Jännitelähteet ja regulaattorit Timo Dönsberg ELEC-C5070 Elektroniikkapaja 5.10.2015
Teholähteen valinta Akku vs. verkkosähkö Vaadittu jännite Lähes aina tasasähköä, esim. mikrokontrolleri +5V, OP-vahvistin ±12V Toleranssi (%) Stabiilisuus (% / o C), (% / year) Kohina / häiriöt / jännitepiikit Tehontarve (vaadittu virta) Lepotila vs. RMS vs. maksimi Kaikki sähkö muuttuu piireissä lämmöksi, joka on jäähdytettävä pois Kytkevä (hakkuri) vs. lineaarinen regulointi, tai molemmat Käytä valmiita jännitelähteitä aina kun mahdollista Käytä valmiita kytkentöjä aina kun mahdollista Käytä standardikomponentteja aina kun mahdollista
Akut ja paristot Edut Helppo ratkaisu, vähän suunnittelua Jännite valmiiksi DC -> ei häiriöitä Saatavilla monen kokoisina Heikkoudet Jännite riippuu varausasteesta Rajallinen elinikä, ongelmajätettä Suorituskyky kylmässä (sähköautot) Akkutyyppejä Lead-acid (lyijyakku), esim. autot NiCd, NiMh, kannettavat laitteet Litium-akut (Li-ion, LiPo jne.),: matkapuhelimet, RC-helikopterit
Akut ja paristot Akkujen ominaisuuksia Kennojen induktanssi tuo hitautta Näkyvät >20 khz avoimina piireinä Hakkurielektroniikka, moottorit yms. -> kondensaattoreita akun rinnalle 0 1 khz toiminta epälineaarista, kemialliset prosessit (U vs. I) Virta / A Purku Lataus Akun jännite / V
Akut ja paristot Akkujen suojaus Oikosulku muodostaa räjähdysvaaran -> Suojattava vähintään sulakkeella Varottava suuria virtoja hakkureiden ja moottoreiden kanssa -> virranrajoitin Ylijännite latauksessa -> kuumeneminen Kennon alijännite -> kenno tuhoutuu Elektroninen akunsuojaus Battery management systems (BMS) Yli- ja alijännitesuojaus (regulaattoreilla) Ylivirta- / transientti- ja oikosulkusuojaus Lämpötilan monitorointi Latauksenhallinta (jos laturi)
Verkkovirta Teho rajattomiin Tehoa ei myöskään rajoita mikään vikatilanteissa Sulakkeet, lämpökatkaisu, sähköturvallisuus Yleensä tarvitaan matala tasajännite, joten tarvitaan: Valmis hakkurimoduli / hakkurijännitelähde Valmis lineaarinen jännitelähde Muuntaja + tasasuuntaus + suodatus + regulointi
Valmiit jännitelähteet AC-lähtö Yleensä pelkkä muuntaja, sulake, lämpösulake Reguloimaton Muuntaja, tasasuuntaus, mahdollisesti suotokonkkia Kytkevä regulointi (hakkuri) Nopeasti päälle / pois kytkeytyvä transistori Jännitteen säätö pulssisuhteella Kelat ja/tai kondensaattorit energian välivarastona Lineaarinen regulointi Jännitteen säätö resistiivisesti Suuri hukkateho
Kytkevät jännitelähteet (hakkuri) Sisääntulo AC 230 V tai matala DC Osa laitteista hyväksyy esim. 110 240V Helpoin ja usein edullisin ratkaisu Laturit, useimmat virtalähteet Ominaisuuksia Herkkä induktiiviselle ja kapasitiiviselle kuormalle, esim. toiselle hakkurille Oikein käytettynä stabiili Huono jännitteen laatu Merkittävästi EMI-häiriöitä Hyötysuhde jopa yli 90 % Suuret tehot mahdollisia Käytä aina kun mahdollista
Lineaariset jännitelähteet Ominaisuuksia Perinteinen DC-jännitelähde Yksinkertainen rakenne ja toiminta Stabiili, hyvä jännitteen laatu Pienet EMI-häiriöt Ei vaadi erillistä käynnistyspiiriä Hyötysuhde 20-75 % Koostuvat seuraavista osista Verkkomuuntaja 230 V (RMS), ulostulo +/- 5, 12, 15, 18, 24 V Diodisilta, lineaariset regulaattorit Suodatus elkoilla (+ muita lisänä) Suojaukset, jäähdytys
