Érdemes azonban megjegyezni, hogy nagyon kevés olyan eszköz van, amely 230 V-os változó feszültséggel működik, amely a konnektorból elérhető, míg sokkal gyakoribb, hogy jóval alacsonyabb elektromos potenciállal rendelkező állandó feszültségre van szükség. Az ilyen feszültség biztosítására a gyártók megfelelő, gyakran igen kiterjedt tápegységeket terveznek, vagy felszerelik eszközeiket olyan porttal, amelyhez csatlakoztatható egy szabványos dugaszoló tápegység csatlakozója. Előfordulhat az is, hogy a készülék helyes működéséhez több, különböző értékű feszültségre van szükség. Ebben az esetben a fejlesztőknek megfelelően csökkenteniük vagy néha növelniük kell a bemeneti feszültséget.

Három tápellátási módszer: feszültségátalakító, feszültségosztó, lineáris stabilizátor

Az áramellátásnak alapvetően három módja van: az áramellátási szakasz alapulhat feszültségosztón, lineáris stabilizátoron vagy feszültségátalakítón. Ezen módszerek mindegyike alkalmazható a feszültség csökkentésére, de csak a konverterek teszik lehetővé a feszültség növelését.

Feszültségosztó

A tápegység szakasz megvalósításának első módszere, amellyel találkozhatunk, egy feszültségosztón alapul. Az ilyen áramkör működése Ohm törvényén és az egyes ellenállásokon lerakódott feszültségen alapul. Az értékek manipulálásával bármilyen értékű feszültség megjelenhet a kimeneten, de az alacsonyabb lesz, mint a bemeneti feszültség. A készülék áramellátásának ezen módjának azonban van néhány hátránya.

Az első az aktuális hatásfok – a feszültségosztó olyan ellenállásokból készül, amelyek teljesítménye általában nagyon alacsony. Bármely nagyobb áram miatt az ellenállások nagyon gyorsan kiégnek. Természetesen nagyobb teljesítményű ellenállások is használhatók, de egy ilyen áramkörnél ez jelentősen megnövelheti az árat. További jelentős hátrány, hogy az elválasztót mindig egy adott bemeneti feszültséget szem előtt tartva tervezik. Ha ezt növeli vagy csökkenti, akkor a kimeneti feszültség is megváltozik.

Egy egyszerű feszültségosztó diagramja

Lineáris stabilizátor

A lineáris stabilizátorok egy másik megoldást jelentenek a bemeneti feszültség csökkentésére. Leginkább háromlábú alkatrészek formájában állítják elő, és meglehetősen gyakoriak a szórakoztató elektronikában. Feladatuk nagyon egyszerű - a feszültség állandó értékének fenntartása a kimeneten, függetlenül a bemeneti feszültségtől. Természetesen nem szabad elfelejteni, hogy a bemeneti feszültségnek magasabbnak kell lennie, mint amilyen a kimeneti feszültség.

Az ilyen típusú alkatrészek ára megfizethető, de a hőelvezetés problémát okozhat. Bármely lineáris stabilizátornak át kell alakítania a bemeneti feszültség és a kívánt kimeneti feszültség közötti különbséget hőenergiává. Ennek eredményeként az alkatrész alacsony áram mellett is nagyon gyorsan felmelegszik, emiatt további hűtőbordákat kell használni, ami természetesen magasabb költségekkel is jár.

Lineáris stabilizátor

Feszültségátalakítók

Az áramellátó rendszer megvalósításának harmadik lehetősége egy feszültségátalakítón alapul. Számos alapkomponensből áll: tekercsből, kapcsoló tranzisztorból, kondenzátorokból, ellenállásokból és szilíciumdiódából. Mint látható, a feszültségátalakító sokkal összetettebb eszköz a korábban bemutatott megoldásokhoz képest. Többféle változatban kaphatók, és a bemeneti feszültséghez képest a kimeneti feszültséget növelni és csökkenteni is képesek.

Miért érdemes feszültségátalakítót választani?

A feszültségátalakítók egyik fő tulajdonsága az elektronikus eszközök tervezésének folyamatában fontos, ez pedig a hatékonyság. Mint már tudjuk, az áramveszteség meglehetősen nagy hátrányt jelent a lineáris stabilizátorok esetében. Ebben a tekintetben a konverterek sokkal gazdaságosabbak. Minden feszültségátalakítónak van egy hatékonyságként meghatározott paramétere, amelyet százalékban fejezünk ki, és amely a kimenő teljesítmény és a forrásból vett teljesítmény arányára vonatkozik. Más szavakkal, ha az eszköz hatékonysági szintje 80%, ez azt jelenti, hogy az energia 20%-a elvész hő formájában, amelyet elsősorban a tranzisztor és a tekercs vezet el.

