REDL RICHÁRD Budapesti Műszaki Egyetem Mikrohullámú Híradástechikai Taszék Trazisztoros kapcsolóüzemű feszültség stabilizátor alaptípusok vizsgálata ETO 62.3.6:62.36.727.:62.382.3 A trazisztoros kapcsolóüzemű feszültségstabilizátorok az űrkutatási célokat szolgáló és egyéb mozgó (= az erősáramú hálózattól függetle) beredezések eergiaellátó redszeréek építő elemeikét terjedtek el széles körbe. Ez elsősorba a redkívül jó üzemi hatásfok következméye. Az utóbbi éháy évbe azoba olya trazisztortípusokat is sikerült kifejlesztei, amelyek emcsak a viszoylag alacsoy akkumulátorfeszültségek átalakítását, stabilizálását tették lehetővé, haem gyökerese új perspektívát yújtottak a hálózati tápegységek területé is. Itt a jó hatásfok jeletősége természetese kisebb, mit a mozgó üzembe, az 5 Hz-es hálózati traszformátor elhagyása azoba erőteljese csökketheti a súlyt és a térfogatot. Ehhez a csökkeéshez a kisebb hűtésigéy is hozzájárul. A hálózati traszformátor élküli tápegységek legfotosabb alkalmazási területei a következők: - számítógépek és egyéb itegrált áramkörös agyberedezések, szíes tv-vevőkészülékek, repülőgép fedélzeti beredezések. A jó hatásfok, a kis súly és térfogat mellett ige léyeges jellemző a kiesési" (drop-out) idő. (Ez alatt az idő alatt csökke a kimeeti feszültség a miimális megegedett értékére teljes terhelésél a hálózati feszültség kimaradása eseté.) A kiesési idő fotos paraméter például a digitális számítógépek tápellátásáál. Az elsődleges eergiatárolók a kapcsolóüzemű stabilizátorokál is elektrolitkodezátorok, mivel azoba azoos CU szorzat mellett a tárolható eergia lieárisa ő a feszültséggel, a hagyomáyos felépítésű tápegységekbe szokásosál sokkal kisebb méretű kodezátorok is elegedőek akár egy teljes periódusidőyi hálózatkimaradás eseté is. Megemlítedő éháy hátráyos tulajdoságuk is. A legagyobb problémát a kapcsoló fokozatok által keltett, a tápvezetéke vagy sugárzás útjá terjedő zaj jeleti. A kimeő jele fellépő váltófeszültség ( ripple") amplitúdója általába agyobb az áteresztő trazisztoros stabilizátorok hasoló paraméteréél. A szűrés azoba a magas ( 3 khz) működési frekvecia miatt a kapcsolóstabilizátorokál egyszerűbbe megoldható, a kimeeti szűrőkör alkalmazása viszot megöveli a trazies időt gyors terhelésváltozásál a feszültség a statikus értéket a hagyomáyos stabilizátorokhoz képest lassabba éri el. A cikk a kapcsolóüzemű feszültségstabilizátor alapkapcsolások bemutatását, legfotosabb meyiségi Beérkezett: 972, VII. 3, jellemzőiek meghatározását, és a realizálási problémák áttekitését tűzte ki célkét. Megadjuk a kapcsolótrazisztorok és diódák igéybevételére utaló adatokat és az üzemi hatásfok kifejezését is. Alapkapcsolások A működés elvét az. ábra szemlélteti. Az egyes típusokat a kitöltési téyező változtatását biztsoító modulátor, illetve a teljesítméykapcsoló végfokozat felépítése alapjá célszerű megkülöbözteti. Mivel az áramkör tulajdoságait elsősorba a végfokozat determiálja, a továbbiakba ezt helyezzük a vizsgálat középpotjába. Impulzus kitöltési téyező modulátor Referecia, Teljesítméy kapcsoló végfokozat. ábra Szűré Terhelés A 2 6. ábráko a legfotosabb alapkapcsolások áramköri elredezése látható. A