Γενικά για τα τροφοδοτικά
Όλα τα ηλεκτρονικά κυκλώματα χρειάζονται μια πηγή παροχής ισχύος DC. Συνήθως οι ηλεκτρονικές συσκευές διαθέτουν από ένα τροφοδοτικό που μετατρέπει την εναλλασσόμενη τάση του δικτύου σε συνεχή. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται το μπλοκ διάγραμμα ενός τροφοδοτικού:
Μετασχηματιστής: Μετατρέπει την τάση δικτύου στην επιθυμητή τάση AC ώστε να έχουμε το κατάλληλο πλάτος DC. Σημείωση: οι ηλεκτρονικές συσκευές χρειάζονται χαμηλές τάσεις συνεχούς ρεύματος που κυμαίνονται μεταξύ 5V και 12V.
Ανορθωτής: Μετατρέπει την εναλλασσόμενη τάση σε συνεχή που χρειάζονται οι ηλεκτρονικές συσκευές.
Πυκνωτής: Το τροφοδοτικό πρέπει να είναι ικανό να αποθηκεύει ενέργεια. Η αποθήκη ενέργειας απαιτείται για τη μείωση της κυμάτωσης που εμφανίζεται μετά την ανόρθωση. Το εξάρτημα που αποθηκεύει την ενέργεια ονομάζεται πυκνωτής εξομάλυνσης και λειτουργεί με συνεχή τάση.
Σταθεροποιητής: Διατηρεί σταθερή τάση εξόδου ανεξάρτητα από τις μεταβολές της τάσης δικτύου και τις μεταβολές ρεύματος που απορροφούν τα φορτία.
Απλή ανόρθωση
Το βασικό κύκλωμα για την ημιανόρθωση ή την απλή ανόρθωση όπως λέγεται φαίνεται στο παρακάτω κύκλωμα:
Η AC τάση Vi = Vmsinωt που παρέχει ο μετασχηματιστής από το δευτερεύον, η οποία είναι μια ημιτονοειδής τάση με μέγιστη τιμή Vm , εφαρμόζεται στο φορτίο, διαμέσου μιας διόδου σε σειρά μ’ αυτό. Σε όλες σχεδόν τις περιπτώσεις, η τάση Vm είναι πολύ μεγάλη σε σύγκριση με την τάση γονάτου Vγ της διόδου και η αντίσταση της σε κατάσταση ορθής πόλωσης είναι πολύ μικρή σε σύγκριση με την αντίσταση φορτίου, γι’ αυτό θεωρούμε την δίοδο ιδανική.
Κατά τη διάρκεια της θετικής ημιπεριόδου της τάσης Vi η δίοδος είναι ΟΝ και στο κύκλωμα ρέει η πρώτη ημιπερίοδος ενός ημιτονοειδούς ρεύματος με πλάτος Im=Vm/RL , όπου RL η αντίσταση φορτίου. Κατά τη διάρκεια της αρνητικής ημιπεριόδου της τάσης Vi , η δίοδος είναι OFF, έτσι το ρεύμα είναι μηδέν και κατά συνέπεια η τάση στο φορτίο είναι μηδέν. Έτσι στο φορτίο εμφανίζεται μια μεταβαλλόμενη συνεχή τάση. Επειδή υπάρχει ρεύμα μόνο για το μισό της περιόδου, το κύκλωμα ονομάζεται ανορθωτής μισού κύματος.
Όταν συνδέσουμε ένα βολτόμετρο στα άκρα της αντίστασης φορτίου, αυτό θα δείξει τη μέση τιμή της μεταβαλλόμενης συνεχής τάσης στα άκρα της. Εφαρμόζοντας τα μαθηματικά, βρίσκουμε για την μέση τιμή της τάσης φορτίου μια τιμή ίση με Vdc=Vm/π. Για την ενεργό τιμή της τάσης, η οποία ορίζεται σαν εκείνη η τιμή σταθερής τάσης που εμφανίζει το ίδιο ποσό θερμότητας σε μια αντίσταση με τη πραγματική τάση κατά τη διάρκεια μιας περιόδου, όπου μαθηματικά βρίσκεται ίσο με Vrms=Vm/2.
