7. Tápegységek A ápegységek az elekronikus rendezések megfelelő működéséhez szükséges elekromos energiá bizosíják. Felépíésüke és jellemzőike a áplálandó rendezés igényei haározzák meg. A legöbb elekronikus készülék egyenfeszülségű ápáramelláás igényel, amelye nagyobb eljesímények eseén nem célszerű akumuláorok vagy elemek felhasználásával megoldani. Ezekn az eseekn az egyenfeszülsége a hálózai feszülség megfelelő ranszformálásával és egyenirányíásával állíjuk elő (sabilizálalan ápegység). Az elekromos készülékek jelenős része viszon csak akkor működik megfelelően, ha a ápfeszülségük, vagy a ápáramuk állandó. lyenkor a sabilizálalan ápegység meneére egy sabilizáor áramkör csalakozaunk és sabil ápegységről szélünk (7.1 ábra). 7.1 Sabilizálalan ápegység 7.1 ábra Sabilizál ápegység elvi felépíése A ápegységek ehá a kövekező részegységekből állanak: A hálózai ranszformáor Hálózai ranszformáor: a hálózai feszülsége az egyenirányíó számára elfogadhaó érékre válozaja Hálózai egyenirányíó: a menere kapcsol válakozó feszülsége egyenirányíja Hálózai szűrő áramkör: feladaa az egyenirányío feszülség ingadozásainak csökkenése és a válakozó áramú összeevők szűrése Hálózai sabilizáor: feladaa a menei feszülség vagy áram sabilizálása A ranszformáor feladaa, hogy a szekunder ekercsen olyan feszülségszine hozzon lére, amely egyenirányíás és szűrés uán opimális a feszülségsabilizáló fokoza áplálására. gyanakkor a hálózai ranszformáor végzi a mene elválaszásá is a meneől (7. ábra). 7. ábra Transzformáor R lezáró ellenállással deális ranszformáor eseén a meneszámáéelre (a) érvényes a kövekező összefüggés: N1 1 a N deális ranszformáor eseén a menei P 1 és a menei P eljesímény megegyezik, ehá: osonczi ajos - Analóg áramkörök kurzus - Sapienia Tudományegyeem Marosvásárhely 7-1
A menei impedancia: Figyelem véve, hogy: 1 R1 P1 P 1 1 Z a a 1 1 1 a a Z 1 a Z és Z R, kapjuk: R 1 a R Megállapíhaó ehá, hogy a ranszformáor, feszülség és áram melle, impedanciá is ranszformál. A ranszformáor, a meneére (szekunderre) kapcsol erhelés az áéel négyzeével arányosan ranszformálja á a meneére (primerre). A valóságos ranszformáorok veszességesnek enheők, ehá haásfokuk egynél ssebb. A hálózai egyenirányíók A hálózai egyenirányíó, a hálózai ranszformáor álal megfelelő érékűre ranszformál szinuszos válakozó feszülsége egyenfeszülséggé alakíja. Az egyenirányíó meneén kapo egyenfeszülség ampliúdója nem állandó, ezér felbonhaó egyen és válakozó feszülségű összeevőkre. A válakozó feszülségű összeevő búgófeszülségnek nevezzük, jelenlée nem kívánaos ezér el kell ávolíani. A legegyszerűbb egyenirányíó kapcsolás az egyuas kapcsolás (7.3 ábra). A D dióda az szekunder feszülség poziív félperiódusaiban nyióirányú feszülsége kap és ennek megfelelően a válakozó feszülség poziív félhullámai áengedi. A negaív félperódusokban a dióda záróirányú feszülsége kap és lezár. Az egyenirányío feszülség álagéréke: 0 0, 45 1 1 7.3 ábra Egyuas egyenirányíó A kéuas egyenirányíók kevésbé hullámos egyenfeszülsége állíanak elő, mivel a szinuszos válakozó feszülség mindké félperiódusá hasznosíják. A 7.4 ábrán egy középvezeéses (szimmerikus ranszformáoros) egyenirányíó kapcsolása és villamos jellemzőinek időfüggvényei láhaók. A megoldás elnevezése onnan ered, hogy a ranszformáor szekunder feszülségé középen való megcsapolással ké egyenlő feszülségre oszjuk. osonczi ajos - Analóg áramkörök kurzus - Sapienia Tudományegyeem Marosvásárhely 7-
7.4 ábra Középvezeéses kéuas egyenirányíó A szekunder feszülség poziív félperiódusaiban a D 1 dióda nyióirányú feszülsége kap és raja 1 áram folyik, ugyanekkor a D diódá az alsó ekercs záróirányban feszíi elő, ehá nem veze. A szekunder feszülség negaív félperiódusaiban a D dióda kap nyióirányú feszülsége és raja az áram folyik, miala a D 1 dióda záróirányú feszülsége kap és lezár. Az áramkör meneén, vagyis az R ellenálláson az 1 és áramok eredője fog megjelenni. Az egyenirányío feszülség álagéréke készeresse az egyuas egyenirányíóénak: 0 A hídkapcsolású egyenirányíó áramkör nem igényel különleges felépíésű ranszformáor, azonban a szükséges egyenirányíó diódák száma megduplázódik. Kapcsolása és jellemző hullámformái a 7.5 ábrán láhaók. 7.5 ábra Hídkapcsolású (Graez) egyenirányíó A ranszformáor szekunder feszülségének poziív félperiódusaiban a D 1 és D 3 dióda nyióirányú feszülsége kap és a diódákon az 1 áram folyik. Negaív félperiódusokban a D és D 4 dióda veze, lérehozva az áramo. Az R erhelőellenálláson az 1 és áramok eredője fog megjelenni. Az egyenirányío feszülség álagéréke megegyezik a középvezeéses egyenirányióéval. A hálózai szűrőkörök A búgófeszülsége nagymérékn csökkenhejük pufferkondenzáor és RC illeve C szűrők alkalmazásával. A pufferkondenzáor ulajdonképpen egy nagy kapaciású elekrolikondenzáor, amelye az egyenirányíó meneével párhuzamosan kapcsolunk. A pufferkondenzáor haásá az egyuas és kéuas egyenirányíó kapcsolások eseén a 7.6 ábra szemlélei. osonczi ajos - Analóg áramkörök kurzus - Sapienia Tudományegyeem Marosvásárhely 7-3
7.6 ábra Egyenirányíó kapcsolások pufferkondenzáorral A menei feszülség hullámalakja a kondenzáor ölési és sülési folyamaainak az eredménye. Növekvő erhelőáram eseén a menei feszülség álagéréke csökken és a búgófeszülség nő. A búgófeszülség éréke (csúcsól csúcsig) egyuas egyenirányíóknál b _ cscs és f C hídkapcsolású egyenirányíóknál b _ cscs f C p, ha f a hálózai feszülség frekvenciája. A pufferkondenzáoros megoldás csak s erhelőáramok eseén nyúj elégíő eredmény. Nagyobb áramok eseén a búgófeszülség csökkenheő szűréssel. Az erre alkalmas szűrőáramkör egy olyan feszülségoszó, amely az egyenáramú összeevő smérékn, a válakozó áramú összeevő nagymérékn kell leoszania (7.7 ábra). p 7.7 ábra RC és C hálózai szűrő kapcsolása A megfelelő minőségű szűrés akkor bizosíhaó, ha R X C és R SZ SZ X C illeve SZ R X CSZ és SZ X C. Mivel az R SZ sz ellenálláson a erhelőárammal arányos feszülségesés jön lére, ez a szűrőkapcsolás (RC) csak s érékű erhelőáramok eseén alkalmazhaó. A hálózai sabilizáorok A sabilizáorok olyan négypólusoknak enheők, amelyek valamelyik menei villamos jellemzője - a menei feszülségől, a erhelőáram érékéől és a környezei hőmérsékleől nagymérékn függelenül - állandó. Annak függvényén, hogy a menei feszülség vagy áram éréké próbáljuk állandó éréken arani, megkülönbözeünk: feszülségsabilizáoroka áramsabilizáoroka osonczi ajos - Analóg áramkörök kurzus - Sapienia Tudományegyeem Marosvásárhely 7-4
7. Feszülségsabilizáorok A feszülségsabilizáorok olyan áramkörök, amelyek feladaa, hogy egy fogyaszó feszülségé állandó éréken arsák, a ápfeszülség, a erhelés és a környezei hőmérsékle válozása eseén. A feszülségsabilizálás megoldására ké sabilizálási elve használunk (7.8 ábra): soros sabilizálás: a szabályozóelem a erheléssel sorosan van kapcsolva. A szabályozóelem úgy viselkedik min egy vezérel válozahaó ellenállás, amelynek csökkenése a menei feszülség növekedésé eredményezi. A erhelőáram növekedése vagy a menei feszülség csökkenése eseén a szabályozóelem ellenállása úgy csökken, hogy a menei feszülség ne válozzon. Fordío esen, amikor a erhelőáram csökken, vagy a menei feszülség növekszik, a menei feszülség állandó marad, mer a szabályozóelem ellenállásán nagyobb feszülség esik, mer éréke megnő. párhuzamos sabilizálás: a szabályozóelem a erheléssel párhuzamosan van kapcsolva. A szabályozóelem ellenállásának válozásával azonos irányban válozik a menei feszülség is. Pl. ha nő a erhelőáram, vagy csökken a menei feszülség, a szabályozóelem ellenállásának növekedése révén a menei feszülség állandó marad. 7.8 ábra Feszülségsabilizálási elvek A soros sabilizálás bonyolulabb kapcsolásokhoz veze, de jobb sabilizálás és nagyobb haásfoko bizosí. A párhuzamos sabilizáorok egyszerűbk és menei rövidzár eseén nem mennek önkre. A feszülségsabilizáorok minőségi jellemzésére a kövekező adaoka használjuk: Bemenei feszülségabiliási ényező: Q S / ü min Terhelőáram sabiliási ényező: QS 100 Elemi feszülségsabilizáorok min 100 [%] [%/V] Bármely feszülségsabilizáor működéséhez szükség van referenciafeszülségre, mivel csak így leheséges a menei feszülséggel való összehasonlíás. Az elemi feszülségsabilizáorok a legyegyszerűbb feszülségsabilizálásra alkalmas kapcsolások, amelyek referenciafeszülségkén is használhaók. Ezekn a párhuzamos elvű sabilizáorokban olyan félvezeő diódáka alkalmazunk, amelyek dinamikus ellenállása a működési arományukban csi. Kis feszülségek sabilizálására alkalmas a nyióirányban előfeszíe dióda, vagy a bipoláris ranziszor bázis-emier ámenee. Nagyobb feszülségek sabilizálására alkalmas a Zener diódás sabilizáor (7.9 ábra). osonczi ajos - Analóg áramkörök kurzus - Sapienia Tudományegyeem Marosvásárhely 7-5
