SKORI WEBLAPJA
Rezonáns kapcsolóüzemû tápegység II.

Rezonáns tápegység

A rezonáns tápegységek mûködésérõl, elõnyeirõl és hátrányairól készített leírásomat most egy leegyszerüsített, kisebb teljesítményü, olcsó áramkör leírásával folytatom. Mivel hálózaról mûködõ készülékrõl van szó, az ehez szükséges biztonsági ismeretek nélkül senki se vágjon bele. Továbbá feltételezem, hogy a cikk kedves olvasója, az elõzõ részt is elolvasta, és a rezonáns tápegységek elvi mûködését ismeri és érti is.

Sokféle berendezéshez van szükség tápegységre, és gyakran nincs szükség többszáz Watt, vagy néhány kW teljesítményre. A most közreadott kapcsolás 100...200W teljesítményre használható. Kezdjuk a kapcsolási rajzzal, majd egy kis magyarázattal, ez utóbbit azért tartom fontosnak, mert önmagában a kapcsolás utánépítése, a megfelelõ szempontok figyelembe vétele nélkül nem biztos, hogy sikeres lesz.


Ez az áramkör sok hasonlóságot mutat az elektronikus fénycsõelõtéthez (nem véletlenül) és a mûködése is hasonló. A hálózati feszültség az F1 biztin, az NTC-n, és a zavarszûrõn keresztül eljut a GR1 egyenirányítóra, majd a C1 pufferkondira. Ezek sok magyarázatot nem igénylenek, máshol már kitértem erre, a lényeg, hogy a tápegység 300V körüli egyenfeszültségrõl mûködik. Az egyenfeszültségrõl egy nagyfrekvenciás teljesítmény oszcillátort táplálunk, amely 2 fetbõl, és a TR1 trafóból áll. A zenerek a fetek gatefeszültségét korlátozzák, a két 5ohmos ellenállás pedig egyfajta "vadrezgés gátló", illetve biztosítja hogy a zenereken nagyjából egyforma áram folyjon. A diac és a környékén levõ további alkatrészek az oszcillátor indítását szolgálják, (normás müködés közben már nincs szükség rá). Az oszcillátor kimenõ feszültsége az L4 tekercsen keresztül a TR2 trafóra kerül, a trafó másik kivezetése pedig a rezonáns kondenzátorokra kapcsolódik.
Ahoz, hogy az áramkörünk valóban rezonáns tápegységként mûködjön az kell, hogy az oszcillátor által elõállított jel frekvenciája megegyezzen az L4 - Cr alkatrészek rezonancia frekvenciájával (kb. 60kHz). Ezt a TR1 trafó megfelelõ méretezésével érhetjük el, bár én inkább kísérletezésnek nevezném, mert a pontos számítás gyakorlatilag esélytelen lenne - a mérést (kísérletezést) nem nagyon lehet elkerülni.
A frekcvenciát egy ilyen oszcillátor esetén (elsõ körben) TR1 telítõdése és a tekercseinek induktivitása határozza meg. Jelen esetben egy 14mm körüli átmérõjû kis gyürüvasmagot használtam fel, a vaskeresztmetszet kb. 0,15cm2 AL=2500. A 13 menetes szekunder tekercseinek az induktivitása 422uH, ez a fetek gate kapacitásával rezgõkört alkot, kis kimenõ áramok esetén esetén elsõsorban ez határozza meg a frekvenciát, ugyanis kis áramok esetén a TR1 vasmagja még nem megy telítésbe, és L4 - Cr rezonanciája sem dominál. Nagyobb kimenõ áramok esetén a trafó szekunder feszültsége eléri a zenerek küszöbfeszültségét, a L1,L3/Cg rezgõkörök jósága lecsökken, és a vasmag telítõdése határozza meg a frekveniát. Jelen esetben az indukció 0,32T-ra adódik (13menet, 15V, 60kHz, 