Villanyszerelők Lapja

Világítástechnika

Mikroelektronika a villamossági eszközökben VIII. - a Buck konverter

2015. február 11. | Porempovics József |  3496 | |

Folytatva a villamossági moduláris elektronikai eszközökben található tápegység-megoldások közötti szemezgetést, jelen cikkben bemutatunk néhány kapcsolást, elvi megoldást a galvanikusan leválasztott és le nem választott tápegység- áramkörökre és a hozzájuk tartozó feszültségstabilizálásra.

A bemutatott kapcsolások nem alkalmasak a kapcsolási rajzok alapján történő megépítésre. Továbbra sem az utánépítéshez kívánunk kapcsolási rajzot és leírást nyújtani, inkább szeretnénk a mikroelektronikai jellemzők ismertetésével használható segítséget, támpontot adni az eszközök kiválasztásához, alkalmazásához, illetve az esetleges hibakereséshez.

A moduláris villamossági vezérlő- és szabályzóeszközök többsége a 230 V-os váltakozó áramú hálózatról kapja a tápellátását, de belső áramköreik törpefeszültségek, melyek a mai korszerű mikrovezérlőknél akár 3,3 V vagy ennél is alacsonyabb stabilizált egyenfeszültséget jelent. A belső áramkörök működéséhez szükséges egyenáramú törpefeszültségeket tehát általában a nagyságrendekkel nagyobb és más jellegű 230 V-os váltakozó feszültségből kell biztonságosan előállítani. Első megoldásként a hálózati transzformátor használata lenne a kézenfekvő, de megfogva pl. egy 1-modulos eszközt, a súlya alapján nem gondolhatjuk, hogy transzformátort tartalmaz. A vasmagos, tekercselt transzformátor méretei miatt sem férne el (bár léteznek kisméretűek is), de árnövelő hatása mellett hatásfoka is rosszabb a korszerű kapcsolóüzemű megoldásokénál. A biztonsági transzformátor ugyan megoldaná a hálózati feszültségtől történő galvanikus leválasztást is, de több konstrukció létezik kapcsolóüzemű tápegység formájában is, ahol szintén megoldott a leválasztás.

A 2. ábra „A” részén a buck konverter egyik alapkapcsolása látható, melyhez hozzáfűzendő, hogy a buck konvertereket általában nem ebben az alapkapcsolásban találjuk a leírásokban. Jellemzően a MOSFET tranzisztor és az induktivitás a DC feszültség pozitív ágában található, ebben a konkrét és elvi kapcsolásban ez fordítva van. Természetesen a dióda és az elektrolit kondenzátor is fordított polaritású.

A belső áramkörök betáplálástól történő galvanikus leválasztására nincs szükség minden alkalmazásnál, hiszen egy potenciál-független relékimenettel rendelkező időrelénél a kimeneti kontaktusok a relé konstrukciója miatt eleve rendelkeznek elválasztással (hacsak a gyártó nem kötötte össze a modulon belül a kimeneti relé egyik kontaktusát a betáp egyik pontjával – de ez így már nem potenciál-független kimenet!). Az időrelét indító START bemenetek a legtöbb eszközben szintén nincsenek leválasztva. Az ilyen bemeneteket ennek megfelelően kell használni. Sok esetben – pl. gépeknél – a vezérlési folyamat részeként van bekötve, tehát zárt rendszert alkot a gép egyéb vezérlésével, így a galvanikus kapcsolat jól kezelhető. Ha mégis leválasztott START bemenetre lenne szükség, akkor az optikai csatolóval gyártott verziók állnak rendelkezésre.

Galvanikusan leválasztott tápegység és áramkör azokban a vezérlőkben, szabályozókban indokolt és szinte kötelező is, ahol az elektronikai áramkörök külső érzékelők, szondák jeleit fogadják és dolgozzák fel. Ilyenek lehetnek a hőmérséklet-szabályozók, melyekhez külső érzékelőt kell csatlakoztatni, vagy pl. a kontaktszondákkal működő, konduktív jellegű folyadékszint-szabályozók. Nem lenne szerencsés fürdőmedence folyadékszint-szabályozásához leválasztás nélküli eszközt, szondát használni. Megjegyzem, előfordulnak hasonló eszközök leválasztás nélkül is.

A cikk elején említett 230 V-os betáplálás mellett a villamossági piacon közkedveltek az univerzális tápfeszültséggel működtethető moduláris eszközök. Az UNI vagy más megjelöléssel ellátott eszközök tápfeszültsége a legtöbb gyártónál AC vagy DC működtetési lehetőséget jelent, széles feszültségtartományban, ráadásul ezt ugyanazon két tápfeszültség-csatlakozási pontra (pl. A1 – A2) kötve kezeli az eszköz, tehát nincs külön sorkapocs a kisebb feszültségek részére. A legelterjedtebb ilyen univerzális tápfeszültség-tartomány az AC/DC 12-240 V közötti értékekkel csatlakoztatható, ami már kellemesen széles ahhoz, hogy sokszínűen felhasználható legyen, így az ilyen UNI tápos eszköz üzemelhet akkumulátoros és törpefeszültségű rendszerekben, vegyi üzemek 220 V-os DC hálózatáról éppúgy, mint a szokásos 230 V AC hálózatról. Ennyire azért nem egyértelműek a különböző gyártók univerzális tápfeszültség-jelölései, előfordulhat UNI-nak nevezett eszköz pl. AC 24-240 V és DC 24 V tápfeszültséggel vagy más értékekkel – kiválasztáskor érdemes erre is figyelni.

Felmerülhet a kérdés, hogyan lehetséges ekkora feszültségtartományt kezelni képes tápegységet készíteni. Nyilván a transzformátoros megoldások itt sem jöhetnek szóba – már a DC betáplálás miatt sem. A megoldást itt is a kapcsolóüzemű tápegységek adják. Az 1. ábra kapcsolási rajzán az előző cikkben említett buck (feszültségcsökkentő) konverter egyik konkrét megvalósítása látható, mint tényleges univerzális tápegység. Az áramköri elemek konkrét típusai, értékei a működés megértése szempontjából nem annyira fontosak. Fontos viszont, hogy a tápegységek nem nagy áramok leadására készülnek, elegendő, ha képesek árammal ellátni a mikrovezérlőt és néhány járulékos áramkört, valamint pl. egy kimeneti relé tekercsét. Ez utóbbi a legnagyobb fogyasztó az áramkörben, hiszen a mikrovezérlő akár nano amperekkel is képes működni.

A kapcsolás alapvetően AC és DC oldalra választható. A Graetz-híd AC oldalán LC zavarszűrőt és a pillanatnyi túlfeszültség-védelemre egy varisztor találunk. A DC oldalon a „Q1” jelű MOSFET tranzisztor látja el kapcsolóelem szerepét, ennek a tranzisztornak a periodikus, nagyfrekvenciás PWM (impulzusszélesség-modulált) jellel történő nyitása és zárása adja a működés alapjait, ezért nevezzük tulajdonképpen kapcsolóüzeműnek. A kimeneti törpefeszültség előállítása szempontjából a Q1 tranzisztor mellett a D1 diódának, az L2 induktivitásnak (tekercsnek) és a C2 kondenzátornak van közvetlen szerepe. A MOSFET tranzisztor „G” vezérlő elektródájára kapcsolódó további alkatrészek az indítási stabilitást és a PWM vezérlést illesztik.

A 2. ábra „A” részén a buck konverter egyik alapkapcsolása látható, melyhez hozzáfűzendő, hogy a buck konvertereket általában nem ebben az alapkapcsolásban találjuk a leírásokban. Jellemzően a MOSFET tranzisztor és az induktivitás a DC feszültség pozitív ágában található, ebben a konkrét és elvi kapcsolásban ez fordítva van. Természetesen a dióda és az elektrolit kondenzátor is fordított polaritású.

Az „A” ábrarészben található „K” kapcsoló az 1. ábra „Q1” tranzisztorának helyettesítője, melyet a PWM vezérlő kapcsolgat be-ki. A kapcsolgatás szabályozottan történik. A kimeneti feszültségtől függően változik a kapcsolgatást végző impulzus szélessége, vagyis a be- és kikapcsolások aránya, mégpedig úgy, hogy a kimeneti feszültség mindig a megfelelő, előre beállított szinten maradjon. A kimeneti feszültség előállítását tehát a „Q1” tranzisztor két állapota adja a következők szerint:

1/B. ábra: A kapcsoló zárt állapotában (értsd Q1 tranzisztor nyitott, tehát vezet) a bemeneti DC feszültség hatására az „L” tekercsben áram indul meg, mely tölti a „C” kondenzátort, és a fogyasztónak is tápfeszültséget biztosít. A „D” dióda ekkor nem kap nyitóirányú feszültséget, ezért zárt marad – ezt jelzi a szakadásjel az ábrán.

