Villanyszerelők Lapja

Mikroelektronika a villamossági eszközökben VII.

Gyakorlati áramkörök II.

2014. december 10. | Porempovics József |  3024 | |

Az alábbi tartalom archív, 6 éve frissült utoljára. A cikkben szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).

A villamossági vezérlő- és szabályzóeszközök (időrelék, dimmerek, alkonykapcsolók stb.) elektronikáinak többségében már kevés olyan integrált áramkör (IC) található, ami egy vagy csak néhány funkcióval rendelkezik. Kivételek lehetnek ez alól a tápfeszültségek biztosítására szolgáló alkatrészek, mint pl. a feszültségstabilizátorok vagy a feszültségcsökkentők. Az eszközök funkcióit szinte minden esetben mikrovezérlő irányítja, így az úgynevezett diszkrét IC-ket legfeljebb a be- és kimeneti jelek illesztésére kell „bevetni” a fejlesztéskor, hogy a mikrovezérlő által is feldolgozható formában és jelszinten legyenek.

Az 1. ábrán egy mikroelektronikai alkatrészekkel felépített villamossági eszköz általános blokkvázlata látható. Így néz ki vázlatosan „belülről” az a dobozka, DIN-sínre pattintható modul, amit szinte naponta kézbe vesznek, beépítenek a villamossági szakemberek. A következőkben sorra vesszük az egyes áramköri részek funkcióit, feladatait, illetve kitérünk azok elektronikai megoldásainak bemutatására is. A cikksorozat célját megtartva az egyes megoldások továbbra is csak abban a mélységben lesznek tárgyalva, ami elegendő ahhoz, hogy az ilyen típusú eszközök alkalmazását, használatát elősegítse.

Altalános blokkvázlata. A villamossági vezérlő- és szabályozóeszközök 
elektronikai felépítésének blokkvázlatából jól látható, hogy a működés irányítását egy központi vezérlő, általában mikrovezérlő végzi, ami egyszerűbb áramköri konstrukciót, nagyobb megbízhatóságot és sokrétű funkcionalitást biztosít, kedvező ár/érték arány mellett.

A különböző eszközöket a gyártók az adott típusra jellemző tápfeszültséggel kínálják, melyet az eszközválasztásnál érdemes ellenőrizni, ha az igényelt funkcióra kiválasztott eszközből többféle tápfeszültségű is kapható, és a típuskód nem tartalmaz tápfeszültségre vonatkozó kódrészt. A rendelésnél tehát az utóbbi esetben meg kell adni, milyen tápfeszültséggel kérjük az eszközt, különben valószínű, hogy UNI táposat kapunk, ha van a rendelt típusból olyan – mert az „mindenhol” jó, de lehet, hogy pl. drágább.

Az eszközök többsége külön tápfeszültség- csatlakozással rendelkezik, de vannak eszközök, pl. a feszültségfigyelők, fázissorrend-figyelők stb., melyek egyes típusainál nincs külön tápfeszültség-csatlakozó, ezek a figyelt hálózatról kapják a tápfeszültséget is. Ha a nulla is figyelt, akkor a tápfeszültség pl. a nulla és valamelyik fázis közötti potenciál, ha nincs nulla-figyelés, akkor általában bármelyik két fázis adja a belső áramkörök tápellátását. Természetesen ezeknél az eszközöknél is szükséges a belső áramkörök tápfeszültséggel történő ellátása. A modulok belső tápegységeinek egyik általános blokkvázlatát a 2. ábra mutatja.

A modulok belső tápegységeinek 
egyik általános blokkvázlata. A modulok belső elektronikáinak táp-ellátásához szükséges egyenáramú törpefeszültségeket (12, 5, 3,3 V) általában a 
váltakozó áramú 230 V-os hálózatból kell 
előállítania a belső tápegységnek.

A tápellátó áramkörök első blokkja a védelmi alkatrészeket tartalmazza. A védelem kiterjed többek között a túlfeszültség és túláram vagy rövidzárlat elleni védelemre, illetve egyenáramú tápbemeneteknél beépíthetnek polaritás felcserélése elleni védelmet is, amennyiben nem diódahíd (Graetz-híd) a bemenet.

