Skori Weblapja - Rezonáns kapcsolóüzemû tápegység I.

Rezonáns kapcsolóüzemû tápegység
röv: Rezonáns tápegység
A kapcsolóüzemû tápegységek egyik fajtája az úgynevezett rezonáns tápegység. Nos, mit takar ez a kifejezés, miben különbözik egy normál kapcsolóüzemû tápegységtõl, és mire jó egy ilyen táp? Errõl szól ez az oldal.
Az alapötlet: fogunk egy hagyományos félhidas tápegységet, azonban a félhíd kimenetérõl egy soros rezgõkörön keresztül visszük el az áramot, és erre kapcsolódik a terhelés. Miért jó ez? Amennyiben a táp üzemi frekvenciása megegyezik a soros L-C tag rezonancia frekvenciájával, akkor a körben közel szinusz alakú áram fog folyni, és a kapcsolóeszköz (fet) ennek a szinuszhullámnak a nullaátmeneténél fog kapcsolni. Mivel a félvezetõ eszközünk közel nulla áram mellett kapcsol át, a kapcsolási vesztesége is nagyon kicsi lesz! Tehát egy ilyen tápban a fetek veszteségét egyszerûen az átfolyó áram effektív értéke (szinusz) és a fetek vezetési (Rdson) ellenállása alapján jó közelítéssel meg lehet határozni. Megfelelõen megválasztott kapcsolástechnika és alkatrészek esetén a veszteséget nagyon kicsire le lehet szorítani - és ennek megfelelõen nagyon jó hatásfokú tápegységet lehet építeni.

A fenti kapcsolás ezt az elvet szemlélteti. A kapcsolásba nem kell beépíteni szekunder oldali (fojtó) tekercset sem, a szinuszos hullámformájú áram miatt, illetve emiatt az áramkör által keltett zavar kisebb, mint egy normál kapcsolóüzemû táp esetén. A kapcsolást kicsit átrendezve megspórolhatjuk a félhíd kondenzátorait is, (illetve ennek a megoldásnak más elõnyei is lesznek):

A fenti elvvel az a probléma, hogy bekapcsoláskor a kimeneten levõ elkó (ami ekkor még nincs feltöltõdve) nagyon nagy töltõáramot vehet fel, amit lényegében semmi sem korlátoz. Ugyanis a soros induktivitás "ki van hangolva" a rezonáns kondikkal. Azonban ha a rezonáns elemeken kialakuló feszültséget korlátozzuk, akkor az áramerõsség sem növekedhet egy bizonyos érték fölé. A legegyszerûbb megoldás a kondenzátorok feszültségének korlátozása az alábbi kapcsolásnak megfelelõen:

Ezzel a megoldással a rezonáns kondenzátorok közös pontján a feszültséget nem engedjük a tápfeszültségnél nagyobb értékûre növekedni (emiatt a rezonáns induktivitás feszültsége sem növekedhet tetszõlegesen nagyra) tehát az átfolyó áram sem növekedhet korlátlanul. Természetesen ebben az üzemállapotban a szinuszhullám torzul, és a táp nem pont a nullaátmenetnél kapcsol, azonban ahogy a terhelõ áram a névleges értékûre csökken, visszaáll a rezonáns mûködés. Megfelelõ méretezéssel elérhetõ, hogy a tápegység kimenõ feszültsége a névleges terhelés eléréséig alig csökken, de ugyanakkor a névlegesnél nagyobb terhelés esetén korlátoz, és rövid ideig elviseli a kimeneti rövidzárlatot is. Az áramkör egy mezei lomha kioldású olvadóbiztivel hatékonyan megvédhetõ. Nézzük a következõ rajzot:

Félreértés ne essék: elvben semmiképp sem lehet lehagyni a soros induktivitást, azonban ha úgy készítjük el a transzformátor tekercseit, hogy azok között laza csatolás legyen, akkor a soros rezonáns induktivitást kiválthatjuk a trafó szórási induktivitásával. A rajzot jobban megnézve feltûnik, hogy szinte ugyanúgy néz ki, mint egy primitívebb kapcsolóüzemû táp (D1, D2-tõl eltekintve). Valóban... az egésznek a kulcsa a megfelelõ méretezés.
Ezek után (ha az elvet sikerült megérteni) nézzük a kialakuló hullámformákat:

Ennek a táp megoldásnak számos elõnye mellett vannak hátrányos tulajdonságai is. Nézzük:

A tápegység hátrányos tulajdonságai:

A táp kimenõ feszültsége nem stabilizált. Csak olyan készülékekhez jó, amik ezt nem igénylik (pl. erõsítõ végfok), vagy további stabilizátor kell.
Mivel a félhíd árama szinuszos a kimenõ DC áram ennek az abszolút középértékével arányos, azonban a feteket ennek a csúcsértéke terheli, kimeneti rövidzár esetén pedig ennek közel a kétszerese. Tehát pl. 10A-es fettel max 500W körüli teljesítményre lehet hálózati tápot építeni, de a vezetési veszteség kis értéken tartása érdekében a gyakorlatban ennél kisebb teljesítményre érdemes használni. Nagyobb teljesítményekhez jóval nagyobb áramú, és kisebb vezetési ellenállású (Rdson) fetet érdemes választani.
A szórótrafóra célszerû litze huzalt használni a jó hatásfok érdekében (ez drága), illetve a trafó nagyobb méretû adott teljesítményhez, mint egy hagyományos tápban.
A szinuszos áram miatt a vezetési veszteség kb. 30%-al több mint egy normál tápban (de a kapcsolási veszteség miatt ez bõven "megtérül")
A kimeneti szûrõelkón jelentõs nagyságú AC áramkomponens folyik, ezért sokkal nagyobb az igénybevétele, mint egy L-C szûrõs kimenetû kapcsolóüzemû tápegységben. Kis belsõ ellenállású elkót kell használni a melegedés elkerülése érdekében.

A tápegység elõnyös tulajdonságai:

Jó hatásfok: Minimális kapcsolási veszteséggel tud üzemelni, az alkatrészek megfelelõ megválasztásával a vezetési veszteség tetszõlegesen lecsökkenthetõ. Akár a kW-os tartományra is építhetõ olyan táp, amelyben a kapcsolófetek hûtõborda nélkül is képesek üzemelni!
Jól tûri a túlterhelést és emiatt nagyon üzembiztos.
Kibírja a kimenetének rövidre zárását (a méretezésétõl függ, hogy mennyi ideig)
A hagyományos kapcsolóüzemû tápoknál kevesebb zavart termel.
Egyszerû felépítésû, ugyanakkor relatíve nagy teljesítményekre is alkalmazható.
Nem kell hozzá kimeneti szûrõfojtó
Az áramkörbe nem kell snubber a kimeneti diódákhoz, illetve ezek közel a névleges feszültségükig kihasználhatók

A fentieket figyelembe véve eldönthetõ, hogy milyen esetben célszerû rezonáns tápegységet alkalmazni.

Korábban említettem valahol, hogy a kapcsolási rajz közreadása kevés az utánépítéshez, a fentiek és az alábbi kapcsolási rajzot megnézve talán már érthetõ miért. Ránézésre egy mezei kapcsolóüzemû tápról van szó. Azonban...

