν θαη V F ε ηάζε θαησθιίνπ ηεο δηφδνπ. Οη δηαθνπηηθέο απψιεηεο ηεο δηφδνπ έρνπλ παξαιεθζεί. Γηα ηελ πεξίπησζε ηεο ιεηηνπξγίαο ηνπ αληηζηξνθέα ζηελ πεξηνρή ηεο αζπλερνχο αγσγήο (DCM), βάζεη ηνπ θπιιαδίνπ ηνπ θαηαζθεπαζηή, νη κέγηζηεο απψιεηεο ζε θάζε δίνδν πξνθχπηνπλ απφ ηελ εμίζσζε (4.5) θαη είλαη: P 1A2,2V 2,2W Loss Γηα ηνλ παξαπάλσ ππνινγηζκφ, ζεσξήζεθε φηη I D,avg = 0,5 (100W / 50V) = 1A θαη ε πηψζε ηάζεο ηεο δηφδνπ θαηά ηελ αγσγή ίζε κε 2,2V. Γηα ηελ πεξίπησζε ηεο ιεηηνπξγίαο ηνπ αληηζηξνθέα ζην φξην ζπλερνχο - αζπλερνχο αγσγήο (BCM), βάζεη ηνπ θπιιαδίνπ ηνπ θαηαζθεπαζηή, νη κέγηζηεο απψιεηεο ζε θάζε δίνδν πξνθχπηνπλ απφ ηελ εμίζσζε (4.5) θαη είλαη: P 2A2,2V 4,4W Loss Γηα ηνλ παξαπάλσ ππνινγηζκφ, ζεσξήζεθε φηη I D,avg = 0,5 (200W / 50V) = 2A θαη ε πηψζε ηάζεο ηεο δηφδνπ θαηά ηελ αγσγή ίζε κε 2,2V. Βάζεη ησλ παξαπάλσ ππνινγηζκψλ, παξαηεξνχκε πσο νη κέγηζηεο απψιεηεο ηζρχνο ζηνπο εκηαγσγηθνχο δηαθφπηεο θαζψο θαη ζηηο δηφδνπο ηζρχνο, εκθαλίδνληαη ζηελ πεξίπησζε ηεο ιεηηνπξγίαο ηνπ αληηζηξνθέα ζην φξην ζπλερνχο - αζπλερνχο αγσγήο (BCM). Σφηε, νη απψιεηεο ηζρχνο ζηνλ S 1 είλαη πεξίπνπ 6,112W, ζηνπο εκηαγσγηθνχο δηαθφπηεο S 2 θαη S 3 είλαη πεξίπνπ 1,56W ζηνλ θαζέλα, ελψ ζηηο δηφδνπο D 1 θαη D 2 πεξίπνπ 4,4W ζηελ θαζεκία

136 Κεθάλαιο 4 ο Βάζεη απηψλ ησλ απσιεηψλ ζα γίλεη πξνθαλψο θαη ε επηινγή ησλ ςπθηηθψλ ζσκάησλ ησλ ζηνηρείσλ. ηε ζέζε ηνπ εκηαγσγηθνχ δηαθφπηε S 1, φπσο έρεη αλαθεξζεί, ρξεζηκνπνηήζεθε ην MOSFET ηζρχνο IXFH26N50. Απφ ην θπιιάδην ηνπ θαηαζθεπαζηή, πξνθχπηεη φηη R ζjc = 0,42 o C/W, ελψ γηα κία ηππηθή ηηκή ηεο ζεξκηθήο αληίζηαζεο ηεο κνλσηηθήο επίζηξσζεο R ζcs = 0,5 o C/W, κέγηζηε ζεξκνθξαζία επαθήο T j,max = 120 o C θαη ζεξκνθξαζία πεξηβάιινληνο T a,max = 40 o C, πξνθχπηεη απφ ηελ εμίζσζε (4.3) γηα ηελ απαηηνχκελε ζεξκηθή αληίζηαζε ηνπ ςπθηηθνχ ζψκαηνο ηνπ δηαθφπηε S 1, φηη: o (120 40) C o o R sa (0, 42 0,5) C / W 12,17 C / W 6,112W ηε ζέζε ησλ εκηαγσγηθψλ δηαθνπηψλ S 2 θαη S 3 ρξεζηκνπνηήζεθαλ ηα MOSFET ηζρχνο IXFK24N100F. Απφ ην θπιιάδην ηνπ θαηαζθεπαζηή, πξνθχπηεη φηη R ζjc = 0,21 o C/W, ελψ γηα κία ηππηθή ηηκή ηεο ζεξκηθήο αληίζηαζεο ηεο κνλσηηθήο επίζηξσζεο R ζcs = 0,5 o C/W, κέγηζηε ζεξκνθξαζία επαθήο T j,max = 120 o C θαη ζεξκνθξαζία πεξηβάιινληνο T a,max = 40 o C, πξνθχπηεη απφ ηελ εμίζσζε (4.3) γηα ηελ απαηηνχκελε ζεξκηθή αληίζηαζε ησλ ςπθηηθψλ ζσκάησλ ησλ δηαθνπηψλ S 2 θαη S 3 φηη: o (120 40) C o o R sa (0, 21 0,5) C / W 50,57 C / W 1,56W Σέινο, ζηε ζέζε ησλ δηφδσλ ηζρχνο D 1 θαη D 2 ρξεζηκνπνηήζεθαλ νη δίνδνη DSEI12-12A. Απφ ην θπιιάδην ηνπ θαηαζθεπαζηή, πξνθχπηεη φηη R ζjc = 1,6 o C/W, ελψ γηα κία ηππηθή ηηκή ηεο ζεξκηθήο αληίζηαζεο ηεο κνλσηηθήο επίζηξσζεο R ζcs = 0,5 o C/W, κέγηζηε ζεξκνθξαζία επαθήο T j,max = 120 o C θαη ζεξκνθξαζία πεξηβάιινληνο T a,max = 40 o C, πξνθχπηεη απφ ηελ εμίζσζε (4.3) γηα ηελ απαηηνχκελε ζεξκηθή αληίζηαζε ησλ ςπθηηθψλ ζσκάησλ ησλ δηφδσλ ηζρχνο D 1 θαη D 2 φηη: o (120 40) C o o R sa (1, 6 0,5) C / W 16, 08 C / W 4,4W ην ρήκα 4.5 παξνπζηάδεηαη κία ζπιινγή απφ δηαζέζηκνπο απαγσγείο ζεξκφηεηαο, κε ζηνηρεία πνπ αθνξνχλ ζηε ζεξκηθή ηνπο αληίζηαζε, θαζψο θαη ζηνλ φγθν πνπ θαηαιακβάλνπλ. Σειηθά, γηα ηνλ εκηαγσγηθφ δηαθφπηε S 1 επηιέρζεθε ςπθηηθφ ζψκα κε ζεξκηθή αληίζηαζε ίζε κε 2,4 o C/W, ελψ γηα ηνπο εκηαγσγηθνχο δηαθφπηεο S 2, S 3, φζν θαη γηα

137 Κεθάλαιο 4 ο ηηο δηφδνπο ηζρχνο D 1 θαη D 2 επηιέρζεθε ςπθηηθφ ζψκα κε ζεξκηθή αληίζηαζε ίζε κε 9,9 o C/W. ρήκα 4.5: πιινγή απφ δηαζέζηκνπο απαγσγείο ζεξκφηεηαο [53] 4.3 Ανάλςζη και ζσεδιαζμόρ ηος μεηαζσημαηιζηή ηος ανηιζηποθέα Γηα ηελ θαηαζθεπή ησλ καγλεηηθψλ ππξήλσλ ησλ πελίσλ θαη ησλ κεηαζρεκαηηζηψλ, ρξεζηκνπνηνχληαη δχν κεγάιεο θαηεγνξίεο πιηθψλ. Ζ κία θαηεγνξία απνηειείηαη απφ θξάκαηα ζηδήξνπ κε πξνζκίμεηο απφ δηάθνξα πιηθά. Απηά ρξεζηκνπνηνχληαη κφλν ζε εθαξκνγέο ρακειψλ ζπρλνηήησλ, εμαηηίαο ησλ δηλνξεπκάησλ πνπ αλαπηχζζνληαη θαη ησλ απσιεηψλ πνπ απηά ζπλεπάγνληαη. Ζ δεχηεξε κεγάιε θαηεγνξία πιηθψλ πνπ ρξεζηκνπνηνχληαη γηα ηελ θαηαζθεπή ππξήλσλ, είλαη νη θεξίηεο. Οη θεξίηεο είλαη βαζηθά κίγκαηα νμεηδίσλ ηνπ ζηδήξνπ θαη άιισλ καγλεηηθψλ πιηθψλ. Έρνπλ κεγάιε ηηκή εηδηθήο αληίζηαζεο, αιιά αξθεηά ρακειή ηηκή ππθλφηεηαο καγλεηηθήο ξνήο θνξεζκνχ Β sat, ηππηθά γχξσ ζηα 0,3Σ. Να ζεκεησζεί, φηη ζηελ θαηάζηαζε θνξεζκνχ, αχμεζε ηνπ ξεχκαηνο πνπ

138 Κεθάλαιο 4 ο δηαξξέεη ηα ηπιίγκαηα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή δελ ζπλεπάγεηαη θαη αλάινγε αχμεζε ηεο καγλεηηθήο ξνήο ζηνλ ππξήλα. Οη θεξίηεο παξνπζηάδνπλ κφλν απψιεηεο πζηέξεζεο. Δμαηηίαο ηεο πςειήο εηδηθήο ηνπο αληίζηαζεο, απνηξέπεηαη ε εκθάληζε ζεκαληηθψλ απσιεηψλ ιφγσ δηλνξεπκάησλ. Γη απηφλ ηνλ ιφγν, νη θεξίηεο είλαη ηα πιηθά πνπ επηιέγνληαη γηα ηελ θαηαζθεπή ππξήλσλ πνπ ζα ιεηηνπξγνχλ ζε πςειέο ζπρλφηεηεο (κεγαιχηεξεο ησλ 10kHz). Ωζηφζν, ζε πνιχ πςειέο ζπρλφηεηεο ιεηηνπξγίαο νη απψιεηεο δηλνξεπκάησλ γίλνληαη ππνινγίζηκεο [53]. ηε ζπγθεθξηκέλε εθαξκνγή, γηα ην κεηαζρεκαηηζηή ηνπ αληηζηξνθέα, ζα ρξεζηκνπνηεζεί ππξήλαο θεξίηε Ν27 ηχπνπ δηπινχ Δ. Ο ππξήλαο ηνπ κεηαζρεκαηηζηή πξέπεη λα είλαη ζε ζέζε λα ιεηηνπξγεί ζε φζν ην δπλαηφλ κεγαιχηεξε ππθλφηεηα καγλεηηθήο ξνήο B max, έηζη ψζηε λα απαηηείηαη κηθξφηεξν δηάθελν αέξνο γηα ηελ απνζήθεπζε ηεο απαηηνχκελεο καγλεηηθήο ελέξγεηαο. Ωο απνηέιεζκα, ειαρηζηνπνηείηαη ν αξηζκφο πεξηειίμεσλ, νη απψιεηεο δηλνξεπκάησλ, θαζψο θαη ην κέγεζνο θαη ην θφζηνο ηνπ ππξήλα. Ζ κέγηζηε ηηκή ηεο ππθλφηεηαο καγλεηηθήο ξνήο B max ηνπ ππξήλα πεξηνξίδεηαη είηε απφ ηνλ θνξεζκφ ηνπ ππξήλα B sat, είηε απφ ηηο απψιεηεο ηνπ ππξήλα [59]. ε εθαξκνγέο φπνπ νη απψιεηεο ηνπ ππξήλα είλαη ηδηαίηεξα ρακειέο, ε κέγηζηε ηηκή ηεο ππθλφηεηαο καγλεηηθήο ξνήο B max κπνξεί λα είλαη ζρεδφλ ίζε κε ηελ B sat. Γηα ιφγνπο αζθαιείαο ε ηηκή ηεο B max επηιέγεηαη ιίγν κηθξφηεξε απηήο ηεο B sat, δειαδή B max 0,28T. Γηα θαζέλαλ απφ ηνπο δχν παξαπάλσ πεξηνξηζκνχο αληηζηνηρεί κία ζρέζε, απφ ηελ νπνία ππνινγίδεηαη ην «γηλφκελν ηεο επηθάλεηαο ππξήλα» ή αιιηψο Area Product. Σν κέγεζνο απηφ ππνδειψλεη ην κέγεζνο ηνπ ππξήλα θαη είλαη ην AP = A w A e, φπνπ A w είλαη ε επηθάλεηα πεξηέιημεο θαη A e ε επηθάλεηα ηνπ κεζαίνπ ζηειέρνπο ηνπ ππξήλα [59]. ην ρήκα 4.6 απεηθνλίδεηαη έλαο ππξήλαο ζρήκαηνο δηπινχ Δ, φπνπ θαίλνληαη θαη νη επηθάλεηεο A w θαη A e. ηε ζπγθεθξηκέλε εθαξκνγή θαηαζθεπάζηεθαλ δχν κεηαζρεκαηηζηέο, έλαο γηα θάζε θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο ηνπ αληηζηξνθέα ξεχκαηνο (DCM θαη BCM). Οη δχν απηνί κεηαζρεκαηηζηέο είλαη απφ ην ίδην καγλεηηθφ πιηθφ (N27), έρνπλ ηηο ίδηεο δηαζηάζεηο ππξήλα θαη ηνλ ίδην αξηζκφ ζπεηξψλ πξσηεπφλησλ θαη δεπηεξεπφλησλ ηπιηγκάησλ. Ωζηφζν, ν αξηζκφο ησλ θιψλσλ ησλ ηπιηγκάησλ ηνπ κεηαζρεκαηηζηή ηεο BCM ιεηηνπξγίαο, είλαη κεγαιχηεξνο ζε ζρέζε κε ηνλ αξηζκφ ησλ θιψλσλ ησλ ηπιηγκάησλ ηνπ κεηαζρεκαηηζηή ηεο DCM, αθνχ ε έληαζε ησλ ξεπκάησλ πνπ δηαξξένπλ ηα ηπιίγκαηα ζηελ πξψηε ιεηηνπξγία είλαη απμεκέλε ζε ζρέζε κε απηή ζηε δεχηεξε ιεηηνπξγία

139 Κεθάλαιο 4 ο ρήκα 4.6: Ππξήλαο ζρήκαηνο δηπινχ Δ [53] Γεδνκέλνπ φηη ν αληηζηξνθέαο κεηαθέξεη δηπιάζηα ηζρχ φηαλ ιεηηνπξγεί ζε BCM ζε ζρέζε κε ηε ιεηηνπξγία απηνχ ζε DCM, ν ππνινγηζκφο ησλ δηαζηάζεσλ ηνπ ππξήλα ζα γίλεη ζεσξψληαο ιεηηνπξγία ηνπ αληηζηξνθέα ζε BCM θαη κάιηζηα ζην κέγηζην επίπεδν ηζρχνο ησλ 200W. Γνθηκάδνληαο θαη ηηο δχν ζρέζεηο, κία γηα θάζε πεξηνξηζκφ, ιακβάλνπκε ηειηθά ππ φςηλ ηε κεγαιχηεξε ηηκή ηνπ AP πνπ ζα πξνθχςεη. Έηζη έρνπκε [59]: Περιοριζμός ηης B max από κορεζμό ηοσ πσρήνα 4 1, ,143 1 pk IFL , L I AP Aw Ae cm cm 2,8cm 450 K B max 4500,2 0,28 φπνπ, L 1 I pk I FL K = ε απηεπαγσγή ηνπ πξσηεχνληνο ηπιίγκαηνο ηνπ κεηαζρεκαηηζηή (Henries), = ε κέγηζηε ηηκή (peak) ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ην πξσηεχνλ ηχιηγκα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή, δειαδή I pk = I DC,p = 18,2A, = ε κέγηζηε R.M.S. ηηκή ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ην πξσηεχνλ ηχιηγκα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή, ε νπνία ζεσξήζεθε πξνζεγγηζηηθά ίζε κε ηε κέζε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο απηνχ, δειαδή I FL I DC,avg = 200W / 50V = 4A, = 0,2 γηα κεηαηξνπείο ηνπνινγίαο Flyback, B max = κέγηζηε ηηκή ηεο ππθλφηεηαο καγλεηηθήο ξνήο ζηνλ ππξήλα

140 Κεθάλαιο 4 ο Περιοριζμός ηης B max από απώλειες ηοσ πσρήνα 4 1,34 L 2 0,559 1 Im IFL 10 4 w e H ( BCM ) E ( BCM ) AP A A k f k f cm 130 K 6 4 1, , , , ,5210 cm 1300,2 3,57cm 4 φπνπ, ΓI m = ε κέγηζηε θπκάησζε (peak to peak) ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ην πξσηεχνλ ηχιηγκα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή, δειαδή ΓI m = I pk = I DC,p = 18,2A, k H k Δ = , ζπληειεζηήο πζηέξεζεο, = , ζπληειεζηήο δηλνξεπκάησλ, f (BCM) = ε δηαθνπηηθή ζπρλφηεηα ιεηηνπξγίαο φηαλ ν αληηζηξνθέαο ιεηηνπξγεί ζηελ BCM, δειαδή f (BCM) = f S,min = 24,52kHz (ηα θαηαζθεπαζηηθά ραξαθηεξηζηηθά ηνπ κεηαζρεκαηηζηή νθείινπλ λα θαζνξηζηνχλ βάζεη ηεο ειάρηζηεο δηαθνπηηθήο ζπρλφηεηαο ιεηηνπξγίαο ηνπ κεηαηξνπέα). Σα ππφινηπα κεγέζε είλαη πιένλ γλσζηά. Παξαηεξνχκε, πσο ε κέγηζηε ηηκή ηνπ AP πξνθχπηεη απφ ηε δεχηεξε πεξίπησζε, ζπλεπψο ε κέγηζηε ηηκή ηεο ππθλφηεηαο καγλεηηθήο ξνήο B max πεξηνξίδεηαη απφ ηηο απψιεηεο ηνπ ππξήλα. Σν απνηέιεζκα απηφ ήηαλ αλακελφκελν, αθνχ ε θπκάησζε ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ην πξσηεχνλ ηχιηγκα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή (18,2A peak to peak) είλαη ηδηαίηεξα πςειή, κε άκεζε ζπλέπεηα λα πξνθχπηνπλ κεγάιεο απψιεηεο ζηνλ καγλεηηθφ ππξήλα [59]. Αλαηξέρνληαο ζηα ηερληθά εγρεηξίδηα ησλ θαηαζθεπαζηψλ καγλεηηθψλ ππξήλσλ, επηιέγνπκε έλαλ ππξήλα κε AP κεγαιχηεξν απφ 3,57cm 4. Σειηθά, επηιέρζεθε ππξήλαο δηαζηάζεσλ Δ42/21/15, γηα ηνλ νπνίν ηζρχεη A w = 2,56cm 2, A e = 1,78cm 2 θαη AP = A w A e 4,56cm 4. Γηα ην δεδνκέλν ππξήλα, ν αξηζκφο ζπεηξψλ ηνπ πξσηεχνληνο ηπιίγκαηνο ήηαλ 29 θαη ηνπ δεπηεξεχνληνο ηπιίγκαηνο 58 (n = 0,5) [2]. Θεσξψληαο ππθλφηεηα ξεχκαηνο ζηνπο αγσγνχο πεξίπνπ 6Α/mm 2 ρξεζηκνπνηήζεθαλ 4 θιψλνη πξσηεχνληνο θαη 1 θιψλνο δεπηεξεχνληνο γηα ηε ιεηηνπξγία ηνπ αληηζηξνθέα ζε DCM, ελψ 10 θαη 2 αληίζηνηρα γηα ηε ιεηηνπξγία απηνχ ζε BCM. Όινη νη θιψλνη θαηαζθεπάζηεθαλ απφ (κνλσκέλν) ζχξκα ραιθνχ δηακέηξνπ 0,3mm, δειαδή δηαηνκήο 0,07065mm 2 θαη κέγηζηεο ηάζεο δηάζπαζεο κφλσζεο 2,2kV. Ζ ρξήζε

141 Κεθάλαιο 4 ο θιψλσλ κηθξήο δηαηνκήο (κηθξφηεξεο ηνπ επηθαλεηαθνχ βάζνπο) γηα ηα ηπιίγκαηα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή, έγηλε πξνθεηκέλνπ λα κεηξηαζηνχλ νη απψιεηεο δηλνξεπκάησλ ζε απηά [53]. Πξνθεηκέλνπ λα νινθιεξσζεί ε κειέηε γηα ηνλ ππνινγηζκφ ησλ παξακέηξσλ ηνπ κεηαζρεκαηηζηή ηνπ αληηζηξνθέα ξεχκαηνο ηνπνινγίαο Flyback, απαηηείηαη ν ππνινγηζκφο ηνπ δηαθέλνπ αέξνο (Air gap). Ζ ζπγθεθξηκέλε εθαξκνγή (ηνπνινγία Flyback) νδεγεί ζηε κνλνθαηεπζπληηθή δηέγεξζε ηνπ ππξήλα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή, ρξεζηκνπνηείηαη δειαδή κφλν ην πξψην (Η) ηεηαξηεκφξην ηνπ βξφρνπ πζηέξεζεο Β-Ζ. Να ηνληζηεί εδψ, πσο ν κεηαζρεκαηηζηήο ελφο κεηαηξνπέα ηνπνινγίαο Flyback είλαη απαξαίηεην λα απνζεθεχεη ελέξγεηα. Απνηειεί δειαδή ζηελ νπζία έλα πελίν κε πξσηεχνλ θαη δεπηεξεχνληα ηπιίγκαηα. Έηζη ινηπφλ, ζηνλ ππξήλα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή πξέπεη λα εηζαρζεί έλα δηάθελν, πξνθεηκέλνπ λα παξέρεηαη ε δπλαηφηεηα απνζήθεπζεο ελέξγεηαο, ρσξίο λα θνξεζηεί ν ππξήλαο. Σν πνζνζηφ ηεο καγλεηηθήο ελέξγεηαο πνπ απνζεθεχεηαη ζε έλα πιηθφ εμαξηάηαη απφ ηε καγλεηηθή δηαπεξαηφηεηα ηνπ (permeability). Όζν πςειφηεξε δηαπεξαηφηεηα έρεη, ηφζν κηθξφηεξε καγλεηηθή ελέξγεηα κπνξεί απηφ λα απνζεθεχζεη. πκπεξαίλνπκε ινηπφλ, φηη εμαηηίαο ηεο πςειήο δηαπεξαηφηεηαο ηνπ θεξίηε, ε ελέξγεηα απνζεθεχεηαη θπξίσο ζην δηάθελν αέξνο ηνπ νπνίνπ ε δηαπεξαηφηεηα είλαη πνιχ κηθξφηεξε (κ o ). Σαπηφρξνλα, κε ηελ παξνπζία ηνπ δηαθέλνπ, ε παξακέλνπζα ππθλφηεηα καγλεηηθήο ξνήο B r ζρεδφλ κεδελίδεηαη θαη ε ραξαθηεξηζηηθή Β-Ζ γξακκηθνπνηείηαη ζεκαληηθά (ρήκα 4.7). Απνηέιεζκα απηνχ, είλαη ε απνθπγή ηνπ θνξεζκνχ ηνπ ππξήλα, αθνχ απαηηείηαη κεγαιχηεξν ξεχκα (άξα θαη κεγαιχηεξε καγλεηεγεξηηθή δχλακε, Μ.Δ.Γ.) πξνθεηκέλνπ λα νδεγεζεί ζηνλ θνξεζκφ. Σέινο, ην δηάθελν θάλεη ηελ απηεπαγσγή ηνπ κεηαζρεκαηηζηή ιηγφηεξν επαίζζεηε ζηηο κεηαβνιέο ηεο ζεξκνθξαζίαο, ιφγσ ηνπ φηη ε καγλεηηθή δηαπεξαηφηεηα ηνπ αέξα κ ν, ζε αληίζεζε κε ηε καγλεηηθή δηαπεξαηφηεηα ηνπ θεξίηε, είλαη αλεμάξηεηε ηεο ζεξκνθξαζίαο. Ωζηφζν, ε εηζαγσγή ελφο δηαθέλνπ ζηνλ ππξήλα, κεηψλεη ηελ απηεπαγσγή ηνπ κεηαζρεκαηηζηή, αθνχ ε ελεξγφο καγλεηηθή δηαπεξαηφηεηα κ e ηνπ ππξήλα κεηψλεηαη, ελψ παξάιιεια απμάλεη ηελ επαγσγή ζθέδαζεο L ζ. Να ζεκεησζεί αθφκε, φηη αληί γηα έλα θαη κνλαδηθφ δηάθελν αέξα, είλαη πξνηηκφηεξν λα ππάξρνπλ αξθεηά κηθξφηεξα θαηαλεκεκέλα δηάθελα. Σα θαηαλεκεκέλα απηά δηάθελα ρξεζηκνπνηνχληαη γηα λα θξαηήζνπλ ειάρηζηε ηε καγλεηηθή ξνή πνπ επεθηείλεηαη ζηα ηπιίγκαηα ηνπ ραιθνχ. Απηή ε ξνή πξνθαιεί πξφζζεηεο απψιεηεο δηλνξεπκάησλ ζηα ηπιίγκαηα. Έλα κνλαδηθφ κεγάιν δηάθελν ζα παξνπζηάδεη πεξηζσξηαθή δηαδξνκή ξνήο, ε