Διπλή ανόρθωση με διόδους
Με τη χρησιμοποίηση δυο διόδων, όπως δείχνει το παρακάτω σχήμα, μπορεί να γίνει διπλή ανόρθωση, στην οποία η μια δίοδος άγει στη θετική ημιπερίοδο, ενώ η άλλη άγει στην αρνητική ημιπερίοδο της AC τάσης εισόδου. Έτσι και στις δυο ημιπεριόδους το ρεύμα ρέει με την ίδια κατεύθυνση στην αντίσταση φορτίου. Για να γίνει αυτό πρέπει τα σήματα στις ανόδους των δυο διόδων να έχουν μεταξύ τους διαφορά φάσης ίση με 1800, πράγμα που μπορεί να γίνει με τη χρησιμοποίηση ενός μετασχηματιστή που έχει μεσαία λήψη στο δευτερεύον.
Εφαρμόζοντας τα μαθηματικά, βρίσκουμε τη μέση τιμή της συνεχούς τάσης της εξόδου, που είναι η ένδειξη ενός βολτομέτρου συνδεδεμένου στην αντίσταση φορτίου, ίση με Vdc=2Vm/π, όπου Vm το πλάτος της τάσης. Επίσης βρίσκουμε την ενεργό τάση της μεταβαλλόμενης συνεχής τάσης της εξόδου, ίση με Vrms=Vm/√2
Συγκρίνοντας τις σχέσεις βλέπουμε ότι η (μέση τιμή της) συνεχή τάσης εξόδου στη διπλή ανόρθωση είναι διπλάσια εκείνης της απλής ανόρθωσης.
Διπλή ανόρθωση με γέφυρα
Είναι δυνατό να πετύχουμε διπλή ανόρθωση με χρήση μετασχηματιστή χωρίς μεσαία λήψη στο δευτερεύον, χρησιμοποιώντας τέσσερις διόδους ανόρθωσης όπως φαίνεται στο σχήμα:
Κατά τη θετική ημιπερίοδο της AC τάσης με πολικότητα όπως φαίνεται στο σχήμα, οι δίοδοι D2 και D4 άγουν. Στην επόμενη αρνητική ημιπερίοδο, η AC τάση του δευτερεύοντος, αλλάζει πολικότητα και άγουν οι δίοδοι D1 και D3. Αποτέλεσμα είναι ότι και στις δυο ημιπεριόδους, το ρεύμα διαρρέει την αντίσταση φορτίου με την ίδια κατεύθυνση, εμφανίζοντας στα άκρα της συνεχή τάση, μέσης τιμής ίση με Vdc=2Vm/π, ένώ η ενεργός τιμή της είναι Vrms=Vm/√2.
Φίλτρα πυκνωτών
Επειδή στην έξοδο του ανορθωτή η τάση αν και είναι συνεχής, παρουσιάζει κυμάτωση, απαιτείται πρόσθετη βαθμίδα φιλτραρίσματος. Ο κύριος τρόπος φιλτραρίσματος πραγματοποιείται με παράλληλη σύνδεση ενός πυκνωτή με το φορτίο. Ο πυκνωτής αποθηκεύει ενέργεια κατά τη διάρκεια της περιόδου που η δίοδος άγει και αποδίδει την ενέργεια στο φορτίο κατα τη διάρκεια της περιόδου που η δίοδος δεν άγει.
Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται ένα κύκλωμα απλής ανόρθωσης που περιλαμβάνει ένα πυκνωτή φιλτραρίσματος.
Κατά τη διάρκεια της θετικής ημιπεριόδου, που η δίοδος άγει, μεταξει των χρονικών στιγμών t1 και t2, ο πυκνωτής φορτίζεται ενώ ταυτόχρονα παρέχεται τάση στο φορτίο. Στο χρονικό διάστημα μεταξύ t2 έως t3 η τάση στο πυκνωτή είναι μεγαλύτερη από την τάση στην έξοδο του ανορθωτή, με αποτέλεσμα η δίοδος να μην άγει, ενώ ταυτόχρονα ο πυκνωτής να εκφορτίζεται δια μέσω της αντίστασης του φορτίου, περιορίζοντας την κυμάτωση.
Επειδή κατά την εκφόρτηση του πυκνωτή, η τάση στα άκρα του μειώνεται εκθετικά, στο φορτίο εμφανίζεται λίγη κυμάτωση, πολύ μικρότερη με εκείνη αν ο πυκνωτής δεν υπήρχε. Για να περιορίσουμε την κυμάτωση περεταίρω, ένας τρόπος είναι μειώνοντας τη διάρκεια εκφόρτισης του πυκνωτή χρησιμοποιώντας διπλή ανόρθωση, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.
Αν η συνολική τάση εκφόρτησης του πυκνωτή (τάση κυμάτωσης) συμβολιστεί με Vr τότε από το σχήμα προκύπτει κατά προσέγγιση η μέση τική της τάσης στο φορτίο ίση με: Vdc = Vm – Vr/2
Αν Τ1 παριστάνει το συνολικό χρόνο που η δίοδος αποκόπτεται, ο πυκνωτής θα χάσει ένα ποσό φορτίου ίσο με Q1=IdcT1. Έτσι για τη μεταβολή της τάσης Vr έχουμε: C=Q1/Vr => Vr=IdcT1/C
Από την προηγούμενη σχέση βλέπουμε ότι, η τάση κυμάτωσης είναι μικρότερη όσο ο χρόνος εκφόρτησης του πυκνωτή είναι μικρότερος και όσο μεγαλύτερη είναι η χωρητικότητα του πυκνωτή. Καταλαβαίνουμε ότι στη διπλή ανόρθωση η κυμάτωση είναι περίπου η μισή από ότι στην απλή ανόρθωση για το λόγο ότι ο χρόνος εκφόρτησης του πυκνωτή εξομάλυνσης πέφτει σχεδόν στο μισό.
Μπορούμε να πετύχουμε καλύτερη εξομάλυνση της κυματομορφής εξόδου, αν χρησιμοποιήσουμε περισσότερα από ένα στοιχεία αποθήκευσης ενέργειας, π.χ. πηνίο με μεγάλη τιμή αυτεπαγωγής σε σειρά με το φορτίο.
Διατάξεις σταθεροποίησης
Για να αποφύγουμε την κύματωση αλλά και να μπορέσουμε να ρυθμίσουμε την τάση εξόδου στο φορτίο, χρησιμοποιούμε διατάξεις σταθεροποίησης με ενεργά εξαρτήματα. Οι διατάξεις σταθεροποίησης χωρίζονται σε δυο κατηγορίες. Στις διατάξεις σταθεροποίησης τάσης, που συμπεριφέρονται σαν πηγές σταθερής τάσης και στις διατάξεις σταθεροποίησης ρεύματος, που συμπεριφέρονται σαν πηγές σταθερού ρεύματος. Στην ιδανική τους μορφή έχουν, οι πρώτες μηδενική εσωτερική αντίσταση και οι δεύτερες άπιρη εσωτερική αντίσταση.
Η σταθεροποίηση της τάσης DC επιτυγχάνεται συνήθως με κατάλληλα κυκλώματα που συνδέονται παράλληλα ή σε σειρά με το φορτίο του τροφοδοτικού ή με κυκλώματα ηλεκτρονικών διακοπτών ελεγχόμενης αγωγιμόπτητας, τα λεγόμενα switching regulators.
Ενα κύκλωμα πλήρους τροφοδοτικού ->
Μπορείτε να δείτε εδώ ένα μεταβλητό τροφοδοτικό 0-30V – 2A