Ιατρικά Ηλεκτρονικά Δρ. Π. Ασβεστάς Τμήμα Μηχανικών Βιοϊατρικής Τεχνολογίας Τ.Ε Χρήσιμοι Σύνδεσμοι Σημειώσεις μαθήματος: http://medisp.bme.teiath.gr/eclass/courses/tio127/ E mail: pasv@teiath.gr 2 1
Σταθεροποιητές Τάσης Γενικά Τα περισσότερα κυκλώματα απαιτούν μία ή περισσότερες dc τάσεις τροφοδοσίας για να λειτουργήσουν. Για παράδειγμα, ένας τελεστικός ενισχυτής χρειάζεται συνήθως δύο συμμετρικές τάσεις τροφοδοσίας (π.χ. 9 V). Επίσης, ένα κύκλωμα μπορεί να περιλαμβάνει εξαρτήματα που απαιτούν διαφορετικές τάσεις τροφοδοσίας (π.χ. ένας ενισχυτής οργανολογίας που χρειάζεται 9 V και ένας μικροελεγκτής που χρειάζεται 5 V). 3 Σταθεροποιητές Τάσης Γενικά Γενικά, υπάρχουν δύο περιπτώσεις: 1. Υπάρχει διαθέσιμη μία σταθερή dc τάση τροφοδοσίας (π.χ. από μία μπαταρία ή από ένα τροφοδοτικό) και χρειάζεται η μετατροπή της σε κάποια άλλη τιμή. 2. Η dc τάση τροφοδοσίας χρειάζεται να παραχθεί από το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας. Στην περίπτωση αυτή, η εναλλασσόμενη τάση (πλάτος 230 V RMS και συχνότητα 50 Hz) του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας υποβιβάζεται από έναν μετασχηματιστή, ανορθώνεται μέσω μίας γέφυρας διόδων και εξομαλύνεται με έναν πυκνωτή δημιουργώντας μία σχεδόν σταθερή τάση, η οποία όμως περιέχει κυματισμό (ripple). Το τελευταίο βήμα είναι να γίνει απόρριψη του κυματισμού και η μετατροπή της τάσης σε μία σταθερή dc τιμή. 4 2
Σταθεροποιητές Τάσης Γενικά Για παράδειγμα, έστω το τυπικό κύκλωμα ενός τροφοδοτικού με μετασχηματιστή, γέφυρα ανόρθωσης και πυκνωτή εξομάλυνσης. 230 V RMS 50 Hz Μη σταθεροποιημένη τάση 5 Σταθεροποιητές Τάσης Γενικά Ένα τέτοιο κύκλωμα θα παράγει μία μη σταθεροποιημένη τάση της μορφής που δείχνει η εικόνα. 6 3
Σταθεροποιητές Τάσης Γενικά Η προσθήκη ενός σταθεροποιητή τάσης 230 V RMS 50 Hz ΣΤΑΘΕΡΟΠΟΙΗ ΤΗΣ Σταθεροποιημένη τάση 7 Σταθεροποιητές Τάσης Γενικά Θα παράγει μία τάση χωρίς κυματισμό. 8 4
Σταθεροποιητές Τάσης Γενικά Και στις δύο περιπτώσεις, το κύκλωμα αυτό που μετατρέπει μία dc τάση σε μία άλλη dc τάση ή που δέχεται μία τάση με κυματισμό και τη μετατρέπει σε σταθερή τάση ονομάζεται σταθεροποιητής (regulator). Ένας σταθεροποιητής πρέπει να έχει δύο βασικές ιδιότητες: 1. Να παράγει σταθερή τάση εξόδου ανεξαρτήτως των μεταβολών που έχει η τάση εισόδου. 2. Να παράγει σταθερή τάση εξόδου ανεξαρτήτως του ρεύματος φορτίου, δηλαδή του ρεύματος που παράγεται στην έξοδο του σταθεροποιητή. 9 Σταθεροποίηση Γραμμής Η πρώτη ιδιότητα ποσοτικοποιείται στα φύλλα δεδομένων από την παράμετρο που ονομάζεται σταθεροποίηση γραμμής (line regulation) και ορίζεται από την ακόλουθη σχέση: 100% Η παράμετρος αυτή παρέχει την ποσοστιαία μεταβολή της τάσης εξόδου ( ) για συγκεκριμένη μεταβολή της τάσης εισόδου ( ). Προφανώς, είναι επιθυμητό η σταθεροποίηση γραμμής να έχει όσο πιο μικρή τιμή γίνεται. 10 5
Σταθεροποίηση Γραμμής Σταθεροποίηση γραμμής: μία αλλαγή στην τάση εισόδου δεν επηρεάζει σημαντικά την τάση εξόδου ενός σταθεροποιητή. Αλλαγή τάσης εισόδου Πολύ μικρή αλλαγή τάσης εξόδου ΣΤΑΘΕΡΟΠΟΙΗΤΗΣ ΣΤΑΘΕΡΟΠΟΙΗΤΗΣ V IN V ΤΑΣΗΣ OUT V IN ΤΑΣΗΣ V OUT 11 Σταθεροποίηση Γραμμής Πολλές φορές, χρησιμοποιείται και η ακόλουθη σχέση για μα εκφράσει τη σταθεροποίηση γραμμής: / 100% Στην περίπτωση αυτή, οι μονάδες είναι %/V. Για παράδειγμα, σταθεροποίηση γραμμής 0,05%/V σημαίνει ότι η τάση εξόδου αλλάζει κατά 0,05% από την ονομαστική της τιμή όταν η τάση εισόδου αυξάνει ή μειώνεται κατά ένα volt. 12 6
