Környezetünk védelme korszerű alkatrészek használatával is lehetséges
Az EU 2009/125/EK környezetbarát tervezési irányelve szerinti eszközök fejlesztése
A környezetvédelem mindannyiunk számára fontos dolog. A meghatározott célokat azonban csak alacsonyabb energiafelhasználású elektronikai eszközökkel lehet elérni. Az EU a környezetbarát tervezésről szóló irányelvében határozta meg az energiafelhasználással szemben támasztott minimum követelményeket. Az innovatív alkatrészek alkalmazása hozzájárulhat ezen követelmények eléréséhez.
2018-ban a teljes németországi áramfogyasztás nagyjából egynegyedét a háztartások tették ki. A 129 terawattóra még mindig 7,2%-kal kevesebb volt, mint 2008-ban (forrás: Német Környezetvédelmi Hivatal [UBA]). Ez a csökkenés részben a különböző fogyasztói tájékoztató címkéknek, például a Kék Angyal ökocímkének (már 1977-től bevezetve!) és az A+++-tól G-ig energiahatékonysági osztályokat tartalmazó uniós energiacímkéknek köszönhető. A 2009/125/EK európai uniós környezetbarát tervezési irányelvben meghatározott energiahatékonysági előírások is hozzájárulnak az energia hatékony felhasználásához.
A környezetbarát tervezésről szóló irányelv célja az energiafelhasználás csökkentése, valamint a hatásfok növelése a használatba vett eszközök teljes életciklusa alatt – a közösségi környezetvédelmi prioritásokkal, például az 1600/2002/EK határozatban foglaltakkal összhangban. Ezen túlmenően az eszközöknek jelentős hatékonyságjavulást kell felmutatniuk a környezetre gyakorolt hatásuk tekintetében anélkül, hogy azok túlzott költségekkel járnának, és éves értékesítésüknek az EU piacán meg kell haladnia a 200 000 darabot. Leginkább az olyan háztartási készülékek tartoznak ebbe a körbe, mint a hűtőszekrények, fagyasztók, mosogató-, és mosógépek, elektromos főzőlapok, mikrohullámú sütők, továbbá elektromos sütők, intelligens háztartási eszközök és szórakoztató elektronikai eszközök, de a számítógépek, az elektromotorok és a hegesztőberendezések is érintettek.
Létezik emellett egy EU készenléti üzemmódról (standby-ról) szóló rendelet is, amely meghatározza az elektromos és elektronikus háztartási készülékek és irodai berendezések készenléti, illetve kikapcsolt üzemmódban történő elektromos energiafogyasztására vonatkozó maximális értékeit. Az említett irányelv szerint például a nagy háztartási készülékek, például a főzőlapok, sütők vagy akár a televíziókészülékek energiafogyasztása semmilyen körülmények között nem haladhatja meg a 0,5 W-ot ezekben az üzemmódokban, illetve az 1 W-ot, amikor információt vagy üzemállapotot jelenítenek meg.
A Rutronik a legkorszerűbb alkatrészek ajánlásával támogatja ügyfeleit, olyan energiatakarékos készülékek kifejlesztésében, amelyek megfelelnek ezen követelményeknek. Néhány példa:
LDO feszültségszabályozó ki/be kapcsolással
A kis feszültségesésű szabályozó (Low dropout linear regulator, továbbiakban LDO) egy lineáris egyenáramú feszültségszabályozó, amely akkor is képes szabályozni a kimeneti feszültséget, ha a bemenő feszültség alig tér el a kimeneti feszültségtől. Egy LDO akkor működik nagyon hatékonyan, ha kikapcsolható amikor nincs rá szükség, ezáltal csökkentve az energiafelhasználást. Ideális olyan eszközökhöz, amelyek gyakran kerülnek készenléti üzemmódba, valamint olyan alkalmazásokhoz, amelyeknél a kimeneti feszültséget csak kis mértékben kell a bemeneti feszültség alá szabályozni.
Az LDO-k más, kapcsolóüzemű DC/DC-szabályozókkal összehasonlítva számos további előnnyel rendelkeznek. Az LDO-k lineáris működése miatt nincs szükség kapcsoló tranzisztorokra, amelyek egyébként nagyfrekvenciás zajt és zavarokat generálnak. Nincs szükség induktivitásokra és transzformátorokra, ezáltal kisebb eszközök és kevésbé összetett tápegységek építhetők velük. A kapcsolóüzemű szabályozókkal szemben, a vezérlőegységen keresztül folyó áram miatt disszipációs hőkibocsájtásuk nagyobb. Kapcsolóüzemű tápegységek használata esetén gyakran aktív szűrőként egy LDO-t kell beiktatni a kimenethez. Különösen a mérési és érzékelőtechnikai alkalmazásokban elengedhetetlen az alacsony zajszintű és zavarmentes tápegységek kivitelezése, pl. a nagy felbontású ADC-ek és DAC-ek vagy a precíziós műveleti erősítők esetében. Ennek fő oka, hogy nem képesek elérni a szigorú zajspecifikációhoz szükséges alacsony kimeneti hullámzást. Ebben az esetben olyan LDO-k alkalmazása javasolt, amelyeknek a bemeneti és a kimeneti oldal között a tápelnyomási tényezője (PSRR) – a kapcsolóüzemű tápegység kapcsolási frekvenciájánál – megfelelően magas.