feltütetett kapcsolások a leggyakrabba alkalmazott változatok. Természetese sok egyéb lehetőség is va, például az A", B", C" esetbe autotraszformátor is alkalmazható az iduktivitás helyett, az E" áramkört pedig hídkapcsolásba is megvalósíthatjuk. A változatok jeletősége kisebb, aalízisük az alapkapcsolásokéhoz hasolóa végezhető el. A kapcsolóüzemű stabilizátorok felhaszálás szempotjából léyeges jellemzői a következőek: kimeeti feszültség a kitöltési téyező és a tápfeszültség függvéyébe külöböző terhelő áramokál, 2. ábra, A áramkör J ) \H8-RRl\ 73
HÍRADÁSTECHNIKA XXIV. ÉVF. 6. SZ. Tr -TUT_ i" > M. 3. áfira. B áramkör ^ o b) [ff Si-KR3\ ezeket a számításokat. A módszer a többi esetbe is hasoló. A kitöltési téyező értékét a számítások sorá A-val jelöljük, ez alatt az idő alatt a trazisztor vezető állapotba va. A kapcsolójel periódusideje T. Az A" áramkör jelalakjai a következőek (7., 8. ábra). A 7. ábrá az az eset látható, amikor a szűrőiduktivitás árama em csökke zérusra üzem közbe. A diódá fellépő feszültség értéke ekkor vagy lehet, a kapcsolótrazisztor állapotától függőe. A 8. ábrá feltütettük a jelformákat, ha az áram a ullát is eléri. Mit látható, a periódusak ebbe a részébe u D = U. A veszteségek hatását és a véges kapcsolási időket itt em vettük figyelembe. Az áramkörre felírható differeciaegyeletek abba az esetbe, ha a kimeő feszültség álladóak tekithető egy kapcsolási periódusra egyszerűe megadhatók a 7. ábra szerit". 4. áöra. C áramkör U 7 es ahol Ai í az iduktivitás áramáak megváltozása a trazisztor vezető állapota alatt = L ~^=; + /, ahol Ai 2 az iduktivitás áraiá- V / ak megváltozása a trazisztor zárt állapota alatt. T s ^ \ TL_r JI _ 5. ábra. D áramkör.7. ábra 6. ábra. E áramkör a veszteségi elleállások hatása a kimeő karakterisztikára, átalakítási hatásfok, a kapcsolóeszközök feszültség- és áramigéybevétele. A kimeő karakterisztika meghatározása Az egyes áramkörök kimeő feszültsége a fellépő jelalakok segítségével számítható ki. Illusztrációkét a 2. ábra áramköréél ( A") részletese elvégezzük 8. ábra 74
REDL R.: KAPCSOLÓÜZEMŰ FESZÜLTSÉGSTABILIZATOROK Haszáljuk fel a feltételt (ez stacioárius esetbe midig teljesül): - '^kt=^(l-k)t, * > ebből U =ku 7 Mit látható, a kimeő feszültség a terhelő áramtól függetle. Az áramkör rögzített kitöltési téyező eseté ideális egyeáramú traszformátorak tekithető. Ha a szűrőiduktivitás árama a periódus egy részébe zérusra csökke, boyolultabb a helyzet. Itt első lépéskét T időtartamát határozzuk meg. A Ai x Ai 2 feltételből: -U, T = u, o A kimeő karakterisztikát az T ~kt. egyelet alapjá számíthatjuk. Az eredméy: +.2L/ k 2 ru T Azo terhelő áramot (azaz a határáramot), amelyél az iduktivitás árama éppe eléri a ullát, tehát a feti összefüggés érvéyét veszti, egyszerűe kifejezhetjük az U (I h ) = k egyeletből (a határáram fölött az U = k érvéyes ). l h = (l-k)k 2L képlet Tehát a kimeő karakterisztika két szakaszból tevődik össze. (/ = ha </ Ha a soros veszteségi elleállásokat is figyelembe vesszük, a 9. ábra szeriti helyettesítőképpel számolhatuk. A vizsgálatot ez esetbe csak a határáramál agyobb terhelés feltételezésével végezzük el, mivel a veszteségi elleállások hatása csak ekkor