Az elektronikus készülékek modern világában a tápegységek kulcsfontosságú szerepet töltenek be. Különféle tápfeszültség és tápáramellátást igényelnek, melyek kielégítésére a tápegységek széles választéka alakult ki. A korszerű eszközök egyre kisebb mérete és súlya, valamint a megbízható és nagy hatásfokú egységek előállítása iránti igény globális figyelmet kapott. Ennek oka, hogy a legújabb integrált áramkörös készülékek méretének és összsúlyának egyre nagyobb részét teszik ki a tápegységek. Emiatt kiterjedt kutatási és fejlesztési munkák zajlottak olyan eszközök és áramkörök létrehozására, amelyek nagymértékben megfelelnek a nagy hatásfok, kis méret és súly elérését célzó programnak. Az így tervezett és kivitelezett tápegységeket kapcsolóüzemű egyenfeszültség-átalakítós tápegységeknek nevezik, amelyek más feszültségszabályozási elvvel rendelkeznek. Az alkatrészgyártó ipar számos passzív és aktív elemet hozott létre, amelyek speciálisan a kapcsolóüzemű tápegységekhez készültek.
Tápegység-típusok és működési elveik
A tápegységek különböző típusokra oszthatók az átalakítás jellege alapján. Ezek az átalakítók alapvető fontosságúak a modern elektronika működésében.
AC-AC átalakítók: Transzformátorok és tirisztoros megoldások
A tápegységek döntő többsége tartalmaz transzformátort, vasmagos vagy ferritmagos kivitelben. A vasmagos kivitelűek hálózati frekvencián működnek, míg a ferritmagos transzformátorok néhány kHz-től néhány száz kHz-ig terjedő frekvencián üzemelnek. Ezen magasabb frekvenciákon a ferritmagos ugyanis kisebb veszteségekkel működik. Feladatuk a váltakozó feszültség értékének növelése vagy csökkentése (frekvenciája állandó marad) és az egység kimenetének és bemenetének galvanikus (egyenáramú) elválasztása. A transzformátor a legnagyobb helyigényű és súlyú alkatrész, mérete nem csak a kívánt kimeneti teljesítménytől, hanem az alkalmazott frekvenciától is függ. A körfrekvencia alapvető tényező a transzformátor méretezésénél. A transzformátorok mellett léteznek olyan tirisztoros AC-AC átalakítók is, amelyek a bemenő feszültség értékén túl annak frekvenciáját is megváltoztatják.
AC-DC átalakítók: Egyenirányítók
Az AC-DC átalakítók, más néven egyenirányítók, általában félvezetődiódás és tirisztoros egyenáramú áramkörökkel valósulnak meg. Az egyenirányításon kívül a kimenő egyenfeszültség hullámosságának csökkentését (szűrését) és stabilizálását is elláthatják. Ezek az áramkörök létfontosságúak a hálózati váltakozó feszültség átalakításában a legtöbb elektronikus eszköz számára szükséges egyenfeszültséggé.
DC-AC átalakítók: Inverterek
Az inverterek a bemenő egyenfeszültségből meghatározott frekvenciájú (amplitúdójú és fázisú) váltakozó feszültséget előállító elektronikus áramkörök. Ilyen eszközök biztosítják például mobil vagy nagy fontosságú, váltakozó feszültséget igénylő berendezések (rádióadó, számítógép, telefonközpont) akkumulátorról való tápellátását.
DC-DC átalakítók: Konverterek
A DC-DC átalakítók, vagy konverterek, lényegében mindig felbonthatók egy DC-AC és egy AC-DC átalakítóra. A kettő között még szerepelhet egy AC-AC átalakító is. Ez utóbbi esetben olyan konvertert nyerünk, amely galvanikus elválasztást is biztosít, növelve a biztonságot és a sokoldalúságot.
AC szaggatók: Teljesítmény szabályozása váltakozó feszültségen
Különleges technikai problémát jelent egy váltakozó feszültség igényű fogyasztón (pl. világítás vagy elektromos kemence) a teljesítmény folyamatos és veszteségmentes szabályozása. A bemeneti váltakozó feszültséget félvezetős kapcsolóval periódikusan ki-bekapcsolják úgy, hogy a fogyasztóra jutó feszültség effektív értéke a kívánt nagyságú legyen. Ezt fázishasításos szabályzónak nevezik. A be- és kikapcsolási időtartam viszonyának változtatásával szabályozható a kimenő feszültség. A kimeneti feszültségnek és áramnak igen nagy a felharmónikus tartalma, ezért a nagyfrekvenciás zavarás elhárítása érdekében megfelelő szűrést és árnyékolást kell alkalmazni. Ezzel szemben léteznek az ún. nullpont kapcsolók, amelyek a bemenő váltakozó feszültség nullátmenetein kapcsolnak be, illetve ki. Így bizonyos számú periódust átengednek, másokat pedig nem, és a kimenő feszültség átlag effektív értéke az aránnyal szabályozható.
DC szaggatók: Egyenfeszültség veszteségmentes változtatása
Félvezetős szaggatókkal megoldható az egyenfeszültség folyamatos és veszteségmentes változtatása is. A szaggató által előállított négyszögjel kitöltési tényezőjének változtatásával szabályozható a kimenő egyenfeszültség átlagértéke. A kimenő feszültség hullámosságának csökkentése érdekében megfelelő szűrésről itt is gondoskodni kell.
A kapcsolóüzemű tápegységek előnyei és hátrányai
A kapcsolóüzemű tápegységek (SMPS) forradalmasították az elektronikai eszközök energiaellátását, azonban sajátos előnyökkel és kihívásokkal is járnak.
Stabilizált és stabilizálatlan hálózati tápegységek
A hálózati tápegységek lehetnek stabilizáltak, illetve stabilizálatlanok. A stabilizálás azt jelenti, hogy a tápegység igyekszik kimenő feszültségét a névleges értéken tartani, függetlenül a bemenő feszültség és a terhelőáram értékétől.
Analóg disszipatív rendszerű tápegységek
Ezeknél a soros áteresztő elemet tartalmazó tápegységeknél a hálózati váltakozó feszültséget egy transzformátor a szükséges értékre csökkenti. A többletfeszültség egy szabályozható beavatkozó elemen (a soros áteresztő elemen) esik. A soros áteresztő (disszipáló) elem a valóságban egy vagy több teljesítmény tranzisztor, amely lineáris üzemmódban dolgozik. A szabályozó áramkör folyamatosan érzékeli a kimeneti feszültséget, és úgy szabályozza az áteresztő tranzisztort (illetve tranzisztorokat), hogy a kimeneti feszültség a kívánt szinten maradjon (negatív visszacsatolással). Az analóg disszipatív rendszerű tápegység igen jó szabályozási jellemzőkkel rendelkezik (magas stabilizálási tényező, kis kimenő ellenállás és alacsony a kimenő feszültség hullámossága), megbízható és nem kelt nagyfrekvenciás zavarokat. Hátránya, hogy az 50 Hz-es hálózati transzformátor nagy méretűvé és súlyossá teszi az egységet, s az áteresztő tranzisztorok hűtőlapjai pedig még tovább növelik a méreteket. Minthogy a stabilizálás disszipatív üzemmódban megy végbe, a hatásfok kicsi. A kis feszültségű tápegységeknél a bemeneti teljesítménynek mintegy 60%-a veszendőbe megy, ezenkívül a hűtésről is gondoskodni kell.
Kapcsolóüzemű tápegységek alapjai
A kapcsolóüzemű tápegységek közvetlenül a hálózati feszültséget egyenirányítva és ezt a nagy egyenfeszültséget viszonylag magas frekvencián (kb. 20 kHz-en) kapcsolgatva egy transzformátorra vezetik. A kimeneti feszültséget a transzformátor szekunder feszültségének egyenirányítása révén kapják meg. A felhasznált kapcsolók többnyire teljesítmény tranzisztorok. Minthogy a szabályozás impulzusszerű, és a feszültségváltozások korrigálásához több impulzusra van szükség, a szabályozási folyamat lassúbb, mint az analóg disszipatív rendszerű tápegység esetében, és csökken a stabilizálás jósága is. Az ilyen tápegységek a ki-bekapcsolgatás folytán nagyfrekvenciás zavarokat keltenek, és ez, megfelelő elővigyázatossági óvintézkedések hiányában, kisugárzódhat vagy eljuthat más áramkörökbe is.
A kapcsolóüzemű tápegység minden alkatrészének magyarázata
Főbb kapcsolóüzemű konverter topológiák
A kapcsolóüzemű tápegységek különböző topológiákkal valósíthatók meg, melyek mindegyike specifikus előnyökkel és alkalmazási területekkel rendelkezik.
Lépcsőzetes (Buck) konverter
Az áramkör működését idődiagramokon követhetjük nyomon. Az L áramkorlátozó fojtótekercsen keresztül periodikusan töltik a kimenettel párhuzamosan kötött C2 kondenzátort. A tranzisztor bekapcsolási időtartama alatt a fojtótekercs feladata többek között az is, hogy az áramot a tranzisztor védelme céljából megfelelő értékre korlátozza. Amikor a tranzisztor vezet, a C2 kapacitás a fojtótekercsen keresztül töltődik, és ez utóbbiban mágneses energia halmozódik fel. Abban az esetben, amikor a tranzisztor lezár, a fojtótekercs árama tovább folyik a D diódán keresztül, a tárolt energia a terhelés felé továbbítódik. A kimeneti feszültség tehát a kitöltési tényező szabályozásával stabilizálható. A kimenetre vonatkozóan az L induktivitás a C2 kondenzátorral aluláteresztő szűrőként, vagyis integráló áramkörként szerepel. Az áramkorlátozási feladatot ellátó fojtótekercs tehát egyben a szűrő egyik komponense is. Ha végtelen induktivitású tekercset használhatnánk, akkor a kimeneti áramban ingadozást nem észlelnénk. Ekkor a tranzisztor, illetve diódaáramok csúcsértéke egyenlő lenne az átlagos terhelőárammal. A gyakorlatban alkalmazott fojtótekercseknél, azok induktivitásával fordítottan arányos fűrészfog alakú áram szuperponálódik a kollektor, illetve diódaáramokra. Ha az L induktivitás kisebb, mint egy előre meghatározott minimális érték (Lmin), akkor a tekercs árama egy időtartamra megszűnik, viszont amíg folyik, nagy értékű csúcsokat ér el, amely a T tranzisztort és D diódát nagyon igénybe veszi. A fojtótekercs tervezésénél figyelembe kell venni a kapcsolóüzemű tápegység által majdan szolgáltatott legkisebb terhelőáramot. A T tranzisztor bekapcsolásakor az L induktivitás árama lineárisan nő, a bekapcsolás pillanatában érvényes legkisebb értékről a kikapcsolás pillanatában elért legnagyobb értékre. A D dióda azért szükséges, hogy meggátolja a C1 kondenzátor kisülését a bekapcsolt (bekapcsolási idő alatt) T tranzisztoron keresztül.
Növelő (Boost) konverter
A kapcsoló kikapcsolása után az L fojtótekercs árama csökkenni kezd, és a kikapcsolási időtartam alatt az Lmax értékről az Lmin értékre csökken. Eközben az induktivitás átadja a benne felhalmozott mágneses energiát a terhelésnek. A tranzisztor kikapcsolásának pillanatában a fojtótekercsben indukált feszültség hozzáadódik a bemeneti feszültséghez. Amikor a tranzisztor vezet, a bemeneti feszültség az induktivitásra kapcsolódik. Ekkor a D dióda nem vezet, a terhelés áramszükségletét a C kondenzátor fedezi. A tekercsen az áram (IL) lineárisan nő. A tranzisztor kikapcsolásakor a tekercs árama tovább folyik (de ekkor már a mágneses mezejében tárolt energia rovására), a D diódán keresztül (amely kinyit) tölti a C kondenzátort, illetve biztosítja a terhelés áramszükségletét.
Polaritásváltó (Buck-Boost) konverter
A kapcsolást még záróüzemű konverternek is nevezik. Záróüzeműnek azért, mert az áramkör kimenetére a teljesítmény átvitele a tranzisztor kikapcsolási időtartama (tki) alatt történik. Ezzel szemben az előző két áramkör esetében a teljesítmény a bekapcsolási időtartam alatt jut az áramkör kimenetére. Az egyenfeszültség-csökkentő és egyenfeszültség-növelő áramkörök előnye a polaritásváltó áramkörrel szemben az, hogy a kimeneten szükséges energiának csak egy részét kell tárolni az induktivitásban. A szóban forgó áramkörnél viszont a fojtótekercsben a kimeneten megkívánt teljes energiamennyiséget tárolni szükséges a ciklusidőtartam egy részében. A kimeneti feszültség a tranzisztorra kerülő meghajtóimpulzus kitöltési tényezőjének megfelelő irányú változtatásával tartható állandó értéken.
Flyback konverter (nyitóüzemű)
E nyitóüzemű energiaátviteli áramkörben a transzformátorhatás révén jut az energia a terhelésre, ha a T tranzisztor vezet. A D1 diódán keresztül nemcsak a Cki kimeneti kapacitás (illetve fogyasztó) vesz fel energiát, hanem az Lki fojtótekercs is, amely azt mágneses energia formájában tárolja. A T tranzisztor lezárásakor (kikapcsolási idő alatt) az Lki fojtótekercs árama D2 diódán keresztül a Cki kondenzátorra, illetve terhelésre kerül. Az Lki fojtótekercs a Cki kondenzátorral aluláteresztő szűrőt alkot, csökkentve a kimeneti feszültség hullámosságát. Ez a topológia a bemeneti feszültséget a néhány tíz kHz frekvencián megszaggatva, a szükséges kimeneti szintre transzformálja. Ezt a frekvenciatartományt azért használják, hogy a transzformátor, valamint az aluláteresztő szűrő mérete kisebb legyen. A T tranzisztor vezető állapotában a transzformátor által felvett mágneses energia a tranzisztor kikapcsolási időtartama alatt egy járulékos lemágnesező (demagnetizáló) tekercsen és a D3 diódán át vissza jut a bemenetre. Ezáltal a transzformátor vasmagjának munkapontja nem kerül a telítési tartományba, hanem minden periódus kezdetén (H=0) marad. A primer és a demagnetizáló tekercs menetszáma azonos. Ez utóbbit a primerrel együtt (bifilárisan) csévélik, ezáltal a lehető legszorosabb csatolásban van a primer tekerccsel. A tranzisztor kollektor feszültsége (UCE) maximálisan a bemeneti feszültség kétszerese lehet. Ha nem lenne demagnetizáló tekercs, a T tranzisztor kikapcsolása utáni pillanatban UCE egyenlő lenne a bemenő feszültség (Ube) plusz a transzformátor primer tekercsének önindukciós feszültségével.
Push-pull (ellenütemű) konverter
Az ábrán bemutatott hagyományos ellenütemű energiaátviteli áramkör két nyitóüzemű ellenütemben dolgozó áramkörből tevődik össze. Az ellenütemű működés a hullámosság frekvenciáját megkétszerezi. Így adott szűrőértékek mellett a kimeneti feszültség hullámossága kisebb.
Szabályozási módszerek a kapcsolóüzemű tápegységekben
A kapcsolóüzemű tápegységekben a kimeneti feszültség stabilizálása különféle szabályozási elvek alapján történhet.
Kétpontszabályozás (histerezyis)
A kapcsolótransziszor bázisára jutó impulzusok többféleképpen modulálhatók, speciálisan a kapcsolóüzemű tápegységek céljára készített integrált áramkörökből. Lényegében kétpontszabályozást valósítanak meg. Kétpontszabályozásról akkor beszélünk, ha a névleges értéknek alsó és felső határa van, és a stabilizált érték ezen munkatartományon belül változhat. A kimeneten a névleges érték alsó határának elérésekor bekapcsol a kapcsolótranzisztor, és addig marad ebben az állapotban, amíg a kimeneti feszültség el nem éri a felső határt. A visszavezetett és a referenciajel különbségeként megjelenő hibajel hajtja meg a Schmitt-triggert. A trigger aszerint nyitja, illetve zárja a tranzisztort. A bekapcsolási és kikapcsolási időtartam a bemeneti feszültség és a terhelés változásainak függvénye. A teljes hurok magában foglalja az energiaátviteli áramkör kapcsolótransztranzisztorát, a szűrőáramkört, a terhelést, a hibaerősítőt és a Schmitt-triggert (valamint a meghajtófokozatot). A hurok önrezgő azzal a pillanatnyi frekvenciával, amit a szűrő, a terhelő impedancia, a bemeneti feszültség, a trigger áramkör hiszterézise stb. határoz meg. A kimenő feszültség hullámosságának nagyságát elsődlegesen a trigger áramkör hiszterézise, valamint a hibaerősítő erősítése határozza meg.
Impulzusszélesség-moduláció (PWM)
A stabilizálandó kimeneti feszültséget összehasonlítják egy rögzített referencia feszültséggel. Az ily módon előállított és kellően felerősített analóg hibajelet ezután az impulzusszélesség modulátorra vezetik. A változó szélességű impulzussorozat létrehozása különbözőképpen oldható meg. Elterjedt megoldás például az astabil multivibrátorral indított monostabil. Lehetséges olyan megoldás is, amikor egy fűrészgenerátor jelét vezetik egy komparátor bemenetére. A komparálási szintet a felerősített hibajel pillanatnyi értéke képezi. A PWM szabályozás lényege, hogy a bemeneti feszültséget impulzusüzemű transzformátorra vezetik, majd egy Schottky diódával egyenirányítják, szűrik és pufferelik. Az impulzusszélesség-szabályzó IC az impulzusok kitöltési tényezőjét szabályozza (minél jobban terheljük, annál szélesebb impulzusok kerülnek a transzformátorra). Ez az elrendezés általában kimeneti szűrővel és túlfeszültség védelemmel is kiegészül.
Egy konkrét kapcsolóüzemű tápegység megépítése és jellemzői
Egy viszonylag könnyen megépíthető, úgynevezett offline kapcsolóüzemű tápegység esetében a tápegység lelke a TOP250 IC, de ehelyett a 242-es típustól a 250-ig a szükséges teljesítménynek megfelelően tetszőlegesen dönthetünk, hogy melyiket használjuk, ugyanis az IC-k lábkompatibilisek (ez csak az Y tokozásra igaz).
A tápegység adatai és áttervezése
Ez a tápegység maximális kimenő teljesítménye 290W, kimenő feszültsége 48V. A kimeneti feszültség függése a hálózati feszültségtől ±1%, terhelésfüggése ±5%. Hatásfoka jobb, mint 85%, zavarfeszültsége 100mV csúcstól csúcsig, terhelés nélküli fogyasztása pedig 1.4W.
A tápegységet át lehet alakítani más kimenő feszültségekhez is. Ennek menete a következő: a kimenő feszültséget a zéner lánc feszültségének összege adja, ezért ezek értékének a változtatásával lehet a kimenő feszültséget állítani. Az áramkör kimenő feszültsége nem a menetszámtól függ, a menetszámokat úgy kell kiszámolni, hogy a menetarányokból a szekunderről a primerre tükrözött feszültség 135V környékén legyen. Ha „egzotikus” feszültségekre van szükségünk, lehet sorba is kapcsolni a zénereket. Az IC kapcsoló frekvenciáját is megválaszthatjuk. Az ábrán szereplő beállítással 132kHz-en kapcsolgat, de ha az F lábat nem földre, hanem a C lábhoz kötjük, akkor a frekvencia csak 66kHz lesz.
Védőáramkör és működése
A tápegységet kiegészíti egy ún. védőáramkör, amely az R18 áramérzékelő ellenállásból, és T5, T6, T7, T9 tranzisztorokból áll. Működése a következő: alapállapotban (Iki < Ikimax) a T9 tranzisztor zárva, T6, T7-ből alkotott bistabil multivibrátor 0 állapotban (T6, T7 zárva, LED nem világít), T5 tranzisztor zárva. Tehát a T2 tranzisztor bázisára szabadon eljuthatnak a meghajtó impulzusok a szabályzóáramkör felől. R18 értéke olyan, hogy a maximális megengedett terhelőáram elérésekor (Iki = Ikimax) az áramérzékelő ellenálláson eső feszültség kinyitja a T9 tranzisztort. Ekkor az R11-en eső feszültség átbillenti a bistabil multivibrátort 1-es állapotba (T6, T7 vezet, LED világít), mely állapotát T9 lezárta után is megőrzi. Az R11-en eső feszültség kinyitja a T5 tranzisztort, amely a T1, T2 Darlington kapcsolótranzisztor bázisára jutó meghajtó impulzusokat söntöli. A tápegység újraindítható miután megszűnt a lekapcsolást kiváltó ok (túl nagy terhelőáram vagy rövidzár megszűnte), a bistabil visszabillentésével alapállapotba.
Építési és tervezési tanácsok
A tápegység különösebb műszerezettség nélkül megépíthető, de nagyon sok odafigyelést igényel. Ha nem a rajzon megadott adatokkal szeretnénk üzemeltetni a tápot, akkor a számolással kezdjük mindig, és ilyenkor nagyon fontos, hogy ne számoljunk el semmit, mert ez az egész áramkör működését befolyásolja.
Az első fontos pont a NYÁK-tervezés: a tápegység magas frekvencián (132kHz) kapcsolgat, ezért a kapcsoló FET source körétől függetlenül kell a segédtekercs földpontját vezetni, természetesen nem galvanikusan függetlenül, elegendő, ha külön ágban térnek vissza a földponthoz, így elkerülhetőek a különböző működési zavarok. Nagyon fontos, hogy a tápegység kimeneti földpontja nem azonos a bemeneti földponttal. A kimenet leválasztását a transzformátor végzi, de a C2 jelű kondenzátor közös a bemeneti és a kimeneti rész között. Ez nagyon fontos, hogy Y1-es kondenzátor legyen, mert ez rendelkezik megfelelő biztonsággal. A transzformátor tekercseinél a rajzon meg van adva, hogy melyik tekercs kezdetet hova kell kötni, ez fontos, mert ha felcseréljük, akkor nem működik, illetve a védődióda sérülhet. A kimeneti kondenzátorok esetében nem szerencsés, ha 1db nagyobb kapacitásút használunk, inkább több kondenzátorból állítsuk össze, hogy minél kisebb impedanciájú úton vezessük el a kimeneti zavarfeszültséget.
Nagyon ügyelni kell az áramkör árnyékolására, lehetőleg fém dobozban helyezzük el, mert ha nem, akkor biztosak lehetünk benne, hogy 3 méteres körzetben nem tudunk rádiót hallgatni, olyan nagy zavart bocsáthat ki, főleg helytelen NYÁK-tervezés esetén. A zavarkibocsátás mértéke némileg csökkenthető, ha az IC-t nem 132kHz-en, hanem 66kHz-en üzemeltetjük (F láb nem földön, hanem C lábhoz kötve), de akkor nagyobb trafót és menetszámokat kell használnunk. Az IC melegedése nem kezelhetetlen, de egy jól méretezett hűtőborda szükséges rá. A transzformátor csak és kizárólag ferrit mag lehet, a legjobb, ha EI vagy EE magot használunk. Oda kell arra is figyelni, hogy a trafó megfelelő anyagú legyen, hogy ne szaturáljon be a kapcsoló frekvencián, tehát legalább 200kHz-ig működőképes legyen. Az alacsony menetszámok miatt észben kell tartani, hogy már egy negyed fordulattal nagyobb menetszám is jelentős eltérést okoz, ha például középleágazásos szekunder részt csinálunk. Fontos még, hogy nagyon szorosan tekercseljünk, és a trafó két felét szorosan illesszük, mert a laza tekercseléstől hangos lehet a trafó, illetve a nem jól illesztett trafó felek miatt jelentősen nő az amúgy sem kicsi zavar sugárzása.
Hibaelhárítási tippek
Ha mégsem működne a tápegység: első körben ellenőrizni kell a NYÁK helyességét, forrasztások, huzalozások rendben vannak-e. Ha minden jó, mérjünk rá a bemeneti puffer kondenzátorra, itt kb. 300-310V egyenfeszültséget kell mérnünk. Ha ez megvan, akkor jöhet a tényleges hibafelderítés: általában két probléma merül fel, ha a NYÁK és az alkatrészek megfelelőek: ha nincs semmi működésre utaló jel (kimenő feszültség, kattogás a trafóból), akkor vagy elszámoltuk a menetszámot, vagy fordítva kötöttük be valamelyik tekercsét a trafónak. A következő hibajelenség az, ha a trafó kattog, de nem indul el a tápegység, ilyenkor vagy nem vittük külön a földvezetékét a source körnek, vagy ismét fordított polaritással van bekötve a tekercs. A trafó esetében általában az a célravezető, ha a kis menetszámú kiegészítő tekercselés kivezetéseit cseréljük fel. Ha ezen hibák valamelyikét követtük el, érdemes megvizsgálni az optocsatolót és a D1; D5 diódákat, hogy épségben vannak-e.
A kapcsolóüzemű tápegységek kihívásai és megoldásai
A kapcsolóüzemű tápegységek nagyfrekvenciás működése számos kihívást, de egyben megoldási lehetőséget is kínál.
Zaj és elektromágneses interferencia (EMI)
A kapcsoló tápcső nagyfrekvenciás be- és kikapcsolt állapotban működik. A kapcsolási veszteség csökkentése, a teljesítménysűrűség és a tápegység általános hatékonyságának javítása érdekében a kapcsolócső egyre gyorsabban, általában néhány mikroszekundum alatt kapcsol be és ki, és a kapcsolócső ilyen időközönként be- és kikapcsol. Míg a nagyfrekvenciás transzformátor teljesítményátalakítást végez, váltakozó elektromágneses teret hoz létre, és elektromágneses hullámokat sugároz ki a térbe, sugárzási zavart okozva. A dióda vezetőhuzalainak parazita induktivitása, a csomóponti kapacitás megléte és a visszacsatoló áram hatása miatt nagyon nagy feszültség- és áramváltozási sebességgel működik. Minél hosszabb a dióda fordított helyreállítási ideje, annál nagyobb a csúcsáram hatása. Mindezek a generált elektromágneses jelek fémhuzalokon, például tápvezetékeken, jelvezetékeken és földelővezetékeken keresztül jutnak el a külső tápegységhez, hogy vezetési zavarokat hozzanak létre.
A hálózati tápegységek esetében a bemeneti oldalra mindig érdemes tenni egy 1uF-os és 250V váltóáramra való kondenzátort, ami leválasztja a transzformátorra jutó egyenáramú részeket.
Optimalizálás és megbízhatóság
A tápvezetéknek a lehető legközelebb kell lennie a földvonalhoz, hogy csökkentse a differenciális üzemmódú sugárzás hurokterületét; válassza szét a bemeneti váltóáramú tápvezetéket és a kimeneti egyenáramú tápvezetéket, hogy csökkentse a bemenet és a kimenet közötti elektromágneses csatolást; a jelvezetéknek távol kell lennie a tápvezetéktől, és közel kell lennie a földhöz. A földelő vezeték Ldi/dt-je miatt a NYÁK-kártyát és a házat közvetetten rézoszlopok kötik össze.
A PC tápoknál minden számítógép táp főként az 5 Voltos feszültséghez szabályoz. Ha erősebben leterheljük az 5 Voltos részt, feljebb megy például a feszültség. A tápegységek megbízhatóságát javítja, ha NTK-t (NTCR1) tesznek a bemenetre, ezzel csökkentve a bekapcsolási áramlökéseket. A kimenetre Schottky diódákat tesznek a gyorsabb kapcsolás és kisebb veszteségek érdekében, és az utánuk lévő puffer-kondenzátort jól méretezik. A tápegységet érdemes 2 évente kicserélni, vagy legalábbis ellenőrizni, mert az alkatrészek élettartama véges. Ajánlott teljesen kihúzni a konnektorból, ha nem használjuk, így nem fog fölöslegesen használódni, és kíméljük az alkatrészeket. Ha a kondenzátor teteje púpos, akkor az a túlmelegedés jele, ami hibára utal. Ha a számítógép gyakran lefagy, érdemes a tápegységet is megvizsgálni. Ha a visszacsatolásról gondoskodó optocsatoló meghibásodik, akkor szintén elszáll a tápegység, mivel a szabályozás megszűnik.
tags: #kapcsolouzemu #tapegyseg #fettel