A fenti áramkörben a transzformátor szándékosan laza csatolásúra van készítve. Ez egy olyan toroid trafó, amelyen a primer és a szekunder tekercs nem egymás felett, hanem a gyûrû két oldalán "félkörben" külön-külön helyezkedik el (litze huzal használata célszerû). Szórási induktivitása (ha jól emlékszem) 60uH körüli - ezt úgy lehet méréssel ellenõrizni, hogy a transzformátor szekunderét rövidre zárjuk - és így mérjük meg a primer induktivitását egy induktivitásmérõvel. Olyan kézimûszer használata célszerû, ami alacsony frekvenciával mér, hogy a tekercselés kapacitásai ne befolyásolják a mérést. Ehhez az induktivitáshoz kb. 2x 56nF rezonáns kondenzátor kell (így a frekvencia 61kHz-re adódik). Az Ri ellenállást célszerû egy fix és egy trimmer soros kapcsolásával megvalósítani, hogy a frekvencia beállítható legyen az L-C kör tényleges rezonancia frekvenciájára. Nagyfrekis áramváltóval érdemes megnézni a félhíd kimenõ áramát, és a szinuszhoz legjobban hasonlító hullámformát beállítani. D1 és D2 diódát csak akkor kell hûteni, ha a tápegység gyakran (vagy hosszú ideig) üzemel túlterhelési üzemállapotban. A tápegységet az IR2155 IC gyári alapkapcsolása "vezérli". T3 és a körülötte levõ alkatrészek egy source követõ típusú tápegységet valósítanak meg - ez állítja elõ a vezérlõ IC számára szükséges 12V körüli tápfeszültséget. Ha a transzformátoron elhelyezünk egy segédtekercset akkor a táp normál üzemállapotában ez átveszi az IC tápellátását a soure-követõtõl (+ R3, +GR2), így a T3 fet sem fog melegedni az áramkörben. A fenti kapcsolást megépítve (jelenleg deszkamodellként üzemel az asztalomon) kb. 500..600W kimenõ teljesítményre képes, viszonylag kicsi hûtõbordával (és 22A-es fettel), kisebb teljesítményt (kb. 300W alatt) a fetek hûtés nélkül is kibírnak. Természetesen a kimeneti diódát hûteni kell ennek a vesztesége az adott kimenõ áramtól függ. Nagy feszültség és kicsi áram esetén persze az is mehetne minimális hûtéssel (vagy anélkül). Sajnos az IR2155 IC viszonylag nagy holtidõvel dolgozik, és ugyanakkor viszonylag kicsi árammal képes a fetek gate-kapacitását feltölteni ill. kisütni. Ez azt eredményezi, hogy a tápban a fetek nem pont a nullaátmenetnél kapcsolnak át, hanem a holtidõ felével a nullaátmenet elõtt ill. után. Mivel fetmeghajtó árama sem túl sok, az korlátozza a kapcsolási sebességet is - ezért megjelenik némi kapcsolási veszteség is a feteken. (Ha ez nem így lenne akkor 600W-hoz is csak a kimeneti egyenirányító diódákat kellene hûteni). Mindezek ellenére is úgy tûnik, még mindig több elõnye van az áramkörnek, mint hátránya, és érdemes ezt a kapcsolást megépíteni.

Célszerûnek tartom ideírni, hogy kezdõknek nem javaslom az áramkör megépítését, csak azoknak, akik értik a mûködését, és megfelelõ mûszerekkel rendelkeznek (oszcilloszkóp, induktivitásmérõ, stb..) ugyanis megfelelõ beállítás nélkül az áramkör nem mûködik megfelelõen.

Nagyobb kimenõ feszültségek esetén a rezonáns kört érdemes árhelyezni a transzformátor szekunder oldalára, illetve nagyobb kimeneti feszültség esetén érdemes feszültségkétszerezõ egyenirányítót használni. Az alábbi megoldásban a rezonáns kondenzátor feszültségét a kimeneti feszültség nagyságára korlátozzák a diódák. Emiatt a kapcsolófetek rövidzárlati csúcsárama és a maximális üzemi áram csúcsértéke között alig van különbség. Ez kissé más áramkorlátozási karakterisztikát eredményez - és jobban tûri a túlterhelést is. A konkrét faladattól függ mikor elõnyösebb a rezonáns tápegység ilyen kialakítása.

Az alkatrészeket átrendezve kicsit jobb megoldáshoz juthatunk, itt a rezonáns kondenzátort bontjuk 2 részre a pufferelkó helyett. Míg a fenti megoldásban az elkókat az üzemi frekvenciának megfelelõ áram terheli, addig az alábbi megoldásban a kétutas egyenirányításnak megfelelõen (kétszer egyutas összege) az üzemi frekvencia duplájának megfelelõ frekvenciájú áram tölti a kondenzátort (hasonlóan a primer oldali rezonáns kört alkalmazó megoldásokhoz).

Amikor a kimenõ feszültség viszonylag nagy abszolút értékû (pl. 300V), vagy a bemenõ feszültséghez képest nagyobb akkor célszerû ezt a megoldást választani. Az áramkörhöz tartozó hullámformák az alábbi ábrán láthatók. Megfigyelhetõ, hogy a bekapcsolási tranziens áram a feteken alig több mint az üzemi áramerõsség, szinte csak az áram hullámformája változik. (és a kapcsolási idõpont a nullaátmenet pillanatához képest).

