Kapcsolóüzemű tápegység

Alapok

A hagyományos 50 Hz-es transzformátorral dolgozó tápegységek mellett egyre nagyobb teret hódítanak a kapcsolóüzemű tápegységek. Jellemzői:

• 50 Hz helyett tipikusan 20 kHz és 100 kHz közötti frekvenciatartományban szaggatják az áramot.
• a gyors szaggatás miatt a hagyományos 50 Hz-es transzformátorhoz képest sokkal kisebb induktivitás elegendő.
• a szaggatás következtében egyenáramú forrásról is üzemeltethető a tápegység.
• a szaggatás jellegének módosításával a kimenetre jutó töltés mennyisége szabályozható
• a lineáris tápegységekkel ellentétben a szabályozás itt nem egy főáramkörbe tett soros változtatható ellenállásként viselkedő alkatrésszel valósul meg, ezáltal nincs melegedő alkatrész, jó lesz a hatásfoka.
• egy komoly hátrányuk, hogy nagyfrekvenciás elektromos zajt termelnek, amely megfelelő mértékű elnyomásáról szűrők beépítésével kell gondoskodni.

Alapkapcsolások

Feszültségcsökkentő kapcsolás

Angolul buck converter illetve step-down converter a neve.

Feszültségcsökkentő alapkapcsolás,
Angolul 'buck converter' vagy 'step-down converter'

Működési elve dióhéjban

• amikor a kapcsolóelemet bekapcsoljuk, az áramerősség [math]dI = \frac{U_{be}-U_{ki}}{L} \cdot t_{bekapcs}[/math] mértékben növekszik.
• amikor a kapcsolóelemet kikapcsoljuk, az áramerősség [math]dI = \frac{U_{ki}}{L} \cdot t_{kikapcs}[/math] mértékben csökken.

Ha négyszögjeles vezérlésben gondolkozunk, a kitöltési tényező [math]k = \frac{t_{bekapcs}}{t_{bekapcs} + t_{kikapcs}}[/math]

Nyitóüzemű kapcsolóüzemű tápegység. Azaz transzformált tápfeszültségű feszültségcsökkentő alapkapcsolás. Angolul forward converter.

Érdekességképp megemlítendő, hogy ha az így létrejövő áramhullámosság kisebb, mint a terhelőáram, akkor a tekercsben folyamatos folyik az áram. Ekkor elmondható, hogy U_ki = U_be * kapcsolójel_kitöltési_tényezője. Azaz például ha 12 volt a bemenpfeszültség és 1/3 ideig van bekapcsolva a kapcsoló, 2/3 ideig kikapcsolva, akkor (a dióda nyitófeszültségét és ohmos veszteségeket nem számolva) 4 V lesz a kimenőfeszültség függetlenül a terhelőáram mértékétől.

Ha a tekercsben az áramhullámosság meghaladja a terhelőáramot és a tekercsben ezáltal a folyamatos áramfolyás megszakad, akkor elmodható, hogy minél kisebb a terhelőáram, annál jobban fogja közelíteni a kimenőfeszültég a bemenőfeszültség értékét. Ez ellen kétféle megoldással lehet védekezni:

1. szabályozó elektronikával a kitöltési tényezőt csökkenteni,
2. vagy egy beépített terhelőellenállással biztosítani a minimális terhelőáramot.

Ha a tekercsben a folyamatos áramfolyás fennáll, akkor [math]U_{ki} = U_{be} \cdot k[/math]

A jobb oldalon látható nyitóüzemű tápegység valójában egy feszültségcsökkentő alapkapcsolásra vezethető vissza, ám a kapcsolóelem által megszaggatott áram először N2/N1 arányban transzformálásra kerül. Mivel a tekercsben is gerjed mágneses tér, amely a kapcsolóelem megszakításakor a kapcsolóelemen nagyfeszültséget gerjesztene, ennek visszavezetésére szolgál a 3. tekercs a diódával, továbbá a kapcsolóelemet is célszerű megvédeni RC körrel a túlfeszültség ellen.

Feszültségnövelő kapcsolás

Angolul boost converter illetve step-up converter a neve.

Feszültségnövelő alapkapcsolás

Működési elve dióhéjban

• amikor a kapcsolóelemet bekapcsoljuk, az áramerősség [math]dI = \frac{U_{be}}{L} \cdot t_{bekapcs}[/math] mértékben növekszik.
• amikor a kapcsolóelemet kikapcsoljuk, az áramerősség [math]dI = \frac{U_{ki}-U_{be}}{L} \cdot t_{kikapcs}[/math] mértékben csökken.

Ha a tekercsben a folyamatos áramfolyás fennáll, akkor [math]U_{ki} = U_{be} \cdot \big(1 + \frac{1}{1-k}\big)[/math]

Invertáló kapcsolás

Angolul buck-boost converter a neve.

