1

SÄHKÖTEKNIIKKA JAELEKTRONIIKKA

tXt-10 2017, Kimmo Silvonen

Osa X, 27.11.2017

1 Lineaariset teholähteet

1.1 Yleistä

Vaihtojännitteen suuruutta voidaan muuntaa lähes häviöttömästi muun-tajalla. Usein on kuitenkin tarvetta pienentää tai suurentaa tasajännitet-tä, vaihtaa sen etumerkkiä, tai muuttaa vaihtojännitteen taajuutta. Myösmuunnosta vaihto- ja tasajännitteen välillä tarvitaan. Teholähdesovelluksetjaotellaan esim. seuraavasti:

• AC-AC-muuntimet (taajuusmuuttajat)

• AC-DC-muuntimet (tasasuuntaajat)

• DC-AC-muuntimet (vaihtosuuntaajat eli invertterit)

• DC-DC-muuntimet (lineaariregulaattorit ja hakkuriteholähteet)

Tässä yhteydessä käytettynä sana konvertteri tarkoittaa edellä mainittujamuuntimia. Osa edellä mainituista rakenteista perustuu käytännössä yleen-sä hakkuri- eli katkojatekniikkaan, osa vaihtoehtoisesti lineaaripiireihin.

Kuva 1 esittää tyypillisen lineaarisen teholähteen lohkokaaviota. Sa-na "lineaarinen" viittaa tässä siihen, että tasajännitettä ei muodosteta puls-simaisesti kuten hakkuriteholähteissä. Lineaarisen teholähteen osana onkin

2 1.2 Puoliaalto- ja kokoaaltotasasuuntaus

usein operaatiovahvistin regulaattoripiirin sisäisenä lohkona tai regulaat-toria ohjaamassa. Regulointi tarkoittaa tässä yhteydessä yleensä jännit-teen säätöä ja vakavoimista. Lähtöjännite pyritään pitämään vakiona kuor-mitusvirran, tulojännitteen ja ympäristöolosuhteiden muutoksista huoli-matta. Jännitteestä suodattuvat lisäksi ajan funktiona muuttuvat häiriösig-naalit pois. Piiriteoreettisesti teholähteet ovat yleensä vakiojännitelähteitä,vaikka puhekielessä usein käytetäänkin sanaa virtalähde.

230 V a.c. Muuntaja Tasasuuntaus Suodatus Regulointi Kuorma

Kuva 1. Tyypillinen lineaarisen teholähteen lohkokaavio. Kuorma on se ulkopuo-linen laite, joka on liitetty teholähteeseen. Esim. auton akkulaturin lohkokaaviovoisi olla tällainen, jolloin ladattava akku muodostaa kuorman.

1.2 Puoliaalto- ja kokoaaltotasasuuntaus

Puoliaalto- ja kokoaaltotasasuuntaajia tarvitaan vaihtovirran muuttami-seen tasavirraksi mm. teholähteissä ja mittalaitteissa. Puoliaaltotasasuun-taajassa on vain yksi diodi (kuva 2). Neljän diodin muodostamaa kokoaal-totasasuuntaajaa kutsutaan tasasuuntaussillaksi (kuva 3, kaksitiekytken-tä). Molempien tasasuuntaajien jännitteiden yksinkertaistetut aaltomuo-dot on esitetty kuvassa 2. Kuvassa oletetaan, että kuorma on resistiivi-nen ja diodit ovat ideaalisia. Tehoelektroniikassa puoliaaltotasasuuntaajaakutsutaan yksisyke- tai yksipulssisuuntaajaksi ja kokoaaltotasasuuntaa-jaa kaksisyke- eli kaksipulssisuuntaajaksi, kolmivaiheisena vastaavastikolmi- tai kuusisykesuuntaajaksi.

Vastus RL tarkoittaa tasasuuntaajaan (jännitelähteeseen) kytkettyä lai-tetta eli kuormaa (L = load). Jännite uA on yleensä muuntajan toisiojänni-te. Diodit piirretään usein vinottain eli selvemmin siltakytkennän muotoon(kuva 4). Jos toisiokäämi on kaksinkertainen, voidaan kahdellakin diodillamuodostaa kokoaaltotasasuuntaus yksitie- eli keskipistekytkentänä. Täl-laiset muuntajat ovat hyvin yleisiä, koska niitä käytetään myös kaksipuoli-sissa jännitelähteissä.

