Teljesítményelektronikai ötletek – 29

Gyakori feladat, hogy nagy váltakozó feszültséget szolgáltató energiahálózatból kell jóval kisebb egyenfeszültséget létrehozni – például az elektronikus fogyasztásmérőkben. Erre mutat egyszerű, olcsó megoldást Robert cikksorozatának e havi folytatása.

Segédtápegység kisfeszültségű, feszültségcsökkentő szabályozóval

A jelen cikkünkben megoldást keresünk arra a jellegzetes problémára, amikor nagy értékű váltakozó feszültséget előállító forrásból kell nála jóval alacsonyabb egyenfeszültséget előállítani – pédául egy elektronikus fogyasztásmérő elektronikus elemeinek tápfeszültség-ellátására. Ez esetben nem szükséges szigetelt elválasztást létesíteni a be- és a kimenet között. A megoldásban a bemeneti váltakozófeszültség egyenirányítása után akár 375 V egyenfeszültség is keletkezhet, miközben a kimeneti feszültség 5 VDC nagyságrendű, néhány száz mA terheléssel. Az ilyen tömeggyártású alkalmazások rendszerint nagyon árérzékenyek, ezért kevés – és olcsó – alkatrészből álló áramköri megoldást kell választanunk. A feszültségcsökkentő kapcsolóüzemű szabályozó olcsón beszerezhető, ám a nagy bemeneti feszültségű megoldás megvalósítása nehézségekbe ütközhet. Folytonos működésű üzemmódban a feszültségcsökkentő szabályozó 400 V-ból 5 V-ot 1,25% kitöltési tényezővel tud előállítani (U_out/U_in = 5 V/400 V = 0,0125 = 1,25%) Ha a kapcsolási frekvenciát 100 kHz-re választjuk, a tranzisztor bekapcsolási idejére 125 ns adódik, amelyet a kapcsolótranzisztor kapcsolási sebességéből adódó korlátozások miatt nem könnyű megvalósítani.
    Az 1. ábra olyan áramkört mutat, amely megbirkózik a kis kitöltési tényezőből adódó nehézségekkel. Egy folytonos működésű kapcsolóüzemű tápgység (U1) vezérli a nagyfeszültségű, feszültségcsökkentő teljesítménykapcsoló-fokozatot, egy p-csatornás kapcsolófetet (Q4), amely a 400 V-ból 5 V-ra csökkentett kimeneti feszültséget állítja elő. A kapcsoló MOSFET-et a Q2-ből és Q3-ból álló szinteltoló áramkör hajtja meg. A példánkban TPS64203 típusú kapcsolóüzemű vezérlő a tervezett áramkör kulcsfontosságú alkatrésze. Ezt rendkívül alacsony nyugalmi áram (35 μA) jellemzi, amely lehetővé teszi, hogy a konvertert bekapcsoláskor offline-üzemmódban az R2 és R3 ellenállásokon felvett árammal lehessen elindítani.

1.ábra Kisfeszültségű feszültségcsökkentő IC-vel egyszerű, olcsó segédtápegységet tervezhetünk

    A másik fontos követelmény, hogy a meghajtó áramkör legyen képes rövid (600 ns-os) kapuvezérlő impulzusokat előállítani annak érdekében, hogy a minimális kapcsolási frekvenciát (a folytonos vezetésű üzemmódban) 20 kHz fölé emelhessük. A Q1 tranzisztor szinteltolóként működik, hogy a felső oldali meghajtótranzisztor előállíthassa a kapuvezérlő feszültséget. Az alacsony értékű, 5 V-os kimenőfeszültséget az R4 ellenállással előterheljük, hogy állandóan folyjon áram a Q1-en és az R5-ön. Az R5-ön eső feszültség ­emit­ter­­­­-
követőkön keresztül hajtja meg a p-csatornás MOSFET kapuelek­tródáját. Az áram tölti a C4 kondenzátort is, amelyen ezen a módon létrejön a meghajtófokozat tápfeszültsége. Azért választottunk p-csatornás kapcsolófetet, hogy egyszerűbb lehessen a meghajtó­áramkör. Ha n-csatornást használtunk volna, lényegesen bonyolultabb megoldással érhettük volna csak el a célunkat.
    A 2. ábra két hullámformát mutat, amelyből látható, hogy megfelelően gyors kapcsolás érhető el az egyszerű, bipoláris meg­hajtóáramkör alkalmazásával is. A kapufeszültség fel- és lefutási ideje kisebb 50 ns-nál, amelynek következtében 30 ns-nál rövidebb kapcsolási időket olvashatunk le a nyelőelektróda-feszültség időfüggvényéről. A sebességet tovább növelhetjük a meghajtóáram értékének növelésével, ami révén gyorsabban töltődik a p-csatornás MOSFET kapuelektróda-kapacitása. Ennek az az ára, hogy nő az áramkör teljesítményvesztesége. Az áramkör hatásfoka 70% körüli, amely jónak mondható érték, tekintettel arra, hogy a teljes kimenőteljesítmény csupán 4 W, a 400 VAC-ról 5 VDC-re történő átalakítás pedig egyszerű és olcsó áramkörrel valósul meg. A megoldásnak két hiányossága van: nem tartalmaz védelmet a rövidzár és a túlfeszültség ellen. Viszont ezek nélkül az áramkör költséghatékonysága sok alkalmazásban döntő tényező lehet. 

2.ábra A MOSFET-tel megfelelően nagy (<50 ns) kapcsolási sebességet érhetünk el.

A következő folytatásban olyan módszert tárgyalunk, amivel megmérhető egy tápegységvezérlő szabályozóhurok fázistartaléka anélkül, hogy tudomásunk lenne, mi van az áramkör belsejében.

www.ti.com/power-ca