Kapcsolóüzemű tápegységek és visszahatásaik a hálózatra

Átírás

1 Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Kar Elektrotechnikai - Elektronikai Tanszék Villamosmérnöki BSc alapszak Kapcsolóüzemű tápegységek és visszahatásaik a hálózatra Név: Szaka Gábor Tankör: G-4BVC Neptun kód: ZW1OTT Cím: 3212, Gyöngyöshalász, Vörösmarty Mihály út 6/1. Konzulens: Dr. Kovács Ernő Elektrotechnikai - Elektronikai Tanszék (tanszékvezető) Miskolc, 2012

2 KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Köszönetet mondok konzulenseimnek: Dr. Kovács Ernő, tanszékvezető (Elektrotechnikai- Elektronikai Tanszék) Sarvajcz Kornél, hallgató (Miskolci Egyetem, Gépészmérnöki és Informatikai Kar, Mechatronikai mérnöki Msc) További támogatóimnak: Unhauzer Edina, hallgató (Miskolci Egyetem, Gépészmérnöki és Informatikai Kar, Gépészmérnöki Msc) Kazup László, demonstrátor (Elektrotechnikai - Elektronikai Tanszék) türelmes és támogató munkájukért. A bemutatott kutató munka a TÁMOP B-10/2/KONV jelű projekt részeként az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg. Kapcsolóüzemű tápegységek és visszahatásaik a hálózatra 1

3 SZAKDOLGOZAT KIÍRÁS Kapcsolóüzemű tápegységek és visszahatásaik a hálózatra 2

4 TARTALOMJEGYZÉK Szakdolgozat kiírás...2 Tartalomjegyzék Bevezető Felharmónikusok Felharmonikus fogalma Felharmonikusok okozta problémák Kapcsolóüzemű tápegységek Tápegységek típusai Statikus AC-AC átalakító AC-DC átalakítók (egyenirányítók) DC-AC átalakító (inverter) DC-DC átalakító (konverter) Primer oldali kapcsolóüzemű szabályozott tápegységek Záróüzemű tápegység (Flyback converter) Egytranzisztoros nyitóüzemű energiaátviteli áramkör Hídkapcsolású kapcsolóüzemű tápegység (Full-bridge converter) Szekunder oldali kapcsolóüzemű tápegységek Fojtótekercses feszültségnövelő áramkör Polaritás-váltó energiaátviteli áramkör Induktív töltőáramkörös feszültségcsökkentő áramkör Kapcsolóüzemű tápegységek vezérlő áramkörei Öngerjesztéses, Schimitt-triggeres szabályzók Impulzusszélesség modulátoros szabályzók (PWM) Kapcsolóüzemű tápegységek és visszahatásaik a hálózatra 3

5 5. PFC általános bemutatása Passzív PFC áramkör működés közben Terhelés nélkül Terheléssel Aktív PFC áramkör működés közben Terhelés nélkül Terheléssel Kapcsolóüzemű tápegység szimulációja Tápegység szimulációja működés közben Bemeneti jelalakok vizsgálata különböző feszültségen és terheléssel Kimeneti feszültségek és áramok vizsgálata különböző terheléssel Bemeneti feszültség és áram FFT analízise Összefoglalás SUMMARY Felhasznált irodalom EREDETISÉGI NYILATKOZAT Kapcsolóüzemű tápegységek és visszahatásaik a hálózatra 4

6 1. BEVEZETŐ A mai világban egyre nagyobb figyelmet szentelnek arra, hogy hatékonyabb, kis tömegű és nagy teljesítményű energia-átalakító berendezéseket hozzanak létre ban az olajválság az iparilag fejlett országokat hatékony energiatakarékossági intézkedésekre kényszerítette rá. Az egyik alapvető cél a fogyasztás csökkentése és a hatásfok javítása volt. Ennek egyik hatásos megoldása a kapcsolóüzemű tápegységek és kapcsolóüzemű energia-átalakítókról hajtott erősáramú gépek alkalmazása. Óriási ütemben kezdték fejleszteni az elektronikai alkatrészeket és anyagokat, melynek eredménye már a 80-as évek elejére megszületett. Létrehozták a gyorskapcsoló félvezetőket, az alacsony ESR (Equivalent Serial Resistance) elektrolit kondenzátorokat, valamint a kis veszteségű lágymágneses ferriteket. Az alkatrészfejlesztéssel egyszerre a kapcsolási technológia is fejlődött.. Mindezek mellett hátrányok is fellépnek. A nagy hatásfokú kapcsolóüzemű tápegység gyorsan és szerte az egész világban elterjedt, ami a világítási és ipari kisfeszültségű hálózatok zavarszennyezettségét nagymértékben megnövelte. Ennek az eredménye, hogy a teljesítménytényező is leromlott. Ennek oka, hogy az egyenirányító diódák és a hozzá kapcsolódó pufferkondenzátorok közvetlenül kapcsolódtak a hálózatra, ezzel a fogyasztó jellegét kapacitívvá tették. Korábban induktív elemmel kapcsolódtak a fogyasztók a hálózatra. Például a transzformátor mellékesen aluláteresztő szűrőként is viselkedik és csökkentette az egyenirányítók kis vezetési ideje által gerjesztett felharmonikusokat. Ezen felharmonikusok (zavarok) csökkentésére induktivitásból és kondenzátorból álló egységet alkalmaznak tól kötelezővé tették az 50 W-nál nagyobb fogyasztású berendezésekben a PF (Power Factor) értékének javítását és a felharmonikusok nagymértékű csökkentését. Jelenleg is vita alatt áll a létező zavarvédelmi szabvány legalsó (0-150 khz) tartományának szabályozása. Új szabványok előírásainak megfelelően (MSZ EN ISO 9001_2000 stb.) 1998 elejétől több berendezésben is új rendszerű tápegységet alkalmazunk. A berendezésekben folyamatosan áttértek a vezérelt egyenirányítókra és teljesítménytényező javító áramkörök (PFC=Power Factor Control) alkalmazására. A dolgozatomban részletesen tárgyalom, hogy milyen hatékonysággal és milyen elven működnek ezek a szabályzók különböző fajtái, illetve milyen visszahatást produkálnak a hálózat felé. Elsősorban a kapcsolóüzemű tápegységek típusait, működésük elvét fogom bemutatni. Később viszont egy általam átalakított tápegységet fogok egy szimulációs programban vizsgálni és kiértékelni. [5] Kapcsolóüzemű tápegységek és visszahatásaik a hálózatra 5

7 2. FELHARMONIKUSOK Az áramszolgáltatók által előállított hálózati feszültségnek szinuszos, állandó amplitúdójú és frekvenciájú feszültségnek kell lennie. A különböző felhasználók a fogyasztásból adódóan szennyezik a hálózatot, amelyből következik, hogy az előzőekben felsorolt paraméterek ingadozni fognak. A szennyezés egyik oka az, hogy sok fogyasztó nem-szinuszos áramot vesz fel a hálózatból. Például ilyen berendezések a számítógépek, kapcsolóüzemű tápegységek, televíziók, frekvenciaváltók és energiatakarékos lámpák. A hálózati feszültség minősége még tovább romlik a jövőben, mivel magasabb lesz a hálózati kihasználtság. Az ideális hullámformától való eltérés tehát elkerülhetetlen, ezért bizonyos határok között megengedettnek tekinthető. Ezért hoztak létre különböző szabványokat, amiknek eleget kell tenniük az áramszolgáltatóknak Felharmonikus fogalma Napjainkban főleg kisfeszültségű hálózatokon okoz problémát a növekvő felharmonikus tartalom. A felharmonikusokat a nemlineáris fogyasztók keltik, hatásaikat többféle módon fejtik ki. Ilyen például a hőmérséklet emelkedés a vezetőben, megszakítók nem kívánt kioldása, feszültségtorzítás, nullvezető túlterhelés, stb. Megkülönböztetünk lineáris és nemlineáris fogyasztókat, melyeknek áramköri viselkedésüket meghatározza a feszültség-áram karakterisztikájuk (1. ábra). 1. ábra Lineáris és nemlineáris fogyasztók feszültség-áram karakterisztikája Kapcsolóüzemű tápegységek és visszahatásaik a hálózatra 6

8 Látható, hogy míg az első ábrán egyenes arányosság van a feszültség és az áram között, addig a második ábrán már inkább egy dióda nyitóirányú karakterisztikájára hasonlít. Ennek eredménye a 2. ábrán figyelhető meg. 2. ábra Torzított áram kialakulása [10] Megfigyelhető, hogy nem követi a szinuszos feszültség jelalakját, hanem áramcsúcsok jelennek meg mind pozitív, mind negatív irányban. A fogyasztók pulzáló bemenő áramai okozzák a felharmonikusokat. Szintén ezen a néven ismerik a hálózati Fourier-analízisből (FFT)származó felharmonikus tartalmát is, amelyet a hálózati frekvencia 50. felharmonikusáig elemeznek. A 3. ábra mutatja egy nem lineáris fogyasztó FFT analízisét. Kapcsolóüzemű tápegységek és visszahatásaik a hálózatra 7

9 3. ábra Nemlineáris fogyasztó FFT analízise Látható, hogy a feszültség spektruma nemcsak az 50 Hz-es frekvencián teljesedik ki, hanem egyre kisebb amplitúdóval, de végig terjeszkedik a frekvencia skálán. Ezek okoznak nagy problémát a hálózatokban Felharmonikusok okozta problémák Előző fejezetben felsoroltam pár példát, hogy milyen formában fejtik ki káros hatásukat a felharmonikusok. Most részletesebben ismertetem az egyes hatásukat. [11] Régen a nullvezetők keresztmetszetét a fázisvezetők keresztmetszetének felére csökkentették. Így összegződnek a nullvezetőben a hárommal osztható páratlan harmonikusok, hatásuk ezzel háromszorosa a fázisvezetőre tett hatásokhoz képest. Ezért célszerűbb nagyobb keresztmetszettel vagy védelemmel ellátni. A transzformátorokban az örvényáram-veszteség a felharmonikus rendszám négyzetével arányos. Deltakapcsolású transzformátoroknál külön problémát jelent, hogy a hárommal osztható rendszámú felharmonikus áramok nem tudnak kilépni a körből a nullvezető hiányában. A felharmonikus áramok átfolyva a hálózat mögöttes impedanciáján harmonikus feszültségesést hoznak létre, mely az alapharmonikus feszültségre szuperponálódva feszültségtorzítást hoz létre. Gyakran előfordulnak a hazai villamosenergia-rendszerben különösen hosszú kábelszakaszok, ahol jelentős impedancia-növekedést okozva, kedvezőtlen feszültségtorzulást eredményeznek a fogyasztók számára. Kapcsolóüzemű tápegységek és visszahatásaik a hálózatra 8

10 Minden elektromágneses elven működő készülék a működéséhez - elektromágneses mezejének fenntartásához - meddő teljesítményt is vesz fel a hálózatból. Ahogy a neve is utal rá (Meddőteljesítmény), ez a teljesítmény nem alakul át mozgási vagy hasznos hő- illetve fényenergiává. A meddő áram ugyan úgy terheli az erőmű generátorát, a generátortól a csatlakozási pontig terjedő szolgáltatói hálózatot illetve a fogyasztói hálózatot is. A meddő energia szállításának több nemkívánatos következménye is van: feszültségesés, kábelek melegedése, veszteségek növekedése. A meddő energia "káros" hatásai elsősorban az elosztó hálózatot, vagyis az áramszolgáltatót terhelik, viszont a végfelhasználók villamos fogyasztói okozzák ennek kialakulását. A meddő energiát csökkenteni kell, ezért szükségessé vált a fogyasztók gazdasági érdekeltségét is bevezetni, ami azt jelenti, hogy a villamos szolgáltató a keletkező meddő energiát a fogyasztókra terheli. A fogyasztókat a meddő energia díjának minimálisra csökkentése ösztönzi arra, hogy olyan berendezést telepítsen a hálózatára, amely a saját meddő energia igényét minimalizálja, szükség esetén kompenzálja. [12] A meddő teljesítmény változása a frekvenciával es a feszültség négyzetével egyenesen arányos. Kiszámítása: Q = U C ω ahol Q = meddő teljesítmény U = hálózati feszültség C = kapacitás ω = 2πf f = hálózati frekvencia Kapcsolóüzemű tápegységek és visszahatásaik a hálózatra 9

11 3. KAPCSOLÓÜZEMŰ TÁPEGYSÉGEK Az elektronikus berendezéseink különféle tápellátást igényelnek. Ezek kielégítésére alakult ki többféle kapcsolási elrendezésű és különböző típusú tápegységek nagy választéka. A korszerű készülékek tápellátásánál nagy figyelmet fordítottak a kis méretre, kis tömegre, valamint a nagy hatásfokra. Ennek egyik oka, hogy a berendezések nagy részét a tápegység foglalja el, valamint a hagyományos analóg szabályozású tápegységek alacsony hatásfokkal rendelkeztek és jelentős teljesítményt disszipáltak el, ami fűtötte a berendezés többi egységét is. Ez volt az egyik ok, hogy létrehozták a kis tömegű, nagy hatásfokú kapcsolóüzemű tápegységeket. Ezeket kapcsolóüzemű egyenfeszültség-átalakítós tápegységnek is nevezik. Az elektronikai gyártásban rohamosan megnőtt az olyan passzív és aktív elemek száma, amelyek csak a kapcsolóüzemű tápegységekhez készültek. Érdekességképpen a kapcsolóüzemű tápegységek fejlesztésében az Egyesült Államok játszik vezető szerepet. Ugyanis már létrehoztak 1-2 MHz-es tápegységeket is, amivel 5-8W/cm 3 fajlagos teljesítménysűrűséget érnek el 0.7$/W áron, amíg a japán gyártók csak 1-2W/cm 3 fajlagos teljesítménysűrűséget érnek el.[5] 3.1. Tápegységek típusai A tápegységek egy lehetséges csoportosítása, hogy milyen feszültségérték és frekvencia igénye van a fogyasztóknak, valamint milyen a rendelkezésünkre szolgáló energiaforrás Statikus AC-AC átalakító Sok alkalmazásban kiválthatók vezérelt vagy vezéreletlen félvezetős kapcsolókkal a mechanikus, elektromechanikus kapcsolók. Általában a egyirányú áramvezetésre alkalmasak a félvezető eszközök, de a kétirányú áramvezetés is megoldható. Kisebb teljesítményekre triac-ot alkalmazzuk, nagyobb teljesítményekre pedig ellenpárhuzamos tirisztorokat. Megoldható tranzisztorral is a kétirányú vezetés ellenpárhuzamos diódákkal vagy ellenpárhuzamos dióda nélkül MOSFET párral. Alkalmas a dióda híd és egy csak egyirányban vezető félvezetős kapcsoló is a kétirányú vezetés megoldására. Kapcsolóüzemű tápegységek és visszahatásaik a hálózatra 10

12 4. ábra Dióda hídkapcsolás A statikus kapcsolókat a terhelés és a tápforrás közé iktatjuk be. A mechanikus kapcsolókkal szemben jóval nagyobb a kapcsolási sebességük és a kapcsolgatás gyakorisága. Azonban figyelembe kell azt is venni, hogy tökéletesen lezárt félvezető nincs (ideális félvezető), ezért kikapcsolt állapotban is folyhat áram, de ez jóval kisebb, mint a névleges áram. A statikus AC-AC átalakítók közül a fázishasításos teljesítményszabályozás egyszerűsített működési elvét mutatnám be (5. ábra) 5. ábra Fázishasításos teljesítményszabályozás Az R terhelés esetén a gyújtásszög a 0 α 180 o tartományba eshet, viszont R-L terhelés esetén az L induktivitás tárolt energiája miatt a vezetés következtében csak addig növelhető α értéke, míg hamarabb megszűnik az áramvezetés, mint ahogy a következő gyújtás indul. 6. ábra Kimeneti feszültség és áram Kapcsolóüzemű tápegységek és visszahatásaik a hálózatra 11

13 R terhelés esetén a következőképpen számítható ki a feszültség effektív értéke: U = U 1 α π + sin2α 2π R-L terhelés esetén, ha a vezetés β szögig még fenn áll pedig: π + β U = U α π π + sin2α 2π sin2(π + β 2π Gyakorlatban a gyújtásszög nem lehet nulla a félvezetők tulajdonsága miatt, emiatt a kimeneti teljesítmény kisebb, mint az elméleti csúcsteljesítmény. Induktív terhelés esetén ez tovább romlik. Gyors kapcsolásoknál figyelembe kell venni a félvezetők feléledési idejét is AC-DC átalakítók (egyenirányítók) Általában diódás és tirisztoros egyenáramú áramkörökkel oldják meg. Tirisztoros egyenirányítóknál lehet félig vezérelt és teljesen vezérelt áramkör is. A kimenő feszültség hullámosságának csökkentésére pufferkondenzátorokat alkalmaznak (szűrés), valamint a feszültség stabilizálására különböző áramköri elemeket iktatnak be. (pl. Stabilizáló IC, Zéner dióda). Ha az áram hullámosságának csökkentésére van szükség akkor pedig induktivitást alkalmaznak DC-AC átalakító (inverter) A rákapcsolt egyenfeszültségből meghatározott frekvenciájú, amplitúdójú és fázisú váltakozó feszültséget állít elő. Rádióadók, számítógépek, telefonközpontok akkumulátorról való tápellátását biztosítják. Ilyen elven működik a szünetmentes tápegység is. Kapcsolóüzemű tápegységek és visszahatásaik a hálózatra 12

14 DC-DC átalakító (konverter) Ezek az áramkörök felbonthatók egy DC-AC és egy AC-DC átalakítóra. Ezen az elven működnek a kapcsolóüzemű tápegységek. Attól függően, hogy a tápegység tartalmaz-e 50Hz-es hálózati transzformátort, beszélhetünk primer oldali ( off-line ) illetve szekunder oldali kapcsolóüzemű tápegységről. Előbbi esetben a hálózati feszültség egyenirányításra kerül, az energiaátvitelről és egyben a galvanikus leválasztásról pedig nagyfrekvenciás transzformátor gondoskodik. A szekunder oldali kapcsolóüzemű tápegységek kisebb teljesítményigény esetén kondenzátort, nagyobb teljesítmények esetében induktivitást tartalmaznak. Léteznek közvetlenül egyenfeszültségről működő transzformátoros tápegységek is, például az autó-hifi erősítők tápegységei, melyek nagy teljesítményszinten állítanak elő szimmetrikus feszültséget a végfokozatok számára, 30-50V-os szinten, galvanikus leválasztást biztosítva a földhurok elkerülése érdekében AC szaggatók (AC-chopperek) Nagy problémát jelent egy váltakozó feszültséget igénylő fogyasztón a teljesítmény veszteségmentes és folyamatos szabályozása (pl. elektromos kemence). A bemeneti váltakozó feszültséget ki-be kapcsolják félvezetős kapcsolóval úgy, hogy a fogyasztóra jutó feszültség (effektív) értéke a kívánt nagyságú legyen (7. ábra). Ezt a módszert fázishasításos szabályzónak nevezik, mivel t be és t ki viszonyának változtatásával lehet szabályozni a kimenő feszültséget (t be időintervallum nem szabályozható közvetlenül, csak kikapcsolható félvezetővel). Hátránya, hogy a kimeneti feszültségnek és áramnak nagy a felharmonikus tartalma. Ezért gondoskodni kell a megfelelő zavar szűrésről és árnyékolásról. Léteznek olyan félvezetős statikus AC-AC konverterek, amelyek a feszültségértéken kívül még annak a frekvenciáját is meg tudják változtatni. 7. ábra Fázishasítás Kapcsolóüzemű tápegységek és visszahatásaik a hálózatra 13

15 Léteznek nullpontkapcsolók, amelyek a váltakozó feszültség null átmenetein kapcsolnak be és ki. (8. ábra) Egy meghatározott számú periódust átengednek (m), másik részét pedig nem engedik át (n). Ezért a kimenő feszültség effektív értéke m/n arányával szabályozható. Így a kimenő feszültségnek a felharmonikus tartalma jóval csökken az előzőhöz képest. Ezt a vezérlést más néven hullámcsomag vezérlésnek nevezik. 8. ábra Nullpontkapcsoló idő diagramja DC szaggatók (DC-chopperek) Az egyenfeszültség veszteségmentes és folyamatos változtatása megoldható félvezetős szaggatókkal. Az előállított négyszögjel kitöltési tényezőjének változtatásával a kimenő egyenfeszültség effektív értéke szabályozható (9. ábra). 9. ábra DC szaggató idő diagramja Kitöltési tényező: γ = t be T Kimeneti feszültség (lineáris középérték): U = U [V] A megfelelő szűrésről itt is gondoskodni kell. Ezeket a DC-szaggatókat egyenfeszültségű motorok fordulatszámának szabályozására is alkalmazzák. Kapcsolóüzemű tápegységek és visszahatásaik a hálózatra 14

16 3.2. Primer oldali kapcsolóüzemű szabályozott tápegységek Primer oldali kapcsolóüzemű tápegység esetén közvetlenül egyenirányítjuk, puffereljük a hálózati feszültséget és ezt az egyenfeszültséget (mely elméletben a hálózati feszültség 2-szeresével egyenlő, gyakorlatban azonban 1,2.1,3-as szorzót alkalmazunk a kondenzátor feszültségének hullámossága miatt) nagy frekvencián kapcsolgatva (~20 200kHz, vagy magasabb) rávezetjük egy transzformátorra (Léteznek off-line tápegységek, melyek nem tartalmaznak hálózati oldali transzformátort). A transzformátor szekunder tekercsein indukálódik a kimeneti feszültség, amit egyenirányítunk és így kapjuk meg a kimeneti egyenfeszültségünket. A kapcsolgatást végző alkatrészek többnyire teljesítmény tranzisztorok (vagy FET-ek). A kimeneti feszültséget állandó értéken tartását úgy oldják meg, hogy a kapcsolótranzisztor bázisára (vagy Gate-jére) jutó impulzusok kitöltési tényezőjét modulálják (PWM=impulzus szélesség moduláció) annak megfelelően, hogy mekkora kimeneti teljesítményre van szükségünk. A kapcsoló tranzisztorokat vezérlő impulzusok kitöltési tényezője maximum 50% lehet. Ez az egyik fajtája a primer üzemű átalakítóknak (ellenütemű tápegység) (10. ábra). 10. ábra Ellenütemű kapcsolóüzemű tápegység Tapasztalható, hogy a szabályzási folyamat lassúbb, mint az analóg rendszerű tápegységek esetében, mivel a szabályzás impulzusokkal van megoldva és a feszültségváltozás korrigálásához több impulzusra van szükség. Így a stabilizálás jósága is csökken. Ezen tápegységek szintén nagyfrekvenciás zavarokat keltenek a be és kikapcsolgatás során, amit ha nem szűrünk, akkor kijutnak más elektronikai áramkörökbe is. Ezen tápegységek előnye, hogy kisméretű, tömege kicsi, alacsony hőmérsékleten működik és hatásfoka jóval nagyobb az analóg tápegységeknél, ezért kevésbé költséges az alkalmazása. Kapcsolóüzemű tápegységek és visszahatásaik a hálózatra 15

17 3.3. Záróüzemű tápegység (flyback converter) 11. ábra Flyback converter A flyback converternél a ki és bekapcsolási időt egy külső szabályzó egység vezérli a kimeneti feszültség függvényében. Üzem közben a transzformátor sosem energiamentes, ami nagyobb kapcsolgatási frekvenciát igényel. A szabályzónak üresjárás esetén is van egy minimális t bekapcsolási ideje, melynek eredménye, hogy a kimeneti feszültség a névleges feszültség fölé emelkedik. Tehát energia betáplálás van a kimeneti kondenzátorba, viszont energia kivétel nincs, maximum annyi ami az önkisüléssel és egyéb veszteségekkel kialakul. Ha a kimenet terhelt, akkor szabályozható jól a kimeneti feszültségünk. Kimeneti feszültség az alábbi képlet szerint számítható: Uki = Ube 12. ábra Jellemző jelalakok alacsony terhelés esetén (szaggatott üzem) Kapcsolóüzemű tápegységek és visszahatásaik a hálózatra 16

18 I pr a primer tekercs árama, valamint az I sz a szekunder tekercs árama. U CE a kapcsoló tranzisztor kollektor-emitter feszültsége. A t off a kikapcsolási, t on a bekapcsolási ideje a kapcsolóelemnek. A kapcsolóelemet nagy feszültség veszi igénybe, mikor a szekunder tekercs leadja a tárolt energiáját. A transzformátor energiamentes ideje csökken a terhelés növekedésével. A kapcsolás jelentős csúcsárammal terheli a bemenetet, amely a következő képlettel számolható ki: Îbe = 5.5 Pki Ube Nagy előnye a kapcsolásnak, hogy kimenet zárlat esetén nem megy tönkre a tápegység, mivel nem közvetlenül kapcsolódik a ki- és a bemenet egymáshoz. Valamint a kimeneti feszültség igen nagy is lehet, ha nem terheljük a kimenetet, így egyéb kis energiájú, de nagyfeszültségű kapcsolások kiválthatóak. Kialakítható tetszőleges számú egymástól független szekunder tekercs, ami igen előnyös akár egy motoros hajtás megoldásában Egytranzisztoros nyitóüzemű energiaátviteli áramkör 13. ábra Egytranzisztoros nyitóüzemű energiaátviteli áramkör Ebben a kapcsolásban a transzformátorhatás által jut az energia a fogyasztóra, ha vezet a T tranzisztor. A D 1 diódán nemcsak a kimeneti kondenzátor vesz fel energiát, hanem a kimeneti induktivitás is (L ki ), mely tárolja mágneses energia formájában. A T tranzisztor zárásakor a kimeneti fojtótekercs árama D 2 diódán keresztül a kimeneti kondenzátorra és a terhelésre kerül. Kapcsolóüzemű tápegységek és visszahatásaik a hálózatra 17

19 Az tekercs és a kimeneti kondenzátor együtt egy aluláteresztő szűrőt alkot, amely csökkenti a kimeneti feszültség hullámosságát, tehát simítja a kimeneti jelet. Szintén a kimeneti feszültség a vezérlő impulzusok kitöltési tényezőjének változtatásával szabályozható. Ezen kapcsolásban a Tr transzformátor biztosítja a galvanikus leválasztást a be és kimenet között, valamint a szükséges kimeneti szintre alakítja a bizonyos frekvencián megszaggatott bemeneti feszültséget. A T tranzisztor bekapcsolt állapotában a transzformátorban lévő mágneses energia a kikapcsolási időtartama alatt egy lemágnesező tekercsen és a D 3 diódán keresztül visszajut a bemenetre. Így védve a transzformátor vasmagjának telítésbe folyását. (minden periódus elején H=0). A lemágnesező tekercs (demagnetizáló) és a transzformátor primer tekercsének menetszáma azonos. Ezeket együtt csévélik. Így a lehető legszorosabb kapcsolatban van a primer tekercs a demagnetizáló tekerccsel. Az U CE feszültség maximálisan a bemeneti feszültség kétszerese lehet Hídkapcsolású kapcsolóüzemű tápegység (Full-bridge converter) (14. ábra). Ezeket tápegységek a legmagasabb teljesítmény kategóriában alkalmazzák 14. ábra Full-bridge converter Kapcsolóüzemű tápegységek és visszahatásaik a hálózatra 18

20 Tipikusan 750 W feletti teljesítményeknél használják. Itt mindkét hídág aktív kapcsolóelemeket tartalmaz, melynek eredménye, hogy a félvezetők statikus és dinamikus igénybevétele sokkal alacsonyabb, mint az eddigi kapcsolásoknál. Az S 1 és S 4, valamint az S 2 és S 3 kapcsolókat párokban kapcsoljuk, azonban a vezérlőjeleket egymástól szigetelten le kell választani az eltérő tranzisztor potenciálok miatt. Itt is holtidőt kell biztosítani az átkapcsolási tranziensek miatt, mivel ezalatt a diódák táplálják vissza a tápáramkörbe a mágneses energiát. Ezzel csökkenthető a félvezetőket terhelő statikus és dinamikus terhelések. A kimeneti feszültséget az alábbi képlettel határozható meg: Uki = 2Ube nsz tbe npr T A kapcsolás bemeneti csúcsárama: Î = 1.4 Pki Ube A kapcsolás hátránya, hogy több félvezetőt kell alkalmazni, ezért nagyobb a kapcsolási veszteség, valamint a hatásfok is kismértékben csökken Szekunder oldali kapcsolóüzemű tápegységek Fojtótekercses feszültségnövelő áramkör 15. ábra Fojtótekercses feszültségnövelő áramkör Kapcsolóüzemű tápegységek és visszahatásaik a hálózatra 19

21 Működési idődiagramja a 16. ábrán látható. 16. ábra Fojtótekercses feszültségnövelő áramkör idődiagramja A tranzisztor (T) bekapcsolásakor lineárisan nő az induktivitás (L) árama. A bekapcsolás időpillanatában a tekercs árama ILmin értékről indul és a kikapcsolás időpillanatában eléri az ILmax értéket. A D dióda védelemként szolgál a tranzisztor számára, ugyanis meggátolja a C 1 kondenzátor tranzisztoron való kisülését. Amíg a tranzisztor bekapcsolt állapotban van a C 1 kondenzátor gondoskodik a fogyasztó áramszükségletére. A tranzisztor kikapcsolása után a fojtótekercs árama csökkenni kezd, így a kikapcsolási időtartam alatt (t ki ) az áram maximális értékről I Lmin értékre csökken. De közben az fojtótekercsben felhalmozódott mágneses energiát átadja a fogyasztónak. A kikapcsolás pillanatában a tekercsben indukált feszültség hozzáadódik a bemeneti feszültséghez. Itt is a kimeneti feszültség a kitöltési tényező modulálásával szabályozható. Kapcsolóüzemű tápegységek és visszahatásaik a hálózatra 20

22 Polaritás-váltó energiaátviteli áramkör 17. ábra Polaritás-váltó energiaátviteli áramkör A T tranzisztor aktív állapotakor a bemeneti feszültség az L tekercsre kapcsolódik. Ilyenkor a D dióda nem vezet, az áramszükségletet a C kondenzátor fedezi a fogyasztó számára. A tekercsen az áram lineárisan nő. A tranzisztor kikapcsolása után a tekercs árama tovább folyik - a mágneses mezejében tárolt energia révén-, a diódán keresztül tölti a kimeneten lévő kondenzátort és biztosítja a fogyasztó számára az áramszükségletet. De ilyenkor az U ki kimeneti feszültség a földhöz képest negatív polaritású. Ezt a kapcsolást polaritás-váltó elnevezésen kívül még záróüzemű konverternek is nevezik, mivel a teljesítmény átvitel a tranzisztor kikapcsolási időtartama alatt történik. Hátránya az egyenfeszültség-növelő illetve csökkenő áramkörökkel szemben az, hogy a fojtótekercsben a fogyasztó által felvett teljes energiamennyiséget szükséges tárolni a ciklusidőtartam egy részében. Ezért csak kis teljesítményű készülékek energia kiszolgálására alkalmas. A feszültség a vezérlő impulzusok megfelelő irányú változtatásával tartható fix értéken. Az előző három kapcsolás mind galvanikus elválasztást nem biztosító áramkörök. A következő áramkörök viszont mind galvanikus leválasztást biztosítanak. Kapcsolóüzemű tápegységek és visszahatásaik a hálózatra 21

23 Induktív töltőáramkörös feszültségcsökkentő áramkör 18. ábra Induktív töltőáramkörös feszültségcsökkentő áramkör [4] Az L fojtótekercsen keresztül periódikusan töltik a C 2 kondenzátort, ami párhuzamosan van kötve a kimenettel. Amíg a T tranzisztor bekapcsol, addig a fojtótekercs feladata, hogy az áramot korlátozza a tranzisztor védelme céljából. Mikor a tranzisztor vezet, a C 2 kondenzátor a fojtótekercsen keresztül töltődik és mágneses energiát halmoz fel a fojtótekercsen. A fojtótekercs áramának növekedését a következő egyenlet írja le: I ( ) = T (1 γ) [A] γ= Kitöltési tényező Amikor a tranzisztor lezár, az áram a fojtótekercsen tovább folyik egészen keresztül a D diódán, azaz a terhelés felé. A kikapcsolási időtartam alatt a fojtótekercs áramának csökkenését a következőképpen kapjuk meg: U U L γt = U L T (1 γ) U = γ U Egyensúlyt akkor érhetünk el, amikor a tekercs áramának csökkenése és növekedése egyenlő. Tehát a kimeneti feszültség szintén a kitöltési tényezővel szabályozható és stabilizálható. A kitöltési tényezőnek mindig kisebbnek kell lennie, mint 1. Azaz U ki < U be. Kapcsolóüzemű tápegységek és visszahatásaik a hálózatra 22

24 Az L induktivitás a C 2 kondenzátorral aluláteresztő szűrőként viselkedik a kimenetre vonatkozóan (integráló áramkör). A fojtótekercs tehát egyben a szűrő induktivitása is. Végtelen induktivitású tekercs esetén ingadozás nem jönne létre a kimeneti áramban. Ilyenkor a tranzisztor és a diódaáramok csúcsértéke egyenlő lenne a terhelőárammal. A valóságban azonban a fojtótekercs induktivitásával fordítottan arányos áram (I L ) szuperponálódik a kollektor és a dióda áramokra (IC és I D ). A 19. ábrán látható a kapcsolás teljes működésének az idődiagramja. 19. ábra Induktív töltőáramkörös feszültségcsökkentő áramkör idődiagramja Ha a tekercs induktivitása kisebb, mint egy meghatározott minimális érték, akkor a tekercs árama kihagy, azaz egy kis időtartamra megszűnik. Tehát szaggatott üzem jön létre, amely függ a terhelés nagyságától. Viszont amíg folyik nagy értékű csúcsokat ér el, ami nagymértékben igénybe veszi a tranzisztort és a diódát. Az induktivitás minimális értéke az, amikor a kimeneti áramingadozás csúcsértékét a minimális terhelőáram kétszeresére korlátozza. Kiszámítása: T (1 γ) = 2I Kapcsolóüzemű tápegységek és visszahatásaik a hálózatra 23

25 4. KAPCSOLÓÜZEMŰ TÁPEGYSÉGEK VEZÉRLŐ ÁRAMKÖREI Az áramkörök kapcsolótranzisztorának bázisára (vagy FET-ek esetében Gate-jére) kerülő impulzusok többféleképpen modulálhatók. A vezérlő és védőáramkörök a tápegységek legbonyolultabb részei, amelyek felépíthetők: 1. Diszkrét félvezetős áramköri elemekből 2. Integrált áramköri elemekből 3. Speciális, kapcsolóüzemű tápegységek céljára gyártott integrált áramkörökből. Ezeket úgy gyártják, hogy tulajdonságaik kedvezőek legyenek mind szabályozási, mind a rendszerben létrejövő zavarok elleni védelemben, gyors és megbízható működés mellett Öngerjesztéses, Schimitt-triggeres szabályzók 20. ábra Öngerjesztéses, Schimitt-triggeres szabályzók Az ábrán látható, hogy a kapcsolás kétpont-szabályozást valósít meg. Lényege, hogy a névleges értéknek alsó és felső határa van, és a stabilizált feszültség ezen két értéken belül változhat. A kimeneten az alsó érték határának elérésekor vezetni kezd a kapcsolótranzisztor addig, amíg a kimeneti feszültség el nem éri a felső határt. A Schmitt-triggert az U h hibajel hajtja meg (U V és az U ref jel különbsége adja az U h hibajelet). U ref a tápegység belső referencia feszültsége, az U V pedig a kimenetről visszacsatolt feszültség. A Schmitt-trigger vezérli a kapcsolótranzisztort aszerint, hogy a kimeneti feszültség egy meghatározott értéknél kisebb vagy nagyobb (nyitja illetve zárja). Kapcsolóüzemű tápegységek és visszahatásaik a hálózatra 24

26 A be- és kikapcsolási időtartam a bemeneti feszültség és a terhelés változásának függvénye. A teljes hurok magába foglalja kapcsolótranzisztort, a terhelést, a szűrőáramkört, a Schmitt-triggert, valamint a hibaerősítőt is. A hurok önrezgő azzal a pillanatnyi frekvenciával, amit az aluláteresztő szűrő (L ki -C ki ), a bemeneti feszültség, a fogyasztó impedanciája, a Schmitt-trigger hiszterézise stb. határoz meg. A kimeneti feszültség hullámosságának nagyságát elsősorban a Schmitt-trigger hiszterézise és a hibaerősítő erősítése határozza meg. Ennek a kapcsolásnak az előnye, hogy egyszerű felépítésű, hátránya az, hogy függ a kimenő áramtól a kapcsolási frekvencia (terhelés függő) Impulzusszélesség modulátoros szabályzók (PWM) 21. ábra Impulzusszélesség modulátoros szabályzók (PWM) A 21. ábrán látható, hogy a stabilizálandó kimeneti feszültséget (Uv) egy rögzített referencia feszültséggel (Uref) hasonlítják össze. Ily módon előállított analóg hibajel (Uh) az impulzus modulátorba kerül. A modulátor állandó frekvenciájú négyszögjelekből álló impulzus sorozatot állít elő, amelynek lineárisan változtatható a kitöltési tényezője az analóg hibajel értékétől függően. Így ezáltal a kimenő feszültséget állandó értéken tudjuk tartani. Kapcsolóüzemű tápegységek és visszahatásaik a hálózatra 25

