2. F´ elvezet˝ o eszk¨ oz¨ ok 47
2.3. Egyenir´ any´ıt´ as di´ od´ aval
Az eur´opai elektromos energiaell´at´asi h´al´ozat 50Hz-es frekvenci´aj´u, k¨ozel szinuszos v´ alta-koz´o fesz¨ults´eggel ¨uzemel. Ennek oka, hogy a fesz¨ults´eg´atalak´ıt´ast a nagy teljes´ıtm´eny˝u rendszerekben transzform´atorokkal k¨olts´eghat´ekonyan meg lehet oldani. Egyenfesz¨ ult-s´eg eset´en a feladat nehezebben kezelhet˝o, ez´ert m´eg az elektromos h´al´ozatok h˝oskor´aban kiv´etel n´elk¨ul minden¨utt a v´altakoz´o fesz¨ults´eg˝u rendszerek terjedtek el. Az ¨osszetett, kis teljes´ıtm´eny˝u ´aramk¨or¨ok ezzel szemben egyenfesz¨ults´eget ig´enyelnek. A di´od´ak el-s˝odleges alkalmaz´asa az egyenfesz¨ults´egre val´o ´atalak´ıt´as els˝o l´ep´ese. Az al´abbiakban ennek k¨ul¨onb¨oz˝o lehet˝os´egeit tekintj¨uk ´at. Az egyenfesz¨ults´eget, mint egy rendszert el-l´at´o
”t´apfesz¨ults´eget” el˝o´all´ıt´o eszk¨oz¨oket szok´asosan t´apegys´egeknek nevezz¨uk (ilyen egy mobilt¨olt˝o vagy a sz´am´ıt´og´epek bels˝o nagy hat´asfok´u t´apegys´ege is).
Ha egy di´od´at ´es egy ellen´all´ast sorba kapcsolunk, akkor az ellen´all´ason csak a
di-´
oda nyit´oir´any´aba folyhat az ´aram. Tekints¨uk bemenetn˝o fesz¨ults´egnek a di´oda ´es az ellen´all´as soros ered˝oj´en es˝o fesz¨ults´eget. A praktikus di´oda modellt haszn´alva, az el-len´all´ason es˝o fesz¨ults´eg (amit tekints¨unk
”kimeneti fesz¨ults´egnek”) vagy z´erus (ha nem folyik ´aram), vagy a bemenethez k´epest 0,6V-tal kevesebb (hiszen a di´od´an ´eppen a 0,6V-os nyit´ofesz¨ults´eg esik). A2.8 ´abra szeml´elteti ezt az egyszer˝u a kapcsol´ast, illetve a be- ´es kimen˝o fesz¨ults´eg k¨oz¨otti kapcsolatot.
2.8. ´abra. Egyszer˝u egyenir´any´ıt´o kapcsol´as, ahol a bemen˝o fesz¨ults´eg pozit´ıv ´ert´eke ese-t´en folyik ´aram az ellen´all´ason. A kimenet ekkor is legfeljebb a di´oda nyit´ofesz¨ults´eg´evel, k¨or¨ulbel¨ul 0,6V-tal alacsonyabb ´ert´ek˝u mint a bemenet.
Ha a bemenetre szinuszos fesz¨ults´eget kapcsolunk, ami a gyakorlatban gyakran egy transzform´ator szekunder tekercse, a kimenet a szinuszos jelek fels˝o fele, m´ınusz a nyi-t´ofesz¨ults´eg. Mindezeket a 2.9 ´abra szeml´elteti. Itt az ellen´all´as reprezent´alja azt az eszk¨ozt, aminek az egyenfesz¨ults´eg˝u t´apl´al´asra sz¨uks´ege van.
A2.8´abra kapcsol´as´aban h´atr´anyt jelent, hogy a szinuszos bemenetnek csak az egyik (itt pozit´ıv) fel´et haszn´aljuk ki, a m´asik ir´anyban (negat´ıv) a di´oda z´ar, azaz az
ellen-´
all´ason nem esik hasznos teljes´ıtm´eny. A szinuszos jel m´asik ir´any´at egy egyszer˝u, n´egy
2.9. ´abra. Egy transzform´ator v´altakoz´o fesz¨ults´eg´enek egyenir´any´ıt´asa, 1,5V-os ampli-t´ud´oj´u szekunder fesz¨ults´eg eset´en
di´od´ab´ol ´all´o kapcsol´assal, az ´ugynevezett Graetz-h´ıddal haszn´alhatjuk ki. A kapcsol´ast, illetve a kimen˝o fesz¨ults´eget a2.10 ´abra szeml´elteti.
Fontos apr´os´ag, hogy a traszform´atornak ez esetben egyik pontja sincs z´erus fesz¨ ult-s´egen, azaz a
”bemen˝o fesz¨ults´eget” ´ugy ´ertelmezz¨uk, mint a traszform´ator szekunder oldal´anak k´et pontja k¨oz¨otti fesz¨ults´eg. A di´od´ak ir´any´at megvizsg´alva l´athat´o, hogy egy adott f´elperi´odusban mindig egy p´ar (egym´assal szemben lev˝o) di´oda vezet, ´ugy, hogy az ellen´all´as fels˝o pontj´ara mindig pozit´ıv fesz¨ults´eg jut. A kimen˝o fesz¨ults´eg mindig k¨or¨ulbel¨ul 1,2V-tal, azaz a nyit´ofesz¨ults´eg k´etszeres´evel kisebb mint a bemen˝o fesz¨ults´eg pillanatnyi ´ert´eke.
2.10. ´abra. A Graetz-f´ele di´odakapcsol´assal megval´os´ıtott egyenir´any´ıt´as. A kimenet a transzform´ator szekunder fesz¨ults´eg´enek mind a pozit´ıv, mind a negat´ıv f´elhull´am´ara pozit´ıv fesz¨ults´eget ad. Jobb oldalon l´athat´o a kimen˝o fesz¨ults´eg, ami 1,2V-tal, azaz a di´oda nyit´ofesz¨ults´eg´enek k´etszeres´evel alacsonyabb a bemenetn´el. A bemen˝ofesz¨ ult-s´eg itt a szekunder tekercs k´et kivezet´ese k¨oz¨otti ´ert´ek, melyek k¨oz¨ul egyik sincs z´erus fesz¨ults´egen
A Graetz kapcsol´as annyira elterjedt, hogy elektronikai boltokban egyetlen tokban
¨ossze´all´ıtott, n´egy kivezet´eses, h˝ut´essel ell´athat´o alkatr´eszk´ent lehet megv´as´arolni, ´es ez´ert nem is ´erdemes fizikailag n´egy di´od´ab´ol megval´os´ıtani.
Az eddigiekben el´ert¨uk, hogy mindig adott ir´any´u a fesz¨ults´eg az ellen´all´ason, de ez egy er˝osen ingadoz´o (|sinωt| jelleg˝u) fesz¨ults´eg, ami nagyon messze van az ide´alis ´ al-land´o egyenfesz¨ults´egt˝ol. A helyzetet ´ugy jav´ıthatjuk, ha egy ar´anylag nagy kapacit´as´u Csz˝ur˝o ´ert´ek˝u sz˝ur˝okondenz´atort kapcsolunk p´arhuzamosan az R ´ert´ek˝u ellen´all´assal, a 2.11 ´abra szerint. A fesz¨ults´eg felfut´asakor a kondenz´ator felt¨olt˝odik, ´es valamennyire akkor is tartja a fesz¨ults´eget amikor az jelent˝osen cs¨okkenni kezd. A cs¨okken´est a 1.5.5 fejezetben l´atott m´odon az RC id˝o´alland´o hat´arozza meg, a kimeneti jel teh´at exponen-ci´alisan lecseng˝o darabokat is tartalmaz. A kimen˝o jelet a 2.11 ´abr´an (
”brumm-sz˝urt kimenet”) l´athatjuk. Ha aCsz˝ur˝o ´ert´eke nagy (azaz az id˝o´alland´o nagy), akkor a kimenet jobban k¨ozel´ıti az egyenfesz¨ults´eget. Ezt a fajta sim´ıt´ast, azaz a 100Hz-es frekvenci´aj´u, konstanshoz ad´od´o v´altoz´as cs¨okkent´es´et brumm-sz˝ur´esnek nevezik. A brumm kifejez´est (angolul a ripple sz´ot haszn´alj´ak) val´osz´ın˝uleg a transzform´atorh´azak jellegzetes m´ely hangja inspir´alhatta.