számottevő. Feltesszük továbbá azt is, hogy teljesülek az» r és ha L r-»t 9. ábra ÍH8-8*9) egyelőtleségek, azaz az üzemi frekveciá a szűrőicluktivitás a soros veszteségi elleállásokál jóval agyobb impedaciát képvisel. Ebbe az esetbe az iduktivitás árama az idő lieáris függvéyéek tekithető K bekapcsolt és kikapcsolt állapota alatt egyarát. A levezetés lépéseiek részletezése élkül a kimeő karakterisztikára kapott eredméy: U =k -I [kr s +(l-k)r D +R L ). A képletből kiolvasható a stabilizátor visszacsatolás élküli belső elleállása és a szabályozási jósága. A visszacsatolás ezeket a paramétereket természetese jellegéek megfelelőe megváltoztatja. A többi áramkörre is hasoló godolatmeettel végezhető el a kimeő karakterisztika meghatározása. Az eredméyeket az. táblázat összefoglalva tartalmazza. A traszformátortekercsek ohmos elleállása (midkét esetbe) a kapcsolótrazisztorok J? s veszteségi elleállásával, illetve a diódák R D yitóiráyú elleállásával sorosa vehető figyelembe. Hatásfokok és a kapcsolóeszközök igéybevétele A kapcsolóüzemű stabilizátorok veszteségei két csoportra oszthatók. Az áramkörök soros elleállásai átfolyó áram statikus, a véges átkapcsolási idők pedig diamikus veszteségeket hozak létre. A diamikus veszteségek az alkalmazott kapcsolótrazisztorok határfrekveciájától, a meghajtóegység kialakításától, a diódákba vezető állapotba tárolt töltéstől és még sok egyéb téyezőtől függeek. Első közelítésbe a periódusidővel fordította aráyosak tekithetőek. A jeleleg redelkezésre álló kapcsolóeszközökél khz agyságredű üzemi frekveciá a hatásuk általába elhayagolható. A 2. táblázatba ezért csupá a soros veszteségek eredméyekét kialakuló hatásfokokat tütetjük fel. Szerepelek a táblázatba a trazisztorok és diódák csúcsáramai és csúcsfeszültségei is. A csúcsáramok meghatározásáál a szűrőfojtók áramáak, illetve a traszformátorok fluxusáak váltókompoesét figyelme kívül hagytuk. A valóságba a feltütetett csúcsértékekél miimálisa 2 25%-kal agyobb feszültség- és áramhatáradatokkal redelkező félvezetőket célszerű al- 75
HÍRADÁSTECHNIKA XXIV. ÉVF. 6. SZ.. táblázat Kimeő karakterisztika (l/ =...) Áramkör íipus L vagy T eergiametes a periódus egy részébe Veszteségmetes eset L vagy T sohasem eergiametes Veszteségek hatására kialakuló karakterisztika a határáram fölötti terhelésél Határáram A B C D* E** k 2 T küt ku r -[kr,+ ( - k)r D +R L ] ülk 2 T TT 2LI a U\k 2 T 2LI T^k (l-k)ktv T 2L krs+il-kjrs + Rj, ktv T () 2 2()L k Ü T k kr s +(l-k)r D + R L k(k-l)t k~l k- () 2 2L u T k*r Ü T k Ü T k t k 2 R,+ (l-k)r B (l-k)kt 2LJ l_; c () 2 2L y V T (l-k)kt 2U k k- / (2k 2 R s + R D + R L L k 2 TÜ T * L^-e a traszformátor primer oldali főiduktivitását értjük. ** A traszformátor főiduktivitása léyegese agyobb a szűrőiduktivitás áttraszformált értékéél. 2. táblázat Áramkör Trazisztor Dióda Hatásfok Áram Feszültség Áram j Feszültség csúcs esúes A i--j?-[wi,+ (i-*)fl a +iy h v t h k B -,-r-tbr íkr ' + ( - v R»+ Rí] ( k) G ~rr!f ij f c R.