142 Κεθάλαιο 4 ο νπνία ζα εηζέξρεηαη πνιχ πεξηζζφηεξν ζηα ηπιίγκαηα ραιθνχ, νπφηε ζα πξνθαινχληαη πνιχ κεγαιχηεξεο απψιεηεο δηλνξεπκάησλ απ φ,ηη ζην θαηαλεκεκέλν δηάθελν [53]. ρήκα 4.7: Υαξαθηεξηζηηθή Β-Ζ ππξήλα κεηαζρεκαηηζηή ζηελ πεξίπησζε πνπ ν ππξήλαο δηαζέηεη δηάθελν αέξνο (gapped) θαη ζηελ πεξίπησζε πνπ δελ δηαζέηεη (ungapped) [58] Υξεζηκνπνηψληαο ηνλ αξηζκφ ησλ ζπεηξψλ ηνπ πξσηεχνληνο ηπιίγκαηνο πνπ επηιέρζεθε (Ν = 29) θαη πξνθεηκέλνπ λα επηηεπρζεί ε επηζπκεηή απηεπαγσγή (L 1 = 85κH), ππνινγίζηεθε ν ζπληειεζηήο απηεπαγσγήο A L (ζε nh) απφ ηελ αθφινπζε ζρέζε [59]: A L 6 L nH 2 2 N 29 Έπεηηα, απφ ην ηερληθφ θπιιάδην ηνπ θαηαζθεπαζηή ηνπ ππξήλα πνπ ρξεζηκνπνηήζεθε, ππνινγίζηεθε πξνζεγγηζηηθά ην ζπλνιηθφ κήθνο ηνπ δηαθέλνπ αέξνο πνπ απαηηείηαη, δειαδή l g 3,9mm. Λφγσ ηνπ φηη νη ππξήλεο ηχπνπ δηπινχ Δ δηαζέηνπλ 2 θαηαλεκεκέλα δηάθελα, ην κήθνο θαζελφο εθ ησλ δχν απηψλ δηαθέλσλ είλαη g = l g / 2 = 3,9 / 2 = 1,95mm

143 Κεθάλαιο 4 ο Μεηά ηελ ηειηθή θαηαζθεπή ησλ δχν κεηαζρεκαηηζηψλ, κεηξήζεθε, κε ηε βνήζεηα γέθπξαο, ε ζθέδαζε απηψλ L ζ, θαζψο θαη ε σκηθή αληίζηαζε ησλ ηπιηγκάησλ ηνπο. πγθεθξηκέλα, γηα ηε κέηξεζε ηεο ζθέδαζεο, πξαγκαηνπνηήζεθε δνθηκή βξαρπθπθιψκαηνο ζηα δεπηεξεχνληα ηπιίγκαηα, κε απνηέιεζκα ε κέηξεζε λα αληηπξνζσπεχεη ην άζξνηζκα ησλ ζθεδάζεσλ πξσηεχνληνο θαη δεπηεξεπφλησλ ηπιηγκάησλ. Σειηθά, γηα ηνλ κεηαζρεκαηηζηή πνπ θαηαζθεπάζηεθε γηα ιεηηνπξγία ηνπ αληηζηξνθέα ζε DCM, βξέζεθε φηη: L ζ / L 1 6,2%, R πξσηεχνληνο = 0,1340Ω, R δεπηεξεχνληνο,1 = 0,9825Ω, R δεπηεξέπνληνο,2 = 0,9833Ω, ελψ γη απηφλ πνπ θαηαζθεπάζηεθε γηα ιεηηνπξγία ζε BCM: L ζ / L 1 4,9%, R πξσηεχνληνο = 0,0911Ω, R δεπηεξεχνληνο,1 = 0,5826Ω, R δεπηεξεχνληνο,2 = 0,5819Ω, φπνπ L ζ είλαη ε ζπλνιηθή ηηκή ηεο ζθέδαζεο ηνπ κεηαζρεκαηηζηή αλεγκέλε ζην πξσηεχνλ. Να ζεκεησζεί, φηη θαη γηα ηνπο δχν κεηαζρεκαηηζηέο πνπ θαηαζθεπάζηεθαλ, ε πεξηέιημε ηνπ πξσηεχνληνο θαη ησλ δεπηεξεπφλησλ ηπιηγκάησλ έγηλε ηαπηφρξνλα, θαζψο ε ηάζε δηάζπαζεο ηεο κφλσζεο ηνπ ζχξκαηνο ραιθνχ πνπ ρξεζηκνπνηήζεθε ήηαλ κεγάιε. Σέινο, πξνθεηκέλνπ λα απνθεπρζεί ε ειεθηξνκαγλεηηθή παξεκβνιή (EMI) πνπ κπνξεί λα πξνθαιέζεη ν κεηαζρεκαηηζηήο ζηα θπθιψκαηα ειέγρνπ, ηνπνζεηήζεθε ράιθηλε ηαηλία (Copper screen) κηθξήο αληίζηαζεο πεξηκεηξηθά απηνχ, φπσο θαίλεηαη ζην ρήκα 4.8. ρήκα 4.8: Υάιθηλε ηαηλία (Copper screen) ηνπνζεηεκέλε πεξηκεηξηθά ηνπ κεηαζρεκαηηζηή [58] Σα δηλνξεχκαηα πνπ επάγνληαη ζηε ζπγθεθξηκέλε ηαηλία εκπνδίδνπλ απνηειεζκαηηθά ηελ εθπνκπή ειεθηξνκαγλεηηθήο αθηηλνβνιίαο ζηνλ ρψξν

144 Κεθάλαιο 4 ο 4.4 σεδίαζη και καηαζκεςή ηος θίληπος εξόδος ηος ανηιζηποθέα Ζ εμάιεηςε ησλ αλψηεξσλ αξκνληθψλ απφ ηελ θπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα, επηηεχρζεθε κε ηε ρξεζηκνπνίεζε ηνπ πςίζπρλνπ θίιηξνπ πνπ θαίλεηαη ζην ρήκα 4.3. Σν θίιηξν απηφ, ζηελ νπζία απνηξέπεη ηηο πςίζπρλεο αξκνληθέο ηνπ ξεχκαηνο λα πεξάζνπλ ζην ειεθηξηθφ δίθηπν Δ.Ρ., νδεγψληαο ηεο ζηνλ ππθλσηή C f, αθνχ ην πελίν L f, ζηηο πςειέο ζπρλφηεηεο, παξνπζηάδεη κεγάιε εκπέδεζε, ελψ ν ππθλσηήο C f κηθξή. ηε ζπγθεθξηκέλε εθαξκνγή ρξεζηκνπνηήζεθαλ δχν θίιηξα, έλα δειαδή γηα θάζε θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο ηνπ αληηζηξνθέα (DCM, ΒCM). Γηα ηελ θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο DCM, επηιέρζεθαλ ηηκέο ησλ C f θαη L f 100nF θαη 22mH. Με ηνλ ηξφπν απηφλ, εμαζθαιίδνπκε πσο ν αληηζηξνθέαο παξέρεη ζην ειεθηξηθφ δίθηπν Δ.Ρ. ξεχκα φζν ην δπλαηφλ εκηηνλνεηδέο [2]. Όπσο θαίλεηαη θαη ζην ρήκα 4.3, θαηαζθεπάζηεθαλ θαη ρξεζηκνπνηήζεθαλ ηειηθά δχν πελία, απηεπαγσγήο L f / 2 = 11mF ην θαζέλα, πξνθεηκέλνπ ε απφξξηςε ζνξχβνπ λα είλαη απνηειεζκαηηθφηεξε. Ζ ζρεδίαζε ησλ πελίσλ απηψλ έγηλε κε ηελ ίδηα δηαδηθαζία ε νπνία αθνινπζήζεθε θαη ζηε ζρεδίαζε ηνπ κεηαζρεκαηηζηή ηνπ αληηζηξνθέα. Έηζη, γηα ηε ιεηηνπξγία ηνπ αληηζηξνθέα ζε DCM έρνπκε [59]: Περιοριζμός ηης B max από κορεζμό ηοσ πσρήνα 1,143 Lf 4 Ipk IFL ,643 0, AP Aw Ae cm cm 0,316cm 450 K B max 4500,7 0, , φπνπ, L f / 2 = 11mF, ε απηεπαγσγή ηνπ πελίνπ ηνπ θίιηξνπ (Henries), I FL = ε κέγηζηε R.M.S. ηηκή ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ην πελίν, δειαδή I FL = 100W / 220V = 0,455A, I pk = ε κέγηζηε ηηκή (peak) ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ην πελίν, δειαδή I 2 I 2 0, 455 0,643A, pk FL K = 0,7 γηα πελία θίιηξσλ, B max = κέγηζηε ηηκή ηεο ππθλφηεηαο καγλεηηθήο ξνήο ζηνλ ππξήλα

145 Κεθάλαιο 4 ο Περιοριζμός ηης B max από απώλειες ηοσ πσρήνα Lf 4 Im IFL ,559 4 AP Aw Ae kh f ke f cm 130 K 1,143 1, ,2860, cm 0,019cm 1300, , φπνπ, ΓI m = ε κέγηζηε θπκάησζε (peak to peak) ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ην πξσηεχνλ ηχιηγκα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή, δειαδή ΓI m = 2 I pk = 2 0,643 = 1,286A, k H = , ζπληειεζηήο πζηέξεζεο, k Δ f = , ζπληειεζηήο δηλνξεπκάησλ, = ε ζπρλφηεηα ζηελ νπνία ιεηηνπξγεί ην πελίν ηνπ θίιηξνπ, δειαδή f = 50Hz. Σα ππφινηπα κεγέζε είλαη πιένλ γλσζηά. Να ζεκεησζεί φηη ην πελίν ηνπ θίιηξνπ βξίζθεηαη πξνο ηελ πιεπξά ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ Δ.Ρ. (50Hz) θαη ην ξεχκα πνπ ην δηαξξέεη έρεη πιένλ εκηηνλνεηδή κνξθή. Παξαηεξνχκε, πσο ε κέγηζηε ηηκή ηνπ AP πξνθχπηεη απφ ηελ πξψηε πεξίπησζε, ζπλεπψο ε κέγηζηε ηηκή ηεο ππθλφηεηαο καγλεηηθήο ξνήο B max πεξηνξίδεηαη απφ ηνλ θνξεζκφ ηνπ ππξήλα. Σν απνηέιεζκα απηφ ήηαλ αλακελφκελν, αθνχ ε ζπρλφηεηα ζηελ νπνία ιεηηνπξγεί ην πελίν (50Hz) είλαη ηδηαίηεξα ρακειή, κε άκεζε ζπλέπεηα νη απψιεηεο ζηνλ καγλεηηθφ ππξήλα λα είλαη ειάρηζηεο. Αλαηξέρνληαο ζηα ηερληθά εγρεηξίδηα ησλ θαηαζθεπαζηψλ καγλεηηθψλ ππξήλσλ, επηιέγνπκε έλαλ ππξήλα κε AP κεγαιχηεξν απφ 0,316cm 4. Σειηθά, επηιέρζεθε ν ππξήλαο θεξίηε ΔTD39 (ηχπνπ δηπινχ Δ), γηα ηνλ νπνίν ηζρχεη A w = 1,77cm 2 (κε κπνκπίλα), A e = 1,25cm 2 θαη AP = A w A e 2,21cm 4. Ο ειάρηζηνο αξηζκφο ζπεηξψλ πνπ απαηηείηαη, πξνθεηκέλνπ λα επηηεπρζεί ε επηζπκεηή ηηκή ηεο απηεπαγσγήο ηνπ πελίνπ (L f / 2 = 11mH) ιεηηνπξγψληαο ζηε κέγηζηε δπλαηή ηηκή ηεο ππθλφηεηαο καγλεηηθήο ξνήο (B max = 0,28Σ) είλαη [59]: N min Lf 4 I pk , , ζπείξεο B A 0,281,25 max e

146 Κεθάλαιο 4 ο Θεσξψληαο ππθλφηεηα ξεχκαηνο ζηνπο αγσγνχο πεξίπνπ 6Α/mm 2, ρξεζηκνπνηήζεθε 1 (κνλσκέλνο) θιψλνο αγσγνχ δηακέηξνπ 0,5mm, δειαδή δηαηνκήο 0,196mm 2, αθνχ A Cu = I rms /J rms = 0,455/6 = 0,0758mm 2. Σν ζπλνιηθφ εκβαδφλ πνπ θαηαιακβάλνπλ νη 203 ζπείξεο ηνπ ηπιίγκαηνο είλαη 203 0,196mm 2 = 39,79mm 2. Δμαηηίαο ηεο κφλσζεο ησλ αγσγψλ θαη ηνπ γεγνλφηνο φηη δεκηνπξγνχληαη θελά κεηαμχ ηνπο θαηά ηελ πεξηέιημε, είλαη απαξαίηεην λα εηζαρζεί έλαο ζπληειεζηήο δηφξζσζεο (πεξίπνπ 0,5) ζηνλ ππνινγηζκφ ηνπ παξαπάλσ εκβαδνχ. Έηζη, ην ζπλνιηθφ εκβαδφλ πνπ θαηαιακβάλεη ηειηθά ην ηχιηγκα είλαη A νι = 39,79/0,5 = 79,58mm 2 0,79cm 2, ην νπνίν είλαη αξθεηά κηθξφηεξν απφ ην παξάζπξν ηνπ ππξήλα (A w = 1,77cm 2 κε κπνκπίλα). Σέινο, ρξεζηκνπνηψληαο ηνλ αξηζκφ ησλ ζπεηξψλ ηνπ πξσηεχνληνο ηπιίγκαηνο πνπ επηιέρζεθε (Ν = 203) θαη πξνθεηκέλνπ λα επηηεπρζεί ε επηζπκεηή απηεπαγσγή, ππνινγίζηεθε ν ζπληειεζηήο απηεπαγσγήο A L (ζε nh) απφ ηελ αθφινπζε ζρέζε: A L Lf ,93nH 2 2 N 203 Έπεηηα, απφ ην ηερληθφ θπιιάδην ηνπ θαηαζθεπαζηή ηνπ ππξήλα πνπ ρξεζηκνπνηήζεθε, ππνινγίζηεθε πξνζεγγηζηηθά ην ζπλνιηθφ κήθνο ηνπ δηαθέλνπ αέξνο πνπ απαηηείηαη, δειαδή l g 0,8mm. Λφγσ ηνπ φηη νη ππξήλεο ηχπνπ δηπινχ Δ δηαζέηνπλ 2 θαηαλεκεκέλα δηάθελα, ην κήθνο θαζελφο εθ ησλ δχν απηψλ δηαθέλσλ είλαη g = l g / 2 = 0,8 / 2 = 0,4mm. Γηα ηελ ΒCM θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο, επηιέρζεθαλ ηηκέο ησλ C f θαη L f 100nF θαη 22mH. Με ηνλ ηξφπν απηφλ, εμαζθαιίδνπκε θαη εδψ, πσο ν αληηζηξνθέαο παξέρεη ζην ειεθηξηθφ δίθηπν Δ.Ρ. ξεχκα φζν ην δπλαηφλ εκηηνλνεηδέο [2]. Όπσο θαίλεηαη θαη ζην ρήκα 4.3, θαηαζθεπάζηεθαλ θαη ρξεζηκνπνηήζεθαλ θαη ζε απηήλ ηελ πεξίπησζε δχν πελία, απηεπαγσγήο L f / 2 = 11mF ην θαζέλα, πξνθεηκέλνπ ε απφξξηςε ζνξχβνπ λα είλαη απνηειεζκαηηθφηεξε. Έηζη, γηα ηε ιεηηνπξγία ηνπ αληηζηξνθέα ζε ΒCM έρνπκε [59]:

147 Κεθάλαιο 4 ο Περιοριζμός ηης B max από κορεζμό ηοσ πσρήνα 1,143 Lf 4 Ipk IFL ,285 0, AP Aw Ae cm cm 1,537cm 450 K B max 4500,7 0, , φπνπ, L f / 2 = 11mF, ε απηεπαγσγή ηνπ πελίνπ ηνπ θίιηξνπ (Henries), I FL = ε κέγηζηε R.M.S. ηηκή ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ην πελίν, δειαδή I FL = 200W / 220V = 0,909A, I pk = ε κέγηζηε ηηκή (peak) ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ην πελίν, δειαδή I 2 I 2 0,909 1, 285A, pk FL K = 0,7 γηα πελία θίιηξσλ, B max = κέγηζηε ηηκή ηεο ππθλφηεηαο καγλεηηθήο ξνήο ζηνλ ππξήλα. Περιοριζμός ηης B max από απώλειες ηοσ πσρήνα Lf 4 Im IFL ,559 4 AP Aw Ae kh f ke f cm 130 K 1,143 1, ,570, cm 0,102cm 1300, , φπνπ, ΓI m = ε κέγηζηε θπκάησζε (peak to peak) ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ην πξσηεχνλ ηχιηγκα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή, δειαδή ΓI m = 2 I pk = 2 1,285 = 2,57A, k H = , ζπληειεζηήο πζηέξεζεο, k Δ = , ζπληειεζηήο δηλνξεπκάησλ, f = ε ζπρλφηεηα ζηελ νπνία ιεηηνπξγεί ην πελίν ηνπ θίιηξνπ, δειαδή f = 50Hz. Σα ππφινηπα κεγέζε είλαη πιένλ γλσζηά

148 Κεθάλαιο 4 ο Παξαηεξνχκε πσο ε κέγηζηε ηηκή ηνπ AP πξνθχπηεη απφ ηελ πξψηε πεξίπησζε, ζπλεπψο ε κέγηζηε ηηκή ηεο ππθλφηεηαο καγλεηηθήο ξνήο B max πεξηνξίδεηαη απφ ηνλ θνξεζκφ ηνπ ππξήλα. Σν απνηέιεζκα απηφ ήηαλ θαη εδψ αλακελφκελν, αθνχ ε ζπρλφηεηα ζηελ νπνία ιεηηνπξγεί ην πελίν (50Hz) είλαη ηδηαίηεξα ρακειή, κε άκεζε ζπλέπεηα νη απψιεηεο ζηνλ καγλεηηθφ ππξήλα λα είλαη ειάρηζηεο. Αλαηξέρνληαο ζηα ηερληθά εγρεηξίδηα ησλ θαηαζθεπαζηψλ καγλεηηθψλ ππξήλσλ, επηιέγνπκε έλαλ ππξήλα κε AP κεγαιχηεξν απφ 1,537cm 4. Σειηθά, επηιέρζεθε ν ππξήλαο θεξίηε ΔTD39 (ηχπνπ δηπινχ Δ), γηα ηνλ νπνίν ηζρχεη A w = 1,77cm 2 (κε κπνκπίλα), A e = 1,25cm 2 θαη AP = A w A e 2,21cm 4. Ο ειάρηζηνο αξηζκφο ζπεηξψλ πνπ απαηηείηαη, πξνθεηκέλνπ λα επηηεπρζεί ε επηζπκεηή ηηκή ηεο απηεπαγσγήο ηνπ πελίνπ (L f / 2 = 11mH) ιεηηνπξγψληαο ζηε κέγηζηε δπλαηή ηηκή ηεο ππθλφηεηαο καγλεηηθήο ξνήο (B max = 0,28Σ) είλαη: N min Lf 4 I pk , ζπείξεο B A 0,281,25 max e Θεσξψληαο ππθλφηεηα ξεχκαηνο ζηνπο αγσγνχο πεξίπνπ 6Α/mm 2, ρξεζηκνπνηήζεθε 1 (κνλσκέλνο) θιψλνο αγσγνχ δηακέηξνπ 0,5mm, δειαδή δηαηνκήο 0,196mm 2, αθνχ A Cu = I rms /J rms = 0,909/6 = 0,1515mm 2. Σν ζπλνιηθφ εκβαδφλ πνπ θαηαιακβάλνπλ νη 406 ζπείξεο ηνπ ηπιίγκαηνο είλαη 406 0,196mm 2 = 79,58mm 2. Δμαηηίαο ηεο κφλσζεο ησλ αγσγψλ θαη ηνπ γεγνλφηνο φηη δεκηνπξγνχληαη θελά κεηαμχ ηνπο θαηά ηελ πεξηέιημε, είλαη απαξαίηεην λα εηζαρζεί έλαο ζπληειεζηήο δηφξζσζεο (πεξίπνπ 0,5) ζηνλ ππνινγηζκφ ηνπ παξαπάλσ εκβαδνχ. Έηζη, ην ζπλνιηθφ εκβαδφλ πνπ θαηαιακβάλεη ηειηθά ην ηχιηγκα είλαη A νι = 79,58/0,5 = 159,16mm 2 1,59cm 2, ην νπνίν είλαη κηθξφηεξν απφ ην παξάζπξν ηνπ ππξήλα (A w = 1,77cm 2 κε κπνκπίλα). Σέινο, ρξεζηκνπνηψληαο ηνλ αξηζκφ ησλ ζπεηξψλ ηνπ πξσηεχνληνο ηπιίγκαηνο πνπ επηιέρζεθε (Ν = 406) θαη πξνθεηκέλνπ λα επηηεπρζεί ε επηζπκεηή απηεπαγσγή, ππνινγίζηεθε ν ζπληειεζηήο απηεπαγσγήο A L (ζε nh) απφ ηελ αθφινπζε ζρέζε: A L Lf ,73nH 2 2 N 406 Έπεηηα, απφ ην ηερληθφ θπιιάδην ηνπ θαηαζθεπαζηή ηνπ ππξήλα πνπ ρξεζηκνπνηήζεθε, ππνινγίζηεθε πξνζεγγηζηηθά ην ζπλνιηθφ κήθνο ηνπ δηαθέλνπ αέξνο πνπ απαηηείηαη, δειαδή

149 Κεθάλαιο 4 ο l g 1,5mm. Λφγσ ηνπ φηη νη ππξήλεο ηχπνπ δηπινχ Δ δηαζέηνπλ 2 θαηαλεκεκέλα δηάθελα, ην κήθνο θαζελφο εθ ησλ δχν απηψλ δηαθέλσλ είλαη g = l g / 2 = 1,5 / 2 = 0,75mm. 4.5 Κύκλυμα ελέγσος ηος «ενεπγού» δεςηεπεύονηορ ηςλίγμαηορ ηος μεηαζσημαηιζηή Πεξηγξαθή θαη κειέηε ηνπ θπθιψκαηνο ειέγρνπ Όπσο έρεη εηπσζεί, ε δεκηνπξγία εκηηνλνεηδνχο ελαιιαζζφκελνπ ειεθηξηθνχ ξεχκαηνο, κέζσ ηνπ πςίζπρλνπ αληηζηξνθέα ξεχκαηνο ηνπνινγίαο Flyback, επηηπγράλεηαη αθελφο κελ κε ηελ εθαξκνγή θαηάιιειεο ηερληθήο ειέγρνπ ζην εκηαγσγηθφ ζηνηρείν S 1 ηνπ πξσηεχνληνο ηπιίγκαηνο, αθεηέξνπ δε κε ηε ρξεζηκνπνίεζε δχν φκνησλ δεπηεξεπφλησλ ηπιηγκάησλ. Διέγρνληαο ηα ρξνληθά δηαζηήκαηα αγσγήο ησλ δηαθνπηηθψλ ζηνηρείσλ S 2 θαη S 3, βάζεη ηεο πνιηθφηεηαο ηεο ηάζεο ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ Δ.Ρ., ηα δχν δεπηεξεχνληα ηπιίγκαηα άγνπλ ζπκπιεξσκαηηθά θαη ζπγθεθξηκέλα γηα δηάζηεκα κηζήο πεξηφδνπ ηνπ δηθηχνπ Δ.Ρ. ην θαζέλα. Σν «ελεξγφ» δεπηεξεχνλ ηχιηγκα θαζνξίδεηαη ζπλεπψο, θάζε θνξά, απφ ηελ πνιηθφηεηα ηεο ηάζεο ηνπ δηθηχνπ. Απαηηείηαη ινηπφλ έλα θχθισκα ειέγρνπ, ην νπνίν ζα «παξαθνινπζεί» ηελ ηάζε ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ θαη κε βάζε ηελ πνιηθφηεηά ηεο ζα παξάγεη ηα θαηάιιεια ζήκαηα ειέγρνπ ησλ εκηαγσγηθψλ δηαθνπηψλ S 2 θαη S 3. Σν θχθισκα απηφ παξνπζηάδεηαη παξαθάησ ζην ρήκα

150 Κεθάλαιο 4 ο ρήκα 4.9: Κχθισκα ειέγρνπ ηνπ «ελεξγνχ» δεπηεξεχνληνο ηπιίγκαηνο ηνπ κεηαζρεκαηηζηή ηνπ αληηζηξνθέα Ζ ιεηηνπξγία ηνπ θπθιψκαηνο ηνπ ρήκαηνο 4.9 έρεη σο εμήο: Αξρηθά, ε ηάζε ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ ππνβηβάδεηαη ζηα 24V rms κε ηε βνήζεηα ελφο κεηαζρεκαηηζηή κε ππξήλα ζηδήξνπ 220V rms / 24V rms. Καηφπηλ, νδεγείηαη ζε δχν ηειεζηηθνχο εληζρπηέο - ζπγθξηηέο, ζηνπο νπνίνπο ζπγθξίλεηαη ε εκηηνλνεηδήο ειεθηξηθή ηάζε κε έλα κεδεληθφ ζήκα αλαθνξάο. ηνλ έλαλ ηειεζηηθφ εληζρπηή, φηαλ ε ηάζε έρεη ζεηηθή πνιηθφηεηα ε έμνδφο ηνπ είλαη ινγηθφ 1 (~+V CC ), ελψ φηαλ έρεη αξλεηηθή πνιηθφηεηα, ε έμνδνο είλαη ινγηθφ 0 (~0V). Σν αληίζηξνθν ηζρχεη γηα ηνλ άιινλ ηειεζηηθφ εληζρπηή. Απηφ επεμεγείηαη αλαιπηηθφηεξα ζην ρήκα Παξαηεξνχκε ινηπφλ, πσο ν θάζε ηειεζηηθφο εληζρπηήο παξάγεη αληίζηνηρα ην