Fontos azonban tudni, hogy a hatékonyság nem állandó érték, és függ a konverter működési körülményeitől, főleg a tápfeszültségtől, a kimeneti feszültségtől és a terhelési áramtól. Előnyeik mellett a feszültségátalakítóknak létezik egy hátránya is, az interferencia. Tervezésük és működési elvük miatt az inverter kimeneti feszültsége nem tökéletesen állandó. Ez problémát jelenthet olyan áramkör táplálásánál, amelynek tökéletesen állandó feszültségre van szüksége. Ilyen esetben szükség van egy RC szűrő elhelyezésére az átalakító kimenetén. Kompakt méreteiknek és nagy hatékonyságuknak köszönhetően a feszültségátalakítók gyakorlatilag bárhol használhatók. Bármely eszköz megtervezésekor érdemes az ilyen típusú alkatrészeket választani.

Feszültségátalakító – hogyan működik?

A feszültségátalakító egy olyan impulzuselem, amely röviden szólva, a feszültséget csökkenti annak átkapcsolásával (váltakozó ki- és bekapcsolása). Ez a folyamat olyan gyors, hogy nem zavarja az áramellátó eszköz vagy rendszer működését. A DC/DC konverterekben a kapcsolást vezérlő elem általában egy MOSFET. Ahhoz azonban, hogy az egyenáramú feszültség megjelenjen a készülék kimenetén, további elemekre, például kondenzátorokra és induktivitásra (fojtóra) van szükség. Míg a kondenzátorok itt csak a szűrők szerepét töltik be, az induktív elemnek az a feladata, hogy energiát tároljon, amíg a készülék működik, annak későbbi visszatérése érdekében. Ezenkívül az átalakító áramkörbe szilíciumdiódát is kell helyezni, amely szabályozza az áram irányát. 

Feszültségátalakítók típusai

A feszültségátalakítóknak több típusa is elérhető a piacon, a legnépszerűbbek: 

• lefelé állítható step-down (buck) konverter – csökkenti a feszültséget,
• felfelé állítható step-up (boost) konverter – növeli a feszültséget,
• felfelé és lefelé állítható step-up/down (SEPIC) konverter – csökkenti vagy növeli a kimeneti feszültséget.

Ezen kívül vannak más kialakítások is, amelyek közül a legérdekesebbek a következők:

• nyitóüzemű konverter – egy DC/DC átalakító típus, amely egy transzformátoron alapul. Ez egy egykapcsolós elem - a forrásból merített energia valós időben kerül a kimenetre. A transzformátor használatának köszönhetően a nyitóüzemű konverter lehetővé teszi a bemenet és a kimenet galvanikus elválasztását. A nyitóüzemű átalakítókat néhány száz wattnál kisebb teljesítményű kapcsoló tápegységekben és inverteres hegesztőkben használják.
• flyback konverter – egy olyan DC/DC átalakító, amely a bemenet és a kimenet galvanikus elválasztását is használja. Ez egy kétkapcsolós eszköz, az első fázisban az energia felhalmozódik a tekercs mágneses mezejében, a második fázisban pedig visszatér. Az ilyen típusú rendszereket elsősorban alacsony teljesítményű kapcsolóüzemű tápegységekben használják. 

Feszültségátalakító: miket vegyen figyelembe a kiválasztáskor?

A megfelelő átalakító kiválasztása elsősorban attól függ, hogy milyen eszközt tervez. Ha kisebb, hordozható eszközt szeretne tervezni, érdemes megfontolni a miniatűr átalakítókat. Nagyobb berendezések esetén nagyobb méretű átalakítókat használhat beépített hűtőbordával a hőelvezetés megkönnyítése érdekében. Ezenkívül meg kell adni a szükséges átalakító típusát - step-up, step-down vagy step-up/down. Ha minimalizálni szeretné az energiaveszteségeket, érdemes a lehető leghatékonyabb feszültségátalakítókkal felszerelkezni. Az ilyen eszközök szokásos hatékonysága 80-90% közé esik. Emellett érdemes szem előtt tartani a konverter alapvető paramétereit, például: maximális kimeneti áram, kimeneti feszültségtartomány és bemeneti feszültségtartomány.

A cikk forrása:

www.tme.eu