Σταθεροποίηση Γραμμής Παράδειγμα Ένας σταθεροποιητής τάσης έχει ονομαστική τιμή τάσης εξόδου 15 V. Εάν η τάση εισόδου μειωθεί κατά 5 V, η τάση εξόδου μειώνεται κατά 0,25 V. Να υπολογιστεί η σταθεροποίηση γραμμής σε %/V. Λύση Η σταθεροποίηση γραμμής ως ποσοστιαία αλλαγή ανά volt είναι: / 100% 0,25 V/15V 100% 5 V 0,333 %/V 13 Σταθεροποίηση Φορτίου Η δεύτερη ιδιότητα (δηλ. μικρές μεταβολές της τάσης εξόδου σε μεταβολές του ρεύματος φορτίου) ποσοτικοποιείται στα φύλλα δεδομένων από την παράμετρο που ονομάζεται σταθεροποίηση φορτίου (load regulation) και μπορεί να οριστεί από την ακόλουθη σχέση: 100% όπου είναι η τάση εξόδου χωρίς φορτίο (δηλ. ρεύμα εξόδου μηδέν) και είναι η τάση εξόδου με μέγιστο φορτίο (δηλ. με μέγιστο ρεύμα εξόδου). Εναλλακτικά, η σταθεροποίηση φορτίου μπορεί να εκφραστεί ως ποσοστιαία μεταβολή της τάσης εξόδου για κάθε ma που μεταβάλλεται το ρεύμα φορτίου. 14 7
Σταθεροποίηση Φορτίου Σταθεροποίηση φορτίου: μία αλλαγή στο ρεύμα φορτίου δεν επηρεάζει σημαντικά την τάση εξόδου ενός σταθεροποιητή. V IN ΣΤΑΘΕΡΟΠΟΙΗΤΗΣ ΤΑΣΗΣ R L Αλλαγή ρεύματος φορτίου V IN ΣΤΑΘΕΡΟΠΟΙΗΤΗΣ ΤΑΣΗΣ R L Πολύ μικρή αλλαγή τάσης εξόδου 15 Σταθεροποίηση Φορτίου Παράδειγμα Ένα σταθεροποιητής τάσης έχει τάση εξόδου 5 V χωρίς φορτίο ( 0). Όταν υπάρχει πλήρες φορτίο 100 ma, η τάση εξόδου γίνεται 4,95 V. Να υπολογιστεί η σταθεροποίηση φορτίου ως ποσοστιαία αλλαγή από την κατάσταση χωρίς φορτίο στην κατάσταση με πλήρες φορτίο και επίσης ως ποσοστιαία αλλαγή για κάθε ma μεταβολής στο ρεύμα φορτίο. 16 8
Σταθεροποίηση Φορτίου Λύση Η τάση εξόδου χωρίς φορτίο είναι 5 V. Ητάσηεξόδουμεπλήρεςφορτίοείναι 4,95 V. Η ποσοστιαία αλλαγή από την κατάσταση χωρίς φορτίο στην κατάσταση με πλήρες φορτίο είναι 100% 5 V 4,95 V 100% 1,01% 4,95 V Η ποσοστιαία αλλαγή για κάθε ma μεταβολής στο ρεύμα φορτίο. 1,01% 100 ma 0,01 %/ma 17 Σταθεροποίηση με Zener Το πιο απλό κύκλωμα σταθεροποίησης περιλαμβάνει μία αντίσταση και μία δίοδο Zener, όπως δείχνει η εικόνα στην επόμενη διαφάνεια. Μία δίοδος Zener είναι ένα ειδικός τύπος διόδου, ειδικά σχεδιασμένος να παρέχει μία σχεδόν σταθερή τάση όταν πολωθεί ανάστροφα (δηλ. εφαρμοστεί μεγαλύτερη τάση στην κάθοδο από την άνοδο). H τάση που παρουσιάζει μία Zener μπορεί να είναι από 1 V μέχρι 200 V και αποτελεί χαρακτηριστικό της διόδου. Τυπικές τιμές τάσης Zener είναι: 2.7 V, 3.3 V, 3.6 V, 3.9 V, 4.3 V, 4.7 V, 5.1 V, 5.6 V, 6.2V, 6.8 V, 7.5 V, 8.2V, 9.1 V, 10 V κ.λπ. Για να λειτουργήσει σωστά μία δίοδος Zener χρειάζεται να υπάρχει ένα σταθερό ρεύμα της τάξης μερικών ma. Για τον λόγο αυτόν, συνδέεται εν σειρά μία αντίσταση που προσδίδει το απαιτούμενο ρεύμα στη δίοδο. 18 9
Σταθεροποίηση με Zener Κύκλωμα σταθεροποίησης με χρήση διόδου Zener. Σταθερή τάση ή τάση με κυματισμό Φορτίο 19 Σταθεροποίηση με Zener Παράδειγμα Έστω μία τάση εισόδου 9V. Φτιάξτε ένα κύκλωμα σταθεροποίησης με δίοδο Zener που να παράγει τάση 5 V περίπου. Θεωρήστε ότι η δίοδος Zener διαρρέεται από ρεύμα 50 ma και το ρεύμα φορτίου είναι πολύ μικρότερο από ρεύμα της διόδου. Λύση Η πλησιέστερη τιμή τάσης Zener είναι 5,1 V. Αφού, το ρεύμα στη αντίσταση είναι περίπου ίσο με ρεύμα στη δίοδο. Εφαρμόζοντας τον νόμο του Ohm στην αντίσταση προκύπτει ότι: 9 V 5.1 V 50 ma 78Ω 9 V 5 V Φορτίο 20 10