151 Κεθάλαιο 4 ο ζήκα ειέγρνπ ηνπ θάζε εκηαγσγηθνχ δηαθφπηε (S 2 ή S 3 ), ην νπνίν, φπσο θάλεθε, ζρεηίδεηαη κε ηελ πνιηθφηεηα ηεο ειεθηξηθήο ηάζεο. ρήκα 4.10: ήκαηα ειέγρνπ ησλ εκηαγσγηθψλ δηαθνπηψλ S 2 θαη S 3, βάζεη ηεο ηάζεο ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ Δ.Ρ. Πξνθεηκέλνπ λα επηηεπρζεί ε ζχγθξηζε, ρξεζηκνπνηήζεθε ην νινθιεξσκέλν LM3900, ην νπνίν ελζσκαηψλεη ηέζζεξηο αλεμάξηεηνπο ηειεζηηθνχο εληζρπηέο ξεχκαηνο ή αιιηψο εληζρπηέο Norton. Σν θπθισκαηηθφ ζχκβνιν ηνπ εληζρπηή Norton παξνπζηάδεηαη ζην ρήκα Ο ηειεζηηθφο εληζρπηήο ξεχκαηνο, ζε αληίζεζε κε ηνπο απινχο (ζπκβαηηθνχο) ηειεζηηθνχο εληζρπηέο ηάζεο, δέρεηαη σο ζήκαηα εηζφδνπ ξεχκαηα θαη απνθξίλεηαη ζε δηαθνξηθά ξεχκαηα (φρη ζε δηαθνξηθέο ηάζεηο). Οη αληηζηάζεηο εηζφδνπ R in1, R in2, R in3, R in4 (ρήκα 4.9) είλαη απηέο πνπ κεηαηξέπνπλ ηελ ηάζε εηζφδνπ ζε ξεχκα εηζφδνπ. Δπηπιένλ, δελ ρξεηάδεηαη ηξνθνδνζία δηπιήο πνιηθφηεηαο (απφ δηπιά ή ζπκκεηξηθά ηξνθνδνηηθά), γεγνλφο πνπ κεηψλεη ην θφζηνο θαηαζθεπήο ηνπ ηξνθνδνηηθνχ θαη θάλεη ην θχθισκα πην επέιηθην. Γηα λα ιεηηνπξγήζεη ζσζηά έλαο εληζρπηήο Norton, πξέπεη λα δηαζέηεη θαηάιιειε πφισζε (Biasing). H πφισζε επηηπγράλεηαη κέζσ ησλ αληηζηάζεσλ R Β1, R B2, R B3 θαη R B4. Οη αληηζηάζεηο R f1 θαη R f2 παξέρνπλ ηε ζεηηθή αλάδξαζε ζηνπο ηειεζηηθνχο εληζρπηέο. Με ηε βνήζεηα ηεο ζεηηθήο αλάδξαζεο, ν θάζε ηειεζηηθφο εληζρπηήο - ζπγθξηηήο παξνπζηάδεη πζηέξεζε πάλσ θαη θάησ απφ ην κεδεληθφ ζήκα αλαθνξάο, έηζη ψζηε θαη ππφ ηελ παξνπζία ζνξχβνπ ε ζχγθξηζε λα γίλεηαη απνηειεζκαηηθά [57]. Έλαο ζπγθξηηήο κε πζηέξεζε, θαιείηαη επίζεο θαη ζθαλδαιηζηήο Schmitt (Schmitt trigger). Σν πιάηνο ηεο πζηέξεζεο (δηαθνξά αλάκεζα ζην άλσ θαηψθιη V TH θαη ζην θάησ θαηψθιη V TL ) θαη ε ζπκκεηξία γχξσ απφ ην

152 Κεθάλαιο 4 ο κεδεληθφ ζήκα αλαθνξάο, ειέγρνληαη κέζσ ηεο αληίζηαζεο ζεηηθήο αλάδξαζεο R f θαη ησλ αληηζηάζεσλ πφισζεο R B. ην ζεκείν απηφ, αμίδεη λα αλαθεξζεί φηη νη αληηζηάζεηο εηζφδνπ R in ζε ζπλδπαζκφ κε ηε ρσξεηηθφηεηα εηζφδνπ ηνπ ηειεζηηθνχ εληζρπηή (ε νπνία εκθαλίδεηαη εμαηηίαο ηνπ θαηλνκέλνπ Miller θαη είλαη πεξίπνπ ίζε κε 0,002κF), ζπλζέηνπλ έλα βαζππεξαηφ θίιηξν, ην νπνίν απνξξίπηεη ηνλ πςίζπρλν ζφξπβν απφ ην ζήκα εηζφδνπ ηνπ θάζε εληζρπηή. ρήκα 4.11: Κπθισκαηηθφ ζχκβνιν εληζρπηή Norton (εληζρπηή ξεχκαηνο). Ο θπθιίζθνο κε ην βέινο ζηελ είζνδν δειψλεη φηη ηα ζήκαηα εηζφδνπ είλαη ξεχκαηα Οη έμνδνη ησλ ηειεζηηθψλ εληζρπηψλ νδεγνχληαη ζηε ζπλέρεηα ζε έλαλ απνκνλσηή κνλαδηαίνπ θέξδνπο - Buffer (θάζε έμνδνο ρσξηζηά), νη έμνδνη ηνπ νπνίνπ απνηεινχλ ηα ζήκαηα ειέγρνπ ησλ εκηαγσγηθψλ δηαθνπηψλ S 2 θαη S 3. Να ζεκεησζεί εδψ, φηη νη έμνδνη ηνπ Buffer (S 2 Out, S 3 Out, ρήκα 4.9) δελ είλαη απηέο νη νπνίεο ζα νδεγήζνπλ απεπζείαο ηνπο εκηαγσγηθνχο δηαθφπηεο ηζρχνο S 2 θαη S 3 αληίζηνηρα. Σα ζήκαηα S 2 Out θαη S 3 Out ζα νδεγεζνχλ αξρηθά, ην θαζέλα μερσξηζηά, ζε έλαλ νπηηθφ απνκνλσηή (Optocoupler) θαη έπεηηα ζε έλα νινθιεξσκέλν θχθισκα (MOSFET Driver), ην νπνίν ηειηθά ζα νδεγήζεη ηνλ θάζε εκηαγσγηθφ δηαθφπηε ηζρχνο (S 2 θαη S 3 ). Σα ζηνηρεία απηά ζα κειεηεζνχλ αλαιπηηθά ζε επφκελν θεθάιαην Δπηινγή ησλ ζηνηρείσλ ηνπ θπθιψκαηνο ειέγρνπ Γηα ην θχθισκα έιεγρνπ ηνπ «ελεξγνχ» δεπηεξεχνληνο ηπιίγκαηνο ηνπ κεηαζρεκαηηζηή ηνπ αληηζηξνθέα, φπσο εηπψζεθε παξαπάλσ, επηιέρζεθε ην νινθιεξσκέλν LM3900, ην νπνίν θαίλεηαη ζην ρήκα Ζ ηηκή θαζεκηάο απφ ηηο αληηζηάζεηο εηζφδνπ R in επηιέρζεθε

153 Κεθάλαιο 4 ο ίζε κε 200kΩ, ελψ ε ηηκή ησλ αληηζηάζεσλ αλάδξαζεο R f ίζε κε 5ΜΩ. Οη ηηκέο ησλ αληηζηάζεσλ πφισζεο R B (θαζψο θαη απηέο ησλ ππνινίπσλ αληηζηάζεσλ) θαίλνληαη ζην ρήκα 4.9. Με ηηο παξαπάλσ ηηκέο ησλ αληηζηάζεσλ, ην πιάηνο ηεο πζηέξεζεο πξνθχπηεη πεξίπνπ ίζν κε 300mV, δειαδή νη δχν ηάζεηο θαησθιίνπ είλαη V TH +150mV θαη V LT - 150mV, ζπκκεηξηθά ηνπνζεηεκέλεο γχξσ απφ ην κεδέλ. Ωο Buffer, ρξεζηκνπνηήζεθε ην νινθιεξσκέλν 74HC08, ην νπνίν πεξηέρεη ηέζζεξηο αλεμάξηεηεο ινγηθέο πχιεο AND δχν εηζφδσλ θαη παξνπζηάδεηαη ζην ρήκα ρήκα 4.12: Σν νινθιεξσκέλν θχθισκα LM3900 ρήκα 4.13: Σν νινθιεξσκέλν θχθισκα 74HC08 Ζ ηξνθνδνζία ησλ νινθιεξσκέλσλ θπθισκάησλ LM3900 θαη 74HC08 έγηλε κε ειεθηξηθή ηάζε +5V DC, ελψ ζε θαζέλα απφ απηά ζπλδέζεθε (φζν ην δπλαηφλ πην θνληά ζην

154 Κεθάλαιο 4 ο αληίζηνηρν νινθιεξσκέλν) Bypass ππθλσηήο, ν νπνίνο παξέρεη ηηο αηρκέο ξεχκαηνο πνπ κπνξεί λα «δεηεζνχλ» απφ θάζε νινθιεξσκέλν. 4.6 Κύκλυμα οδήγηζηρ ηυν ημιαγυγικών ζηοισείυν ιζσύορ Πεξηγξαθή θαη κειέηε ηνπ θπθιψκαηνο νδήγεζεο Δπηζεκάλζεθε πξσζχζηεξα, φηη ηα ζήκαηα ειέγρνπ DCM Out S 1 (ρήκα 2.10), ΒCM Out S 1 (ρήκα 3.9), S 2 Out θαη S 3 Out (ρήκα 4.9), δελ είλαη απηά πνπ νδεγνχλ απεπζείαο ηελ πχιε (Gate) ησλ εκηαγσγηθψλ ζηνηρείσλ ηζρχνο (MOSFET) S 1, S 2 θαη S 3 αληίζηνηρα. Αληηζέησο, ηα ζήκαηα απηά (ην θαζέλα μερσξηζηά), απνηεινχλ είζνδν ελφο νπηηθνχ απνκνλσηή (θαη ζπγθεθξηκέλα ηελ είζνδν Control input) θαη έπεηηα ελφο νινθιεξσκέλνπ θπθιψκαηνο (MOSFET Driver) ην νπνίν ηειηθά ζα νδεγήζεη ηνλ θάζε εκηαγσγηθφ δηαθφπηε ηζρχνο S 1, S 2 θαη S 3 (ρήκα 4.14). ρήκα 4.14: Κχθισκα νδήγεζεο ησλ εκηαγσγηθψλ δηαθνπηψλ ηζρχνο S 1, S 2 θαη S 3 Μέζσ ηνπ νπηηθνχ απνκνλσηή (Optocoupler), επηηπγράλνπκε ειεθηξηθή απνκφλσζε. Γίλεηαη δειαδή πιήξεο απφδεπμε κεηαμχ ησλ ειεθηξνληθψλ θπθισκάησλ ειέγρνπ θαη ησλ αληίζηνηρσλ θπθισκάησλ νδήγεζεο ησλ εκηαγσγηθψλ δηαθνπηψλ. Με απηφλ ηνλ ηξφπν εμαζθαιίδνπκε απνθπγή βξαρπθπθισκάησλ κεηαμχ ησλ αθξνδεθηψλ ησλ εκηαγσγηθψλ δηαθνπηψλ, ηα νπνία θαζηζηνχλ αδχλαηε ηε ιεηηνπξγία ηεο δηάηαμεο. Δπηπξφζζεηα, εμαζθαιίδεηαη φηη κία εζθαικέλε ζχλδεζε ή νη κεηαβαηηθέο αηρκέο ηεο ηάζεο ηνπ δηθηχνπ ή

155 Κεθάλαιο 4 ο αθφκε πξφζζεηνο ζφξπβνο, δελ ζα «πεξάζνπλ» ζην ειεθηξνληθφ θχθισκα νδήγεζεο ησλ εκηαγσγηθψλ δηαθνπηψλ [60]. Όπσο αλαθέξζεθε παξαπάλσ, ηα MOSFET είλαη εκηαγσγηθά ζηνηρεία ειεγρφκελα απφ ηάζε, ιφγσ ηεο θαηαζθεπήο ηεο πχιεο ηνπο (είζνδνο), ε νπνία ζπκπεξηθέξεηαη σο ππθλσηήο. Δθηφο φκσο απφ ηε ρσξεηηθφηεηα εηζφδνπ ηεο πχιεο, εκθαλίδνληαη θαη άιιεο παξαζηηηθέο ρσξεηηθφηεηεο θαη αληηζηάζεηο κεηαμχ πχιεο - πεγήο, πεγήο - ππνδνρήο θαη πχιεο - ππνδνρήο, νη νπνίεο μεθηλνχλ λα θνξηίδνπλ ηε ζηηγκή πνπ έλαο παικφο ηάζεο ηνπνζεηεζεί ζηελ πχιε ηνπ ζηνηρείνπ. Ζ θφξηηζε απηή, θαζπζηεξεί ηελ εκθάληζε ηάζεο ζηελ πχιε. Γηα ηνλ ιφγν απηφ, απαηηείηαη ε χπαξμε ελφο θπθιψκαηνο ην νπνίν λα κεηψλεη φζν ην δπλαηφλ πεξηζζφηεξν ηηο θαζπζηεξήζεηο απηέο. Σν θχθισκα απηφ, νλνκάδεηαη θχθισκα νδήγεζεο ηνπ εκηαγσγηθνχ ζηνηρείνπ (Driver) θαη ζηελ πξαγκαηηθφηεηα είλαη έλαο απνκνλσηήο ξεχκαηνο (Buffer). θνπφ έρεη λα ηξνθνδνηεί ην ζηνηρείν µε ηελ θαηάιιειε πνζφηεηα ξεχκαηνο, ψζηε νη παξαζηηηθέο ρσξεηηθφηεηέο ηνπ λα θνξηίδνληαη φζν ην δπλαηφλ ηαρχηεξα, κε απνηέιεζκα λα κεηψλεηαη ε θαζπζηέξεζε εκθάληζεο ηάζεο ζηελ πχιε ηνπ MOSFET. Με ηνλ ηξφπν απηφλ, κεηψλνληαη νη ρξφλνη έλαπζεο θαη ζβέζεο, κε άκεζε ζπλέπεηα ην εκηαγσγηθφ ζηνηρείν λα δηέξρεηαη ηαρχηαηα απφ ηελ ελεξγφ πεξηνρή, φπνπ ε θαηαλάισζε ζηηγκηαίαο ηζρχνο είλαη κεγάιε Δπηινγή ησλ ζηνηρείσλ ηνπ θπθιψκαηνο νδήγεζεο ηε ζπγθεθξηκέλε εθαξκνγή, επηιέρζεθε σο νπηηθφο απνκνλσηήο ην νινθιεξσκέλν θχθισκα 6Ν137 (ρήκα 4.15). Σν ζπγθεθξηκέλν νινθιεξσκέλν είλαη έλαο πςειήο ηαρχηεηαο Optocoupler, ν νπνίνο απνηειείηαη απφ κία δίνδν εθπνκπήο θσηφο (θσηνδίνδνο, L.E.D.) ζηελ είζνδν θαη έλα transistor ειεγρφκελν απφ θσο ζηελ έμνδν. Όηαλ ην L.E.D. δέρεηαη έλα ζεηηθφ ζήκα απφ ην ινγηθφ θχθισκα ειέγρνπ, εθπέκπεη θσο ην νπνίν εζηηάδεηαη ζηελ νπηηθά επαίζζεηε βάζε ηνπ θσην-transistor. Σν θσο πνπ πξνζπίπηεη ζηε βάζε ηνπ θσην-transistor ειεπζεξψλεη έλα ζεκαληηθφ αξηζκφ ειεθηξνλίσλ - νπψλ, ηα νπνία νδεγνχλ ην transistor ζε αγσγηκφηεηα. Απνηέιεζκα απηνχ, είλαη ε εκθάληζε ηνπ ζήκαηνο εηζφδνπ ζηελ έμνδν, ην νπνίν είλαη αλαιινίσην αιιά αλεζηξακκέλν. Σν ζήκα απηφ εθαξκφδεηαη έπεηηα ζην θχθισκα νδήγεζεο

156 Κεθάλαιο 4 ο ρήκα 4.15: ρεκαηηθφ, ζψκα θαη πίλαθαο αιεζείαο ηνπ νπηηθνχ απνκνλσηή 6Ν137 Σν ζήκα εηζφδνπ θζάλεη ζηελ είζνδν ηνπ Optocoupler κέζσ κηαο αληίζηαζεο ηεο ηάμεο ησλ 0,2kΩ πξνθεηκέλνπ λα γίλεη πεξηνξηζκφο ηνπ ξεχκαηνο, ελψ ιφγσ ηνπ γεγνλφηνο φηη ν ζπγθεθξηκέλνο νπηηθφο απνκνλσηήο είλαη ηνπνινγίαο αλνηθηνχ ζπιιέθηε (Open collector), ηνπνζεηείηαη κία αληίζηαζε 1kΩ κεηαμχ ησλ αθξνδεθηψλ V CC θαη V o (αθξνδέθηεο 8 θαη 6 αληίζηνηρα) ψζηε ην ζήκα εμφδνπ λα κεηαηξαπεί απφ ζήκα ξεχκαηνο ζε ζήκα ηάζεο. Σέινο, αμίδεη λα ζεκεησζεί, πσο γηα λα επηηεπρζεί ε απνκφλσζε ησλ θπθισκάησλ γίλεηαη ρξήζε δηαθνξεηηθήο ηάζεσο αλαθνξάο ζηελ είζνδν θαη ζηελ έμνδν ηνπ θάζε απνκνλσηή, δειαδή Gnd 1 ζηελ είζνδν θαη Gnd 2, Gnd 3, Gnd 4 (ή αιιηψο Gnd 2-4 ) ζηελ έμνδν γηα ηνπο εκηαγσγηθνχο δηαθφπηεο S 1, S 2 θαη S 3 αληίζηνηρα (ρήκα 4.14). Ωο θχθισκα νδήγεζεο, επηιέρζεθε ην νινθιεξσκέλν θχθισκα ICL7667 ην ζρεκαηηθφ ηνπ νπνίνπ απεηθνλίδεηαη ζην ρήκα Σν νινθιεξσκέλν απηφ είλαη έλαο Driver δχν θαλαιηψλ, ηα νπνία κπνξνχλ είηε λα ρξεζηκνπνηεζνχλ αλεμάξηεηα, είηε λα γεθπξσζνχλ θαη λα ρξεζηκνπνηεζνχλ σο έλα, φπσο θαη επηιέρζεθε ζηε ζπγθεθξηκέλε εθαξκνγή. Γέρεηαη σο είζνδν ηνπο παικνχο ηάζεο ηνπ νινθιεξσκέλνπ 6Ν137 θαη δίλεη ζηελ έμνδφ ηνπ αλαιινίσηνπο αιιά αλεζηξακκέλνπο ηνπο παικνχο απηνχο, νη νπνίνη ηειηθά εθαξκφδνληαη ζηελ πχιε ησλ MOSFET. Σν κεγάιν ξεχκα εμφδνπ ηνπ κεηψλεη ηηο δηαθνπηηθέο απψιεηεο ησλ MOSFET, θνξηίδνληαο θαη εθθνξηίδνληαο ηηο ρσξεηηθφηεηεο ηεο πχιεο ηαρχηαηα. ην ζπγθεθξηκέλν νινθιεξσκέλν νη αθξνδέθηεο 1 θαη 8 παξακέλνπλ αλνηρηνί. ηνπο 2 θαη 4 ηνπνζεηείηαη ε έμνδνο ηνπ Optocoupler 6Ν137, ελψ ζηνλ αθξνδέθηε 6 ηνπνζεηείηαη ε ηξνθνδνζία. Σέινο, απφ ηνπο αθξνδέθηεο 5 θαη 7 ιακβάλνπκε ηελ έμνδν, δειαδή ηνπο παικνχο ηάζεο πνπ ελεξγνπνηνχλ ηελ πχιε ησλ MOSFET. Δπηπξφζζεηα, ζην θχθισκα νδήγεζεο είλαη απαξαίηεην λα ζπκπεξηιεθζεί µηα πνιχ κηθξή αληίζηαζε ηεο ηάμεσο ησλ 5-10Ω, ε νπνία ηνπνζεηείηαη ζε ζεηξά µε ηελ έμνδν ηνπ ICL7667 θαη βνεζά ζηνλ πεξηνξηζκφ

157 Κεθάλαιο 4 ο ρήκα 4.16: ρεκαηηθφ δηάγξακκα ηνπ νινθιεξσκέλνπ θπθιψκαηνο ICL7667 ησλ πςίζπρλσλ ηαιαληψζεσλ ηεο πχιεο, πνπ ιακβάλνπλ ρψξα θαηά ηελ έλαπζε θαη ζβέζε ησλ MOSFET (θιπδσληζκφο - ringing). Οη ηαιαληψζεηο απηέο νθείινληαη ζηηο παξαζηηηθέο ρσξεηηθφηεηεο θαη επαγσγέο ησλ MOSFET, θαζψο θαη ζηηο παξαζηηηθέο επαγσγέο ησλ θαισδίσλ θαη ησλ δξφκσλ ησλ πιαθεηψλ. Δπηπιένλ, µία αξθεηά πςειή αληίζηαζε, ηεο ηάμεο ησλ 10kΩ (Pull - down resistor), ρξεζηκνπνηείηαη παξάιιεια ζηελ έμνδν ηνπ νινθιεξσκέλνπ, πεξηνξίδνληαο ην ξεχκα θαη ηελ ηάζε πνπ εθαξκφδεηαη ζηε ρσξεηηθφηεηα εηζφδνπ ησλ εκηαγσγηθψλ δηαθνπηψλ θαηά ηηο κεηαβάζεηο (θπξίσο θαηά ηελ εθθφξηηζε ηνπ ππθλσηή εηζφδνπ), ψζηε λα µελ ζεκεησζνχλ ζεκαληηθέο ππεξηάζεηο. Σέινο, παξάιιεια ζηελ αληίζηαζε ησλ 10kΩ ηνπνζεηείηαη µία δίνδνο Zener (V Z = 18V), ε νπνία απνθφπηεη ηηκέο ηάζεο κεγαιχηεξεο ηεο επηηξεπηήο, πξνζηαηεχνληαο µε ηνλ ηξφπν απηφλ ηελ πχιε ησλ MOSFET απφ θαηαζηξνθή. Οη δχν απηέο αληηζηάζεηο πνπ πεξηγξάθεθαλ πην πάλσ, θαζψο θαη ε δίνδνο Zener δελ ηνπνζεηνχληαη ζηελ πιαθέηα παικνδφηεζεο, αιιά ζηελ πιαθέηα ηζρχνο πξνθεηκέλνπ νη παξαζηηηθέο ρσξεηηθφηεηεο εμαηηίαο ησλ θαισδίσλ, λα είλαη φζν ην δπλαηφλ κηθξφηεξεο θαη επνκέλσο κηθξφηεξεο λα είλαη θαη νη ππεξηάζεηο πνπ ζα εκθαληζηνχλ ζηα άθξα ησλ εκηαγσγηθψλ ζηνηρείσλ. Ζ ηξνθνδνζία ησλ νινθιεξσκέλσλ θπθισκάησλ 6N137 έγηλε κε ειεθηξηθή ηάζε +5V DC, ελψ απηή ησλ ICL7667 κε ηάζε +15V DC. ε θαζέλα απφ απηά ζπλδέζεθε Bypass ππθλσηήο (φζν ην δπλαηφλ πην θνληά ζην αληίζηνηρν νινθιεξσκέλν), ν νπνίνο παξέρεη ηηο αηρκέο ξεχκαηνο πνπ κπνξεί λα «δεηεζνχλ» απφ θάζε νινθιεξσκέλν

158 Κεθάλαιο 4 ο 4.7 Κύκλυμα πποζηαζίαρ ημιαγυγικού διακόπηη ιζσύορ Δίλαη γεγνλφο, πσο ε επαγσγή ζθέδαζεο ηνπ κεηαζρεκαηηζηή ελφο κεηαηξνπέα ηνπνινγίαο Flyback κεηψλεη ηελ απφδνζή ηνπ, ελψ ηαπηφρξνλα είλαη ηθαλή λα πξνθαιέζεη ππεξηάζεηο ζηνπο εκηαγσγηθνχο δηαθφπηεο ηζρχνο θαηά ηε κεηάβαζε ηνπο ζηελ θαηάζηαζε απνθνπήο [61, 62]. Ζ επαγσγή ζθέδαζεο πξνέξρεηαη απφ ην γεγνλφο φηη ε καγλεηηθή ξνή ηνπ πξσηεχνληνο δελ δηέξρεηαη πιήξσο απφ ην δεπηεξεχνλ ή δελ είλαη ηέιεηα ζπδεπγκέλεο φιεο νη ζπείξεο ηνπ ηπιίγκαηνο πνπ πξνθαιεί ηε καγλεηηθή ξνή, θαηά ζπλέπεηα, δελ ζπλεηζθέξεη ζηε κεηαθνξά ελέξγεηαο κεηαμχ πξσηεχνληνο θαη δεπηεξεχνληνο ηπιίγκαηνο ηνπ κεηαζρεκαηηζηή [53]. ηε ζπγθεθξηκέλε εθαξκνγή, ιφγσ ηνπ φηη ην ξεχκα πνπ δηαξξέεη ηα δεπηεξεχνληα ηπιίγκαηα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή κεδελίδεηαη κε θπζηθφ ηξφπν (δελ δηαθφπηεηαη απφηνκα) θαη ζηηο δχν θαηαζηάζεηο ιεηηνπξγίαο ηνπ αληηζηξνθέα (DCM, BCM), νη εκηαγσγηθνί δηαθφπηεο S 2 θαη S 3 δελ «θηλδπλεχνπλ» απφ ηελ αλάπηπμε ππεξηάζεσλ. Ωζηφζν, ην ξεχκα πνπ δηαξξέεη ην πξσηεχνλ ηχιηγκα, δηαθφπηεηαη αξθεηέο θνξέο κέζα ζε κία πεξίνδν ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ Δ.Ρ. κε ηε βνήζεηα ηνπ δηαθφπηε S 1. Απνηέιεζκα ηνπ γεγνλφηνο απηνχ, είλαη ε αλάπηπμε ππεξηάζεσλ ζηα άθξα ηνπ εκηαγσγηθνχ δηαθφπηε S 1 (φηαλ απηφο βξεζεί ζε θαηάζηαζε απνθνπήο), εμαηηίαο ηεο ελέξγεηαο πνπ έρεη απνζεθεπζεί ζηελ επαγσγή ζθέδαζεο ηνπ πξσηεχνληνο ηπιίγκαηνο ηνπ κεηαζρεκαηηζηή. Καηαιήγνπκε ινηπφλ ζην ζπκπέξαζκα, πσο είλαη απαξαίηεηε ε ρξήζε ελφο εμσηεξηθνχ θπθιψκαηνο, ζθνπφο ηνπ νπνίνπ ζα είλαη λα «πξνζηαηεχζεη» ηνλ εκηαγσγηθφ δηαθφπηε S 1. Σν θχθισκα απηφ παξνπζηάδεηαη ζην ρήκα Απνηειείηαη απφ κία δίνδν D 3 θαη κία δίνδν Zener D clamp νη νπνίεο ζπλδένληαη ζην πξσηεχνλ ηχιηγκα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή. ην ρήκα 4.17 ε απηεπαγσγή ηνπ πξσηεχνληνο ηπιίγκαηνο L 1 έρεη αλαιπζεί ζηελ επαγσγή καγλήηηζεο L m θαη ζηελ επαγσγή ζθέδαζεο ηνπ πξσηεχνληνο L leak,1. V DC είλαη ε ζπλερήο ηάζε εηζφδνπ ηνπ κεηαηξνπέα θαη V fb είλαη ε ηάζε εμφδνπ ζπλ ε πηψζε ηάζεο ηεο δηφδνπ πνπ βξίζθεηαη ζην δεπηεξεχνλ ηχιηγκα, αλεγκέλε ζην πξσηεχνλ. Ζ ηάζε V fb εκθαλίδεηαη κφλν θαηά κήθνο ηεο επαγσγήο καγλήηηζεο θαη φρη ζηα άθξα ηεο επαγσγήο ζθέδαζεο ηνπ πξσηεχνληνο ηπιίγκαηνο [61, 62]

159 Κεθάλαιο 4 ο ρήκα 4.17: Δμσηεξηθφ θχθισκα πξνζηαζίαο ηνπ εκηαγσγηθνχ δηαθφπηε ηζρχνο S 1 [61] Καηά ηε δηάξθεηα ζηελ νπνία ν εκηαγσγηθφο δηαθφπηεο S 1 είλαη ζε αγσγή (On), ε ηάζε εηζφδνπ V DC εθαξκφδεηαη ζην πξσηεχνλ ηχιηγκα απηεπαγσγήο L 1, κε απνηέιεζκα ην ξεχκα ηνπ ηπιίγκαηνο λα απμάλεη γξακκηθά έσο ηελ ηηκή I p. ην ρξνληθφ απηφ δηάζηεκα t on, ε καγλεηηθή ελέξγεηα απνζεθεχεηαη ζηνλ κεηαζρεκαηηζηή (γηα ηελ αθξίβεηα ζην δηάθελν αέξνο απηνχ), ελψ ην ξεχκα ζην δεπηεξεχνλ ηχιηγκα είλαη κεδεληθφ, αθνχ ε δίνδνο ηνπ ζπγθεθξηκέλνπ ηπιίγκαηνο είλαη αλάζηξνθα πνισκέλε. Σφηε, ν S 1 αλνίγεη (Off). Ωζηφζν, ην ξεχκα θαη ζηηο δχν επαγσγέο (L m, L leak,1 ) δελ κπνξεί λα δηαθνπεί αθαξηαία. Σν ξεχκα ζηελ επαγσγή L m ζα εθηξαπεί ζην δεπηεξεχνλ ηχιηγκα θαη ζα κεηψλεηαη κε ξπζκφ V fb / L m. Σν ξεχκα ηεο επαγσγήο L leak,1 δελ κπνξεί λα νδεγεζεί πνπζελά αιινχ, παξά κφλν ζην εμσηεξηθφ θχθισκα πξνζηαζίαο ησλ δηφδσλ, κεηαηξέπνληαο κε απηφλ ηνλ ηξφπν ηελ ελέξγεηα ζθέδαζεο ζε ζεξκφηεηα. Σν ξεχκα απηφ, κεηψλεηαη πιένλ κε ξπζκφ (V Dclamp +V D3 -V fb ) / L leak,1 =

160 Κεθάλαιο 4 ο (V clamp -V fb ) / L leak,1, αθνχ θαηά κήθνο ηεο επαγσγήο L leak,1 εθαξκφδεηαη ε ηάζε V clamp - V fb. Γπζηπρψο, ην εμσηεξηθφ θχθισκα πξνζηαζίαο, πξνθαιεί ηαπηφρξνλα κεηαηξνπή ζε ζεξκφηεηα κέξνπο θαη ηεο (σθέιηκεο) ελέξγεηαο πνπ έρεη απνζεθεπζεί ζηελ επαγσγή καγλήηηζεο L m. πλεπψο, ε επαγσγή ζθέδαζεο L leak,1 θαζπζηεξεί ηε κεηαθνξά ελέξγεηαο κεηαμχ πξσηεχνληνο θαη δεπηεξεχνληνο ηπιίγκαηνο (γηα ρξφλν Γt), έσο φηνπ ην ξεχκα απηήο πέζεη ζην κεδέλ. Έηζη, ζα παξαηεξεζεί κείσζε ηεο απφδνζεο ηνπ κεηαηξνπέα. Ο ρξφλνο Γt κπνξεί λα κεησζεί είηε κε ηε κείσζε ηεο L leak,1, είηε απμάλνληαο ηελ ηάζε V clamp - V fb, ε νπνία θαη ζα εκθαληζηεί ζηα άθξα ηεο L leak,1. ην ρήκα 4.18, απεηθνλίδνληαη ηα δηάθνξα ξεχκαηα θαη νη ρξφλνη πνπ ππεηζέξρνληαη ζηε δηαδηθαζία πνπ κφιηο πεξηγξάθεθε. ρήκα 4.18: Ζ επαγσγή ζθέδαζεο ηνπ πξσηεχνληνο ηπιίγκαηνο ηνπ κεηαζρεκαηηζηή θαζπζηεξεί ηε κεηαθνξά σθέιηκεο ελέξγεηαο θαηά ρξφλν Γt [61] Ζ ρξήζε ηνπ παξαπάλσ εμσηεξηθνχ θπθιψκαηνο πξνζηαζίαο, ηειηθά πεξηνξίδεη ηελ ηάζε πνπ ζα εκθαληζηεί ζηνλ εκηαγσγηθφ δηαθφπηε S 1 (ηάζε κεηαμχ ππνδνρήο θαη πεγήο ηνπ MOSFET ηζρχνο), φηαλ απηφο βξεζεί ζε θαηάζηαζε απνθνπήο, ζε κία ζπγθεθξηκέλε θαη θαζνξηζκέλε ηηκή (ρήκα 4.19)

161 Κεθάλαιο 4 ο ρήκα 4.19: Πεξηνξηζκφο ηεο ηάζεο πνπ ζα εκθαληζηεί ζηα άθξα ηνπ εκηαγσγηθνχ δηαθφπηε S 1 ζηελ πξνθαζνξηζκέλε ηηκή V DC + V clamp [61] Δηπψζεθε πξσζχζηεξα, πσο πξνθεηκέλνπ λα κεησζεί ν ρξφλνο Γt, ε ηηκή ηεο ηάζεο V clamp ( V Dclamp αθνχ ε ηάζε θαησθιίνπ ηεο δηφδνπ D 3 είλαη ηδηαίηεξα ρακειή) πξέπεη λα είλαη φζν ην δπλαηφλ κεγαιχηεξε. Ωζηφζν, νη πξνδηαγξαθέο ηάζεο ησλ ζηνηρείσλ ηνπ θπθιψκαηνο (θαη ηδηαίηεξα απηέο ηνπ εκηαγσγηθνχ δηαθφπηε S 1 ), πεξηνξίδνπλ ηελ ηηκή ηεο ηάζεο V clamp. ηε ζπγθεθξηκέλε εθαξκνγή, ζηε ζέζε ηεο δηφδνπ D 3 ρξεζηκνπνηήζεθε ε δίνδνο 1Ν4002 (V R = 100V, I F,avg = 1A), ελψ ζηε ζέζε ηεο δηφδνπ Zener D clamp ρξεζηκνπνηήζεθαλ δχν δίνδνη Zener 1N5383B (V Z = 150V, 5W έθαζηε) ζπλδεδεκέλεο ζε ζεηξά, πξνθεηκέλνπ λα επηηεπρζεί ηάζε V clamp V Dclamp = 300V. Έηζη, θαηά ηελ απνθνπή ηνπ S 1 ζα εκθαληζηνχλ ζηα άθξα ηνπ V clamp + V DC = = 350V, ηηκή ηάζεο ε νπνία είλαη θαηά πνιχ κηθξφηεξε ηεο ηάζεο πνπ αληέρεη ην MOSFET IXFH26N50, ην νπνίν θαη έρεη ρξεζηκνπνηεζεί ζηε ζέζε ηνπ δηαθφπηε S 1. Σέινο, ε ηάζε V Dclamp = 300V είλαη κεγαιχηεξε ηεο κέγηζηεο ηηκήο ηεο ηάζεο V fb V n , V ), ε νπνία ζα εκθαληζηεί ζηα άθξα ηεο δηφδνπ ( fb,max D clamp φηαλ ε επαγσγή ζθέδαζεο ηνπ πξσηεχνληνο ηπιίγκαηνο L leak,1 έρεη εθθνξηηζηεί πιήξσο

162 Κεθάλαιο 4 ο (ρήκα 4.17), κε απνηέιεζκα λα απνθφπηεηαη απφ ηε δίνδν απηή, ε ξνή ξεχκαηνο ζην θχθισκα πξνζηαζίαο φηαλ δελ είλαη απαξαίηεην. 4.8 σεδίαζη και καηαζκεςή ηυν ηποθοδοηικών Σν ηξνθνδνηηθφ (Power supply) είλαη έλα απφ ηα πην βαζηθά ηκήκαηα κηαο ειεθηξηθήο ή ειεθηξνληθήο ζπζθεπήο ή γεληθά ελφο ζπζηήκαηνο. Δίλαη απηφ πνπ ζα παξάζρεη ηελ απαξαίηεηε ηζρχ, πνπ ζα ελεξγνπνηήζεη φια ηα ειεθηξηθά ή ειεθηξνληθά θπθιψκαηα θαη ζα θαηαζηήζεη εθηθηή ηε ιεηηνπξγία ηνπ ζπζηήκαηνο. Ζ βαζηθή απνζηνιή ελφο ηξνθνδνηηθνχ είλαη λα παξέρεη κία πξνθαζνξηζκέλε ζηαζεξή ηάζε ζηελ έμνδν, αθφκα θαη αλ ε ηάζε εηζφδνπ ή / θαη ην ξεχκα εμφδνπ κεηαβάιινληαη επξέσο ή αθφκε θαη αλ κεηαβάιιεηαη ε ζεξκνθξαζία ιεηηνπξγίαο. Αλάινγα κε ηελ θαηαζθεπή ηνπο, ηε ιεηηνπξγία ησλ εκηαγσγηθψλ ζηνηρείσλ ηζρχνο θαη ηε κέζνδν ειέγρνπ ηνπο, ηα ηξνθνδνηηθά (ζπλερνχο ηάζεο) ρσξίδνληαη ζε δχν κεγάιεο θαηεγνξίεο: ηα γξακκηθά ηξνθνδνηηθά (Linear Power Supplies, DC Regulators) θαη ηα δηαθνπηηθά ηξνθνδνηηθά ή αιιηψο παικνηξνθνδνηηθά (Switch - Mode Power Supplies, S.M.P.S.) [54]. ηε ζπγθεθξηκέλε δηάηαμε, ζα γίλεη ρξήζε γξακκηθψλ ηξνθνδνηηθψλ θαη γηα ηνλ ιφγν απηφ αθνινχζσο ζα θαηαπηαζηνχκε κφλν κε απηά. ην ρήκα 4.20 θαίλεηαη ην δνκηθφ δηάγξακκα ελφο γξακκηθνχ ηξνθνδνηηθνχ. Γίλεηαη εκθαλέο, πσο γηα ηνλ ππνβηβαζκφ ηεο ηάζεο εηζφδνπ θαη ηελ επίηεπμε ειεθηξηθήο απνκφλσζεο κεηαμχ εηζφδνπ θαη εμφδνπ πνπ επηβάιιεηαη απφ δηεζλείο θαλνληζκνχο γηα πξνζηαζία ηνπ θαηαλαισηή, ρξεζηκνπνηείηαη έλαο κεηαζρεκαηηζηήο κε ππξήλα ζηδήξνπ, ν νπνίνο παξεκβάιιεηαη κεηαμχ ηνπ δηθηχνπ (ελαιιαζζφκελε ηάζε ζπρλφηεηαο 50Hz/60Hz) θαη ηεο αλνξζσηηθήο δηάηαμεο. Μεηά ηελ αλνξζσηηθή δηάηαμε ππάξρεη ην θίιηξν εηζφδνπ, ζηελ νπζία είλαη έλαο ειεθηξνιπηηθφο ππθλσηήο, γηα εμνκάιπλζε ηεο αλνξζσκέλεο ηάζεο. Αθνινπζεί έλα ειεγρφκελν εκηαγσγηθφ ζηνηρείν (ζπλήζσο έλα δηπνιηθφ transistor ηζρχνο), ην νπνίν ζηελ πιεηνλφηεηα ησλ πεξηπηψζεσλ ζπλδέεηαη ζε ζεηξά (Series regulator) θαη ιεηηνπξγεί ζηε γξακκηθή (ελεξγφ) πεξηνρή. πγθξίλνληαο ηελ πξαγκαηηθή ηηκή ηεο ηάζεο εμφδνπ V o κε ηελ επηζπκεηή ηηκή ηεο ηάζεο εμφδνπ V o,ref, δεκηνπξγείηαη έλα ζθάικα, ην νπνίν ειέγρεη ην ξεχκα βάζεο ηνπ εκηαγσγηθνχ ζηνηρείνπ, άξα θαη ηελ αγσγηκφηεηά ηνπ, ζε ζπλάξηεζε κε ηηο κεηαβνιέο ηεο ηάζεο εηζφδνπ θαη ηνπ θνξηίνπ. πλεπψο, ην εκηαγσγηθφ ζηνηρείν ιεηηνπξγεί σο κία

163 Κεθάλαιο 4 ο κεηαβιεηή αληίζηαζε κε απνηέιεζκα ε ηάζε εμφδνπ λα δηαηεξείηαη ζηαζεξή. Δπνκέλσο, παξαηεξνχκε φηη ε δηαθνξά δπλακηθνχ κεηαμχ ηεο ηάζεο εηζφδνπ θαη ηεο ηάζεο εμφδνπ εκθαλίδεηαη ζηα άθξα ηνπ εκηαγσγηθνχ ζηνηρείνπ, ην νπνίν δηαξξέεηαη επίζεο θαζ νινθιεξία απφ ην ξεχκα εμφδνπ Η ν. Έηζη, νη απψιεηεο αγσγήο (V CE,on I o ) είλαη ηδηαίηεξα πςειέο, κε απνηέιεζκα ν ζπληειεζηήο απφδνζεο ησλ γξακκηθψλ απηψλ ηξνθνδνηηθψλ λα θπκαίλεηαη ζηελ πεξηνρή 30% - 60%. Σέινο, ζηε βαζκίδα εμφδνπ ππάξρεη ην θίιηξν εμφδνπ, δειαδή έλαο ειεθηξνιπηηθφο ππθλσηήο, ν νπνίνο αλαιακβάλεη λα θαιχςεη ηηο απφηνκεο κεηαβνιέο ηνπ θνξηίνπ, βειηηψλνληαο ηε κεηαβαηηθή απφθξηζε ηνπ ηξνθνδνηηθνχ. Πνιιέο θνξέο, παξάιιεια κε ηνπο ππθλσηέο πνπ αλαθέξζεθαλ πξσζχζηεξα, ηνπνζεηνχληαη θαη ππθλσηέο πνιππξνππιελίνπ ή θεξακηθνί ππθλσηέο (ηεο ηάμεο ησλ κεξηθψλ εθαηνληάδσλ nf ή κεξηθψλ κf), νη νπνίνη έρνπλ ρακειή παξαζηηηθή επαγσγή (Equivalent Series Inductance, E.S.L.), ψζηε λα απνθεπρζνχλ νη ππεξηάζεηο πνπ δεκηνπξγνχληαη απφ δηαθνπηηθά ξεχκαηα. ρήκα 4.20: Γεληθφ δνκηθφ δηάγξακκα ελφο γξακκηθνχ ηξνθνδνηηθνχ [54]

164 Κεθάλαιο 4 ο ηε ζπγθεθξηκέλε εθαξκνγή, απαηηείηαη ε ρξήζε ηεζζάξσλ ηξνθνδνηηθψλ ζπλερνχο ηάζεο, έλα ηξνθνδνηηθφ κε ηάζεηο εμφδνπ +15V, -15V, +5V, Gnd 1 θαη ηξία ηξνθνδνηηθά κε ηάζεηο εμφδνπ +15V, +5V, Gnd 2-4. Ζ ρξήζε ησλ ηεζζάξσλ μερσξηζηψλ ηξνθνδνηηθψλ γίλεηαη γηα ιφγνπο γαιβαληθήο απνκφλσζεο κεηαμχ ηεο εηζφδνπ θαη ηεο εμφδνπ ησλ νπηηθψλ απνκνλσηψλ. ε δηαθνξεηηθή πεξίπησζε, ζα πξνέθππηε βξαρπθχθισκα κεηαμχ ησλ αθξνδεθηψλ ησλ εκηαγσγηθψλ δηαθνπηψλ ηζρχνο S 1, S 2 θαη S 3, θαζηζηψληαο έηζη αδχλαηε ηελ νξζή ιεηηνπξγία ηεο δηάηαμεο. Γηα θάζε ηξνθνδνηηθφ ρξεζηκνπνηήζεθε κεηαζρεκαηηζηήο κε ππξήλα ζηδήξνπ 220V rms / 15V rms κε απνηέιεζκα, ιφγσ ηεο αλνξζσηηθήο δηάηαμεο θαη ηνπ θίιηξνπ εηζφδνπ, ζηελ είζνδν ησλ ζηαζεξνπνηεηψλ ηάζεο λα εκθαλίδεηαη ηάζε 2 15V 21V. Πξνθεηκέλνπ λα πεηχρνπκε ηηο δηάθνξεο (ζεηηθέο ή αξλεηηθέο) ζηαζεξνπνηεκέλεο ηάζεηο εμφδνπ πνπ ρξεηάζηεθαλ, ρξεζηκνπνηήζεθαλ νη εμήο ζηαζεξνπνηεηέο ηάζεο: γηα ηα +15V ν LM7815, γηα ηα -15V ν LM7915 θαη γηα ηα +5V ν LM7805. Οη ζηαζεξνπνηεηέο ηάζεο θπθινθνξνχλ ζην εκπφξην ππφ κνξθή νινθιεξσκέλσλ θπθισκάησλ. Σν ξεχκα εμφδνπ ησλ νινθιεξσκέλσλ απηψλ κπνξεί λα μεπεξάζεη ην 1-1,5Α, ελψ ε ρξήζε ηνπο είλαη ηδηαίηεξα απιή (δελ απαηηείηαη θαλέλα εμσηεξηθφ ζηνηρείν, ππάξρεη ελζσκαησκέλε πξνζηαζία απφ ππεξζέξκαλζε θαη απφ βξαρπθχθισκα ζηελ έμνδν)

165 Κεθάλαιο 5 ο ΚΔΦΑΛΑΙΟ 5 ΜΔΣΡΗΔΙ ΠΔΙΡΜΑΣΙΚΑ ΑΠΟΣΔΛΔΜΑΣΑ ΤΜΠΔΡΑΜΑΣΑ 5.1 Γενικά ην ζπγθεθξηκέλν θεθάιαην, ζα παξνπζηαζηνχλ νη κεηξήζεηο θαη ηα πεηξακαηηθά απνηειέζκαηα πνπ πξνέθπςαλ απφ ηε ιεηηνπξγία ηνπ πςίζπρλνπ αληηζηξνθέα ξεχκαηνο ηνπνινγίαο Flyback ζηηο δχν θαηαζηάζεηο ιεηηνπξγίαο πνχ ήδε έρνπλ πεξηγξαθεί αλαιπηηθά, δειαδή απφ ηε ιεηηνπξγία ηνπ αληηζηξνθέα ζηελ πεξηνρή ηεο αζπλερνχο αγσγήο (DCM), θαζψο θαη απφ ηε ιεηηνπξγία απηνχ ζην φξην κεηαμχ ζπλερνχο θαη αζπλερνχο αγσγήο (BCM). Δπηπξνζζέησο, ζα δνζνχλ θσηνγξαθίεο απφ ηελ θαηαζθεπή ηνπ, ελψ ζα εμαρζνχλ ηα ζπκπεξάζκαηα θαη νη πξννπηηθέο ηεο ζπγθεθξηκέλεο δηάηαμεο. 5.2 Μεηπήζειρ και πειπαμαηικά αποηελέζμαηα από ηη λειηοςπγία ηος ανηιζηποθέα πεύμαηορ ζηην πεπιοσή ηηρ αζςνεσούρ αγυγήρ Ζ ιεηηνπξγία ηνπ αληηζηξνθέα ξεχκαηνο ζηελ πεξηνρή ηεο αζπλερνχο αγσγήο (DCM) ρσξίζηεθε ζε δχν ζθέιε. Σν πξψην ζθέινο, αθνξά ζηε ιεηηνπξγία ηνπ αληηζηξνθέα κε θνξηίν εμφδνπ κία σκηθή αληίζηαζε. πλεπψο, ν αληηζηξνθέαο παξέρεη ελαιιαζζφκελν εκηηνλνεηδέο ξεχκα θαη ζπλεπψο ειεθηξηθή ηζρχ ζηελ σκηθή αληίζηαζε - θνξηίν. Σν δεχηεξν ζθέινο, αθνξά ζηε ιεηηνπξγία ηνπ αληηζηξνθέα, ε έμνδνο ηνπ νπνίνπ έρεη ζπλδεζεί κε ην ειεθηξηθφ δίθηπν Δ.Ρ., παξέρνληαο κε απηφλ ηνλ ηξφπν ειεθηξηθή ηζρχ ζε απηφ. Να ζεκεησζεί θαη εδψ, πσο γηα ηηο πεηξακαηηθέο κεηξήζεηο ρξεζηκνπνηήζεθε, αληί θσηνβνιηατθνχ πιαηζίνπ, ηξνθνδνηηθφ ζπλερνχο ηάζεο V DC = 50V, ελψ ην ειεθηξηθφ δίθηπν ζην νπνίν ζπλδέζεθε ν αληηζηξνθέαο είρε νλνκαζηηθή ηηκή ηάζεο 220V rms θαη ζπρλφηεηα 50Hz. Σέινο, ε σκηθή αληίζηαζε πνπ ρξεζηκνπνηήζεθε σο θνξηίν, είρε ηηκή R L = 500Ω

166 Κεθάλαιο 5 ο Λεηηνπξγία ηνπ αληηζηξνθέα κε σκηθή αληίζηαζε σο θνξηίν εμφδνπ Σν ζπγθεθξηκέλν πείξακα, δηεμήρζε γηα ηξία δηαθνξεηηθά επίπεδα ηζρχνο εηζφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα, 50W, 80W θαη 100W. Απφ ηε ιεηηνπξγία ηνπ ζε απηά ηα επίπεδα ηζρχνο θαη κε R L = 500Ω, πξνέθπςαλ νη αθφινπζεο πεηξακαηηθέο κεηξήζεηο. P DC (V DC I DC,avg ) I DC,avg V RL,rms P out (V RL,rms 2 /R L ) η (P out /P DC ) 50 W 1 A 148,7 V 44,22 W 88,44 % 80 W 1,6 A 191,8 V 73,57 W 91,96 % 100 W 2 A 208,3 V 86,78 W 86,78 % Ζ κέηξεζε ηνπ ξεχκαηνο I DC,avg έγηλε κε ην ελζσκαησκέλν ακπεξφκεηξν ηνπ ηξνθνδνηηθνχ ζπλερνχο ξεχκαηνο πνπ ρξεζηκνπνηήζεθε, ελψ ε ηάζε V RL,rms ηνπ σκηθνχ θνξηίνπ κεηξήζεθε κε βνιηφκεηξν. Παξαηεξνχκε, πσο ν αληηζηξνθέαο ξεχκαηνο πνπ θαηαζθεπάζηεθε, ιεηηνπξγεί ζε φιν ην θάζκα ηεο πξνδηαγεγξακκέλεο ηζρχνο ππφ πςειφ ζπληειεζηή απφδνζεο η, ν νπνίνο θζάλεη έσο θαη 91,96%. Ζ ηδηφηεηα απηή είλαη πνιχ ζεκαληηθή, εάλ αλαινγηζηνχκε φηη ε ηζρχο εμφδνπ κηαο θσηνβνιηατθήο γελλήηξηαο δελ παξακέλεη ζηαζεξή θαηά ηε δηάξθεηα κηαο εκέξαο, αιιά αληίζεηα κεηαβάιιεηαη αλάινγα κε ηε δηαθχκαλζε ηεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο. Αθνινχζσο, γηα ηα ηξία απηά επίπεδα ηζρχνο, παξνπζηάδνληαη παικνγξαθήκαηα θξίζηκσλ κεγεζψλ πνπ αθνξνχλ ζηε ιεηηνπξγία ηεο δηάηαμεο, φπσο απηά απεηθνλίζηεθαλ ζηελ νζφλε ηνπ ςεθηαθνχ παικνγξάθνπ. ηα παικνγξαθήκαηα απηά απνηππψλνληαη, γηα δηαθνξεηηθή ηηκή ηζρχνο, ε θπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ην πξσηεχνλ ηχιηγκα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή, ε θπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα πξηλ ην θίιηξν εμφδνπ, ε παικνζεηξά ειέγρνπ ηνπ εκηαγσγηθνχ δηαθφπηε ηζρχνο S 1, ε θπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα κεηά ην θίιηξν εμφδνπ, θαζψο θαη ε ηάζε ηεο σκηθήο αληίζηαζεο. Να ζεκεησζεί εδψ, φηη ην θαλάιη 1 ηνπ παικνγξάθνπ (CH1, θίηξηλν ρξψκα) είλαη ζε θιίκαθα x1 θαη ζηα παξαθάησ παικνγξαθήκαηα απεηθνλίδεη ηελ παικνζεηξά ειέγρνπ ηνπ εκηαγσγηθνχ δηαθφπηε ηζρχνο S 1. Tν θαλάιη 2 (CH2, θπαλφ ρξψκα) είλαη ζε θιίκαθα x