7.9 ábra Zener diódás elemi sabilizáor Az elemi sabilizáorok elvi méreezése az R munkapon állíó ellenállás megfelelő megválaszásából áll. A munkapon állíás megfelelő, ha a sabilizálóelem munkaponja a menei feszülség és a erhelőáram szélsőséges érékeinél is a működési arományban marad. A sabiliás jóságá a menei feszülségválozás elnyomási ényezőjével jellemezhejük: S R 1, ahol Z Z rz R rz R R r a dinamikus Zener ellenállás. Megállapíhaó, hogy a sabiliás jóságának növelése érdekén a még megengedheő legnagyobb érékű R előéellenállás célszerű alkalmazni. Az elnyomási ényező jelenősen javul, ha az R ellenállás egy áramgeneráorral helyeesíjük (7.10 ábra). áhaó, hogy a Zener diódán és a erhelésen áfolyó áramok összege megegyezik a JFET állío csaornaáramával. Soros feszülségsabilizáorok 7.10 ábra Zener diódás elemi sabilizáor áramgeneráorral A legegyszerűbb soros áereszőranziszoros feszülségsabilizáor kapcsolásá a 7.11 ábra szemlélei, npn és pnp ranziszoros vieln. A kapcsolás egy emierköveő alapkapcsolásnak felel meg, amelynek az egyik munkaponállíó eleme egy Zener dióda, az emierellenállás szerepé pedig az R erhelő ellenállás öli. Mivel a erhelőáram azonos az emierárammal, megválozása a bázisáram és a bázis-emier feszülség megválozásá okozza. A bázisáram megválozása válozaja az elemi sabilizáor erhelőáramá, a bázis-emier feszülség megválozása pedig a ranziszor áereszőképességé folyásolja. A ké jelenség a menei feszülség válozásá eredményezi. 7.11 ábra Soros emierköveős feszülségsabilizálás osonczi ajos - Analóg áramkörök kurzus - Sapienia Tudományegyeem Marosvásárhely 7-6
Az elemi sabilizáor erhelőáramának válozása elhanyagolhaóvá vállik, Darlingon kapcsolású ranziszorok alkalmazásával (7.1 ábra). A Zener diódával párhuzamosan kapcsol P poencióméer szabályozhaó bázisfeszülsége bizosí a T1 ranziszor számára. 7.1 ábra Feszülségsabilizáor Darlingon ranziszorokkal Párhuzamos feszülségsabilizáorok Párhuzamos áereszőranziszoros sabilizáor kapcsolásá szemlélei a 7.13 ábra, válozahaó menei feszülséggel. Nagy erhelőáram eseén célszrű Darlingon ranziszorok alkalmazása, amelyek megnövelik a maximális erhelőáram nagyságá. Visszacsaol feszülségsabilizáorok 7.13 ábra Párhuzamos feszülségsabilizáor Az előzőkn ismeree feszülségsabilizáorok menei feszülségének megválozása eseén nincs mód a megválozás érzékelésére és a szükséges korrekció bizosíására. A visszacsaol feszülségsabilizáor auomaa szabályozórendszernek enheő, amelynél a szabályozo jellemző (menei feszülsége) folyamaosan figyeljük, egy másik jellel (a referencia feszülséggel) összehasonlíjuk, és ennek az összehasonlíásnak az eredményéől függően a szabályozóelem áereszőképességé folyásoljuk. A visszacsaol sabilizáor elvi felépíésé a 7.14 ábra szemlélei. A menei feszülség egy része és a referencia feszülség különbsége az hibajel, amely megfelelő erősíés uán vezérli a soros szabályozóeleme, olyan módon, hogy a menei feszülség az eredei érék felé közeledjen. osonczi ajos - Analóg áramkörök kurzus - Sapienia Tudományegyeem Marosvásárhely 7-7
7.14 ábra Visszacsaol soros feszülségsabilizáor elvi felépíése Egyszerű visszacsaol feszülségsabilizáor kapcsolásá muaja a 7.15 ábra. A referenciafeszülsége Zener diódás elemi sabilizáor állíja elő. Az R 1, P és R elemekből álló feszülségoszó a menei feszülséggel arányos visszacsaoló feszülsége állíja elő. 7.15 ábra Visszacsaol soros feszülségsabvilizáor kapcsolása Ha a menei feszülség pl. csökken a növekvő erhelőáram mia, a visszacsaol feszülség is arányosan csökken. Mivel a T 3 ranziszor emierfeszülsége állandó, a csökkenő bázisfeszülség csökkeni a bázisáramo, ehá a kollekoráramo is. Ennek kövekezén a T 3 kollekorpoenciálja megnő és a nagyobb vezérlőfeszülség haására a T 1 ranziszor jobban nyi, ehá a meni feszülség nő. Feszülségsabilizálás művelei erősiővel A művelei erősíők felhasználásával megvalósío feszülségsabilizáorok igen elerjedek a jó jellemzők mia. A művelei erősíők ezekn az áramkörökn referenciafeszülség forráskén, vagy hibajel erősíőkén működnek. A 7.16 ábra művelei erősíős soros feszülségsabilizáor kapcsolási rajzá muaja. osonczi ajos - Analóg áramkörök kurzus - Sapienia Tudományegyeem Marosvásárhely 7-8