Σταθεροποίηση με Zener Το απλό αυτό κύκλωμα σπάνια χρησιμοποιείται στην πράξη καθώς έχει αρκετά μειονεκτήματα: 1. ΗτάσητηςδιόδουZener(ηοποίαείναικαιητάσηεξόδου)μεταβάλλεται με το ρεύμα ( ) που διαρρέει τη δίοδο. Επομένως, εάν υπάρχει μεταβολή στηντάσηεισόδουήστορεύμαφορτίου( ), τότε θα μεταβληθεί και το ρεύμα στη δίοδο και άρα και η τάση εξόδου. 2. Το ρεύμα στη δίοδο Zener πρέπει να ρυθμιστεί (μέσω της αντίστασης ) σε μία σχετικά μεγάλη τιμή ώστε να εξασφαλιστεί ότι θα υπάρχει ρεύμα στη δίοδο ακόμα και όταν υπάρχει μεγάλο ρεύμα φορτίου. 3. H δίοδος Zener θα πρέπει να αντέχει αρκετή ισχύ. Όμως δίοδοι Zener υψηλής ισχύος είναι δύσκολο να βρεθούν και σπάνια χρησιμοποιούνται στην πράξη. 4. Δεν υπάρχει ευελιξία δημιουργίας αυθαίρετης τάσης εξόδου, καθώς η τάση μίας διόδου Zener έχει συγκεκριμένες διακριτές τιμές. Τα μειονεκτήματα (ειδικά το 2 ο και το 3 ο ) της σταθεροποίησης με Zener γίνονται πιο κατανοητά με το παράδειγμα που ακολουθεί. 21 Σταθεροποίηση με Zener Παράδειγμα Έστω το απλό κύκλωμα σταθεροποίησης με χρήση αντίστασης και Zener, με τάση εξόδου 5,1 V. Η τάση εισόδου έχει τιμή 12 V χωρίς φορτίο ( 0)καιπέφτει στην τιμή 9Vμε μέγιστο ρεύμα φορτίου 1Α. Θεωρούμε ότι θέλουμε να έχουμε ρεύμα στη δίοδο Zener τουλάχιστον 50 ma σε όλες τις περιπτώσεις. Να υπολογιστούν: 1. Η τιμή της αντίστασης. Θεωρήστε ανοχή αντίστασης 1 %. 2. Η διαβάθμιση ισχύος (power rating) της αντίστασης και της διόδου Zener. 22 11
Σταθεροποίηση με Zener Λύση 1. Προφανώς, η χειρότερη περίπτωση συμβαίνει όταν έχουμε το μέγιστο ρεύμα εξόδου 1 Α για 9 V. Τότε, χρειαζόμαστε ένα συνολικό ρεύμα 1,05 Α από την πηγή τροφοδοσίας (1 Α στο φορτίο και 50 ma = 0,05 A στη δίοδο Zener). H τιμή της αντίστασης που πρέπει να χρησιμοποιηθεί είναι: 9 V 5,1 V 3,71 Ω 1,05 A Η πλησιέστερη τιμή αντίστασης ανοχής 1% είναι 3,74 Ω. 23 Σταθεροποίηση με Zener 2. Όταν δεν υπάρχει φορτίο ( 0) (για 12 V), το συνολικό ρεύμα θα περάσει από την αντίσταση και τη δίοδο Zener και θα είναι: 12 V 5,1 V 1,84 A 3,74 Ω Επομένως, η δίοδος Zener θα πρέπει να αντέχει σε ισχύ 5,1 V 1,84 A 9,4 W και η αντίσταση θα πρέπει να αντέχει σε ισχύ 12 V 5,1 V 1,84 A 12.7 W. Οι διαβαθμίσεις ισχύος πρωτίστως για τη Zener (9,4 W), καθώς και για την αντίσταση (12,6 W) είναι απαγορευτικά μεγάλες και δεν είναι εμπορικά διαθέσιμες. 24 12
Σταθεροποιητές Γιανααντιμετωπιστούνταμειονεκτήματααπλούκυκλώματοςμε χρήση διόδου Zener χρησιμοποιούνται ειδικά κυκλώματα, τα οποία ονομάζονται σταθεροποιητές (regulators) και χωρίζονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες: Γραμμικοί σταθεροποιητές (linear regulators) Μεταγωγικοί σταθεροποιητές (switching regulators) Η βασική αρχή λειτουργίας των σταθεροποιητών έχει ως εξής: Υπάρχει μία εσωτερική τάση αναφοράς που δημιουργείται με χρήση βελτιωμένης διόδου Zener (έχει πολύ μικρή ευαισθησία σε μεταβολές του ρεύματος της). Από την τάση αναφοράς παράγεται η επιθυμητή τάση εξόδου. Λαμβάνεται κατάλληλο δείγμα της τάση εξόδου και συγκρίνεται με την τάση αναφοράς. Εάν υπάρξει διαφοροποίηση του δείγματος της εξόδου σε σχέση με την τάση αναφοράς ρυθμίζεται κατάλληλα ένα τρανζίστορ ώστε να την εξαλείψει. 25 Σταθεροποιητές Βασικό μοντέλο σταθεροποιητών. Τάση Εισόδου ΤΑΣΗΣ ΑΝΑΦΟΡΑΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΤΑΣΗΣ ΕΞΟΔΟΥ Τάση Εξόδου Σύγκριση «ΔΕΙΓΜΑΤΟΛΗΨΙΑ» 26 13