167 Κεθάλαιο 5 ο θαη ζε απηφ απεηθνλίδνληαη ζήκαηα ηάζεο, ελψ ε θιίκαθα ηνπ θαλαιηνχ 3 (CH3, ηψδεο ρξψκα), ζην νπνίν απεηθνλίδνληαη ζήκαηα ξεχκαηνο, είλαη x0,2. Απηφ ζεκαίλεη, πσο ηα απνηειέζκαηα πνπ θαίλνληαη ζην θαλάιη 2 ζηηο θπκαηνκνξθέο πνπ αθνινπζνχλ, αξθεί λα πνιιαπιαζηαζζνχλ επί 200 πξνθεηκέλνπ λα πξνθχςνπλ ηα νξζά, ελψ ηα απνηειέζκαηα ηνπ θαλαιηνχ 3 αξθεί λα πνιιαπιαζηαζζνχλ επί 0,2. P DC = 50W ρήκα 5.1: Κπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ην πξσηεχνλ ηχιηγκα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή γηα ηζρχ εηζφδνπ 50W (DCM)

168 Κεθάλαιο 5 ο ρήκα 5.2: Κπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα πξηλ ην θίιηξν εμφδνπ θαη ηεο ηάζεο ηεο σκηθήο αληίζηαζεο γηα ηζρχ εηζφδνπ 50W (DCM) ρήκα 5.3: Παικνζεηξά ειέγρνπ ηνπ εκηαγσγηθνχ δηαθφπηε ηζρχνο S 1 θαη ηάζε ηεο σκηθήο αληίζηαζεο γηα ηζρχ εηζφδνπ 50W (DCM)

169 Κεθάλαιο 5 ο ρήκα 5.4: Κπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα κεηά ην θίιηξν εμφδνπ θαη ηεο ηάζεο ηεο σκηθήο αληίζηαζεο γηα ηζρχ εηζφδνπ 50W (DCM) P DC = 80W ρήκα 5.5: Κπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ην πξσηεχνλ ηχιηγκα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή γηα ηζρχ εηζφδνπ 80W (DCM)

170 Κεθάλαιο 5 ο ρήκα 5.6: Κπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα πξηλ ην θίιηξν εμφδνπ θαη ηεο ηάζεο ηεο σκηθήο αληίζηαζεο γηα ηζρχ εηζφδνπ 80W (DCM) ρήκα 5.7: Παικνζεηξά ειέγρνπ ηνπ εκηαγσγηθνχ δηαθφπηε ηζρχνο S 1 θαη ηάζε ηεο σκηθήο αληίζηαζεο γηα ηζρχ εηζφδνπ 80W (DCM)

171 Κεθάλαιο 5 ο ρήκα 5.8: Κπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα κεηά ην θίιηξν εμφδνπ θαη ηεο ηάζεο ηεο σκηθήο αληίζηαζεο γηα ηζρχ εηζφδνπ 80W (DCM) P DC = 100W ρήκα 5.9: Κπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ην πξσηεχνλ ηχιηγκα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή γηα ηζρχ εηζφδνπ 100W (DCM)

172 Κεθάλαιο 5 ο ρήκα 5.10: Κπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα πξηλ ην θίιηξν εμφδνπ θαη ηεο ηάζεο ηεο σκηθήο αληίζηαζεο γηα ηζρχ εηζφδνπ 100W (DCM) ρήκα 5.11: Παικνζεηξά ειέγρνπ ηνπ εκηαγσγηθνχ δηαθφπηε ηζρχνο S 1 θαη ηάζε ηεο σκηθήο αληίζηαζεο γηα ηζρχ εηζφδνπ 100W (DCM)

173 Κεθάλαιο 5 ο ρήκα 5.12: Κπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα κεηά ην θίιηξν εμφδνπ θαη ηεο ηάζεο ηεο σκηθήο αληίζηαζεο γηα ηζρχ εηζφδνπ 100W (DCM) Λεηηνπξγία ηνπ αληηζηξνθέα παξέρνληαο ειεθηξηθή ηζρχ ζην δίθηπν Δ.Ρ. Σν ζπγθεθξηκέλν πείξακα, δηεμήρζε επίζεο γηα ηξία δηαθνξεηηθά επίπεδα ηζρχνο εηζφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα, 50W, 80W θαη 100W. ε απηήλ ηελ πεξίπησζε, ε έμνδνο ηνπ αληηζηξνθέα ζπλδέζεθε κε ην ειεθηξηθφ δίθηπν Δ.Ρ., παξέρνληαο έηζη ειεθηξηθή ηζρχ ζε απηφ. Απφ ηε ιεηηνπξγία ηνπ αληηζηξνθέα ζηα ηξία απηά επίπεδα ηζρχνο, πξνέθπςαλ ηα αθφινπζα παικνγξαθήκαηα, φπσο απεηθνλίζηεθαλ ζηελ νζφλε ηνπ ςεθηαθνχ παικνγξάθνπ. ηα παικνγξαθήκαηα απηά απνηππψλνληαη, γηα δηαθνξεηηθή ηηκή ηζρχνο, ε θπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ην πξσηεχνλ ηχιηγκα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή, ε θπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα πξηλ ην θίιηξν εμφδνπ, ε παικνζεηξά ειέγρνπ ηνπ εκηαγσγηθνχ δηαθφπηε ηζρχνο S 1, ε θπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα κεηά ην θίιηξν εμφδνπ, θαζψο θαη ε ηάζε ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ. Γηα ηελ θιίκαθα ησλ θαλαιηψλ ηνπ παικνγξάθνπ, θαζψο θαη γηα ηα ζήκαηα πνπ απηά απεηθνλίδνπλ, ηζρχνπλ απηά πνπ αλαθέξζεθαλ ζηελ πξνεγνχκελε ελφηεηα

174 Κεθάλαιο 5 ο P DC = 50W ρήκα 5.13: Κπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ην πξσηεχνλ ηχιηγκα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή γηα ηζρχ εηζφδνπ 50W (DCM, grid) ρήκα 5.14: Κπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα πξηλ ην θίιηξν εμφδνπ θαη ηεο ηάζεο ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ γηα ηζρχ εηζφδνπ 50W (DCM, grid)

175 Κεθάλαιο 5 ο ρήκα 5.15: Κπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα κεηά ην θίιηξν εμφδνπ θαη ηεο ηάζεο ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ γηα ηζρχ εηζφδνπ 50W (DCM, grid) P in = 80W ρήκα 5.16: Κπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ην πξσηεχνλ ηχιηγκα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή γηα ηζρχ εηζφδνπ 80W (DCM, grid)

176 Κεθάλαιο 5 ο ρήκα 5.17: Κπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα πξηλ ην θίιηξν εμφδνπ θαη ηεο ηάζεο ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ γηα ηζρχ εηζφδνπ 80W (DCM, grid) ρήκα 5.18: Κπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα κεηά ην θίιηξν εμφδνπ θαη ηεο ηάζεο ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ γηα ηζρχ εηζφδνπ 80W (DCM, grid)

177 Κεθάλαιο 5 ο P in = 100W ρήκα 5.19: Κπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ην πξσηεχνλ ηχιηγκα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή γηα ηζρχ εηζφδνπ 100W (DCM, grid) ρήκα 5.20: Κπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα πξηλ ην θίιηξν εμφδνπ θαη ηεο ηάζεο ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ γηα ηζρχ εηζφδνπ 100W (DCM, grid)

178 Κεθάλαιο 5 ο ρήκα 5.21: Κπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα κεηά ην θίιηξν εμφδνπ θαη ηεο ηάζεο ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ γηα ηζρχ εηζφδνπ 100W (DCM, grid) Απφ ηα παικνγξαθήκαηα πνπ πξνεγήζεθαλ, απνδεηθλχεηαη ε νξζή ιεηηνπξγία ηνπ πςίζπρλνπ αληηζηξνθέα ξεχκαηνο ηνπνινγίαο Flyback πνπ θαηαζθεπάζηεθε, θαζψο θαη ε απνηειεζκαηηθφηεηα ηεο εθαξκνδφκελεο ηερληθήο ειέγρνπ ζε έλα επξχ θάζκα ιεηηνπξγίαο ηνπ, ηφζν ζηελ πεξίπησζε ηνπ σκηθνχ θνξηίνπ, φζν θαη ζηελ πεξίπησζε ηεο παξνρήο ηζρχνο ζην ειεθηξηθφ δίθηπν Δ.Ρ. Απφ ηελ πξνζεθηηθή κειέηε ησλ ζρεκάησλ πνπ παξαηέζεθαλ πην πάλσ, παξαηεξνχληαη θάπνηα δηαζηήκαηα κεδεληζκνχ ηεο ηάζεο (ζηελ πεξίπησζε ηνπ σκηθνχ θνξηίνπ) θαη ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα, ηφζν ζηελ έλαξμε φζν θαη ζηε ιήμε θάζε εκηπεξηφδνπ ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ Δ.Ρ. Σν γεγνλφο απηφ, νθείιεηαη ζηελ αδπλακία ηνπ νινθιεξσκέλνπ πνπ ρξεζηκνπνηήζεθε γηα ηε δηακφξθσζε P.W.M. (δειαδή ηνπ LM3524), λα απνθξηζεί ζε κηθξέο ηηκέο ηνπ ζήκαηνο αλαθνξάο (αθξνδέθηεο 9 ηνπ LM3524, ρήκα 2.10). Βέβαηα, αλ θαη ζε κία πηζαλή βηνκεραλνπνίεζε ηνπ θπθιψκαηνο ειέγρνπ ζα κπνξνχζε λα γίλεη ρξήζε κηθξνεπεμεξγαζηή, ράξε ζηελ αθξίβεηα ηνπ νπνίνπ ζα πεξηνξίδνληαλ ηα πξνβιήκαηα απηά, ζηελ θαηαζθεπή ηεο ζπγθεθξηκέλεο πεηξακαηηθήο δηάηαμεο, πξνηηκήζεθε ην ζπγθεθξηκέλν νινθιεξσκέλν, αθνχ απνηειεί κία επξέσο

179 Κεθάλαιο 5 ο δηαδεδνκέλε θαη ρακεινχ θφζηνπο ιχζε γηα γεληθά θπθιψκαηα ειέγρνπ ζηα νπνία απαηηείηαη δηακφξθσζε ηνπ εχξνπο ησλ παικψλ (P.W.M.). Δπηπξνζζέησο, νη θπκαηνκνξθέο ηνπ ξεχκαηνο ζε νξηζκέλα απφ ηα ζρήκαηα πνπ παξνπζηάζηεθαλ εκθαλίδνληαη αιινησκέλεο, φπσο γηα παξάδεηγκα απηέο ησλ ρεκάησλ 5.2, 5.6, 5.10, 5.14, 5.17 θαη Σν γεγνλφο απηφ, νθείιεηαη ζηε δεηγκαηνιεςία (sampling) ησλ ζεκάησλ απηψλ απφ ηνλ ςεθηαθφ παικνγξάθν. Σέινο, ην «πιάησκα» πνπ παξνπζηάδεη ε θπκαηνκνξθή ηεο ηάζεο ηνπ σκηθνχ θνξηίνπ (π.ρ. ρήκα 5.7), θαζψο θαη ε αιινησκέλε θπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα κεηά ην θίιηξν εμφδνπ ζηα ρήκαηα 5.15 θαη 5.21, νθείιεηαη ζε πηζαλφ θνξεζκφ ηνπ κεηαζρεκαηηζηή ηνπ αληηζηξνθέα. 5.3 Μεηπήζειρ και πειπαμαηικά αποηελέζμαηα από ηη λειηοςπγία ηος ανηιζηποθέα πεύμαηορ ζηο όπιο μεηαξύ ζςνεσούρ και αζςνεσούρ αγυγήρ Ζ ιεηηνπξγία ηνπ αληηζηξνθέα ξεχκαηνο ζην φξην κεηαμχ ζπλερνχο θαη αζπλερνχο αγσγήο (BCM), ρσξίζηεθε θαη ζε απηήλ ηελ πεξίπησζε ζε δχν ζθέιε. Σν πξψην ζθέινο, αθνξά ζηε ιεηηνπξγία ηνπ αληηζηξνθέα κε θνξηίν εμφδνπ κία σκηθή αληίζηαζε. πλεπψο, ν αληηζηξνθέαο παξέρεη ελαιιαζζφκελν εκηηνλνεηδέο ξεχκα θαη ζπλεπψο ειεθηξηθή ηζρχ ζηελ σκηθή αληίζηαζε - θνξηίν. Σν δεχηεξν ζθέινο, αθνξά ζηε ιεηηνπξγία ηνπ αληηζηξνθέα, ε έμνδνο ηνπ νπνίνπ έρεη ζπλδεζεί κε ην ειεθηξηθφ δίθηπν Δ.Ρ., παξέρνληαο κε απηφλ ηνλ ηξφπν ειεθηξηθή ηζρχ ζε απηφ. Να ζεκεησζεί θαη εδψ, πσο γηα ηηο πεηξακαηηθέο κεηξήζεηο ρξεζηκνπνηήζεθε, αληί θσηνβνιηατθνχ πιαηζίνπ, ηξνθνδνηηθφ ζπλερνχο ηάζεο V DC = 50V, ελψ ην ειεθηξηθφ δίθηπν ζην νπνίν ζπλδέζεθε ν αληηζηξνθέαο είρε νλνκαζηηθή ηηκή ηάζεο 220V rms θαη ζπρλφηεηα 50Hz. Σέινο, ε σκηθή αληίζηαζε πνπ ρξεζηκνπνηήζεθε σο θνξηίν, είρε ηηκή R L = 250Ω Λεηηνπξγία ηνπ αληηζηξνθέα κε σκηθή αληίζηαζε σο θνξηίν εμφδνπ Σν ζπγθεθξηκέλν πείξακα δηεμήρζε, γηα ηξία δηαθνξεηηθά επίπεδα ηζρχνο εηζφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα, 100W, 150W θαη 200W. Απφ ηε ιεηηνπξγία ηνπ αληηζηξνθέα ζε απηά ηα επίπεδα ηζρχνο θαη κε R L = 250Ω, πξνέθπςαλ νη αθφινπζεο πεηξακαηηθέο κεηξήζεηο

180 P DC (V DC I DC,avg ) I DC,avg V RL,rms P out (V RL,rms 2 /R L ) η (P out /P DC ) Κεθάλαιο 5 ο 100 W 2 A 153,5 V 94,25 W 94,25 % 150 W 3 A 184,5 V 136,16 W 90,77 % 200 W 4 A 206,7 V 170,90 W 85,45 % Ζ κέηξεζε ηνπ ξεχκαηνο I DC,avg έγηλε κε ην ελζσκαησκέλν ακπεξφκεηξν ηνπ ηξνθνδνηηθνχ ζπλερνχο ξεχκαηνο πνπ ρξεζηκνπνηήζεθε, ελψ ε ηάζε V RL,rms ηνπ σκηθνχ θνξηίνπ κεηξήζεθε κε βνιηφκεηξν. Παξαηεξνχκε, πσο ν αληηζηξνθέαο ξεχκαηνο πνπ θαηαζθεπάζηεθε ιεηηνπξγεί ζε φιν ην θάζκα ηεο πξνδηαγεγξακκέλεο ηζρχνο ππφ πςειφ ζπληειεζηή απφδνζεο η, ν νπνίνο θζάλεη έσο θαη 94,25%. Ζ ηδηφηεηα απηή είλαη πνιχ ζεκαληηθή, εάλ αλαινγηζηνχκε φηη ε ηζρχο εμφδνπ κηαο θσηνβνιηατθήο γελλήηξηαο δελ παξακέλεη ζηαζεξή θαηά ηε δηάξθεηα κηαο εκέξαο, αιιά αληίζεηα κεηαβάιιεηαη αλάινγα κε ηε δηαθχκαλζε ηεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο. Αθνινχζσο, γηα ηα ηξία απηά επίπεδα ηζρχνο, παξνπζηάδνληαη παικνγξαθήκαηα θξίζηκσλ κεγεζψλ πνπ αθνξνχλ ζηε ιεηηνπξγία ηεο δηάηαμεο, φπσο απηά απεηθνλίζηεθαλ ζηελ νζφλε ηνπ ςεθηαθνχ παικνγξάθνπ. ηα παικνγξαθήκαηα απηά απνηππψλνληαη, γηα δηαθνξεηηθή ηηκή ηζρχνο, ε θπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ην πξσηεχνλ ηχιηγκα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή, ε θπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα πξηλ ην θίιηξν εμφδνπ, ε παικνζεηξά ειέγρνπ ηνπ εκηαγσγηθνχ δηαθφπηε ηζρχνο S 1, ε θπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα κεηά ην θίιηξν εμφδνπ, θαζψο θαη ε ηάζε ηεο σκηθήο αληίζηαζεο. Να ζεκεησζεί φηη θαη εδψ, ην θαλάιη 1 ηνπ παικνγξάθνπ (CH1, θίηξηλν ρξψκα) είλαη ζε θιίκαθα x1 θαη ζηα παξαθάησ παικνγξαθήκαηα απεηθνλίδεη ηε παικνζεηξά ειέγρνπ ηνπ εκηαγσγηθνχ δηαθφπηε ηζρχνο S 1. Σν θαλάιη 2 (CH2, θπαλφ ρξψκα) είλαη ζε θιίκαθα x200 θαη ζε απηφ απεηθνλίδνληαη ζήκαηα ηάζεο, ελψ ε θιίκαθα ηνπ θαλαιηνχ 3 (CH3, ηψδεο ρξψκα), ζην νπνίν απεηθνλίδνληαη ζήκαηα ξεχκαηνο, είλαη x5. Απηφ ζεκαίλεη, πσο ηα απνηειέζκαηα πνπ θαίλνληαη ζην θαλάιη 2 ζηηο παξαθάησ θπκαηνκνξθέο, αξθεί λα πνιιαπιαζηαζζνχλ επί 200 πξνθεηκέλνπ λα πξνθχςνπλ ηα νξζά, ελψ ηα απνηειέζκαηα ηνπ θαλαιηνχ 3 αξθεί λα πνιιαπιαζηαζζνχλ επί

181 Κεθάλαιο 5 ο P DC = 100W ρήκα 5.22: Κπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ην πξσηεχνλ ηχιηγκα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή γηα ηζρχ εηζφδνπ 100W (BCM) ρήκα 5.23: Κπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα πξηλ ην θίιηξν εμφδνπ θαη ηεο ηάζεο ηεο σκηθήο αληίζηαζεο γηα ηζρχ εηζφδνπ 100W (BCM)

182 Κεθάλαιο 5 ο ρήκα 5.24: Παικνζεηξά ειέγρνπ ηνπ εκηαγσγηθνχ δηαθφπηε ηζρχνο S 1 θαη ηάζε ηεο σκηθήο αληίζηαζεο γηα ηζρχ εηζφδνπ 100W (BCM) ρήκα 5.25: Κπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα κεηά ην θίιηξν εμφδνπ θαη ηεο ηάζεο ηεο σκηθήο αληίζηαζεο γηα ηζρχ εηζφδνπ 100W (BCM)

183 Κεθάλαιο 5 ο P DC = 150W ρήκα 5.26: Κπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ην πξσηεχνλ ηχιηγκα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή γηα ηζρχ εηζφδνπ 150W (BCM) ρήκα 5.27: Κπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα πξηλ ην θίιηξν εμφδνπ θαη ηεο ηάζεο ηεο σκηθήο αληίζηαζεο γηα ηζρχ εηζφδνπ 150W (BCM)

184 Κεθάλαιο 5 ο ρήκα 5.28: Παικνζεηξά ειέγρνπ ηνπ εκηαγσγηθνχ δηαθφπηε ηζρχνο S 1 θαη ηάζε ηεο σκηθήο αληίζηαζεο γηα ηζρχ εηζφδνπ 150W (BCM) ρήκα 5.29: Κπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα κεηά ην θίιηξν εμφδνπ θαη ηεο ηάζεο ηεο σκηθήο αληίζηαζεο γηα ηζρχ εηζφδνπ 150W (BCM)

185 Κεθάλαιο 5 ο P DC = 200W ρήκα 5.30: Κπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ην πξσηεχνλ ηχιηγκα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή γηα ηζρχ εηζφδνπ 200W (BCM) ρήκα 5.31: Κπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα πξηλ ην θίιηξν εμφδνπ θαη ηεο ηάζεο ηεο σκηθήο αληίζηαζεο γηα ηζρχ εηζφδνπ 200W (BCM)

186 Κεθάλαιο 5 ο ρήκα 5.32: Παικνζεηξά ειέγρνπ ηνπ εκηαγσγηθνχ δηαθφπηε ηζρχνο S 1 θαη ηάζε ηεο σκηθήο αληίζηαζεο γηα ηζρχ εηζφδνπ 200W (BCM) ρήκα 5.33: Κπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα κεηά ην θίιηξν εμφδνπ θαη ηεο ηάζεο ηεο σκηθήο αληίζηαζεο γηα ηζρχ εηζφδνπ 200W (BCM)

187 Κεθάλαιο 5 ο Αθνινχζσο, ζην ρήκα 5.34, παξαηίζεληαη ζε κεγέζπλζε ε θπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ην πξσηεχνλ ηχιηγκα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή ηνπ αληηζηξνθέα θαη ε παικνζεηξά ειέγρνπ ηνπ εκηαγσγηθνχ δηαθφπηε ηζρχνο S 1. Φαίλεηαη, πσο ην θχθισκα ειέγρνπ πνπ ζρεδηάζηεθε θαη θαηαζθεπάζηεθε ιεηηνπξγεί απνηειεζκαηηθά, αθνχ ε εθαξκνγή ελφο παικνχ ζην δηαθφπηε S 1 νδεγεί ζηε γξακκηθή θφξηηζε ηνπ κεηαζρεκαηηζηή. ρήκα 5.34: Κπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ην πξσηεχνλ ηχιηγκα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή ηνπ αληηζηξνθέα θαη ηεο παικνζεηξάο ειέγρνπ ηνπ εκηαγσγηθνχ δηαθφπηε ηζρχνο S 1 ζε κεγέζπλζε (BCM) Δπηπξνζζέησο, ζην ρήκα 5.35, θαίλεηαη, επίζεο ζε κεγέζπλζε, ην ξεχκα πνπ δηαξξέεη ην (ελεξγφ) δεπηεξεχνλ ηχιηγκα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή ηνπ αληηζηξνθέα θαη ε παικνζεηξά ειέγρνπ ηνπ εκηαγσγηθνχ δηαθφπηε ηζρχνο S 1. Παξαηεξνχκε, πσο ηε ζηηγκή πνπ ην ξεχκα πνπ δηαξξέεη ην (ελεξγφ) δεπηεξεχνλ ηχιηγκα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή κεδελίδεηαη, έπεηηα απφ έλα κηθξφ ρξνληθφ δηάζηεκα, έλαο λένο παικφο ειέγρνπ ηνπ δηαθφπηε S 1 εθθηλεί. Σν κηθξφ απηφ ρξνληθφ δηάζηεκα νθείιεηαη ζε θαηλφκελα ειεθηξνκαγλεηηθήο παξεκβνιήο (EMI), ηα νπνία πξνθαινχληαη θαηά ηε ιεηηνπξγία ηνπ αληηζηξνθέα, ιφγσ ησλ πςίζπρλσλ δηαθνπηηθψλ ξεπκάησλ θαη επεξεάδνπλ έληνλα ηε ιεηηνπξγία ηνπ θπθιψκαηνο ειέγρνπ ηεο δηάηαμεο

188 Κεθάλαιο 5 ο ρήκα 5.35: Κπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ην (ελεξγφ) δεπηεξεχνλ ηχιηγκα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή θαη ηεο παικνζεηξάο ειέγρνπ ηνπ εκηαγσγηθνχ δηαθφπηε ηζρχνο S 1 ζε κεγέζπλζε (BCM) Λεηηνπξγία ηνπ αληηζηξνθέα παξέρνληαο ειεθηξηθή ηζρχ ζην δίθηπν Δ.Ρ. Σν ζπγθεθξηκέλν πείξακα, δηεμήρζε επίζεο γηα ηξία δηαθνξεηηθά επίπεδα ηζρχνο εηζφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα, 100W, 150W θαη 200W. ε απηήλ ηελ πεξίπησζε, ε έμνδνο ηνπ αληηζηξνθέα έρεη ζπλδεζεί κε ην ειεθηξηθφ δίθηπν Δ.Ρ., παξέρνληαο έηζη ειεθηξηθή ηζρχ ζε απηφ. Απφ ηε ιεηηνπξγία ηνπ αληηζηξνθέα ζηα ηξία απηά επίπεδα ηζρχνο, πξνθχπηνπλ ηα αθφινπζα παικνγξαθήκαηα, φπσο απεηθνλίζηεθαλ ζηελ νζφλε ηνπ ςεθηαθνχ παικνγξάθνπ. Γηα ηελ θιίκαθα ησλ θαλαιηψλ ηνπ παικνγξάθνπ, θαζψο θαη γηα ηα ζήκαηα πνπ απηά απεηθνλίδνπλ, ηζρχνπλ απηά πνπ αλαθέξζεθαλ ζηελ πξνεγνχκελε ελφηεηα

