Βασικά στοιχεία για τα τροφοδοτικά

Τα τροφοδοτικά είναι ηλεκτρονικές διατάξεις που μετασχηματίζουν την εναλλασσόμενη τάση του δικτύου ηλεκτρισμού σε συνεχή τάση DC γενικά μικρότερης τιμής η οποία είναι αναγκαία για την λειτουργία των ηλεκτρονικών συσκευών. Ένα τυπικό τροφοδοτικό παρέχει τάση DC η οποία είναι ανεξάρτητη από την τάση του εναλλασσόμενου στην είσοδο του. Η τάση εξόδου ενός τροφοδοτικού τάσης είναι ανεξάρτητη από το ρεύμα που τραβά το φορτίο το οποίο είναι συνδεμένο στο τροφοδοτικό.

Τα μοντέρνα τροφοδοτικά είναι περισσότερο σύνθετα, τα οποία παρέχουν ευσταθείς τάσεις εξόδου που ρυθμίζονται από κυκλώματα ανάδρασης. Επιπλέον πολλά τροφοδοτικά περιέχουν κυκλώματα αυτομάτου ελέγχου για προστασία από καταστάσεις υπέρτασης.

Επειδή τα τροφοδοτικά συνδέονται σε τάση δικτύου, στη φάση του σχεδιασμού ή την επισκευή ενός τροφοδοτικού, θα πρέπει να είμαστε πολύ προσεκτικοί, διότι οι υψηλές τάσεις στα τροφοδοτικά είναι ικανές να προκαλέσουν ηλεκτροπληξία και μπορεί να σκοτώσουν. Ο αρθρογράφος συνιστά την προσοχή σας, ο οποίος δεν έχει ευθύνη για τυχόν τραυματισμό ή βλάβη στον εξοπλισμό.

Ένα παραδοσιακό τροφοδοτικό αποτελείται: από τον μετασχηματιστή που μετατρέπει την εναλλασσόμενη τάση του δικτύου που εφαρμόζεται στο πρωτεύον, στην κατάλληλη AC τάση στο δευτερεύον. Στη συνέχεια αυτή η AC τάση μετατρέπεται σε κυμαινόμενη συνεχή DC τάση, από το κύκλωμα ανόρθωσης. Ακολουθεί το φίλτρο που σκοπό έχει να εξαλείψει, όσο το δυνατόν την κυμάτωση της τάσης μετά τον ανορθωτή. Το τελευταίο στάδιο είναι το κύκλωμα σταθεροποιητή που αφαιρεί πλήρως την κυμάτωση και δίνει την επιθυμητή τιμή της DC τάσης, στην έξοδο του.

Μετασχηματιστές

Οι μετασχηματιστές είναι συσκευές που αποτελούνται από δυο τυλίγματα – πηνία, μέσα σε κοινό σιδηρομαγνητικό πυρήνα. Τα τυλίγματα είναι ηλεκτρικά μονωμένα μεταξύ τους. Τάση εξ επαγωγής αναπτύσσεται στο δευτερεύον τύλιγμα αν εφαρμοστεί εναλλασσόμενη τάση στο πρωτεύον τύλιγμα.

Ένα τυπικό τροφοδοτικό περιέχει και από ένα μετασχηματιστή. Το πρωτεύον τύλιγμα συνδέεται στο ηλεκτρικό δίκτυο και ανάλογα τον αριθμό των σπειρών των τυλιγμάτων παίρνουμε την επιθυμητή εναλλασσόμενη τάση στο δευτερεύον. Ο μετασχηματιστής πρέπει να κατασκευάζεται στη σωστή ισχύ τέτοια ώστε να μπορεί να παρέχει το ζητούμενο ρεύμα στο φορτίο για την συγκεκριμένη τάση εξόδου. Σε διαφορετική περίπτωση ο μετασχηματιστής θα υπερθερμανθεί και θα καταστραφεί και για αυτό το λόγο θα τρέπει να παίρνουμε μέτρα προστασίας, όπως η τοποθέτηση ασφάλειας σε σειρά με το πρωτεύον.

Ανορθωτές

Η λειτουργία των τροφοδοτικών βασίζεται στη μετατροπή της εναλλασσόμενης τάσης από το δευτερεύον του μετασχηματιστή  σε συνεχή, με χρήση κυκλωμάτων που αποτελούνται από διόδους ημιαγωγών. Υπάρχουν τρεις τύποι κυκλωμάτων ανορθωτών με χρήση διόδων. Κάθε ένας από αυτούς τους τύπους ανορθωτών περιγράφεται στην συνέχεια.

