Teljesítményelektronikai ötletek – 37

A tápegységek – és a terhelések – „közös érdeke” a hibás bekötések és más téves használat esetén a „reverzibilis”, visszaállítható védelem. Robert cikksorozatának következő folytatása egy egyszerűen és olcsón megépíthető, de sokoldalú és hatásos védelmet mutat be.

Tápegységek védelme egyszerű reteszelő áramkörrel 

Volt már valaha szüksége egy egyszerű, olcsó reteszelő áramkörre? Az 1. ábra éppen egy ilyet mutat, amely a hibás működés és használat elleni védelmet szolgálja, és „filléres” alkatrészekből megvalósítható. Az áramkör lényegében egy vezérelt egyenirányító (Silicon Controlled Rectifier – SCR, tirisztor), amelyet azonban diszkrét alkatrészekből építünk fel (nevezzük a továbbiakban SCR-nek – A ford. megj.). Normál (passzív) állapotban a két tranzisztor kikapcsolt állapotban van. A reteszelés kiváltásához vagy a PNP-tranzisztor bázisát kell alacsony szint felé, vagy az NPN-tranzisztorét magas szint felé vezérelni úgy, hogy az érintett tranzisztor bekapcsolt állapotba kerüljön. Ennek hatására a tranzisztoron kollektoráram kezd folyni, amely bekapcsolja a másik tranzisztort is – amitől az eredetileg bekapcsolt tranzisztor is még jobban nyitott állapotba vezérlődik. A begyújtási folyamatot tehát lényegében a pozitív visszacsatolás teszi teljessé. A tranzisztorok áramát csak a forrásimpedancia és bizonyos tranzisztorjellemzők korlátozzák, ezért ez az áramkör rendkívül alkalmas arra, hogy egy kondenzátor töltését gyorsan kisüsse.  

1. ábra A diszkrét elemekből felépített, beállítható tartóáramú SCR kapcsolása

Az áramkör érdekes tulajdonsága, hogy az SRC tartóáramát az ellenállások megválasztásával beállíthatjuk. Ahhoz, hogy az SCR a begyújtás után is bekapcsolt állapotban maradjon, mindkét  tranzisztoron elegendően nagy (kb. 0,7 V) bázis-emitter feszültségre van szükség ahhoz, hogy a tranzisztorokat bekapcsolva tartsa. Ez azt jelenti, hogy az áramkör reteszelve marad mindaddig, amíg legalább V_BE1/R₁+V_BE2/R₂ áram folyik át rajta. Ha ez a reteszáramkör egy kondenzátorral van párhuzamosan kapcsolva, és a kondenzátor még elegendő áramot tud szolgáltatni, a retesz kisüti a kondenzátort. Ha azonban az áram értéke a tartóáram küszöbértéke alá csökken, a reteszelődés megszűnik, és az áramkör kikapcsol.

A 2. ábra egy olyan helyet mutat, ahova ez az áramkör hasznosan beépíthető. Ez egy nagy bemeneti feszültségről működtethető 48 V-os kimenetű flyback DC/DC-konverter, amelyben arra használjuk az   SCR-t, hogy kikapcsoljuk a kimenetet, ha a vezérlő áramkör hibájából a kimeneten túlfeszültség jelenne meg.

2. ábra Az SCR-áramkör programozható úgy is, hogy reteszelve maradjon, és úgy is, hogy nem

Amikor a bemeneti feszültség rákapcsolódik az áramkörre, az R3 és az R4 ellenálláson folyó áram tölti a a C3 pufferkondenzátort. Ha a C3 feszültsége már elég nagy, a vezérlő IC működni kezd, megfelelően vezérli a Q3 kapcsolófetet, és energiát továbbít a kimenetre. A kimeneti feszültséget az U1 vezérlő szabályozza azon a módon, hogy szabályozza a transzformátorra jutó energiát. Ez az áramkör szigetelt módon valósítja meg a túlfeszültségvédelmet az U3 segítségével. A D5 és D6 zenerdiódák úgy vanak megválasztva, hogy ne vezessenek normál működés közben. Túlfeszültség előfordulásakor azonban vezetni kezdenek, és ennek hatására áram folyik át az U3 optocsatolón, amely begyújtja a Q4 és Q5 tranzisztorokból álló reteszáramkört. A retesz kisüti a C3 kondenzátort, és az U2 működése leáll, amint a V_DD feszültsége az alacsony tápfeszültség miatti kikapcsolási érték alá csökken. Eközben a retesz folytatja a C3 kondenzátor kisütését addig, amíg annak  feszültsége 1 V körüli értékre nem csökken. Ez az az érték, ahol az R3, R4, R14 és R16 ellenállás értéke fontossá válik. Az R3 és R4 korlátozza a bemeneti pont felől folyó áram értékét, az R14 és R16 pedig meghatátozza, mekkora legyen a retesz tartóárama. Ha R14 és R16 elég kis értékű, a retesz kikapcsol, a C3 kondenzátor újratöltődik, és a tápegység megint megpróbál kimenőteljesítményt előállítani.

Ez a megoldás hiba esetén megpróbál folyamatosan újra bekapcsolódni. Ha az ellenállásértékek elég nagyok, a retesz bekapcsolt állapotban marad, és a kimenőteljesítményt csak úgy lehet helyreállítani, ha a reteszáramkört külső beavatkozással alaphelyzetbe állítjuk. Ez esetben nincs ismételt „újrapróbálkozás” tartósan fennálló hiba esetén. Egy másik fontos alkatrész az R5, amely korlátozta a segéd­tápfeszültség értékét, miután a retesz begyújtott. Normál körülmények között ez az alkatrész arra szolgál, hogy megelőzze a segédfeszültség csúcsainak detektálását.

Ez az áramkör többféleképpen használható már csak azért is, mert a felfutó és lefutó élt is használhatjuk a beindítására. Például a túlfeszültség-védelmet megvalósíthatjuk a primer oldalon is oly módon, hogy egy zenerdiódát kapcsolunk a segédtápfeszültség és a Q5 tranzisztor bázisa közé. De használhatunk a Q4 tranzisztor bázisának meghajtására egy olyan hőmérséklet-érzékelőt is, amely negatív éllel jelzi a megengedett maximális hőmérséklet túllépését. Egy másik megoldásban egy – a szekunder oldalon elhelyezett – komparátorral nagyon pontosan érzékelhetjük a kimeneten megengedett maximális áram túllépését, amely egy optocsatolón át gyújthatja be az SCR-áramkört a 2. ábrán láthatóhoz nagyon hasonló módon.
Összegezve: ez a reteszáramkör néhány forint értékű alkatrészből felépíthető, és nagyon sokoldalúan használható. Pozitív vagy negatív átmenettel egyaránt indítható, reteszelődő vagy nem reteszelődő kivitelű is lehet az ellenállásértékek megválasztásától függően.

Következő folytatásunkban összehasonlítjuk egymással a folytonos és nem folytonos üzemű tápegységeket, és megmutatjuk, hogy a hatásfok nem az egyetlen indok a szinkron egyenirányító használatára.

A cikksorozat korábbi részei: