Teljesítményelektronikai ötletek – 36

Néha 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:

ahol W a kondenzátor energiaváltozása, C a kapacitása, V a feszültsége.

 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 V_eff 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.

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.

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.  

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: