8.1 Εισαγωγή
Όλες σχεδόν οι σύγχρονες ηλεκτρονικές συσκευές εργάζονται τροφοδοτούμενες με συνεχή τάση (dc). Η τροφοδοσία αυτή επιτυγχάνεται παίρνοντας την εναλλασσόμενη (ac) τάση του δικτύου 220 V/50 Hz και συνήθως υποβιβάζοντά την τη μετατρέπουμε σε dc. Οι διατάξεις που επιτελούν αυτή τη λειτουργία ονομάζονται τροφοδοτικές διατάξεις η απλώς τροφοδοτικά.
Ορισμένοι μετατροπείς, όπως οι φωτοπολλαπλασιαστές και οι ανιχνευτές ιονισμού, χρειάζονται dc τάσεις τροφοδοσίας από εκατοντάδες έως χιλιάδες βολτ (kV), αλλά πολύ μικρά ρεύματα, συνήθως μικρότερα του mA (μιλλιαμπέρ). Άλλες διατάξεις, όπως π.χ. τα τρανζίστορ και τα ολοκληρωμένα κυκλώματα (IC), εργάζονται συνήθως με τάσεις τροφοδοσίας από 3 έως 30 V και ρεύματα από μερικά mA έως αρκετά Α (αμπέρ).
Η σταθερότητα της τάσης τροφοδοσίας, που τροφοδοτεί την ηλεκτρονική συσκευή, παίζει συχνά σημαντικό ρόλο, γιατί καθορίζει και τη σταθερότητα λειτουργίας της συσκευής.
Σήμερα υπάρχουν διάφοροι τύποι τροφοδοτικών. Ορισμένοι από αυτούς βασίζονται στο κλασσικό σχήμα ανόρθωσης συνδυασμένης με φίλτρα εξομάλυνσης. Ανάπτυξη αυτού του σχήματος γίνεται με τη χρήση ειδικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων τροφοδοσίας. Επίσης, σε διάφορες εφαρμογές χρησιμοποιούνται τα λεγόμενα παλμοτροφοδοτικά. Τέλος, όταν οι απαιτούμενες ισχείς δεν είναι μεγάλες, χρησιμοποιούνται τόσο μετατροπείς DC/DC όσο και μετατροπείς AC/DC. Αξίζει επίσης να σημειωθεί, ότι για την επίτευξη σταθερής τάσης εξόδου dc, είναι σήμερα σε χρήση διάφοροι σταθεροποιητές. Τα παραπάνω θέματα θα μας απασχολήσουν στις ενότητες που ακολουθούν.
8.2 Βασικές βαθμίδες ενος τροφοδοτικού
Το Σχ.8.1 δείχνει το δομικό διάγραμμα ενός συνήθους τροφοδοτικού και τις διάφορες βαθμίδες που χρειάζονται για τη μετατροπή της ac τάσης σε dc. Το σχήμα δείχνει και τις διάφορες κυματομορφές κάθε βαθμίδας.
Η πρώτη βαθμίδα είναι ένας μετασχηματιστής ισχύος που μετατρέπει το πλάτος της διαθέσιμης τάσης εισόδου ac, π.χ. τα 220 V του δικτύου, στην επιθυμητή ac τάση (με υποβιβασμό η ανύψωση). Η δεύτερη βαθμίδα είναι ένας ανορθωτής ο οποίος μετατρέπει το ac σήμα της ήδη τροποποιημένης τάσης εισόδου σε συρμό ανορθωμένων παλμών τάσης ή παλμοτάση dc. Στη συνέχεια η dc παλμοτάση μετατρέπεται πλήρως σε dc από ένα φίλτρο εξομάλυνσης. Η επόμενη βαθμίδα είναι ο σταθεροποιητής τάσης, ο οποίος βελτιώνει τη dc τάση εξόδου, δηλαδή υποβιβάζει την κυμάτωση. Τέλος, αρκετές ηλεκτρονικές διατάξεις τροφοδοσίας έχουν και ένα διαιρέτη τάσης που δίνει διάφορες στάθμες dc τάσης, οι οποίες χρησιμοποιούνται στα διάφορα τμήματα των τροφοδοτούμενων συσκευών.