189 Κεθάλαιο 5 ο P in = 100W ρήκα 5.36: Κπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ην πξσηεχνλ ηχιηγκα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή γηα ηζρχ εηζφδνπ 100W (BCM, grid) ρήκα 5.37: Κπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα πξηλ ην θίιηξν εμφδνπ θαη ηεο ηάζεο ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ γηα ηζρχ εηζφδνπ 100W (BCM, grid)

190 Κεθάλαιο 5 ο ρήκα 5.38: Κπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα κεηά ην θίιηξν εμφδνπ θαη ηεο ηάζεο ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ γηα ηζρχ εηζφδνπ 100W (BCM, grid) P in = 150W ρήκα 5.39: Κπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ην πξσηεχνλ ηχιηγκα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή γηα ηζρχ εηζφδνπ 150W (BCM, grid)

191 Κεθάλαιο 5 ο ρήκα 5.40: Κπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα πξηλ ην θίιηξν εμφδνπ θαη ηεο ηάζεο ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ γηα ηζρχ εηζφδνπ 150W (BCM, grid) ρήκα 5.41: Κπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα κεηά ην θίιηξν εμφδνπ θαη ηεο ηάζεο ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ γηα ηζρχ εηζφδνπ 150W (BCM, grid)

192 Κεθάλαιο 5 ο P in = 200W ρήκα 5.42: Κπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ην πξσηεχνλ ηχιηγκα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή γηα ηζρχ εηζφδνπ 200W (BCM, grid) ρήκα 5.43: Κπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα πξηλ ην θίιηξν εμφδνπ θαη ηεο ηάζεο ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ γηα ηζρχ εηζφδνπ 200W (BCM, grid)

193 Κεθάλαιο 5 ο ρήκα 5.44: Κπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα κεηά ην θίιηξν εμφδνπ θαη ηεο ηάζεο ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ γηα ηζρχ εηζφδνπ 200W (BCM, grid) Απφ ηα παικνγξαθήκαηα πνπ πξνεγήζεθαλ, απνδεηθλχεηαη θαη εδψ ε νξζή ιεηηνπξγία ηνπ πςίζπρλνπ αληηζηξνθέα ξεχκαηνο ηνπνινγίαο Flyback πνπ θαηαζθεπάζηεθε, θαζψο θαη ε απνηειεζκαηηθφηεηα ηεο εθαξκνδφκελεο ηερληθήο ειέγρνπ ζε έλα επξχ θάζκα ιεηηνπξγίαο ηνπ, ηφζν ζηελ πεξίπησζε ηνπ σκηθνχ θνξηίνπ φζν θαη ζηελ πεξίπησζε ηεο παξνρήο ηζρχνο ζην ειεθηξηθφ δίθηπν Δ.Ρ. Απφ ηελ πξνζεθηηθή κειέηε ησλ ζρεκάησλ πνπ παξαηέζεθαλ πην πάλσ, παξαηεξνχληαη θάπνηα δηαζηήκαηα κεδεληζκνχ ηεο ηάζεο (ζηελ πεξίπησζε ηνπ σκηθνχ θνξηίνπ) θαη ηνπ ξεχκαηνο ηνπ αληηζηξνθέα, ηφζν ζηελ έλαξμε φζν θαη ζηε ιήμε θάζε εκηπεξηφδνπ ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ Δ.Ρ. Σν γεγνλφο απηφ, νθείιεηαη ζηε δίνδν Zener πνπ ρξεζηκνπνηήζεθε ζην θχθισκα ειέγρνπ (ρήκα 3.9). Σέινο, ε κνξθή ηεο ηάζεο ηνπ σκηθνχ θνξηίνπ πνπ θαίλεηαη ζηα ρήκαηα 5.31, 5.32 θαη 5.33, είλαη ειαθξψο αιινησκέλε εμαηηίαο ηεο ειεθηξνκαγλεηηθήο παξεκβνιήο (ΔΜΗ) πνπ πξνθαιεί ε ιεηηνπξγία ηνπ αληηζηξνθέα

194 Κεθάλαιο 5 ο 5.4 Φυηογπαθικό ςλικού από ηην καηαζκεςή ηος ανηιζηποθέα πεύμαηορ ηε ζπγθεθξηκέλε ελφηεηα, παξνπζηάδεηαη κία ζεηξά απφ θσηνγξαθίεο, ζηηο νπνίεο απεηθνλίδνληαη ηα δνκηθά ζηνηρεία (θπθιψκαηα ηζρχνο θαη ειέγρνπ, θαισδηψζεηο θ.ιπ.) ηεο φιεο θαηαζθεπήο ηνπ πςίζπρλνπ αληηζηξνθέα ξεχκαηνο ηνπνινγίαο Flyback. ρήκα 5.45: Κχθισκα ηζρχνο ηνπ πςίζπρλνπ αληηζηξνθέα ξεχκαηνο ηνπνινγίαο Flyback

195 Κεθάλαιο 5 ο ρήκα 5.46: Κχθισκα ειέγρνπ ηνπ «ελεξγνχ» δεπηεξεχνληνο ηπιίγκαηνο ηνπ κεηαζρεκαηηζηή ηνπ αληηζηξνθέα ξεχκαηνο ρήκα 5.47: Κχθισκα ειέγρνπ γηα ηε ιεηηνπξγία ηνπ αληηζηξνθέα ξεχκαηνο ζηελ πεξηνρή ηεο αζπλερνχο αγσγήο (DCM)

196 Κεθάλαιο 5 ο ρήκα 5.48: Κχθισκα ειέγρνπ γηα ηε ιεηηνπξγία ηνπ αληηζηξνθέα ξεχκαηνο ζην φξην κεηαμχ ζπλερνχο θαη αζπλερνχο αγσγήο (BCM) ρήκα 5.49: Φίιηξν εμφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα ξεχκαηνο

197 Κεθάλαιο 5 ο ρήκα 5.50: Σειηθή δηάηαμε θαη δηεμαγσγή ηνπ πεηξάκαηνο 5.5 ςμπεπάζμαηα και πποοπηικέρ ηελ παξνχζα δηπισκαηηθή εξγαζία, κειεηήζεθε ε ζπλεηζθνξά ησλ κηθξψλ θσηνβνιηατθψλ ζπζηεκάησλ, πνπ κπνξνχλ λα εγθαηαζηαζνχλ ηφζν ζε θαηνηθίεο φζν θαη ζε εκπνξηθά ή δεκφζηα θηίξηα, ζηελ ελεξγεηαθή ελίζρπζε ελφο πζηήκαηνο Ζιεθηξηθήο Δλέξγεηαο (.Ζ.Δ.). Ζ ρξεζηκνπνίεζε ησλ Α.Π.Δ. θαη ηδηαίηεξα ησλ Φ/Β ζπζηεκάησλ, κε ηε κνξθή κηθξψλ κνλάδσλ δηεζπαξκέλεο παξαγσγήο, επηθέξεη ζεκαληηθά πιενλεθηήκαηα πνπ αθνξνχλ ζηελ ελεξγεηαθή ζσξάθηζε ελφο.ζ.δ., φπσο κείσζε ησλ απσιεηψλ, εμνηθνλφκεζε ελέξγεηαο, θαζψο θαη εμνκάιπλζε ηεο ειεθηξηθήο δήηεζεο ησλ κεγάισλ αζηηθψλ θέληξσλ, κε ηε κεξηθή ή νιηθή ηξνθνδφηεζε ηνπηθψλ θνξηίσλ. Βέβαηα, ε ελζσκάησζε Φ/Β ζπζηεκάησλ

198 Κεθάλαιο 5 ο δηεζπαξκέλεο παξαγσγήο, νθείιεη λα κελ επεξεάζεη ηελ αμηνπηζηία ηνπ.ζ.δ., θαζψο θαη ηελ πνηφηεηα ηζρχνο ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ. Αθνινχζσο, εμεηάζηεθε ε ιεηηνπξγία κηαο λέαο ηνπνινγίαο, ζπγθεθξηκέλα ελφο πςίζπρλνπ αληηζηξνθέα ξεχκαηνο ηνπνινγίαο Flyback, γηα ηε δηαζχλδεζε θσηνβνιηατθψλ γελλεηξηψλ, κηθξήο ηζρχνο, κε ην ειεθηξηθφ δίθηπν ησλ αζηηθψλ πεξηνρψλ. Ο ζπγθεθξηκέλνο αληηζηξνθέαο είλαη θαηάιιεινο γηα εθαξκνγέο «Φσηνβνιηατθψλ Πιαηζίσλ Δλαιιαζζφκελνπ Ρεχκαηνο» (AC-PV Modules), ιφγσ ηνπ κηθξνχ βαζκνχ πνιππινθφηεηαο ηνπ θπθιψκαηνο ηζρχνο ηνπ, ηεο γαιβαληθήο απνκφλσζεο πνπ παξέρεη αλάκεζα ζηε θσηνβνιηατθή γελλήηξηα θαη ην ειεθηξηθφ δίθηπν Δ.Ρ., ηεο πςειήο ηθαλφηεηαο αλχςσζεο ηεο ηάζεο εηζφδνπ ηνπ, θαζψο θαη ηνπ κηθξνχ φγθνπ θαη βάξνπο πνπ δηαζέηεη ζε πεξίπησζε βηνκεραλνπνίεζήο ηνπ. Οη ηδηφηεηεο απηέο είλαη πνιχ ζεκαληηθέο, εάλ αλαινγηζηνχκε ηηο εθαξκνγέο γηα ηηο νπνίεο πξννξίδεηαη (ελζσκάησζε ζε θσηνβνιηατθέο γελλήηξηεο πνπ ζα ηνπνζεηεζνχλ ζε φςεηο ή νξνθέο θηηξίσλ). Ο πςειφο ζπληειεζηήο ηζρχνο, ν πςειφο βαζκφο απφδνζεο (~94,25%) γηα έλα επξχ θάζκα παξαγφκελεο ηζρχνο θαη ν κηθξφο αξηζκφο ζηνηρείσλ ζε ζρέζε κε άιιεο δηαηάμεηο ηνπ εκπνξίνπ, είλαη επηπξφζζεηα ραξαθηεξηζηηθά ηεο ζπγθεθξηκέλεο ηνπνινγίαο. Γηα ηε δηάηαμε απηή, δηεξεπλήζεθαλ δχν δηαθνξεηηθέο ηερληθέο ειέγρνπ, νη νπνίεο νδεγνχλ ζε δηαθνξεηηθέο θαηαζηάζεηο ιεηηνπξγίαο (αζπλερήο αγσγή - DCM, φξην κεηαμχ ζπλερνχο θαη αζπλερνχο αγσγήο - BCM), ελψ ειέγρζεθε ε θαηαιιειφηεηά ηνπο γηα δηαθνξεηηθά επίπεδα ηζρχνο εμφδνπ ηεο θσηνβνιηατθήο γελλήηξηαο. Αθνινχζεζε ε πεηξακαηηθή δηεξεχλεζε ηεο ιεηηνπξγίαο ηνπ αληηζηξνθέα, κε ζηφρν ηελ επηβεβαίσζε ησλ ζπκπεξαζκάησλ πνπ πξνήιζαλ απφ ηε ζεσξεηηθή αλάιπζε. Γηαπηζηψζεθε ε νξζή ιεηηνπξγία ηνπ πςίζπρλνπ αληηζηξνθέα ξεχκαηνο ηνπνινγίαο Flyback πνπ θαηαζθεπάζηεθε, θαζψο θαη ε απνηειεζκαηηθφηεηα ηεο εθαξκνδφκελεο ηερληθήο ειέγρνπ ζε έλα επξχ θάζκα ιεηηνπξγίαο ηνπ, ηφζν ζηελ πεξίπησζε ηνπ σκηθνχ θνξηίνπ, φζν θαη ζηελ πεξίπησζε ηεο παξνρήο ηζρχνο ζην ειεθηξηθφ δίθηπν Δ.Ρ. Ο αληηζηξνθέαο πνπ θαηαζθεπάζηεθε παξάγεη ελαιιαζζφκελν εκηηνλνεηδέο ξεχκα, ίδηαο ζπρλφηεηαο θαη ζπκθαζηθφ κε ηελ ηάζε ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ, ελψ ιεηηνπξγεί ζε φιν ην θάζκα ηεο πξνδηαγεγξακκέλεο ηζρχνο ππφ πςειφ ζπληειεζηή απφδνζεο, ν νπνίνο αγγίδεη ην 94,25%. Ζ ηδηφηεηα απηή είλαη ηδηαίηεξα ζεκαληηθή, θαζψο ε ηζρχο εμφδνπ κηαο θσηνβνιηατθήο γελλήηξηαο δελ παξακέλεη ζηαζεξή θαηά ηε δηάξθεηα κηαο εκέξαο, αιιά αληίζεηα κεηαβάιιεηαη αλάινγα κε ηε δηαθχκαλζε ηεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο

199 Κεθάλαιο 5 ο Να ζεκεησζεί ζην ζεκείν απηφ, πσο ε έληνλε ειεθηξνκαγλεηηθή παξεκβνιή (ΔΜΗ) πνπ πξνθαιείηαη απφ ηε ιεηηνπξγία ηνπ αληηζηξνθέα, επεξεάδεη έληνλα ηα αλαινγηθά θπθιψκαηα ειέγρνπ ηεο δηάηαμεο, ηα νπνία δηαρεηξίδνληαη αζζελή ζήκαηα. Σν θαηλφκελν απηφ κπνξεί λα κεηξηαζζεί κε ηε ρξήζε κηθξνεπεμεξγαζηή (ςεθηνπνίεζε ηνπ θπθιψκαηνο ειέγρνπ), θαζψο θαη κε θαηάιιειεο κεζφδνπο ζσξάθηζεο, ζε κία πηζαλή βηνκεραλνπνίεζε ηνπ αληηζηξνθέα. Σφηε, ε αξκνληθή παξακφξθσζε ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα ζα βειηησζεί ζεκαληηθά

200

201 Βιβλιογπαθία ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] Θσκάο Εαραξίαο, «Ήπηεο Μνξθέο Δλέξγεηαο Η», Πάηξα, [2] Αλαζηάζηνο Υ. Κπξίηζεο, «Βέιηηζηνο ρεδηαζκφο Τςίζπρλνπ Μνλνθαζηθνχ Αληηζηξνθέα γηα ηε Γηαζχλδεζε Φσηνβνιηατθψλ πζηεκάησλ Μηθξήο Ηζρχνο κε ην Γίθηπν Υακειήο Σάζεο», Γηδαθηνξηθή Γηαηξηβή, Παλεπηζηήκην Παηξψλ, Σκήκα Ζιεθηξνιφγσλ Μεραληθψλ θαη Σερλνινγίαο Τπνινγηζηψλ, Ηαλνπάξηνο 2009, No [3] Θσκάο Εαραξίαο, «Ήπηεο Μνξθέο Δλέξγεηαο ΗΗ», Πάηξα, [4] «Planning and Installing Photovoltaic Systems: A guide for installers, architects and engineers», Second Edition, Earthscan Publishing Company. [5] Η. Κνµπνχγηαο, Α. Κπξίηζεο, Α. Ναλάθνο, Δ. Σαηάθεο: «χγρξνλεο εμειίμεηο ζε θσηνβνιηατθά ζπζηήκαηα γηα δηεζπαξκέλε παξαγσγή ειεθηξηθήο ελέξγεηαο», Γηήκεξν ΣEΔ: Ζιεθηξνληθά Ηζρχνο, πζηήκαηα Ζιεθηξηθήο Κίλεζεο θαη Βηνκεραληθέο Δθαξκνγέο, Αζήλα, Διιάδα, 5-6 Απξηιίνπ [6] Δ. Σαηάθεο (Δπηζηεκνληθφο Τπεχζπλνο), Α. Κπξίηζεο, Η. Κνκπνχγηαο, Α. Ναλάθνο, Έθζεζε Δλδηάκεζεο Φάζεο Πξνφδνπ ηνπ εξεπλεηηθνχ Πξνγξάκκαηνο ΠΔΝΔΓ κε θσδηθφ 03ΔΓ440, «Σερλννηθνλνκηθή ζχγθξηζε θαη αλάπηπμε βέιηηζησλ πςίζπρλσλ κνλνθαζηθψλ κεηαηξνπέσλ, ελζσκαησκέλσλ ζε θσηνβνιηατθά πιαίζηα θξπζηαιιηθνχ ππξηηίνπ, γηα άκεζε δηαζχλδεζε κε ην δίθηπν ειεθηξηθήο ελέξγεηαο», Απξίιηνο [7] Υαηδεαξγπξίνπ Νίθνο: «πκβνιή ηεο Γηεζπαξκέλεο Παξαγσγήο ζηελ Δμνηθνλφκεζε Δλέξγεηαο», πξαθηηθά Ζκεξίδαο κε ζέκα «Δμνηθνλφκεζε Δλέξγεηαο», Αζήλα, 3 Ννεκβξίνπ, 2006, ζειίδεο [8] N. Hatziargyriou, N. Jenkins, G. Strbac, J. A. Pecas Lopez, J. Ruela, A. Engler, J. Oyarzabal, G. Kariniotakis, A. Amorin: Microgrids - Large Scale Integration of Microgeneration to Low Voltage Grids, Cigre 2006 Technical Exhibition, 28 August - 1 September, Paris (France). [9] B. Liu, S. Duan, T. Cai, Photovoltaic DC-Building-Module-Based BIPV System - Concept and Design Considerations, Transactions on Power Electronics, Vol. 26, No. 5, pp , May

202 Βιβλιογπαθία [10] N. D. Hatziargyriou, A. P. Sakis Meliopoulos: Distributed Energy Sources: Technical Challenges, IEEE Power Engineering Society Winter Meeting, January 2002, Vol. 2, pp [11] T. Esram, P. L. Chapman: Comparison of Photovoltaic Array Maximum Power Point Tracking Techniques, IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 22, No. 7, pp , June [12] Janu K. Mathew, Joseph Kuitche, Govindasamy TamizhMani: Test-to-Failure of PV Modules: Hotspot Testing, Arizona State University, TUV Rheinland, PTL Arizona, United States, [13] Kasa, T. Iida: Flyback type inverter for small scale photovoltaic power system, IECON 02, 5-8 November 2002, pp [14] T. Shimizu, K. Wada, N. Nakamura: A flyback-type single phase utility interactive inverter with low-frequency ripple current reduction on the DC input for an AC photovoltaic module system, IEEE 33 th Power Electronics Specialists Conference, PESC 02, June 2002, pp [15] N. Papanikolaou, E. Tatakis, A. Ciritsis, D. Klimis: Simplified high frequency converters in decentralized grid-connected PV systems: a novel low-cost solution, 9 th European Conference on Power Electronics and Applications, EPE Toulouse (France), September, 2003, paper on CD, Nr [16] Lin Sun, Yongchun Liang, Chunying Gong, Yangguang Yan: Research on Single- Stage Flyback Inverter, IEEE PESC 05, Brazil, June, 2005, pp [17] N. Kasa, T. Iida, A. Bhat: Zero-Voltage Transition Flyback Inverter for Small Scale Photovoltaic Power System, IEEE 36 th Power Electronics Specialists Conference, PESC 05, pp [18] N. Kasa, T. Iida, L. Chen: Flyback Inverter Controlled by Sensorless Current MPPT for Photovoltaic Power Systems, IEEE Trans. on Industrial Electronics, Vol. 52, No. 4, pp , August [19] T. Shimizu, K. Wada, N. Nakamura: Flyback-Type Single-Phase Utility Interactive Inverter with Power Pulsation Decoupling on the DC Input for an AC Photovoltaic Module System, IEEE Trans. on Power Electronics, Vol. 21, No. 5, September

203 Βιβλιογπαθία [20] S. Chandhaket, Y. Konishi, K. Ogura, E. Hiraki, M. Nakaoka: A Sinusoidal Pulse Width Modulated Inverter Using Three Winding High-Frequency Flyback Transformer for PV Power Conditioner, IEEE 34 th Power Electronics Specialists Conference, PESC 03, pp [21] G. H. Tan, J. Z. Wang and Y. C. Ji: Soft-switching flyback inverter with enhanced power decoupling for photovoltaic applications, IET Electric Power Applications, Vol. 1, No. 2, March 2007, pp [22] S. B. Kjaer, F. Blaabjerg: Design Optimization of a Single Phase Inverter for Photovoltaic Applications, IEEE 33 th Power Electronics Specialists Conference, PESC 03, Acapulco (Mexico), June, 2003, pp [23] Y. Konishi, S. Chandhaket, K. Ogura, A. Nakaoka: Utility-interactive high-frequency flyback transformer linked solar power conditioner for renewal energy utilizations, 4 th IEEE International Conference on Power Electronics and Drive Systems, October, pp [24] L. Sun, Y. Liang, C. Gong, Y. Yan: Research on Single-Stage Flyback Inverter, IEEE 36 th Power Electronics Specialists Conference, PESC 05, pp [25] G. Chunying, S. Lin, L. Yongchun, W. Huizhen, Y. Yangguang: Research on the Control Strategies of Single-Stage Flyback Inverter, IEEE 37 th Power Electronics Specialists Conference, PESC 06, pp [26] A. Fernandez, J. Sebastian, M. Hernando, M. Arias, G. Perez: Single Stage Inverter for a Direct AC Connection of a Photovoltaic Cell Module, IEEE 37 th Power Electronics Specialists Conference, PESC 06, pp [27] M. Nagao and K. Harada: Power flow of photovoltaic system using buck-boost PWM power inverter, IEEE PEDS 97, Singapore, May, 1997, pp [28] Y. Xue, L. Chang, S. B. Kjaer, J. Bordonau, T. Shimizu: Topologies of Single-Phase Inverters for Small Distributed Power Generations: An Overview, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 19, No. 5, pp , September [29] [30]

204 Βιβλιογπαθία [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] Mervin Johns, Hanh-Phuc Le, Michael Seeman: Grid-Connected Solar Electronics, University of California at Berkeley, Department of Electrical Engineering and Computer Sciences, Contemporary Energy Issues. [48] A. Ch. Kyritsis, E. C. Tatakis, N. P. Papanikolaou: Optimum Design of the Current Source Flyback Inverter for Decentralized Grid - Connected Photovoltaic Systems, IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 23, No. 1, pp , March

205 Βιβλιογπαθία [49] A. Ch. Kyritsis, E. C. Tatakis, N. P. Papanikolaou: A global and high efficiency design of the current source flyback inverter for wide power range AC - PV Module applications, World Renewable Energy Congress IX and Exhibition 2006, August, 2006, Florence (Italy), paper on CD, Nr [50] A. Ch. Kyritsis, N. P. Papanikolaou, E. C. Tatakis, J. C. Kobougias: Design and Control of a Current Source Flyback Inverter for Decentralized Grid - Connected Photovoltaic Systems, 11 th European Conference on Power Electronics and Applications, EPE 2005, Dresden (Germany), June, 2005, paper on CD, Nr [51] A. Ch. Kyritsis, J. C. Kobougias, D. S. Klimis, E. C. Tatakis: Comparison between AC PV Modules Topologies for Decentralised Grid Connected Applications, CIGRE Symposium on Power Systems with dispersed generation, Athens (Greece), April, 2005, paper on CD, Nr [52] Α. Υ. Κπξίηζεο, Η. Κ. Κνκπνχγηαο, Ν. Π. Παπαληθνιάνπ, Δ. Κ. Σαηάθεο, Π. Κ. ηαχξνπ: «Γηεξεχλεζε ησλ ιεηηνπξγηθψλ ραξαθηεξηζηηθψλ κνλνθαζηθψλ κεηαηξνπέσλ γηα ηελ άκεζε δηαζχλδεζε θσηνβνιηατθψλ γελλεηξηψλ κε ην δίθηπν ρακειήο ηάζεο ησλ αζηηθψλ πεξηνρψλ», 8 ν Δζληθφ ζπλέδξην γηα ηηο Ήπηεο Μνξθέο Δλέξγεηαο, Θεζζαινλίθε, Διιάδα, Μαξηίνπ 2006, άξζξν ζε CD. [53] Mohan, Undeland, Robbins, «Δηζαγσγή ζηα Ζιεθηξνληθά Ηζρχνο, Αλάιπζε ρεδίαζε θαη Δθαξκνγέο ησλ Ζιεθηξνληθψλ Μεηαηξνπέσλ Ηζρχνο», 3 ε Έθδνζε, Δθδφζεηο Σδηφια, [54] Δκκαλνπήι Κ. Σαηάθεο, «Ζιεθηξνληθά ηνηρεία Ηζρχνο θαη Βηνκεραληθέο Δθαξκνγέο», Πάηξα, επηέκβξηνο [55] Πέηξνο Νηνθφπνπινο, «Ζιεθηξηθέο Δγθαηαζηάζεηο Καηαλαισηψλ», Δθδφζεηο ΕΖΣΖ, [56] Sedra/Smith, «Μηθξνειεθηξνληθά Κπθιψκαηα», ΣΟΜΟ Α, Δθδφζεηο Παπαζσηεξίνπ, Αζήλα, [57] Sedra/Smith, «Μηθξνειεθηξνληθά Κπθιψκαηα», ΣΟΜΟ Β, Δθδφζεηο Παπαζσηεξίνπ, Αζήλα, [58] Keith Billings, Taylor Morey, «Switchmode Power Supply Handbook», Third Edition, Copyright 1989, McGraw-Hill Publishing Company, New York

206 Βιβλιογπαθία [59] Lloyd J. Dixon, Filter Inductor and Flyback Transformer Design for Switching Power Supplies. [60] ηακάηεο Α. Μάλεζεο, «πζηήκαηα Πξνγξακκαηηδφκελσλ Βηνκεραληθψλ Απηνκαηηζκψλ», [61] Christophe Basso, How to deal with Leakage Elements in Flyback Converters, Application Note, ON Semiconductor. [62] Dennis L. Feucht, Flyback Transformer Leakage Inductance, Part 1, Part 2, AnalogZONE

207 Παπάπηημα Α ΠΑΡΑΡΣΗΜΑ Α ην Παξάξηεκα απηφ, παξνπζηάδνληαη ηα ηππσκέλα θπθιψκαηα (P.C.B. - Printed Circuit Boards) ησλ πιαθεηψλ πνπ ζρεδηάζηεθαλ θαη θαηαζθεπάζηεθαλ γηα ηε ζπγθεθξηκέλε εθαξκνγή, κε ηε βνήζεηα ηνπ ζρεδηαζηηθνχ πξνγξάκκαηνο ειεθηξνληθνχ ππνινγηζηή KiCad. Σν ζπγθεθξηκέλν πξφγξακκα απνηειεί κία νινθιεξσκέλε ζνπίηα εθαξκνγψλ ζρεδίαζεο ζρεκαηηθψλ θαη ηππσκέλσλ ειεθηξνληθψλ θπθισκάησλ. ρήκα Α.1: ρέδην P.C.B. ηεο άλσ φςεο ηεο πιαθέηαο ηζρχνο ηνπ πςίζπρλνπ αληηζηξνθέα ξεχκαηνο ηνπνινγίαο Flyback

208 Παπάπηημα Α ρήκα Α.2: ρέδην P.C.B. ηεο θάησ φςεο ηεο πιαθέηαο ηζρχνο ηνπ πςίζπρλνπ αληηζηξνθέα ξεχκαηνο ηνπνινγίαο Flyback ρήκα Α.3: ρέδην P.C.B. ηεο θάησ φςεο ηεο πιαθέηαο ηνπ θπθιψκαηνο ειέγρνπ ηνπ «ελεξγνχ» δεπηεξεχνληνο ηπιίγκαηνο ηνπ αληηζηξνθέα ξεχκαηνο ηνπνινγίαο Flyback

209 Παπάπηημα Α ρήκα Α.4: ρέδην P.C.B. ηεο θάησ φςεο ηεο πιαθέηαο ηνπ θπθιψκαηνο ειέγρνπ ηνπ εκηαγσγηθνχ δηαθφπηε S 1, γηα ηελ πεξίπησζε ηεο ιεηηνπξγίαο ηνπ αληηζηξνθέα ξεχκαηνο ζηελ πεξηνρή ηεο αζπλερνχο αγσγήο (DCM) ρήκα Α.5: ρέδην P.C.B. ηεο άλσ φςεο ηεο πιαθέηαο ηνπ θπθιψκαηνο ειέγρνπ ηνπ εκηαγσγηθνχ δηαθφπηε S 1, γηα ηελ πεξίπησζε ηεο ιεηηνπξγίαο ηνπ αληηζηξνθέα ξεχκαηνο ζην φξην κεηαμχ ζπλερνχο θαη αζπλερνχο αγσγήο (BCM)

210 Παπάπηημα Α ρήκα Α.6: ρέδην P.C.B. ηεο θάησ φςεο ηεο πιαθέηαο ηνπ θπθιψκαηνο ειέγρνπ ηνπ εκηαγσγηθνχ δηαθφπηε S 1, γηα ηελ πεξίπησζε ηεο ιεηηνπξγίαο ηνπ αληηζηξνθέα ξεχκαηνο ζην φξην κεηαμχ ζπλερνχο θαη αζπλερνχο αγσγήο (BCM) ρήκα Α.7: ρέδην P.C.B. ηεο άλσ φςεο ηεο πιαθέηαο ηνπ θίιηξνπ εμφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα ξεχκαηνο ηνπνινγίαο Flyback

211 Παπάπηημα Α ρήκα Α.8: ρέδην P.C.B. ηεο θάησ φςεο ηεο πιαθέηαο ηνπ θίιηξνπ εμφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα ξεχκαηνο ηνπνινγίαο Flyback ρήκα Α.9: ρέδην P.C.B. ηεο άλσ φςεο ηεο πιαθέηαο ηνπ γξακκηθνχ ηξνθνδνηηθνχ

212 Παπάπηημα Α ρήκα Α.10: ρέδην P.C.B. ηεο θάησ φςεο ηεο πιαθέηαο ηνπ γξακκηθνχ ηξνθνδνηηθνχ

213 Παπάπηημα Β ΠΑΡΑΡΣΗΜΑ Β ην ζπγθεθξηκέλν Παξάξηεκα, παξαηίζεληαη ηα ηερληθά θπιιάδηα - εγρεηξίδηα (Datasheets) ησλ θαηαζθεπαζηψλ ησλ ζηνηρεηψλ πνπ ρξεζηκνπνηήζεθαλ, πξνθεηκέλνπ λα θαηαζθεπαζηεί ν αληηζηξνθέαο ξεχκαηνο ηνπνινγίαο Flyback. Απφ απηά, αληιήζεθαλ ηα απαξαίηεηα ραξαθηεξηζηηθά κεγέζε ησλ ζηνηρείσλ, ψζηε λα γίλεη ε ζσζηή ζρεδίαζε θαη πινπνίεζε ηεο δηάηαμεο

214 HiPerFET TM Power MOSFETs IXFH/IXFM21N50 IXFH/IXFM/IXFT24N50 IXFH/IXFT26N50 N-Channel Enhancement Mode High dv/dt, Low t rr, HDMOS TM Family V DSS I D25 R DS(on) 500 V 21 A 0.25 Ω 500 V 24 A 0.23 Ω 500 V 26 A 0.20 Ω t rr 250 ns Symbol Test Conditions Maximum Ratings V DSS T J = 25 C to 150 C 500 V V DGR T J = 25 C to 150 C; R GS = 1 MΩ 500 V V GS Continuous ±20 V V GSM Transient ±30 V I D25 T C = 25 C 21N50 21 A 24N50 24 A 26N50 26 A I DM T C = 25 C, pulse width limited by T JM 21N50 84 A 24N50 96 A 26N A I AR T C = 25 C 21N50 21 A 24N50 24 A 26N50 26 A E AR T C = 25 C 30 mj dv/dt I S I DM, di/dt 100 A/µs, V DD V DSS, 5 V/ns T J 150 C, R G = 2 Ω P D T C = 25 C 300 W T J C T JM 150 C T stg C T L 1.6 mm (0.062 in.) from case for 10 s 300 C M d Mounting torque 1.13/10 Nm/lb.in. Weight TO-204 = 18 g, TO-247 = 6 g Symbol Test Conditions Characteristic Values (T J = 25 C, unless otherwise specified) min. typ. max. V DSS V GS = 0 V, I D = 250 µa 500 V V GS(th) V DS = V GS, I D = 4 ma 2 4 V I GSS V GS = ±20 V DC, V DS = 0 ±100 na I DSS V DS = 0.8 V DSS T J = 25 C 200 µa V GS = 0 V T J = 125 C 1 ma TO-247 AD (IXFH) TO-268 (D3) Case Style TO-204 AE (IXFM) G = Gate, S = Source, G S D D = Drain, TAB = Drain Features International standard packages Low R DS (on) HDMOS TM process Rugged polysilicon gate cell structure Unclamped Inductive Switching (UIS) rated Low package inductance - easy to drive and to protect Fast intrinsic Rectifier Applications DC-DC converters Synchronous rectification Battery chargers Switched-mode and resonant-mode power supplies DC choppers AC motor control Temperature and lighting controls Low voltage relays Advantages Easy to mount with 1 screw (TO-247) (isolated mounting screw hole) High power surface mountable package High power density G (TAB) (TAB) 1999 IXYS All rights reserved 91525H (9/99)

215 IXFH21N50 IXFH24N50 IXFH26N50 IXFM21N50 IXFM24N50 IXFM26N50 IXFT24N50 IXFT26N50 Symbol Test Conditions Characteristic Values (T J = 25 C, unless otherwise specified) Min. Typ. Max. R DS(on) V GS = 10 V, I D = 0.5 I D25 21N Ω 24N Ω 26N Ω Pulse test, t 300 µs, duty cycle d 2 % g fs V DS = 10 V; I D = 0.5 I D25, pulse test S C iss 4200 pf C oss V GS = 0 V, V DS = 25 V, f = 1 MHz 450 pf C rss 135 pf t d(on) ns t r V GS = 10 V, V DS = 0.5 V DSS, I D = 0.5 I D ns t d(off) R G = 2 Ω (External) ns t f ns Q g(on) nc Q gs V GS = 10 V, V DS = 0.5 V DSS, I D = 0.5 I D nc Q gd nc R thjc 0.42 K/W R thck (TO-247 Case Style) 0.25 K/W Source-Drain Diode Characteristic Values (T J = 25 C, unless otherwise specified) Symbol Test Conditions Min. Typ. Max. I S V GS = 0 V 21N50 21 A 24N50 24 A 26N50 26 A I SM Repetitive; 21N50 84 A pulse width limited by T JM 24N50 96 A 26N A V SD I F = I S, V GS = 0 V, 1.5 V Pulse test, t 300 µs, duty cycle d 2 % t rr T J = 25 C 250 ns T J = 125 C 400 ns I Q F = I S RM -di/dt = 100 A/µs, T J = 25 C 1 µc V T J = 125 C 2 µc R = 100 V I RM T J = 25 C 10 A T J = 125 C 15 A Note 1: Add "S" suffix for TO-247 SMD package option (ex: IXFH24N50S) TO-268 Outline TO-247 AD (IXFH) Outline Dim. Millimeter Inches Min. Max. Min. Max. A A A b b b C D E e L L P Q R S 6.15 BSC 242 BSC TO-204 AE (IXFM) Outline Pins: 1 - Gate, 2 - Source, Case - Drain Dim. Millimeter Inches Min. Max. Min. Max. A A b D e e L p p q BSC BSC R R s Min. Recommended Footprint Terminals: 1 - Gate 2 - Drain 3 - Source Tab - Drain IXYS reserves the right to change limits, test conditions, and dimensions. IXYS MOSFETS and IGBTs are covered by one or more of the following U.S. patents: 4,835,592 4,881,106 5,017,508 5,049,961 5,187,117 5,486,715 4,850,072 4,931,844 5,034,796 5,063,307 5,237,481 5,381,025

216 Advance Technical Information HiPerRF TM Power MOSFETs F-Class: MegaHertz Switching N-Channel Enhancement Mode Avalanche Rated, Low Q g, Low Intrinsic R g High dv/dt, Low t rr IXFX 24N100F V DSS = 1000 V IXFK 24N100F I D25 = 24 A R DS(on) = 0.39 Ω t rr 250 ns PLUS 247 TM (IXFX) Symbol Test Conditions Maximum Ratings V DSS T J = 25 C to 150 C 1000 V V DGR T J = 25 C to 150 C; R GS = 1 MΩ 1000 V V GS Continuous ±20 V V GSM Transient ±30 V G D TO-264 AA (IXFK) (TAB) I D25 T C = 25 C 24 A I DM T C = 25 C, pulse width limited by T JM 96 A I AR T C = 25 C 24 A E AR T C = 25 C 60 mj E AS T C = 25 C 3.0 J dv/dt I S I DM, di/dt 100 A/µs, V DD V DSS 10 V/ns T J 150 C, R G = 2 Ω P D T C = 25 C 560 W T J C T JM 150 C T stg C T L 1.6 mm (0.063 in.) from case for 10 s 300 C M d Mounting torque TO /6 Nm/lb.in. Weight PLUS g TO g Symbol Test Conditions Characteristic Values (T J = 25 C, unless otherwise specified) min. typ. max. V DSS V GS = 0 V, I D = 1mA 1000 V V GS(th) V DS = V GS, I D = 8mA V I GSS V GS = ±20 V, V DS = 0 ±200 na I DSS V DS = V DSS T J = 25 C 100 µa V GS = 0 V T J = 125 C 3 ma R DS(on) V GS = 10 V, I D = 0.5 I D Ω Note 1 G = Gate S = Source Features G D S D = Drain TAB = Drain (TAB) RF capable MOSFETs Double metal process for low gate resistance Unclamped Inductive Switching (UIS) rated Low package inductance - easy to drive and to protect Fast intrinsic rectifier Applications DC-DC converters Switched-mode and resonant-mode power supplies, >500kHz switching DC choppers Pulse generation Laser drivers Advantages PLUS 247 TM package for clip or spring mounting Space savings High power density 2002 IXYS All rights reserved (1/02)

217 IXFK 24N100F IXFX 24N100F Symbol Test Conditions Characteristic Values (T J = 25 C, unless otherwise specified) min. typ. max. PLUS 247 TM Outline g fs V DS = 10 V; I D = 0.5 I D25 Note S C iss 6600 pf C oss V GS = 0 V, V DS = 25 V, f = 1 MHz 760 pf C rss 230 pf t d(on) 22 ns t r V GS = 10 V, V DS = 0.5 V DSS, I D = 0.5 I D25 18 ns t d(off) R G = 1 Ω (External) 52 ns t f 11 ns Q g(on) 195 nc Q gs V GS = 10 V, V DS = 0.5 V DSS, I D = 0.5 I D25 40 nc Q gd 100 nc R thjc 0.21 K/W R thck 0.15 K/W Source-Drain Diode Characteristic Values (T J = 25 C, unless otherwise specified) Symbol Test Conditions min. typ. max. I S V GS = 0 V 24 A I SM Repetitive; 96 A pulse width limited by T JM Terminals: 1 - Gate 2 - Drain (Collector) 3 - Source (Emitter) 4 - Drain (Collector) Dim. Millimeter Inches Min. Max. Min. Max. A A A b b b C D E e 5.45 BSC.215 BSC L L Q R TO-264 AA Outline V SD I F = I S, V GS = 0 V, Note V t rr 250 ns Q RM I F = I S,-di/dt = 100 A/µs, V R = 100 V 1.4 µc I RM 10 A Note: 1. Pulse test, t 300 µs, duty cycle d 2 % IXYS reserves the right to change limits, test conditions, and dimensions. Dim. Millimeter Inches Min. Max. Min. Max. A A A b b b c D E e 5.46 BSC.215 BSC J K L L P Q Q R R S T IXYS MOSFETS and IGBTs are covered by one or more of the following U.S. patents: 4,835,592 4,881,106 5,017,508 5,049,961 5,187,117 5,486,715 6,306,728B1 4,850,072 4,931,844 5,034,796 5,063,307 5,237,481 5,381,025

218 DSEI 12-12A Fast Recovery Epitaxial Diode (FRED) I FAV = 11 A V RRM = 1200 V t rr = 50 ns V RSM V RRM Type V V DSEI 12-12A A C TO-220 AC C A C A = Anode, C = Cathode Symbol Conditions Maximum Ratings I FRMS I FAVM I FRM T VJ = T VJM T C = 100 C; rectangular, d = 0.5 t p < 10 µs; rep. rating, pulse width limited by T VJM A A A I FSM T VJ = 45 C; t = 10 ms (50 Hz), sine t = 8.3 ms (60 Hz), sine T VJ = 150 C; t = 10 ms (50 Hz), sine t = 8.3 ms (60 Hz), sine I 2 t T VJ = 45 C; t = 10 ms (50 Hz), sine t = 8.3 ms (60 Hz), sine T VJ = 150 C; t = 10 ms (50 Hz), sine t = 8.3 ms (60 Hz), sine T VJ T VJM T stg Symbol Conditions Characteristic Values I R V R = V RRM T VJ = 25 C V R = 0.8 V RRM T VJ = 25 C V R = 0.8 V RRM T VJ = 125 C V F I F = 12 A T VJ = 150 C T VJ = 25 C V T0 r T IXYS reserves the right to change limits, test conditions and dimensions IXYS All rights reserved - 3 typ. max For power-loss calculations only 1.65 T VJ = T VJM 46.2 R thjc R thch R thja P tot T C = 25 C 78 W M d mounting torque Nm Weight typical 2 g 1.6 µa µa ma V V V mw K/W K/W K/W 60 t rr I F = 1 A; -di/dt = 50 A/µs; V R = 30 V; T VJ = 25 C ns I RM V R = 540 V; I F = 12 A; -di F /dt = 100 A/µs A L < 0.05 µh; T VJ = 100 C I FAVM rating includes reverse blocking losses at T VJM. V R = 0.8 V RRM, duty cycle d = 0.5 Data according to IEC A A A 2 s A 2 s C C C Features International standard package JEDEC TO-220 AC Planar passivated chips Very short recovery time Extremely low switching losses Low I RM -values Soft recovery behaviour Epoxy meets UL 94V-0 Applications Antiparallel diode for high frequency switching devices Anti saturation diode Snubber diode Free wheeling diode in converters and motor control circuits Rectifiers in switch mode power supplies (SMPS) Inductive heating and melting Uninterruptible power supplies (UPS) Ultrasonic cleaners and welders Advantages High reliability circuit operation Low voltage peaks for reduced protection circuits Low noise switching Low losses Operating at lower temperature or space saving by reduced cooling

219 LM2524D/LM3524D Regulating Pulse Width Modulator General Description The LM3524D family is an improved version of the industry standard LM3524. It has improved specifications and additional features yet is pin for pin compatible with existing 3524 families. New features reduce the need for additional external circuitry often required in the original version. The LM3524D has a ±1% precision 5V reference. The current carrying capability of the output drive transistors has been raised to 200 ma while reducing V CEsat and increasing V CE breakdown to 60V. The common mode voltage range of the error-amp has been raised to 5.5V to eliminate the need for a resistive divider from the 5V reference. In the LM3524D the circuit bias line has been isolated from the shut-down pin. This prevents the oscillator pulse amplitude and frequency from being disturbed by shut-down. Also at high frequencies ( 300 khz) the max. duty cycle per output has been improved to 44% compared to 35% max. duty cycle in other 3524s. In addition, the LM3524D can now be synchronized externally, through pin 3. Also a latch has been added to insure one Connection Diagram May 2, 2008 pulse per period even in noisy environments. The LM3524D includes double pulse suppression logic that insures when a shut-down condition is removed the state of the T-flip-flop will change only after the first clock pulse has arrived. This feature prevents the same output from being pulsed twice in a row, thus reducing the possibility of core saturation in push-pull designs. Features Fully interchangeable with standard LM3524 family ±1% precision 5V reference with thermal shut-down Output current to 200 ma DC 60V output capability Wide common mode input range for error-amp One pulse per period (noise suppression) Improved max. duty cycle at high frequencies Double pulse suppression Synchronize through pin 3 LM2524D/LM3524D Regulating Pulse Width Modulator Top View Order Number LM2524DN or LM3524DN See NS Package Number N16E Order Number LM3524DM See NS Package Number M16A 2008 National Semiconductor Corporation

220 LM2524D/LM3524D Block Diagram

221 Absolute Maximum Ratings (Note 5) If Military/Aerospace specified devices are required, please contact the National Semiconductor Sales Office/ Distributors for availability and specifications. Supply Voltage Collector Supply Voltage (LM2524D) (LM3524D) Output Current DC (each) Oscillator Charging Current (Pin 7) Electrical Characteristics (Note 1) 40V 55V 40V 200 ma 5 ma Internal Power Dissipation 1W Operating Junction Temperature Range (Note 2) LM2524D 40 C to +125 C LM3524D 0 C to +125 C Maximum Junction Temperature 150 Storage Temperature Range 65 C to +150 C Lead Temperature (Soldering 4 sec.) M, N Pkg. 260 C LM2524D LM3524D Symbol Parameter Conditions Tested Design Tested Design Units REFERENCE SECTION Typ Limit Limit Typ Limit Limit (Note 3) (Note 4) (Note 3) (Note 4) LM2524D/LM3524D V REF Output Voltage V Min V Max V RLine Line Regulation V IN = 8V to 40V mv Max V RLoad Load Regulation I L = 0 ma to 20 ma mv Max Ripple Rejection f = 120 Hz db I OS Short Circuit V REF = ma Min Current ma Max N O Output Noise 10 Hz f 10 khz μv rms Max Long Term T A = 125 C mv/khr Stability OSCILLATOR SECTION f OSC Max. Freq. R T = 1k, C T = μf khz Min (Note 7) f OSC Initial R T = 5.6k, C T = 0.01 μf khz Min Accuracy (Note 7) khz Max R T = 2.7k, C T = 0.01 μf khz Min (Note 7) khz Max Δf OSC Freq. Change V IN = 8 to 40V % Max with V IN Δf OSC Freq. Change T A = 55 C to +125 C with Temp. at 20 khz R T = 5.6k, 5 5 % C T = 0.01 μf V OSC Output Amplitude R T = 5.6k, C T = 0.01 μf V Min (Pin 3) (Note 8) t PW Output Pulse R T = 5.6k, C T = 0.01 μf μs Max Width (Pin 3) Sawtooth Peak R T = 5.6k, C T = 0.01 μf V Max Voltage 3

222 LM2524D/LM3524D LM2524D LM3524D Symbol Parameter Conditions Tested Design Tested Design Units Typ Limit Limit Typ Limit Limit (Note 3) (Note 4) (Note 3) (Note 4) Sawtooth Valley R T = 5.6k, C T = 0.01 μf V Min Voltage ERROR-AMP SECTION V IO Input Offset V CM = 2.5V mv Max Voltage I IB Input Bias V CM = 2.5V μa Max Current I IO Input Offset V CM = 2.5V μa Max Current I COSI Compensation V IN(I) V IN(NI) = 150 mv μa Min Current (Sink) μa Max I COSO Compensation V IN(NI) V IN(I) = 150 mv μa Min Current (Source) μa Max A VOL Open Loop Gain R L =, V CM = 2.5 V db Min VCMR Common Mode V Min Input Voltage V Max Range CMRR Common Mode db Min Rejection Ratio G BW Unity Gain A VOL = 0 db, V CM = 2.5V 3 2 MHz Bandwidth V O Output Voltage R L = V Min Swing V Max PSRR Power Supply V IN = 8 to 40V db Min Rejection Ratio COMPARATOR SECTION Minimum Duty Pin 9 = 0.8V, % Max Cycle [R T = 5.6k, C T = 0.01 μf] Maximum Duty Pin 9 = 3.9V, % Min Cycle [R T = 5.6k, C T = 0.01 μf] Maximum Duty Pin 9 = 3.9V, % Min Cycle [R T = 1k, C T = μf] V COMPZ Input Threshold Zero Duty Cycle 1 1 V (Pin 9) V COMPM Input Threshold Maximum Duty Cycle V (Pin 9) I IB Input Bias 1 1 μa Current CURRENT LIMIT SECTION V SEN Sense Voltage V (Pin 2) V (Pin 1) mv Min 150 mv mv Max TC-V sense Sense Voltage T.C mv/ C 4

223 LM2524D LM3524D Symbol Parameter Conditions Tested Design Tested Design Units Typ Limit Limit Typ Limit Limit (Note 3) (Note 4) (Note 3) (Note 4) Common Mode V Min Voltage Range V 5 V 4 = 300 mv 1 1 V Max SHUT DOWN SECTION LM2524D/LM3524D V SD High Input V (Pin 2) V (Pin 1) V Min Voltage 150 mv V Max I SD High Input I (pin 10) 1 1 ma Current OUTPUT SECTION (EACH OUTPUT) V CES Collector Emitter I C 100 μa V Min Voltage Breakdown I CES Collector Leakage V CE = 60V Current V CE = 55V μa Max V CE = 40V V CESAT Saturation I E = 20 ma V Max Voltage I E = 200 ma V EO Emitter Output I E = 50 ma V Min Voltage t R Rise Time V IN = 20V, I E = 250 μa ns R C = 2k t F Fall Time R C = 2k ns SUPPLY CHARACTERISTICS SECTION V IN Input Voltage After Turn-on 8 8 V Min Range V Max T Thermal Shutdown (Note 2) C Temp. I IN Stand By Current V IN = 40V (Note 6) ma Note 1: Unless otherwise stated, these specifications apply for T A = T J = 25 C. Boldface numbers apply over the rated temperature range: LM2524D is 40 to 85 C and LM3524D is 0 C to 70 C. V IN = 20V and f OSC = 20 khz. Note 2: For operation at elevated temperatures, devices in the N package must be derated based on a thermal resistance of 86 C/W, junction to ambient. Devices in the M package must be derated at 125 C/W, junction to ambient. Note 3: Tested limits are guaranteed and 100% tested in production. Note 4: Design limits are guaranteed (but not 100% production tested) over the indicated temperature and supply voltage range. These limits are not used to calculate outgoing quality level. Note 5: Absolute maximum ratings indicate limits beyond which damage to the device may occur. DC and AC electrical specifications do not apply when operating the device beyond its rated operating conditions. Note 6: Pins 1, 4, 7, 8, 11, and 14 are grounded; Pin 2 = 2V. All other inputs and outputs open. Note 7: The value of a C t capacitor can vary with frequency. Careful selection of this capacitor must be made for high frequency operation. Polystyrene was used in this test. NPO ceramic or polypropylene can also be used. Note 8: OSC amplitude is measured open circuit. Available current is limited to 1 ma so care must be exercised to limit capacitive loading of fast pulses. 5

224 LM2524D/LM3524D Typical Performance Characteristics Switching Transistor Peak Output Current vs Temperature Maximum Average Power Dissipation (N, M Packages) Maximum & Minimum Duty Cycle Threshold Voltage Output Transistor Saturation Voltage Output Transistor Emitter Voltage Reference Transistor Peak Output Current

