Kytkentätoimisia virtalähteitä käytetään muuntamaan syöttöjännite sisäisten komponenttien tarvitsemaan arvoon. Toinen laajalti käytetty nimitys kytkentävirtalähteille on invertterit.
Sisältö
Mikä on kytkentävirtalähde?
Invertteri on toissijainen virtalähde, joka muuntaa syötetyn vaihtojännitteen kaksinkertaiseksi. Lähtöarvoja säädetään muuttamalla pulssien kestoa (leveyttä) ja joissakin tapauksissa niiden taajuutta. Tätä modulaatiotyyppiä kutsutaan pulssinleveysmodulaatioksi.
Kytkentävirtalähteen periaate
Vaihtosuuntaaja toimii tasasuuntaamalla ensiöjännitteen ja muuntamalla sen sitten korkeataajuisiksi pulsseiksi. Tämä eroaa tavanomaisesta muuntajasta. Lähtöjännitettä käytetään negatiivisen takaisinkytkentäsignaalin tuottamiseen, jonka avulla pulssin parametreja voidaan säätää. Pulssin leveyttä säätelemällä on helppo järjestää lähtöparametrien, jännitteen tai virran vakautus ja säätö. Toisin sanoen se voi olla sekä jännitteensäädin että virtasäädin.
Lähtöarvojen määrä ja napaisuus voivat olla hyvin erilaisia riippuen siitä, miten kytkentävirtalähde toimii.
Erilaisia virtalähteitä
Käytössä on useita erilaisia invertterityyppejä, jotka eroavat toisistaan virtapiiriltään:
- muuntajaton;
- muuntaja.
Ensin mainitut eroavat toisistaan siten, että pulssisekvenssi menee suoraan laitteen lähtösuuntaajaan ja tasoitussuodattimeen. Tällaisessa piirissä on mahdollisimman vähän komponentteja. Yksinkertainen invertteri sisältää erikoistuneen integroidun piirin - pulssinleveysoskillaattorin.
Muuntajattomien laitteiden suurin haittapuoli on se, että niissä ei ole galvaanista eristystä verkkovirrasta ja ne voivat aiheuttaa sähköiskun vaaran. Niiden teho on myös yleensä pieni ja ne tuottavat vain yhden lähtöjännitteen.
Yleisempiä ovat muuntajalaitteet, joissa muuntajan ensiökäämitykseen syötetään korkeataajuinen pulssisarja. Toisiokäämityksiä voi olla niin monta kuin tarvitaan, jolloin voidaan muodostaa useita lähtöjännitteitä. Jokaiseen toisiokäämitykseen on asennettu oma tasasuuntaaja ja tasaussuodatin.
Minkä tahansa tietokoneen tehokas kytkentätoiminen virtalähde on rakennettu tällaisen piirin mukaan, jolla on korkea luotettavuus ja turvallisuus. Takaisinkytkentäsignaalina käytetään tässä 5 tai 12 voltin jännitettä, koska nämä arvot edellyttävät mahdollisimman hienoa stabilointia.
Muuntajien käyttö korkeataajuisten jännitteiden muuntamiseen (kymmeniä kilohertzejä 50 Hz:n sijasta) mahdollisti niiden koon ja painon pienentämisen moninkertaisesti ja sen, että sähköraudan sijasta voitiin käyttää ytimen materiaalina (magneettilanka) ferromagneettisia materiaaleja, joilla on suuri koercitiivinen voima.
DC-DC-muuntimet perustuvat myös pulssinleveysmodulaatioon. Ilman invertteripiirejä muuntaminen oli hyvin vaikeaa.
DC-virtalähdepiiri
Yleisimmän pulssi-invertterikokoonpanon piirikaavio sisältää:
- Linjasuodatin häiriöiden vaimentamiseen;
- tasasuuntaaja;
- Tasoitussuodatin;
- pulssinleveysmuunnin;
- avaintransistorit;
- ulostulon suurtaajuusmuuntaja;
- lähtösuorittimet;
- yksilölliset ja ryhmäulostulosuodattimet.
Häiriösuodattimen tarkoituksena on siepata laitteen toiminnasta verkkovirtaan tulevat häiriöt. Suuritehoisten puolijohde-elementtien kytkentään voi liittyä lyhytaikaisten pulssien tuottaminen laajalla taajuusalueella. Sen vuoksi on tarpeen käyttää erityisesti suunniteltuja elementtejä läpivientikondensaattoreina suodatuslinkkejä varten.
Tasasuuntaajalla muunnetaan syötetty vaihtojännite tasajännitteeksi, ja virtaussuunnan jälkeinen tasoitussuodatin poistaa tasasuuntautuneen jännitteen aaltoilun.
Kun käytetään tasavirtamuuntajaa, tasasuuntaajaa ja suodatinta ei tarvita, ja tulosignaali syötetään kohinasuodatinpiirin läpäistyään suoraan pulssinleveysmuuttajaan (modulaattoriin), josta käytetään lyhennettä PWM.
PWM on kytkentävirtalähdepiirin monimutkaisin osa. Sen tehtäviin kuuluu:
- Korkeataajuisten pulssien tuottaminen;
- yksikön lähtöparametrien seuranta ja pulssisarjan korjaus takaisinkytkentäsignaalin mukaisesti;
- Valvonta ja suojaus ylikuormitukselta.
PWM-signaali syötetään suuritehoisten silta- tai puolisiltayhteydellä varustettujen transistorien ohjausnastoihin. Virtajohdot kytketään suurtaajuuslähtömuuntajan ensiökäämitykseen. Perinteiset bipolaaritransistorit korvataan IGBT- tai MOSFET-transistoreilla, joiden liitosjännitteen pudotus on erittäin pieni ja suorituskyky nopea. Transistorien parantunut suorituskyky mahdollistaa tehonhäviön pienentämisen samoilla mitoilla ja teknisellä suunnittelulla.
Lähtöpulssimuuntaja käyttää samaa muuntamisperiaatetta kuin klassinen muuntaja. Poikkeuksena on yliaaltotoiminta. Tämän seurauksena suurtaajuusmuuntajien mitat ovat pienemmät samalla lähetysteholla.
Tehomuuntajan (joita voi olla useita) toisiokäämin jännite syötetään lähtösuorasuuntaajille. Toisin kuin tulotasasuuntaajalla, toisiopiirin tasasuuntaajadiodien toimintataajuuden on oltava korkeampi. Schottky-diodit toimivat parhaiten tässä piirin osassa. Niiden edut perinteisiin diodeihin verrattuna ovat:
- korkea toimintataajuus;
- pienempi p-n-liitoksen kapasitanssi;
- alhainen jännitehäviö.
Kytkentätoimisen teholähteen lähtösuodattimen tarkoituksena on vähentää tasasuuntautuneen lähtöjännitteen aaltoilu tarvittavaan minimiin. Koska aaltoilutaajuus on paljon suurempi kuin verkkojännite, käämeissä ei tarvita suurta kapasitanssia ja induktanssia.
Kytkentätoimisen teholähteen käyttöala
Useimmissa tapauksissa käytetään pulssijännitevaihtosuuntaajia perinteisten puolijohdevakauttajilla varustettujen muuntajamuuntajien sijasta. Samalla teholla invertterit ovat pienempiä ja kevyempiä, luotettavampia ja ennen kaikkea tehokkaampia, ja ne voivat toimia laajalla tulojännitealueella. Vastaavan kokoisen invertterin maksimiteho on moninkertainen.
Tasajännitteen muuntamisen kaltaisella alalla pulssilähteillä ei ole juuri mitään vaihtoehtoa, ja ne pystyvät toimimaan paitsi vähentämällä jännitettä myös tuottamalla korkeamman jännitteen ja järjestämällä napaisuuden kääntämisen. Korkea muuntotaajuus helpottaa huomattavasti lähtöparametrien suodatusta ja vakauttamista.
Erikoistettuihin integroituihin piireihin perustuvia pieniä inverttereitä käytetään kaikenlaisten laitteiden latureina, ja niiden luotettavuus on niin suuri, että latausyksikön käyttöikä voi ylittää mobiililaitteen käyttöiän moninkertaisesti.
LED-valonlähteiden kytkemiseen tarkoitetut 12 voltin tehoajurit perustuvat myös kytkentäpiiriin.
Kuinka tehdä kytkentävirtalähde omin käsin
Invertterit, erityisesti tehokkaat, ovat monimutkaisia ja vain kokeneiden radioamatöörien käytettävissä. Yksinkertaisia pienitehoisia piirejä, joissa käytetään erikoistuneita PWM-ohjaimia, voidaan suositella verkkovirtalähteiden omatoimiseen kokoonpanoon. Näiden IC:iden johdotus on vähäistä, ja niissä on vakiintunut piirisuunnittelu, joka ei käytännössä vaadi säätöä ja viritystä.
Kun työskentelet kotitekoisten rakenteiden parissa tai korjaat teollisuuslaitteita, muista, että osa piiristä on aina verkkopotentiaalin alaisena, joten turvatoimia on noudatettava.
Aiheeseen liittyvät artikkelit:
