12. Az elektronikus berendezések tápfeszültség ellátása

Átírás

1 1 12. Az elektronikus berendezések tápfeszültség ellátása Az elektronikus készülékek egyenfeszültségű táplálást igényelnek. A hordozható készülékeknél ez akkumulátorral vagy sorba kötött elemekkel oldható meg. A helyhez kötött készülékeknél ezt a feszültséget az egyfázisú, 220V/50Hz-es hálózatból a stabilizált tápegységek állítják elő. Igénytelenebb feladatoknál elegendő a stabilizálatlan tápfeszültség (pl. akkumulátortöltők). Igényesebb feladatoknál az egyenfeszültséget még stabilizálni is szükséges. (pl. számítógépnél)

2 Stabilizálatlan tápegység Mint ismeretes, a tápegység egy egyfázisú transzformátorból, egy diódás egyenirányító hídból (Graetz-kapcsolás), és egy szűrőkondenzátorból (elektrolit kondenzátor) áll Stabilizált tápegységek A stabilizált tápegység az alábbi hatásokat csökkenti vagy küszöböli ki: - a bemeneti (egyen- vagy hálózati) feszültségek ingadozásait; - a terhelőáram (fogyasztói áram) változásait; - a referenciafeszültség és a szabályozó áramkör hőmérsékletfüggését; - a búgófeszültség elnyomása; - a terhelésváltozásokból eredő tranzienseket. A stabilizált tápegység jellemző mutatói: a.) a bemeneti feszültség ingadozásának hatása a kimenti feszültségre: Uki ki Su = U Ube Ube b.) a terhelőáram változásának hatása a kimeneti feszültségre: Uki ki St = U It It c.) a hőmérsékletváltozás hatása a kimeneti feszültségre: Uki ki S θ = U θ θ

3 3 d.) a tápegység tranziens viselkedése a terhelőáram változásra: Egyéb szolgáltatások: - galvanikus elválasztás; - a kimeneti feszültség változtathatósága; - túláramvédelem. Stabilizált tápegységek csoportosítása Stabilizált tápegységek Zéner diódás stabilizálás Analóg disszipatív (áteresztô tranzisztoros) Kapcsolóüzemû Zéner- diódás stabilizálás A legegyszerűbb stabilizáló áramkör. A bementi feszültség ingadozásának és a terhelőáram változásának hatását stabilizálja. Ez a stabilizálás csak kis teljesítményű fogyasztók esetén használható. A képen különböző teljesítményű zénerdiódák láthatók.

4 4 A zénerdióda egy speciális kétrétegű félvezető, amelyet stabilizálás céljára mindig a kimenettel párhuzamosan és záróirányban helyezkedik el. A diódát mindig kiegészíti egy R s soros ellenállás, amellyel a dióda egy nemlineáris feszültségosztót képez. Mint az az alábbi karakterisztikán látható, a zénerdióda azon a szakaszon dolgozik, ahol az egyenirányító diódáknak tilos dolgozniuk. ahol: U Z R = 1 S = ctgα és I Z1 r Z = U I Z Z Az alábbi összefüggések írhatók fel:

5 5 S u Uki Uki Ube rz Ube rz = = Ube Uki rz + Rs Uki R, mert a gyakorlatban az Rs >> r feltétel mindig teljesül, s z Ube és ebből eredően: R = R xr ki s z r z Gyakorlati méretezési támpontok: Uki Uz Ube 1.4 Uz Ube 30% Ube Izmin 01Iz P I Dmax. max zmaxu z Analóg disszipatív (áteresztő tranzisztoros) stabilizálás Nagyobb teljesítmény (terhelőáram) igény esetén használatos. A kapcsolás egy szabályozókört alkot, amelynek blokkvázlata: Egy egyszerűbb kapcsolás látható az alábbi ábrán, amelynél hiányzik az előszabályozó és az áramkorlátozó fokozat.

