Tippek a megfelelő online eszközök kiválasztásához – 3. rész

Tápegységek

Négyrészes sorozatunkban néhány olyan kihívást járunk körbe, amikkel a tervezőmérnökök gyakran szembesülnek, és megvizsgáljuk, milyen segítséget nyújtanak ezek leküzdéséhez a különböző online eszközök. Az áramkörök tervezése közben a mérnököknek sokféle számítást kell végezniük. Az alkatrészek kiválasztásától az analóg szűrők és rádiófrekvenciás áramkörök (RF) kialakításáig minden lépéshez különböző, a tervezést segítő eszközök állnak rendelkezésre.

Minden elektronikai rendszernek szüksége van tápegységre, ami gondoskodik a rendelkezésre álló (váltakozó- vagy egyen-) áram a berendezés számára szükséges típusúvá és feszültségűvé alakításáról. Ebben a cikkben a tápegységek kiválasztásához és tervezéséhez használható eszközök kínálatával foglalkozunk.

Az áramátalakítók fajtái

Az áramátalakítók szabályozott, illetve szabályozatlan kategóriába sorolhatók. Egy szabályozatlan tápegység egy transzformátor segítségével csökkenti a bemeneti váltakozó áramú feszültséget a kívánt feszültségszintre. Amennyiben szükséges, ezt egyenárammá alakítják, és egy kondenzátor segítségével biztosítják a sima, megközelítőleg állandó kimeneti feszültséget. A transzformátorok azonban elvesznek a teljesítményből, a hatékonyságuk nem igazán jó.

1. ábra Váltakozó áram a fali konnektorból

2. ábra Teljes hullám egyenirányítva

3. ábra Teljes hullám egyenirányítva

1. táblázat A szabályozatlan tápegységek előnyei és hátrányai

 
Egyes rendszerek érzékenyek a tápfeszültség ingadozására, ezért szabályozott tápellátást igényelnek. Ezek elektronikus áramkört használnak a pontosabb és stabilabb kimenet biztosítása érdekében. Egyéb funkciókat is tartalmazhatnak, mint például a változtatható kimenetet vagy túláram elleni védelmet.
A feszültségszabályozók használhatók egy rendszeren belül, így a tápegység képes a megfelelő feszültséggel ellátni a különböző alrendszereket.
A szabályozott tápegységek lineáris és kapcsoló üzemmódú kategóriára oszthatók tovább.

Lineáris szabályozók

Egy szabályozatlan tápegységhez hozzáadható egy lineáris feszültségszabályozó (4. ábra). Egy áteresztő tranzisztor váltakozó ellenállásként működve szabályozza a kimeneti feszültséget, kiigazítva a bemeneti feszültség vagy a kimeneti terhelés változásai által okozott ingadozásokat. Ez a tranzisztor mindenképp disszipál valamennyi teljesítményt.

4. ábra Egy egyszerű lináris szabályozó blokkdiagramja

Kapcsolóüzemű szabályozók

Egy kapcsolóüzemű tápegységben egy áteresztő tranzisztor gyorsan be- és kikapcsolgatja a bemeneti feszültséget. A tranzisztor bekapcsolt állapotának aránya szabályozza az átvitt töltés mennyiségét, és ebből következően a kimeneti feszültséget. Ez a megoldás szükségtelenné teszi transzformátor használatát. Mivel az áteresztő tranzisztor vagy teljesen vezető, vagy teljesen kikapcsolt állapotban van, csupán nagyon kis mennyiségű áramot disszipál. Emiatt a kapcsolt üzemű szabályozók nagyon hatékonyak.

2. táblázat Lineáris és kapcsolóüzemű szabályozók összehasonlítása

A tápegységek paraméterei

Egy tápegység leírására alkalmas paraméterek a következők:

1. Fizikai kialakítás: Önálló egység vagy áramkörbe építhető komponens
2. Bemeneti feszültség típusa (váltakozó- vagy egyenáramú) és tartománya
3. Kimeneti feszültség- és áramtartomány
4. Hatásfok
5. Elfogadható hullámossági vagy zajszint
6. Kimeneti stabilitás a terhelés és a bemenet változásai esetén

Ezen paraméterek figyelembevételével eldönthető, hogy felhasználás szempontjából szabályozott, lineáris vagy kapcsolt üzemű tápegység-e a leginkább megfelelő, és megkezdhető-e a tervezés.

