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 transzformátorral kiegészített 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 kondenzátor túloldalára jut, ahol a diódán, mint párhuzamos egyenirányító elemen keresztül a föld felé távozik az energia. A kapcsolóelem zárásakor a kondenzátor bal oldalán leeső feszültség a jobb oldalról is energiát von el, amely a simítótekercsen és a kimeneti szűrőkondenzátor által simítva negatív egyenfeszültséget eredményez.

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.