+ (l-fc)«l' + «x] (k ) D E Jo_ í-k -U A (l k)k I B ( l + 2k \ 2k 2 R,+ - R D + RA 2k \ ' 2 J JÍL IQ Jo_ u V T + U I 2 UJI h 2 kalmazi. Ezt elsősorba az egységél kisebb hatásfok, traszformátoros áramkörökél pedig a szórt iduktivitások miatti feszültség túllövések idokolják. Megemlítedő, hogy a kapcsolóeszközök igéybevétele extrém terhelések vagy em megfelelő vezérlés eseté, illetve a tápfeszültség megjeleésekor fellépő traziesek alatt a 2. táblázatba adott értékeket léyegese meghaladhatja. Eze igéybevételek miatt midegyik áramkörél javasoljuk valamilye túláramvédő áramkör alkalmazását. A B", C" és D" kapcsolásál a maximális kitöltési téyező korlátozása is szükséges a megbízható működéshez. Eek egyszerű oka va: ha a kimeeti feszültség még em érte el az álladósult szitet, a stabilizátoro belüli egatív visszacsatolás miatt a vezérlő impulzussorozat kitöltési téyezője a lehetséges legagyobb értékét veszi fel. Korlátozás élküli esetbe ez éppe %. A kimeő feszültség azoba csak a trazisztor kikapcsolt állapotába övekedhet, ha ez em következik be, a trazisztor a fellépő túláram miatt tökremehet. Az E" áramkörél, a Trl és Tr2 trazisztorokat vezérlő impulzusok legfeljebb,5-ös kitöltési téyezővel redelkezhetek. Vezérlési lehetőségek Midegyik áramkörél alapvetőe kétféleképpe oldható meg a végtrazisztor működtetéséhez szükséges változó szélességű impulzussorozat létrehozása. Külső órajellel törtéő szikroizálás eseté a. ábrá látható egyszerű elredezést alkalmazhatjuk. Az impulzusszélesség modulátor sokféle áramkörrel realizálható. Szokásos megoldás például az óra- 76
REDL R.: KAPCSOLÓÜZEMŰ FESZÜLTSÉGSTABILIZÁTOROK Órajel geerátor Hibajel Hiszterézises billeőkör (Schmitt-- Triaper) Impulzus szélesség modulátor. ábra u. ábra Vezérlő impulzussorozat Hibajel Hiszterézises billeőkör (Schmitt- Trigger) Y Bisfabil multivibrátor. 2. ábra Vezérlő -impulzussorozat Hibajel o' \HiS-RHQ\ \H8-RRl] r\ Trlbá. Trlbázisat j ~ove. vezérlő Jel. j rí/ es kapuk Tr2 bázisát^ vezérlő \HB -RRfí\ jellel idított moostabil multiyibrátor, ahol az időzítő elektróda áramát változtatjuk a hibajellel aráyosa. Más módszer: az órajelből fűrész- vagy háromszögjelet hozuk létre és ezt vezetjük egy komparátor bemeetére. A komparálási szitet a hibajellel állítjuk be. Valamivel egyszerűbb felépítésű, de a működési frekvecia stabilitása szempotjából léyegese kedvezőtleebb és egyéb problémákat is felvető elredezést mutat a. ábra. Itt tulajdoképpe a hibajel szűrés utá is megmaradó váltókompoese segítségével hozuk létre örezgő kapcsolást. A frekvecia a Schmitt-trigger hiszterézisétől, a tápfeszültségtől, a teljesítméyszűrő elemek értékétől stb. függ. Az áramkör külö órageerátort természetese em igéyel. Egyedül az E" kapcsolásál em alkalmazható közvetleül a feti két megoldás valamelyike, mivel az elleütemű elredezés legfeljebb,5-ös kitöltésű meghajtójel eseté működik megfelelőe. Az örezgő változat vezérlőköre eél a 2. ábra szerit alakulhat. Hasolóa épül fel a külső jellel vezérelt meghajtóegység is. Értékelés A bemutatott alapkapcsolások közül az A", B" és C" típus kimeő és bemeő oldalai között egyeáramú csatolás va, a D" és E" áramkörél viszot lehetőség yílik a két oldal elválasztására. Mivel a hálózati tápegységekél a galvaikus elválasztás általába előírás, eze a területe e két utóbbi áramkör elterjedése várható. A többi kapcsolás alkalmazása elsősorba ott tűik előyösek, ahol csak egyetle közpoti