1/C. ábra: A kapcsoló nyitásakor (Q1 zár, tehát nem vezet) a tekercs és a kondenzátor nélkül nem kapna elegendő tápfeszültséget a táplálandó áramkör. Mivel a kapcsoló zárásakor feltöltődtek, így a kapcsoló nyitott állapotának időtartamára elegendő feszültséget tudnak leadni a fogyasztó felé. Az áram bontására az induktivitásban indukált feszültség, illetve a tekercs önindukciója nyitja a „D” diódát, tehát a dióda vezetni fog – ezt jelzi a dióda helyén lévő vastagabb vezetékezés. Az áramkör így a tekercs–dióda–kondezátor körben záródik, a kondenzátor kapcsairól a fogyasztó is megkapja a tápfeszültséget.

A be- és kikapcsolások nagyfrekvenciával történő folytonos ismétlése így állandó tápellátást biztosít a további áramköröknek. A kapcsolgatást vezérlő PWM jel frekvenciája alkalmazásfüggő, de akár 100-400 kHZ is lehet.

A „Q1” tranzisztort tehát szabályozottan kell kapcsolgatni. A szabályozás alapjele a kívánt kimeneti feszültség, ehhez igazodnak az áramkör alkatrészeinek értékei. A szabályozás ellenőrző jele (lehet hibajelnek, referenciának is nevezni) a kimeneti feszültségből általában egyszerű ellenállásosztóval leosztott feszültségjel, melyet egy jelfeldolgozó áramkör használ fel a PWM jel kitöltési tényezőjének módosítására. A módosítás mindig olyan irányú, hogy a kimeneti feszültséget az előre definiált értéken tartja. Az 1. ábrán a PWM jelet egy optikai csatoló illeszti a kapcsoló áramkörhöz, melynek primer, infradiódás oldalát vezérli a jelfeldolgozó áramkör, mely lehet akár maga a mikrovezérlő is, melyet a saját maga által szabályozott tápegység lát el a működéséhez szükséges tápfeszültséggel. Ez egy következő cikk témája lesz. A PWM jel be- és kikapcsolási időtartamait egy univerzális tápegységben elég széles tartományban kell tudni szabályozni, hogy pl. DC 12 V-on vagy AC 230 V-on is ugyanazt a kimeneti feszültséget szolgáltassa a belső áramköröknek.

A fentiekben egy galvanikusan nem leválasztott tápegységről volt szó, melyre nagyon sok más megoldás is létezik, szintén kapcsolóüzemű technikával. A galvanikusan leválasztott kapcsolóüzemű tápegységeknek is számos változata ismert, erre kapcsolástechnikai szinten nem térünk ki. Az ilyen tápegységeknél a galvanikus leválasztás nagyfrekvenciás transzformátorral történik – tulajdonképpen az 1. ábra kapcsolása is átalakítható lehetne, ha pl. az „L” induktivitás, tekercs egy 1:1 áttételű transzformátor szekunder tekercse lenne, és a „Q1” tranzisztor a primer tekercsoldalt szaggatná a PWM jellel, az optikai csatoló is megfelelő leválasztást biztosítana a vezérlés számára. A felhasznált nagyfrekvenciás transzformátorok viszonylag kis méretűek, és nem túl nagy áramok leadására készültek, de a táplálandó áramkörök se nagy áramfogyasztásúak.

A buck konverter kimenete nem minden belső áramköri rész számára szolgáltat közvetlenül használható, megfelelő értékű és stabilitású feszültséget. Külön kell belső feszültség a relék meghúzásához, külön a mikrovezérlőnek, esetleg külön a jelformáló alkatrészeknek. A további feszültségek előállításához többféle stabilizátoros megoldás létezik, ebből mutat be néhányat a 3. ábra. A legegyszerűbb zener diódás áramkör elsősorban kis áramú, a tápfeszültségre kevésbé érzékeny áramkörökhöz alkalmas. Az áteresztő tranzisztoros megoldás nagyobb áramokhoz is használható. Gyors és viszonylag precíz működésűek a stabilizátor IC-k – két kondenzátor, és kész a tápegység (a bemeneti feszültség tartománya mindegyik kapcsolásnál korlátozott). A buck konverter kimenetére kötve bármelyik kapcsolás alkalmazható a belső áramkörök ellátására. A stabilizátorok között is megtalálhatók a legkorszerűbb kapcsolóüzemű eszközök, melyekkel a nagyon igényes áramkörök is biztonsággal megtáplálhatók.

A következő szám témája a modern moduláris villamossági eszközök „lelke”, a mikrovezérlő lesz.


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

Hasznos volt az ön számára a cikk?

 Igen

 Nem