Invertáló alapkapcsolás

Működési elve dióhéjban

• amikor a kapcsolóelemet bekapcsoljuk, az áramerősség [math]dI = \frac{U_{be}}{L} \cdot t_{bekapcs}[/math] mértékben növekszik.
• amikor a kapcsolóelemet kikapcsoljuk, az áramerősség [math]dI = \frac{U_{ki}}{L} \cdot t_{kikapcs}[/math] mértékben csökken.

Záróüzemű kapcsolóüzemű tápegység, amely valójában egy galvanikusan elválasztott invertáló alapkapcsolás. Angolul flyback converter

A kimenőfeszülség negatív lesz. Itt is elmodható, hogy amíg a tekercsben a folyamatos áramfolyás fennáll, addig a kimenőfeszültség a kitöltési tényezőtől függ csak, a terhelőáramtól az ohmos veszteségeket leszámítva nem. Ekkor [math]U_{ki} = - \frac{U_{be}}{1-k}[/math]

A záróüzemű tápegység valójában egy galvanikusan elválasztott invertáló alapkapcsolás. A működési elvéből következik, hogy ebben az esetben az átvivendő energiát a transzformátornak kell tárolnia mágneses energia formájában, ezáltal nagyobb méretű a záróüzemű tápegység transzformátora, mint ami a nyitóüzemű tápegységhez lenne szükséges.

A menetszám áttétel záróüzemű tápegységeknél csak azt határozza meg, hogy a kapcsolóelem zárásakor a diódán mekkora záróirányú feszültségterhelés jelenik meg illetve a kapcsolóelem nyitásakor a primer tápfeszültséghez hozzáadódva mekkora feszültségterhelés éri a kapcsolóelemet.

CUK kapcsolás

CUK alapkapcsolás

A kapcsolóüzemű tápegységek egy érdekes változata a CUK kapcsolás, amely az L₁ tekercsben tárolt energiát a C₁ kondenzátoron keresztül juttatja át. A kapcsolóelem nyitásakor az energia feszültségnövekedés formájában a kondenzátorra jut, amely túloldalán a töltések a diódán, mint párhuzamos egyenirányító elemen keresztül a föld felé távoznak. A kapcsolóelem zárásakor a kondenzátor bal oldalán leeső feszültség a jobb oldalról is töltést von el, amely a simítótekercsen és a kimeneti szűrőkondenzátor által simítva negatív egyenfeszültséget eredményez.

Split-Pi kapcsolás

Split-Pi kapcsolás

Az ábrán látható elrendezés egy olyan megoldás, amely mindkét feléről nézve feszültségnövelő alapkapcsolással indít, majd feszültségcsökkentő alapkapcsolással folytat.

A kapcsolás feladatát, azaz hogy a bal oldalról táplál energiát a jobb oldalra, vagy fordítva, azt kizárólag a kapcsolóelemek vezérlése dönti el. A kapcsolás legnagyobb feszültségű eleme a C₃ kondenzátor.

Az induktivitás méretezéséről

Minél nagyobb az induktivitás, annál kisebb az áramhullámosság ugyanazzal a kapcsolójellel. A nagy induktivitás kivitelezése ellen azonban több tényező szól:

• a vasmagra ha több menetet tekercselünk, akkor kisebb áram hatására fog telítésbe menni, így nagyobb vasmag kell.
• a sokmenetes tekercsben a rézveszteség is jelentősebb lesz.
• nagy induktivitás következménye a nagy és nehéz tekercs.

Ha pedig túl kicsi az induktivitás, akkor nagy lesz az áramhullámosság. Ez két dolgot von maga után:

• nagyobb kondenzátor kell, hogy ugyanakkora maradjon a kimenőfeszültség hullámossága,
• ha nem szabályozott tápegységről (vagy közös szabályozóval rendelkező több kimenetes tápegységről) beszélünk, akkor a minimum áramterhelést nagyobbra kell venni, hogy a kimenőfeszültség a fogyasztó levételekor ne szaladjon meg.

A meghajtókörről

A fenti ábrákon bemutatott kapcsolások kivétel nélkül egyetlen kapcsolóelemet tartalmaznak.

• Transzformátor alkalmazása esetén lehet ellenütemű meghajtást is készíteni.
• Ellenütemű nyitóüzemű tápegység esetén a 3., diódával a tekercs energiáját visszatápláló védelmi áramkör tulajdonképp az ellenütemet megvalósító félvezetővel (esetleg már a tokozáson belül) antiparallel kötött diódával valósul meg. A szekunder kört is ellenüteműre kell ekkor átalakítani, amely csapolt tekercs és még egy diódás részt jelent. A fojtó tekercs már közös.
• A transzformátorban csapolt tekercs helyett sima tekercs is jó primer oldalon, ha vagy dupla (földhöz képest pozitív és negatív) tápfeszültség áll rendelkezésre, vagy pedig a tekerccsel soros kondenzátorunk van, amelyet így hol feltöltünk, hol kisütünk.

