R E D L RICHÁRD Budapesti Műszaki Egyetem Mikrohullámú Híradástechnikai Tanszék
Tranzisztoros kapcsolóüzemű feszültség stabilizátor alaptípusok vizsgálata ETO
A tranzisztoros kapcsolóüzemű feszültségstabilizátorok az ű r k u t a t á s i célokat szolgáló és egyéb mozgó ( = az erősáramú hálózattól független) berendezések energiaellátó rendszerének építő elemeiként terjed tek el széles körben. Ez elsősorban a r e n d k í v ü l j ó üzemi hatásfok k ö v e t k e z m é n y e . A z u t ó b b i n é h á n y évben azonban olyan t r a n z i s z t o r t í p u s o k a t is sikerült kifejleszteni, amelyek nemcsak a viszonylag alacsony akkumulátorfeszültségek á t a l a k í t á s á t , stabilizálását t e t t é k lehetővé, hanem gyökeresen új p e r s p e k t í v á t n y ú j t o t t a k a hálózati tápegységek területén is. I t t a jó hatásfok jelentősége természetesen kisebb, m i n t a mozgó üzemben, az 50 Hz-es hálózati t r a n s z f o r m á t o r elhagyása azonban erőteljesen csökkentheti a s ú l y t és a térfogatot. Ehhez a csökkenéshez a kisebb h ű t é s igény is hozzájárul. A hálózati transzformátor nélküli tápegységek leg fontosabb alkalmazási területei a k ö v e t k e z ő k : —- számítógépek és egyéb integrált nagyberendezések, — színes tv-vevőkészülékek, — repülőgép fedélzeti berendezések.
áramkörös
A j ó hatásfok, a kis súly és térfogat mellett igen lényeges jellemző a „kiesési" (drop-out) i d ő . (Ez alatt az idő alatt csökken a kimeneti feszültség a minimális megengedett értékére teljes terhelésnél a hálózati feszültség k i m a r a d á s a esetén.) A kiesési idő fontos p a r a m é t e r például a digitális számítógépek t á p ellátásánál. A z elsődleges energiatárolók a kapcsoló üzemű stabilizátoroknál is elektrolitkondenzátorok, mivel azonban azonos CU szorzat mellett a t á r o l h a t ó energia lineárisan nő a feszültséggel, a h a g y o m á n y o s felépítésű tápegységekben szokásosnál sokkal kisebb m é r e t ű k o n d e n z á t o r o k is elegendőek a k á r egy teljes periódusidőnyi h á l ó z a t k i m a r a d á s esetén is. Megemlítendő n é h á n y h á t r á n y o s t u l a j d o n s á g u k is. A legnagyobb p r o b l é m á t a kapcsoló fokozatok által keltett, a t á p v e z e t é k e n vagy sugárzás ú t j á n terjedő zaj jelenti. A k i m e n ő jelen fellépő váltófeszültség ( „ r i p p l e " ) a m p l i t ú d ó j a á l t a l á b a n nagyobb az á t eresztő tranzisztoros stabilizátorok hasonló para méterénél. A szűrés azonban a magas (10—30 k H z ) működési frekvencia m i a t t a kapcsolóstabilizátoroknál egyszerűbben megoldható, a kimeneti s z ű r ő k ö r a l k a l m a z á s a viszont megnöveli a tranziens időt — gyors terhelésváltozásnál a feszültség a statikus ér t é k e t a h a g y o m á n y o s stabilizátorokhoz k é p e s t las sabban éri el. A cikk a kapcsolóüzemű feszültségstabilizátor alap kapcsolások b e m u t a t á s á t , legfontosabb mennyiségi
621.311.6:621.316.727.1:621.382.3
jellemzőinek m e g h a t á r o z á s á t , és a realizálási problé m á k á t t e k i n t é s é t t ű z t e k i célként. Megadjuk a kap csolótranzisztorok és diódák igénybevételére utaló adatokat és az ü z e m i hatásfok kifejezését is. Alapkapcsolások A m ű k ö d é s elvét az 1. á b r a szemlélteti. Az egyes t í p u s o k a t a kitöltési tényező v á l t o z t a t á sát biztsoító m o d u l á t o r , illetve a t e l j e s í t m é n y k a p csoló végfokozat felépítése alapján célszerű m e g k ü lönböztetni. Mivel az á r a m k ö r tulajdonságait első sorban a végfokozat determinálja, a t o v á b b i a k b a n ezt helyezzük a vizsgálat k ö z é p p o n t j á b a . Impulzus kitöltési tényező modulátor
Teljesítmény kapcsoló végfokozat
Terhelés
Referencia,
1.