Kettõs kimeneti feszültséghez a rezonáns tápegységen dupla szekunder tekercs szükséges. Primer oldali rezonáns elemek esetén egyszerûen, pl. "középmegcsapolásos" szekunder tekercssel és graetz egyenirányítóval az egyéb áramkörökben szokásos módon megoldható a feladat. A másik lehetõség hogy még egy szekunder tekercssel 2x egyutas egyenirányítással állítjuk elõ az egyenfeszültséget és, a két DC feszültséget egyszerûen sorbakötjük. A szekunder oldali rezonáns elemekkel felépített táp esetén a megoldás jóval bonyolultabb mivel a rezonáns kondenzátort két szekunderre csak szimmetrikus terhelés esetén lehetne egyszerûen felosztani. Ilyen esetben megoldás lehet, pl. 2db egymástól független "szórótrafót" a félhíd kimenetére kapcsolni. De természetesen a mûködési elv és a megoldandó feladat (a táplálandó készülék) ismeretében számos további megoldási lehetõség kínálkozhat.

A rezonáns tápegységek ezen típusának mûködési elve régóta ismert, korábban sokféle, tirisztorokkal megvalósított alkalmazást készítettek. A mai technikával, korszerûbb félvezetõkkel, érdemes ismét elõvenni ezeket a megoldásokat. A tirisztorokkal elérhetõ néhány kHz-es maximális üzemi frekvencia helyett, n*10kHz-en esetleg n*100Khz -en is üzemeltethetünk áramköröket, FET-ek és IGBT-k felhasználásával.

A mûködési elvre hasonló felhasználási terület a hosszú és középhullámú tartományban üzememlõ rádióadó berendezések (100kHz - 1MHz), amelyekben fetbõl felépített teljes hidak, dolgoznak kapcsolóüzemben. Ezek kimenõ árama soros L-C tagon (harmonikus szûrõn, és illesztõn) keresztül jut el a tápvonalra majd az antennára. Ilyen berendezések néhány kW-tól kb. 500kW-os (! nem tévedés !) kimenõ teljesítményre készülnek napjainkban.

Jelen leírást SPafi barátom tippjei, mûködõ tápjai, és természetesen saját kísérleteim inspirálták. Ahogy idõm engedi, és energiám is lesz rá folytatom a kiséletezést (áramköröket építek), és lehetõség szerint ezt a leírást is bõvítem majd.
Skori@2008 marc.

Mivel a cikk még nem teljes, és mert azóta kísértetiesen hasonló leírással is találkoztam a neten (ami a fenti részben levõ apró hibára ugyanúgy nem tér ki mint én eddig) úgy döntöttem írok egy kis folytatást.
A fentiekben leírt tápegységekben a kapcsolóeszközök (fetek) elvben nulla áram melett (ZCS mód) kapcsoltak át. Azonban a félvezetõeszközöknek jelentõs kapacitásk van, amit átkapcsoláskor át kell tölteni (az egyik fet kapacitását kisütni, a másikat feltõlteni). A fenti megoldás esetén ezekben a félvezetõkapacitásokban tárolt energia hõvé alakul, és némi kapcsolási veszteség is keletkezhet a kapacitások töltõáram impulzusai miatt.
Azonban a tápegység nagyon egyszerü továbbfejlesztésével, egy apró módosítással, ez a hátrány is kiküszöbölhetõ. Alakítsuk át a tápegységet úgy, hogy a félvezetõk átkapcsolása a félvezetõn esõ feszültség minimunának közelében történjen. A nulla feszültségnél történõ átkapcsolás (ZVS mód) elvben ugyanúgy kapcsolási veszteség nélkül történik, mnint ZCS módban, de lesz néhány további elõnye.
Kössünk egy kondenzátort párhuzamosan az egyik (vagy mindkettõ) kapcsolóeszközzel, az alábbi rajz szerint és nézzük meg, hogy ez mit eredményez.

