4. Mérés. Tápegységek, lineáris szabályozók

Átírás

1 4. Mérés Tápegységek, lineáris szabályozók A régi időkben az elektronika szó hallatán mindenki a világításra és a villanymotorokra asszociált egyből, hiszen ebből állt valaha az elektronika. Később ez a fogalom kiterjedt a legkülönfélébb tele- és infokommunikációs rendszerekre (rádió, televízió, korszerűbb távbeszélő hálózatok stb.), mely magába foglalta az elektronikus alkatrészekkel, valamint a kapcsolási megoldásokkal szemben feltámasztott igények rohamos növekedését is. Napjainkban az elektronika, mint fogalom, már inkább a gyengeáramú, nagy precizitású, nagy sebességű analóg és digitális áramköröket, készülékeket foglalja magába. Mint ilyen berendezéseknek, általánosan elfogadott fontos szempont a működési stabilitás, megbízhatóság szempontjából minél jobb minőségűen kivitelezett tápellátás, mely természetesen a korszerű berendezések esetében már nem pusztán egyenirányítóból és szűrőkből áll. Az elkövetkező mérés az előtanulmányokból ismeretes párhuzamos feszültségszabályozókat (Zener-dióda) már nem tárgyalja, azok elavultsága és kedvezőtlen villamos paraméterei (pl.: hatásfok) miatt, azok ismerete azonban az összetettebb kapcsolások megértését segíti. Lényeges azonban a manapság használatos soros feszültségszabályozók két fajtáját megemlíteni:. Lineáris szabályozók: olyan feszültség (vagy áram) szabályozó áramkörök, melyek teljes szabályozási köre és végrehajtó rendszere egyaránt analóg jelszintekkel dolgozik. Ez annyit takar röviden, hogy a szabályozási kör jellemzően nem tartalmaz a műveleti erősítőnél komplikáltabb áramköri egységet, továbbá a soros szabályozó tag tipikusan bipoláris tranzisztor, mely disszipatív tartományban üzemel (tehát nem kapcsolóként, hanem dinamikusan szabályozott ellenállásként). Igaz, hogy ez a rendszer rossz hatásfokú, de mellette szól, hogy rendkívül egyszerűek, jól kezelhetőek, megbízhatóak, majdnem korlátlanul széles tartományban alkalmazhatók és a hatásfokuktól eltekintve gyakorlatilag minden paraméterük kedvező. Mai elterjedtségük egyik fő oka ez, a másik pedig az, hogy egyszerűségéből adódóan ezt a fajta szabályozást sokkal korábban kidolgozták.. Kapcsolóüzemű szabályozók: olyan tápegységek, melyek szabályozási köre túlnyomórészt analóg áramköri elemekből épül fel, de egyre nagyobb teret hódít a mikroprocesszoros vezérlés is napjainkban; a soros áteresztő tag jellemzően MOSFET, melyet négyszögjellel vezérel a szabályozási kör (tipikusan PWM jellel), tehát kapcsoló szerepet tölt be. A MOSFET mellett szól két érv; az egyik a bipoláris tranzisztorhoz képest nagyságrendekkel kisebb vezérlőáram, valamint a rendkívül kicsi DSON (Drain-Source ellenállás bekapcsolt állapotban), ami manapság már néhány 0mΩ (!). A kimeneti jelalak egyenfeszültség helyett önmagában a kapcsolójel felerősített változata lenne, ezért a kapcsolóelem után szűrőket (tipikusan integráló tagokat) kell elhelyezni. A kapcsoló üzemű tápegységek nagy előnye, hogy nagyon jó a hatásfokuk (η>90%), azonban a szűrők méretezése nehézkes, valamint a nagyfrekvenciás kapcsolójel miatt mind a kimenet, mind pedig a bemenet felé zajt termelnek az ilyen tápegységek. Felépítésük lényegesen összetettebb, bonyolultabb, a mai piaci igények szempontjából csak a működési frekvenciával arányosan csökkenő transzformátorméret, valamint a jó hatásfok szól. A kapcsolóüzemű tápegységeket ez a mérés nem taglalja.