Γραμμικοί Σταθεροποιητές Γενική Δομή Η γενική δομή ενός γραμμικού σταθεροποιητή (linear regulator) παρουσιάζεται στη Τάση εισόδου διπλανή εικόνα. Στην ουσία αποτελεί επέκταση του απλού κυκλώματος αντίστασης διόδου Zener. Η δίοδος Zener δεν έρχεται πλέον σε επαφή με το φορτίο, οπότε δέχεται μόνο το απαιτούμενο για τη λειτουργία της ρεύμα. 27 Γραμμικοί Σταθεροποιητές Γενική Δομή Ητάση της Zener αποτελεί την τάση αναφοράς και εφαρμόζεται σε έναν μη αναστρέφοντα ενισχυτή. Η τάση εξόδου του κυκλώματος δίνεται από τη γνωστή σχέση του μη αναστρέφοντος ενισχυτή: 1 Το τρανζίστορ (συνήθως σε συνδεσμολογία Darlington) λειτουργεί ως ενισχυτής ρεύματος εξασφαλίζοντας ότι θα υπάρχει το απαιτούμενο ρεύμα φορτίου στην έξοδο. Τάση εισόδου 28 14
Γραμμικοί Σταθεροποιητές Γενική Δομή Η σταθεροποίηση της τάσης προκύπτει ως εξής: όταν η τάση εξόδου έχει την ονομαστική της τιμής 1, τότε από τις ιδιότητες των Τ.Ε. οι τάσεις στους δύο ακροδέκτες εισόδου (αναστρέφουσα και μη αναστρέφουσα) του Τ.Ε. θα είναι περίπου ίση με την τάση της διόδου Zener ( ). Έστω τώρα ότι για κάποιο λόγο η τάση εξόδου τείνει να μειωθεί, γιατί μειώθηκε για παράδειγμα η τάση εισόδου ή αυξήθηκε το ρεύμα φορτίου. Τότε, μέσω του διαιρέτη τάσης που σχηματίζουν οι και θα μειωθεί και η τάση στην αναστρέφουσα είσοδο του τελεστικού ενισχυτή. Αφού η τάση στη μη αναστρέφουσα είσοδο του Τ.Ε. είναι σταθερή και ίση με, o Τ.Ε. ενισχυτής θα δει μία θετική διαφορά ανάμεσα στους ακροδέκτες εισόδου του και θα αυξήσει την τάση εξόδου. Αυτή η τάση εξόδου, εφαρμόζεται στη βάση του τρανζίστορ, προκαλώντας αύξηση της τάσης του εκπομπού (που είναι και η τάση εξόδου) αντισταθμίζοντας την επιχειρούμενη μείωση. 29 Γραμμικοί Σταθεροποιητές Γενική Δομή Αντίστοιχα, εάν η τάση εξόδου τείνει να αυξηθεί, γιατί αυξήθηκε η τάση εισόδου ή μειώθηκε το ρεύμα φορτίου, τότε, μέσω του διαιρέτη τάσης που σχηματίζουν οι και θα αυξηθεί και η τάση στην αναστρέφουσα είσοδο του τελεστικού ενισχυτή. Ο Τ.Ε. ενισχυτής θα δει μία αρνητική διαφορά ανάμεσα στους ακροδέκτες εισόδου του και θα μειώσει την τάση εξόδου. Αυτή η τάση εξόδου, εφαρμόζεται στη βάση του τρανζίστορ, προκαλώντας μείωση της τάσης του εκπομπού (που είναι και η τάση εξόδου) αντισταθμίζοντας την επιχειρούμενη αύξηση. 30 15
Γραμμικοί Σταθεροποιητές Περιορισμός Ρεύματος Το κύκλωμα σταθεροποίησης που έχει παρουσιαστεί μέχρι τώρα έχει πρόβλημα στην περίπτωση που το ρεύμα φορτίου λάβει αρκετά μεγάλη τιμή. Για παράδειγμα εάν η έξοδος του σταθεροποιητή βραχυκυκλωθεί με τη γη αναφοράς είτε τυχαία ή λόγω αστοχίας υλικού, τότε η ανάδραση θα υποχρεώσει τον Τ.Ε. να παράγει το μέγιστο ρεύμα (20 40 ma). Το ρεύμα αυτό θα διέλθει στη βάση του τρανζίστορ, το οποίο θα πολλαπλασιαστεί με το του τρανζίστορ (για το οποίο μία συντηρητική τιμή βρίσκεται μεταξύ 50 και 250) για να παράγει ένα ρεύμα εξόδου μεταξύ 1 Α και 10 Α. 31 Γραμμικοί Σταθεροποιητές Περιορισμός Ρεύματος Θεωρώντας ότι η τάση εισόδου μπορεί να παράσχει ένα τέτοιο ρεύμα, τότε θα προκληθεί υπερβολική θέρμανση στο τρανζίστορ καθώς και καταστροφή στο συνδεδεμένο φορτίο. Για αυτό τον λόγο οι περισσότεροι σταθεροποιητές έχουν κάποιο κύκλωμα περιορισμού του ρεύματος εξόδου, ώστε να εξασφαλιστεί ότι ακόμα και στη χειρότερη περίπτωση (βραχυκύκλωματηςτάσηςεξόδουμετηγηαναφοράς),το ρεύμα φορτίου δεν θα ξεπεράσει μία μέγιστη τιμή που είναι ανεκτή από το τρανζίστορ. Το κύκλωμα περιορισμού ρεύματος περιλαμβάνει μία αντίσταση και ένα τρανζίστορ, όπως φαίνεται στην επόμενη διαφάνεια. 32 16