7.16 ábra Soros feszülségsabilizálás művelei erősíővel Az inveráló kapcsolásban működő művelei erősíő nem inveráló meneére a Zener dióda sabilizál feszülsége van kapcsolva. Az inveráló menere csalakozik a visszacsaoló feszülség, amelye az R 1, P és R ellenállásokból álló feszülségoszó bizosí. A müvelei erősíő végzi a feszülségek összehasonlíásá, a hibajel erősíésé és a T ranziszor megfelelő vezérlésé. A menei sabilizál feszülség: R R 1 Z R R 1 A maximális erhelőáram Darlingon ranziszorok alkalmazásával növelheő. A 7.17 ábrán egy művelei erősíős párhuzamos feszülségsabilizáor láhaó. A nem inveráló kapcsolásban működő művelei erősíő inveráló meneére a Zener dióda sabilizál feszülsége van kapcsolva. A nem inveráló menere csalakozik a visszacsaoló feszülség, amelye az R 1, és R ellenállásokból álló feszülségoszó bizosí. A müvelei erősíő végzi a feszülségek összehasonlíásá, a hibajel erősíésé és a T ranziszor megfelelő vezérlésé. Ha a menei feszülség pl. csökken a menei feszülség csökkenése, vagy a növekvő erhelőáram mia, a visszacsaol feszülség is arányosan csökken. Mivel az inveráló mene feszülsége állandó, a művelei erősíő meneén csökken a feszülség, ugyanúgy a ranziszor bázispolarizációja. Ennek kövekezén csökken a ranziszor kollekorárama, ami az jeleni, hogy megnő a ranziszor kollekor-emier r CE ellenállása. Mivel r CE az R 1 soros ellenállással feszülségoszó alko, az r CE növekedése kompenzálja a menei feszülség csökkenésé, és a menei feszülség állandó éréken marad. 7.17 ábra Párhuzamos feszülségsabilizálás művelei erősíővel osonczi ajos - Analóg áramkörök kurzus - Sapienia Tudományegyeem Marosvásárhely 7-9
7.3 Áramsabilizáorok Az áramsabilizáorok olyan áramkörök, amelyek feladaa, hogy egy ado erhelésen áfolyó áramo állandó éréken arsák, a ápfeszülség, a erhelés és a környezei hőmérsékle válozása eseén. Az áramsabilizáorok hasonlóan a feszülségsabilizáorokhoz, vielezheők soros és párhuzamos elvű válozaban az áereszőelem elhelyezésének függvényén. A 7.18 ábra egy soros áramsabilizáor kapcsolásá szemlélei. A megfelelő működéshez áramgeneráoros meghajás szükséges, ami a meneel sorba köö R ellenállással valósíhaunk meg. 7.18 ábra Soros áramsabilizáor A T ranziszor bázis-emier ámeneé a Zener diódával bizosío referenciafeszülség és az R feszülség különbsége vezérli. A vezérlő különbségi jel a ranziszor munkaponjá mindig úgy állíja, hogy a erhelésen áfolyó áram állandó érékű legyen. Ha pl. a erhelő ellenállás csökken, a menei áram növekvő endenciá mua, ennek a haására nő az R feszülség és csökken a ranziszor nyiófeszülsége mindaddig, amig a menei áram az eredei érékre áll vissza. Az R válozahaó ellenállással állíhaó a menei áram éréke. A 7.19 ábra párhuzamos áramsabilizáor kapcsolásá szemlélei. A T ranziszor kollekor-emier ellenállása párhuzamosan csalakozik az R erhelésre. Munkaponjá és a raja áfolyó c áramo az R poencioméer állíja a kíván érékre. Ha a erhelő ellenállás csökken, a növekvő erhelőáram haására nő az R ellenálláson fellépő feszülségesés, és a ranziszor nagyobb árammal veze. Ez az áramnövekedés a menei áramo csökkeni és az eredeileg állío menei áramérék visszaáll. 7.4 A sabilizáorok védelme 7.19 ábra Párhuzamos áramsabilizáor A soros sabilizáorok működése során vélelenszerűen fellépő úlerhelés vagy rövidzárla álalában az áramkör meghibásodásához veze. Ennek megakadályozására a sabilizáoroka osonczi ajos - Analóg áramkörök kurzus - Sapienia Tudományegyeem Marosvásárhely 7-10
úláramvédelemmmel vagy rövidzárvédelemmel lájuk el. A védelem nagyon gyors működés kíván. A gyakorlaban kéféle úláramvédelmi megoldás alkalmazunk: áramkorláozó úláramvédelem visszahajló haárolási karakeriszikájú úláramvédelem Áramkorláozó úláramvédelem eseén, ha a erhelőáram elér egy állío maximális éréke, egy áramkör nem engedi ovább növekedni. A menei feszülség csak a menei rövidzár eseén csökken nullára. A menei sabilizál feszülség ismé megjelenik, amennyin a erhelőáram a maximális érék alá csökken. Az áramkorláozó úláramvédelem egy leheséges megoldásá a 7.0 ábra szemlélei. 7.0 ábra Sabilizáorok áramkorláozó úláramvédelme Abban az esen ha a erhelőáram eléri a maximális éréke, a feszülségesés az R ellenálláson eléri az BE R max 0, 6V kriikus éréke, amelynél a T ranziszor vezeni kezd. A nyio ranziszor s érékű kollekor-emier ellenállása rövidre zárja a T 1 ranziszor bázis-emier ámeneé, ezér T 1 a zárás felé, a menei feszülség pedig nullához közelí. A feni megoldás eseén a veszességi eljesímény rövidzár eseén sokkal nagyobb min normális működésnél. A veszességi eljesímény csökkenheő, ha a csökkenő menei feszülség eseén az áramkorláo egy r érékre csökkenjük. Ezen az elven visszahajló haárolási karakeriszikájú úláramvédelem jön lére, amin a 7.1 ábra szemlélei. 7.1 ábra Sabilizáorok visszahajló karakeriszikájú úláramvédelme Rövidzár eseén a T ranziszor nyi, bizonyos mérékn lesönöli a T 1 áereszőranziszor, csökkenve a bázisáramá. Felírhaók a kövekező összefüggések: A R R R B A R R R R R 1 1 osonczi ajos - Analóg áramkörök kurzus - Sapienia Tudományegyeem Marosvásárhely 7-11
A T ranziszor bázis-emier feszülsége: Feléelezve, hogy BE BE B R R R R 1 R1 R R 1 0, 6 V, fejezheő a sabilizáor maximális menei árama: max R1 R R R1 R R R Ha 0, megkapjuk a rövidzárási menei áram éréké: r R1 R R R A ké áram összefüggésé összehasonlíva megállapíhaó, hogy r max, ehá a menei karakeriszika visszahajló formájú. Ha a sabilizáor úlerhelése megszűnik, helyreáll az eredei állapo. 0,6 7.5 negrál áramkörös líneáris feszülségsabilizáorok Az inegrál monoliikus feszülségsabilizáorok visszacsaolással és soros szabályozóelemmel rendelkező feszülségsabilizáoroknak enheők. Belső áramköri kapcsolásuk elvileg megegyezik a diszkré elemekkel felépíe válozaokéval. A különbség csak a különleges kapcsolásechnikai megoldásokból áll, amelyek az inegrál áramkörös echnológiával könnyen, olcsón vielezheők, magassabb minőségi jellemzőkkel. Az első generációs inegrál feszülségszabályozó áramkörök jellegzeessége, hogy minden lső áramköri egység menee és menee a felhasználó számára hozzáférheő ( van vezeve az inegrál áramkör csalakozásaihoz). Jellegzees, sokoldalúan felhasználhaó alapipusnak enheő az A73 inegrál sabilizáló áramkör (7. ábra). Az áramkör lső egységeinek vezeése nagyon széles alkalmazási leheősége bizosí a felhasználó számára. 0,6 7. ábra Az A73 inegrál feszülségsabilizáor elvi felépíése osonczi ajos - Analóg áramkörök kurzus - Sapienia Tudományegyeem Marosvásárhely 7-1
A 7.3 ábrán láhaó egyszerű kapcsolás a referenciafeszülségnél nagyobb sabilizál és rövidzárvéde menei feszülségek elérésé eszi leheővé. 7.3 ábra Feszülségsabilizáor, ha ref A Comp és az N- vezeések közé 5-0 nf érékű kondenzáor csalakozaunk, ami a hibajel erősíő gerjedésé akadályozza meg. Az R ellenállás nem védi a sabilizáor, csak áramkorláozó úláramvédelme bizosí. Az ellenállások érékei: BE R1 R R R3 R1 R R max A 7.4 ábrán láhaó kapcsolás a referenciafeszülségnél sebb sabilizál és rövidzárvéde menei feszülségek elérésé eszi leheővé. ref 7.4 ábra Feszülségsabilizáor, ha ref osonczi ajos - Analóg áramkörök kurzus - Sapienia Tudományegyeem Marosvásárhely 7-13
Az ellenállások érékei: R BE max R R 1 R3 R1 R 1 R ref Végül, a 7.5 ábra külső eljesíményranziszoros nagy erhelheőségű feszülségsabilizáor kapcsolásá szemlélei. 7.5 ábra Feszülségsabilizáor megnövel menei árammal A második generációs lineáris inegrál sabilizáorok az előző ipusokhoz viszonyíva öbb előnyös ulajdonsággal rendelkeznek: épíe úláramvédelem épíe úlmelegedés elleni védelem épíe frekvenciakompenzálás külső elemek minimalizálása nagy maximális erhelőáram három vezeéses okozás: fix menei feszülség A háromvezeéses inegrál feszülségsabilizáorok jellemző áramköri alkalmazása a 7.6 ábrán láhaó. 7.6 ábra Háromvezeéses inegrál feszülségsabilizáor alapkapcsolása A fix menei feszülségű sabilizáorok felhasználásával válozahaó menei feszülségű sabilizáor is készíheő, ha a mene és mene számára közös vezeés poenciáljá megemeljük (7.7 ábra). Amilyen mérékn megemeljük a közös pon poenciáljá a nullpoenciálhoz képes, ennek megfelelően növekszik a menei feszülség is. N P osonczi ajos - Analóg áramkörök kurzus - Sapienia Tudományegyeem Marosvásárhely 7-14
