magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

{a-feliratkozással-elfogadja-az-adl-kiadó-kft-adatvédelmi-és-adatkezelési-tájékoztatóját-1}

Texas PowerTips cikksorozat lid melletti abra 36 reszNéha egyszerűnek látszó mérnöki döntéseknek is érdemes kissé alaposabban „utánagondolni”. Ezt teszi most Robert, miközben – népszerű sorozatának következő folytatásában – egy egyenirányító pufferkondenzátorának optimális megválasztását elemzi.

.

 

 

 

 

Kompromisszum az offline tápegységek bemeneti feszültségtartománya és a bemeneti kapacitás töltőáram-csúcsértéke között 

Amikor egy kisteljesítményű, offline felépítésű tápegységhez[1] bemeneti szűrőkondenzátort választunk, érdekes kompromisszummal találkozunk. Ennek egyik szereplője a kondenzátor megengedett töltőáram-hullámossága, a másik az a feszültségtartomány, amelyben a tápegységnek működnie kell. A bemeneti szűrőkondenzátor növelésével ugyanis nagyobb töltőáramcsúcsokkal kell számolnunk, és keskenyebbé válik a bemeneti üzemi feszültségtartomány, mivel csökken a bemeneti kondenzátoron az adott terhelés hatására bekö­vetkező feszültségcsökkenés (közismert nevén „búgófeszültség” – A szerk. megj.). Ez hatással van például a transzformátor menet­számáttételére, továbbá a tápegységben fellépő, különféle feszültség- és áram-igénybevételek mértékére. Ha nagyobb a kondenzátoron megengedett áramingadozás mértéke, ezzel csökken a tápegység alkatrészeinek igénybevétele, és nő a hatásfok.

Az 1. és 2. ábra két egyenirányító-konfigurációt mutat, amelyeket offline tápegységeknél szokás használni. Az 1. ábrán kétutas hídegyenirányítót látunk, amelyben a bemeneti feszültséget a legegyszerűbb módon egyenirányítjuk, és közvetlenül a pufferkondenzátorra vezetjük. Ez a megoldás nagyon népszerű a széles bemenőfeszültség-tartományú, valamint a 230 V-os váltakozó feszültséget átalakító alkalmazásokban. A kondenzátor a kétutasan egyenirányított bemeneti szinuszfeszültség csúcsértékére töltődik, majd a félperiódus nagyobb hányadában kisül a terhelőáram hatására. A kondenzátor töltőáramcsúcsainak értéke két összetevőtől függ. Az első a töltési periódus, amelyben az áram értékét a kapacitás nagysága és a rákapcsolt feszültség változási sebessége (dV/dt) határozza meg. A második a kondenzátor kisütési periódusa. A tápegységek általában állandó terhelést képviselnek, ezért a kondenzátor kisütése nemlineáris függvény szerint történik, amely az energiaváltozásból számítható:

Texas PowerTips 36 keplet 1
ahol W a kondenzátor energiaváltozása, C a kapacitása, V a feszültsége.

 

Texas PowerTips 36 abra 1

 1. ábra A kétutas hídegyenirányítót számos offline tápegység-konstrukcióban használják

 

A 2. ábrán feszültségkétszerező kapcsolás látható, amelyet számos 115/230 V-os alkalmazásban használnak. Ha van egy 230  V-ra terve­zett alkalmazásunk, a bemeneti fokozatnak nagyon magas (265 Veff AC) bemeneti feszültséget kell kezelnie, amelyet a csúcstényezővel megszorozva csaknem 400 V-os bemeneti csúcsérték adódik. A feszültségkétszerező, ha 115 VAC névleges feszültségű hálózatról használjuk, úgy viselkedik, mint egy 230 VAC névleges hálózati feszültségre kapcsolt kétutas egyenirányító. Ezért az egyenirányító kimeneti feszültségét feldolgozó tápegységet csak a 230 VAC hálózati feszültségre kell méretezni. Kisebb az egyenirányított feszültség változási tartománya, a kétféle egyenirányító kapcsolás közötti átkapcsolást pedig módosítható átkötéssel (jumperrel) vagy kapcsolóval lehet megvalósítani. A megoldás egyetlen árnyoldala, hogy a 115 VAC-re beállított tápegységet valaki véletlenül 230 VAC hálózatra kapcsolja, amivel nagy pusztítást végezhet a tápegységben.

 

Texas PowerTips 36 abra 2

2. ábra A feszültségkétszerező áramkör csökkenti a „kétfeszültséges” tápegységek bemeneti feszültségtartományát


A 2. ábrán a feszültségkétszerező áramkör néhány hullámfor­mája látható. A nulla potenciálú pont a kondenzátorok közös pontja. A két egyenrányító felváltva tölti a két kondenzátort. Mindegyikük  ciklusonként egyszer töltődik a hálózati feszültség csúcsértékére, ezért az egyenirányított feszültség váltakozó áramú komponensének alapharmonikusa azonos a hálózati feszültség frekvenciájával. Mivel azonban a két kondenzátor feszültségének váltakozó komponense ellentétes fázisú, az összegük frekvenciája a hálózati frek­vencia kétszerese.  
A 3. ábra a feszültségesés mértékét ábrázolja a pufferkondenzátor függvényében, minden adatot egységnyi kimenőteljesítményre normalizálva. Egy kétutas hídegyenirányító adatait mutatjuk be háromféle energiahálózati szabvány névleges feszültségtartományának alsó értékeivel számolva: az USA (108 VAC/60 Hz), a japán (85 VAC/50 Hz) és az európai (216 VAC/50 Hz). Továbbá egy kétszerező megoldást is láthatunk a japán hálózatra tervezve. A kétutas hídegyenirányítónál a normalizálás semmi több, mint a kapacitásérték és a teljesítmény hányadosa. A kétszerezőnél  ez két sorosan kapcsolt kondenzátor eredő kapacitásaként adódik, a teljesítménnyel osztva. A diagramot úgy használhatjuk, hogy kiválasztjuk a kívánt egyenirányító-konfigurációt, és eldöntjük, mekkora az a feszültségcsökkenés, amit még megengedünk a tápegység bemenetén. Ezt követően egyszerűen leolvassuk a pufferkondenzátorra vonatkozó normalizált kapacitásértéket μF/W mértékegységben. Végül ebből – a kívánt teljesítmény értékével szorozva visszaállítjuk a „normalizálatlan” kapacitásértéket.

 

Texas PowerTips 36 abra 3

3. ábra A nagykapacitású pufferkondenzátor csökkenti a tápegység bemenetifeszültség-tartományát, és növeli a hatásfokot


A 4. ábra arra használható, hogy segítségével kiválaszthassuk a puf­ferkondenzátort a rajta folyó AC-áramkomponens megengedett maximális értéke szerint. A 4. ábrán az áram és a pufferkondenzátorok normalizált értékei láthatók. Érdekes megfigyelni, hogy a töltőáram csúcsértéke csak kismértékben függ a kapacitástól. Ez azért van így, mert ennek az áramnak az értékét lényegében a terhelés által felvett állandó áram határozza meg. A pufferkondenzátor árama kizárólag rövid töltődési periódusaiban tér el ettől jelentősen. Ez abból a fokozatos emelkedésből is látható, ami a kapacitás (μF/W) értéknövekedését kíséri. Ez abból következik, hogy a nagyobb értékű kondenzátornál csökken a „vezetési szög” (az egyenirányító nyitási idejének aránya a teljes periódushoz képest), és növekszik a töltőáram csúcsértéke. Vegyük tekintetbe azt is, hogy a diagram csak a hálózati frekvenciájú áramkomponens értékére vonatkozik, és nem terjed ki a kap­csolóüzemű tápegység magas kapcsolásfrekvenciájából eredő hatásokra.  

 

Texas PowerTips 36 abra 4

4. ábra A μF/W-érték növelése nem okoz jelentős változást a pufferkondenzátoron folyó áram értékében
 

 

Összefoglalva: a tervezőnek kompromisszumot kell találnia a puf­ferkondenzátor értékét és a választott egyenirányító-konfigurá­ciót tekintve. Ha egy kétutas egyenirányítót választunk nagy bemenő­feszültség-tartományú alkalmazásra, a tápegység bemeneti feszültségének az átfogása akár a 4:1 arányt is elérheti. Ha viszont a tervező feszültségkétszerező áramkörré is átkapcsolható megoldással kívánja korlátozni ezt a nagy átfogást, megnövekszik a felhasználó által elkövethető kezelési hiba lehetősége. A tervező a cikkben közölt dia­gramok segítségével, helyesen megválasztott pufferkondenzátorral valamelyest korlátozhatja a tápegységre jutó bemeneti feszültségváltozás nagyságát.

Következő folytatásunkban egy olcsó reteszelő-áramkört mutatunk be a tápegységek védelmére.

A jelen cikk tárgyáról és más teljesítményelektronikai megoldásokról az alábbi  webhelyen tájékozódhat az olvasó: www.ti.com/power-ca

 

 

 


[1] A magyar szakmai szóhasználatban a „tápegység” fogalmába általában a hálózati feszültségcsatlakozástól a terhelést meghajtó kimeneti csatlakozópontpárig tartó teljes áramkört beleértik. A cikk szóhasználata viszont különválasztja az egyenirányítóig – illetve az arra kapcsolódó pufferkondenzátorig – tartó áramköri részt (és ezt nevezi „egyenirányítónak”), és az erre kapcsolódó (a cikkben nem tárgyalt) egyenfeszültség-feldolgozó egységet (elektronikus szűrő, stabilizátor, túláramvédelem stb.), amit „tápegységnek” nevez. Az eredeti szöveg ennek a gondolkodásmódnak megfelelően gyakran „bemeneti kondenzátornak” (input capacitor) nevezi az egyenirányító „pufferkondenzátorát”. A fordítás során egyértelműségre törekedtünk ugyan a magyar szóhaszálat következetes alkalmazásával, ám ha ebben nem jártunk volna teljes sikerrel, a megértést segítheti az eredeti szóhasználat gondolkodásmódjának ismerete. – A ford. megj.

 

 

A cikksorozat korábbi részei:

1. rész

2. rész

3. rész

4. rész

5. rész

6. rész

7. rész

8. rész

9. rész

10. rész

11. rész

12. rész

13. rész

14. rész

15. rész

16. rész

17. rész

18. rész

19. rész

20. rész

21. rész

22. rész

23. rész

24. rész

25. rész

26. rész

27. rész

28. rész

29. rész

30. rész

31. rész

32. rész

33. rész

34. rész

 35. rész

 

A szerző

robert_kollmanRobert Kollman, a Texas Instruments műszaki állományának kiemelt tagja, vezető alkalmazástechnikai mérnök. Több mint 30 év tapasztalattal rendelkezik a teljesítményelektronikában és egy ideig induktív alkatrészeket tervezett az 1 W alattitól a csaknem 1 MW-ig terjedő teljesítménytartományú elektronikus áramkörökhöz, egészen a megahertzes kapcsolási frekvenciákig. Robert Kollman a Texas A&M Egyetemen BSEEdiplomát, majd a Déli Metodista Egyetemen Master-fokozatot (MSEE) szerzett. A cikksorozattal kapcsolatban a powertips@list.ti.com címen érhető el.

 

 

 

   
Advertisement