A PSRR az LDO-k egyik legfontosabb paramétere. Azt jelzi, hogy az LDO milyen mértékben képes szabályozni a változó bemeneti feszültség okozta ingadozásokat a kimeneti oldalon:
PSRR = 20 log10·Vin/Vout
További fontos paraméterek a feszültségesés és a nyugalmi áram. A feszültségesés a belső szabályozáshoz szükséges, a bemeneti és kimeneti feszültségek közötti különbség miatt, pontosan azon a ponton, ahol a kimeneti feszültség már nem szabályozható, ha a bemeneti feszültség tovább csökken. Az LDO nyugalmi áramát a visszacsatolási és a meghajtóáram alkotja. Minél kisebb a nyugalmi áram és a feszültségesés, annál nagyobb az LDO hatékonysága.
Az akkumulátor működési idejének növelése LDO szabályozókkal
Egy LDO nagyon hatékony eszköz lehet a hatásfok növelésére egy akkumulátoros rendszerben is. Minimalizálja a készenléti üzemmódban történő energiafogyasztást. A Diotec új LDI8119EN feszültségszabályozója (1. ábra) egy engedélyező funkció segítségével képes kikapcsolni a rendszert. Az engedélyező bemenet (EN) egy külső jel segítségével kapcsolja be és ki az akkumulátoros eszközt. Ha a szabályozó ki van kapcsolva, a belső feszültségreferencia (band-gap reference) tovább működik, ami gyors bekapcsolást tesz lehetővé.
Ha az LDO ki van kapcsolva, a bemeneti áram általában 1 μA-re korlátozódik. Ez a kikapcsolási áram nem tévesztendő össze a nyugalmi árammal, vagyis a bekapcsolt eszköz által terhelés nélkül felvett árammal. Mind a kikapcsolási áram, mind a nyugalmi áram kulcsfontosságú paraméterek az akkumulátor működtetése szempontjából.
A következő képletet használjuk a teljesítményveszteség vagy a teljesítményleadás (PD) kiszámításához:
PD = (Vin – Vout) ∙ Iout + (Vin ∙ IQ)
Ha az LDO-t nem terheljük, azaz a kimeneti áram 0 A, a nyugalmi áram (IQ) a döntő paraméter a teljesítményfelvétel szempontjából. Ez felelős a teljes disszipáció közel feléért. Azokban az alkalmazásokban, ahol az eszköz döntően üresjáratban üzemel, a nyugalmi áram kulcsfontosságú szerepet játszik, és azt a tervezési folyamat során figyelembe is kell venni.
A Diotec LDI8119EN különösen alacsony, mindössze 60 μA nyugalmi árammal rendelkezik. A 0,4 μA és 1,0 μA közötti kikapcsolási árammal jól alkalmazható minden akkumulátoros alkalmazásban. Ez az egyszerű alkatrész jelentősen növelheti az akkumulátorrendszer hatékonyságát, és növelheti az akkumulátor élettartamát.
1. ábra A Diotec LDI8119EN LDO szabályozója az engedélyező funkciónak köszönhetően külső jelet használ a rendszer be- és kikapcsolásához
Zener-dióda mindössze 50 μA árammal
A Zener-diódák jellemzően alacsony mA tartományban működnek, így több mW teljesítményt fogyasztanak. Ez azonban túl sok lehet ahhoz, hogy megfeleljenek az irányelvnek. Ezzel szemben a Diotec és a Panjit MMS1ZXX és MMSZXX diódái mindössze 50 μA-től már szabályoznak, így hozzájárulnak a teljes energiafogyasztás csökkentéséhez (2. ábra). Ezeket általában feszültségstabilizálásra és -szabályozásra használják. Szabványos kivitelben a Zener-dióda feszültségtűrése az E24 nemzetközi sorozat szerint van osztályozva (±5%). Kérésre más tűréshatárok és magasabb üzemi feszültségek is rendelkezésre állnak. A diódák maximális teljesítményleadása 500 mW. Emellett alacsony visszárammal és mechanikailag lapos kialakítással rendelkeznek.