A tranziens túlfeszültség elleni eszközoldali védelem kialakításának lehetőségei közül jellemzően a varisztorok alkalmazása élvez előnyt. Használatos még esetleg a szupresszor dióda, viszont nem jellemző ezekben az eszközökben a szikraköz használata. A megfelelő értékű varisztort vagy szupresszor diódát egyszerűen párhuzamosan kötik a fázis-nulla bekötésére szolgáló csatlakozók nyomtatott áramkörön kialakított forrasztási pontjaival (230 V AC betáplálásnál). A 3. ábrán egy időrelé 230 V AC bekötésére szolgáló sorkapcsa mellett látható a kék színű „tárcsa” kivitelű varisztor, mellette az áramköri bekötése. A varisztor, ha két kivezetésére a névleges feszültsége (pl. 270 V) alatti feszültséget kapja, akkor állandó, nagy ellenállást mutat (mintha ott se lenne). A névleges feletti feszültségre elkezd az ellenállása csökkenni, ezzel természetesen a rajta átfolyó áram növekedni. Amikor a feszültség eléri a küszöbszintjét, akkor drasztikusan csökken az ellenállása, így a rajta átfolyó áram is. Ez a nem lineáris ellenállás jellegű működés teszi alkal-massá a tranziens túlfeszültségek levezetésére. Persze nem képes tartósan elviselni a túlfeszültséget (ezredmásodperc) és a nagy áram miatti melegedést – nem is azért van beépítve –, ezért szélsőséges esetben akár át is üthet, vagy át is éghet. A varisztor egy viszonylag olcsó alkatrész, ennek ellenére nincs beépítve a gyengébb minőségű eszközökbe (így még olcsóbb…).

A túláram, illetve a rövidzárlat elleni védelmet legegyszerűbben olvadóbiztosítókkal lehet megoldani, melyek hátránya, hogy cserélni kell, ha kiolvadt (és szerencsénk van, ha „megúszta” az eszköz). Egyszerű alkalmazhatósága miatt mégsem jellemző a használata a moduláris eszközökben, aminek egyik oka lehet, hogy ezekben az eszközökben a gyári összeszerelés is az egyik biztosítéka a minőségnek, és nem üzemszerű szétszerelésre gyártják. Az az eszköz, amelyik tartalmaz olvadóbiztosítót (pl. üvegbetétet), általában el van látva kívülről, szétszedés nélkül hozzáférhető biztosítéktartóval, ami lehetővé teszi az egyszerű és gyors cserét. A védelemre sokszor megfelelően méretezett, sorosan bekötött teljesítmény-ellenállást használnak, melyet nagyon kis ellenállásra méreteznek, így nem befolyásolja az áramkör további tápfeszültség-ellátását, vagyis nem esik rajta jelentős feszültség. Ha a teljesítmény határainál nagyobb áram folyik át rajta, akkor egy rövid ideig megpróbálja hővé alakítani, disszipálni, tartósabb áramra pedig meg is szakad az ellenállás. A helyzet itt sem jobb, mint az olvadóbiztosítónál, ha elszakadt, akkor elvileg cserélni kellene, viszont számolnunk kell azzal a ténnyel, hogy valami okozta a túláramot vagy rövidzárlatot, és ez a valami valószínűleg az áramkör valamelyik alkatrésze, így az esetleges javítást elektronikai szakemberre kell bízni. Ha szerencsénk van, és garanciális az eszköz, és belefér a garancia feltételeibe, akkor érdemesebb cseréltetni.

További egyszerű áramvédelemként előfordul, hogy a nyomtatott áramköri lemezen a tápvezeték rézfóliájának vékonyításával tulajdonképpen olvadóbiztosítót készítenek. Profibb szintű áramvédelemnek tekinthető a PolySwitch elnevezésű polimer PTC termisztor, mely áramtüskék és túlmelegedés ellen is védelmet nyújthat. A PolySwitch sorba kapcsolódik az áramkörrel, viszont alapellenállása annyira kicsi az áramkör impedanciájához képest, hogy nem ejt számottevő feszültséget, így nem befolyásolja a további áramkörök tápellátását. Nagyobb áram hatására melegedik, és emelkedik a hőmérséklete, így ellenállása is növekszik, amíg elér egy olyan értéket, amelynél már nem lesz elegendő feszültség az áramkörök működéséhez, így azok lekapcsolnak. Nagy előnye, hogy nem kell cserélni, mert lehűlés után alaphelyzetbe kerül. Sajnos itt is fennáll, hogy valami okozta a nagyobb áramot, így a hiba elhárításáig le kell kapcsolni az eszközt a hálózatról. Az áramvédelmek néhány alkatrésze, megoldása a 4. ábrán látható.

A tápellátás következő fokozata az egyenirányítás és a feszültségcsökkentés. A legegyszerűbb megoldásban a kettő egy áramköri kapcsolásban valósul meg, amikor az egyenirányítást egy dióda, a feszültségcsökkentést pedig ellenállás és kondenzátor végzi egy Zener diódával, ahol a Zener dióda feladata még a feszültség stabilizálása is a diódára jellemző úgynevezett letörési feszültségre, így a 2. ábrán szereplő harmadik feszültségstabilizálás is megvalósul. Az 5. ábra LED diódák meghajtására mutat áramköri példákat.