Tegyük fel hogy éppen az alsó fet van nyitva, és a trafó (közel szinuszos) primerárama áram közeledik a nullaátmenetéhez. Ha ekkor kikapcsoljuk a fetet, akkor ez az áram (ami ilyenkor már elég kicsi) a C-zvs kondenzátoron át folyik tovább. Mivel az a kondi eddig kisütött állapotban volt, és viszonyleg kicsi áram folyik rajta, a fet kikapcsolásának ideje alatt csak néhány voltra tud feltöltödni, tehát az alsó fet kikapcsolása közel 0V feszültség melett történt.
Azonban ha ilyenkor be szeretnénk kapcsolni a felsõ fetet az hatalmas veszteséget okozna, a korábban leírtak szerint, hiszen nem csak a félvezetõ kapacitásokat, hanem még a C-zvs kondit is fel kellene töltenie. Azonban a fetek meghajtása némi holtidõvel történik (0,3....1us), tehát egy rövid ideig mindkét fet le ven zárva. Ha ez alatt az idõ alatt valahogyan fel tudnánk tölteni a C-zvs kondit (és vele együtt a félvezetõk kapacitását is) akkor a felsõ fet is veszteség nélkül kapcsolhatna át. Erre szolgál az Lm-el jelölt tekercs. Ezen a tekercsen a trafó prímer áramának nullaátmenetekor pont olyan irányú áram folyik ami a C-zvs kondit tölti (hiszen a teljes periódus alatt lineárisan növekedett az árama). Ha a tekercs induktivitását megfeleõen méretezzük, akkor a kapcsolóeszközök holtideje alatt elvégzi a kapacitások áttöltését. A tekercs gyakorlatilag nem fogyaszt számottevõ energiát, hiszen nagyrészt csak "meddõ áramot" vesz fel (a veszteségeitõl eltekintve), a legfõbb hátránya, hogy a tekercs árama a fetek vezetési veszteségét növeli, azonban ez a gyakorlatban sokkal kisebb veszteségnövekedés, mint amennyit a kapacitások áttöltögetésére eddig fordítottunk.
Továbbá vegyük észre hogy az Lm tekercs a trafó primerével van párhuzamosan kapcsolva. Miért is jó ez nekünk? Ha a trafó primerének az induktivitása pont akkora lenne, hogy át tudja töltani a C-zvs kondit, az átkapcsolások holtideje alatt, akkor az Lm tekercset nem kell beépíteni az áramkörbe! Ezt pedig egyszerüen elérhetjük úgy, hogy a transzformátorunk vasmagjába egy megfelelõ légrést teszünk, így beállítva a primer tekercsének a megfelelõ induktivitását. Persze ezt nem könnyû méretezni, kell némi számolgatás (amit egyelõre nem részletezek) és legalább egy induktivitásmérõre és szkópra is szükség lesz. Tehát az áramkörünket mindössze 1(esetleg 2)db kondenzátorral kell csak kiegészíteni. A trafó elkészítése kicsit bonyolultabb lesz, hiszen a megfelelõ menetszámokon túl a primer tekercs induktivitását, és a trafó szórási induktivitását is megfelelõ értékûre kell elkészíteni. Cserébe kapunk egy kicsivel jobb hatásfokot, és a kondenzátorral "lelassított" átkapcsolások miatt (hiszem az átkapcsolás a teljes holtidõ alatt történik meg) még kisebb lesz az áramkör zavarkibocsátása. Jól méretezett táp esetén a félhíd kimenetén "trapéz-jelhez" hasonló hullámformát látunk a szkópon, és terhelt állapotban az áram hullámformája is jobban megközelíti a szinuszt, mint a ZCS mûködésü táp esetén.
A feljebb megrajzolt IR2155 (vagy hasonlo, pl. IR21531) IC-re épülõ rezonáns tápegység kapcsolási rajzába szaggatott vonallal berajzoltam a szükséges kondenzátort. Megfelelõ méretezés esetén az áramkörbe felesleges további zárlatvédelmet beépíteni, mert rövid dieig elviseli a kimenet rövidre zárását, a hosszabb idejû túlterheléstõl meg egy egyszerü olvadóbizti is meg tudja védeni az áramkört.
A gyakorlatban a kb. 100W, vagy ennél nagyobb teljesítményü, stabilizálatlan kimeneti feszültségü, gyári kivitelü, rezonáns tápegységek, is hasonló módon légréses transzformátorral készültnek, és ZVS módban mûködnek, pl. erõsítõkben, transzvertekrekben, stb..
Folytatás ITT
Skori@2008 július.