1 Σχ. Έτος: 2012-13 ΣΧΟΛΙΚΗ ΜΟΝΑ Α : 3ο ΕΠΑΛ ΧΑΛΑΝ ΡΙΟΥ Ο ΤΙΤΛΟΣ ΤΗΣ ΕΙ ΙΚΗΣ ΘΕΜΑΤΙΚΗΣ ΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑΣ: ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ MΙΑΣ ΤΡΟΦΟ ΟΤΙΚΗΣ ΙΑΤΑΞΗΣ. ΤΜΗΜΑ : Β ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ. ΥΠΕΥΘΥΝΟΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ : ΠΑΝΑΓΙΩΤΟΠΟΥΛΟΣ ΙΩΑΝΝΗΣ. ΣΥΜΜΕΤΕΧΟΝΤΕΣ ΜΑΘΗΤΕΣ: ΖΑΧΑΡΑΚΗΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΚΑΡΑΚΙΤΣΟΓΛΟΥ ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΚΥΡΙΑΚΙ ΗΣ ΘΕΟ ΩΡΟΣ ΚΥΡΙΟΠΟΥΛΟΣ ΑΝΘΙΜΟΣ ΜΑΝΤΖΑΡΗΣ ΒΥΡΩΝΑΣ ΜΠΡΕΓΚΟΥ ΓΙΑΝΝΗ ΝΑΣΤΟΣ ΗΜΗΤΡΙΟΣ ΝΤΟΥΝΤΟΥΜΗΣ ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ ΠΑΠΑΘΩΜΑΣ ΑΝΑΣΤΑΣΙΟΣ ΣΤΑΘΟΥΚΟΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΤΣΑΒΟ ΑΡΙΣΤΕΙ ΗΣ Στην κατασκευή του µοντέλου του τροφοδοτικού που έγινε στο εργαστήριο της ειδικότητας οι καθηγητές µας : ΜΠΟΥΡΑΝΤΑΝΗΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ και ΙΑΜΑΝΤΙ ΟΥ ΜΑΡΙΑ.
2 ΤΡΟΦΟ ΟΤΙΚΟ Το τροφοδοτικό είναι µία συσκευή που µετατρέπει την υψηλή τάση AC που µας παρέχει το δίκτυο της ΕΗ σε µία κατάλληλη χαµηλότερη ώστε να τροφοδοτήσουµε ηλεκτρονικά κυκλώµατα και συσκευές. Υπάρχουν πολλοί τύποι τροφοδοτικών. Άλλα είναι ενσωµατοµένα στις συσκευές και άλλα ειναι εξωτερικές συσκευές ανεξάρτητες των συσκευών. Ενσωµατοµένα τροφοδοτικά: Τροφοδοτικό PC.
3 Εξωτερικές Συσκευές τροφοδοτικών. Εργαστηριακό τροφοδοτικό.
4 Φορτιστής κινητού τηλεφώνου. Tροφοδοτικό 12 V 4A για κάµερες DVR.
5 Το σύνολο του τροφοδοτικού µπορεί να απεικονιστεί σε µπλοκ διάγραµµα όπως φαίνεται παρακάτω. Θα αρχίσουµε να αναλύουµε την λειτουργία του κάθε µέρους του τροφοδοτικού και στο τέλος θα συνθέσουµε τα µέρη σύµφωνα µε το παραπάνω διάγραµµα γιά να δείξουµε την λειτουργία του τροφοδοτικού.