2. ábra A Diotec MM1Z4711 Zener-dióda mindössze 50 µA terheléssel működik, így hozzájárul az eszközök teljes energiafogyasztásának csökkentéséhez
Gyors egyenirányító diódák a nagyobb energiahatékonyságért
A teljesítményelektronika piacán az egyenirányító diódák döntő hatással vannak a teljes rendszer teljesítményére a PFC áramkörökben (teljesítménytényező-korrekció révén) és olyan alkalmazásokban, mint a motorvezérlők, inverterek, valamint híd- és DC/ DC-átalakítók. Ha azt vizsgáljuk, hogy e rendszerek működése során mely alkatrészek termelik a legtöbb hőt, az egyenirányító diódák általában a lista élén állnak.
Az ideális egyenirányító dióda kiválasztása azonban nem könnyű feladat. Mivel minden diódatechnológiának megvannak az előnyei és hátrányai, és minden alkalmazásnak egyedi követelményeknek kell megfelelnie, amelyek közül ráadásul néhány ellentmond egymásnak (3. ábra). Ahhoz, hogy minden alkalmazáshoz a legmegfelelőbb diódát tervezze be, a Rutronik a különböző technológiájú diódák széles termékportfólióját tudja ajánlani.
Ha energiahatékonyságról van szó, az ES1G (Superfast Efficient) egyenirányító dióda – például a Panjit, a Diotec és a Diodes gyártóktól – lehet az első választás. Alkalmas a nagy frekvencián működő áramkörökhöz, például a kapcsolóüzemű tápegységekhez. A vezetési veszteségek mellett a kapcsolási idővel arányos kapcsolási veszteségek is jelentkeznek. Mivel a teljes veszteség a vezetési és a kapcsolási veszteségek összege, a megfelelő dióda kiválasztásakor mindkét paramétert figyelembe kell venni. Az alacsony kHz frekvencián működő és néhány amper vagy annál nagyobb áramerősségű áramkörökhöz, alacsony átviteli feszültségű, gyors dióda ajánlott. A néhány 100 kHz-ig működő áramkörök esetében a hangsúly a rövid kapcsolási idővel rendelkező diódán van. Ideális esetben a dióda az alacsony nyitófeszültséget és a rövid kapcsolási időt ötvözi, akárcsak az ES1G. Ez segít jelentősen csökkenteni a disszipációs teljesítményt és ezáltal a rendszer energiafogyasztását.
Schottky-dióda alacsony visszárammal
Az állandó használatban lévő készülékek, például a főzőlapok vagy a mikrohullámú sütők esetében a kulcs, hogy minden egyes mW energiát megtakarítsanak, hogy megfeleljenek a környezetbarát tervezésről szóló irányelv követelményeinek. A Diotec SK34SMA L217 15MQ040N Schottky-dióda az iparági szabvány alatti visszárammal és alacsony nyitófeszültséggel büszkélkedhet. A tápegység egyenirányításáért is felelős, továbbá kimeneti egyenirányítóként is tökéletes az akkumulátoros eszközök vezeték nélküli töltéséhez. Az alacsonyabb szivárgási áramoknak köszönhetően ráadásul hosszabb készenléti időtartamot tesz lehetővé.
Hogyan érhető el ez? Eddig a Schottky-diódák fő paramétereinek a nyitófeszültséget és a visszáramot tekintették. Ezek összefüggnek egymással, ugyanis ha a nyitófeszültség csökken, a visszáram nő, és fordítva.
Emellett azonban még mindig uralkodik az a feltételezés, hogy a nyitófeszültség nagyobb hangsúllyal járul hozzá a teljesítményleadáshoz, míg a visszáramnak kisebb a jelentősége, de ez nem minden esetben igaz. Egy példa: ha egy boost átalakító kimeneti feszültsége sokkal nagyobb, mint a bemeneti feszültség, akkor a periódusidő nagyon hosszú lesz. Minél hosszabb a ciklus, annál hosszabb ideig marad a Schottky-dióda fordított irányban előfeszített, és annál nagyobbak a fordított veszteségek, ezért a megfelelő Schottky-diódák méretezésekor és kiválasztásakor elengedhetetlen, hogy előzetesen részletesen elemezzék az adott alkalmazás vagy feladat működési körülményeit. A teljes veszteségek tehát a kapcsolási, vezetési és fordított veszteségek összege.
3. ábra Minden diódatechnológiának megvannak a maga sajátos erősségei és gyengeségei, és az ideális állapotot (zöld) egyik diódával sem lehet elérni
Összefoglaló
A példák azt mutatják, hogy az innovatív, korszerű alkatrészek alkalmazása jelentősen hozzájárul a környezetbarát tervezésről szóló irányelv követelményeinek megfelelő, energiahatékonyabb eszközök kifejlesztéséhez, amivel aktívan hozzájárulhatunk a környezetünk védeleméhez.
Szerző: Thomas Bolz – Corporate Product.
Manager Standard Products, Rutronik
Rutronik Magyarország Kft.
1117 Budapest
Alíz utca 1.
Tel.: +36 1 231 3349
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
#018ed3