Muuntajat Muuntajan jännite tarkoittaa tehollisarvoa nimelliskuormalla Ilman kuormaa jännite on suurempi, off-load jännite Erilaisia malleja, joissa mahdollisesti useita käämejä Rengassydän (toroidi) Suuri koko Pienet häiriöt Laminoitu teräsrunko Pienempi koko Enemmän häiriöitä
Tasasuuntaus
Suodatus = =
Lineaariset jänniteregulaattorit Linear voltage regulator Rajoittaa DC-jännitteen halutulle tasolle Tehotransistorin ohjaus lineaarisesti -> muodostaa hukkalämpöä Huono hyötysuhde, vaatii jäähdytyksen Hyödyntää referenssijännitettä ja zenerdiodia (lämpötilakompensoidut) Ei tuota merkittäviä EMI-häiriöitä Esim. audiosovellukset, tarkkuuslaitteet TO-92 TO-3 SOIC-8 V in 78XX V out TO-220 + heatsink
Lineaariset jänniteregulaattorit Valintakriteereitä Ulostulojännite ja polariteetti, esim. +12 V Jännitteen tarkkuus (esim. 0.5 %, 2 %) Sisääntulojännitealue (min ja max) Max. ulostulon virta ja virranrajoitus Line regulation / load regulation Lämpösuoja, (sammutus esim. 170 o C) Esim. 7812, 7912, 7815, 7915 +12 V -12 V +15 V -15 V TO-92 TO-3 SOIC-8 V in 78XX V out TO-220 + heatsink
Lineaariset jänniteregulaattorit Circuit diagram: Gyraf Audio +/- 15 V DC-jännitelähde lineaarisilla regulaattoreilla.
Lineaariset jänniteregulaattorit Circuit diagram: Gyraf Audio +/- 15 V & +/- 12 V DC-jännitelähde lineaarisilla regulaattoreilla.
Kytkevät jänniteregulaattorit (hakkurit) Switching voltage regulator Tehotransistoria ohjataan nopeasti PW:llä, hakkuri -> ulostulojännite suodatetaan Tehoa kuluu vain transistorin vaihtaessa tilaa -> parempi hyötysuhde (jopa >95 %) EMI-häiriöt otettava huomioon Sisäinen kellopiiri (kiinteä tai säädettävä) Sovelluksia: Laitteet, missä hyötysuhde tärkeä, mahd. käyttää pienempiä elkoja
Kytkevät jänniteregulaattorit (hakkurit) Eroavat lineaarisista regulaattoreista Sisääntulojännitealue suurempi Mahdollista laskea tai nostaa jännitettä Ei välttämättä tarvitse jäähdytystä Ulostulojännite ei yhtä vakaa/häiriötön Komponentissa enemmän jalkoja Kellosignaalin säätö tai jakaminen, esim. 100-200 khz Regulaattorin käynnistys/sammutus Vaatii enemmän ulkoisia suodatusosia, mutta ovat usein kooltaan pienempiä! Takaisinkytkentä / ulostulon monitorointi Stabiili käyttö vaatii huolellisuutta TO-220 DFN-8 2x2x0.75 mm
Kytkevät jänniteregulaattorit (hakkurit) DC-DC konvertteri Jännitettä laskeva hakkuri Switch-down, Buck Kytkintä (transistoria) suljetaan ohjatusti (PW) Kytkin suljettuna Kelan läpi kulkeva virta kiihtyy Ulostulojännite kasvaa 100 % PW -> V out V in Kytkin avoinna Paluuvirta diodin kautta -> ilman diodia jännitepiikki! Kelan virtaa ei saa katkaista V in on off on off L Kytkin D C V ave Kuorma
Kytkevät jänniteregulaattorit (hakkurit) DC-DC konvertteri Jännitettä nostava hakkuri Kytkintä (transistoria) suljetaan ohjatusti (PW) Kytkin suljettuna Kelan läpi kulkevaa virtaa kiihdytetään kytkemällä reitti maahan Ulostulojännite laskee hetkellisesti Ulostulon jännite aina min. V in Kytkin avoinna Kiihdytetty virta ohjataan V in kuormaan -> jännite nousee V out > V in Ulostulon jännite ja virta rajalliset L on off on off Kytkin D C V ave Kuorma
Valmiita DC-DC-muuntimia Kaupalliset piirit DC-DC konverttereita saatavana valmiina piireinä komponentteineen Sisääntulon DC voidaan ottaa Akusta / paristosta Toisen laitteen käyttöjännitteistä, esim. tietokone, USB, DAQ Lineaarisesta jännitelähteestä Huomioitavaa Virrankulkua ei saa katkaista! Virran ja jännitteen tulee vuorotella Kela = virtalähde Kondensaattori = jännitelähde