7.7 ábra Válozahaó menei feszülségű sabilizáor Végül, a 7.8 ábra keős sabilizál feszülségforrás kapcsolásá szemlélei fix menei feszülségű inegrál sabilizáorok felhasználászával. 7.8 ábra Keős, sabilizál feszülségforrás A háromvezeéses inegrál feszülségsabilizáorok jellegzees alapipusai a 7800-as és 317-es poziív feszülségszabályozó család, illeve a 7900-as és 337-es negaív feszülségszabályozó család. Például: 7805 = +5V-os sabilizáor, 791 = -1V-os sabilizáor osonczi ajos - Analóg áramkörök kurzus - Sapienia Tudományegyeem Marosvásárhely 7-15
7.6 Kapcsolóüzemű ápegységek A lineáris sabilizáorok áeresző ranziszora min válozahaó ellenállás működik. A ranziszoron eső feszülség és az áfolyó áram szorzaa megadja az a eljesímény, ami a ranziszoron hővé alakul, azaz ami a ranziszor eldisszipál. Ez a veszeségi eljesímény leronja a lineáris sabilizáor haásfoká, és már csak a szükséges hűés mia is növeli a sabilizáor méreé és súlyá. Szinén növeli a méreeke és a súly a ápegység hálózai ranszformáora. A veszeségi eljesímény, a méreek és a súly egyarán csökkenheők a kapcsoló üzemű ápegységek alkalmazásával. Ezekn a ápegységekn a ranziszor nem lineáris, hanem kapcsolóelemkén működik, azaz vagy eljesen zárva van, vagy eljesen nyiva. A zár ranziszoron áram nem folyik, a eljesen nyio ranziszoron viszon csak nagyon s feszülség esik, ezér a ranziszoron disszipálódó P d eljesímény mindké üzemállapoban minimális (az elérheő haásfok 90% fele van). A kapcsolóüzemű ápegységek előnyei: jó haásfok, s méreek, nagyobb üzembizonság, hosszabb élearam, nagy menei feszülségválozás űrése, csökkenő vagy növelő feszülségszabályozás, sméreű pufferkondenzáor használaa, a ranszformáor válása, vagy sméreű ranszformáorok használaa. A kapcsolóüzemű ápegységek háránya viszon, hogy a kapcsoláskor nagy harmonikusaralmú négyszögjel kelekezik, amely (nem megfelelő árnyékolás eseén) nagyfrekvenciás zavaroka okozha, ugyanakkor a menei feszülségn a kapcsolási frekvenciával azonos frekvenciájú és a felharmonikus feszülség összeevők is. Megfelelően magas kapcsolási frekvencia és megfelelő árnyékolás alkalmazása haékonyan csökkeni ezeke a zavaró haásoka. A kapcsolóüzemű ápegységek alapelve az indukív energiaárolás, ami egy kapcsolókonverer periodikusan áalakí villamos energiából mágneses energiába és fordiva. Feszülségcsökkenő (buck) konverer A feszülségcsökkenő konvererek menei feszülsége ssebb min a menei feszülség. A 7.9 ábra a konverer elvi kapcsolásá szemlélei. 7.9 ábra Feszülségcsökkenő konverer elvi kapcsolása Az C szűrő feladaa, hogy elekromos energiá ároljon, amig a T eljesíménykapcsoló ranziszor zár és a árol energiá aza R erhelésnek áadja, miközn a eljesíménykapcsoló nyi. Amikor a T ranziszor kapcsoljuk, a eljes menei feszülség az C szűrőn kereszül az R erhelésre kerül. Ebn az esen a menei áram elkezd növekedni és így az ekercsn felhalmozo energia is nő. Amikor a ranziszor lezár, a ekercs önindukciója révén a D dióda nyióirányú előfeszíés kap. Ezen a diódán kereszül az indukiviásban lévő energiaáram szabad ua kap a C kondenzáor és az R erhelés felé. Az indukiviásban az áram csökkenő endenciájú, de a menei áramhoz a C kondenzáorban árol energia is hozzájárul. nnenől kezdődően a kapcsolási folyama periodikusan ismélődik. Megfigyelheő, hogy állandósul állapoban az ekercsn az áram jelenlée folyamaos, éréke soha nem csökken le nullára. Ha a ranziszor veze ( ), a ekercsen mérheő feszülségre felírhaó: max min osonczi ajos - Analóg áramkörök kurzus - Sapienia Tudományegyeem Marosvásárhely 7-16