6 Α. Ο Μετασχηµατιστής. Ο µετασχηµατιστής ρυθµίζει την στάθµη AC µετασχηµατίζοντας την κυρίως τάση (220V) σε µικρότερη ή µεγαλύτερη. Εκµεταλλεύεται τους νόµους της επαγωγής και µετασχηµατίζει τα στοιχεία του ρεύµατος, την τάση V και την ένταση Ι. Λειτουργεί µόνο µε τάση AC και αποτελείται από δύο ή περισσότερα τυλίγµατα (πηνία), το πρωτεύον τύλιγµα (πρωτεύον πηνίο Lp) που τροφοδοτείται από την τάση του δικτύου και το δευτερεύον τύλιγµα (δευτερεύον πηνίο Ls) ή τα δευτερεύοντα τυλίγµατα τα οποία δίνουν µικρότερες ή µεγαλύτερες τάσεις. Τα τυλίγµατα τυλίγονται γύρω από ένα υλικό µε βάση το σίδηρο, που ονοµάζεται πυρήνας του µετασχηµατιστή. Ο πυρήνας βοηθάει τον µετασχηµατισµό αυξάνοντας την αυτεπαγωγή. Αν το δευτερεύον πηνίο δίνει µεγαλύτερη τάση έχουµε µετασχηµατιστές ανύψωσης τάσης. Αν το δευτερεύον πηνίο δίνει µικρότερη τάση έχουµε τους µετασχηµατιστές υποβιβασµού τάσης. Αν τα δευτερεύοντα δίνουν και και µεγαλύτερες και µικρότερες τάσεις από την τάση του δικτύου τότε έχουµε τους µικτούς µετασχηµατιστές. Οι µετασχηµατιστές σπαταλούν πολύ λίγη ενέργεια γιά να λειτουργήσουν οπότε η ενέργεια εξόδου (στο δευτερεύον) είναι σχεδόν ίση µε την ενέργεια εισόδου (στο πρωτεύον). Η απόδοση ενός µετασχηµατιστή φτάνει από 80% µέχρι 95% ενώ το υπόλοιπο είναι απώλειες (δινορεύµατα, υστέρησης, σκέδασης κ.ά.). Η αναλογία των σπειρών κάθε τυλίγµατος καθορίζει τις τάσεις του µεταχηµατιστή. Ένας µετασχηµατιστής υποβιβασµού τάσης έχει πολλές σπείρες στο πρωτεύον τύλιγµα που συνδέεται στην κυρίως τάση (220V), και λίγες σπείρες στο δευτερεύον που παρέχει την χαµηλή τάση εξόδου. Βασικές αρχές. O µετασχηµατιστής βασίζεται σε δύο αρχές: πρώτον, ότι ένα ηλεκτρικό ρεύµα µπορεί να παράγει ένα µαγνητικό πεδίο (ηλεκτροµαγνητισµός) και δεύτερον, ότι ένα µεταβαλλόµενο µαγνητικό πεδίο σε ένα τυλιγµένο σύρµα ("τύλιγµα"), επάγει διαφορά δυναµικού στα άκρα του τυλίγµατος (ηλεκτροµαγνητική επαγωγή). Μεταβάλλοντας το ρεύµα στο πρωτεύον τύλιγµα, αλλάζει η ένταση του µαγνητικού του πεδίου. Εφόσον το µεταβαλλόµενο µαγνητικό πεδίο εκτείνεται και στο δευτερεύον τύλιγµα, επάγεται διαφορά δυναµικού στα άκρα του δευτερεύοντος. Στο σχήµα φαίνεται ένα απλοποιηµένο διάγραµµα µετασχηµατιστή. Ηλεκτρικό ρεύµα περνάει µέσα από το πρωτεύον τύλιγµα δηµιουργώντας
7 µαγνητικό πεδίο. Τόσο το πρωτεύον όσο και το δευτερεύον τύλιγµα περιελίσσονται γύρω από ένα µαγνητικό πυρήνα πολύ υψηλής µαγνητικής διαπερατότητας, π.χ. από σίδηρο. Με αυτόν τον τρόπο εξασφαλίζεται ότι όσο το δυνατόν περισσότερες γραµµές του µαγνητικού πεδίου που παράγει το πρωτεύον ρεύµα, βρίσκονται εντός του πυρήνα και περνούν τόσο από το πρωτεύον όσο και το δευτερεύον τύλιγµα. Εικονική λειτουργία µετασχηµατιστή Vp: Τάση στο πρωτεύον. Vs: Τάση στο δευτερεύον. Νp: Αριθµ.σπειρ.στο πρωτεύον. Νs: Αριθµ. σπειρ. στο δευτερεύον. Ip : Ένταση στο πρωτεύον. Is : Ένταση στο δευτερεύον. Νόµος επαγωγής Το δυναµικό που επάγεται στα άκρα του δευτερεύοντος µπορεί να υπολογιστεί από το νόµο της επαγωγής του Φάραντεϊ, ο οποίος δηλώνει πως: όπου V S είναι η στιγµιαία τάση, N S είναι ο αριθµός των περιελίξεων (στροφών) στο δευτερεύον και Φ η µαγνητική ροή σε µία περιέλιξη του τυλίγµατος.
