8.11 Μετατροπέας DC/DC
Μερικές φορές επιθυμούμε να μετατρέψουμε μια στάθμη dc τάσης σε μια άλλη στάθμη πάλι dc. Π.χ. αν έχουμε ένα σύστημα που έχει θετική τάση τροφοδοσίας +5, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε ένα μετατροπέα DC/DC και να μετατρέψουμε αυτά τα +5 V σε μια τάση εξόδου +15 V. Με αυτό τον τρόπο θα έχουμε διαθέσιμες δύο τάσεις τροφοδοσίας για την ηλεκτρονική συσκευή, δηλ. +5 και +15 V.
Οι μετατροπείς DC/DC έχουν μεγάλη απόδοση. Αυτό οφείλεται στο ό,τι, σε αυτούς, τα τρανζίστορ εργάζονται ως διακόπτες (on-off), οπότε η ισχύς απωλειών υποβιβάζεται σημαντικά. Η τυπική απόδοση των μετατροπέων αυτών κυμαίνεται από 65 έως 85%. Μια μεγάλη κατηγορία μετατροπέων DC/DC συνήθως ονομάζονται και παλμοτροφοδοτικά (βλέπε παρακάτω).
8.11.1 Μετατροπείς DC/DC χωρίς σταθεροποίηση
Σ' ένα τυπικό μετατροπέα DC/DC χωρίς σταθεροποίηση, η dc τάση εισόδου εφαρμόζεται σ' ένα ταλαντωτή τετραγωνικών παλμών. Η τάση κορυφής-προς-κορυφή του τετραγωνικού παλμού είναι ανάλογη της τάσης εισόδου. Ο τετραγωνικός αυτός παλμός χρησιμοποιείται για να οδηγήσει το πρωτεύον ενός μετασχηματιστή, όπως εικονίζεται στο Σχ.8.26.
Όσο πιο υψηλή είναι η συχνότητα του ταλαντωτή, τόσο πιο μικρός είναι ο μετασχηματιστής καθώς και τα στοιχεία του φίλτρου εξομάλυνσης. Αν όμως, η συχνότητα αυτή είναι πολύ υψηλή, είναι πολύ δύσκολο να έχουμε παλμούς με απότομα μέτωπα (δηλ. με μικρους χρόνους ανόδου και πτώσης των παλμών). Συνήθως, η καταλληλότερη συχνότητα των τετραγωνικών παλμών του ταλαντωτή είναι μεταξύ 10 και 100 kHz.
Ένας συνηθισμένος μετατροπέας DC/DC είναι αυτός που μετατρέπει τάση +5 V σε + 15 V. Η τάση +5 V είναι η τάση τροφοδοσίας των ψηφιακών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, ενώ η τάση +15 V είναι η τάση τροφοδοσίας πολλών γραμμικών ηλεκτρονικών κυκλωμάτων και των ολοκληρωμένων με ΤΕ. Γι' αυτή την περίπτωση υπάρχει στο εμπόριο οικονομικός μετατροπέας DC/DC μικρής ισχυος που μετατρέπει την dc τάση των +5 V στην dc τάση των +15 V.
Υπάρχουν πολύ τρόποι για να σχεδιάσουμε ένα μετατροπέα DC/DC. Η σχεδίαση αυτή εξαρτάται από το αν θα χρησιμοποιήσουμε διπολικά τρανζίστορ (BJT) ή FET ισχυος, από τη συχνότητα του ταλαντωτή και από το αν ο μετασχηματιστής είναι ανυψωσης ή υποβιβασμου.
Το Σχ.8.27 δείχνει το κύκλωμα ενός μετατροπέα DC/DC που χρησιμοποιεί BJTισχύος. Η λειτουργία του κυκλώματος έχει ως εξής: O ταλαντωτής τετραγωνικών παλμών παράγει παλμους των οποίων η συχνότητα καθορίζεται από τα στοιχεία R και C. Η συχνότητά του ταλαντωτή είναι στην περιοχή των kHz, με τυπική τιμή 20 kHz.
Οι τετραγωνικοί παλμοί του ταλαντωτή εφαρμόζονται σε ένα διαχωριστή φάσης, Τ1, είναι ένα κυκλωμα το οποίο δημιουργεί δυο τετραγωνικους παλμους με διαφορά φάσης 180°. Το ζεύγος αυτών των τετραγωνικών παλμών είναι είσοδος σε ένα ενισχυτή push-pull τάξης Β στο οποίο διεγείρουν τα τρανζίστορ Τ2 και Τ3. Το τρανζίστορ Τ2 άγει κατά τη διάρκεια του μισου κύκλου και το Τ3 κατά τη διάρκεια του άλλου ενός μισού κύκλου. Το ρεύμα του πρωτεύοντος του μετασχηματιστή είναι τετραγωνικός παλμός. Ο παλμός αυτός επάγει τετραγωνικό παλμό στο δευτερεύον του μετασχηματιστή, όπως αναφέραμε προηγουμένως.
Η τάση αυτή εισέρχεται σε έναν ανορθωτή γέφυρας, όπου και ανορθώνεται και στη συνέχεια φιλτράρεται. Έτσι, στην έξοδο παίρνουμε μια dc τάση διαφορετικής στάθμης από την dc τάση εισόδου.
Στο εμπόριο υπάρχουν ποικίλοι μετατροπείς DC/DC χωρίς σταθεροποίηση από διάφορες εταιρίες με απόδοση από 65 έως και 85 %. Π.χ. υπάρχουν φτηνοί μετατροπείς DC/DC για μετατροπή +5 V σε +12 V με ρεύμα 375 mA, +5 σε +9 V με ρευμα 200 mA, +12 σε ±15 V με ρευμα 250 mA, κ.ά. Όλοι αυτοί οι μετατροπείς χρειάζονται μια σταθερή τάση εισόδου επειδή δεν περιλαμβάνουν σταθεροποίηση τάσης. Επίσης, αυτοί οι μετατροπείς χρησιμοποιούν συχνότητα ταλάντωσης από 10 έως 100 kHz. Λόγω της συχνότητας αυτής περιέχουν θωράκιση κατά των ραδιοσυχνοτήτων (RFI). Μερικοί από τους μετατροπείς αυτους έχουν χρόνο ζωής 200 000 ώρες.
8.11.2 Παλμοτροφοδοτικά
Τα παλμοτροφοδοτικά υπάγονται στη γενική κατηγορία των μετατροπέων DC/DC, επειδή μετατρέπουν μια dc τάση εισόδου σε μια άλλη dc τάση εξόδου, είτε υποβιβασμένη είτε ανυψωμένη. Επιπλέον όμως, τα παλμοτροφοδοτικά περιέχουν και συστημα σταθεροποίησης της τάσης. Το σύστημα αυτό έχει ένα διαμορφωτή πλάτους παλμών που ελέγχει το χρόνο on-off ενός τρανζίστορ. Αλλάζοντας το χρόνο εργασίας των παλμών αυτών, τα παλμοτροφοδοτικά μπορούν να διατηρούν την τάση εξόδου σταθερή.
Το Σχ.8.28 απεικονίζει το δομικό διάγραμμα ενός παλμοτροφοδοτι-
κου. Όπως βλέπουμε αποτελείται από ένα ενισχυτή συγκριτή, μια πηγή τάσης αναφοράς, VR, ένα διαμορφωτή εύρους παλμού, έναν ηλεκτρονικό διακόπτη μεγάλου ρεύματος και ένα φίλτρο χαμηλών συχνοτήτων (ΦΧΣ). Η λειτουργία του κυκλώματος αυτού έχει ως εξής:
O ενισχυτής σφάλματος του κυκλώματος συγκρίνει κλάσμα της τάσηs αναφοράς VR με τη ρυθμιζόμενη τάση εξόδου Vo. Η τάση αναφοράς VR προέρχεται από ένα σταθεροποιητή σειράς μικρου ρεύματος. Επειδή ο σταθεροποιητής αυτός χρησιμοποιεί μικρό ρευμα, καταναλώνει μικρή εσωτερική ισχυ και παρέχει μια ακριβή τάση αναφοράς. Η έξοδος του ενισχυτή του διαμορφωτή, VC, χρησιμοποιείται για τον έλεγχο του ηλεκτρονικού διακόπτη υψηλού ρεύματος. Αυτή η τάση ελέγχου, VC, είναι κυματομορφή τετραγωνικών παλμών με περίοδο Τ.
Σχήμα 8.28. Βασική δομή ενός παλμοτροφοδοτικού
O ηλεκτρονικός διακόπτης υψηλού ρεύματος παρέχει κατ' εναλλαγή είτε μη σταθεροποιημένη τάση V; είτε μηδενική τάση, δημιουργώντας έτσι τετραγωνικό παλμό με περίοδο Τ. Η τάση VS διέρχεται από το ΦΧΣ το οποίο φιλτράρει την τάση αυτή, υπό τον όρο η /LC να είναι πολύ μεγαλύτερη από την Τ/2π. Τελικά, η τιμή της VR σταθεροποιείται στη μέση τιμή της VS.
Αποδεικνύεται, ότι η σταθεροποιημένη τάση εξόδου Vo δίνεται από τη σχέση:
Η σταθεροποιημένη αυτή ταση εξαρτάται από την ακριβή τιμή της
τασης αναφοράς VR, από το λόγο των αντιστάσεων R2/R1 και από το
πόσο καλό φιλτράρισμα γίνεται.
Για να λειτουργεί σωστά το παλμοτροφοδοτικά, θα πρέπει να ισχύει
Vi>VR
Παράδειγμα 8-4
Να υπολογισθούν οι αντιστάσεις R1 και R2 του παλμοτροφοδοτικού του Σχ.8.28, αν θέλουμε η ταση εξόδου του να είναι 12 V, με τάση αναφοράς 5 V.
Λύση
Χρησιμοποιουμε την Εξ.(8.11.1) και τη λύνουμε ως προς το λόγο R2/R1, οπότε έχουμε