ábra
A 2—6. á b r á k o n a legfontosabb alapkapcsolások á r a m k ö r i elrendezése l á t h a t ó . A f e l t ü n t e t e t t kapcsolások a leggyakrabban alkal mazott v á l t o z a t o k . Természetesen sok egyéb lehető ség is van, például az „ A " , „ B " , „ C " esetben autot r a n s z f o r m á t o r is a l k a l m a z h a t ó az i n d u k t i v i t á s he lyett, az „ E " á r a m k ö r t pedig hídkapcsolásban is m e g v a l ó s í t h a t j u k . A v á l t o z a t o k jelentősége kisebb, analízisük az alapkapcsolásokéhoz hasonlóan végez hető el. A kapcsolóüzemű stabilizátorok felhasználás szem pontjából lényeges jellemzői a k ö v e t k e z ő e k : — kimeneti feszültség a kitöltési tényező és a t á p feszültség függvényében különböző terhelő áramoknál,
)
J
Beérkezett: 1972, V I I . 13,
Szűré
\H181-RRl\
2. ábra, A áramkör
173
HÍRADÁSTECHNIKA X X I V . ÉVF. 6. SZ.
i" M
1>
.
^
Tr
-TUT_
1 b) [ff
o •1Si-KR3\
ezeket a s z á m í t á s o k a t . A módszer a többi esetben is hasonló. A kitöltési tényező é r t é k é t a számítások során A-val jelöljük, ez alatt az idő alatt a tranzisz tor vezető állapotban van. A kapcsolójel periódus ideje T. A z „ A " á r a m k ö r jelalakjai a következőek (7., 8. ábra). A 7. á b r á n az az eset l á t h a t ó , amikor a szűrőin d u k t i v i t á s á r a m a nem csökken zérusra üzem közben. A diódán fellépő feszültség értéke ekkor 0 vagy U lehet, a kapcsolótranzisztor állapotától függően. A 8. á b r á n f e l t ü n t e t t ü k a jelformákat, ha az á r a m a nullát is eléri. M i n t l á t h a t ó , a periódusnak ebben a részében u = U . A veszteségek h a t á s á t és a véges kapcsolási időket i t t nem v e t t ü k figyelembe. T
3. áfira. B áramkör
D
0
Az á r a m k ö r r e felírható differenciaegyenletek — abban az esetben, ha a kimenő feszültség állandónak t e k i n t h e t ő egy kapcsolási periódusra — egyszerűen m e g a d h a t ó k a 7. á b r a szerint". ahol Ai az i n d u k t i v i t á s á r a m á n a k megváltozása a tranzisztor ve z e t ő állapota alatt
U
í
7
4. áöra. C áramkör
es 0 = L ——~^=; + £/ , ahol Ai az i n d u k t i v i t á s áraináV / nak megváltozása a tranzisztor z á r t állapota alatt. 0
2
—
T s—
TLn_r 5. ábra. D áramkör
JI
n_
6. ábra.
.7.
ábra
8.
ábra
E áramkör
— a veszteségi ellenállások h a t á s a a k i m e n ő ka rakterisztikára, — á t a l a k í t á s i hatásfok, — a kapcsolóeszközök feszültség- és á r a m i g é n y b e vétele. A kimenő karakterisztika meghatározása Az egyes á r a m k ö r ö k kimenő feszültsége a fellépő jelalakok segítségével s z á m í t h a t ó k i . Illusztrációként a 2. á b r a áramkörénél ( „ A " ) részletesen elvégezzük
174
^
\
R E D L R.: KAPCSOLÓÜZEMŰ FESZÜLTSÉGSTABILIZATOROK
H a s z n á l j u k fel a
feltételt (ez stacionárius esetben mindig teljesül): UT
*0 —1>
'^kT=^(l-k)T,
ebből U =kU n
7
Mint l á t h a t ó , a kimenő feszültség a terhelő á r a m tól független. Az á r a m k ö r r ö g z í t e t t kitöltési tényező esetén ideális egyenáramú t r a n s z f o r m á t o r n a k te kinthető. Ha a s z ű r ő i n d u k t i v i t á s á r a m a a periódus egy ré szében zérusra csökken, bonyolultabb a helyzet. I t t első lépésként T i d ő t a r t a m á t h a t á r o z z u k meg. A Ai — —Ai feltételből: 0
x
2
T = 1
0
U -U, ~kT. u, T
o
A kimenő k a r a k t e r i s z t i k á t az
ÍH181-8*9) 9.