Az egyenir´any´ıt´as utols´o l´ep´ese a stabiliz´al´as, azaz amikor a 2.11 ´abr´an bemutatott kapcsol´as
”brumm-sz˝urt” kimenet´en megjelen˝o, k¨ozel´ıt˝o egyenfesz¨ults´egb˝ol tov´abbi n´ e-h´any V fesz¨ults´egveszt´es ´ar´an stabil, nagy pontoss´aggal konstans fesz¨ults´eget ´all´ıtunk el˝o. Ennek modern kapcsol´asokban nincs egyszer˝uen lerajzolhat´o verzi´oja. A m´odszer a k¨ovetkez˝o: el˝o´all´ıtunk egy referencia-fesz¨ults´eget (legt¨obbsz¨or egy Zener-di´od´aval). A kimenetet szab´alyozhat´ov´a tessz¨uk (a k´es˝obbiekben l´atott tranzisztorral, gyakorlatilag egy vez´erelhet˝o ´ert´ek˝u ellen´all´as), majd a kimenetet ´ugy szab´alyozzuk, hogy az nagy pontoss´aggal egyenl˝o legyen a referenci´aval. Erre a feladatra megb´ızhat´o, olcs´o, prec´ı-zi´os eszk¨oz¨oket lehet v´as´arolni, ami egyetlen alkatr´eszben tartalmazza a teljes stabiliz´al´o
´aramk¨ort. A legelterjedtebb verzi´ot mutatja a 2.11´abra, ahol egy 7812-es jel˝u eszk¨ozzel
´
all´ıtunk el˝o 12V-os stabil kimeneti fesz¨ults´eget egy 16V-os transzform´ator kimenet´eb˝ol (az eszk¨oz nev´eben a 12 a kimeneti fesz¨ults´egre utal, ´es 2013-as ´aron 30-50 Ft-´ert besze-rezhet˝ok 5 ´es 24V k¨oz¨ott t¨obbf´ele fix fesz¨ults´eg´ert´ekben).
Az egyenir´any´ıt´as fentiekben t´argyalt m´odszere egy jelent˝os h´atr´annyal rendelkezik.
A kimeneten megjelen˝o ´aram ´atlagosan mindig ugyanakkora mint amekkora a bemene-ten befolyik, a kimen˝o fesz¨ults´eg pedig mindig n´eh´any volttal kevesebb a bemenetn´el.
A rendszer hat´asfoka teh´at nem k¨ozel´ıti meg a 100%-ot alacsony kimeneti fesz¨ults´ e-gekn´el. Modern berendez´esekben ekkora hat´ekonys´ag-veszt´es nem optim´alis, nagyobb fesz¨ults´eg/´aram ´ert´ekekn´el jelent˝os lehet. Tekintve hogy maguk az ¨osszetett elektroni-kai eszk¨oz¨ok olcs´obbak lettek, kialakult az egyenir´any´ıt´o ´atalak´ıt´ok (t´apegys´egek) egy nagy hat´asfok´u oszt´alya, ezek az ´ugynevezett kapcsol´o¨uzem˝u t´apegys´egek. Mint l´atni fogjuk, ezeknek szerves alkot´or´esze egy igen gyors
”kapcsol´o”, amit f´elvezet˝okb˝ol val´ os´ı-tanak meg. Tekints¨uk ´at az egyik legalapvet˝obb elrendez´est a sok k¨oz¨ul, kiz´ar´olag arra koncentr´alva, hogy mik´eppen ´erhet˝o el a nagy hat´asfok.