Ha a ranziszor nem veze ( ), a ekercsen mérheő feszülség: max Az állandósul állapoo feléelezve, az áramválozás éréke a ekercsen nulla (amennyi a növekedés, annyi a csökkenés is), ehá: kövekezik: D, ahol: D min a ölési ényező. Megfigyelheő, hogy folyonos üzemmódban a menei feszülség nem függ a erhelő áram nagyságáól. A ekercsn az áramalak egyforma, különböző o menei áramoknál, feléelezve, hogy a menei feszülség és a ölési ényező nem válozik (7.30 ábra). Az áramalak párhuzamosan elolódik a erhelés függvényén. Ha a erhelés nő, felfele olódik, ha csökken, akkor lefele. 7.30 ábra Feszülségcsökkenő konverer időfüggvényei A 7.31 ábrán a feszülségcsökkenő kapcsolóüzemű sabilizáor ömbvázlaa láhaó. A kapcsolójel előállíásá ké modul végzi: a referenciafeszülséggel elláo szabályozó és az impulzusszélesség moduláor. A menei feszülség csökkenése eseén, a menei impulzussoroza ölési ényezője, ehá a kapcsoló vezeése ideje növekszik, ellenkező esen csökken. osonczi ajos - Analóg áramkörök kurzus - Sapienia Tudományegyeem Marosvásárhely 7-17
7.31 ábra Feszülségcsökkenő kapcsolóüzemű sabilizáor ömbvázlaa Feszülségnövelő (boos) konverer A feszülségnövelő konvererek menei feszülsége nagyobb min a menei feszülség. A 7.3 ábra a konverer elvi kapcsolásá szemlélei. A feszülségnövelő konverer ugyanaz a három eszköz (, C, D) aralmazza, min a buck konverer, csak más elrendezésn. D PWM T C + R 7.3 ábra Feszülségnövelő konverer elvi kapcsolása A T ranziszor periodikusan kapcsolja az ekercse az menei feszülségre. A kapcsolási idő ( ) ala a menei áram rohamosan növekszik, az indukiviás árolja a menei energia egy részé. Ebn az inervallumban a D dióda fordío polariású előfeszíés kap, ehá nem veze. A menei feszülsége és az ehhez arozó menei o áramo a C kondenzáor szolgálaja. Amikor a ranziszor zár ( ), az ekercs önindukciós feszülsége nyija a D diódá (a ekercs árama nem szünhe meg ugrásszerüen). A ekercsen ekkor a menei áramnak és a kondenzáor ölőáramának összege mérheő. A konverer jellegzees feszülség és áramalakjai a 7.33 ábra adja meg. osonczi ajos - Analóg áramkörök kurzus - Sapienia Tudományegyeem Marosvásárhely 7-18
7.33 ábra Feszülségnövelő konverer időfüggvényei Ha a ranziszor veze ( ), a ekercsen mérheő feszülségre felírhajuk a kövekező egyenlee: max min Amikor a ranziszor nem veze (), a ekercsen mérheő feszülségre felírhajuk: max Az állandósul állapoo feléelezve, az áramválozás éréke a ekercsen nulla (amennyi a növekedés, annyi a csökkenés is), ehá: min kövekezik: 1 1 D, ahol: D a ölési ényező. Megfigyelheő, hogy folyonos üzemmódban a menei feszülség nem függ a erhelő áram nagyságáól. A ekercsn az áramalak egyforma, különböző o menei áramoknál, feléelezve, hogy a menei feszülség és a ölési ényező nem válozik. Az áramalak párhuzamosan elolódik a erhelés függvényén. Ha a erhelés nő, felfele olódik, ha csökken, akkor lefele. osonczi ajos - Analóg áramkörök kurzus - Sapienia Tudományegyeem Marosvásárhely 7-19
7.34 ábra Feszülségnövelő kapcsolóüzemű sabilizáor ömbvázlaa A 7.34 ábrán a feszülségcsökkenő kapcsolóüzemű sabilizáor ömbvázlaa láhaó. A kapcsolójel előállíásá ké modul végzi: a referenciafeszülséggel elláo szabályozó és az impulzusszélesség moduláor. A menei feszülség csökkenése eseén, a menei impulzussoroza ölési ényezője, ehá a kapcsoló vezeése ideje növekszik, ellenkező esen csökken. Polariásváló (buck-boos) konverer A polariásváló konverer a menei feszülséghez képes megfordíja a menei feszülség előjelé, azaz polariás vál. A menei feszülség a ölési ényezőől függően lehe nagyobb is és sebb is, min a menei feszülség. A 7.35 ábra a konverer elvi kapcsolásá szemlélei. Ebn az esen is a konverer ugyanaz a három eszköz (, C, D) aralmazza, csak más elrendezésn. 7.35 ábra Plariásváló konverer elvi kapcsolása A T ranziszor periodikusan kapcsolja az ápfeszülségre az indukiviás. Ha a ranziszor veze ( ), a meneről abszorbál energia a ekercsn árolódik. A D dióda polarizációja záróirányú, a menei o áramo a C kondenzáorban felhalmozo energia szolgálaja. Ha a ranziszor lezár, a ekercs önindukciója révén kelekező feszülség nyija a D diódá. A ekercsn felhalmozódo energiából kerül a menere és a kondenzáor is visszakapja az előző üemn elveszíe ölésmennyiségé. A menei feszülség polarizációja ellenées a menei feszülséghez képes. A konverer jellegzees feszülség és áramalakjai a 7.36 ábra adja meg. osonczi ajos - Analóg áramkörök kurzus - Sapienia Tudományegyeem Marosvásárhely 7-0
