AC/DC átalakítók

Az áramkörök gyakran igényelnek integrált AC áramforrást, mint optimális stratégiát a méret és a költségek csökkentése vagy az alkalmazásspecifikus igények miatt. Az átalakítással kapcsolatos kulcsfogalmak és a rendelkezésre álló gyakorlati alternatívák megértése jó kezdet a sikeres tervezéshez.

Safety First!
Ha a váltakozó áramú forrás egy hálózati aljzat, nagy gondot kell fordítani arra, hogy a megvalósítás biztonságosan használható legyen. Ezt az alrendszert kivétel nélkül képzett szakembernek kell megterveznie és megvalósítania. Ha lehetséges, használjon előre jóváhagyott, készleten lévő dugaljcsomagot.

A megfelelés kötelező!
Ha valamit hálózati dugaljba csatlakoztat, annak meg kell felelnie az adott ország törvényes tanúsítási szabványainak. Sőt, még ennél is több, tesztelni és tanúsítani kell, hogy megfeleljen ennek a követelménynek – ez egy költséges folyamat. Ez biztosítja, hogy biztonságos legyen, ne zavarja a többi embert, és ne okozzon zajt a váltakozó áramú főhálózati vezetékekben.

Mi az AC/DC átalakító?
A villamos energia vezetéken vagy egyenáram (DC) formájában, amely egy irányba áramlik nem rezgő állandó feszültséggel, vagy váltakozó áram (AC) formájában, amely rezgő feszültség hatására előre-hátra áramlik. A váltakozó áram a domináns áramszállítási módszer, mivel számos előnyt kínál az egyenárammal szemben, többek között az alacsonyabb elosztási költségeket és a transzformátor feltalálásának köszönhetően a feszültségszintek közötti átváltás egyszerű módját. A nagyfeszültségen nagy távolságokra továbbított, majd alacsonyabb feszültségre átalakított váltakozó áram hatékonyabb és biztonságosabb áramforrás az otthonokban. A nagyfeszültség a helytől függően 4 kV-tól (kilovolt) egészen 765 kV-ig terjedhet. Emlékeztetőül, a váltakozó áramú hálózat az otthonokban 110V és 250V között mozog, attól függően, hogy a világ melyik részén él. Az Egyesült Államokban a tipikus váltakozó áramú fővezeték 120V.

A váltakozó áramot az átalakítók – mivel a feszültsége is váltakozik – reaktív impedanciaelemekbe, például induktivitásokba (L) és kondenzátorokba (C) irányítják, ahol tárolják és beépítik. Ez a folyamat szétválasztja a pozitív és negatív potenciálokhoz tartozó teljesítményt. A tárolt energia kisimítására szűrőket használnak, ami egyenáramú forrás létrehozását eredményezi más áramkörök számára. Ez az áramkör sokféle formát ölthet, de mindig ugyanazokból az alapvető elemekből áll, és egy vagy több átalakítási lépcsővel rendelkezhet. Az 1. ábrán látható átalakítót “forward converter”-nek nevezik, amely nagyobb hatékonyságú, mint egy valamivel egyszerűbb felépítésű; egy “flyback converter”. Bár nem tárgyaljuk részletesen, a flyback átalakító abban különbözik az előreirányú átalakítótól, hogy működése az áramkörben lévő transzformátor légrésében tárolt energiától függ. Ettől a különbségtől eltekintve ugyanazokat az alapvető blokkokat használhatják.

1. ábra: Az előreváltó AC/DC tápegység funkcionális blokkdiagramja

Bemeneti szűrőblokk
A bemeneti szűrő azért fontos, mert megakadályozza, hogy a tápegység kapcsolóelemeiben keletkező zaj visszajusson a hálózati tápegységre. Azt is megakadályozza, hogy a hálózati tápegységen esetleg megjelenő zaj a későbbi áramkörökbe kerüljön. A szűrő átengedi az 50/60 Hz-es hálózati frekvenciát, és csillapítja az esetlegesen jelenlévő magasabb frekvenciájú zajokat és felharmonikusokat. A váltakozó áramú egyenáramú átalakító más részeihez hasonlóan a reaktív elemek, például a kondenzátorok és induktivitások a frekvenciaszelektív elnyomás fontos szerepét töltik be. A kondenzátorok nem engedik át az egyenáramot, és sorban (egyenáramot blokkoló “magas átjárású szűrő” elemként) vagy párhuzamosan (a magas frekvenciák földelésre való átirányítására, megakadályozva azok átjutását az átalakítóba) használhatók.

A bemeneti szűrőblokk jellemzően tartalmaz egy feszültségfüggő ellenállást vagy varisztort is, hogy megakadályozza, hogy az elektromos hálózaton a magas feszültségcsúcsok károsítsák a tápegységet. Ez az a téglalap alakú doboz, amelyen átlós vonal halad át a bemeneten az 1. ábrán. A varisztor leggyakoribb típusa a fémoxid-varisztor (MOV). Bármilyen, az eszköz “szorítófeszültségét” meghaladó feszültség hatására az MOV vezetőképessé válik, így a nagyfeszültségű tüskét átirányítja és elnyomja a túlfeszültséget.

Rektálás
A legegyszerűbb AC/DC átalakítók egy transzformátorból állnak, amely a bemeneti szűrést követi, majd egyenirányítóra kerül, hogy egyenáramot állítson elő. Ebben az esetben az egyenirányítás a transzformátor után történik, mivel a transzformátorok nem vezetnek át egyenáramot. Sok AC/DC átalakító azonban kifinomultabb, többlépcsős átalakító topológiát használ, amint azt az 1. ábra mutatja, a kisebb transzformátorigény és a hálózati tápegységre visszavezetett kisebb zaj előnyei miatt.

Az egyenirányítók olyan félvezető eszközökkel valósulnak meg, amelyek feltételesen csak egy irányban vezetik az áramot, mint a diódák. A kifinomultabb félvezető egyenirányítók közé tartoznak a tirisztorok. A szilíciumvezérlésű egyenirányítók (SCR) és a váltakozóáramú trióda (TRIAC) a relékhez hasonlóak, mivel egy kis mennyiségű feszültség képes egy nagyobb feszültség és áram áramlását vezérelni. Ezek úgy működnek, hogy csak akkor vezetnek, ha egy vezérlő “kaput” egy bemeneti jel indít be. Az eszköz megfelelő időben történő be- vagy kikapcsolásával a váltakozó áramú hullámforma áramlásakor – az áramot úgy irányítják, hogy egyenáramú elválasztást hozzanak létre. Számos áramkör létezik erre a célra, az AC hullámformáról lecsapolt jelekkel, amelyeket vezérlőjelként használnak, amelyek beállítják a tirisztorok be- vagy kikapcsolt fáziskvadránsát. Ez a kommutáció, és lehet természetes (egy egyszerű dióda esetében) vagy kényszerített, mint a kifinomultabb eszközök esetében.

A nagy hatékonyságú tápegységek aktív eszközöket, például MOSFET-eket használhatnak kapcsolóként az ilyen áramkörökben. A bonyolultabb topológiák használatának oka általában a hatékonyság javítása, a zaj csökkentése vagy a teljesítményszabályozás. A diódáknak saját feszültségesésük van rajtuk, amikor vezetnek. Ez azt okozza, hogy teljesítményt veszítenek bennük, de más aktív elemek sokkal kisebb eséssel és ezért kisebb teljesítményveszteséggel rendelkezhetnek. Az SCR és TRIAC áramkörök különösen gyakoriak az olyan alacsony költségű teljesítményszabályozó áramkörökben, mint az alábbi fényerőszabályozó példa – a bemeneti hálózat váltakozásával a terheléshez szállított áram közvetlen irányítására és szabályozására használják. Vegye figyelembe, hogy ezek a megvalósítások nem galvanikusak, ha nincs transzformátor az áramkörben – csak olyan áramkörökben hasznosak, amelyek megfelelőek, mint a közvetlen hálózatra csatlakoztatott fényvezérlés. Ezeket a nagy teljesítményű ipari és katonai tápegységekben is használják, ahol az egyszerűség és a robusztusság elengedhetetlen

2. ábra: SCR-alapú átalakítás

Teljesítménytényező-korrekció (PFC)
Ez az átalakító legbonyolultabb aspektusa, amelyet meg kell érteni. A PFC lényeges elem az átalakító hatékonyságának javításában azáltal, hogy az optimális teljesítménytényező fenntartása érdekében korrigálja a felvett áram és a feszültség hullámformájának relatív fázisát. Ez csökkenti a “reaktív terhelés” jellemzőit, amelyet az átalakító egyébként a hálózati tápellátás felé mutathat. Ez elengedhetetlen a jó minőségű, hatékony elektromos hálózatok fenntartásához, és az áramszolgáltatók akár speciális reaktíváram-tarifákat is kivethetnek a rossz teljesítménytényezővel rendelkező ügyfelekre. A passzív vagy aktív PFC arra utal, hogy aktív vagy passzív elemeket használnak-e a fázisviszonyok korrigálására. A félvezető PFC utalhat olyan speciális célú IC-kre, amelyek integrált vezérlőkkel rendelkeznek, amelyek a PFC áramkör aktív felügyeletére és beállítására vannak szabva, csökkentve az alkatrészek számát és egyszerűsítve a teljes tervezést, miközben nagyobb teljesítményt érnek el. Ezek más funkciókat is tartalmazhatnak, mint például túl/alulfeszültség-védelem, túláram-védelem, lágy indítás és hibaérzékelés/reakció.

Az 1. ábrán látható átalakító egyfokozatú PFC átalakító. Az ebben a szakaszban lévő kondenzátor a fokozat pulzáló bemeneti teljesítménye és viszonylag állandó kimeneti teljesítménye közötti kiegyensúlyozatlan energia tárolására szolgál. További részletekért lásd a “Reaktív energia tárolása” című szakaszt. Általában kétfokozatú PFC átalakítókat használnak, mivel nem kell olyan széles feszültségtartományt kezelniük a tárolókondenzátoron, amelyet az univerzális tápegységekben kapnak, ami hátrányosan befolyásolja a konverziós hatékonyságot. Emellett jobb kompromisszumokat kínálnak a kondenzátor méretét illetően, és ez segíthet a költségek csökkentésében.

Teljesítményfokozat
A teljesítményfokozat szabályozza a primerről a transzformátoron keresztül a szekunder oldalra szállított teljesítményt. Egy aktív kapcsolóeszközből áll, amely magas frekvencián kapcsol, amely több száz kHz-es lehet. A kapcsoló ON/OFF állapotát egy impulzusszélesség-modulációs (PWM) bemenet vezérli, amely attól függően változik, hogy mekkora teljesítményt kell dinamikusan leadni a terhelésnek. Ezt az információt a szekunder oldalról egy visszacsatolási útvonalon keresztül kapjuk, amelyet számos technikával lehet közölni, amelyek alkalmazkodnak az átalakító szigetelési követelményeihez. A magasabb frekvenciájú kapcsolás kisebb transzformátorigényt eredményez, ami csökkenti a méretet és a költségeket.

Transzformátor
A transzformátor közös magra tekert vezetékekből áll, amelyek elektromágneses indukcióval kapcsolódnak egymáshoz. Ez fontos a nagyfeszültségű (hálózati) forrásokhoz való csatlakoztatáskor – ezt nevezik “off-line” átalakításnak, mivel az induktív csatolás leválasztja a hálózatot a későbbi áramkörről, ami sokkal biztonságosabb forgatókönyv, mint a közvetlen csatlakozás. Ez a közvetlen rézáramkör helyett elektromágneses mező általi kapcsolás, az úgynevezett “galvanikus leválasztás” a transzformátorok mágneses mezőjének áramvonalaiban tárolt energiára korlátozza azt a maximális energiát, amely áramütést vagy veszélyes szikrázó kisülést okozhat. A transzformátor energiatárolási képessége (a mérettel és az anyagokkal összefüggésben) fontos szempont az átalakítók tervezésénél, mivel ez határozza meg, hogy a transzformátor mennyire képes a kívánt feszültségpotenciál fenntartásához szükséges energiát biztosítani változó terhelési körülmények között.

A transzformátor elméletének és működésének részletei itt találhatók.

Az 1. ábrán található egy “Mag Amp Reset” nevű blokk, amely a transzformátor demagnetizálásához kapcsolódik az architektúrában rejlő mágnesezési áram miatt. E nélkül a maganyag remanenciája a teljesítményfokozat PWM néhány ciklusa alatt telítené azt. Bár túl bonyolult ahhoz, hogy ebben a bemutatóban tárgyaljuk, ez a kiegészítő áramkör nagyon zavaró lehet az átalakító áramköri rajzainak áttekintésekor, és hasznos tudni, hogy miért van rá szükség. Számos technika létezik a demagnetizálás elvégzésére, a legegyszerűbb, hogy amikor a teljesítményfokozat kapcsolója ki van kapcsolva, a demagnetizáló áramot egy külön segédtekercsen keresztül dióda táplálja vissza. Ez az áramkör 50%-ra korlátozza a maximális PWM-üzemmódot, de bonyolultabb módszerek is alkalmazhatók a nagyobb üzemi ciklusok lehetővé tételére.

A primer és a szekunder oldal közötti információs jelek továbbítására gyakran használnak transzformátorokat vagy más galvanikus leválasztási módszereket (például optocsatlakozókat). Erre azért van szükség, hogy megkönnyítsék az átalakítási folyamat bonyolultabb vezérlését – lehetővé téve, hogy a primer oldalon elhelyezkedő vezérlőáramkör reagáljon a szekunder oldali terhelés állapotára, és dinamikusan megváltoztassa az áram irányításának módját, hogy alacsonyabb zajt és nagyobb hatékonyságot érjen el.

Kimeneti áramkörök
Amint a szűrési szakaszban említettük, az elektromos mezők a passzív reaktív (tároló) elemekben, például a kondenzátorokban és induktivitásokban energiát tárolnak. Ha a töltésirányító egyenirányítás után használják őket, a váltakozó bemeneti teljesítményciklus alatt energiatárolóként működnek. Ez létfontosságú elem egy átalakítóban, mivel ez az energiatárolás forrásként működik – lehetővé téve az állandó kimeneti feszültséget változó terhelési feltételek mellett. Az aktív elemek érzékelik a terhelésre adott feszültséget és/vagy a terhelésbe áramló áramot, és egy negatív visszacsatolású szabályozási hurokban ezt az információt használják fel az ezekbe a tárolóelemekbe pumpált energia beállítására, hogy állandó kimeneti feszültségszintet tartsanak fenn. Ez a szivattyúzási folyamat aktív elemeket használ a tárolóelemekbe áramló áram be- és kikapcsolására, amelyre a szabályozás tág fogalmával utalunk.

Szabályozás
A terhelő áramkörnek állandó feszültségre van szüksége, függetlenül a terhelés dinamikus impedanciájától. E nélkül túl- vagy alulfeszültségi állapotok léphetnek fel, ami hamis áramköri viselkedéshez vagy akár áramköri károsodáshoz vezethet. Ez különösen igaz az alacsony feszültségű digitális elektronikára, ahol a tápfeszültségeket a névleges érték néhány százalékos ablakán belül kell szorosan korlátozni. A reaktív elemek nem rendelkeznek ennek beépített szabályozásával. Az AC/DC átalakító úgy éri el a kimeneti feszültség szorosan szabályozott ablakát, hogy feltételesen szabályozza az alacsony impedanciájú reaktív tárolóforrásban tárolt energiát.

A kimeneti feszültség idővel változik, ahogy a teljesítmény lemerül ezekből az elemekből, és az eszközök nem ideális jellemzői – például a soros ellenállás vagy a parazita kapacitás – által okozott eltérések is előfordulhatnak. Valamilyen dinamikus szabályozásra van szükség e forrás feltöltéséhez. Ezt nevezzük szabályozásnak. Az olyan terhelések, mint a mikroprocesszorok, a különböző műveletek végrehajtása során változtatják az általuk igényelt teljesítményt, és ez fokozza az aktív dinamikus szabályozás szükségességét.

A szabályozásvezérlés egy visszacsatoló áramkör, amely a kapcsolóelemeket vezérli. Ebben az esetben a kapcsolóelem az átalakító primer oldalán van. Ahhoz, hogy egy kapcsoló hatékony legyen, vagy keményen BE (a lehető legkisebb impedancia) vagy keményen KI (a lehető legnagyobb impedancia) kell lennie – mivel a köztes állapotok a kapcsolón áthaladó teljesítmény elvesztéséhez és pazarlásához vezetnek. A félvezető kapcsolók, mint például a MOSFETS, nem ideálisak, és némi impedanciát mutatnak, energiát veszítenek, és ez csökkenti az átalakítás hatékonyságát.

