AC/DC-muuntimet

Piirit vaativat usein integroitua vaihtovirtalähdettä optimaalisena strategiana koon ja kustannusten pienentämiseksi tai sovelluskohtaisten tarpeiden vuoksi. Muuntamiseen liittyvien keskeisten käsitteiden ja käytettävissä olevien käytännön vaihtoehtojen ymmärtäminen on hyvä alku kohti onnistunutta suunnittelua.

Turvallisuus etusijalla!
Kun vaihtovirtalähteenä on verkkovirtapistorasia, on noudatettava suurta huolellisuutta, jotta toteutus on turvallinen käyttää. Poikkeuksetta pätevän asiantuntijan on suunniteltava ja toteutettava tämä osajärjestelmä. Jos mahdollista, käytä valmiiksi hyväksyttyjä valmiita pistokepaketteja.

Soveltuvuus on pakollista!
Kun kytket mitä tahansa verkkopistorasiaan, sen on oltava sen maan lakisääteisten sertifiointistandardien mukainen, jossa sitä käytetään. Tämän lisäksi se on testattava ja sertifioitava tätä varten – tämä on kallis prosessi. Näin varmistetaan, että se on turvallinen, ei häiritse muita ihmisiä eikä aiheuta kohinaa vaihtovirtaverkon pääjohtoihin.

Mikä on AC/DC-muunnin?
Sähkövirtaa siirretään johdoissa joko tasasähkönä (DC), joka virtaa yhteen suuntaan värähtelemättömällä vakiojännitteellä, tai vaihtovirtana (AC), joka virtaa edestakaisin ja eteenpäin värähtelevän jännitteen vaikutuksesta. Vaihtovirta on vallitseva sähkönsiirtomenetelmä, koska sillä on useita etuja tasavirtaan verrattuna, kuten alhaisemmat jakelukustannukset ja yksinkertainen tapa muuntaa jännitetasojen välillä muuntajan keksimisen ansiosta. Vaihtovirta, joka lähetetään suurella jännitteellä pitkiä matkoja ja muunnetaan sitten pienemmälle jännitteelle, on tehokkaampi ja turvallisempi energianlähde kodeissa. Sijainnista riippuen suurjännite voi vaihdella 4 kV:sta (kilovoltista) 765 kV:iin. Muistutettakoon, että vaihtovirtaverkko vaihtelee kodeissa 110 ja 250 voltin välillä riippuen siitä, missä päin maailmaa asut. Yhdysvalloissa tyypillinen vaihtovirran pääjohto on 120V.

Muuntimet ohjaavat vaihtovirtaa, koska sen jännite myös vaihtelee, reaktiivisiin impedanssielementteihin, kuten induktoreihin (L) ja kondensaattoreihin (C), joissa se varastoidaan ja integroidaan. Tämä prosessi erottaa positiiviseen ja negatiiviseen potentiaaliin liittyvän tehon. Suodattimia käytetään tasoittamaan varastoitua energiaa, jolloin syntyy tasavirtalähde muita piirejä varten. Tämä piiri voi olla monenlainen, mutta se koostuu aina samoista olennaisista elementeistä, ja siinä voi olla yksi tai useampi muuntovaihe. Kuvassa 1 esitettyä muunninta kutsutaan ”eteenpäin-muuntimeksi”, jonka hyötysuhde on korkeampi kuin hieman yksinkertaisemman arkkitehtuurin, ”flyback-muuntimen”. Vaikka sitä ei käsitellä yksityiskohtaisesti, flyback-muunnin eroaa eteenpäin suuntautuvasta muuntimesta siinä, että sen toiminta riippuu piirissä olevan muuntajan ilmarakoon varastoituneesta energiasta. Tätä eroa lukuun ottamatta ne voivat hyödyntää samoja olennaisia lohkoja.

Kuva 1: Forward-muuntimen AC/DC-virtalähteen toiminnallinen lohkokaavio

Sisääntulon suodatuslohko
Sisääntulon suodatuslohko
Sisääntulon suodatin on tärkeä, koska se estää virtalähteen kytkentäelimissä syntyvää kohinaa kulkeutumasta takaisin verkkovirtalähteeseen. Se estää myös verkkovirtalähteessä mahdollisesti olevan kohinan pääsyn myöhempiin virtapiireihin. Suodatin läpäisee 50/60 Hz:n verkkotaajuuden ja vaimentaa mahdollisesti esiintyvää korkeamman taajuuden kohinaa ja yliaaltoja. Kuten muissakin vaihtovirtamuuntimen ja tasavirtamuuntimen osissa, reaktiiviset elementit, kuten kondensaattorit ja induktorit, huolehtivat tärkeästä taajuusvalikoivasta vaimennuksesta. Kondensaattorit eivät läpäise tasavirtaa, ja niitä voidaan käyttää sarjassa (tasavirtaa estävinä ”korkeapäästösuodatinelementteinä”) tai rinnakkain (korkeiden taajuuksien siirtämiseksi maahan, jolloin ne eivät pääse muuntimeen).

Tulon suodatuslohkoon kuuluu tyypillisesti myös jännitteestä riippuvainen vastus tai varistori, jolla estetään sähköverkon korkeiden jännitepiikkien vahingoittamasta virtalähdettä. Tämä on suorakulmainen laatikko, jonka läpi kulkee diagonaalinen viiva kuvan 1 sisääntulossa. Yleisin varistorityyppi on metallioksidivaristori (MOV). Mikä tahansa jännite, joka ylittää laitteen ”puristusjännitteen”, saa MOV:n muuttumaan johtavaksi, jolloin se ohittaa korkeajännitepiikin ja vaimentaa ylijännitepiikin.

Tasasuuntaus
Yksinkertaisimmissa AC/DC-muuntimissa on muuntaja, joka seuraa tulon suodatusta, jonka jälkeen se siirtyy tasasuuntaajalle tuottamaan tasavirtaa. Tällöin tasasuuntaus tapahtuu muuntajan jälkeen, koska muuntajat eivät läpäise tasavirtaa. Monissa AC/DC-muuntimissa käytetään kuitenkin kehittyneempiä, monivaiheisia muunnostopologioita, kuten kuvassa 1 on esitetty, koska niiden etuina ovat pienemmät muuntajatarpeet ja alhaisempi häiriö, joka palautuu verkkovirtalähteeseen.

Tasasuuntaajat on toteutettu käyttämällä puolijohdekomponentteja, jotka johtavat virtaa ehdollisesti vain yhteen suuntaan, kuten diodit. Kehittyneempiin puolijohdesuuntaajiin kuuluvat tyristorit. Piiohjatut tasasuuntaajat (SCR, Silicon controlled rectifiers) ja vaihtovirran triodi (TRIAC, triode for alternating current) ovat analogisia releen kanssa siinä mielessä, että pienellä jännitteen määrällä voidaan ohjata suuremman jännitteen ja virran kulkua. Ne toimivat siten, että ne johtavat vain, kun ohjaava ”portti” käynnistyy tulosignaalilla. Kytkemällä laite päälle tai pois päältä oikeaan aikaan, kun vaihtovirran aaltomuoto virtaa – virtaa ohjataan luomaan tasavirtaerotus. Tätä varten on olemassa monia piirejä, joissa AC-aaltomuodosta napautettuja signaaleja käytetään ohjaussignaaleina, jotka asettavat vaihekvadrantit, joissa tyristorit ovat päällä tai pois päältä. Tämä on kommutointia, ja se voi olla joko luonnollista (yksinkertaisen diodin tapauksessa) tai pakotettua, kuten monimutkaisempien laitteiden tapauksessa.

Korkean hyötysuhteen teholähteissä voidaan käyttää aktiivisia laitteita, kuten MOSFETeja, kytkiminä tällaisissa piireissä. Syy monimutkaisempien topologioiden käyttämiseen on yleensä hyötysuhteen parantaminen, kohinan pienentäminen tai tehonsäätönä toimiminen. Diodeilla on oma jännitehäviö niiden yli, kun ne johtavat. Tämä aiheuttaa tehohäviön niissä, mutta muilla aktiivisilla elementeillä voi olla paljon pienempi häviö ja siten pienempi tehohäviö. SCR- ja TRIAC-piirit ovat erityisen yleisiä edullisissa tehonsäätöpiireissä, kuten alla olevassa valohimmenninesimerkissä – niitä käytetään suoraan ohjaamaan ja hallitsemaan kuormaan syötettävää virtaa, kun syöttöverkko vaihtelee. Huomaa, että nämä toteutukset eivät ole galvaanisia, kun niissä ei ole muuntajaa piirissä – ne ovat käyttökelpoisia vain sellaisissa piireissä, jotka ovat tarkoituksenmukaisia, kuten suoraan verkkoon kytketyn valon ohjaus. Niitä käytetään myös suuritehoisissa teollisissa ja sotilaallisissa virtalähteissä, joissa yksinkertaisuus ja kestävyys on olennaista

Kuva 2: SCR-pohjainen muunnos

Tehokertoimen korjaus (PFC)
Tämä on muuntimen monimutkaisin näkökohta ymmärtää. PFC on olennainen osa muuntimen hyötysuhteen parantamista korjaamalla vedettävän virran ja jännitteen aaltomuodon suhteellista vaihetta optimaalisen tehokertoimen ylläpitämiseksi. Tämä vähentää ”reaktiivisen kuorman” ominaisuuksia, joita muunnin voi muutoin aiheuttaa verkkovirtalähteelle. Tämä on olennaisen tärkeää laadukkaiden ja tehokkaiden sähköverkkojen ylläpitämiseksi, ja sähkölaitokset voivat jopa määrätä erityisiä reaktiivivirtamaksuja asiakkaille, joiden tehokerroin on huono. Passiivisella tai aktiivisella PFC:llä tarkoitetaan sitä, käytetäänkö vaihesuhteiden korjaamiseen aktiivisia vai passiivisia elementtejä. Puolijohdepohjaisella PFC:llä voidaan viitata erityiskäyttöön tarkoitettuihin IC-piireihin, joissa on integroidut ohjaimet, jotka on räätälöity valvomaan ja säätämään PFC-piiriä aktiivisesti, mikä vähentää komponenttien määrää ja yksinkertaistaa kokonaissuunnittelua samalla kun saavutetaan parempi suorituskyky. Ne voivat sisältää muita toimintoja, kuten yli-/alijännitesuojauksen, ylivirtasuojauksen, pehmeän käynnistyksen ja vikojen havaitsemisen/vastaamisen.

Kuvassa 1 esitetty muunnin on yksivaiheinen PFC-muunnin. Tässä osassa olevaa kondensaattoria käytetään varastoimaan epätasapainoista energiaa sykkivän tulotehon ja vaiheen suhteellisen vakion lähtötehon välillä. Katso lisätietoja tästä kohdasta ”Reaktiivisen energian varastointi”. Kaksivaiheisia PFC-muuntimia käytetään yleisesti, koska niiden ei tarvitse käsitellä niin laajaa jännitealuetta varastointikondensaattorin yli, jonka saat yleisvirtalähteissä, mikä vaikuttaa haitallisesti muuntamisen tehokkuuteen. Ne voivat myös tarjota parempia kompromisseja kondensaattorin koon suhteen, ja tämä voi auttaa alentamaan kustannuksia.

Tehovaihe
Tehovaiheella ohjataan tehoa, joka toimitetaan muuntajan kautta ensiöpuolelta toisiopuolelle. Se koostuu aktiivisesta kytkinlaitteesta, joka kytkeytyy korkealla taajuudella, joka voi olla satoja kHz:iä. Kytkimen ON/OFF-tilaa ohjataan pulssinleveysmodulaatiolla (PWM), joka muuttuu sen mukaan, kuinka paljon tehoa kuormaan on dynaamisesti syötettävä. Tämä tieto saadaan toisiopuolelta tulevan takaisinkytkentäpolun kautta, joka voidaan välittää useilla eri tekniikoilla, jotka ottavat huomioon muuntimen eristysvaatimukset. Korkeamman taajuuden kytkentä johtaa pienempään muuntajatarpeeseen, mikä pienentää kokoa ja kustannuksia.

Muuntaja
Muuntaja koostuu yhteiseen ytimeen kierretyistä johdoista, jotka kytkeytyvät toisiinsa sähkömagneettisen induktion avulla. Tämä on tärkeää, kun kytketään korkeajännitelähteisiin (sähköverkkoon) – jota kutsutaan ”offline-muuntamiseksi”, koska induktiivinen kytkentä katkaisee sähköverkon myöhemmästä piiristä, mikä on paljon turvallisempi skenaario kuin suora kytkentä. Tämä kytkentä sähkömagneettisen kentän eikä suoran kuparipiirin avulla, jota kutsutaan ”galvaaniseksi eristykseksi”, rajoittaa suurimman energian, joka voi aiheuttaa sähköiskun tai vaarallisen kipinöivän purkauksen, muuntajan magneettikenttävirtalinjoihin varastoituneeseen energiaan. Muuntajan kyky (joka liittyy kokoon ja materiaaleihin) varastoida energiaa on tärkeä näkökohta muuntimen suunnittelussa, koska se määrää, kuinka hyvin muuntaja pystyy tuottamaan energiaa halutun jännitepotentiaalin ylläpitämiseksi muuttuvissa kuormitusolosuhteissa.

Tietoa muuntajan teoriasta ja toiminnasta löytyy täältä.

Kuvassa 1 on lohko nimeltä ”Mag Amp Reset”, joka liittyy muuntajan demagnetointiin arkkitehtuuriin luontaisesti kuuluvan magnetisointivirran vuoksi. Ilman tätä ydinmateriaalin remanenssi kyllästyttäisi sen muutamassa tehovaiheen PWM-syklissä. Vaikka tämä lisäpiiri on liian monimutkainen käsiteltäväksi tässä opetusohjelmassa, se voi olla hyvin hämmentävä, kun tarkastellaan muuntimen piirikaavioita, ja on hyödyllistä tietää, miksi sitä tarvitaan. Demagnetoinnin suorittamiseen on useita tekniikoita, joista yksinkertaisin on se, että kun tehovaiheen kytkin on pois päältä, demagnetointivirta syötetään takaisin diodille erillisen apukäämin kautta. Tämä piiri rajoittaa PWM:n maksimityösyklin 50 prosenttiin, mutta monimutkaisempia menetelmiä voidaan käyttää suurempien työsyklien mahdollistamiseksi.

Transformaattoreita tai muita galvaanisia eristysmenetelmiä (kuten optokytkimiä) käytetään usein informaatiosignaalien välittämiseen ensiö- ja toisiopuolen välillä. Tätä tarvitaan muuntoprosessin monimutkaisemman ohjauksen helpottamiseksi – jolloin primääripuolella sijaitseva ohjauspiiri voi reagoida sekundääripuolen kuorman tilaan ja muuttaa dynaamisesti sitä, miten se ohjaa virtaa alhaisemman kohinan ja suuremman hyötysuhteen saamiseksi.

Lähtöpiirit
Kuten suodatusta käsittelevässä jaksossa mainittiin, sähkökentät passiivisissa reaktiivisissa (varastointi-) elementeissä, kuten kondensaattoreissa ja induktoreissa, varastoivat energiaa. Kun niitä käytetään varauksenohjauksen tasasuuntauksen jälkeen, ne toimivat energiavarastona vaihtelevan tulotehosyklin aikana. Tämä on elintärkeä elementti muuntimessa, koska tämä energiavarasto toimii energialähteenä, joka mahdollistaa tasaisen lähtöjännitteen vaihtelevissa kuormitusolosuhteissa. Aktiiviset elementit havaitsevat kuormaan syötetyn jännitteen ja/tai kuormaan kulkevan virran ja käyttävät tätä tietoa negatiivisen takaisinkytkennän ohjaussilmukassa säätääkseen näihin varastointielementteihin pumpattua energiaa, jotta lähtöjännitetaso pysyy vakiona. Tämä pumppausprosessi käyttää aktiivisia elementtejä kytkemään varastointielementteihin virtaavan virran päälle ja pois, mihin viitataan sääntelyn laajalla käsitteellä.

Sääntely
Kuormituspiirille on saatava vakiojännite kuorman dynaamisesta impedanssista riippumatta. Ilman tätä voi esiintyä yli- tai alijännitetilanteita, jotka johtavat piirin virheelliseen käyttäytymiseen tai jopa piirin vaurioitumiseen. Tämä pätee erityisesti matalajännitteisessä digitaalisessa elektroniikassa, jossa syöttöjännitteet on rajoitettava tiukasti muutaman prosentin ikkunan sisällä nimellisarvosta. Reaktiivisilla elementeillä ei ole mitään sisäänrakennettua ohjausta tähän. Tapa, jolla AC/DC-muuntimella saavutetaan tiukasti kontrolloitu lähtöjännitteen ikkuna, on alhaisen impedanssin reaktiiviseen varastointilähteeseen varastoituneen energian ehdollinen hallinta.

Jännitteen ulostulo muuttuu ajan myötä, kun näistä elementeistä tyhjennetään tehoa, ja siinä voi olla myös vaihtelua, joka johtuu laitteiden epäideaalisista ominaisuuksista – kuten sarjavastuksesta tai loiskapasitanssista. Tarvitaan jonkinlainen dynaaminen ohjaus tämän lähteen lataamiseksi. Tätä kutsutaan säätämiseksi. Kuormat, kuten mikroprosessorit, muuttavat tarvitsemaansa tehoa suorittaessaan erilaisia toimintoja, ja tämä pahentaa aktiivisen dynaamisen säädön tarvetta.

Säädön ohjaus on takaisinkytkentäpiiri, joka ohjaa kytkinelementtejä. Tässä tapauksessa kytkentäelementti on muuntimen ensiöpuolella. Jotta kytkin olisi tehokas, sen on oltava joko tiukasti PÄÄLLÄ (pienin mahdollinen impedanssi) tai tiukasti POIS (suurin mahdollinen impedanssi) – koska välitilat johtavat siihen, että kytkimen läpi kulkeva teho haihtuu ja menee hukkaan. Puolijohdekytkimet, kuten MOSFETS, eivät ole ihanteellisia ja niillä on jonkin verran impedanssia, ne hukkaavat energiaa ja tämä alentaa muuntamisen tehokkuutta.

On vain kaksi tapaa ohjata kytkintä , vaihtelemalla kytkimen työjaksoa päälle tai pois päältä, jota kutsutaan pulssinleveysmodulaatioksi (PWM), tai ohjaamalla päälle- tai pois päältä olon taajuutta. Non-Resonant Mode-muuntimet käyttävät kovaa kytkentätekniikkaa, mutta Resonant Mode-muuntimet käyttävät älykkäämpää pehmeää kytkentätekniikkaa. Pehmeä kytkentä tarkoittaa vaihtovirran aaltomuodon kytkemistä päälle tai pois päältä nollajännite- tai nollavirtapisteissä, mikä eliminoi kytkentähäviöt ja johtaa erittäin tehokkaisiin arkkitehtuureihin. Tekniikat, kuten synkroninen tasasuuntaus, korvaavat tasasuuntausdiodit aktiivisilla kytkentäelementeillä, kuten MOSFETSillä. Kytkennän ohjaaminen synkronoituna syötettävän vaihtovirran aaltomuodon kanssa mahdollistaa MOSFET:n johtamisen hyvin pienellä ON-vastuksella ja pienemmällä jännitehäviöllä oikeaan aikaan – mikä johtaa korkeampaan hyötysuhteeseen verrattuna dioditasasuuntaukseen.

Miten säätöpiiri tietää, milloin kytkeä? Säätötilassa on kaksi periaatteellista menetelmää: jännitteen ohjaus ja virran ohjaus. Säätimet käyttävät yhtä tai molempien menetelmien yhdistelmää kuormituspiirille esitetyn jännitteen säätämiseen.

Jännitteen säätötila

Säätöpiiri havaitsee lähtöjännitteen, vertaa sitä referenssijännitteeseen virhetoiminnon luomiseksi. Virhesignaali muuttaa kytkentäsuhdetta, jotta lähtö saadaan lähemmäksi haluttua tasoa. Tämä on yksinkertaisin säätömenetelmä.

Virtasäätötila

Kaikki lähtöjännite ja induktorivirta aistitaan ja niiden yhdistelmää käytetään käyttöasteen säätöön. Tämä sisäinen ”virran tunnistussilmukka” mahdollistaa nopeamman vasteajan kuorman muutoksiin, mutta se on monimutkaisempi kuin jännitteensäätötila.

Säätöelementin lisäksi säätömenetelmän lisäksi tapaa, jolla taajuusmuuttaja toimii kommutointisyklinä, kutsutaan jatkuvaksi tai epäjatkuvaksi toimintatavaksi. Jatkuva toimintatapa on sellainen, jossa induktorivirta ei koskaan laske nollaan (jos muuntimen topologiassa on sellainen). Tämä on alhaisempi ulostulon aaltoilu ja siten alhaisempi kohina, mutta koska induktori on aina johtava, se hukkaa aina jonkin verran energiaa epäideaalisiin sarjajohtumishäviöihin. Epäjatkuvassa tilassa induktorin virran annetaan mennä nollaan, jolloin kuorma saa energiaa varastokondensaattoreista. Tämä on korkeamman hyötysuhteen toimintatapa, mutta siinä on mahdollisesti enemmän aaltoilua ja huonompi säädönhallinta.

Muuntimien tyypit
Kuten lyhyesti mainittiin, on olemassa useita muuntimien topologiaan liittyviä muuntimien tyyppejä, mukaan lukien flyback- ja buck- flyback-arkkitehtuurit. Nämä ovat yleisiä topologioita, koska ne sisältävät muuntajia, niissä on vähän komponentteja ja ne voivat olla edullisia muihin vaihtoehtoihin verrattuna. Flyback-muuntimet ovat buck-boost-muuntimia (step-up/step down), joissa induktori on korvattu muuntajalla. Muuntajan sisälle varastoitua energiaa käytetään toisiopuolen kommutointiin aktiivisen tai passiivisen tasasuuntauspiirin avulla. Yleisimmin käytetyssä flyback-muuntimessa käytetään epäjatkuvaa tilaa (DCM) – jolloin muuntajassa kulkeva virta laskee nollaan – koska tämä on tyypillisesti yksinkertaisin ohjaussilmukka ja edullisin. Jatkuvan virran moodin (CCM) flyback-muuntimia tarvitaan suurempia tehotasoja varten, mutta ne aiheuttavat suurempia muuntajan käämihäviöitä jatkuvan johtamisen vuoksi. Monet virtalähteet vaihtavat tilojen välillä kuormitustasosta riippuen. Kvasiresonantti (QR) ja laaksokytkentä/muuttuvan taajuuden muunnokset flyback-topologiasta ovat monimutkaisempia piirejä, jotka optimoivat, milloin ja miten kytkentä tapahtuu tehokkuuden parantamiseksi. QR flyback saavuttaa tämän kierrättämällä epäideaalisten vuotoinduktanssien energiaa, ja laaksokytkentä vähentää yliaaltojen aiheuttamia piikkejä. Niitä käytetään tyypillisesti pienitehoisissa sovelluksissa.