Γραμμικοί Σταθεροποιητές Περιορισμός Ρεύματος Γραμμικός σταθεροποιητής με περιοριστή ρεύματος. Τάση εισόδου Περιοριστής ρεύματος 33 Γραμμικοί Σταθεροποιητές Περιορισμός Ρεύματος Έστω το μέγιστο επιτρεπτό ρεύμα φορτίου που αντέχει το τρανζίστορ. Η αντίσταση επιλέγεται ώστε να εμφανίζεται πτώση τάσης στα άκρα της 0,7 V, όταν εμφανιστεί το μέγιστο ρεύμα φορτίου, δηλ.: 0,7 V Όταν το ρεύμα φορτίου είναι μικρότερο από,τότεη πτώση τάσης στα άκρα της αντίστασης θα είναι μικρότερη από 0,7 V. Καθώς η τάση αυτή είναι η τάση μεταξύ βάσης και εκπομπού του τρανζίστορ Q2 και είναι μικρότερη από 0,7 V, το Q2 θα είναι σε αποκοπή (δηλ. σαν να μην υπάρχει στο κύκλωμα) και ο σταθεροποιητής θα λειτουργεί όπως πριν. 34 17
Γραμμικοί Σταθεροποιητές Περιορισμός Ρεύματος Όταν το ρεύμα φορτίου γίνει ίσο με (ή μεγαλύτερο από) τότε η πτώση τάσης στα άκρα της αντίστασης θα είναι περίπου ίση με 0,7 V. Το τρανζίστορ Q2 θα ενεργοποιηθεί και θα αρχίσει να αφαιρεί ρεύμα από τη βάση του τρανζίστορ Q1. Καθώςτορεύμαφορτίουείναιστηνουσίατορεύμαβάσης του Q1 πολλαπλασιασμένο με το του τρανζίστορ (το οποίο είναι μεγάλο), και καθώς μικραίνει το ρεύμα βάσης στο Q1 το ρεύμα φορτίου θα περιοριστεί στην τιμή. 35 Γραμμικοί Σταθεροποιητές Ολοκληρωμένη Μορφή Στην πράξη, κάποιος δεν πρόκειται να κατασκευάσει έναν γραμμικό σταθεροποιητής τάσης με διακριτά στοιχεία, όπως παρουσιάστηκε προηγουμένως. Οι σταθεροποιητές τάσεις διατίθενται σε μορφή ολοκληρωμένου καιαπαιτούντησύνδεσηελάχιστωνεξωτερικώνστοιχείων. Γενικά υπάρχουν οι ακόλουθες κατηγορίες σταθεροποιητών τάσης: Σταθεροποιητές τριών ακροδεκτών σταθερής (μη ρυθμιζόμενης) τάσης εξόδου. Σταθεροποιητές τριών ακροδεκτών ρυθμιζόμενης τάσης εξόδου. Σταθεροποιητές τριών ακροδεκτών σταθερής (μη ρυθμιζόμενης) τάσης εξόδου χαμηλής πτώσης τάσης. Σταθεροποιητές τεσσάρων ακροδεκτών ρυθμιζόμενης τάσης εξόδου χαμηλής πτώσης τάσης. 36 18
Γραμμικοί Σταθεροποιητές 78xx Οι πρώτοι και ίσως πιο γνωστοί σταθεροποιητές σε ολοκληρωμένη μορφή είναι οι σταθεροποιητές της σειράς 78xx, όπου xx συμβολίζει την τάση εξόδου: 7805 (5 V), 7806 (6 V), 7808 (8 V), 7809 (9 V), 7810 (10 V), 7812 (12 V), 7815 (15 V), 7818 (18 V), and 7824 (24 V). Οι σταθεροποιητές έχουν τρεις ακροδέκτες: ακροδέκτης εισόδου, ακροδέκτης εξόδου και ακροδέκτης γη αναφοράς. Συνήθως, το μόνο που χρειάζονται είναι δύο πυκνωτές για παράκαμψη τυχόν ανεπιθύμητων σημάτων στην είσοδο ή στην έξοδο. 37 Γραμμικοί Σταθεροποιητές 78xx Οι σταθεροποιητές αυτοί μπορούν να παράσχουν ρεύμα φορτίου μέχρι 1Aκαι είναι σε συσκευασίες ισχύος (TO 220, DPAK, D 2 PAK). Εάν οι απαιτήσεις σε ρεύμα είναι μικρές (100 ma), τότε μπορούν να χρησιμοποιηθούν οι σταθεροποιητές της σειράς 78Lxx ή LM340Lxx οι οποίοι έρχονται σε συσκευασία TO 92. Για αρνητικές τάσεις εξόδου χρησιμοποιούνται οι σταθεροποιητές 79xx ή 79Lxx (ή LM320Lxx) TO 92 38 19