27 A változó szélességű impulzusok létrehozása többféle módon oldható meg. Elterjedt formája az astabil multivibrátorral vezérelt monostabil multivibrátor. Itt a monostabil multivibrátor által létrehozott impulzusok szélességét a hibajel pillanatnyi értékével arányosan modulálják (22. ábra). 22. ábra Monostabil multivibrátorral vezérelt kapcsolás Létezik olyan megoldás is, amikor egy komparátor bemenetére egy fűrészjelgenerátor jelét vezetik rá. Ilyenkor a hibajel pillanatnyi értéke képezi a komparálási szintet és így adódik az impulzusszélesség modulált jelünk (23. ábra). 23. ábra Fűrészjel-generátor által vezérelt kapcsolás és idődiagramja Kapcsolóüzemű tápegységek és visszahatásaik a hálózatra 26

28 Megismerkedhettünk a kapcsolóüzemű tápegységek működésével és előnyeivel. Ezzel szemben vannak hátrányai is ezeknek a kapcsolásoknak az analóg tápegységekkel szemben. Az analóg és digitális tápegységek összehasonlítására a hangtechnikai berendezéseket választottam alapul, mert ebben a műfajban jelennek meg leginkább a számottevő különbségek! Kiemelném a digitális és az analóg erősítőket, mivel a digitális erősítők szinte mind tartalmaz kapcsolóüzemű tápegységet, az analóg erősítők pedig analóg (AC-AC) tápegységet tartalmaznak. Ezeknél az erősítőknél hangzásban viszont komoly eltéréseket figyelhetünk meg. Ezekre szeretném felhívni a figyelmet! Kapcsolóüzemű tápegységek és visszahatásaik a hálózatra 27

29 5. PFC ÁLTALÁNOS BEMUTATÁSA Power Factor Control (PFC), azaz teljesítmény-tényező javítás. Az egyik fajta megoldás PFC áramkör felépítésére egy kritikus üzemben vezérelt flyback-konverter (24. ábra), aminél a vezérlőimpulzusok kitöltési tényezőjét nemcsak a kimeneti, hanem a bemeneti feszültség is befolyásolja. 24. ábra Flyback-konverter A moduláció eredménye, hogy a bemenő áramimpulzusok átlaga is szinuszos lesz és fázisban van a bemeneti feszültséggel. A bemeneti áram harmonikus torzítása maximum 2-8 %. Kisebb nem lehetne mivel maga a hálózati feszültség is egyéb okok miatt torzított. 25. ábra a) PFC nélküli tápegység jelalakjai b) PFC-vel ellátott tápegység jelalakjai Kapcsolóüzemű tápegységek és visszahatásaik a hálózatra 28

30 A 25/a) ábrán látható egy egyenirányítóval és puffer kondenzátorral kezdődő kapcsolóüzemű tápegység hálózati áramának alakja a hálózati feszültség függvényében. A b) ábrán pedig egy PFC áramkört tartalmazó kapcsolóüzemű tápegység jelalakjai figyelhetők meg. Látható, hogy a 25/b) ábrán az áram alakja nem csúcsokból (tüskékből) áll, hanem felveszi a szinusz jel formáját. A kondenzátoron körülbelül V DC jelenik meg, ami előnyös, mivel a feszültség négyzetével arányos a tárolt energia. Majd erre kapcsolódik a kapcsolóüzemű tápegység. A PFC áramkör maga is kelt nagyfrekvenciás zavarokat, de kiemelkedő hatásfoka (90-95%) és egyéb előnyei fontosabbak. A teljesítmény-tényező javítására kétféle módszer terjedt el: a passzív és aktív PFC szabályozás. Ezen szabályzók működésének bemutatására saját méréseket végeztem el. A méréseket az Elektronikai Tanszéken kifejlesztett speciális berendezéssel végeztem (26. ábra), amellyel a hálózat minőségi jellemzőit mérni és szemléltetni lehet, amit a tanszéken fejlesztettek ki egyetemi hallgatók segítségével. 26. ábra Komplex hálózatanalizáló műszer [3] A műszer kívülről egy kétoldalas mérőbőrönd, aminek az előlapján helyezkednek el a bemeneti egységek (fiókok), ahova a mérendő hálózat jeleit csatlakoztatják. Elég széleskörű mérési tartománnyal rendelkezik. A feszültségmérő modul 200V, 500V és 750V-os méréshatárokkal, amíg az árammérő modul 1,5A és 5Aes méréshatárral rendelkezik. Kapcsolóüzemű tápegységek és visszahatásaik a hálózatra 29

31 A hátoldalon található a másik kezelőfelület, ahol megtalálható a hálózati tápellátás, szellőztetés és egyéb csatlakozási lehetőségek. A műszer belsejében rejlik egy komplett számítógép és egy mérésadatgyűjtő kártya, ami végzi a jelek mérését, átalakítását és feldolgozását. A telepített szoftver széleskörű jelfeldolgozást tesz lehetővé. Például: Feszültségek frekvenciájának mérése, feszültség-áram RMS és THD vizsgálata, Amplitúdó-frekvencia spektrum vizsgálata, Harmonikus tartalom vizsgálat, cosφ értékek kiértékelése stb. Méréseim során a feszültség és áram jeleket vizsgáltam meg aktív és passzív PFC áramkörrel rendelkező tápegységeknél, valamint figyeltem a cosφ értékét terhelés és terhelés nélküli állapotban Passzív PFC áramkör működés közben Ha egy tápegység bemenetére, a hálózati frekvenciára (50 Hz) hangolt soros rezgőkört kapcsolunk, a felharmonikusok nagy részét ki lehet szűrni (27. ábra). 27. ábra Soros rezgőkör Ezzel a megoldással a teljesítmény-tényező sokat javul, csak a hátránya az, hogy a szűrőtagok mérete és súlya, a többi alkatrészhez képest nagyon nagy, mivel vasmagos tekercset kell alkalmazni. Jelen esetben a mérést egy LC420H típusú számítógép tápegységén végeztem el, ami passzív PFC áramkört tartalmaz (28. ábra). Kapcsolóüzemű tápegységek és visszahatásaik a hálózatra 30

32 28. ábra LC420H típusú számítógép tápegység Ennél a tápegységnél a mérést terheléssel és terhelés nélkül végeztem el. Mindkét esetben más-más eredményeket kaptam Terhelés nélkül 29. ábra Terhelés nélküli jelalakok Kapcsolóüzemű tápegységek és visszahatásaik a hálózatra 31

33 A 29. ábra a hálózati feszültség és a felvett áram valós jelalakjait ábrázolja. Látható, hogy a feszültség szinuszos csúcsértéke eléri a 293 V-ot is (piros). Az áram próbálná követni ezt a szinuszos jelalakot, de csak áram csúcsok jelennek meg (kék). Felvett áram, üres járásban 200 ma. Látható, hogy az áramcsúcs a szinusz jel csúcsának jobb szélén helyezkedik el. Alatta lévő ábrán a két jelalak FFT analízise látható. 30. ábra Teljesítmény tényező statisztikai eloszlása Az 30. ábra mutatja az áramkör teljesítmény tényezőjének statisztikai eloszlását (cosφ). Terheletlen állapotban átlagban a cosφ értéke 0.6 volt. Jelen tápegységnél a cosφ értéke és között mozgott, ami elmarad a fent említett 0.8%-tól, mivel terheletlen állapotban nem úgy dolgozik az áramkör, mint terhelt állapotban Terheléssel 31. ábra Terheléssel az áram jelalakja Kapcsolóüzemű tápegységek és visszahatásaik a hálózatra 32

34 Terhelésnek műteher-t használtam, aminek érték körülbelül 4 Ohm. A hálózati feszültség jelalakja az előzőhöz képest nem változott, így azt nem is szemléltetem újra. Az áram jel alakja terhelés hatására kis mértékben változott (31. ábra). Látható, hogy a null átmenetnél felveszi a tengely alakját és szimmetrikusan középről indul ki az áramcsúcs. Felvett áram nagysága megnőtt majdnem 1 A re (0.92A). 32. ábra Teljesítmény tényező statisztikai eloszlása A nagy különbség a teljesítmény tényezőnél figyelhető meg (32. ábra). Most már megjelent az az érték amit az elméleti résznél olvashattunk. A cosφ értéke elérte a 0.8-at (jelen esetben átlagosan 0.803), az áram teljes harmonikus torzítási tényező, ami ezt a mérést jellemezte pedig 0.63% (THD). A tápegységet beterhelve érjük el PFC áramkörünk hasznosságát Aktív PFC áramkör működés közben A különbség a passzív PFC-vel szemben, hogy itt egy kapcsoló segítségével (jelen esetben egy tranzisztor) az áramot szaggatva vezetjük a tekercsre. Azaz az áramszünetekben, amikor a diódák lezárnak, áramot tudjunk felvenni a hálózatból, majd ezt energia formájában a pufferkondenzátorba juttassuk. Kapcsolóüzemű tápegységek és visszahatásaik a hálózatra 33

35 A megoldás a következő: Egy induktivitást kell kapcsolni az egyenirányító híd kimenetére, majd meg kell szaggatni a rajta átfolyó áramot. Mikor az áram kikapcsol, önindukciós feszültség keletkezik. Ez a feszültség meghaladja a pufferkondenzátor feszültségét és az induktivitásban tárolt energia egy diódán keresztül áramlik a pufferkondenzátorba. A kapcsolgatási frekvencia khz. A megoldás egyszerűsített rajza a 33. ábrán látható. 33. ábra Aktív PFC szabályzó egyszerűsített rajza Várható jósági tényező ezeknél az áramköröknél 90-95%. Az aktív PFC szabályozásnak sokféle megoldása lehet. Egyik egyszerű megoldási formája egy szabadon futó oszcillátor. Bonyolultabb megoldásokban az áramkör figyeli az egyenirányított hálózati feszültség pillanatértékét, valamint a hálózatból folyó áramot és a puffer kondenzátor feszültségét is. A PFC áramkör hatására a hálózati feszültség és a hálózatból felvett áram közel lineárisan aránylik egymáshoz és gyakorlatilag fázisban is vannak. Az áram felharmonikus tartalma kicsi, így a tápegység a hálózat felé kvázi ohmosan viselkedik. Sok IC-gyártó cég forgalmaz kizárólag PFC vezérlésre tervezett integrált áramköröket. Ilyen például a Fairchild Semiconductor ML4800-as (PWM vezérlővel egybeépített. (34. a) ábra) és az Infineon Technologies TDA 4863-as gyártmányai (34. b) ábra). Valamint a Texas Instruments is előállt a TMS320LF2407 típusú DSP-vezérelt PFC áramkörrel (34. c) ábra), ami a kapcsolóüzemű tápegységek digitális vezérlését oldják meg. Kapcsolóüzemű tápegységek és visszahatásaik a hálózatra 34

36 34. ábra a) ML4800 b) TDA 4863 c) TMS320LF2407 Sikerült lemérnem egy aktív PFC áramkörrel rendelkező számítógépes tápegységet is (FSP tápegység 35. ábra). A pirossal bekarikázott rész az aktív PFC vezérlő áramköre és fojtó tekercse. 35. ábra FSP tápegység [1] Az eredményeket a fejezetben részletesen ismertetem. Kapcsolóüzemű tápegységek és visszahatásaik a hálózatra 35

37 Terhelés nélkül 36. ábra Terhelés nélküli jelalakok A feszültség jel alakjában változás szintén nem észlelhető (piros). Viszont az áram diagramban drasztikus változások jelennek meg terhelés nélkül, mind a jel alakban, mind az FFT analízisben (kék) (36. ábra). Terhelés nélkül is próbálja követni a feszültség jel alakját, de mint az előbb írtam terhelés nélkül nem fejti ki maximálisan az áramkör a hatását. Ezért hatásfoka nagyon alacsony. Több felharmonikus jelenik meg, kicsit nyújtottabb a skála, mint a passzív PFC-nél. A fejezetben terheléssel mutatom be a jelalakok változásait. 37. ábra Teljesítmény tényező statisztikai eloszlása Kapcsolóüzemű tápegységek és visszahatásaik a hálózatra 36

38 A teljesítmény tényező statisztikai eloszlása látható a 37. ábrán. Megfigyelhető, hogy a cosφ értéke nagyon alacsony, mindössze átlagosan 0.37, ami még a passzív szabályzó áramköröknél is alacsonyabb. Ezen az ábrán látható, hogy a cosφ értéke között mozgott Terheléssel 38. ábra Terheléssel mért feszültség és áram jelalakjai A feszültség jelalakja szintén azonos az előzőekkel (piros), viszont 1-2 V-ot csökkenés tapasztalható a hálózati feszültség felől (38. ábra). Nagy változást az áram jelalakjában figyelhető meg (kék). Látható, hogy gyakorlatilag felvette a feszültség szinusz jelének a formáját és fázisban is van vele. Így sokat javul a hatásfok is. FFT analízise a legalsó ábrán látható. Osztottabb spektrum képet mutat. Kapcsolóüzemű tápegységek és visszahatásaik a hálózatra 37

39 39. ábra Teljesítmény tényező eloszlása A 39. ábrán látható a teljesítmény tényező alakulása. Belátható, hogy terheléssel fejti ki leghatásosabban javító tulajdonságát. Átlagosan a cosφ értéke 0.97, ami már nagyon kedvező számomra. Kapcsolóüzemű tápegységek és visszahatásaik a hálózatra 38

40 6. KAPCSOLÓÜZEMŰ TÁPEGYSÉG SZIMULÁCIÓJA A továbbiakban szeretném szemléltetni egy általam bővített OFF-Line típusú PFC szabályzóval ellátott kapcsolóüzemű tápegység kapcsolási rajzát. Először egyenként bemutatom az egyes fontos funkciókat betöltő részeket, majd később szemléltetem a tápegységet működés közben. A 40. ábrán látható a tápegység teljes kapcsolási rajza. Legnagyobb változtatást a kimeneti egységen végeztem el. Mivel a gyári kapcsolás csak egyszerű +24V-os feszültséget állított elő, de nekem szimmetrikus kimeneti feszültségre van szükségem, ezért elkészítettem a negatív feszültséget előállító szerkezeti részt is a kapcsolásnak a megfelelő visszacsatolással. Kapcsolóüzemű tápegységek és visszahatásaik a hálózatra 39

41 40. ábra OFF-Line típusú kapcsolási rajz Kapcsolóüzemű tápegységek és visszahatásaik a hálózatra 40

42 Nézzük egyenként a részegységeket bemenet felől a kimenet felé haladva. Először is az egyenirányító részt szemléltetném (41. ábra). 41. ábra Egyenirányító rész A V2 feszültség generátor 230 V csúcsértékű szinusz jelet állít elő 50 Hz-es frekvencián. Ezt a kapcsolást a D2, D3, D4, D5 diódákkal felépített Graetz-híd egyenirányítja. A diódák segítségével a szinuszosan váltakozó feszültségünknek mindig csak a pozitív félperiódusát engedi át. Először a D2-D3 dióda vezet, majd a D4-D5 dióda. Másodrészben a kapcsolás központi elemét szemléltetném. Az egész tápegység a Linear Technology cég által gyártott integrált áramkörre (IC) épül, melynek neve LT 1509 (42. ábra) 42. ábra LT 1509 [8] Kapcsolóüzemű tápegységek és visszahatásaik a hálózatra 41

43 Főbb jellemzője, hogy az IC tartalmazza a PFC és PWM szabályzáshoz szükséges vezérlő áramköröket is. Akár 300 khz-es frekvencián is üzemelhet. Továbbá rendelkezik túlfeszültség védelemmel és nyugalmi áramfelvétele szinte elenyésző. Mindössze 13 ma. Maximális megengedett bemeneti feszültség 27 V lehet (Vcc), de általában 16.5 V feszültséget szoktak rákapcsolni. Nagy szerepet a Vc kimenete jelenti, mely a PWM feszültség szabályzást vezérli. Ez általában egy optocsatolón keresztül csatlakozik a kimenetre. (43. ábra). Harmadrészt a kimeneti részegység felépítését és működését taglalnám 43. ábra Kimeneti rész felépítése Kapcsolóüzemű tápegységek és visszahatásaik a hálózatra 42

44 Az L4, L5, L7 tekercsek képzik a ferrit magos transzformátort. A tekercs primer (L4) oldalára 382 V-os impulzusok érkeznek, míg a szekunder kimenetein közel 76 V-os feszültség jelenik meg. Ez a feszültség megjelenik mind a két tekercs kimenetén csak ellentétes polaritással, mely a D8, D9, D12 és D13 gyors Schottky diódáknak köszönhető. Az L6 és L8 fojtótekercsek feladata a feszültségcsökkentés. Ezt a feszültséget a C11 és C16 kondenzátorok simítják és így kerül ki a terhelés felé, ebben az esetben 2db 8 -os ellenállás (R+load és R-load). Mind a pozitív és negatív kimenetre csatlakozik egy-egy feszültségosztó (R17-R18 és R24-R26), ami a visszacsatolást valósítja meg az IC felé. Ez által tudja az IC szabályozni a kimeneti feszültséget. Az IC tápellátásáról a szimulációban egy 17V-os feszültség generátor gondoskodik. Ez persze a valóságban nem megfelelő megoldás, mivel segédtápot kell használnunk. De a valóságban alkalmazható egy kapcsolás, amit a következő ábra mutat (44. ábra). 44. ábra Feszültség átalakító Közvetlenül az egyenirányított feszültségből állít elő 17 V-os feszültséget, ami megtáplálja az LT1509-es IC-t. Kapcsolóüzemű tápegységek és visszahatásaik a hálózatra 43

45 7. TÁPEGYSÉG SZIMULÁCIÓJA MŰKÖDÉS KÖZBEN A tápegységet a Linear Technology által írt szimulációs programmal vizsgáltam meg (LT Spice IV). Több féle nagyságú bemeneti feszültséggel próbáltam a kapcsolást, hogy szemléltessem az IC hatékonyságát. A PFC és PWM szabályzónak köszönhető, hogy nem kell tartanunk szigorúan a 230 V-os hálózati feszültséget. A kapcsolás működik akár V közötti feszültségen is stabilan. A méréseket egy teljes periódusig mértem (20ms), kiegészítve egyes helyeken tranziensek vizsgálatával Bemeneti jelalakok vizsgálata különböző feszültségen és terheléssel Elsősorban a bemeneti feszültséget és áramot szemléltetném egy-egy diagramon kétféle hálózati feszültséggel. Első ábrán (45. ábra) látható zöld színnel a 230V csúcsértékű hálózati feszültség. 45. ábra Bemeneti feszültség és áram Erre próbál illeszkedni a bemeneti áramfelvétel kék színnel. A kimenet szimmetrikusan 4 -mal van terhelve. A jelalakok a második periódus után már beállnak állandósult állapotba. Látható, hogy a PFC szabályzó próbálja felvenni a hálózati szinusz jel formáját, de tudható, hogy minél jobban van terhelve a kimenet annál hatékonyabb a szabályzás, ezáltal nő a tápegység hatásfoka is. A következő ábrán (46. ábra) szintén a bemeneti feszültség és áram grafikonja látható, de itt már csak 100 V-os bemeneti feszültséggel tápláljuk. Kapcsolóüzemű tápegységek és visszahatásaik a hálózatra 44

46 46. ábra Bemeneti feszültség és áram jelalakjai A terhelés aszimmetrikus, a pozitív kimeneti kapcson 8 -os ellenállás, míg a negatív kapcsán 4 -os ellenállással terheltem be. Jól megfigyelhető, hogy javult a bemeneti áram (zöld) jelalakja. Egyre jobban illeszkedik a hálózati feszültségünk szinusz görbéjére (lila). Ennek következménye, hogy hatásfokunk is egyre nagyobb értéket ér el. A bemeneti jelalakokat még egy utolsó szempont szerint szemléltetném, amit a 47. ábra mutat. 47. ábra Bemeneti feszültség és áram jelalakjai Bemeneti feszültség szintén 230 V csúcsértékű szinuszosan váltakozó feszültség (zöld), viszont a kimenetet kevésbé terheltem be. Mindössze szimmetrikusan 8-8 -os ellenállással. Feltűnően látható a különbség, hogy az eddigi grafikonokon az áram (kék) próbálta követni a szinusz jel alakját, de itt a kicsi terhelés miatt kevésbé hatékony a PFC szabályzó. Ezért inkább csak áram csúcsok jelennek meg mind a pozitív és negatív fél perióduson. Ilyenkor a kimeneti áram 3A körül van mind a két kimeneti kapcson, de ezeket az értékeket később taglalom. Kapcsolóüzemű tápegységek és visszahatásaik a hálózatra 45

47 7.2. Kimeneti feszültségek és áramok vizsgálata különböző terheléssel Elsősorban a kimeneti feszültséget és áramot szemléltetném szimmetrikus terhelés közben 230V bemeneti feszültség esetén (48. ábra) 48. ábra Kimeneti feszültség és áram szimmetrikus terheléssel Látható, hogy a tranziens jelenségek már 2 ms alatt lezajlanak és beáll a 24V mind negatív (sötétkék) és pozitív (zöld) irányban, amit lineárisan tart. Terhelésként mindkét ágon 4-4 -os ellenállást alkalmaztam. Így a kimeneti áram mindkét ágon jelen terhelés alatt 6A (világoskék). Kimeneti teljesítményünk ebben az esetben körülbelül 144 W mindkét kimeneten. Mindkét feszültségnél és áramnál észlelhető minimális kilengés. Ezt persze csak többszörös nagyítás után vehető észre, amit a következő ábra mutat (49. ábra) 49. ábra Kimeneti áram és feszültség jelalakjai nagyítva Kapcsolóüzemű tápegységek és visszahatásaik a hálózatra 46