7.36 ábra Polariásváló konverer időfüggvényei Ha a ranziszor veze ( ), a ekercsen mérheő feszülségre felírhajuk a kövekező egyenlee: max min Amikor a ranziszor nem veze (), a ekercsen mérheő feszülségre felírhajuk: max Az állandósul állapoo feléelezve, az áramválozás éréke a ekercsen nulla (amennyi a növekedés, annyi a csökkenés is), ehá: kövekezik: D, ahol: 1 D min a ölési ényező. Ha D>0,5 akkor >, ha D=0,5 akkor =, ha D<0,5 akkor <. D Kövekezik, hogy folyonos üzemmódban a menei feszülség nem függ a erhelő áram nagyságáól. A ekercsn az áramalak egyforma, különböző o menei áramoknál, feléelezve, hogy a menei feszülség és a ölési ényező nem válozik. Az áramalak párhuzamosan elolódik a erhelés függvényén. Ha a erhelés nő, felfele olódik, ha csökken, akkor lefele. A 7.37 ábrán a polariásváló kapcsolóüzemű sabilizáor ömbvázlaa láhaó. A kapcsolójel előállíásá ké modul végzi: a referenciafeszülséggel elláo szabályozó és az impulzusszélesség moduláor. osonczi ajos - Analóg áramkörök kurzus - Sapienia Tudományegyeem Marosvásárhely 7-1
7.37 ábra Feszülségnövelő kapcsolóüzemű sabilizáor ömbvázlaa 7.7 negrál áramkörös kapcsolóüzemű feszülségsabilizáorok A kapcsolóüzemű ápegységek alapveően megválozaák felfogásunka egy ápegységről. Ma a napona alkalmazo ápegységek öbb min 99,99%-a kapcsolóüzemű ápegység. Analóg ápegységek szine csak hobby szinen kerülnek egy-egy kapcsolásba. Jellemző példa, hogy egy 1000 VA-es ranszformáorral elláo ápegységn csak a ranszformáor ömege nagyobb min 1 kg és haásfoka 35-40%-os, az ugyanolyan eljesíményű ranszformáoros kapcsolóüzemű ápegység ömege alig 0,3kg és haásfoka elérhei a 98%-o is. A mai mikrokonolleres rendszerek mind sebb feszülséggel üzemelnek. Az 1995-ös évre még jellemző 5 V DC feszülség helye a 010-es évek végére a 3,3 V-os, ma (011) már a,4 V-os ápfeszülségű rendszerek kerülek forgalomba. Piacra dobás elő állnak az 1,8V ápfeszülsége igénylő rendszerek. Mai udásunk és a ma alkalmazo echnológiák szerin a minimális feszülség haára, amellyel e rendszerek még működhenek: 1,V. lyen alacsony menő feszülségű konverereknél nagy hárány a menő körn levő dióda. Jó megoldás ennek küszöbölésére a Schoky diódák alkalmazása, amelyeknél a nyióirányú feszülségesés kb. fele a hagyományod diódáénak. negrál áramköri echnológiák eseén alacsony vezeőellenállású MOSFET ranziszorokkal helyeesíjük e diódáka, de még a kapcsoló ranziszoroka is. A 7.38 ábrán láhaó, hogy a ranziszorok felválva kapnak nyióirányú vezérlés. Ezeke a konverereke szinkron konverereknek nevezzük. 7.38 ábra Szinkron konverer kapcsolás MOSFET kapcsolókkal A7.39 ábrán egy klasszikus inegrál kapcsolóüzemú ápegység ömbvázlaa láhaó. Az áramkör aralmazza az előzőekn leir áramköri elemek egy részé, a öbbi eleme kívülről kell az inegrál áramkörhöz kapcsolni. osonczi ajos - Analóg áramkörök kurzus - Sapienia Tudományegyeem Marosvásárhely 7-
7.39 ábra A 78S40 ipusú inegrál kapcsolóüzemű sabilizáor ömbvázlaa A 7.40 ábrán egy feszülségcsökkenő sabilizáor elrendezés láhaó a 78S40 áramkör felhasználásával, a 7.41 ábra pedig egy feszülségnövelő sabilizáor elrendezésé szemlélei ungyanazzal az inegrál áramkörrel. 7.40 ábra Feszülségcsökkenő sabilizáor 78S40 inegrál áramkörrel A C T kondenzáor az oszcilláor frekvenciájá és az impulzusok szélességé állíja, ehá a ranziszorok kapcsolóidejé is. A erhelőáram válozásával válozik az R T ellenálláson eső feszülség nagysága és vele együ az oszcilláor ölési ényezője is. Az R 1, R ellenállásoszó visszacsaol a komparáor meneére a menei feszülséggel arányos feszülsége. A referencia osonczi ajos - Analóg áramkörök kurzus - Sapienia Tudományegyeem Marosvásárhely 7-3
feszülség meghaározza, hogy a visszacsaol feszülség függvényén a logikai kapu engedélyezi vagy nem a ranziszorok vezérlésé. 7.41 ábra Feszülségnövelő sabilizáor 78S40 inegrál áramkörrel osonczi ajos - Analóg áramkörök kurzus - Sapienia Tudományegyeem Marosvásárhely 7-4