egyenlőtlenségek, azaz az üzemi frekvencián a szűrőincluktivitás a soros veszteségi ellenállásoknál jóval nagyobb i m p e d a n c i á t képvisel. Ebben az esetben az i n d u k t i v i t á s á r a m a az idő lineáris függvényének te k i n t h e t ő K bekapcsolt és kikapcsolt állapota alatt e g y a r á n t . A levezetés lépéseinek részletezése nélkül a k i m e n ő k a r a k t e r i s z t i k á r a kapott e r e d m é n y : U =kU -I [kR +(l-k)R +R ). 0
T
egyenlet alapján s z á m í t h a t j u k . Az e r e d m é n y : U .2L/ k ru T
1 +
ábra
0
2
T
Azon terhelő á r a m o t (azaz a h a t á r á r a m o t ) , amely nél az i n d u k t i v i t á s á r a m a éppen eléri a nullát, t e h á t a fenti összefüggés é r v é n y é t veszti, egyszerűen kife jezhetjük az
T
0
s
D
L
A képletből kiolvasható a s t a b i l i z á t o r — vissza csatolás nélküli — belső ellenállása és a szabályozási jósága. A visszacsatolás ezeket a p a r a m é t e r e k e t ter mészetesen jellegének megfelelően m e g v á l t o z t a t j a . A t ö b b i á r a m k ö r r e is hasonló gondolatmenettel végezhető el a k i m e n ő karakterisztika m e g h a t á r o zása. Az e r e d m é n y e k e t az 1. t á b l á z a t összefoglalva tartalmazza. A transzformátortekercsek ohmos ellenállása ( m i n d k é t esetben) a kapcsolótranzisztorok J? vesz teségi ellenállásával, illetve a diódák R n y i t ó i r á n y ú ellenállásával sorosan vehető figyelembe. s
D
U (I ) = kU 0
h
T
egyenletből (a h a t á r á r a m fölött az U = kU érvényes 1). 0
l = h
(l-k)k
T
képlet
2L
T e h á t a k i m e n ő karakterisztika k é t szakaszból tevő dik össze. ha
0
n
(/„= ha Ha a soros veszteségi ellenállásokat is figyelembe vesszük, a 9. á b r a szerinti helyettesítőképpel számol hatunk. A vizsgálatot ez esetben csak a h a t á r á r a m n á l na gyobb terhelés feltételezésével végezzük el, mivel a veszteségi ellenállások h a t á s a csak ekkor s z á m o t t e v ő . Feltesszük t o v á b b á azt is, hogy teljesülnek az » r
és
L
r-»T
Hatásfokok és a kapcsolóeszközök igénybevétele A kapcsolóüzemű stabilizátorok veszteségei két csoportra o s z t h a t ó k . A z á r a m k ö r ö k soros ellenállá sain átfolyó á r a m statikus, a véges átkapcsolási idők pedig dinamikus veszteségeket hoznak létre. A dina mikus veszteségek az alkalmazott kapcsolótranzisz torok határfrekvenciájától, a meghajtóegység kiala k í t á s á t ó l , a d i ó d á k b a n vezető á l l a p o t b a n t á r o l t töl téstől és m é g sok egyéb tényezőtől függenek. Első közelítésben a periódusidővel fordítottan a r á n y o s n a k t e k i n t h e t ő e k . A jelenleg rendelkezésre álló kapcsoló eszközöknél 10 k H z nagyságrendű üzemi frekvencián a h a t á s u k á l t a l á b a n elhanyagolható. A 2. t á b l á z a t ban ezért csupán a soros veszteségek e r e d m é n y e k é n t kialakuló h a t á s f o k o k a t t ü n t e t j ü k fel. Szerepelnek a t á b l á z a t b a n a tranzisztorok és diódák csúcsáramai és csúcsfeszültségei is. A csúcsáramok m e g h a t á r o z á s á nál a szűrőfojtók á r a m á n a k , illetve a t r a n s z f o r m á t o rok fluxusának v á l t ó k o m p o n e n s é t figyelmen k í v ü l hagytuk. A valóságban a f e l t ü n t e t e t t csúcsértékeknél m i n i málisan 20—25%-kal nagyobb feszültség- és á r a m h a t á r a d a t o k k a l rendelkező félvezetőket célszerű al-
175
HÍRADÁSTECHNIKA XXIV. ÉVF. 6. SZ. 1.