8.2.1 Ποιοτικά Χαρακτηριστικά μιας Τάσης Τροφοδοσίας
Για να είναι ιδανική η dc τάση που παράγεται από ένα τροφοδοτικό πρέπει να έχει τα εξής χαρακτηριστικά:
1. Σταθερή dc στάθμη ανεξάρτητη από τις απαιτούμενες μεταβολές του ρεύματος του φόρτου, δηλ. καλή ρύθμιση και χαμηλή αντίσταση εξόδου.
2. Σταθερή χρονικά τιμή ανεξάρτητη από τυχόν μεταβολές της θερμοκρασίας, της τάσης ac του δικτύου, της ηλικίας των στοιχείων του, κτλ. (καλή σταθερότητα).
3. Να μην ενέχει τάση θορύβου ή άλλη ac συνιστώσα στη συχνότητα κυμάτωσης (γενικά, μικρή κυμάτωση).
Εξάλλου, ο όγκος του τροφοδοτικού πρέπει να είναι όσο το δυνατό
μικρότερος και η αποδοσή του του όσο το δυνατό μεγαλύτερη.
8.3 Ημιανόρθωση
Η απλούστερη δυνατή διαδικασία που μπορεί να οδηγήσει σε παραγωγή dc τάσης από ac είσοδο είναι η ημιανόρθωση. Το τυπικό βασικό κύκλωμα της ημιανόρθωσης εικονίζεται στο Σχ.8.2.
Η ανάλυση της λειτουργίας του κυκλώματος αυτού έχει ως εξής:
Το δευτερεύον του μετασχηματιστή Μ δίνει εναλλασσόμενη τάση, 50 Hz κατάλληλης τιμής πλάτους ώστε τελικά να παράγεται η επιθυμητή dc τάση. Κατά τη θετική ημιπερίοδο, η τάση του δευτερεύοντος κάνει την άνοδο της διόδου D πιο θετική από την κάθοδο κι έτσι η δίοδος άγει.
Κατά την αρνητική ημιπερίοδο, η τάση του δευτερεύοντος είναι τέτοια ώστε η άνοδος της διόδου να είναι αρνητική ως προς την κάθοδο και η δίοδος δεν άγει (θεωρούμε αμελητέο το ανάστροφο ρεύμα). Αρα, το ρεύμα που κυκλοφορεί μέσω της διόδου και της αντίστασης φόρτου RL κυκλοφορεί κατά τη μία μόνο φορά και συνεπώς είναι dc ρεύμα (με τη γενική έννοια του όρου), μολονότι δεν είναι σταθερά συνεχές αλλά παλμόρευμα. Το παλμόρευμα αυτό αναπτύσσει στα άκρα της RL μια dc παλμοτάση (ημια-ανορθωμένη), όπως δείχνει το Σχ.8.2. Επειδή σε κάθε αρνητική ημιπερίοδο, που διαρκεί επί χρόνο 10 ms (T=1/f=1/50=20 ms), δεν κυκλοφορεί ρεύμα, η ισχύς που αναπτύσσεται στο φόρτο είναι αρκετά μικρή.
Η ενεργός αντίσταση ορθής φοράς της ανορθώτριας διόδου, rf, δεν είναι σταθερή αλλά εξαρτάται από το στιγμιαίο ρεύμα της διόδου ID, κατά τη σχέση rf ~= 25/ID (το rf σε Ω αν το ID σε mA). Έτσι, μπορούμε να υπολογίζουμε τη στιγμιαία ισχύ απωλειών του ημιανορθωτή από τον τύπο
Τα κύρια πλεονεκτήματα του ημιανορθωτή είναι το χαμηλό κόστος και η απλότητα της κατασκευής του και τα μειονεκτήματά του το μεγάλο μέγεθος μετασχηματιστή, οι αυστηρές απαιτήσεις φιλτραρίσματος, το χαμηλό ρεύμα εξόδου και η πενιχρή δυνατότητα ρύθμισης της τάσης εξόδου.
