SKORI WEBLAPJA
Rezonáns kapcsolóüzemû tápegység III.
Rezonáns tápegység

Mielõtt belevágnék a közepébe: feltételezem, hogy az oldal kedves olvasója, az elõzõ kettõ, a rezonáns tápokról szóló leírásomat olvasta, ismeri, és érti is. (I.   II.)Emiatt nem fogok minden olyan részletre kitérni, amirõl már szó volt korábban - még akkor sem feltétlenül ha a mûködés megértéséhez szükséges.

Egy olyan tápegységen kezdtem el gondolkozni, ami alacsony feszültségrõl (10...14V) mûködik, és jó hatásfokkal állít elõ nagyobb feszültséget (jelen esetben 200V-ot). A felépítés tekintetében szóba jöhetõ megoldások:
- push-pull felépítés, középmegcsapolásos primer tekercsû transzformátorral
- félhíd felépítésû táp szimpla primer tekercsû trafóval
- teljes híd felépítésû táp szimpla primer tekercsû trafóval

A félhidas megoldás hátránya, hogy a primer tekercsre jutó feszültsége csak a tápfeszültség fele (6V), valamint a tekercsen és a kapcsolófeteken a tápból felvett áram duplája folyik. A jelenleg beszerezhetõ félvezetõkkel, ugyan megoldható a feladat, de a hatásfoka nem lesz olyan jó, mint amilyen lehetne... Ezen felül a félhíd kondenzátorai igen nagy igénybevételnek lennének kitéve, hiszen a primer tekercs meglehetõsen nagy árama ezeken folyna át. (150W teljesítmény esetén pl. 25A)
- A teljes híddal már jobb a helyzet, de itt mindig két feten folyik át a felvett áram, tehát a kisebb primer áram elõnyét elveszítjük azzal, hogy 2db helyett 4db fet fog fûteni...
- Pont a fenti hátrányok miatt szokták a push-pull topológiát alkalmazni ilyen alacsony feszültségek esetén, azonban ennek is vannak hátrányai: A transzformátor mágnesezési induktivitásában tárolódó energia, az éppen nyitott FET lezárásakor, a másik FETen keresztül vezetõdik el (vissza a tápba). Azonban a két fél-primer tekercs közötti csatolás tökéletlensége folytán, túlfeszültség keletkezik a lezáró FET-en, és ennek az energiának egy része veszendõbe megy (hõvé alakul a FET-en, vagy ha van beépítve: a snubberen). Ez a táp kapcsolási veszteségét növeli. Hasonló okból a rezonáns kialakítás is nehezen valósítható meg, a gyakorlatban nehezen kezelhetõ lengések, tranziensek keletkeznek a rezonáns megoldásban is, amik veszteséget okoznak.
Ezután elkezdtem átrendezni a push-pull kapcsolást, hogy valamilyen jobb elrendezést találjak:
- Szétválasztottam a két fél-primert
- Az egyik primert meghagytam a fet drain körében, a másikat azonban átraktam a source körbe. Az áramkör ettõl még ugyanolyan lenne mint a push-pull, de ilyenkor ha a fetek felváltva nyitnak, akkor azonos fázisú lesz a két primeren keletkezõ feszültség, csak DC potenciálkülönbség van közöttük.
- Ezt kihasználva, egy nagykapacitású kondenzátorral összekapcsolhatjuk a primereket, jel szempontjából párhuzamosan. Ezzel szinte megszüntetjük a két primer közötti szórást, és az azonos jel miatt a tekercsek közötti kapacitás sem okoz problémát. két legyet egy csapásra.
Skori konverter, ez egy kicsit átrendezve ugyanaz a rajz, mint az elõbb. Az elrendezést ránézésre olyan mint egy félhíd. Azonban megtartotta a push-pull elõnyeit. Ilyen kialakítás esetén már problémamentesen alkalmazható rezonáns megoldás is (szekunder oldali rezonáns kondenzátorokkal - melyek egyúttal feszültség-kétszerezõként mûködnek). A megoldás hátránya a fetek nehézkesebb meghajtása. Ez megkerülhetõ ha komplementer FET-párat használunk (egy N és egy P csatornás FET), ilyenkor egyszerû a meghajtás is, de megfelelõ paraméterû P csatornás FET nehezebben szerezhetõ be. A másik lehetõség a transzformátoros FET-meghajtás. Az elkészült deszkamodellben, ez utóbbi megoldást választottam...