táblázat
Kimenő karakterisztika (l/„=...) Áramkör íipus
L vagy T energiamentes a periódus egy részében
L vagy T sohasem energiamentes
Határáram
Veszteségek hatására kialakuló karakterisztika a határáram fölötti terhelésnél
Veszteségmentes eset U
(l-k)kTV
T
A
kU -[kR,+
kÜT
(1 -
r
k)R +R ] D
T
L
2L
k TU 2
T
ülk T
U
U
2LI
T^k
1-k
2
B
TT 1
a
U\k T
Ük
2LI
k~l
k-1
u k*r
Ü nk
Ü nk
2LJ
1-k
l_;
T
0
D*
0
kR +(l-k)R s
+ R
D
k(k-l)TU
L
T
(1-k)
0
T
T
2(1-k)L
2
T
T
T
kTV
+ Rj,
(1-k)
0
Uk
2
C
kRs+il-kJRs
T
T
2L
2
kn R,+
(l-k)R
2
t
(l-k)kTU
B
T
(1-k)
0
2nL
2
c
y
Vn
(l-k)kTU n
T
2U nk
E**
U nk-
n
T
/„ (2kn R + —
T
R +R 1
2
s
D
L
L
k TÜ n 2
T
* L^-en a transzformátor primer oldali főinduktivitását értjük. ** A transzformátor főinduktivitása lényegesen nagyobb a szűrőinduktivitás áttranszformált értékénél. 2. Dióda
Tranzisztor Hatásfok
Áramkör
Áram
n
Feszültség
Áram
h
i--J?-[wi,+ ( i - * ) f l + i y a
j
Feszültség
esúes
csúcs
A
táblázat
v
h
t
kU
T
B
1
- ,-r-Tbr '
íkR +
(1 — k) U
(1
-
v »+ R
Rí]
T
G
~rr
1
!f J U (k— 1)
f c R
i
. + ( l - f c ) « l ' + «x]
JÍL 1-k
1-k Jo_ í-k
0
IQ
U -U T
u
A
1-k
T
D
(l — k)kU n
E
1
I ( l + 2k \ — 2kn R,+ R + RA 2kU n\ ' 2 J B
n
1-k
T
2
D
In 0
2
UJI
Jo_ 1-k h
V n+ U T
0
2U n T
T
kalmazni. E z t elsősorban az egységnél kisebb h a t á s fok, t r a n s z f o r m á t o r o s á r a m k ö r ö k n é l pedig a s z ó r t i n d u k t i v i t á s o k m i a t t i feszültség túllövések indokol ják. Megemlítendő, hogy a kapcsolóeszközök igénybe vétele e x t r é m terhelések vagy nem megfelelő vezérlés esetén, illetve a tápfeszültség megjelenésekor fellépő tranziensek alatt a 2. t á b l á z a t b a n adott é r t é k e k e t lényegesen meghaladhatja. Ezen igénybevételek m i a t t mindegyik á r a m k ö r n é l javasoljuk valamilyen t ú l á r a m v é d ő á r a m k ö r a l k a l m a z á s á t . A „ B " , „ C " és „ D " kapcsolásnál a maximális kitöltési tényező kor látozása is szükséges a m e g b í z h a t ó m ű k ö d é s h e z . En nek egyszerű oka v a n : ha a kimeneti feszültség m é g nem é r t e el az állandósult szintet, a stabilizátoron belüli n e g a t í v visszacsatolás m i a t t a vezérlő i m p u l zussorozat kitöltési tényezője a lehetséges legnagyobb é r t é k é t veszi fel. K o r l á t o z á s nélküli esetben ez éppen
176
100%. A k i m e n ő feszültség azonban csak a tranzisz tor kikapcsolt á l l a p o t á b a n növekedhet, ha ez nem k ö v e t k e z i k be, a tranzisztor a fellépő t ú l á r a m miatt tönkremehet. Az „ E " á r a m k ö r n é l , a T r l és T r 2 tranzisztorokat vezérlő impulzusok legfeljebb 0,5-ös kitöltési ténye zővel rendelkezhetnek.