2 4.. Elméleti áttekintés, fontosabb jellemzők: Az elkövetkező mérés során egy széles körben, feszültség- és áramgenerátorként, lineáris és kapcsolóüzemű tápegységként egyaránt használható, külsőleg bővíthető integrált áramkör, melynek típusa LM73 (régebben µa73); bővítésekkel elérhető U ki = 00V V ; I ki = 0 0A). Az IC egyszerűsített blokkvázlata az alábbi ábrán látható:. ábra: Az LM73 egyszerűsített belső felépítése (Texas Instruments katalógus). ábra: Az LM73 bekötése (Texas Instruments katalógus) Az. ábrán jól láthatók a szabályozó legfontosabb részegységei: - eferencia feszültségforrás: Értéke tipikusan U ref = 7,5V. - Hibajel erősítő: ennek nem-invertáló bemenetére szokás kötni a kívánt U ki feszültséget, míg az invertáló bemenetére a tényleges U ki feszültséget (visszacsatolás). - Áramhatároló tranzisztor: ha I ki értéke meghaladja a kívánt értéket, akkor ez a tranzisztor szívja el az áteresztő tranzisztor bázisáramát, ilyen módon korlátozva a kimenő áramot. - Soros áteresztő tranzisztor: rajta esik az Ube-Uki differenciafeszültség, maga a végrehajtó eszköz.

3 3. ábra: A 73-as IC tipikus kisfeszültségű alapkapcsolása (Texas Instruments katalógus) A 3. ábra jól szemlélteti a 73-as táp IC talán legegyszerűbb bekötési módját. A kapcsolás működése a következő:. U ref értéke 7,5V, mely és ellenállásosztó osztási arányával kapott feszültségként jelenik meg a hibajel erősítő nem-invertáló bemenetén; ez lesz a kívánt kimeneti feszültség. C EF kondenzátor zavarszűrő-stabilizáló szerepet tölt be. Ebben az elrendezésben természetesen U ki értéke nem haladhatja meg U ref értékét. V out = V ref +. V + és V CC lábak közösítésre kerülnek (nagy áramok/feszültségek esetén érdemes különválasztani). 3. CL (Current Limit) és CS (Current Sense) lábak közé kerül az SC ellenállás, amivel a maximális kivehető áram, azaz az áramkorlát értéke állítható be. V I lim it = sense SC Ahol V sense = 0,65V ellenállás célja a hőmérsékleti drift csökkentése C kondenzátor tranziens jelenségek hatásait csillapítja. =

4 További hasznos információk az LM73 adatlapjáról (Texas Instruments katalógus): - Külső bővítés nélkül I kimax = 50mA. - U bemax ( V és +V között) folyamatos üzem mellett 40V. - A hibajel erősítő bemeneteire kapcsolható maximális feszültség 8,5V. - V ref kimeneten kivehető maximális áram értéke 5mA. - U be felől érkező hullámosság elnyomása (ripple rejection) 50Hz-0kHz tartományban: 74-86dB (C ref értékétől függően). - U be értéke 9,5V 40V. - U ki értéke V 37V (kapcsolástechnikától függően). A felsorolt paraméterek többnyire jellemzőek minden tápegységre! 4. ábra: A 73-as IC reakciója a hálózat és a kimenet felől érkező lökések estén (C ki =0). (Texas Instruments katalógus) A 4. ábra és az előtte felsorolt adatok olyan információkat hordoznak magukban, melyeket nem pusztán a 73-mal való munka során kell ismerni, hanem tudni kell, hogy minden tápegységet jellemeznek hasonló információk és váltakozó áramú jelenségek! 5. ábra: 7-37V tartományban állítható tápegység (Texas Instruments adatlap).

5 Az 5. ábra olyan megoldást mutat, mely esetén U ref -nél nagyobb kimeneti feszültségű tápegységet kapunk. Ebben az esetben U ref értékét közvetlen kell kapcsolni a hibajel erősítő nem-invertáló bemenetére ( 3 szerepe a hőmérsékleti drift csökkentése, képlete már ismertetett), ám ezúttal a kimeneti feszültséget kell leosztani és segítségével: V out = V ref + 6. ábra: Külső, NPN tranzisztoros bővítés (Texas Instruments adatlap). A 6. ábrán szemléltetett külső bővítő tranzisztoros kapcsolást abban az esetben kell alkalmazni, ha a V out kimenet által szolgáltatható maximális 50mA nem elegendő a táplálandó áramkör ellátására. Ilyenkor a külső tranzisztor a belsővel Darlington kapcsolásban van. Fontos azonban ilyenkor ügyelni arra, hogy a teljesítménytranzisztorok áramerősítési tényezője (bétája) kis értékű (6-0), ezért néha nem elég pusztán egy külső tranzisztor, hanem kettőt kell Darlington-kapcsolásba kötni (vagyis összesen három tranzisztor lesz), különben a hibajel erősítő nem biztos, hogy rá fog tudni dolgozni a soros áteresztő tranzisztor bázisára! 7. ábra: Az áramkorlátos feszültséggenerátorokra jellemző karakterisztika (terhelési görbe)