8 Καθώς σε έναν ιδανικό µετασχηµατιστή η ροή που περνά µέσα τόσο από το πρωτεύον όσο και από το δευτερεύον είναι ίδια, η στιγµιαία τάση στα άκρα του πρωτεύοντος τυλίγµατος ισούται µε: Αν διαιρέσουµε τις δύο πιο πάνω σχέσεις κατά µέλη, παίρνουµε την βασική εξίσωση για την ανύψωση ή τον υποβιβασµό της τάσης: Ιδανική εξίσωση ισχύος. Αν το δευτερεύον είναι συνδεδεµένο σε φορτίο που επιτρέπει την ροή ρεύµατος, τότε έχουµε µετάδοση ισχύος από το πρωτεύον κύκλωµα στο δευτερεύον κύκλωµα. Ιδανικά ο µετασχηµατιστής έχει τέλεια αποδοτικότητα, δηλαδή όλη η εισερχόµενη ενέργεια µεταφέρεται από το πρωτεύον, µέσω του µαγνητικού πεδίου, στο δευτερεύον. Αν αυτή η συνθήκη ισχύει, η εισερχόµενη ηλεκτρική ισχύς πρέπει να ισούται µε την εξερχόµενη ισχύ. δίνοντας την εξίσωση του ιδανικού µετασχηµατιστή:
Εικόνες Μετασχηµατιστών. 9
10 Β. Ο Ανορθωτής. Ο ανορθωτής είναι το πρώτο στάδιο της µετατροπής της εναλλασσόµενης τάσης (AC) σε συνεχή τάση (DC). Ο ανορθωτής είναι συσκευή που είτε αποτελείται από µία δίοδο οπότε και κάνει απλή ανόρθωση ή ηµιανόρθωση, είτε αποτελείται από δύο διόδους ή γέφυρα διόδων (τέσσερεις δίοδοι) οπότε κάνει πλήρη ανόρθωση. Β1. Η απλή ανόρθωση. Χρησιµοποείται µία δίοδος. Η δίοδος δέχεται στην είσοδό της, την εναλλασσόµενη τάση AC (Vs) που προέρχεται από το δευτερεύον πηνίο του µετασχηµατιστή. Η δίοδος άγει µόνο κατά την διάρκεια της θετικής ηµιπεριόδου (Τ/2) της τάσεως Vs. Σε αυτή την περίπτωση υπάρχει ρεύµα µόνο για το µισό της περιόδου (Τ/2). Το κύκλωµα τότε ονοµάζεται ανορθωτής µισού κύµατος. Απεικόνηση της τάσης εξόδου V DC της διόδου σε παλµογράφο. Β2. Η διπλή ανόρθωση µε γέφυρα. Η ανόρθωση µε γέφυρα αποτελείται από 4 διόδους και κυκλοφορεί στον εµπόριο σαν ένα εξάρτηµα αλλά µπορεί επίσης να κατασκευαστεί µε 4 διόδους. Ονοµάζεται ανορθωτής πλήρους κύµατος γιατί οι δίοδοι άγουν ανα δύο σε κάθε ηµιπερίοδο (αρνητική και θετική) του σήµατος εισόδου. Το κύριο χαρακτηριστικό της συγκεκριµένης ανόρθωσης είναι ότι χρησιµοποιείται µετασχηµατιστής χωρίς µεσαία λήψη. Επίσης κάθε δίοδος έχει στα άκρα της κατά την ανάστροφη περίοδο την τάση του µετασχηµατιστή. Η πλήρης ανόρθωση µε γέφυρα είνα η πιό συχνά χρησιµοποιούµενη µέθοδος πλήρους ανορθώσεως σήµερα.
11 Απεικόνηση της τάσης εξόδου V DC της διόδου σε παλµογράφο. Μετασχηµατιστής+Ανορθωτής Μελέτη της διπλής ανόρθωσης. Στην έξοδο της ανορθωτικής γέφυρας, βλέπουµε την ένδειξη (+,-) και ανάµεσα σε αυτήν διαβάζουµε: Έξοδος DC. Στην απεικόνηση όµως του παλµογράφου βλέπουµε να γράφεται µία µεταβαλλόµενη θετική τάση V. Στην πραγµατικότητα λοιπόν στην έξοδο της γέφυρας δεν έχουµε τάση DC. Αν χρησιµοποιήσουµε βολτόµετρο DC, θα µετρήσουµε τιµή V DC = 2 0.318(V m V T )=0.636 (V m V T ) V DC :Είναι η τάση που θα µετρήσει το βολτόµετρο DC. V m :Είναι η µέγιστη τιµή τάσεως που θα µετρήσουµε στην απεικόνηση του παλµογράφου. Είναι γνωστή και ως V pic. V T : 0.7 Volt γιά διόδους πυριτίου (Si) V T : 0.3 Volt γιά διόδους γερµανίου (Ge) Η τάση V DC, είναι η µέση τιµή της µεταβαλλόµενης θετικής τάσης που βλέπουµε να απεικονίζεται στον παλµογράφο.
12 Αν χρησιµοποιήσουµε βολτόµετρο AC, θα µετρήσουµε την ενεργό τιµή της µεταβαλλόµενης θετικής τάσης που συµβολίζεται ως V RMS. V RMS = 0.707 (V m V T ). Η ένταση Ι του ρεύµατος που θα διαρρέει τα κυκλώµατα εξαρτάται πάντα από την αντίσταση φορτίου R L που συνδέεται µε το τροφοδοτικό. Εικόνες ανορθωτριών γεφυρών του εµπορίου.
13 Γ. Η εξοµάλυνση. Η εξοµάλυνση (φιλτράρισµα) επιτυγχάνεται µε ένα ηλεκτρολυτικό πυκνωτή µεγάλης χωρητικότητας συνδεδεµένο παράλληλα µε το φορτίο R L. Γιά την λειτουργία του φίλτρου εξοµάλυνσης αξιοποιούµε την διαδικασία της φόρτισης και της εκφόρτισης του πυκνωτή µέσα απο το φορτίο R L. Ο πυκνωτής αποθηκεύει ενέργεια (γρήγορη φόρτιση) κατά τη διάρκεια της περίοδου αγωγής και την αποδίδει την ενέργεια στο φορτίο (εκφόρτιση) κατά τη διάρκεια της περιόδου µη αγωγής. Η εξοµάλυνση αυξάνει την µέση τάση DC (1.41 x RMS). Για παράδειγµα 12V RMS AC µετά από ανορθωτή πλήρους κύµατος θα µειωθούν περίπου σε 10.6V RMS DC (τα 1.4V θα χαθούν λόγω πτώση τάσης στις διόδους - 0.66V ανά δίοδο πιο συγκεκριµένα). Με την τοποθέτηση του πυκνωτή εξοµάλυνσης θα έχουµε 10.6x1.41=14.9V DC. Το παρακάτω διάγραµµα παρουσιάζει την µη φιλτραρισµένη κυµάτωση DC (διακεκοµένη γραµµή) και την φιλτραρισµένη (έντονη γραµµή). Μετασχηµατιστής+Ανορθωτής+Πυκνωτής Στην έξοδο (άκρα του ηλεκτρολυτικού πυκνωτή), βλέπουµε την ένδειξη (+,-) και ανάµεσα σε αυτήν διαβάζουµε: Έξοδος DC. Στην απεικόνηση όµως του παλµογράφου βλέπουµε να γράφεται µία κυµάτωση θετικής τάσης V. Στην πραγµατικότητα λοιπόν στην έξοδο δεν έχουµε τάση DC. Έχουµε
14 µιά κυµάτωση της τάσεως που λέγεται τάση κυµάτωσης και συµβολίζεται µε V K. Στην πλήρη ανόρθωση µε γέφυρα η τάση κυµάτωσης V K είναι: V K = I DC / 2 F C I DC : Η µέση τιµή ρεύµατος εξόδου. F : Η συχνότητα της τάσης εισόδου. C : Η χωρητικότητα του πυκνωτή. Αν χρησιµοποιήσουµε βολτόµετρο DC, θα µετρήσουµε τιµή Προσοχή V DC = V m - I DC / 4 F C Στούς τύπους υπολογισµού των V K και V DC συµµετέχει η ένταση I DC. I DC είναι η µέση τιµή (DC) του ανορθωµένου ρεύµατος. Ονοµάζεται και συνεχές ρεύµα φόρτου. Συνήθως ορίζεται από τον κατασκευαστή. Ο πυκνωτής C είναι ηλεκτρολυτικός και έχει τιµή έως 500 µf µε τάση λειτουργίας µεγαλύτερη από την τάση V DC που παράγεται στην έξοδο της ανορθωτικής γέφυρας. Εικόνες ηλεκτρολυτικού πυκνωτή.
15. Ο σταθεροποιητής. Οι σταθεροποιητές τάσης είναι ολοκληρωµένα κυκλώµατα (Regulators) προρυθµισµένα σε κάποιες τάσεις εξόδου (συνήθως 5 εώς 24V) και ως µία συγκεκριµένη ένταση ρεύµατος. Οι περισσότεροι σταθεροποιητές περιέχουν κυκλώµατα προστασίας υπερφόρτωσης και υπερθέρµανσης. Αρκετοί σταθεροποιητές έχουν τρεις επαφές ή περισσότερες, µοιάζοντας σαν τρανζίστορ ισχύος, και έχουν και µία τρύπα µε σκοπό να βιδωθούν πάνω σε ψύκτρα εάν είναι απαραίτητο. Είναι σηµαντικό η τάση εισόδου τους να είναι µερικά Volts παραπάνω από την σταθεροποιηµένη τάση εξόδου. Ο ρόλος του σταθεροποιητή είναι να εξαλείφει κάθε κυµάτωση που αποµένει από τον πυκνωτή εξοµάλυνσης και να αποδίδει µία σταθερή τάση εξόδου. Πλέον η τάση εξόδου του σταθεροποιητή είναι κατάλληλη για να τροφοδοτήσουµε οποιαδήποτε συσκευή ή κύκλωµα. Μετασχηµατιστής+Ανορθωτής+Πυκνωτής+Σταθεροποιητής Εικόνα ολοκληρωµένουκυκλώµατος σταθεροποιητή.
16 Ε. Χτίζοντας ενα σταθεροποιηµένο τροφοδοτικό 5V. Ε1. Θεωρητικό σχέδιο τροφοδοτικού. Στο παραπάνω θεωρητικό σχέδιο αναγράφονται τα επι µέρους στοιχεία του τροφοδοτικού µε αγγλική ορολογία, καθώς και οι τιµές των εξαρτηµάτων από τα οποία αυτό αποτελείται. Ε2. Τοποθέτηση εξαρτηµάτων σε δοκιµαστική πλακέτα (κάτοψη).
17 Μετατροπή Τροφοδοτικού PC σε Τροφοδοτικό Εργαστηρίου. Εξωτερική εικόνα του τροφοδοτικού Τα τροφοδοτικά για Η/Υ κοστίζουν από 25 Euro και άνω. Τα τροφοδοτικά για εργαστήριο κοστίζουν από 70 Euro και άνω. Έτσι µπορεί κάποιος να µετατρέψει ένα τροφοδοτικό PC (ΑΤΧ Power) από έναν παρατηµένο Η/Υ σε ένα σταθεροποιηµένο τροφοδοτικό εργαστηρίου, το οποίο θα έχει δυνατότητες να παράγει υψηλές εξόδους σε Ρεύµα, προστασία από βραχυκυκλώµατα και ακριβής σταθεροποιηµένη τάση. Αυτά όλα είναι αποτέλεσµα από αυτά που προβλέπονται από ένα τροφοδοτικό για PC και φυσικά αυτό εµείς θα το εκµεταλευτούµε. Ένα τυπικό τροφοδοτικό ΑΤΧ έχει της εξής βασικές επαφές +3.3V (Πορτοκαλί Καλώδιο ), +5 (Κόκκινο Καλώδιο), -5 (Λευκό Καλώδιο), +12 (Κίτρινο Καλώδιο), -12 (Μπλέ Καλώδιο) Γείωση (Μαύρο) και διακόπτης on/off (Πράσσινο Καλώδιο).
18 Στο παρακάτω πίνακα φαίνονται αναλυτικά τα χρώµατα των καλωδίων και οι λειτουργίες αυτών: ΠΟΡΤΟΚΑΛΙ +3.3 V ΚΙΤΡΙΝΟ +12 V ΜΠΛΕ -12 V ΚΟΚΚΙΝΟ +5 V ΑΣΠΡΟ -5 V (Ενδεχωµένως να είναι απών στα καινούρια τροφοδοτικά) ΜΑΥΡΟ GND ΠΡΑΣΙΝΟ POWER-ON (Πρέπει να βραχυκυκλωθεί µε την Γείωση για να Ξεκινήσει το PC) ΓΚΡΙ POWER-OK ΜΩΒ +5 V STANDBY ΚΑΦΕ +3.3 V REMOTE SENSING
Εσωτερική εικόνα του τροφοδοτικού. 19