A különféle megoldások elõnyeit-hátrányait bizonyára lehetne még elemezgetni, de engem a kíváncsiság is hajtott, vajon tényleg jó, illetve jobb-e ez a topológia mint az eddig ismert megoldások? Ennek kipróbálása céljából az itthon található "kacatokból" összedobtam az alábbi kapcsolást:

A kapcsolófetek gate-meghajtását egy 2 tranzisztorból álló oszcillátorra bíztam, ennek frekvenciáját a gate-meghajtó trafó, és a tápfeszültség határozza meg (gyak. a vasmag telítõdése, illetve a menetszámok). A kívánt frekvenciát ezért a trafó tekercseinek a menetszámával kísérleteztem ki (60kHz körülire sikeredett). A teljesítmény-trafó kissé ötletszerûen készült, történetesen egy korábbi kísérletbõl maradt... A rezonáns módot a Crez kondenzátorok cserélgetésével "lõttem be", oszcilloszkópon figyeltem a trafó szekunder áramát egy soros 1ohmos ellenálláson. A terhelés egy 230V/150W-os majd egy 230V/200W-os izzólámpa volt. A kimeneti feszültség, terhelt állapotban 200V körülire állt be, a hatásfok valahol 90...97% körül lehetett (sajnos a tápegységem és a mûszereim korlátozták a pontosabb mérést). A tápból felvett 11A...14A körüli áram esetén, a kapcsolófetek egy-egy aprócska hûtõbordát éppen meglangyosítottak, saccra 1..2W-ot fûthettek el.
A légszerelt deszkamodell kivitelére nem vagyok túl büszke :), de azért felteszek egy képet róla, hogy látható legyen: még egy ilyen összedobott változat is képes igen jól mûködni! Egy rendesen, nyákra megépített verziótól igen jó hatásfokot várhatunk. (katt a képre a nagyításhoz)

Az áramkör megépítését csak kísérletezõ kedvûeknek ajánlom, mert a fetmeghajtó belövése igényel némi gyakorlatot, és rejt némi buktatót az áramkör. Azonban ha sikerül összehozni akkor egy jól mûködõ kapcsolóüzemû tápot kapunk ami sokféle célra felhasználható. Pl. sokan építenek autós-tápokat erõsítõkhöz... Persze ha kettõs kimeneti feszültségre van szükség, akkor vagy 2db trafót kell használnunk, vagy egy eléggé sajátos tekercs elrendezést - ha a rezonáns mûködést biztosítani akarjuk. Persze ha lemondunk a rezonáns mûködés elõnyeirõl, akkor a szekunder oldal, a más hasonló (pwm) tápegységekben megszokott módon is felépíthetõ pl. graetz híddal, közép-kivezetéses szekunderrel, és kimeneti fojtótekercssel.
A fenti áramkörhöz még annyit, hogy ha megfelelõen építettük meg akkor a gatemeghajtó áramfelvétele max. 100mA, a konverter részé max. 150mA, tehát a teljes üresjárási áramfelvétel maximálisan 250mA lehet. Ha ennél több, akkor feltehetõleg valami probléma van az áramkörrel!

Skori@2012. május.
Felteszek még egy kapcsolási rajzot, amit kiegészítetem alacsony feszültség védelemmel. Ezzel kiegészítve az áramkört, csak akkor fog elindulni, ha a tápfeszültség terheletlen állapotban legalább kb. 12V (11,5V feletti). Ha a táp mûködik, és a tápfeszültség átlagértéke tartósan 10V alá csökken (kb. 9,5V küszöbfesz.), pl. mert kezd lemerülni az akku, akkor az áramkör lekapcsol. Ezt az áramköri részt csak szimulátorban teszteltem, élesben nem építettem hozzá a meglevõ konverterhez.

Az áramkör kimenetére rákapcsoltam egyszerre két izzólámpát (230V/150W + 230V/200W), és így kapcsoltasm rá a 12V-os akkumulátorra. Az izzólámpák szépen felizzottak. Az akksi, a felvett 24...25A-t csak rövid ideig tolerálta (használt akksi, szünetmentesbõl való 18AH-s), és az ideiglenesen berakott hõkioldó (bizti) is rövid idõ alatt lekapcsolt, de úgy tünt, hogy ez a teljesítmény sem probléma az áramkörnek.

Ha akad sikeres (vagy akár sikertelen) utánépítõ, akkor várok visszajelzéseket (mailcím lent).

Folyt. köv..
Miközben ide írok már elkészült a Rezonáns tápegység4-is, de kívánkozik ide némi kiegészítés (elsõsorban TGabor barátom kedvéért)! A Fetmeghajtó oszcillátor paraméterei (pl. berezgési készség, meghajtó jel meredeksége) néhány plusz alkatrész beépítésével javíthatók. Gábornak sikerült olyan alkatrész kombinációt összehozni, hogy nem indult el az oszcillátor. Ezt a problémát az alábbi rajzon szereplõ C6,C7 kondenzátor megoldja, azonban ugyanezt a két kondit beépítve, az én félvezetõ késztelemmel instabillá vált a FETmeghajtó oszcilátor. Az okokat keresve arra jutottam, hogy T3 és T4 a kondin keresztül túl nagy bázisáram-impulzusokat kaphat, de ha ezt egy-egy kicsi soros ellenállással (R3,R4) korlátozom akkor az oszcillátor stabil marad, de a kondiknak köszönhetõen meredekebb fel/le-futású négyszögjelet állít elõ. A kapcsolásba berajzoltam még egy apró módosítást, hogy egy kis áramú kapcsolóval lehessen indítani vagy leállítani. Lehetne külsõ 12V-al is távvezérelten indítani az áramkört, a piros X-el jelzett helyen megszakítva a tápfeszültséget, és erre a pontra vezetni a külsõ 12V-os tápfeszültséget. Íme a módosított kapcsolási rajz:

A módosítások hatását természetesen oszcilloszkóppal is ellenõriztem, íme néhány mérési eredmény, egyelõre részletesebb komment nélkül, csak annyit, hogy nekem tetszik, és ahoz is elég hogy az áramkör nagyon jó hatásfokkal mûködjön (ami egy ilyen deszkamodell esetén tulajdonképp nem is rossz...):
        
        
        
Az eredményekhez még annyit, hogy a méréskor csak 15W terhelés volt a kimeneten, ennek megfelelõen a rezonáns mûködést sem ellenõriztem ezen tesztelés alaltt - de mivel a korbábbi "deszakmodellt" alakítottam át, ennek most nem tulajdonítottam nagy jelentõséget. Így utólag nézve a képeket, jó lett volna olyan mérés is, ahol a gate és a drain feszültség egyszerre látszik, ill a kimeneti négyszög feszültség, és a hozzá tartozó áram hullámformája - talán majd legközelebb, ha megint rászánok erre egy kis idõt..
Skori
Vannak akik nem szeretik használni a transzformátoros fetmeghajtó megoldásokat, és el kell ismerni, hogy a sok elõnyös tulajdonsága mellett, vannak hátrányai is. Pl. nehéz azonos paraméterû vasmagokat beszerezni, és ki kell kísérletezni az adott vasmagra a menetszámokat, és még sorolhatnék néhány dolgot - de inkább az jöjjön amiért folytatást írok ide... A fenti konverter kapcsolások fõ hátránya a FETek nehezebb meghajtása, mivel itt az IR gyártmányú célIC-k (21531 és hasonlók), nem jöhetnek szóba. Azonban létezik más, igen ígéretes alternatíva: manapság már elfogadható áron, könnyen beszerezhetõk olyan optocsatolók, (tulajdonképpen inkább integrált áramköröknek kellene nevezni) amelyeknek a kimenete egy nagyáramú FETmeghajtó, a bemenete pedig tulajdonképpen egy LED, és kellõen gyors is azaz a kapcsolási sebessége (fel/lefutási ideje), és a késleltetési ideje is hozzámérhetõ egy "mezei" fetmeghajtó céláramkörhöz (tehát n*10ns...n*100ns tartományba esõ idõkrõl van szó). Ilyen (szinte ide kívánkozó) céláramkört felhasználva, a kapcsolás minden elõnyét ki lehet használni, azaz igen jó hatásfokú konverter építhetõ. Azonos tulajdonságú alkatrészeket feltételezve, a hatásfoka meghaladja a félhíd, a teljes híd, és a push-pull felépítésû átalakítók hatásfokát. Ráadásul a "felsõ oldali" fetmeghajtó tápfeszültségével sem kell külön foglalkozni, ugyanis az alapból jelen van primer tekercsek szórását áthidaló kondenzátorokon. Jöjjön egy elvi rajz a fentiekrõl:

A rajzon, a korábban leírtaknak megfelelõen átrendeztem az alkatrészeket, azaz a kondenzátoroknak a fetek közelében kell lennie, és ha muszáj messzebb vinni valamely alkatrészt, akkor inkább a transzformátor kivezetése legyen picit hosszabb, mint az elkók bekötése - azaz egy ugyanaz a skori-konverter, mint amit a cikk elején a 4. és 5. képen lehet látni, csak ott az áttekinthetõség volt a cél, itt pedig a valós elrendezéshez hasonlít jobban a kapcsolási rajz. Ezen a kapcsolási rajzon nem szerepel meghajtó oszcillátor, ez tetszés szerint, bármilyen, szigorúan szimmetrikus meghajtó jelelt elõállító kapcsolás lehet. A rajz szerinti bemenet váltakozó feszültségû meghajtást igényel, az RC tag pedig némi holtidõt visz be (a fetmeghajtó hiszterézises karakterisztikájú, tehát ez itt egyáltalán nem probléma). Természetesen a fetmeghajtók bemenete szétválasztható, és meghajtható bármely célICvel is, pl. a közismert TL494-el, vagy valamely más flip-flop kimenetû áramkörrel is. Jelen cikk írásakor rákerestem mekkora választék van "Gate Drive" kimenetû optocsatolóból a farnell-nél. A keresõ 143 találatot adott, ár szerint rendezve, az elsõ 25 típus 262Ft és 438Ft között áron szerezhetõ be, különbözõ gyártóktól (pl. vishay semiconductor, fairchild semiconductor, avago technologies, toshiba).
Skori@2014. július