Eszközök tápegységek kiválasztásához, tervezéséhez és szimulációjához

A tápegységek tervezéséhez használható tervezőeszközök lehetővé teszik a megfelelő alkatrészek kiválasztását és áramkörbe tervezését. A szimulációs eszközök az áramkör teljesítményének kiértékelésére használhatók. Segítségükkel olyan tényezőkbe nyerhetünk betekintést, mint a hatékonyság, a hullámzás vagy a tranziensválasz. A terv különböző formátumokba exportálható, sok esetben akár teljes anyagjegyzékként is (bill of materials – BoM).

Analog Devices

Az Analog Devices rendelkezik egy Windows-alapú eszközkészlettel energiaellátó rendszerek és áramkörök tervezéséhez. Az LTpowerCAD egy DC-DC tápegységek tervezését és szimulációját támogató eszköz, amely alkalmazásspecifikus ajánlásokat tesz alkatrészértékekre, illetve teljesítménybecsléseket készít. Az elkészült terv az LTSpice^®-ba exportálható további szimulációk végzéséhez.

CoilCraft

A CoilCraft (5. ábra) mágneses alkatrészeket szállít. Egy sor online eszközt kínálnak, amelyek a leginkább megfelelő transzformátorok és induktorok kiválasztásával segítenek megtervezni és optimalizálni egy tápegységet (https://www.coilcraft.com/en-us/tools/). Ezek segítségével megtalálhatók az adott referenciatervhez leginkább megfelelő alkatrészek.
Ezenfelül a releváns tápegységalkatrészeket szállító félvezetőgyártó cégek szimulációs eszközeikhez is biztosítanak linkeket.

5. ábra CoilCraft (Forrás: CoilCraft)

Maxim Integrated/Analog Devices

A Maxim EE-Sim Solution Finder (6. ábra) egy online kiválasztó eszköz kapcsolóüzemű áramátalakítókhoz. Az eszközök be- és kimeneti feszültség, illetve egyéb jellemzők alapján is kereshetők. A kiválasztott alkalmazás ezt követően felhasználható a EE-Sim^® DC-DC Converter eszközben egy teljes terv generálásához, majd az elkészült terv szimulációjával meggyőződhetünk róla, hogy az megfelel-e a követelményeknek.

6. ábra Maxim Integrated (Forrás: Analogy Devices)

onsemi

A WebDesigner+ tápegységtervező eszköz (7. ábra) segítségével kiválaszthatók a legjobb onsemi termékek, és létrehozható az alkalmazáshoz megfelelő terv. Átfogó szűrőinek segítségével kiválaszthatók a megfelelő IC-k, MOSFET-ek és diódák AC/DC és DC/DC átalakítók tervezéséhez. Az eszköz lemodellezi az elkészült tervet, és visszajelzéseket ad az áramkör működéséről.

7. ábra onsemi WebDesigner+ tápegységtervező eszköz (Forrás: onsemi)

STMicroelectronics

Az STMicroelectronics (8. ábra) szintén rendelkezik egy sor, tápegységek tervezését segítő eszközzel.
A Power Supply Design Tool napelemes akkumulátortöltőkhöz használatos DC/DC és AC/DC tápegységek és áramkörök tervezését támogatja. A be- és kimeneti feszültségek alapján kiválaszthatók egy kapcsolóüzemű tervhez megfelelő komponensek.

8. ábra Az STMicroelectronics Power Supply Design Tool-ja (Forrás: STMicroelectronics)

Texas Instruments

A TI WEBENCH Power Designer (9. ábra) az igényeknek megfelelő módon testre szabott tápegység-áramköröket készít. A tervek váltakozó áramú és egyenáramú bemenettel is elkészíthetők maximum 500 V feszültségig.

9. ábra Texas Instruments WEBENCH Power Designer (Forrás: Texas Instruments)

Egyéni eszközök és információforrások

A tápegységalkatrészek gyártói is beszállítói mind rendelkeznek legalább egy termékkiválasztó eszközzel, sokuk pedig tervezőeszközöket is kínál. További információkat és néhány linket találhat a Mouser power supply technology oldalán.

Sorozatunk befejező részében a rádiófrekvenciás (RF) áramkörök tervezőeszközeivel fogunk foglalkozni.

Szerző: Mark Patrick – Mouser Electronics

Mouser Electronics
Hivatalos forgalmazó
www.mouser.com
Kövessen bennünket Twitteren:
https://twitter.com/MouserElecEU

Tippek a megfelelő online eszközök kiválasztásához – 2. rész (Analóg szűrők)

Tippek a megfelelő online eszközök kiválasztásához – 1. rész (Online kalkulátorok és tervezőeszközök)

Tippek a megfelelő online eszközök kiválasztásához – 4. rész (Rádiófrekvenciás tervezés)