DC-DC Converters (Παλμοτροφοδοτικά). Μέρος 4ο.

Σημείωση: Τα παρακάτω αποτελούν εκπαιδευτικό βοήθημα για αρχάριους και σε καμία περίπτωση δεν απευθύνεται σε επαγγελματίες σχεδιαστές κτλ.

Σε προηγούμενα άρθρα (ΕΔΩ, ΕΔΩ και ΕΔΩ) είδαμε πως περίπου λειτουργούν οι βασικές τοπολογίες μετατροπέων ενέργειας (DC-DC converters). Θα δούμε τώρα ένα πραγματικό κύκλωμα ενός παλμοτροφοδοτικού μίας οικιακής συσκευής.

Το παραπάνω τροφοδοτικό είναι ένα τροφοδοτικό από μία τυπική συσκευή αναπαραγωγής οπτικών βιντεοδίσκων (sic) ή dvd player. Θα αναρωτιέστε τι δουλειά έχει ένα τέτοιο τροφοδοτικό με τους DC-DC μετατροπείς. Το dvd player συνδέεται στην πρίζα που παρέχει εναλλασσόμενη τάση… Ας δούμε το κύκλωμα του εν λόγο παλμοτροφοδοτικού.

Στο παραπάνω σχέδιο λοιπόν βλέπουμε το ακριβές κύκλωμα του παλμοτροφοδοτικού. Αριστερά έχουμε την είσοδο των 230 volts εναλλασσόμενης τάσης. Ακολουθεί το κύκλωμα στο κόκκινο πλαίσιο. Αυτό δεν είναι τίποτε άλλο από ένα απλό κύκλωμα πλήρους ανόρθωσης (D1~D4), με ένα αντιπαρασιτικό φίλτρο στην είσοδο (C1, Choke). Ό,τι βρίσκεται δεξιά από το κόκκινο πλαίσιο λοιπόν “βλέπει” μια συνεχή τάση και όχι εναλλασσόμενη. Αυτό που βρίσκεται δεξιά από το κύκλωμα ανόρθωσης είναι ένας Flyback DC-DC μετατροπέας με τρεις εξόδους. Μία των 5 volts και δύο των 12 volts.

Τι θα περιμέναμε να βρούμε σε έναν Flyback μετατροπέα; Σίγουρα έναν Flyback μετασχηματιστή (Tr1). Το δεύτερο πράγμα που θα περιμέναμε να δούμε είναι ο ηλεκτρονικός διακόπτης. Στο συγκεκριμένο παλμοτροφοδοτικό ο ηλεκτρονικός διακόπτης βρίσκεται ενσωματωμένος στο ολοκληρωμένο κύκλωμα VIPer22 (U1). Το VIPer22 ενσωματώνει επίσης και την δημιουργία της PWM για τον έλεγχο της τάσης εξόδου. Στα pin του VIPer22 υπάρχει και ένα pin (Feedback) που όταν εφαρμόζουμε τάση αλλάζει το εύρος της PWM σε σχέση με την τάση αυτή. Στο pin αυτό “έρχεται” η ανάδραση από την έξοδο των 5 volts.

Για να είναι σταθερή η έξοδος πρέπει όπως είπαμε ο ελεγκτής (VIPer22) να μετρά την έξοδο και να προσαρμόζει το εύρος της PWM. Αν προσέξουμε το κύκλωμα, θα δούμε πως το pin ελέγχουν δεν συνδέεται απευθείας στην έξοδο. Αντ’ αυτού βλέπουμε πως συνδέεται σε έναν οπτοζεύκτη ή optocoupler (U2). Γιατί το κάνουμε αυτό; Για να μην καταστρέψουμε το μεγαλύτερο πλεονέκτημα ενός τέτοιου μετατροπέα. Την απομόνωση που μας προσφέρει ο μετασχηματιστής. Σε ένα σωστά σχεδιασμένο παλμοτροφοδοτικό που συνδέεται σε πρίζα των 230 volts, η τάση αυτή δεν πρέπει ποτέ να μπορέσει να περάσει στην έξοδο. Αυτός είναι και ο λόγος που βλέπουμε το σύμβολο της γείωσης να είναι διαφορετικό στην πλευρά (αριστερά του μετασχηματιστή) που έχουμε τα 230 volts από την πλευρά της εξόδου χαμηλής τάσης. Δεν έχουμε καμία ηλεκτρική επαφή της εισόδου με την έξοδο.

Πως ακριβώς λειτουργεί το κύκλωμα ανάδρασης με τον οπτοζεύκτη; Ο οπτοζεύκτης περιέχει ένα φωτοτρανζίστορ και μία δίοδο LED. Χοντρικά, όσο ποιο πολύ φωτίζει η δίοδος LED τόσο ποιο πολύ αγώγιμο γίνεται το φωτοτρανζίστορ και τόσο μεγαλώνει η τάση στο pin ανάδρασης του ελεγκτή (VIPer22). Το αντίθετο συμβαίνει όσο μειώνεται η ένταση φωτός του LED. Έτσι όταν αλλάζει η τάση στην έξοδο των 5 volts, μέσω της αλλαγής της έντασης φωτός του LED στον οπτοζεύκτη, ο ελεγκτής αντιλαμβάνεται την αλλαγή και αλλάζει κατάλληλα το εύρος της PWM, για να παραμείνει σταθερή η τάση στην έξοδο. Βλέπουμε όμως πως το LED του οπτοζεύκτη δεν συνδέεται απευθείας στην έξοδο… Ο ποιο “εύκολος” τρόπος να ελέγξουμε την ένταση του φωτός ενός LED, είναι μέσω του έλεγχου του ρεύματος που ρέει από μέσα του. Αυτό ακριβώς κάνει το κύκλωμα στο πορτοκαλί πλαίσιο. Χρησιμοποιεί μία προγραμματιζόμενη δίοδο zener, την TL431 (U3), με τέτοιο τρόπο ώστε οι αλλαγές της τάσης στην έξοδο των 5 volts να μεταφράζονται σε αλλαγές του ρεύματος στην δίοδο LED του οπτοζεύκτη. Γιατί όμως η ανάδραση να γίνεται από την έξοδο των 5 volts; Ο λόγος είναι απλός. Η έξοδος των 5 volts είναι αυτή που τροφοδοτεί όλο το ψηφιακό κομμάτι του dvd player. Όλα τα σημαντικά και ευαίσθητα μέρη δηλαδή. Την θέλουμε λοιπόν να είναι πολύ σταθερή και “καθαρή”. Αυτός είναι και ο λόγος που στην έξοδο των 5 volts έχουμε και ένα φίλτρο (L1, C10) που δεν υπάρχει στις άλλες δύο εξόδους των 12 volts. Οι έξοδοι των 12 volts απλά τροφοδοτούν κάποιους κινητήρες και την VFD οθόνη του dvd player. Συσκευές που έχουν πολύ μεγαλύτερη ανοχή σε σκαμπανεβάσματα τάσης.