0,15cm2) tehát mindenképpen telítésbe megy a vasmag (és éppen ez a cél). Ha az oszcillátor terheléskor nem a megfelelõ frekvencián rezeg, akkor L1 és L3 menetszámát meg kell változtatni. Arra gondolhatnánk, hogy a rezonáns terhelés úgyis nagyjából szinuszos áramot fog felvenni, és ez "rákényszeríti" az oszcillátorra a megfelelõ frekvenciát, de a gyakorlatban ez csak akkor múködik jól, ha az oszcillátor is eleve ezen a frekvencián "szeretne mûködni" :) Tehát a TR1 bár könnyen elkészíthetõ, mégis meglehetõsen kritikus alkatrésze az áramkörnek.
Az L4 tekercset légréses vasmagra kell elkészíteni. A skin hatás, és a légrés körüli szórás miatt célszerü több vékony párhuzamos szálból, vagy litze huzalból tekercselni. A gyakorlatban egy AL250-es, kb 20x30mm-es fazékvasmagra tekertem fel 14 menetet, 6db párhuzamos, 0,3mm-es zománcozott rézhuzalból. A boltban kapható kisméretü (gyári) induktivitások itt nem használhatók, a tekercs elkészítését sajna nem lehet elkerülni. A nem megfelelõen méretezett vagy elkészített tekercs melegedni fog, és rossz esetben az egész áramkör hibásan mûködhet miatta.
A TR2 trafó: nos ezzel kapcsolatban viszont jó hírem van :) nem feltétlenül kell tekercselni, ugyanis az áramkörben remekül fel lehet használni egy roncs számítógéptápból (PCtápból) kitermelt teljesítmény trafót. A "12V-os tekercseket" felhasználva 24V körüli kimenõ feszültséget kapunk, graetz egyenirányítót használva pedig 48V körüli feszültséget (vagy 2x24V-os kettõstápnak is használhatjuk, pl. egy közepes teljesítményû erõsítõhöz). Az eredetileg "5V-os tekercsek" feszültségét egyenirányítva 11...12V körüli feszültséget kapunk. Errõl szépen mennek pl az akkus fúrógépek :), ha pl az akku már döglött, egy ilyen táppal még remekül megy a gép. Persze nyilván tetszés szerinti trafót is méretezhetünk/készíthetünk a táphoz.
A kapcsolásban felhasználható több PCtápból bontott alkatrész, ilyenek: a kimeneti feszültséget egyenirányító gyors/schottky diódák, a lökésgátló NTC ellenállás, a hálózati zavarszûrõ, és a hálózati graetz egyenirányító. Esetleg még a C1 helyett is felhasználhatók a PCtáp elkói (2db sorbakötve), de akkor azt a két ellenállást is be kell építeni, ami megoldja a két kondin a feszültég egyforma eloszlását.
Néhány szót még megérdemel az áramkörben levõ F1 és F2 bizti. F1 az áramkör meghibásodása esetén kiolvad és megszünteti az esetleges zárlatot. F2 feladata kicsit érdekesebb. Arról van szó, hogy a rezonáns tápegység áramkorlátos karakterisztikájú, és rövid ideig kibírja a rövidzárat a kimenetén, de a jelenlegi alkatrész értékekkel a határárama (és a zárlati árama is) jóval nagyobb az üzeminél, ezért hosszabb idejú túláram v. rövidzárlat esetén túlmelegedhet, illetve meghibásodhat. Kimeneti rövidzárlat esetén az F1 biztin átfolyó áram nem biztos, hogy nagyobb az üzenmi áramerõsségnél, ezért van szükség F2 biztire is! F1,F2 2..3A-es lomha kioldású üvegbizti (3AT).
Készítettem néhány fotót a szkópról, a képeken az oszcillátor kimenõ feszültségének idõfüggvénye látható:

A képeken megfigyelhetõ, hogy a fetek közötti átkapcsolás holtideje függ a terheléstõl, valamint a frekvencia is változik kis mértékben. Ez a deszkamodell szépen, jó hatásfokkal mûködik, de TR1-en még valószinüleg lehetne egy kicsit finomítani. Az áramkörbe eredetileg terveztem egy párhuzamos feszültség visszacsatolás beépítését is (jelenleg csak soros áramvisszacsatolás van), hogy nulla terhelõáram esetén se álljon le a rezgés, azonban erre végülis nem volt szükség, mert jól eltalált TR1 esetén, a TR2 trafó üresjárási árama is elegendõ a rezgés fenntartásához. Az áramkörbõl "kivehetõ teljesítmény" egyébként tapasztalati érték, 150....200W esetén még nincs számottevõ melegedés, hûteni elsõsorban csak a kimeneten levõ diódákat kell. Nagyobb teljesítménnyel terhelve már a PCtrafó a tekercs, és a fetek is melegedhetnek.

Jöjjön még egy kapcsolási rajz, amin a kettõs kimeneti feszültség kialakítása látható:

Szintén PC-tápból kitermelt trafót felhasználva, +-24V-os feszültséget állíthatunk elõ így (pl. egy erõsítõ számára :)).
Attila barátom kedvéért lefotóztam az áramkör légszerelt deszkamodelljét, íme (katt rá a nagyításhoz):

Skori@2008 október 09.
A fenti tápegységek a gyakorlatban is kibírták a rövid ideig tartó rövidzárlatot, de a tartós (hosszú idejû) rövidzárlattól valószinüleg meghibásodna (ha nem lenne primer oldali olvadóbizti), mivel a zárlati árama sokkal nagyobb mint az üzemi. Ha olyan körülmények között kell üzemeltetni a tápegységet ahol a kimeneti rövidzárlat gyakran elõfordulhat, akkor célszerû egy további áramkorlátot is beépíteni. Az alábbi áramkörben levõ védelem egy bizonyos idõnél hoszabb ideig tartó kimeneti zárlat esetén aktivizálódik, és leállítja a tápegységet. Ha a zárlat megszünt akkor a tápegység újraindul.
Az újonnan beépített, vagy módosított értékü alkatrészeket kiemeltem a rajzban. A védelem azt használja ki, hogy túláram esetén a gate feszültséget korlátozó zenerek árama is megnövekszik, és ezzel együtt a gate ellenálláson esõ feszültség is. Ezt a feszültséget egy diódán és egy ellenálláson át egy 1uF-os kondenzátorba töltjük. Ha a túláram hosszú ideig fennál, akkor a kondenzátor felszültsége eléri a tirisztor begyújtásához szükséges értéket, a tirisztor begyújt, lezárja a felsõ fetet, és ezzel az oszcillátort is leállítja. Az oszcillátor csak akkor indul újra, ha az áramkörben levõ diac indító impulzust ad. A diac-os indító áramkörben a töltõ ellenállást 10 Megaohm-ra növeltem, hogy viszonylag ritkán keletkezzenek indító impulzusok. A megfelelõ érzékenység elérése érdekében 10ohmos gate enllenállásokat használtam, (az egyik közben átvándorolt a source lábra - de ez itt nem probléma :)) A tirisztorral sorosan bekötöttem egy gyors, kis kapacitású diódát, elsõsorban a tirisztor kapacitása miatt (mivel a tirisztor nem nagyfrekvenciára készült), illetve azért is, hogy csak a pozítív impulzusokat vágja le ha a védelem aktivizálódott
Skori@2008 október 17.