A 2.12 ´abr´an l´athat´o a h´al´ozati fesz¨ults´egr˝ol kis egyenfesz¨ults´egre ´atalak´ıt´o kapcso-l´o¨uzem˝u t´apegys´eg ´aramk¨ori rajza. Az els˝o l´ep´es egy, a fentiekben m´ar l´atott
egyen-2.11. ´abra. Stabiliz´alt t´apegys´eg megval´os´ıt´asa. A Graetz-f´ele egyenir´any´ıt´as ut´an j´ol l´athat´o a brumm-sz˝ur´es a sz˝ur˝okondenz´atorral. A stabiliz´al´ast, ami egyben tov´abbi brumm-sz˝ur´est is jelent egy 7812-es jel˝u alkatr´esz seg´ıts´eg´evel lehet megoldani (ez esetben az R ellen´all´asra val´oj´aban nincs sz¨uks´eg).
ir´any´ıt´as, azzal a k¨ul¨onbs´eggel, hogy transzform´ator n´elk¨ul, azonnal egyenfesz¨ults´eget (k¨ozel 320V-ot!) ´all´ıt el˝o. Itt relat´ıve kicsi az energiavesztes´eg, hiszen az egyenir´any´ıt´ as-kor csak 1,2V veszik el (ami a 320-hoz k´epest kicsi), illetve kimarad a rossz hat´asfok´u transzform´ator is. A k´erd´es teh´at: a bemen˝o, k¨ozel egyenfesz¨ults´eg˝u brumm-sz˝urt 320V-b´ol hogyan lehet j´o hat´asfokkal lemenni kis fesz¨ults´egre? Vagy m´ask´eppen: hogyan lehet a kimeneti ´aramot (´atlagosan) nagynak tartani akkor is, ha a bemeneten (´atlagosan) ki-csi ´aram folyik? A megold´as l´enyegi r´esz´et a 2.12 ´abra szaggatott vonallal kiemelt r´esze szeml´elteti.
2.12. ´abra. Kapcsol´o ¨uzem˝u t´apegys´eg elvi fel´ep´ıt´ese. A h´al´ozati fesz¨ults´eget k¨ozvetlen¨ul egyenir´any´ıtjuk, ebb˝ol ad´odik a bemeneten 320V k¨or¨uli egyenfesz¨ults´eg. A kapcsol´o gyors ki- ´es bekapcsol´as´aval ind´ıtunk ´aramot a terhel˝o ellen´all´ason. Bekapcsol´askor a fesz¨ults´eg nagy r´esze az L tekercsen esik, kikapcsolt ´allapotban az ´aramot a D di´od´an kereszt¨ul az L tekercs tartja fenn. A k´et kondenz´ator az egyenfesz¨ults´eg sim´ıt´as´ara szolg´al
A (gyors) kapcsol´onak van egy z´art ´es egy nyitott ´allapota. Tegy¨uk fel hogy az L induktivit´as ´ert´eke nagy, teh´at az ´aram v´altoz´asa az eg´esz folyamat sor´an kicsi – a
tekercsen gyakorlatilag konstans ´aram folyik (de a fesz¨ults´eg lehet nagy, ak´ar negat´ıv is, eml´ekezz¨unk az U = LdI/dt k´epletre!). A kapcsol´ot r¨ovid id˝ore kapcsoljuk be. Ekkor az induktivit´ason esik a 320V nagy r´esze, hiszen a terhel´esen csak a kimen˝o kisfesz¨ults´eg esik (a D di´oda z´art). Az ´aram az induktivit´ason ar´anylag nagy lesz, ´ert´eke lassan emelkedik hiszen a fesz¨ults´eg jelent˝os pozit´ıv ´ert´ek. Egy id˝o ut´an (tipikusan n´eh´any milliomod m´asodperc