Vezérlési lehetőségek Mindegyik á r a m k ö r n é l alapvetően kétféleképpen oldható meg a végtranzisztor működtetéséhez szük séges v á l t o z ó szélességű impulzussorozat létrehozása. Külső órajellel t ö r t é n ő szinkronizálás esetén a 10. á b r á n l á t h a t ó egyszerű elrendezést alkalmazhatjuk. Az impulzusszélesség m o d u l á t o r sokféle á r a m k ö r rel realizálható. Szokásos megoldás például az óra-
R E D L R.: KAPCSOLÓÜZEMŰ FESZÜLTSÉGSTABILIZÁTOROK
Impulzus szélesség modulátor
Órajel generátor
Vezérlő -impulzus sorozat Hibajel o'
T
\HiS1-RH1Q\
10. ábra
Hibajel
Hiszterézises billenőkör (Schmitt-Triaper)
Y Bisfabil multivibrátor .
Trlbázisat r \ Trlbá. vezérlő —j 1—~ove. Jel. rí/ j Tr2 bázisát^ vezérlő es kapuk \H1B1 -RRfí\
12.
ki
0
0
kr
Vezérlő impul zussorozat \H181-RR1l]
Hiszterézises billenőkör (SchmittTrigger)
0
T
u. ábra Hibajel
t é k e n (esetleg ellentétes polaritással) stabilizálni. E k k o r a felsorolt á r a m k ö r ö k adják a legegyszerűbb, leggazdaságosabb megoldást. A stabilizálási tulajdonságok t í p u s o n k é n t v á l t o z nak. A szabályozási jóság (definíciószerűen S=dU /dU , az / „ = á l l a n d ó feltétel mellett) az „ A " és az „ E " esetben a legjobb ( i t t a visszacsatolás h a t á s á t nem vizsgáltuk). A k i m e n ő ellenállás (R = dU /dI , ha U = állandó) a „ B " „ C " és „ D " á r a m k ö r n é l n a g y m é r t é k b e n függ a kitöltési tényezőtől,, k->-l esetén R —°°. E z e k n é l az á r a m k ö r ö k n é l a hatásfok is erőteljesen csökken k növelésével. Mivel funkcioná lisan m i n d h á r o m t í p u s helyettesíthető az „ E " v á l t o zattal, szigorúbb előírások esetén ez u t ó b b i alkalma zása látszik célszerűnek. Természetesen ez a vezérlő egység bonyolultsági fokát, a teljesítménykapcsolók és az alkalmazott r e a k t á n s elemek s z á m á t tekintve h á t r á n y o s a b b megoldás.
