magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

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

nezz_00Ritka az az áramkörtervező, aki elmondhatja magáról, hogy mindig és minden olyan alkatrész sorsát is „szívén viseli”, ami nem tartozik szorosan a lényegi működést leíró „mainstream”-hez. Pedig ezeknek a „mellékes” elemeknek a túlterhelődése is ugyanolyan következményekkel járó meghibásodáshoz vezethet, mint bármely más, „fontos” alkatrészé. Erre hívja fel a figyelmet Robert e havi cikke.

.

 

Nézz csak oda, micsoda váltóáram folyik azon a kondenzátoron!

 

A tápegységek alkatrészeit érő igénybevételek közt az egyik leggyakrabban figyelmen kívül hagyott jellemző a bemeneti kondenzátoron folyó áram effektív- (RMS) -értéke. Ha ennek természetét nem értékeljük helyesen, a túl nagy áramérték a kondenzátor túlmelegedésére és idő előtti meghibásodására vezethet. A feszültségcsökkentő (buck) DC-DC átalakítókban az RMS-áram egyszerűen számítható a kimeneti áramból (Iout) és a szabályozó kapcsolójának kitöltési tényezőjéből (D), az alábbi kifejezés szerint:

 

texas_powertips_2012_12_egyenlet_1

 

Az 1. ábra e kifejezés diagramját mutatja. Ez egy kör, amelynek maximuma 0,5 az 50%-os kitöltési tényezőnél, és amelynek két nullátmenete van, a kitöltési tényező 0% és 100% értékeinél. A görbe szimmetrikus az 50%-os kitöltési tényezőhöz képest. 20 és 80% között az effektív áram nagyobb a kimeneti áram 80%-ánál. Az ebben a tartományban valószínűsíthető kitöltésitényező-ér­tékekkel számolva az effektív áram értéke a kimeneti áram maximális értékének nagyjából a fele. Ezen a tartományon kívül pedig el kell végezni a számítást a fenti képlet szerint.

texas_powertips_2012_12_abra_1

1.ábra A feszültségcsökkentő konverter bemeneti kondenzátorán folyó áram effektív értéke a kimeneti áramérték teljes tartományának felénél „tetőzik”

 

A gyártók az elmúlt néhány év folyamán jelentős javulást értek el a kerámiakondenzátorok térfogati hatékonysága és ára terén. Ennek következtében a kerámiakondenzátorokat most előnyben részesítik a tápegységek teljesítményfokozatainak „hidegítése”, váltakozó áramú söntölése esetén. Ugyanakkor az ilyen kondenzátorok alacsony ekvivalens soros ellenállása (Equivalent Series Resistance – ESR) sok kellemetlenséget okozhat, például az elektromágneses zavarszűrő (EMI-szűrő) rezgései és váratlan feszültségcsúcsai formájában (ezzel alaposabban foglalkoztunk az előző számban megjelent cikkünkben). Ezeket a károsan nagy Q jósági tényezőjű, rezgésre hajlamos áramköröket gyakran sikeresen lehet csillapítani egy párhuzamosan kapcsolt elektrolitkondenzátor nagyobb veszteségével[1]. Nem szabad azonban figyelmen kívül hagyni, hogy az ilyen megoldásokban a tápegység terhelőáramának váltakozó áramú komponense nagyrészt az elektrolitkondenzátorban alakul hővé.

A 2. ábra egy 100 kHz-es kapcsolóüzemű tápegység áramát mutatja példaként olyan körülmények között, amikor a bemeneti kapacitást egy 10 μF-os kerámiakondenzátor és egy olyan elektrolitkondenzátor alkotja, amelynek ekvivalens soros ellenállása 0,15 Ω. Az elektrolitkondenzátor kapacitásáról elegendő azt feltételeznünk, hogy sokkal nagyobb a kerámiakondenzátorénál. Ebben az esetben az effektív áram kb. 70 %-a az elektro­litkondenzátoron át folyik. Ha ezt az áramértéket csökkenteni akarjuk, három dolgot tehetünk: megnövelhetjük a kerámiakondenzátor kapacitását, a kapcsolási frekvenciát vagy az ESR-t. A görbe a kondenzátor áramának Fourier-sorfejtéséből származik, amelynek során kiszámítottuk az elektrolitkondenzátor áramát minden harmonikus frekvencián (egészen a 10. harmonikusig), és a harmonikusok effektív értékének egyesítésével kiszámítottuk az elektrolitkondenzátor teljes effektív áramát. Ne feledjük, hogy a kerámiakondenzátor áramának fázisa 90 fokkal eltér az ESR-en folyó áramétól, ezért ezeket vektorokként kezelve kell össze­gezni. Ha nem kívánja az időt a számítások megismétlésére vesztegetni, könnyen szimulálhatja ezt az áramkört egy áramgenerátorból és három passzív elemből álló helyettesítőképpel.

texas_powertips_2012_12_abra_2

2.ábra Az eletrolitkondenzátor áramának alakulása különféle kondenzátortípusok esetén

 

Összegzés

A bemeneti kapacitáson folyó effektív áramot úgy tekinthetjük, mint a kondenzátor megbízhatóságát csökkentő túlterhelés lehetséges forrását. Ezért különös gondot kell fordítani azokra az esetekre, amelyekben különböző típusú kondenzátorokat kombinálunk. Például a kerámiakondenzátorok  rendszerint elég nagy váltakozó feszültségű komponenst engednek meg ahhoz, hogy a velük párhuzamosan kapcsolt elektrolitkondenzátoron áramtúlterhelés keletkezzen. Ennek elkerülésére a következők valamelyikét (esetleg közülük többet is) tehetjük: növelhetjük a kapcsolási frekvenciát, a kerámiakondenzátor kapacitását, az elektrolitkondenzátor ekvivalens soros ellenállását, vagy választhatunk olyan elektrolitkondenzátor-típust is, amelynek nagyobb a megengedett RMS-árama.

Tartsanak velünk a következő számunkban is, ahol egy DC/DC-konverter visszacsatoló huroktulajdonságait vizsgáljuk.

 

www.ti.com/power-ca

 



[1] Figyeljük csak meg, milyen fonák a helyzet: a kerámiakondenzátorok előnyének tekintett alacsony ESR ezúttal hátrány, mert nehezen csillapodó rezgéseket enged meg, és ezt a hátrányt az elektrolitkondenzátor nagyobb soros veszteségi ellenállásával egyenlítjük ki. Ezúttal tehát előnyösnek minősül egy olyan tulajdonság, amelyet „rendesen” az elektrolitkondenzátorok hátrányaként szokás emlegetni – A szerk. 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

 

 

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