További tapasztalatok az áramkörrel (még mindíg légszerelt állapotban):
- A fenti kapcsolást kipróbáltam kétféle FET-el: W9NA60, 2SK2837, és egy IGBT-vel: RJH3047. A két fettel teljesen jól mûködött az áramkör, az IGBT esetében a terhelés nélküli állapotban leállt az oszcillátor, mert ennek a tipusnak a gate kapacitása sokkal kisebb (mint a felhasznált feteké), és emiatt a TR1 tekercsével túl nagy frekvencián rezonált. Ezt a problémát meg lehetett oldani1-1db 1nF-os kondenzátor bekötésével (a G-E közé). Sajnos ennek az IGBT-nek még nem sikerült az adatlapját megszerezni, de a tipusszáma alpján valószínüleg 300V és 47A lehetnek a határadatai. A 300V-ot az áramkörben rendesen túllépjük, de Pafi barátom mérései alapján kb. 360V az eszköz tényleges letörési feszültsége. Természetesen igencsak rizikós alulméretezett félvezetõt használni, de ez csak egy kísérlet volt - ami azt bizonyította, hogy többféle félvezetõvel is mûködõképes ez a rezonáns tápegység.
- A TR1 helyén kipróbáltam 2db kompaktfénycsõbõl bontott kis gyürüvasmagot (2db vasmagot használtam fel a visszacsatoló trafóhoz). A feteket meghajtó tekercsek 13 menetesek, a primere 1 menet. Az eredmény kellemes meglepetés volt: az áramkör üresjárásban 59kHz-en mûködött, 200W körüli terhelésnél kb. 61kHz-ig növekedett a frekvencia - tehát szinte alig változott valamennyit. Valószínüleg ezek a vasmagok direkt ilyen üzemmódú felhasználásra készülhettek, mert az oszcilloszkópon is mintaszerü jelalakok lászódtak.
- A tirisztoros védelem jól "vizsgázott", a 2db 24V/100W-os izzó szépen felizzik anélkül, hogy a védelem mûködésbe lépne, de kimeneti rövidzárlat esetén letiltja az oszcillátort. Próbaképpen átraktam a védelmet az alsó fetre, ott is ugyanúgy tette a dolgát.
- Úgy néz ki, hogy a korábban szereplõ 150...200W kimenõ teljesítmény egy elég laza érték, picivel többet is ki lehet venni ebbõl a tápból, rövid ideig pedig sokkal többet is.
- A kimenõ feszültség (a PCtáp-trafó "12V-os" tekercseit és kettõsdiódát használva) üresjárásban 27,7V két darab párhuzamosan kapcsolt 24V/100W-os izzóval terhelve pedig kereken 24V
- A kapcsolás nyugalmi áramfelvétele (a 300V DC-n mérve) mindössze 5mA körüli (minhárom kipróbált félvezetõvel), tehát az üresjárási teljesítményfelvétel nem éri el a 2 Wattot sem! (1,5W körüli)
Íme a jelenlegi állapothoz tartozó kapcsolási rajz:
Skori@2008 október 21.
Készül az Eagle projekt!
Egyelõre Attila barátomon a sor, hogy a prototipus nyákokat "vasalásos technikával" elkészítse. Ezután beültetem és jöhet egy kis további tesztelés, (és mérések is) hogy kiderüljön drótdzsungel nélküli változatban hogy szuperál majd a tápegység.
Remélem még jobban mint eddig :)


Elkészült az áramkör nyákja (Attila jóvoltából), beültettem és teszteltem is egy keveset. Némi zavarszürés nem ártama, mint általában a kapcsolóüzemû áramköröknél szokás (ez jelenleg nincs rátervezve a nyákra). Egy minimális zavarszürõ bekötésével, már egészen baráti volt a tápegység, a kisugárzott zavarok szempontjából is. Néhány alkatrész értékét még célszerû módosítani egy picit, de egyik sem túl kritikus (az új értékeket késõbb majd ideírom). Egyelõre jöjjön egy fotó a kész áramkörrõl.

Az elsõ tesztelés alatt 200W-ot röhögve produkált a kimenetén, anélkül, hogy bármi is komolyabban melegedett volna az áramkörben, ezután néhány percig 400W körüli fogyasztóval is terheltük. A 400W leginkább a PC-táp trafónak volt sok egy kicsit, (eredetileg 200W-os tápból származik), egy másik robosztusabb példány lehet, hogy jobban bírta volna. Az áramkör többi része kicsit melegedett (400W) de semmi sem hibásodott meg benne. (Ventillátoros hûtést NEM használtunk) Valószinûleg 300W terhelést még hosszútávon is bírna az áramkör, de ezt nem teszteltem.
Folyt. köv....