Az áramkörök bemenetein lévő teljesítmény- ellenállások a bekapcsolási feszültséglökés ellen védik az áramkört, ugyanis a kondenzátor még nincs feltöltődve, töltőárama a feszültség rákapcsolódásakor túlságosan nagy impulzust eredményezne. A sorba kötött kondenzátorok töltik be az áramkorlátozó szerepét, mint váltakozó áramú impedanciák. Ezeknek a kondenzátoroknak minimum a hálózati feszültséget el kell viselniük, de nem árt túlméretezni. Az egyenirányítást diódák végzik, az első megoldásban egyutas, együtemű, a másodiknál Graetz hídba kötött diódákkal kétutas, kétütemű egyenirányítással. A Zener diódák mindkét esetben a kimeneti feszültség stabilizálásáért felelősek, míg az elektrolit kondenzátorok simítják a pulzáló egyenfeszültséget. A LED-ekkel sorba kötött ellenállások a LED-ek áramát állítják be (5 mm-es LED-nél ez 5-20 mA között mozoghat). Az áramkör galvanikus kapcsolatban van a hálózati feszültséggel!

A LED helyett más áramkör is működhet a kis tápegység áramhatárain belül, így akár moduláris villamossági eszköz is, de számolni kell a soros teljesítmény-ellenállás jelentős melegedésével, későbbi öregedésével, valamint az egész tápegység nagyon rossz (akár <0,5) teljesítménytényezőjével, éppen ezért nagyon ritka már az ilyen tápegységgel felépített áramkör a moduláris villamossági eszközök között is. A hagyományos, hálózati transzformátoros tápegységek is nagyon ritkán kerülnek a villamossági vezérlőeszközökbe, főleg méretük és áruk miatt, de a hatásfok szintén szempont.

A leggyakrabban előforduló tápegység-megoldás az úgynevezett „Buck” konverteres tápegység, mely csak olyan vezérlő- vagy szabályozóeszközben fordul elő, ahol nem jelent gondot a galvanikus kapcsolat, ugyanis ezek a tápegységek nem biztosítanak leválasztást az eszköz hálózati feszültségétől. A bemenetek szempontjából ez nem is annyira érdekes, hiszen legtöbbször ott sincs leválasztás, pl. ha egy időrelé „S” indító bemenete az egyik tápfeszültség-csatlakozóra kötött potenciálról működik. Kimenetek szempontjából sem gond, ha potenciálmentes relé-kontaktusok vannak (és nincs összekötve a modulon belül a betáppal – nem szerencsés, de van ilyen is!). Az érzékelők szempontjából viszont már érdekes lehet, hiszen ilyen modulok kaphatók külső hőmérsékletérzékelős termosztát funkcióval vagy éppen folyadékszint-szabályozóként, ahol a szondák leválasztása szinte kötelező (pl. medence vízszintszabályozása). Érdemes tehát az adott termék adatlapjáról tájékozódni, megfelel-e a telepítendő funkcióhoz. A buck konverter működését a 6. ábra szemlélteti.

A buck konverteres kapcsolóüzemű tápegység működése leegyszerűsítve a következő: a védelmi és egyenirányító áramkörök után egy teljesítménykapcsoló félvezető – jellemzően FET tranzisztor – kapcsolgatja a bemeneti feszültséget egy kondenzátorra, ami folyamatosan töltődik és kisül a terhelésnek megfelelően. A FET tranzisztor kapcsolgatása nagyfrekvenciás impulzusszélesség-modulált jellel történik, de szabályozottan. A kimeneti feszültség összehasonlításra kerül egy előre definiált referenciafeszültséggel, és a különbözeti feszültséggel arányosan változik a FET kapcsolgatásának impulzusszélessége, ezáltal a kondenzátorra jutó feszültség nagyságával is, aminek következtében egy szabályozott feszültséget kap a következő fokozat, vagyis a feszültségstabilizátor bemenete is. Ez a viszonylag egyszerű áramköri megoldás jó hatásfokkal és viszonylag kedvező költséggel biztosítja egy moduláris eszköz tápellátását. Mivel a FET nem vezet állandóan, ezért nem is melegszik, így általában hűtőborda nélkül találjuk meg az eszköz nyomtatott áramköri lapján.

Egy konkrét áramkört és a galvanikusan leválasztott kapcsolóüzemű tápegységet a következő cikkben mutatnak be.


Kérjük, szánjon pár pillanatot a cikk értékelésére. Visszajelzése segít a lap és a honlap javításában.

Hasznos volt az ön számára a cikk?

 Igen

 Nem