6 4.. Mérési utasítások: Valósítsunk meg egy LM73-al felépített kis kimeneti feszültségű alapkapcsolást a 3. ábra alapján. - ellenállásosztót helyettesítsük 0kΩ potenciométerrel, így a kimeneti feszültség fokozatmentesen változtatható lesz. Ebben az esetben azonban 3 értéke is dinamikusan változik a beállított feszültség függvényében, ezért ilyenkor nem meghatározható; érdemes a számítások határadatai alapján egy közepes értéket választani. C ref és C kondenzátorok szerepe jelen mérés során nem számottevő, mivel az U be feszültséget szolgáltató tápegység is stabilizált, valamint a 73-as IC nem kapcsolóüzemben dolgozik. A kapcsolás helyes megépítése esetén a kimeneti feszültség kb. V-tól U ref -ig állítható lesz, valamint SC -nek megfelelő áramkorlátot is kapunk. U be = +30V - = 0kΩ potenciométer 3 = kω SC = 33Ω, majd 00Ω t =,kω potenciométer (5W) e = kω (5W) *Mivel a 4. és 5. pont során U ki értéke várhatóan nagyon kis mértékben fog változni, ezért U ki változását az I ki áram függvényében rögzítsük százalékosan is külön grafikonban. 8. ábra: Zavarójel szuperponálása a tápvonalra A u [ db] = 0lg U U ki be. Mérjük meg U ref értékét nagy pontossággal és hasonlítsuk össze a katalógus adattal.. Határozzuk meg az áramkorlátot figyelő tranzisztor U BE feszültségét úgy, hogy SC értéke 33Ω, a kapcsolás kimenetét pedig árammérőn keresztül zárjuk rövidre (kössük földre). A kapott értéket hasonlítsuk össze a katalógusban megadott U limit feszültséggel. 3. SC ellenállást cseréljük ki 00Ω-ra, majd ismételjük meg a. pontban foglaltakat! 4. Mérjük a kimeneti üresjárási feszültséget (javaslat: U ki = 5V). Csatlakoztassuk a kimenetre t -t. Vegyük fel az áramkör terhelési karakterisztikáját (U ki -I ki )! 5. Ismételjük meg a 4. pontban foglaltakat a másik SC -vel is! 6. A 8. ábra alapján bővítsük a mérendő áramkört (U ki legyen üresjárásban)! A beiktatott függvénygenerátoron állítsunk be kb. 0V pp jelet. AC voltmérővel mérjük meg az U be pontra ponált feszültség effektív értékét minél pontosabban, majd az áramkör kimeneti pontján is (ez utóbbi mv nagyságrendű lesz). Ezt a mérést 50Hz- 50kHz tartományban végezzük el a két szélsőértéken és még legalább 4-5 pontban, majd a kapott csillapításokat átlagoljuk és hasonlítsuk össze a katalógus adattal. 7. A 4. ponttól az összes mérési pontot ismételjük meg a nagy kimeneti feszültségű kapcsolási elrendezéssel is (javaslat U ki = 5V)!

7 4.3 Ellenőrző kérdések. Ismertesse a soros lineáris feszültségszabályozók előnyeit és hátrányait a kapcsolóüzemű tápokkal szemben!. ajzolja fel egy lineáris feszültségszabályozó blokkvázlatát! 3. Ismertesse a belső részegységek feladatát! 4. Mi az elve a referenciánál kisebb kimeneti feszültség előállításának? 5. Mi az elve a referenciánál nagyobb kimeneti feszültség előállításának? 6. Mi az elve a kimeneti áramkorlát megvalósításának? 7. Mi az elve a nagyobb kimeneti áram megvalósításának?