1.2 Puoliaalto- ja kokoaaltotasasuuntaus 3

uB

?

uA

?RL

iOUT-

6

6

6-

-

-

uA

uB = uA+|uA|2

uC = |uA|t

t

t

Kuva 2. Puoliaaltotasasuuntaaja ja kuormavastus RL, johon tasasuunnattu virtajohdetaan. Muuntajan tilalla voi olla mikä tahansa (vaihto)jännitelähde. Käämienvälissä olevat viivat kuvaavat muuntajan rautasydäntä. Oikealla puoliaaltotasa-suuntaajan (uB) ja kokoaaltotasasuuntaajan (uC) jännitteiden aaltomuodot. Ilmansuodatusta tasasuuntaaja muodostaa sinimuotoisesta vaihtovirrasta sykkiväätasavirtaa. Jännite uA on oletettu yhtä suureksi tässä ja tulevissa tasasuuntaajissa.

Koska diodit toimivat tasasuuntauksessa ideaalisen kytkimen tapaan,ne on mahdollista korvata sopivasti ohjatuilla BJT- tai FET-kytkimillä(synkroninen tasasuuntaaja). Transistorien ohjaussignaaleja muutellaanuA:n napaisuuden funktiona. Transistorien ja varsinkin fettien etuna on pie-nempi jännitehäviö kuin diodeissa. Seikka on erityisen huomion arvoinensuurilla kuormavirroilla ja pienillä jännitteillä, joilla diodien tehohäviöt al-kavat olla prosentuaalisesti merkittäviä. Nykyaikaisten mikroprosessorienvirrankulutus saattaa olla yli 100 A noin 1,5 V:n jännitteellä. EnsimmäinenIntel Pentium -prosessori, jonka kellotaajuus oli 60 MHz, otti 4 A virtaajännitteen ollessa 3,5 V.

uA

?

uC

?RL

iOUT-

Kuva 3. Kokoaaltotasasuuntaaja. Huomaa, että tasavirta otetaan kuormavas-tukseen diodien samanlaisten päiden liitoskohdista, mutta vaihtovirta syötetäändiodien erilaisten päiden liitoskohtiin.

4 1.3 Rippeli ja tasasuunnatun jännitteen spektri

uA

?RL

iOUT-

uC

?

0

6

1

3

2

4

5

uC

?

uA

?

uA

?RL

iOUT-

Kuva 4. Tasasuuntaussilta ja kahdella diodilla toteutettu kokoaaltotasasuuntaaja(yksitie- eli keskipistekytkentä). Oikeanpuoleisen kytkennän sisäinen vastus onpienempi, koska virta kulkee vain yhden diodin läpi kerrallaan; vasemmassakytkennässä virran kulkureitillä on aina sarjassa kaksi diodia (kaksi eri reittiäriippuen uA:n etumerkistä: 0 → 1 → 5 → 4 → 6 tai 6 → 2 → 5 → 3 → 0).Suuritehoisissa sovelluksissa voi diodien tilalla olla tyristorit.

Diodien jännitehäviö huonontaa tasasuuntaajan toimintaa hieman. Ku-van 5 kokoaaltotasasuunnatussa aaltomuodossa yksittäinen diodi johtaa,kun θ ≤ ωt ≤ π− θ. Kynnysjännitteen takia tämä jakso on käytännössälyhyempi kuin T/2 (T on jaksonaika).

-

6iD

ωtθ

T2

π−θ

Kuva 5. Diodi johtaa silloin, kun muuntajan toisiojännite ylittää diodien kynnys-jännitteen eli välillä θ . . .π− θ. Tässä virtaa ja jännitettä on kuvattu selvyydenvuoksi sinifunktiolla eikä kosinilla, kuten paikoin toisaalla.

1.3 Rippeli ja tasasuunnatun jännitteen spektri

Jos suodatusta ei ole, tasasuuntaajan jännite on pulssimainen. Puoliaaltota-sasuunnattu siniaalto on kaikkea muuta kuin puhdasta tasajännitettä, kuten

1.3 Rippeli ja tasasuunnatun jännitteen spektri 5

oheinen Fourier-sarjakehitelmä osoittaa:

uB(t) =uπ+

u2

sinωt − 2u3π

cos2ωt − 2u15π

cos4ωt −

. . .− 2u(n2 −1)π

cosnωt (1)

Kokonaisluku n saa tässä vain parillisia arvoja. Keskimääräinen tasa-jännite eli jännitteen keskiarvo ja vaihtojännitekomponenttien tehollisarvolasketaan seuraavasti:

UDC =UAV =uπ

(2)

UAC =

√(u

2√

2

)2

+

(2u

3π√

2

)2

+

(2u

15π√

2

)2

+ . . . (3)

Rippeli = wu =UAC

UDC= 121 % (4)

Rippeli (ripple) eli aaltoisuus kuvaa häiriöjännitteiden tehollisarvon ja ta-sajännitteen suhdetta eli tasajännitteen hyvyyttä. Sama suhde voidaan las-kea virroille. Edellä olleet kertoimet 3 ja 15 saadaan kaavalla (n2−1), jos-sa n on parillinen kokonaisluku (ei kuitenkaan nolla). Sarjaan syntyy siistasakomponentin ja perustaajuuden lisäksi vain perustaajuuden parillisiakerrannaisia. Parittomia n:n arvoja vastaavat kertoimet ovat nollia. Tasa-jännitekomponentin lisäksi syntyy siis taajuuksilla 50 Hz, 100 Hz, 200 Hz,300 Hz, jne. olevat häiriösignaalit, jotka on suodatettava pois. Vastaavastikokoaaltotasasuuntauksessa:

uC(t) =2uπ

− 4u3π

cos2ωt − 4u15π

cos4ωt −

. . .− 4u(n2 −1)π

cosnωt (5)

n saa nytkin vain parillisia arvoja. Tasajännite ja vaihtojännitekomponent-tien tehollisarvot ovat nyt:

UDC =UAV =2uπ

(6)

UAC =

√(4u

3π√

2

)2

+

(4u

15π√

2

)2

+ . . . (7)

6

Rippeli = wu =UAC

UDC= 48,2 % (8)

Perustaajuus 50 Hz puuttuu siis kokonaan, mutta kaikki muut taajuu-det (myös tasavirta) ovat voimakkuudeltaan kaksinkertaisia puoliaaltota-sasuuntaukseen verrattuna. Kokoaaltotasasuunnattu sini soveltuu parem-min suodatetun tasajännitteen raaka-aineeksi, koska ensimmäinen häiriö-taajuus 100 Hz on kauempana tasavirrasta kuin puoliaaltotasasuuntaajan50 Hz. Alipäästösuodatus toimii sitä tehokkaammin, mitä suurempia häi-riötaajuudet ovat.

Suodatukseen riittää usein suuri elektrolyyttikondensaattori (esim. C =100 . . .50000 µF) rinnan kuorman RL kanssa. Suodatustoiminta perus-tuu kondensaattorin lisäksi sen vasemmalla puolella olevan piirin (dio-dit, muuntaja) sisäiseen vastukseen ja induktanssiin; ideaalisen jänniteläh-teen rinnalle kytketty konkka ei suodata yhtään mitään. Jos kuormavirtaon pieni, riittää pienempi kondensaattori. Usein käytetään lisäksi regulaat-torimikropiiriä (joskus vain zenerdiodia) pitämään jännite kuormavirrastariippumatta vakiona.

Elektroniikassa on nykyisin luovuttu (lähinnä paino- ja tilasyistä) put-kiradioaikaan käytetyistä suodatuskeloista (tasauskuristin), jotka voitaisiinsijoittaa kuorman kanssa sarjaan. Toisin on asianlaita tehoelektroniikas-sa; jännite- ja virtakestoisuudeltaan huonompaa kondensaattorisuodatus-ta ei sähkövoimapuolella käytetä juuri lainkaan. Paras suodatus ennenregulointia saataisiin vielä nykyisinkin aikaan LC-tikapuuverkolla (LC-alipäästösuodatin), mutta hyvien regulaattorimikropiirien takia tähän eijuuri ole tarvetta muualla kuin hakkuriteholähteissä.

2 Huipputasasuuntaaja

2.1 Suodatuskondensaattorin vaikutus aaltomuotoihin

Kuva 6 esittää suodatuskondensaattorin C vaikutusta kuormajännitteen jakondensaattorin virran aaltomuotoihin. Kondensaattorin jännite seuraa si-nikäyrän nousevaa osaa hetkestä −t0 alkaen. Tällöin kondensaattori latau-tuu. Purkautuminen alkaa likimain sinin huippukohdassa, ja jatkuu niinkauan kuin purkauskäyrä ja siniaalto uudestaan kohtaavat. Ilman suoda-tuskondensaattoria ideaaliselta kokoaaltotasasuuntaajalta tulisi yksinker-taisesti sinin itseisarvokäyrä. Jos kondensaattori on mukana, se pyrkii la-

2.1 Suodatuskondensaattorin vaikutus aaltomuotoihin 7

tautumaan sinikäyrän huippuarvoon, mutta purkautuu huippujen välillä jo-ko eksponenttikäyrän mukaisesti tai suoraviivaisesti. Jännite putoaa suo-raviivaisesti, jos kuorma ottaa jännitteestä riippumatta vakiovirran (vakio-virtakuorma). Eksponenttikäyrä syntyy vakioresistanssikuormalla (ku-va 7). Edellinen tarkoittaa käytännössä sarjaregulaattoria (esim. mikro-piiri 78xx) ja jälkimmäinen rinnakkaisregulaattoria (esim. zenerdiodi),tai ei regulointia lainkaan. Kuormavirta iOUT noudattaa resistanssikuormal-la jännitteen uC aaltomuotoa.

tT2

−t0

uC

u

∆t

∆uuC

|uA|-

6

tT2

−t0

uC

u

∆t

uC

|uA|-

6

t

i iCMAX

∆t−t0

iOUT

iC

iC

-

6

t

i iCMAX

iC

∆t−IOUT iC−t0 0 T2

IOUT-

6

Kuva 6. Huipputasasuuntaajan jännitteen ja virran aaltomuodot. Oletetaan koko-aaltotasasuuntaja ideaalisin diodein. Vasen kuva edustaa vakioresistanssikuormaa;jännitteen ja virran aaltomuodot ovat "laskukauden" aikana eksponentiaalisestilaskevia; koska lasku on melko loivaa, näyttää käyrä kuitenkin lähes suoralta.Oikeanpuoleisessa kuvassa jännitteen laskukausi on teoriassakin suora, koskavakiovirtakuorma IOUT purkaa kondensaattorin varausta tasaisesti. Laskukausienaikana iC = −iOUT, jolloin iD = 0. Vielä tarkempi analyysi osoittaa, että lasku-kausi alkaa vasta hieman huippukohdan jälkeen, koska sinikäyrä laskee aluksiloivemmin kuin eksponenttikäyrä tai eksponenttikäyrän tangentin suuntainensuora. Tasasuuntaajalta tuleva virta iD haarautuu kondensaattoriin ja kuormaan.Kondensaattoriin menevä latausvirta koostuu kapeista likimain kolmiomaisistapulsseista. Latauspulssien aikana konkan ja kuorman jännite kasvaa ja pulssienvälillä konkka purkautuu.

8 2.2 Suodatuskondensaattorin mitoitus

Mikäli diodien jännitehäviö(t) halutaan ottaa huomioon, korotetaanvaaka-akselia yhden (tai siltakytkennässä kahden) kynnysjännitteen ver-ran. Tällöin jännite on kupujen välillä osan aikaa nolla. Huippuarvo u pie-nenee vastaavan määrän.

Kondensaattori on yleensä niin suuri, että jännitteen aaltoilu ∆u on vainvähäistä. Kondensaattori latautuu erittäin nopeasti ja siksi virran huippuar-vo iCMAX on suuri. Lähes kolmiomaisen latauspulssin pinta-ala eli varausvälillä −t0 . . .0 on sama kuin kuormavirran rajaama ala välillä 0 . . .∆t. Tä-nä aikana vastus saa virtaa vain kondensaattorista.

Vakioresistanssikuorma

+

−uA

︸ ︷︷ ︸kokoaaltotasasuuntaus

RLC?

iOUT-

iC?

iD-

Vakiovirtakuorma

+

− ︸ ︷︷ ︸kokoaaltotasasuuntaus

?C

iC?

iD-

uC

?

IOUT-

Kuva 7. Vakioresistanssikuorman virta on suoraan verrannollinen jännitteeseen,joka vaihtelee hieman rippelin takia. Vakiovirtakuorma syntyy myös tavallisestavastuksesta, jos sarjaregulaattori pitää kuorman jännitteen vakiona, vaikka regu-laattorin tulojännite muuttuisikin. Käytännön kuormat ovat usein toiminnaltaanmutkikkaampia, mutta yksinkertaistukset ovat hyvä lähtökohta suunnittelulle.

2.2 Suodatuskondensaattorin mitoitus

Jos jännitteen aaltoilu on pientä, pysyy kuormavirta likimain vakiona:iOUT = IOUT (pienellä i:llä merkitään ajan funktiona vaihtelevaa virtaa).Myös tyypillisen regulaattorimikropiirin (sarjaregulaattori) kanssa huippu-tasasuuntaajasta otettu virta on jännitteestä riippumaton, mikäli regulaatto-ria kuormitetaan vakioresistanssilla. Tällöin kondensaattorin jännite laskeelatauspulssien välillä suoraviivaisesti. Zenerdiodiregulaattori ja reguloima-ton tapaus (vain RL ja C) tuottavat molemmat eksponenttiaalisesti laskevanjännitteen, koska kondensaattorista oikealle kulkeva virta pienenee jännit-teen funktiona. Eksponenttikäyrää voi kuitenkin approksimoida suoralla,kun aaltoilu eli rippeli on pientä.

2.2 Suodatuskondensaattorin mitoitus 9

C RLiC?

iD = 0-

uC

?

IOUT6IOUT-

Kuva 8. Sillä välin, kun diodien virta on nolla, puretaan kondensaattorin varaustakuormaan. Konkan jännite ehtii pienentyä ∆u:n verran, kunnes se seuraavallapuolijaksolla latautuu uudestaan diodin kautta. Tilanne ei juuri muutu, vaikkakondensaattorin ja kuorman väliin sijoitettaisiin sarjatyyppinen jännitteensäätö-eli regulointipiiri (esim. 7805).

Jännitteen aaltoilu tietyllä suodatuskonkan arvolla voidaan laskeaseuraavasta likiarvokaavasta:

iC =CduC

dt⇒−IOUT =C

−∆u∆t

(9)

∆u =IOUT

C∆t (10)

∆t:n tarkkaa arvoa on yleensä turhaa laskea, koska pienillä rippelin arvoillapätee riittävän tarkasti approksimaatio:

∆t =T2− t0 ≈

T2

(11)

Rippelin likiarvolaskukaavaksi tai konkan mitoituskaavaksi tulee siis lo-pulta:

∆u ≈ IOUTT2C

=IOUT

2 fC

(T =

1f

)(12)

Tulos on sitä tarkempi, mitä pienempi ∆u on; todellisuudessa ∆u on pie-nempi kuin yllä oleva likiarvo. Yhden ampeerin virralla rippeliksi tulisi yk-si voltti, jos C = 10 mF. Puoliaaltotasasuuntauksessa ∆t ≈ T , jolloin ∆u:nkaavasta jätetään kakkonen pois.

Reguloiduissa jännitelähteissä jännitteen tulee olla aaltoilun minimi-kohdissakin riittävän korkea — tavallisten ic-regulaattoreiden kanssa vä-hintään 2 tai jopa 3 volttia korkeampi kuin reguloitu lähtöjännite.

10 2.3 Zenerdiodi

2.3 Zenerdiodi

Hyvin negatiivisilla jännitteillä diodin ominaiskäyrä kääntyy jyrkkään las-kuun; tapahtuu niin sanottu läpilyönti. Sen aiheuttavat zener- ja avalanche-(vyörypurkaus- eli lumivyöry-) ilmiöt.

Molemmat läpilyöntimekanismit vaikuttavat yhtä aikaa, mutta karkeanjaottelun mukaan zener-ilmiö on vallitseva alle 5 voltin läpilyöntijännitteil-lä ja vyörypurkausilmiö yli 7 voltin jännitteillä. Zener-ilmiössä tyhjennysa-lueen sähkökenttä on niin voimakas, että se pystyy irrottamaan elektronejakovalenttisista sidoksista. Avalanche-ilmiössä tyhjennysalueen läpi sähkö-kentän ajamina kulkevat vähemmistövarauksenkuljettajat irrottavat elekt-roneja kovalenttisista sidoksista törmäysenergiansa (liike-energiaa) voi-malla. "Lumivyöry" syntyy, kun nämä irronneet elektronit irrottavat omallatörmäysenergiallaan lisää elektroneja, jne.

Tavallinen diodi yleensä särkyy tässä vaiheessa, ellei läpilyöntivir-taa ole rajoitettu. Zenerdiodi (kuva 9) sitä vastoin on suunniteltu toimi-maan juuri läpilyöntialueella; sitä käytetäänkin normaalisti estosuunnas-sa. Päästösuunnassa zenerdiodi käyttäytyy tavallisen diodin tavoin. Läpi-lyöntijännitettä −UZ negatiivisemmilla jännitteillä ominaiskäyrä laskeelähes pystysuorasti, jolloin jännite ei juuri muutu, vaikka virta vaihteli-si melko paljonkin. Zenerjännitettä UZ vastaava nimellisvirta IN ilmoite-taan diodin datalehdellä. Normaalikäytössä zenerdiodin virta IZ mitoite-taan suuremmaksi kuin IN (molemmat positiivisia). Tavallisimmilla zener-diodeilla IN on noin 5 . . . 20 mA, mutta suuritehoisilla zenerdiodeilla jopasatoja milliampeereja.

6

-

I

U−UZ−IS−IN

IZ > IN?

I6

U6

Kuva 9. Zenerdiodin ominaiskäyrä ja piirrosmerkkejä, joista ensimmäinen onIEC:n standardin mukainen. Kuten diodilla, tässäkin kuvassa pystyakselin skaa-laus vaikuttaa käyrän muotoon ja yleisvaikutelmaan.

Zenerdiodin maksimi tehohäviö on likimain zenerjännitteen ja esto-

2.4 Jännitereferenssi ja zener-regulaattori 11

suuntaisen maksimivirran tulo:

PMAX =UZIMAX (13)

Tyypillisiä arvoja ovat 0,2 W ja 0,5 W, mutta jopa 20 W on mahdollinen.Määrätyn tehonkeston omaavia zenerdiodeja on aina saatavana useilla erizenerjännitteen arvoilla.

2.4 Jännitereferenssi ja zener-regulaattoriZenerdiodia voidaan käyttää mm. jännitereferenssinä tai jännitteen rajoit-timena. Kuvassa 10 on esimerkkejä zenerdiodin käytöstä jännitteen regu-lointiin eli vakavointiin. Huomaa, että zenerdiodia käytetään yleensä esto-suunnassa. Mitoituskaavat erikseen kuvan vasemmalle ja oikealle piirille:

IZ =E −UZ

R> IN IZ + IL ≈

√2U −UZ

R> IN + IL (14)

ER

?IZ

IZ-

0-

UREF =UZ?

U?

CR

?IZ

UZ?

IL-

Kuva 10. Zener-reguloinnin periaate. Vasemmalla jännitereferenssi, jota ei kuor-miteta. Oikealla pienitehoinen teholähde. Zenerdiodin jännite on sen nimellis-jännitteen suuruinen, mikäli jännite ilman zeneriä olisi samalla kohdalla tätäkorkeampi.

Zenerdiodin tärkeimmät käyttösovellukset ovat siis referenssijännit-teenä (kuvassa 10 vasemmalla) sekä jänniteregulaattorina (oikealla).Jänniteregulaattori on yleensä järkevää toteuttaa mikropiiriregulaattorilla— zenerdiodi soveltuu lähinnä tilanteisiin, joissa kuormavirta on hyvinpieni. Kokoaaltotasasuuntaaja on suositeltavampi yksinkertaistetun kuvanpuoliaaltotasasuuntaajan sijaan.

2.5 Rinnakkais- ja sarjaregulointiVarsinkin kuormitusvirran ollessa pieni riittää teholähteeksi muuntaja, ta-sasuuntaaja ja suurehko suodatuskondensaattori — satoja mikrofaradeja

12 2.5 Rinnakkais- ja sarjaregulointi

tai enemmän. Tätä rakennetta näkee usein esimerkiksi hifi-vahvistimienteholähteissä, joissa tosin suuren virran takia kondensaattorit ovat kymme-niä tai jopa satoja millifaradeja. Koska vahvistimen toiminta ei ole kovinherkkä käyttöjännitteen vaihteluille signaalin ja kuormituksen funktiona,ei varsinaista regulointia välttämättä tarvita.

Regulointi eli jännitteensäätö jaetaan kahteen päätyyppiin:rinnakkais- ja sarjaregulointi (kuva 11). Zenerdiodi on luonteel-taan rinnakkais- eli shunttityyppinen regulaattori. Sen läpi kulkeesuurehko virta IZ, jonka suuruus vaihtelee kuormaan menevän virranIO funktiona; zenerdiodi on tavallaan vastus RZ, jonka suuruus riippuujännitteestä UOUT. Kuorman ja zenerdiodin virtojen summa on likimainvakio, jotta vastuksen RS jännitehäviö pysyy vakiona olettaen, että ta-sasuuntaajalta tuleva jännite E on suunnilleen vakio. Tämä toiminta onautomaattista, koska zenerdiodi pyrkii pitämään jännitteensä vakiona.

Nykyisin yleisempi jännitteensäätötapa on sarjaregulointi. Siinäkuormavirta kulkee "säädettävän vastuksen" läpi. Vastusarvo säätyy auto-maattisesti kuormavirran ja tulojännitteen funktiona siten, että kuormanjännite pysyy vakiona. Varsinaiset regulaattorimikropiirit toimivat yleensäsarjareguloinnin periaatteella; säädettävä vastus on toteutettu transistori-piirillä.

ERS

U --IE

R3?

IZ

RZ UOUT

?

IO-

ERR

�

R UOUT

?

IO-

U -

Kuva 11. Rinnakkaisregulointi (vrt. zenerdiodi) vasemmalla ja sarjaregulointi(vrt. regulaattori-IC) oikealla. Säädettävä vastus esittää siis tässä zenerdiodia jaoikealla regulaattoripiiriä.

Oletetaan, että raakatasajännite E pysyy suunnilleen vakiona, mutta kuor-mavirta IO vaihtelee; virta IE vasemmalla pysyy sen sijaan vakiona. Käsi-tellään kuvan (11) molemmat piirit rinnakkain:

U = E −UOUT = vakio U = E −UOUT = vakio (15)

IE =E −UOUT

RS= IZ + IO = vakio IO =

UOUT

R(16)

2.6 Jänniteregulaattorit, kolmikarvaiset 13

RZ =UOUT

IZ=

UOUTE−UOUT

RS− IO

RR =E −UOUT

IO(17)

Tuloksista nähdään, miten regulaattorin vastus säätyy automaattisesti kuor-mavirran (ja E:n) funktiona. Zenerdiodin etuvastus RS mitoitetaan yleensäkuorman suurimman virran mukaan

RS =E −UOUT

IZMIN + IOMAX(18)

jolloin pienemmillä IO:n arvoilla zenerin virta on suurempi (näin jännitepysyy varmasti likimain arvossa UZ. Reguloinnin takia kuorman jännite eijuuri vaihtele kuormavirran funktiona ja tasasuuntaajalta tulevat häiriötaa-juudet (kuten 100 tai 50 Hz) suodattuvat paremmin pois.

2.6 Jänniteregulaattorit, kolmikarvaisetRegulaattoreilla on transistorien tapaan kolme terminaalia, nyt nimeltään:input, output ja common (usein maa).

Regul.i o

c

Kuva 12. Regulaattori Three-Terminal Regulator.

Tasajännitteen pienentäminen onnistuu helposti regulaattorimikropii-rin avulla. Regulaattoreita on olemassa positiivisille ja negatiivisille jän-nitteille — sekä kiinteäjännitteisiä että säädettäviä. Parhaiten regulaattorisoveltuu tilanteisiin, joissa kuormitusvirta on pienehkö, esim. alle 1 . . . 2A, tai ainakaan tarvittava jännitteen pudotus ja virta eivät ole yhtä aikaasuuria. Aivan pienikään jännitteen pudotus ei voi olla, koska tavallisimmatregulaattorit vaativat noin 2 . . . 3 voltin eron tulon ja lähdön välille toimiak-seen kunnolla. Erityisillä LDO (Low Drop Out -regulaattoreilla kyseinenjännite-ero saa olla paljon pienempi, ehkä vain satoja mV.

Regulaattori-IC on hinnaltaan edullinen mikropiiri, jossa on jännit-teensäädön lisäksi oikosulku- ja ylikuumenemissuojaus. Piirin ylikuu-meneminen laukaisee suojapiirin, joka katkaisee lähtöjännitteen. Tämä voi

14 2.6 Jänniteregulaattorit, kolmikarvaiset

tapahtua melko pienilläkin kuormavirran arvoilla, jos regulaattorin jänni-tehäviö (E −UOUT) on suuri, mikä aiheuttaa suuren tehohäviön. Korkeinsallittu tulojännite on tyypillisesti 35 V, mutta usein vähemmän. Suurinsallittu tehohäviö riippuu käytännössä piirin kotelotyypistä ja jäähdytyk-sen tehokkuudesta. Jäähdyttyään piiri toipuu ennalleen.

Tyypillisiä regulaattorimikropiirejä ovat 78xx-sarja maahan nähdenpositiivisille jännitteille ja 79xx negatiivisille. Tunnuksessa oleva xx taix (780x, 790x) ilmoittaa kiinteän lähtöjännitteen, esimerkiksi 5; 8; 12; 15;18 tai 24 V. Harvinaisemmat arvot on kuitenkin muodostettava säädettä-vällä regulaattorilla (kuten 78G, LM 317, LM 350, ym.), missä säätö ta-pahtuu yleensä vastusarvoa muuttamalla. Eri valmistajilla on myös omianumerokoodejaan, esimerkiksi LM 309K on käytännössä sama kuin mo-nen valmistajan valikoimassa oleva 7805.

Ulkoisesti regulaattoripiirit ovat tehotransistorin näköisiä. Yleensä neon liitettävä metalliseen jäähdytyslevyyn eli jäähdytysripaan. Tavalli-simmat kotelotyypit lienevät TO-3 ja TO-220 sekä niiden muunnelmat.Kuvassa 13 kotelot esitetään päältä katsottuna.

TO-3

78XX

TO-220

i co

c

b c e

(c)i

c

o(b)(c)

(e)

TO-3

79XX

TO-220

c i o

i

b c e

cc

i

obc

e

Kuva 13. Kuva esittää regulaattoripiirien johdinjärjestystä päältä katsottunaTO-3 ja TO-220 -koteloissa. Johdinjärjestys on positiivisilla ja negatiivisillaregulaattoreilla erilainen, mutta npn- ja pnp-tehotransistoreilla (b,c, e) keskenäänsamanlainen. LDO-regulaattoreille kuvan johdinjärjestys ei välttämättä päde!Oikea TO-3 on tietenkin hieman suipompi kuin kuvassa.

Huomaa, että johdinjärjestys on erilainen positiivisilla ja negatiivisillaregulaattoreilla, mutta myös monilla LDO-regulaattoreilla. Yksi johtimis-ta on yleensä kytketty komponentin metallikuoreen. Kuvassa 14 on pieni-tehoisen TO-92-kotelon nastajärjestys päältä katsottuna. Transistoreilla eitässä kotelossa ole vakiintunutta johdinjärjestystä, vaan johtimien sijaintion tarkistettava datakirjasta tai mittaamalla. Kannan sijainnin voi helpostiselvittää resistanssi- tai diodimittauksella; kollektorin ja emitterin erotta-minen edellyttää esim. virtavahvistuksen mittaamista (β on suurempi sil-

2.6 Jänniteregulaattorit, kolmikarvaiset 15

loin, kun npn-transistorin kollektorilla on positiivinen jännite emitteriinnähden).

TO-92

Ylhäältä katsottuna

7800/7900cio

Kuva 14. TO-92-koteloisten regulaattoreiden johdinjärjestys on samanlainensekä positiivisille että negatiivisille regulaattoreille, mutta transistoreilla joh-dinjärjestys voi tässä kotelossa olla aivan mikä tahansa! Kun koteloa katsotaanylhäältä, eivät johtimet näy (toisin kuin kuvassa).