ábra
jellel i n d í t o t t monostabil m u l t i y i b r á t o r , ahol az időzítő elektróda á r a m á t v á l t o z t a t j u k a hibajellel a r á n y o sa n . Más m ó d s z e r : az órajelből fűrész- vagy háromszögjelet hozunk létre és ezt vezetjük egy k o m p a r á t o r bemenetére. A komparálási szintet a hibajellel állítjuk be. Valamivel egyszerűbb felépítésű, de a m ű k ö d é s i frekvencia stabilitása szempontjából lényegesen ked vezőtlenebb és egyéb p r o b l é m á k a t is felvető elrende zést m u t a t a 11. á b r a . I t t t u l a j d o n k é p p e n a hibajel szűrés u t á n is meg m a r a d ó váltókomponense segítségével hozunk létre önrezgő kapcsolást. A frekvencia a Schmitt-trigger hiszterézisétől, a tápfeszültségtől, a teljesítmény szűrő elemek értékétől stb. függ. Az á r a m k ö r külön óragenerátort természetesen nem igényel. E g y e d ü l az „ E " kapcsolásnál nem a l k a l m a z h a t ó közvetlenül a fenti k é t megoldás valamelyike, mivel az ellenütemű elrendezés legfeljebb 0,5-ös kitöltésű meghajtójel esetén m ű k ö d i k megfelelően. Az önrezgő v á l t o z a t vezérlőköre ennél a 12. á b r a szerint alakul hat. H a s o n l ó a n épül fel a külső jellel vezérelt m e g h a j t ó egység is. Értékelés A bemutatott alapkapcsolások közül az „ A " , „ B " és „ C " típus kimenő és bemenő oldalai k ö z ö t t egyen á r a m ú csatolás van, a „ D " és „ E " á r a m k ö r n é l v i szont lehetőség nyílik a k é t oldal elválasztására. Mivel a hálózati tápegységeknél a galvanikus elvá lasztás á l t a l á b a n előírás, ezen a területen e k é t utóbbi á r a m k ö r elterjedése v á r h a t ó . A t ö b b i kapcsolás al k a l m a z á s a elsősorban ott t ű n i k előnyösnek, ahol csak egyetlen k ö z p o n t i energiaellátó egység áll rendelke zésre (pl. egy a k k u m u l á t o r t e l e p ) és ennek feszültsé gét kell az eredeti szintnél kisebb vagy nagyobb ér
IRODALOM A témával foglalkozó könyvek, folyóiratok száma igen nagy. Az utóbbi 5 évben megjelent szakirodalomból válogat tuk (a teljesség igénye nélkül) a tárgyalt területtel mélyebben foglalkozni kívánó olvasó számára az alábbiakat. Könyvek [I] Alekszandrov, F. I.; A. R. Szivakov: Impulsznüe polupro) vodnyikovüe preobrazovatyeli i sztabilizatorü posztojannovo naprjazsenyija. Energia 1970. [2] Hnatek, E. R.: Design of Solid-State Power Supplies. Van Nostrand Reinhold Gompany 1971. Folyóirat cikkek [3] Kossov, O. A.: Gomparative Analysis of Ghopper Voltage Regulators with LG Filter. I E E E Tr. on Magnetics, 1968. december. [4] Sansone, V.; F. Gatti: A New Supply Circuit for Solid State T V without Mains Transformer A T E S Technical Note Nr.: NTS3531, 1969. [5] Alekszandrov, F. I.; A. R. Szivakov: Dinamicseszkije karaktyerisztiki sztabilizatorov posztojannovo naprjazsenija sz sirotno-impulsznüm regulirovanyijem. Elektricsesztvo, 1970. No. 1. [6] Michelet, R. W.; M. Parente: A Standard Digital Control Modulé for Two-Transistor Pulsewidth Modulated Converters. I E E E Tr. on Ind. Electronics and Cont. Inst. 1970. május. [7] Galsz, B. K.: Osznovnüe szootnosenyija dija raszcsota induktyivnüh tokoogranyicsityelnüh elementov kljucsevüh sztabilizatorov posztojannovo naprjazsenyija. Rá diótechnika, 1970. no. 7. [8] Kitajev, V. E.; B. V. Gorbacsev; Sztabilizator posztojan novo naprjazsenija sz nyeprerüvnüm i impulsznüm regulirovanyiem. Rádiótechnika, 1970. no. 8. [9] Heath, F.: The Switching Regulator Power Supply. Electronics World, 1971. október. [10] Judd, F. F.; Chi-Tsong Cheri: Analysis and Optimál Design of Selí-Oscillating DG-to-DG converters. I E E E Tr. on Circuit Theory, 1971. november. [ I I ] Hartigan, P.: A Pulsewidth-Modulated dc-to-dc Gonverter that Utilizes a Small Number of Gomponents. I E E E Tr. on Aerospace and Electronic Systems, 1972. január. [12] Billingsley, S. W.; J. Schlageter: Two switching regula tors for battery-powered systems. E D N / E E E , 1972. február 15. [13] Judd, F. F.; J. M. Lieberman; H. Wilharí: Self-Oscillating Regulated Convertor. Electronics Letters, 1972. áp rilis 6. [14] Capel, A.: New Control Technique in dc/dc Regulators for Space Applications. I E E E T r . on Aerospace and Electronic Systems, 1972. július. [15] Maytum, M.: Chopper power supplies using B U Y 68/70 high voltage power transistors. New Electronics, 1972. szeptember 19.
177