Γραμμικοί Σταθεροποιητές 78xx Η διπλανή εικόνα παρουσιάζει μία απλοποιημένη μορφή της εσωτερικής δομής των σταθεροποιητών 78xx. Τα τρανζίστορ Q1 και Q2 είναι σε συνδεσμολογία Darlington ώστε να δίνουν μεγάλο ρεύμα εξόδου. Το τρανζίστορ Q3 με την αντίσταση (0,2 Ω) σχηματίζουν τον περιοριστή ρεύματος. Η εσωτερική πηγή βοηθάει ώστε το Q3 να ενεργοποιείται για τάση στη μικρότερη από 0,7 V. Η πηγή ρεύματος χρησιμοποιείται για να παράσχει σταθερό ρεύμα στη δίοδο Zener, ανεξαρτήτως μεταβολών της τάσης εισόδου ( ). 39 Γραμμικοί Σταθεροποιητές 78xx Οι σταθεροποιητές 78xx έχουν ενσωματωμένο εσωτερικά κύκλωμα προστασίας από υπερθέρμανση. Συγκεκριμένα, εάν το ρεύμα φορτίου αυξηθεί αρκετά, ώστε να μεγαλώσει επικίνδυνα η θερμοκρασία του στοιχείου, τότε το στοιχείο θα αρχίζει να μειώνει την τάση εξόδου αυτόματα, ώστε να μειωθεί και το ρεύμα φορτίου και κατά συνέπεια η ισχύς που αναπτύσσεται στο στοιχείο με μορφή θερμότητας. Ένα βασικό χαρακτηριστικό των σταθεροποιητών 78xx είναι ότι η τάση εισόδου πρέπει να είναι περίπου 2 V μεγαλύτερη από την τάση εξόδου. 40 20
Γραμμικοί Σταθεροποιητές 78xx Για παράδειγμα, ο σταθεροποιητής τάσης 7805 απαιτεί τάση εισόδου7vήμεγαλύτερηγιαναπαράγειτηνονομαστική τιμή της τάσης εξόδου (5 V). Εάν η τάση εισόδου είναι μικρότερη από 7 V, η έξοδος θα είναι μικρότερη από 5 V. Αυτή η υποχρεωτική διαφορά μεταξύ τάσης εισόδου και τάσης εξόδου είναι γνωστή ως dropout voltage και οφείλεται στις πτώσεις τάσεις 0,7 V των τρανζίστορ που υπάρχουν στην έξοδο ενός σταθεροποιητή. 41 Γραμμικοί Σταθεροποιητές 78xx Βασικά χαρακτηριστικά σταθεροποιητών 78xx / 79xx. Στοιχείο max (V) nom (V) Ανοχή ( %) typ (ma) max (A) Κόστος ($US) 78L05 35 5 5 3 0,1 0,29 78L15 35 15 4 3 0,1 0,31 7805 35 5 4 5 1,0 0,47 7824 40 24 4 5 1,0 0,49 79L05 35 5 5 2 0,1 0,30 79L15 35 15 4 2 0,1 0,30 7905 35 5 4 3 1,0 0,47 7924 40 24 4 4 1,0 0,56 42 max: Μέγιστη τάση εισόδου. nom: Ονομαστική τιμή τάσης εξόδου. typ: τυπική τιμής ρεύματος λειτουργίας. max: Μέγιστο ρεύμα φορτίου 21
Γραμμικοί Σταθεροποιητές LM317 Μερικές φορές, είναι επιθυμητό να έχουμε μία σταθεροποιημένη τάση η οποία δεν ανήκει στις τυπικές τιμές που προσφέρει η σειρά 78xx (π.χ. 3,3 V). Ή ίσως να χρειάζεται να ρυθμίσουμε την τάση εξόδου με ακρίβεια καλύτερη από 4% που δίνουν οι 78xx. Για τον σκοπό αυτόν, έχουν αναπτυχθεί ειδικά ολοκληρωμένα που προσφέρουν δυνατότητα ρύθμισης της τάσης εξόδου στην επιθυμητή τιμή. Το πιο δημοφιλές τέτοιο ολοκληρωμένο είναι το LM317. Έχει και αυτό τρεις ακροδέκτες (είσοδος, έξοδος) και έναν τρίτο ακροδέκτη ρύθμισης (ADJ), ο οποίος δεν συνδέεται κατ ανάγκη στη γη αναφοράς. Το LM317 ρυθμίζει την τάση εξόδου ώστε να διατηρείται μία σταθερή διαφορά 1,25 V μεταξύ του ακροδέκτη εξόδου και του ακροδέκτη ρύθμισης. 43 Γραμμικοί Σταθεροποιητές LM317 Ο τρόπος χρήσης του ολοκληρωμένου φαίνεται στη διπλανή εικόνα. Το LM317 επιβάλλει τάση 1,25 V στα άκρα της, δημιουργώντας ρεύμα 1,25 Το ρεύμα στον ακροδέκτη ρύθμισης (ADJ) είναι πολύ μικρό (10 100 μα), οπότε σχεδόν όλο το ρεύμα από τη περνάει στη δημιουργώντας πτώση τάση στα άκρα της: 1,25 V Η τάση εξόδου είναι το άθροισμα 1,25 V και,δηλαδή, V Για τις τιμές που δείχνει η εικόνα, η τάση εξόδου είναι 3,3V. 44 22
Γραμμικοί Σταθεροποιητές LM317 Ηελάχιστητιμήτηςτάσηςεξόδουείναι1,25 V. Η αντίσταση μπορεί να αντικατασταθεί από ποτενσιόμετρο ώστε να ρυθμίζεται κατά βούληση η τάση εξόδου. Το LM317 έχει μία ιδιαιτερότητα, καθώς απαιτεί το ρεύμα φορτίου να είναι τουλάχιστον 10 ma. Για να εξασφαλιστεί αυτό επιλέγεται η αντίσταση μεταξύ ακροδέκτη εξόδου και ακροδέκτη ρύθμισης να είναι 124 Ω (ή μικρότερη). Το ρεύμα φορτίου που μπορεί να δώσει το LM317 φθάνει στο 1,5 Α. Παρουσιάζει και αυτό dropout voltage μεταξύ εισόδου και εξόδου της τάξης των 2V. 45 Γραμμικοί Σταθεροποιητές LM317 Απλοποιημένη εικόνα εσωτερικής δομή LM317. 46 23