Ανόρθωση μισού κύματος

Μια απλή δίοδος ημιαγωγού μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να πάρουμε μια DC τάση από μια AC τάση από το δευτερεύον ενός μετασχηματιστή, όπως φαίνεται στο σχήμα. Η DC τάση που παίρνουμε με μια δίοδο είναι η χειρότερη περίπτωση σε σχέση με άλλα κυκλώματα. Σε αυτόν τον τύπο ανόρθωσης έχουμε χαμηλή απόδοση και μεγάλη κυμάτωση.

Ο ανορθωτής μισού κύματος άγει μόνο στο μισό κάθε κύκλου της εναλλασσόμενης τάσης, απομονώνοντας το άλλο μισό του κύκλου, με έξοδο όπως φαίνεται στο σχήμα. Από τα μαθηματικά προκύπτει ότι η μέση τιμή της DC τάσης στην έξοδο του ανορθωτή μισού κύματος είναι ίση με V_pk x 0,318 όπου V_pk το πλάτος (κορυφή) κάθε παλμού. Αυτή η μέση τιμή είναι προσεγγιστική, διότι το πλάτος κάθε μισού κύκλου στο οποίο η δίοδος άγει μειώνεται κατά 0,6V. Αυτή η μείωση πλάτους είναι ασήμαντη όταν έχουμε μεγάλες τάσεις AC και υπολογίσιμες για μικρές AC τάσεις που εδώ, γι’ αυτό το λόγο, θα πρέπει η AC τάση στο δευτερεύον να είναι αυξημένη.

Η ανόρθωση μισού κύματος δεν είναι αποδοτική όταν το τροφοδοτικό παράγει DC τάσεις από εναλλασσόμενες τάσεις συχνότητας 50Ηz ή 60Ηz για το λόγο ότι υπάρχει μεγάλο κενό μεταξύ των παλμών, με αποτέλεσμα να γίνεται δύσκολη η αφαίρεση της κυμάτωσης.

Ανόρθωση πλήρους κύματος

Ανόρθωση πλήρους κύματος παίρνουμε όταν το δευτερεύον του μετασχηματιστή έχει μεσαία λήψη και κάθε άκρο του συνδέεται και από μία δίοδο. Η μεσαία λήψη παράγει δυο AC τάσεις με διαφορά φάσης 180⁰ μοίρες. Κάθε μια από αυτές τις AC τάσεις ανορθώνεται από μια δίοδο σε τύπο μισού κύματος. Κάθε δίοδος άγει εναλλάξ σε κάθε μισό της AC τάσης με αποτέλεσμα να έχουμε δυο DC παλμούς σε κάθε κύκλο της AC τάσης. Η συχνότητα των DC παλμών εξόδου είναι διπλάσια της AC τάσης των τυλιγμάτων του μετασχηματιστή.

Από τα μαθηματικά βρίσκουμε ότι η μέση τιμή των DC παλμών στην έξοδο είναι V_pk x 0,637 όπου V_pk η τάση κορυφής ή το πλάτος των παλμών. Αν και ο ανορθωτής πλήρους κύματος είναι περισσότερος αποδοτικός από εκείνο του μισού κύματος, έχει το μειονέκτημα να απαιτεί μεσαία λήψη στο δευτερεύον του μετασχηματιστή.

Ανορθωτής τύπου γέφυρας

Ο ανορθωτής πλήρους κύματος τύπου γέφυρας χρησιμοποιεί τέσσερις διόδους διατεταγμένες σαν γέφυρα όπως δείχνεται στο σχήμα, για να δώσει ανορθωμένη τάση πλήρους κύματος χωρίς τη χρήση μεσαίας λήψης στο δευτερεύον του μετασχηματιστή. Ο ανορθωτής γέφυρας μπορεί να υλοποιηθεί είτε με ξεχωριστές διόδους είτε με μια συσκευασία συμπαγούς ανορθωτή.

Οι διαδρομές του ρεύματος στο θετικό και αρνητικό κύκλο της εναλλασσόμενης τάσης δείχνονται στο σχήμα. Όπως φαίνεται στα σχήματα, το κάθε μισό της εναλλασσόμενης τάσης οδηγεί το κατάλληλο απέναντι ζευγάρι διόδων, το οποίο άγει κάθε στιγμή, αλλά όπως δείχνεται το ρεύμα μέσα στο φορτίο έχει την ίδια φορά και για τα δυο μισά της εναλλασσόμενης τάσης.