HAKKRIKYTKENNÄT H. Honkanen PERSRAKENTEET Forward converter, Myötävaihemuunnin ( BCK regulaattori ) Toiminta: Kun kytkin ( = päätetransistori ) on johtavassa tilassa, siirtyy virta I 1 kelan kautta kondensaattoriin ( C ) ja kuormaan. Samalla kelaan muodostuu magneettikenttä. Kun kytkin saatetaan johtamattomaan tilaan, kelassa oleva magneettikenttä aikaansaa jännitteen kelan napoihin. Tämä jännite aikaansaa virran I. Kytkennän lähtöjännite on pienempi, kuin tulojännite Mitoitukset: Kela on tässä kytkennässä suotopiirin osana. Kelavirran vaihtelualueen saamme seuraavan kaavan avulla: I ( IN ) t OT ON =, jossa t ON = Päätetransistorin johtavuusaika Jännitevaihtelun ( rippelin ) saamme määritettyä seuraavasta kaavasta: OT = C 8* f * C Yleensä lähtöjännitteen vakavuudelle on annettu maksimiarvo. Tällöin määritettävänä onkin C:n minimiarvo, jonka voimme johtaa yllä olevasta kaavasta. Max. pulssisuhde ( ) : 100 %
Flyback converter, Vastavaihemuunnin ( BOOST regulaattori ) Toiminta: Kun kytkin ( = päätetransistori ) on johtavassa tilassa, kasvaa virta I 1 kelassa lineaarisesti ( kelan kyllästymisen asti ). Samalla kelaan varastoitunut energia I kasvaa virran neliössä. W =. Kun kytkin saatetaan johtamattomaan tilaan, kelaan varastoitunut magneettikenttä aikaansaa jännitteen kelan napoihin. Kun jännite ylittää diodin ( D ) kynnysjännitteen, syntyy piiriin virta I, joka siirtyy kondensaattoriin ( C ) ja kuormaan. Kytkennän lähtöjännite on suurempi, kuin tulojännite Mitoitukset: Kytkennässä kelaan varattavalla energialla jännite nostetaan tulojännitettä suuremmaksi. Koska kelan ensiöpuolella vaikuttaa tulojännite, koko kelan energian aikaansaama energia nostaa jännitettä: = + = + OT IN D IN, jossa D on diodin kynnysjännite I t Kelan energia, W =, kasvaa virran neliössä, I =, kelasydämellä on kuitenkin rajallinen magneettikentän voimakkuus, josta seuraa, että myös kelavirralla on maksimiarvo. inkki aihetta käsittelevään luentomonisteeseen Ł Tehoa maksimoitaessa kelan energia kasvaa ajan neliössä, koskapa virta kasvaa suorassa suhteessa aikaan. Kelan induktanssi kuitenkin romahtaa, kun maksimivirta ylitetään ( = Kelan energia ei enää lisäänny ) Ł Maksimitehoa haettaessa johtavuusaika tulee valita siten, että kelavirta saavuttaa maksimiarvonsa, muttei ylitä sitä. D I P OT
Max. pulssisuhde ( ) : 50 80 % (Kelan energialla täytyy olla aikaa purkautua välillä) Kelan virta: Kelan energia: t = I W = P W * Kelan teho: = f, jossa f = hakkuritaajuus Max. lähtövirta: I O( MAX ) = OT P (max) + D = Jännitevaihtelu ( rippeli ) : OT C 8* f * C IN Inverting converter, Invertoiva muunnin Toiminta: Kun kytkin ( = päätetransistori ) on johtavassa tilassa, kasvaa virta I 1 kelassa lineaarisesti ( kelan kyllästymisen asti ). Samalla kelaan varastoitunut energia I kasvaa virran neliössä. W =. Kun kytkin saatetaan johtamattomaan tilaan, kelaan varastoitunut magneettikenttä aikaansaa jännitteen kelan napoihin. Koska kytkin on auki, virtapiiri ensiöpuolelle on poikki. Kun jännite ylittää diodin ( D ) kynnysjännitteen, syntyy piiriin virta I, joka siirtyy kondensaattoriin ( C ) ja kuormaan. Kytkennän lähtöjännite on vastakkaismerkkinen, ja se voi olla pienempi, yhtäsuuri tai suurempi, kuin tulojännite.
Mitoitukset: Kytkennässä koko lähtövirran tarvitsema energia on varattava kelaan: OT P ( ) D I =, jossa D on diodin kynnysjännite OT I t Kelan energia, W =, kasvaa virran neliössä, I =, kelasydämellä on kuitenkin rajallinen magneettikentän voimakkuus, josta seuraa, että myös kelavirralla on maksimiarvo. inkki aihetta käsittelevään luentomonisteeseen Ł Tehoa maksimoitaessa kelan energia kasvaa ajan neliössä, koskapa virta kasvaa suorassa suhteessa aikaan. Kelan induktanssi kuitenkin romahtaa, kun maksimivirta ylitetään ( = Kelan energia ei enää lisäänny ) Ł Maksimitehoa haettaessa johtavuusaika tulee valita siten, että kelavirta saavuttaa maksimiarvonsa, muttei ylitä sitä. Max. pulsisuhde ( ) : n. 50 % (Kelan energialla täytyy olla aikaa purkautua välillä) Kelan virta: Kelan energia: t = I W = P W * Kelan teho: = f, jossa f = hakkuritaajuus (max) Max. lähtövirta: IO( MAX ) = ( ) P OT Jännitevaihtelu ( rippeli ) : OT C 8* f * C + = D Kelan mitoitusohjeet - inkki kelan mitoitusohjeisiin
PERSRAKENTEET, Tehohakkurit Tehohakkurit ovat lähes aina verkkokäyttöisiä ja niissä tulee tällöin olla galvaaninen erotus. Flyback tyyppinen tehohakkuri Flyback tyyppisen hakkurin toiminta on loogisinta selvittää invertoivan muuntimen toimintaperiaatteen avulla. Toimintaideahan on se, että kytkimen ( = päätetransistorin ) ollessa kiinni tulovirta ( I 1 ) saa aikaan magneettikentän, joka kytkimen avauduttua aikaansaa jännitteen käämin napoihin ja virran I. Invertoivassa muuntimessahan energia varataan kelan magneettikenttään, josta se purkautuu lähtöön kytkimen ( = päätetransistorin ) avauduttua ( Kuva yllä ). Koska energia varataan kelan magneettikenttään, eli kelasydämeen, toimii muuntaja aivan samanlaisena energiavarastona. Tällöin energia purkautuu muuntajan toisiokäämistä lähtöön ( Kuva yllä ). Muuntajan käämin napaisuus voidaan luonnollisesti haluttaessa vaihtaa, jolloin lähtöön saadaan positiivinen jännite ( Kuva yllä ). Flyback tehohakkurin toimintaperiaate ( Kuva yllä ).
Forward tyyppinen tehohakkuri Forward tyyppisen tehohakkurin kytkennän toiminta: Kytkennän toiminta eroaa merkittävästi flyback tyyppisestä. Tässä kytkennässä muuntajaa käytetään muuntajana, samalla kun ensiövirta ( I 1 ) kulkee kytkimen ( = päätetransistorin ) ollessa johtava, indusoituu myös käämiin 3 jännite joka saa aikaan virran I 3. ( Huomaa käämin napaisuus erona flyback tyyppiin ). Virta aikaansaa magneettikentän myös kelaan 4 Kun transistori saatetaan johtamattomaan tilaan, loppuu virrankulku käämistä 1 ja myös käämistä 3 ( käämintäsuunnasta johtuen ). Tällöin kelan 4 magneettikenttä saa aikaan jännitteen käämin napoihin, joka purkautuu diodin D3 kautta C:een ja kuormaan.
Koska muuntajan magneettikenttä ei enää purkaudukaan kuormaan, on muuntajaan jäänyt energia palautettava D1:n ja :n avulla takaisin verkkoelektrolyyttiin ( C 1 ) Tämän kytkennän toiminta selostettu tarkemmin seuraavassa osiossa. PÄÄTETRANSISTORIN SOJAAMINEN Ellei hakkurimuuntajan ( tai -kelan ) energiaa pureta nopeasti toisioon, saa magneettikenttään varastoitunut energia aikaan jännitteennousun myös ensiöpuolella. Tämä jännitteennousu voisi ylittää päätetransistorin johtamattoman tilan jännitteenkeston, ellei jännitepiikin syntymistä estetä. Jännitepiikin estämiseksi käytetään yleensä jotakin tai joitakin allaesitetyistä menetelmistä. 1. Energian palauttaminen ensiön suotokondensaattoriin. Päätetransistorin avautuessa ylimääräinen magneettikentän energia pääsee purkautumaan käämin kautta takaisin virtalähteen suotokondensaattoriin. ( Eikä näinollen aiheuta jännitepiikkiä kelan 1 ( = ensiön pääkäämi ) napojen välille. Diodin ( D1 ) tulee olla erittäin nopea. Toimii myös suurilla jäännösenergioilla.. Jännitepiikin suodattaminen RC piirissä
Tämä menetelmä ei sovellu suurien jäännösenergioiden käsittelyyn, vaan soveltuu ainoastaan pienten energioiden mahdollistaman värähtelyenergian sammuttamiseen. Tässä R1 ja C muodostavat RC-piirin, joka oikosulkee jäännösenergian aikaansaaman värähtelyn. Pelkästään tätä menetelmää käytettäessä tulee ohjauselektroniikan olla erittäin tarkka ja nopea. Soveltuu tällöinkin vain Flyback tyyppisen hakkuriin. 3. BJT:n suojaaminen Bipolaaritransistorilta menee hetki aikaa johtavasta-johtamattomaan tilaan siirryttäessä, jonka aikana transistoriin jää tehohäviötä. Sitä voidaan oleellisesti pienentää allaolevan esimerkin mukaisesti. Suojapiirin muodostavat C1, D1 ja R1 Transistorin avautuessa jännite kollektorilla nousee: Ł Samalla jännite kondensaattorin kollektorin puoleisessa päässä nousee. Ł Kondensaattorin toinen pää on kytketty diodin avulla maihin. Ł Diodi oikosulkee kondensaattorin diodin puoleisen pään jännitteen noustessa. Ł Kondensaattori varautuu jännitteen nousun aikana Ł Tämä kytkentä hidastaa hiukan jännitteen nousua, jolloin transistori ehtii mennä johtamattomaan tilaan, eikä sen kautta mene, kondensaattorin varautumisen ansiosta, virtaa, eikä siihen näinollen jää myöskään tehohäviötä. Transistorin sulkeuduttua varaus kondensaattorista puretaan vastuksen ( R1 ) kautta Sama lyhyemmin: Jännitteen noustessa C1 varautuu D1:n kautta ja C1 purkautuu Q1:n ja R1:n kautta, kun transistori on johtavassa tilassa.