Γραμμικοί Σταθεροποιητές LM317 Παράδειγμα Να σχεδιαστεί ένα κύκλωμα σταθεροποίησης με χρήση του LM317 με τάση εξόδου που μπορεί να ρυθμιστεί μεταξύ 4 V και 6V. Λύση Αφού στο LM311 το ρεύμα φορτίου πρέπει να είναι τουλάχιστον 10 ma επιλέγουμε τη ίση με 124 Ω. Αφού χρειάζεται ρυθμιζόμενη τάση εξόδου η αντίσταση θα περιλαμβάνει ένα ποτενσιόμετρο. Η αντίσταση ενός ποτενσιόμετρου μεταβάλλεται από 0 Ω μέχρι μία μέγιστη τιμή, έστω. Όμως όταν το ποτενσιόμετρο λάβει την ελάχιστη τιμή του (0 Ω), η τάση εξόδου θα γίνει 1,25 V. 47 Γραμμικοί Σταθεροποιητές LM317 Παράδειγμα Να σχεδιαστεί ένα κύκλωμα σταθεροποίησης με χρήση του LM317 με τάση εξόδου που μπορεί να ρυθμιστεί μέχρι 4 V και 6 V. Λύση (συνέχεια) Επομένως, χρειάζεται να συνδεθεί σε σειρά με το ποτενσιόμετρο μία σταθερή αντίσταση, η οποία θα εξασφαλίζει ότι όταν το ποτενσιόμετρο έχει ρυθμιστεί σε 0 Ω η τάση εξόδου θα είναι 4V, δηλαδή: 1,25 V 1 4V 273 Ω Όταν το ποτενσιόμετρο ρυθμιστεί στη θέση μέγιστη αντίστασης, η τάση εξόδου θα πρέπει να είναι 6 V: 1,25 V 1 6V 200 Ω Άρα θα χρειαστεί ένα ποτενσιόμετρο 200 Ω. 48 24
Γραμμικοί Σταθεροποιητές Τυπικές συσκευασίες σταθεροποιητών. 49 Πηγή: P. Horowitz and W. Hill, The Art of Electronics, 3 rd Edition, Cambridge University Press, New York. Γραμμικοί Σταθεροποιητές Τυπικές συσκευασίες σταθεροποιητών πολύ μεγάλης ισχύος. 50 Πηγή: P. Horowitz and W. Hill, The Art of Electronics, 3 rd Edition, Cambridge University Press, New York. 25
Γραμμικοί Σταθεροποιητές Οι γραμμικοί σταθεροποιητές έχουν τα εξής μειονεκτήματα: 1. Η τάση εξόδου είναι μικρότερη από την τάση εισόδου. Επομένως, εάν είχαμε μία τάση τροφοδοσίας 1,5V (π.χ. από μία μπαταρία ΑΑΑ) και θέλαμε σε ένα κύκλωμα τάση 5V, αυτή δεν θα μπορούσε να δημιουργηθεί από έναν γραμμικό σταθεροποιητή. 2. Σε συνέχεια του προηγούμενου, η τάση εξόδου δεν αρκεί να είναι απλώς μικρότερη από την τάση εισόδου, αλλά πρέπει να είναι συνήθως περίπου 2V χαμηλότερη 1. 51 1 Βέβαια υπάρχουν και σταθεροποιητές με χαμηλότερο dropout voltage, όπως το LT1764 που έχει dropout voltage 0,34V Γραμμικοί Σταθεροποιητές Οι γραμμικοί σταθεροποιητές έχουν τα εξής μειονεκτήματα: 3. Είναι χαμηλήςαπόδοσηςισχύος, δηλαδή ένα μεγάλο τμήμα της ισχύος εισόδου δεν μεταφέρεται στην έξοδο αλλά αναπτύσσεται ως θερμότητα στο στοιχείο. Για παράδειγμα, έστω ο σταθεροποιητής 7805 o οποίος δέχεται τάση εισόδου 12 V και παράγει ρεύμα φορτίο 0,5 A. H ισχύς εισόδου είναι 12 V 0,5A 6W και η ισχύς εξόδου είναι 5V 0,5A 2,5W. Επομένως, η απόδοση ισχύος είναι μόνο 41,2%.Ηυπόλοιπηισχύς 6 W 2,5 W 3,5 W αναπτύσσεται ως θερμότητα στο στοιχείο. Λόγω της αυξημένης θερμότητας που αναπτύσσεται στους γραμμικούς σταθεροποιητές, συνήθως υπάρχει και σύστημα απομάκρυνσής της μέσω ψύκτρας (heat sink). 52 26
Απαγωγή Θερμότητας Το εάν θα χρησιμοποιηθεί ψύκτρα καθορίζεται υπολογίζοντας τη θερμοκρασία που θα αναπτυχθεί στον σταθεροποιητή και συγκρίνοντάς την με τη μέγιστη επιτρεπτή θερμοκρασία που δίνει ο κατασκευαστής. Ο υπολογισμός της θερμοκρασίας γίνεται με χρήση της έννοιας της θερμικής αντίστασης (thermal resistance). Έστω δύο υλικά σε θερμοκρασία και αντίστοιχα με και έστω ηισχύςπουμεταφέρεταιαπότοθερμότεροστοψυχρότερο υλικό με την μορφή θερμότητας. Τότε η θερμική αντίσταση ( ) μεταξύ των δύο υλικών ορίζεται από την ακόλουθη σχέση: Η θερμική αντίσταση έχει μονάδες / καιεκφράζειτηδυσκολία με την οποία μεταφέρεται η θερμότητα ανάμεσα στα δύο υλικά. 53 Απαγωγή Θερμότητας Στα φύλλα δεδομένων των σταθεροποιητών, δίνεται συνήθως η θερμική αντίσταση μεταξύ σταθεροποιητή και περιβάλλοντος ( ), η οποία ορίζεται από την ακόλουθη σχέση: όπου είναι η θερμοκρασία εντός του σταθεροποιητή, είναι η θερμοκρασία του περιβάλλοντος που βρίσκεται ο σταθεροποιητής και είναι η ισχύς που αναπτύσσεται με τη μορφή θερμότητας στον σταθεροποιητή. Επομένως, η θερμοκρασία του σταθεροποιητή μπορεί να υπολογιστεί από την ακόλουθη σχέση: 54 27
Απαγωγή Θερμότητας Για παράδειγμα, έστω ότι ο κατασκευαστής ενός γραμμικού σταθεροποιητή δίνει 120 /W και υπολογίζουμε ότι η ισχύς που αναπτύσσεται σε αυτόν με μορφή θερμότητας είναι 0,5 W. Εάν το στοιχείο είναι κλεισμένο μέσα σε ένα κουτί, όπου μία τυπική θερμοκρασία περιβάλλοντος είναι 50, τότεη θερμοκρασία που θα αναπτυχθεί εντός του σταθεροποιητή θα είναι: 50 120 W 0,5 W 110 Εάν η θερμοκρασία αυτή είναι μεγαλύτερη από τη μέγιστη επιτρεπτή, τότε θα χρειαστεί η τοποθέτηση ψύκτρας στον σταθεροποιητή. 55 Απαγωγή Θερμότητας Η ψύκτρα παρουσιάζει θερμική αντίσταση ( ) με τον περιβάλλον και πρέπει να υπολογιστεί για να επιλεγεί η σωστή ψύκτρα που θα απομακρύνει αποτελεσματικά τη θερμότητα που θα αναπτυχθεί στον σταθεροποιητή. Έχοντας τοποθετήσει την ψύκτρα στον σταθεροποιητή είναι σαν έχουμε συνδέσει σε σειρά τρεις θερμικές αντιστάσεις: : θερμική αντίσταση μεταξύ του εσωτερικού του σταθεροποιητή και της συσκευασίας του σταθεροποιητή. Η τιμή της υπάρχει στο φύλλο δεδομένων του κατασκευαστή του σταθεροποιητή. : θερμική αντίσταση μεταξύ συσκευασίας σταθεροποιητή και ψύκτρας. Είναι μικρή, της τάξης 0,5 /. : θερμική αντίσταση μεταξύ ψύκτρας και περιβάλλοντος. Επομένωςησυνολικήθερμικήαντίστασημεταξύτουεσωτερικούτου σταθεροποιητή είναι το άθροισμα των τριών επιμέρους θερμικών αντιστάσεων ( ). Θέτοντας τη θερμοκρασία ( ) εντός του στοιχείου να είναι λίγο μικρότερη από τη μέγιστη επιτρεπτή, μπορεί να υπολογιστεί η θερμική αντίσταση της ψύκτρας. 56 28
Απαγωγή Θερμότητας Παράδειγμα Έστω ο σταθεροποιητής LM7805. Δέχεται ως τάση εισόδου 9 Vκαιμπορείνααποδώσειρεύμαφορτίου 1 A. Το στοιχείο πρόκειται να λειτουργήσει σε περιβάλλον με θερμοκρασία 50. Από το φύλλο δεδομένων του κατασκευαστή έχουμε ότι: 65 /W 5 /W Μέγιστη επιτρεπτή θερμοκρασία = 125. Χρειάζεται να χρησιμοποιηθεί ψύκτρα; Εάν ναι, να υπολογιστεί ηθερμικήτηςαντίσταση. 57 Απαγωγή Θερμότητας Λύση Η ισχύς που αναπτύσσεται στον σταθεροποιητή με τη μορφή θερμότητας είναι 9V 5V 1 A 4 W. H θερμοκρασία που θα αναπτυχθεί στο στοιχείο (εάν δεν χρησιμοποιήσουμε ψύκτρα) είναι: 50 65 W 4 W 310 Προφανώς η θερμοκρασία αυτή είναι πολύ μεγαλύτερη από την μέγιστη επιτρεπτή. 58 29
Απαγωγή Θερμότητας Λύση Έστω ότι πρόκειται να χρησιμοποιηθεί ψύκτρα με θερμική αντίσταση. Η συνολική θερμική αντίσταση θα είναι: όπου θεωρούμε ότι 0,5 /W. Έστω ότι επιλέγουμε 100 ώστε να είναι αρκετά μικρότερη από τη μέγιστη επιτρεπτή θερμοκρασία (125 ). Τότε θα είναι: 100 50 5 W 0,5 W 4 W 7 W ΜίαψύκτραμετησυγκεκριμένηθερμικήαντίστασηείναιηV2006B από την Assmann WSW Components. 59 Απαγωγή Θερμότητας Συστήματα απαγωγής θερμότητας (ψύκτρες). 60 Πηγή: P. Horowitz and W. Hill, The Art of Electronics, 3 rd Edition, Cambridge University Press, New York. 30