A szabályozókörről

PWM szabályozást célszerű alkalmazni. Transzformátoros, galvanikusan elválasztott megoldásnál többféle szabályozási módszer szokásos:

1. záróüzemű tápegység esetén primer oldalon a vezérlőkör, amely egy a trafóra tekert segédtekercs feszültségét mérve érzékeli a szekunder oldal feszültését.
2. primer oldalon önrezgő tápegység, amely megtáplálva a szekunder oldalt, a szekunder oldalon található vezérlőelektronika segédtranszformátoron vagy optocsatolón keresztül átveszi a tápegység teljesítményfélvezetőinek vezérlését.
3. primer oldalon marad a vezérlőkör, szekunder oldal feszültsége vagy szaggatott jellel vezérelt induktív csatolással vagy optocsatolós leválasztással kerül visszajelzésre.
4. Többkimenetű nyitóüzemű tápegységeknél (pl. PC táp) a transzformátor menetszám áttétele van jól kiszámolva és csak az egyik feszültségre (tipikusan +5V-ra) van a szabályozás megvalósítva. A csapolások diódás egyenirányítása után a fojtó tekercsek vasmagja közös.

További trükkök

Hatásfok növelése szinkronegyenirányítóval

Az egyenirányítást klasszikus szilíciumdióda helyett célszerű schottky diódával megvalósítani. Oka igen egyszerű: amíg a klasszikus szilícium diódának nagyobb áramon a nyitófeszültsége 0,7 volt, addig a schottky diódának mindössz 0,38 V. Ezáltal a diódán folyó áram hatására kevesebb energia alakul itt hővé, több energia jut a kimenetre.

Amennyiben kisfeszültségű (3,3 V vagy az alatt) tápegységet készítünk, célszerű még a schottky diódán eső feszültséget is megspórolni. Ezt nem olyan bonyolult megtenni: ha feltételezzük, hogy a tápegységben az induktivitás minden esetben folytonos vezetés állapotában lesz, akkor a kapcsolóelem lezárásával egyidejűleg a diódával párhuzamosan kötött kapcsolóelemet lehet lehet nyitni.

MOSFET-ből pedig kapható 0,01 ohm alatti csatornaellenállással rendelkező típus, amely azt jelenti, hogy 10 amperes áram esetén is töredéke a MOSFET-en eső feszültség a schottky dióda nyitófeszültségéhez képest.

Színuszjel előállítása

Feszültségcsökkentő áramkör hídkapcsolássá módosításával lehet olyan áramkört készíteni, amely a színuszjel mindkét irányát képes előállítani. Ennek egy bonyolultabb típusa a 3 félhidat és 3 induktivitást tartalmazó kapcsolás, amely segítségével megfelelő vezérlés esetén háromfázisú forgóteret lehet létrehozni például háromfázisú aszinkron motor számára.

PFC (Power factor correction)

A hálózati feszültség közvetlen diódás egyenirányítása, majd pufferkondenzátorba vezetése azt eredményezi, hogy csak a feszültség csúcsa körül fog folyni intenzív áram, azaz a terhelőáram nem szinuszos, felharmonikusokkal erősen terhelt.

Ennek kivédésére szokásos megoldás a passzív PFC, amely egy nagy induktivitású soros fojtót és a hálózat felöl egy szűrőkondenzátort jelent. Ezáltal a nagyfrekvenciás harmonikusok ki lesznek szűrve, a hálózat felöl nézve színuszosabb terhelés látszódik.

Aktív PFC pedig egy olyan, a szükséges tápfeszültségeket előállító kapcsolóüzemű tápegységünk elé épített másik kapcsolóüzemű tápegység, amely

• feszültségnövelő kapcsolás
• a szabályozókörének nem az a feladata, hogy fix kimenőfeszültséget gyártson, a kimenetére tett kondenzátor 230V-os hálózat esetén 350 ... 400 V közötti feszültségek között ingadozik.
• a szabályozókörének a valós feladata az egyenirányított, de nem szűrt szinuszos bemenőfeszöltséggel arányos áramterhelés felvétele és azzal a kimeneti kondenzátor töltése.
• a második tápegység fogja a 350 ... 400 V között változó kondenzátorból a szükséges feszültségeket előállítani.

Visszatápláló áramkör

Az előző pontban ismertetett PFC módosított változata.

1. Az első tápegység feladata, hogy a generátor névleges impedanciájánál nem kisebb impedanciával terhelve minél több energiát pumpáljon a közbenső kondenzátorba.
2. A második tápegység feladata a közbenső, feltöltött kondenzátorból az akkumulátor töltőáramának vagy a hálózati színuszos feszültségnek megfelelő, azzal szinkronban előállított feszültség kibocsátása, visszatáplálása.