Csak két módja van a kapcsoló vezérlésének , a kapcsoló be- vagy kikapcsolási ciklusának változtatásával, az úgynevezett impulzusszélesség-moduláció (PWM) vagy a be- vagy kikapcsolás frekvenciájának vezérlése. A nem rezonáns üzemmódú átalakítók kemény kapcsolási technikákat alkalmaznak, de a rezonáns üzemmódú átalakítók egy intelligensebb lágy kapcsolási technikát alkalmaznak. A lágy kapcsolás azt jelenti, hogy a váltakozó áramú hullámformákat nulla feszültség- vagy nulla árampontokban kapcsolják be vagy ki, kiküszöbölve a kapcsolási veszteségeket és nagyon magas hatásfokú architektúrákat eredményezve. Az olyan technikák, mint a szinkron egyenirányítás, az egyenirányító diódákat aktív kapcsolóelemekkel, például MOSFETS-ekkel helyettesítik. A bemeneti váltakozó áramú hullámformával szinkronizált kapcsolás vezérlése lehetővé teszi, hogy a MOSFET nagyon alacsony bekapcsolási ellenállással és kisebb feszültségeséssel vezessen a megfelelő időben – ami a diódás egyenirányításhoz képest nagyobb hatásfokot eredményez.

Hogyan tudja a szabályozási áramkör, hogy mikor kell kapcsolni? A szabályozási módnak két elvi módszere van: a feszültségszabályozás és az áramszabályozás. A szabályozók a két módszer egyikét vagy kombinációját használják a terhelőáramkörnek bemutatott feszültség szabályozására.

Feszültségszabályozási mód

A szabályozási áramkör érzékeli a kimeneti feszültséget, összehasonlítja azt egy referenciafeszültséggel, hogy hibafüggvényt hozzon létre. A hibajel módosítja a kapcsolási arányt, hogy a kimenetet közelebb hozza a kívánt szinthez. Ez a legegyszerűbb szabályozási módszer.

Áramszabályozási mód

Mind a kimeneti feszültséget, mind az induktoráramot érzékeli, és a kombinációt a munkakapcsolat szabályozására használja. Ez a belső “áramérzékelő hurok” gyorsabb reakcióidőt tesz lehetővé a terhelésváltozásra, de bonyolultabb, mint a feszültségvezérlési mód.

A szabályozási elemet tovább bonyolítja, hogy a vezérlés módján túlmenően az átalakító kommutációs ciklusként való viselkedését folyamatos vagy diszkontinuus üzemmódnak nevezzük. A folyamatos üzemmód az, ahol az induktoráram soha nem esik nullára (ha az átalakító topológiája rendelkezik ilyennel). Ez egy alacsonyabb kimeneti hullámosságú és ezért alacsonyabb zajszintű üzemmód, de mivel az induktor mindig vezet, mindig elveszt némi energiát a nem ideális soros vezetési veszteségekben. A diszkontinuus üzemmódban az induktor áramát hagyják nullára menni, így a terhelés energiát kap a tárolókondenzátorokból. Ez egy magasabb hatásfokú üzemmód, de potenciálisan több hullámzással és rosszabb szabályozási vezérléssel jár.

Átalakító típusok
Amint azt röviden érintettük, többféle átalakító típus létezik a topológiájukkal kapcsolatban, beleértve a flyback és a buck- flyback architektúrákat. Ezek gyakori topológiák, mivel transzformátorokat tartalmaznak, alacsony alkatrészszámmal rendelkeznek és más lehetőségekhez képest alacsony költségűek lehetnek. A flyback átalakítók egy buck-boost átalakító (step-up/step down), ahol az induktort transzformátorral helyettesítik. A transzformátorban tárolt energiát a szekunder kommutálására használják egy aktív vagy passzív egyenirányító áramkörön keresztül. A flyback átalakító leggyakoribb típusa a diszkontinuus üzemmódot (DCM) használja – a transzformátorban folyó áram nullára csökken -, mivel jellemzően ez a legegyszerűbb szabályozási hurok és a legalacsonyabb költség. A folyamatos áramú üzemmódú (CCM) flyback átalakítókra nagyobb teljesítményszintek esetén van szükség, de a folyamatos vezetés miatt nagyobb transzformátor-tekercselési veszteségeket eredményeznek. Sok tápegység a terhelési szinttől függően váltogat az üzemmódok között. A kvázi rezonáns (QR) és a völgykapcsolás/változó frekvenciájú változatok a flyback topológián bonyolultabb áramkörök, amelyek optimalizálják, hogy mikor és hogyan történik a kapcsolás a hatékonyság javítása érdekében. A QR flyback ezt a nem ideális szivárgási induktivitások energiájának újrahasznosításával éri el, a völgykapcsolás pedig csökkenti a túllövés okozta tüskéket. Ezeket jellemzően kis teljesítményű alkalmazásokban használják.