ut´an!) kapcsoljuk ki a kapcsol´ot. Ebben a f´azisban t¨ort´enik a m˝uk¨od´es szempontj´ab´ol legfontosabb folyamat: a tekercs az ´aramot k¨ozel konstansra k´enyszer´ıti, azaz ´aramot k´enyszer´ıt ´at a terhel´esen is. Az ´aram a D di´od´an ´erkezik z´erus potenci´alr´ol, teh´at a tekercsen az ´arammal ellent´etes ir´any´u fesz¨ults´eg esik: a tekercs az
´
altala felvett energi´at a kapcsol´o nyitott ´allapot´aban lassan kiadja mag´ab´ol a terhel´es fel´e. A kapcsol´o jelent˝osen hosszabb ideig van nyitva mint z´arva, a 320V fel˝ol teh´at r¨ovid impulzusokban vesz¨unk ki nagy ´aramot. A kivett ´aram cs´ucs´ert´eke annyi mint ami a terhel´esen megjelenik, de fontos, hogy ´atlagos ´ert´eke alacsony, ´es ez a kulcsa annak hogy a rendszer j´o hat´asfok´u lesz.
A kapcsol´o¨uzem˝u t´apokn´al a gyors ki-be kapcsol´as alapvet˝o fontoss´ag´u, tipkusan 30-300kHz frekvenci´aval t¨ort´enik. Ennek oka, hogy ha r¨ovid ideig kell az induktivit´asnak az energi´at t´arolni, akkor kisebb lehet az ´ert´eke (olcs´obb). M´asik szempont, hogy itt is megjelenik a nagyfrekvenci´as
”brumm-sz˝ur´es” probl´em´aja, ez´ert ker¨ul kondenz´ator p´ ar-huzamosan a kimeneten l´ev˝o terhel˝o ellen´all´as mell´e. A kapcsol´o¨uzem˝u t´apok mostanra nagyon elterjedtek, a modern mobiltelefon t¨olt˝ok is ilyen rendszer˝uek, nem besz´elve az
¨osszes sz´am´ıt´astechnikai rendszerben haszn´alt t´apegys´egr˝ol. A kapcsol´o¨uzem˝u t´apegys´ e-gek egyik potenci´alis probl´em´aja ´eppen a nagyfrekvenci´as kapcsol´asb´ol sz´armazik: nagy teljes´ıtm´enyek gyors kapcsol´asakor er˝os elektronikus zaj keletkezik, ami r´adi´ohull´amokkal vagy h´al´ozati vezet´ekeken is terjedhet. 2000-es ´evek elej´en ezeket a probl´em´akat siker¨ult kik¨usz¨ob¨olni, ´es az ´arban, s´ulyban ´es hat´asfokban is kedvez˝obb kapcsol´o¨uzem˝u t´apok teljesen kiszor´ıtott´ak a klasszikus transzform´atoros rendszereket.
A fenti ´aramk¨or csak egy elvi p´elda, a gyakorlatban a kimenetet ´es a h´al´ozati fe-sz¨ults´eget az induktivit´as hely´ere tett transzform´atorral oldj´ak meg. A 1.5.7 fejezetben eml´ıtett 3−6W/cm2 teljes´ıtm´enyhat´ar 50Hz-es frekvenci´an ´erv´enyes. A kapcsol´ot´apok t¨obb 10-100 kHz-es frekvenci´aja a frekvenci´aval ar´anyosan cs¨okkenti a sz¨uks´eges kereszt-metszetet. A m´eretcs¨okken´es a s´ulyt ´es az anyagmennyis´eget - azaz a k´et jelent˝os ´ark´epz˝o faktort - is cs¨okkenti.