eergiaellátó egység áll redelkezésre (pl. egy akkumulátortelep) és eek feszültségét kell az eredeti szitél kisebb vagy agyobb értéke (esetleg elletétes polaritással) stabilizáli. Ekkor a felsorolt áramkörök adják a legegyszerűbb, leggazdaságosabb megoldást. A stabilizálási tulajdoságok típusokét változak. A szabályozási jóság (defiíciószerűe S=d /du, az / =álladó feltétel mellett) az A" és az E" esetbe a legjobb (itt a visszacsatolás hatását em vizsgáltuk). A kimeő elleállás (R ki = du /di, ha = álladó) a B" C" és D" áramkörél agymértékbe függ a kitöltési téyezőtől,, k->-l eseté R kr. Ezekél az áramkörökél a hatásfok is erőteljese csökke k övelésével. Mivel fukcioálisa midhárom típus helyettesíthető az E" változattal, szigorúbb előírások eseté ez utóbbi alkalmazása látszik célszerűek. Természetese ez a vezérlő egység boyolultsági fokát, a teljesítméykapcsolók és az alkalmazott reaktás elemek számát tekitve hátráyosabb megoldás. IRODALOM A témával foglalkozó köyvek, folyóiratok száma ige agy. Az utóbbi 5 évbe megjelet szakirodalomból válogattuk (a teljesség igéye élkül) a tárgyalt területtel mélyebbe foglalkozi kíváó olvasó számára az alábbiakat. Köyvek [I] Alekszadrov, F. I.; A. R. Szivakov: Impulszüe polupro) vodyikovüe preobrazovatyeli i sztabilizatorü posztojaovo aprjazseyija. Eergia 97. [2] Hatek, E. R.: Desig of Solid-State Power Supplies. Va Nostrad Reihold Gompay 97. Folyóirat cikkek [3] Kossov, O. A.: Gomparative Aalysis of Ghopper Voltage Regulators with LG Filter. IEEE Tr. o Magetics, 968. december. [4] Sasoe, V.; F. Gatti: A New Supply Circuit for Solid State TV without Mais Trasformer ATES Techical Note Nr.: NTS353, 969. [5] Alekszadrov, F. I.; A. R. Szivakov: Diamicseszkije karaktyerisztiki sztabilizatorov posztojaovo aprjazseija sz siroto-impulszüm regulirovayijem. Elektricsesztvo, 97. No.. [6] Michelet, R. W.; M. Parete: A Stadard Digital Cotrol Modulé for Two-Trasistor Pulsewidth Modulated Coverters. IEEE Tr. o Id. Electroics ad Cot. Ist. 97. május. [7] Galsz, B. K.: Oszovüe szootoseyija dija raszcsota iduktyivüh tokoograyicsityelüh elemetov kljucsevüh sztabilizatorov posztojaovo aprjazseyija. Rádiótechika, 97. o. 7. [8] Kitajev, V. E.; B. V. Gorbacsev; Sztabilizator posztojaovo aprjazseija sz yeprerüvüm i impulszüm regulirovayiem. Rádiótechika, 97. o. 8. [9] Heath, F.: The Switchig Regulator Power Supply. Electroics World, 97. október. [] Judd, F. F.; Chi-Tsog Cheri: Aalysis ad Optimál Desig of Selí-Oscillatig DG-to-DG coverters. IEEE Tr. o Circuit Theory, 97. ovember. [II] Hartiga, P.: A Pulsewidth-Modulated dc-to-dc Goverter that Utilizes a Small Number of Gompoets. IEEE Tr. o Aerospace ad Electroic Systems, 972. jauár. [2] Billigsley, S. W.; J. Schlageter: Two switchig regulators for battery-powered systems. EDN/EEE, 972. február 5. [3] Judd, F. F.; J. M. Lieberma; H. Wilharí: Self-Oscillatig Regulated Covertor. Electroics Letters, 972. április 6. [4] Capel, A.: New Cotrol Techique i dc/dc Regulators for Space Applicatios. IEEE Tr. o Aerospace ad Electroic Systems, 972. július. [5] Maytum, M.: Chopper power supplies usig BUY 68/7 high voltage power trasistors. New Electroics, 972. szeptember 9. 77