6 6 A beavatkozó elem egy tranzisztor, a szabályozó fokozat műveleti erősítővel készült. Az áteresztő tranzisztoros stabilizátorok referencia feszültségét is zénerdiódás osztóval állítják elő. Tehát ennek a stabilizátor családnak is ettől függ a stabilitása. Az alábbi ábrán a T 3 fokozatra kapcsolt, zénerdiódával előállított referencia feszültség kerül összehasonlításra a kimenőjelből leosztott valóságos feszültséggel T 2 fokozat. A hibajel vezérli a T 1 nagyáramú tranzisztort, amely beavatkozó elemként működik. T 4 szerepe az előszabályozás, amely tehermentesíti a szabályozókört a nagyobb bementi feszültség ingadozásoktól. Amennyiben a névlegesnél nagyobb áram folyna át R f zárlatérzékelő ellenálláson, akkor az addig zárt T 5 fokozat megnyit és T 1 tranzisztort teljes zárásba vezérli. Ezzel a legkorszerűbb, visszahajló karakterisztikájú zárlatvédő kapcsolást valósítja meg. A zárlati karakterisztikák lehetséges esetei láthatók az alábbi diagrammon: Ahol: a.) változó áramhatárú egyszerű áramkorlátozás (variable current limiting) b.) korlátozás állandó áramra (constant-current limiting) c.) visszahajló áramhatárolás (outback current limiting): ha a zárlati áram I c max értéket eléri, a kimeneti feszültség nullára esik le, ezzel együtt az áram egy minimális értékűre csökken. Az áteresztő tranzisztoros stabilizátorokat integrált áramkörös kivitelben is készítik fix feszültség értékekre. I s

7 7 Egy 5V/1A-es IC bekötése látható az alábbi ábrán: Az integrált áramkörös stabilizátorok igen jó paraméterekkel rendelkeznek, alkalmazásuk igen egyszerű, de a kivehető terhelőáram értéke max. 1A, ami sok esetben kevés. Ennek növelésére teljesítmény tranzisztorral hidalják át az integrált áramkört, amely a többlet áramnak kerülő utat biztosít. Példánkban az így megerősített stabilizátor kimenete 5V/5A lesz.

8 Kapcsolóüzemű tápegységek A kapcsolóüzemű tápegység szabályozott kimeneti feszültségű AC-DC inverter (Switchedmode Power Supply), amely a szabályozatlan, nyers váltakozó feszültségből szabályozott kimenti egyenfeszültséget állít elő kapcsoló üzemmódban. Kapcsolóüzemű tápegységek csoportosítása Kapcsolóüzemû tápegységek szekunder oldali primér oldali feszültség csökkentõ feszültség növelõ polaritásváltó külsõgerjesztésû ömgerjesztésû A stabilizálás elve: A K kapcsoló amely rendszerint tirisztor - végzi az egyenirányított, de még nem stabil egyenfeszültség szaggatását. A szaggatás frekvenciája 50 khz körüli. A hibajel képző műveleti erősítő összehasonlítja a kimeneti feszültséget a referencia feszültséggel. Az előjeles hibafeszültség az impulzus szélesség szabályozóra jut, amely úgy változtatja az impulzusok szélességét, hogy azokból képzett átlag a kívánt, stabil kimeneti feszültség legyen. A átlagolást az LC tagokból felépülő szűrő végzi.

9 9 Az alábbi idődiagramon U U ezért t be1 > be2 k1 tk 2 < így U mindkét esetben azonos: ki Szekunderoldali kapcsoló tápegység blokkvázlata A kapcsolás transzformátorral kezdődik, amely galvanikusan elválasztja az egész stabilizáló elektronikát a hálózattól. A teljesítménykapcsoló a szekunder oldalon van. Primer oldali kapcsolóüzemű tápegység blokkvázlata A teljesítménykapcsoló a primer (hálózati) oldalon van, de a szabályozó a szekunder oldalon. Így a visszacsatoló ágban egy újabb elválasztás szükséges.

10 10 A kapcsolóüzemű tápegységek jellemzői: Jobb a hatásfokuk, mint az analóg tápegységeké. A kimenti feszültségük nagyobb lehet a bemeneti feszültségnél. Kisebb a súly/teljesítmény hányadosuk. A magas kapcsolási frekvencia zavarhatja a táplált áramköröket, de visszahathat a hálózatra is, ezért gondos szűrést igényel. A vezérlés bonyolultabb és így drágább, mint az analóg tápegység A szünetmentes tápegységek A szünetmentes tápegységeket az alábbi feladatokra alkalmazzák: hosszabb-rövidebb idejű hálózat-kimaradások áthidalására; hálózathibák (pl. feszültség csökkenés, növekedés) kiküszöbölésére; hálózat felől érkező zavarok kiszűrésére, Stabil, zavarmentes kimeneti feszültség és frekvencia biztosítására A szünetmentes tápegységeket gyakran nevezik az angol elnevezésük rövidítése alapján UPS-eknek (Uninterruptible Power Supply). Egyetlen számítógép ellátása szünetmentes tápegységgel egyszerű feladat. Nem igényel semmilyen felmérést, tervezést. Az erre alkalmas kis teljesítményű UPS-ek bármely számítástechnikai üzletben beszerezhetőek. Számítógépes hálózatok, épületek, ipari alkalmazások, stb. ellátása esetén már körültekintőbben kell eljárni a megfelelő UPS kiválasztásánál. Egy alulméretezett szünetmentes tápegység semmit sem ér, olyan mintha ott sem lenne, a túlzott túlméretezés pedig többletköltséget von maga után. Az UPS kiválasztásakor különös figyelmet kell fordítani a szünetmentes tápegységek katalógusban szereplő teljesítmény és áthidalási idő adataira. Off-line UPS Ez a legegyszerűbb szünetmentes tápegység működési mód. A legkisebb kategóriában szinte mindegyik UPS ez alapján működik. Jellemző teljesítménytartomány: 200VA-3000VA. Működési elv a következő:

11 11 Amíg a hálózat a megengedett határokon belül van (ez általában +/-10%) a fogyasztók közvetlenül a hálózatról kapják a táplálást, az akkumulátor csepptöltésen van. Ebben az esetben a hálózat felől érkező zavarok, feszültségletörések, tranziensek, stb. ellen semmi sem védi a fogyasztókat. Hálózathiba esetén az inverter elindul és a kimeneten lévő általában elektromechanikus kapcsoló átkapcsolja a fogyasztót az inverter kimenetére. Természetesen a hálózathiba detektálása, és az átkapcsolás nem nulla idő alatt megy végbe. Az átkapcsolás jellemző ideje 4-20 ms között van, tehát nem haladja meg az egy periódust. Ez természetesen a fogyasztóknál (pl. számítógépek) nem jelent problémát. Egyszeres (DELTA) konverziós UPS Az ilyen elven működő szünetmentes tápegységeket nevezik még "DELTA" konverziós UPS-eknek is. Ez a technika mára elavult, az 1970-es években élvezett fénykora után napjainkban (már a kilencvenes évek elejétől) minden vezető UPS gyártó abbahagyta a gyártását, és áttért a kettős konverziós szünetmentes tápegységek gyártására. A működése a következő: Normál működési feltételek esetén a fogyasztók a hálózatról egy soros impedancián és a statikus kapcsolón keresztül kapják az energia ellátást. A kimeneti feszültség stabilitását az inverter biztosítja. Mivel a kimenet és a bemenet galvanikus csatolásban van egymással, így a kimeneti frekvencia stabilitása megegyezik a hálózatéval. Amennyiben követelmény a nagyobb frekvencia pontosság, akkor rendelkezésre álló hálózat mellett is akkumulátorról fog üzemelni a berendezés, ha a hálózati frekvencia eltér a megengedett értékhatártól. Kettős konverziós On-line szünetmentes tápegység Ez a működési mód nyújtja a felhasználónak a legnagyobb védelmet a hálózati hibákkal szemben. Működése a következő:

12 12 On-line UPS normál működés esetén: A betápláló hálózatot egyenirányítják, majd az egyenfeszültséget újra váltakozó feszültséggé alakítják (ezért nevezik ezt az UPS-t kétszeres konverziós On-line UPS-nek). A közbenső egyenfeszültségre csatlakozik az akkumulátor telep. A bemenet és a kimenet egymástól galvanikusan el van választva! Hálózathiba, vagy teljes hálózat-kimaradás esetén az inverter az akkumulátortelepből kapja tovább az energiát. Látható, hogy a fogyasztói oldal felől nem érzékelhető hogy az invertert az egyenirányító, vagy az akkumulátor táplálja. Tehát a kimenetre a bemenet felől semmilyen zavaró hatás nem kerülhet át. A kimeneti feszültség és frekvencia mindig stabil, függetlenül a betápláló hálózat állapotától, és a terheléstől. On-line UPS hálózat-kimaradás esetén: Amennyiben az inverter meghibásodna, vagy túlterhelés keletkezik a kimeneten, abban az esetben a statikus kapcsoló megszakításmentesen(!) kapcsolja át a fogyasztókat az inverterről. Ebben az esetben természetesen mindenféle védelem megszűnik, de amíg a hálózat rendelkezésre áll a fogyasztók továbbra is kapnak energiaellátást. A legkorszerűbb technikai alkalmazások révén ezek a szünetmentes tápegységek mind névleges terhelésen, mind relatíve kis terhelésen is kiváló hatásfokot biztosítanak, a külső körülményektől függetlenül. Ez a működési mód a teljes teljesítménytartományban rendelkezésre áll. (1000VA- 1000kVA!).