225 Standby Current vs Voltage Standby Current vs Temperature LM2524D/LM3524D Current Limit Sense Voltage Test Circuit

226 LM2524D/LM3524D Functional Description INTERNAL VOLTAGE REGULATOR The LM3524D has an on-chip 5V, 50 ma, short circuit protected voltage regulator. This voltage regulator provides a supply for all internal circuitry of the device and can be used as an external reference. For input voltages of less than 8V the 5V output should be shorted to pin 15, V IN, which disables the 5V regulator. With these pins shorted the input voltage must be limited to a maximum of 6V. If input voltages of 6V 8V are to be used, a preregulator, as shown in Figure 1, must be added FIGURE 2. *Minimum C O of 10 μf required for stability FIGURE 1. OSCILLATOR The LM3524D provides a stable on-board oscillator. Its frequency is set by an external resistor, R T and capacitor, C T. A graph of R T, C T vs oscillator frequency is shown is Figure 2. The oscillator's output provides the signals for triggering an internal flip-flop, which directs the PWM information to the outputs, and a blanking pulse to turn off both outputs during transitions to ensure that cross conduction does not occur. The width of the blanking pulse, or dead time, is controlled by the value of C T, as shown in Figure 3. The recommended values of R T are 1.8 kω to 100 kω, and for C T, μf to 0.1 μf. If two or more LM3524D's must be synchronized together, the easiest method is to interconnect all pin 3 terminals, tie all pin 7's (together) to a single C T, and leave all pin 6's open except one which is connected to a single R T. This method works well unless the LM3524D's are more than 6 apart. A second synchronization method is appropriate for any circuit layout. One LM3524D, designated as master, must have its R T C T set for the correct period. The other slave LM3524D (s) should each have an R T C T set for a 10% longer period. All pin 3's must then be interconnected to allow the master to properly reset the slave units. The oscillator may be synchronized to an external clock source by setting the internal free-running oscillator frequency 10% slower than the external clock and driving pin 3 with a pulse train (approx. 3V) from the clock. Pulse width should be greater than 50 ns to insure full synchronization. FIGURE ERROR AMPLIFIER The error amplifier is a differential input, transconductance amplifier. Its gain, nominally 86 db, is set by either feedback or output loading. This output loading can be done with either purely resistive or a combination of resistive and reactive components. A graph of the amplifier's gain vs output load resistance is shown in Figure FIGURE

227 The output of the amplifier, or input to the pulse width modulator, can be overridden easily as its output impedance is very high (Z O 5 MΩ). For this reason a DC voltage can be applied to pin 9 which will override the error amplifier and force a particular duty cycle to the outputs. An example of this could be a non-regulating motor speed control where a variable voltage was applied to pin 9 to control motor speed. A graph of the output duty cycle vs the voltage on pin 9 is shown in Figure 5. The duty cycle is calculated as the percentage ratio of each output's ON-time to the oscillator period. Paralleling the outputs doubles the observed duty cycle. CURRENT LIMITING The function of the current limit amplifier is to override the error amplifier's output and take control of the pulse width. The output duty cycle drops to about 25% when a current limit sense voltage of 200 mv is applied between the +C L and C L sense terminals. Increasing the sense voltage approximately 5% results in a 0% output duty cycle. Care should be taken to ensure the 0.7V to +1.0V input common-mode range is not exceeded. In most applications, the current limit sense voltage is produced by a current through a sense resistor. The accuracy of this measurement is limited by the accuracy of the sense resistor, and by a small offset current, typically 100 μa, flowing from +CL to CL. OUTPUT STAGES The outputs of the LM3524D are NPN transistors, capable of a maximum current of 200 ma. These transistors are driven 180 out of phase and have non-committed open collectors and emitters as shown in Figure 6. LM2524D/LM3524D FIGURE 5. The amplifier's inputs have a common-mode input range of 1.5V 5.5V. The on board regulator is useful for biasing the inputs to within this range. FIGURE

228 Single-Channel: 6N137, HCPL2601, HCPL2611 Dual-Channel: HCPL2630, HCPL2631 High Speed 10MBit/s Logic Gate Optocouplers Features Very high speed 10 MBit/s Superior CMR 10 kv/µs Double working voltage-480v Fan-out of 8 over -40 C to +85 C Logic gate output Strobable output Wired OR-open collector U.L. recognized (File # E90700) Applications Ground loop elimination LSTTL to TTL, LSTTL or 5-volt CMOS Line receiver, data transmission Data multiplexing Switching power supplies Pulse transformer replacement Computer-peripheral interface Schematics N/C 1 + V F _ 2 3 N/C 4 5 GND 6N137 HCPL2601 HCPL V CC V E V O A 0.1µF bypass capacitor must be connected between pins 8 and 5 (1). + V F1 V F GND HCPL2630 HCPL2631 Description August 2008 The 6N137, HCPL2601, HCPL2611 single-channel and HCPL2630, HCPL2631 dual-channel optocouplers consist of a 850 nm AlGaAS LED, optically coupled to a very high speed integrated photo-detector logic gate with a strobable output. This output features an open collector, thereby permitting wired OR outputs. The coupled parameters are guaranteed over the temperature range of -40 C to +85 C. A maximum input signal of 5mA will provide a minimum output sink current of 13mA (fan out of 8). An internal noise shield provides superior common mode rejection of typically 10kV/µs. The HCPL2601 and HCPL2631 has a minimum CMR of 5kV/µs. The HCPL2611 has a minimum CMR of 10kV/µs V CC V 01 V 02 Package Outlines 8 1 Truth Table (Positive Logic) Input Enable Output H H L L H H H L H L L H H NC L L NC H Single-Channel: 6N137, HCPL2601, HCPL2611 Dual-Channel: HCPL2630, HCPL2631 High Speed 10MBit/s Logic Gate Optocouplers 2005 Fairchild Semiconductor Corporation 6N137, HCPL2601, HCPL2611, HCPL2630, HCPL2631 Rev

229 ICL7667 Data Sheet April 29, 2010 FN Dual Power MOSFET Driver The ICL7667 is a dual monolithic high-speed driver designed to convert TTL level signals into high current outputs at voltages up to 15V. Its high speed and current output enable it to drive large capacitive loads with high slew rates and low propagation delays. With an output voltage swing only millivolts less than the supply voltage and a maximum supply voltage of 15V, the ICL7667 is well suited for driving power MOSFETs in high frequency switched-mode power converters. The ICL7667 s high current outputs minimize power losses in the power MOSFETs by rapidly charging and discharging the gate capacitance. The ICL7667 s inputs are TTL compatible and can be directly driven by common pulse-width modulation control ICs. Features Fast Rise and Fall Times - 30ns with 1000pF Load Wide 15V Supply Voltage Range - V+ = +4.5V to +15V - V- = -15V to Ground (0V) Low Power Consumption - 4mW with Inputs Low - 20mW with Inputs High TTL/CMOS Input Compatible Power Driver - R OUT = 7Ω Typ Direct Interface with Common PWM Control ICs Ordering Information Pin Equivalent to DS0026/DS0056; TSC426 PART NUMBER (Note) PART MARKING TEMP. RANGE ( C) PACKAGE PKG. DWG. # Pb-Free Available (RoHS Compliant) Applications ICL7667CBA* 7667 CBA 0 to 70 8 Ld SOIC (N) M8.15 ICL7667CBAZA 7667 CBAZ 0 to 70 8 Ld SOIC (N) (Pb-Free) M8.15 ICL7667CPA* 7667 CPA 0 to 70 8 Ld PDIP E8.3 ICL7667CPAZ 7667 CPAZ 0 to 70 8 Ld PDIP* (Pb-Free) E8.3 *Add -T suffix for tape and reel. Please refer to TB347 for details on reel specifications. *Pb-free PDIPs can be used for through hole wave solder processing only. They are not intended for use in Reflow solder processing applications. NOTE: These Intersil Pb-free plastic packaged products employ special Pb-free material sets, molding compounds/die attach materials, and 100% matte tin plate plus anneal (e3 termination finish, which is RoHS compliant and compatible with both SnPb and Pb-free soldering operations). Intersil Pb-free products are MSL classified at Pb-free peak reflow temperatures that meet or exceed the Pb-free requirements of IPC/JEDEC J STD-020. Switching Power Supplies DC/DC Converters Motor Controllers Pinout N/C IN A V- IN B ICL7667 (8 LD PDIP, SOIC) TOP VIEW N/C OUT A Functional Diagram (Each Driver) V+ OUT B V+ 2mA OUT IN V- 1 CAUTION: These devices are sensitive to electrostatic discharge; follow proper IC Handling Procedures INTERSIL or Intersil (and design) is a registered trademark of Intersil Americas Inc. Copyright Intersil Americas Inc. 1999, 2006, All Rights Reserved All other trademarks mentioned are the property of their respective owners.

230 LM2900LM3900LM3301 Quad Amplifiers General Description The LM2900 series consists of four independent dual input internally compensated amplifiers which were designed specifically to operate off of a single power supply voltage and to provide a large output voltage swing These amplifiers make use of a current mirror to achieve the non-inverting input function Application areas include ac amplifiers RC active filters low frequency triangle squarewave and pulse waveform generation circuits tachometers and low speed high voltage digital logic gates Schematic and Connection Diagrams Features February 1995 Y Wide single supply voltage 4 VDC to 32 V DC Range or dual supplies g2 V DC to g16 V DC Y Supply current drain independent of supply voltage Y Low input biasing current 30 na Y High open-loop gain 70 db Y Wide bandwidth 25 MHz (unity gain) Y Large output voltage swing a (V b 1) Vp-p Y Internally frequency compensated for unity gain Y Output short-circuit protection Dual-In-Line and SO LM2900LM3900LM3301 Quad Amplifiers Top View TLH TLH Order Number LM2900N LM3900M LM3900N or LM3301N See NS Package Number M14A or N14A C1995 National Semiconductor Corporation TLH7936 RRD-B30M115Printed in U S A

231 Absolute Maximum Ratings If MilitaryAerospace specified devices are required please contact the National Semiconductor Sales Office Distributors for availability and specifications LM2900LM3900 LM3301 Supply Voltage 32 V DC 28 V DC g16 V DC g14 V DC Power Dissipation (T A e 25C) (Note 1) Molded DIP 1080 mw 1080 mw SO Package 765 mw a b Input Currents I IN or IIN 20 ma DC 20 ma DC Output Short-Circuit DurationOne Amplifier Continuous Continuous T A e 25C (See Application Hints) Operating Temperature Range b40ctoa85c LM2900 b40ctoa85c LM3900 0Ctoa70C Storage Temperature Range b65ctoa150c b65ctoa150c Lead Temperature (Soldering 10 sec) 260C 260C Soldering Information Dual-In-Line Package Soldering (10 sec) 260C 260C Small Outline Package Vapor Phase (60 sec) 215C 215C Infrared (15 sec) 220C 220C See AN-450 Surface Mounting Methods and Their Effect on Product Reliability for other methods of soldering surface mount devices ESD tolerance (Note 7) 2000V 2000V Electrical Characteristics T A e 25C V a e 15 V DC unless otherwise stated LM2900 LM3900 LM3301 Parameter Conditions Units Min Typ Max Min Typ Max Min Typ Max Open Voltage Gain Over Temp Loop DV VmV Voltage Gain O e 10 V DC Inverting Input Input Resistance MX Output Resistance kx Unity Gain Bandwidth Inverting Input MHz Input Bias Current Inverting Input V a e 5V DC Inverting Input na Slew Rate Positive Output Swing Negative Output Swing Vms Supply Current R L e % On All Amplifiers ma DC Output V OUT High R L e 2k b I IN e 0 Voltage V a e 150 V DC I a IN e Swing b V OUT Low I IN e 10 ma a I IN e 0 VDC V OUT High V a e Absolute b I IN e 0 Maximum Ratings a I IN e R L e % Output Source Current Sink (Note 2) ma DC Capability b ISINK V OL e 1V I IN e 5 ma

232 Electrical Characteristics (Note 6) V a e 15 V DC unless otherwise stated (Continued) Parameter Conditions LM2900 LM3900 LM3301 Min Typ Max Min Typ Max Min Typ Max Power Supply Rejection T A e 25C f e 100 Hz db Mirror Gain 20 ma (Note 3) ma (Note 3) DMirror Gain 20 mato200ma (Note 3) % Mirror Current (Note 4) ma DC Units mama Negative Input Current T A e 25C (Note 5) ma DC Input Bias Current Inverting Input na Note 1 For operating at high temperatures the device must be derated based on a 125C maximum junction temperature and a thermal resistance of 92CW which applies for the device soldered in a printed circuit board operating in a still air ambient Thermal resistance for the SO package is 131CW Note 2 The output current sink capability can be increased for large signal conditions by overdriving the inverting input This is shown in the section on Typical Characteristics Note 3 This spec indicates the current gain of the current mirror which is used as the non-inverting input Note 4 Input V BE match between the non-inverting and the inverting inputs occurs for a mirror current (non-inverting input current) of approximately 10 ma This is therefore a typical design center for many of the application circuits Note 5 Clamp transistors are included on the IC to prevent the input voltages from swinging below ground more than approximately b03 V DC The negative input currents which may result from large signal overdrive with capacitance input coupling need to be externally limited to values of approximately 1 ma Negative input currents in excess of 4 ma will cause the output voltage to drop to a low voltage This maximum current applies to any one of the input terminals If more than one of the input terminals are simultaneously driven negative smaller maximum currents are allowed Common-mode current biasing can be used to prevent negative input voltages see for example the Differentiator Circuit in the applications section Note 6 These specs apply for b40c s T A s a85c unless otherwise stated Note 7 Human body model 15 kx in series with 100 pf Application Hints When driving either input from a low-impedance source a limiting resistor should be placed in series with the input lead to limit the peak input current Currents as large as 20 ma will not damage the device but the current mirror on the non-inverting input will saturate and cause a loss of mirror gain at ma current levelsespecially at high operating temperatures Precautions should be taken to insure that the power supply for the integrated circuit never becomes reversed in polarity or that the unit is not inadvertently installed backwards in a test socket as an unlimited current surge through the resulting forward diode within the IC could cause fusing of the internal conductors and result in a destroyed unit Output short circuits either to ground or to the positive power supply should be of short time duration Units can be destroyed not as a result of the short circuit current causing metal fusing but rather due to the large increase in IC chip dissipation which will cause eventual failure due to excessive junction temperatures For example when operating from a well-regulated a5 V DC power supply at T A e 25C with a 100 kx shunt-feedback resistor (from the output to the inverting input) a short directly to the power supply will not cause catastrophic failure but the current magnitude will be approximately 50 ma and the junction temperature will be above T J max Larger feedback resistors will reduce the current 11 MX provides approximately 30 ma an open circuit provides 13 ma and a direct connection from the output to the non-inverting input will result in catastrophic failure when the output is shorted to V a as this then places the base-emitter junction of the input transistor directly across the power supply Short-circuits to ground will have magnitudes of approximately 30 ma and will not cause catastrophic failure at T A e 25C Unintentional signal coupling from the output to the non-inverting input can cause oscillations This is likely only in breadboard hook-ups with long component leads and can be prevented by a more careful lead dress or by locating the non-inverting input biasing resistor close to the IC A quick check of this condition is to bypass the non-inverting input to ground with a capacitor High impedance biasing resistors used in the non-inverting input circuit make this input lead highly susceptible to unintentional AC signal pickup Operation of this amplifier can be best understood by noticing that input currents are differenced at the inverting-input terminal and this difference current then flows through the external feedback resistor to produce the output voltage Common-mode current biasing is generally useful to allow operating with signal levels near ground or even negative as this maintains the inputs biased at av BE Internal clamp transistors (see note 5) catch-negative input voltages at approximately b03 V DC but the magnitude of current flow has to be limited by the external input network For operation at high temperature this limit should be approximately 100 ma This new Norton current-differencing amplifier can be used in most of the applications of a standard IC op amp Performance as a DC amplifier using only a single supply is not as precise as a standard IC op amp operating with split supplies but is adequate in many less critical applications New functions are made possible with this amplifier which are useful in single power supply systems For example biasing can be designed separately from the AC gain as was shown in the inverting amplifier the difference integrator allows controlling the charging and the discharging of the integrating capacitor with positive voltages and the frequency doubling tachometer provides a simple circuit which reduces the ripple voltage on a tachometer output DC voltage 3

233 LM7171 Very High Speed, High Output Current, Voltage Feedback Amplifier General Description Features The LM7171 is a high speed voltage feedback amplifier that has the slewing characteristic of a current feedback amplifier; yet it can be used in all traditional voltage feedback amplifier configurations. The LM7171 is stable for gains as low as +2 or 1. It provides a very high slew rate at 4100V/µs and a wide unity-gain bandwidth of 200 MHz while consuming only 6.5 ma of supply current. It is ideal for video and high speed signal processing applications such as HDSL and pulse amplifiers. With 100 ma output current, the LM7171 can be used for video distribution, as a transformer driver or as a laser diode driver. Operation on ±15V power supplies allows for large signal swings and provides greater dynamic range and signal-tonoise ratio. The LM7171 offers low SFDR and THD, ideal for ADC/DAC systems. In addition, the LM7171 is specified for ±5V operation for portable applications. The LM7171 is built on National s advanced VIP III (Vertically integrated PNP) complementary bipolar process. Typical Performance Large Signal Pulse Response A V = +2, V S = ±15V (Typical Unless Otherwise Noted) n Easy-to-use voltage feedback topology n Very high slew rate: 4100 V/µs n Wide unity-gain bandwidth: 200 MHz n 3 db A V = +2: 220 MHz n Low supply current: 6.5 ma n High open loop gain: 85 db n High output current: 100 ma n Differential gain and phase: 0.01%, 0.02 n Specified for ±15V and ±5V operation Applications n HDSL and ADSL drivers n Multimedia broadcast systems n Professional video cameras n Video amplifiers n Copiers/scanners/fax n HDTV amplifiers n Pulse amplifiers and peak detectors n CATV/fiber optics signal processing May 2006 LM7171 Very High Speed, High Output Current, Voltage Feedback Amplifier VIP is a trademark of National Semiconductor Corporation National Semiconductor Corporation DS

234 LM161/LM361 High Speed Differential Comparators General Description The LM161/LM361 is a very high speed differential input, complementary TTL output voltage comparator with improved characteristics over the SE529/NE529 for which it is a pin-for-pin replacement. The device has been optimized for greater speed performance and lower input offset voltage. Typically delay varies only 3 ns for over-drive variations of 5 mv to 500 mv. It may be operated from op amp supplies (±15V). Complementary outputs having maximum skew are provided. Applications involve high speed analog to digital converters and zero-crossing detectors in disk file systems. Connection Diagrams Dual-In-Line Package Features n Independent strobes n Guaranteed high speed: 20 ns max n Tight delay matching on both outputs n Complementary TTL outputs n Operates from op amp supplies: ±15V n Low speed variation with overdrive variation n Low input offset voltage n Versatile supply voltage range Logic Diagram August 2000 LM161/LM361 High Speed Differential Comparators *Output is low when current is drawn from strobe pin Top View Order Number LM361M, LM361MX or LM361N See NS Package Number M14A or N14A Metal Can Package Order Number LM161H/883 or LM361H See NS Package Number H10C 2004 National Semiconductor Corporation DS

235 INTEGRATED CIRCUITS DATA SHEET For a complete data sheet, please also download: The IC06 74HC/HCT/HCU/HCMOS Logic Family Specifications The IC06 74HC/HCT/HCU/HCMOS Logic Package Information The IC06 74HC/HCT/HCU/HCMOS Logic Package Outlines 74HC/HCT73 Dual JK flip-flop with reset; negative-edge trigger Product specification File under Integrated Circuits, IC06 December 1990

236 Philips Semiconductors Product specification Dual JK flip-flop with reset; negative-edge trigger 74HC/HCT73 FEATURES Output capability: standard I CC category: flip-flops GENERAL DESCRIPTION The 74HC/HCT73 are high-speed Si-gate CMOS devices and are pin compatible with low power Schottky TTL (LSTTL). They are specified in compliance with JEDEC standard no. 7A. The 74HC/HCT73 are dual negative-edge triggered JK-type flip-flops featuring individual J, K, clock (ncp) and reset (nr) inputs; also complementary Q and Q outputs. The J and K inputs must be stable one set-up time prior to the HIGH-to-LOW clock transition for predictable operation. The reset (nr) is an asynchronous active LOW input. When LOW, it overrides the clock and data inputs, forcing the Q output LOW and the Q output HIGH. Schmitt-trigger action in the clock input makes the circuit highly tolerant to slower clock rise and fall times. QUICK REFERENCE DATA GND = 0 V; T amb =25 C; t r =t f = 6 ns TYPICAL SYMBOL PARAMETER CONDITIONS HC HCT UNIT t PHL / t PLH propagation delay C L = 15 pf; V CC =5 V ncp to nq ns ncp to nq ns nr to nq, nq ns f max maximum clock frequency MHz C I input capacitance pf C PD power dissipation capacitance per flip-flop notes 1 and pf Notes 1. C PD is used to determine the dynamic power dissipation (P D in µw): P D =C PD V 2 CC f i + (C L V 2 CC f o ) where: f i = input frequency in MHz f o = output frequency in MHz (C L V 2 CC f o ) = sum of outputs C L = output load capacitance in pf V CC = supply voltage in V 2. For HC the condition is V I = GND to V CC For HCT the condition is V I = GND to V CC 1.5 V ORDERING INFORMATION See 74HC/HCT/HCU/HCMOS Logic Package Information. December

237 AS Series Current Sense Inductors & Transformers AS Series Current Sensors are designed as a low cost method of controlling, monitoring or measuring AC currents. The sensors serve as feedback elements between the output and pulse control circuitry providing accurate regulation of switch mode power supplies. Features Fully encapsulated for optimal PC board mounting Frequency range from 20kHz to 200kHz Primary current rating to 30 Amps Primary to secondary isolated to 2500 VAC Meets VDE norms Optimum performance over designated current and frequency range Competitive pricing due to high volume production Manufactured in an ISO-9001:2000, TS-16949:2002 and ISO-14001:2004 certified facility Fully RoHS compliant Applications Isolated current feed-back signal in Switch Mode Power Supplies Motor current load/overload Lighting Switch Controls Ultra-sound current High resolution sonar current Isolated bi-directional current sensor with full wave bridge rectifier Electrical Specifications at 25 C Part Number Prim./Sec. L (1) Sec. Term. 2) s ec DCRse c I (3) Resistance sec V olt µs (4) Ratio (mh Min) (Ohms Max.) Max. Max. (Ohms Nom.) AS-100 1: mA 175 AS-101 1: mA 350 AS-102 1: mA 700 AS-103 1: mA 900 AS-104 1: mA 1500 AS-105 1: mA 3750 AS-110 1:50CT / mA 175 AS-111 1:100CT / mA 350 AS-112 1:200CT / mA 700 AS-113 1:300CT / mA 900 AS-114 1:500CT / mA 1500 AS-115 1:750CT / mA 3750 Schematic Notes: 1) L sec : Secondary inductance tested at 10kHz and 10mV for 1:50 through 1:500 Prim./Sec. ratios and 1kHz/10mV for Prim./Sec. ratio of 1:750 2) This nominal termination resistance value will yield approximately 1.0V of output for each amp of current in a single turn sense line. The output Voltage/Ampere of these devices can be increased or decreased linearly over a restricted temperature range by adjusting the terminating resistance. 3) For Prim./Sec. Ratios of 1:50 through 1:500, the I sec value corresponds to a maximum primary current of 15 Amp-turns rms while the Isec value for the ratio of 1:750 corresponds to a max. primary current of 30 Amp-turns rms. 4) VµS = R t x Is x 1 2F Rt (Ohms): Recommended Terminating Resistance Is (A): Secondary Current F (Hz): Frequency 5) Operating Temperature Range: -40 C to +120 C 6) Pin 2 is on Center-Tapped (CT) versions only TALEMA ASXXX x (0.250) Primary Sense Current THE TALEMA GROUP World Wide Toroidal Specialists (06-06) AS Series

238 FERROXCUBE DATA SHEET E42/21/15 E cores and accessories Supersedes data of September Sep 01

239 Ferroxcube E cores and accessories E42/21/15 CORE SETS Effective core parameters SYMBOL PARAMETER VALU E UNIT Σ(I/A) core factor (C1) mm 1 V e effective volume mm 3 I e effective length 97.0 mm A e effective area 178 mm 2 A min minimum area 175 mm 2 m mass of core half 44 g handbook, halfpage R R2 21 ± CBW048 Dimensions in mm. Fig.1 E42/21/15 core half. Core halves A L measured in combination with a non-gapped core half, clamping force for A L measurements 40 ±20 N, unless stated otherwise. GRADE A L (nh) 2008 Sep µ e TOTAL AIR GAP (µm) TYPE NUMBER 3C ±5% (1) E42/21/15-3C81-E ±5% (1) E42/21/15-3C81-E ±5% (1) E42/21/15-3C81-E ±5% E42/21/15-3C81-A ±8% E42/21/15-3C81-A ±15% E42/21/15-3C81-A ±25% E42/21/15-3C81 3C ±5% (1) E42/21/15-3C90-E ±5% (1) E42/21/15-3C90-E ±5% (1) E42/21/15-3C90-E ±5% E42/21/15-3C90-A ±8% E42/21/15-3C90-A ±15% E42/21/15-3C90-A ±25% E42/21/15-3C90 3C ±25% E42/21/15-3C91 3C ±25% E42/21/15-3C92 3C ±25% E42/21/15-3C94

240 Ferroxcube E cores and accessories E42/21/15 GRADE 3C ±25% E42/21/15-3C95 3F3 100 ±5% (1) E42/21/15-3F3-E ±5% (1) E42/21/15-3F3-E ±5% (1) E42/21/15-3F3-E ±5% E42/21/15-3F3-A ±8% E42/21/15-3F3-A ±15% E42/21/15-3F3-A ±25% E42/21/15-3F3 Note 1. Measured in combination with an equal gapped core half, clamping force for A L measurements, 40 ±20 N. Properties of core sets under power conditions B (mt) at Note 1. Measured at 60 C. A L (nh) µ e TOTAL AIR GAP (µm) CORE LOSS (W) at TYPE NUMBER GRADE H = 250 A/m; f = 25 khz; f=100khz; f = 100 khz; f = 100 khz; f = 400 khz; f = 25 khz; Bˆ = 200 mt; Bˆ = 100 mt; Bˆ =200mT; Bˆ = 200 mt; Bˆ =50mT; T = 100 C T = 100 C T = 100 C T=25 C T=100 C T = 100 C 3C C C (1) 7.0 1) 3C C C F Sep

241 Ferrites and accessories ETD 39/20/13 Core and accessories Series/Type: B66363, B66364 Date: September 2006, December 2008 %BUB4IFFU EPCOS AG Reproduction, publication and dissemination of this data sheet, enclosures hereto and the information contained therein without EPCOS prior express consent is prohibited.