Yleispätevä regulaattorimikropiirin sovelluskytkentä on kuvassa 15.

i o

c, gnd

7805

0,33 µC u?iC?

-IO + IQ ≈ IO

+0,33 µ 5V

?

E ?

IQ

IO-

R

Kuva 15. Regulaattoripiirin yleinen sovelluskytkentä. Jännitelähde E voi olla esi-merkiksi muuntaja ja tasasuuntaaja. C on mahdollisimman suuri suodatuskonkka— yleensä vähintään tuhansia mikrofaradeja; sitä ei tarvita, jos E on riittävänpuhdasta tasajännitettä (esim. akku tai paristo). Kolme terminaalia: i = input, o =output ja c = common eli gnd = ground (maa).

Pariston E paikalla on tyypillisesti muuntaja ja tasasuuntaussilta, jos-kus esimerkiksi akku tai hakkuriteholähde. Kaksi pienempää kondensaat-toria kytketään mahdollisimman lähelle regulaattoripiirin napoja. Oikean-puoleinen pikkukonkka parantaa jännitelähteen transienttiominaisuuk-sia. Vasen eliminoi mahdolliset värähtelytaipumukset, mikäli regulaat-tori on kaukana varsinaisesta suodatuskonkasta; kummankaan lukuarvoteivät ole kriittisiä. Kapasitanssin yksikkö F on tarkoituksella jätetty kaa-viosta pois kuten usein on tapana.

Kondensaattorin C suuruus vaikuttaa regulaattorin tulojännitteen rippe-liin eli aaltoiluun, jonka pitäisi olla mahdollisimman vähäistä. Jos E koos-tuu muuntajasta ja tasasuuntaajasta, joutuu kondensaattori luovuttamaankoko kuormavirran sillä aikaa, kun diodit ovat estosuunnassa. Regulaattoripoistaa rippelin lähes kokonaan, jos jännite pysyy koko ajan riittävän kor-

16 2.6 Jänniteregulaattorit, kolmikarvaiset

keana (u >UOUT +3 V). Tavallisimmat regulaattorit vaativat toimiakseenjopa noin kolmen voltin jännite-eron tulon ja lähdön välille — monellepiirille riittää kahden voltin marginaali. Low dropout- eli LDO- tyyppisis-sä regulaattoreissa tarvittava marginaali on selvästi pienempi, vain kym-meniä tai satoja millivoltteja. Tulolle ja lähdölle yhteisen navan virta IQ onkuormavirrasta tai tulojännitteestä riippumatta lähes vakio lepovirta. IQ (Q= quiescent) on tyypillisesti noin 5 mA, usein paljon pienempi.

Operaatiovahvistin ja muut analogiset signaalinkäsittelypiirit toimivatparhaiten kaksipuolisella syöttöjännitteellä (esimerkiksi ±5 tai ±15 Vmaahan nähden). Tyypillisesti muuntajassa on valmiiksi tarvittavat kaksitoisiokäämiä; tasasuuntaussiltoja tarvitaan kuitenkin vain yksi (kuva 16).

+

−230 Va.c.

+

+

C

CuA

?

uA

?

7815

7915

15 V?

15 V?

+15 V

0

−15 V

Kuva 16. Kaksipuolinen ±15 voltin jännitelähde. Tasasuuntaajan kytkentä voi-daan ymmärtää kahdesta kahden diodin kokoaaltotasasuuntaajasta koostuvaksi.Tällainen teholähde on erittäin suositeltava esimerkiksi operaatiovahvistimenjännitelähteeksi vaikkapa audiosovelluksissa.

Jotkut laboratoriojännitelähteet antavat maahan nähden positiivisen janegatiivisen jännitteen. Nämä voi yleensä tunnistaa ainoastaan kahdestajännitemittarista ja kahdesta jännitteensäätönupista. Nykyisin ovat yleisty-neet sellaiset jännitelähteet, joissa punaisen plussan ja mustan miinuksenvälissä olevaa hämäysmaata ei todellisuudessa ole kytketty mihinkään! Itseen kyllä laittaisi naparuuvia tällaiseen liitäntään.

17

3 Hakkuriteholähteet

3.1 Hakkuriteholähde

Lineaarisen teholähteen ongelmana on jännitteenpudotus, joka näkyy käy-tännössä tehohäviönä — hukkateho huonontaa hyötysuhdetta ja kuumen-taa piirejä. Tästä ongelmasta päästäisiin, jos tasajännitettä voitaisiin muun-taa häviöttömästi arvosta toiseen — vaihtojännitteellähän muuntaja tekeejuuri tämän.

Hakkuriteholähde (switching regulator, SMPS = switched modepower supply) ottaa raakajännitelähteestä tehoa pulssimaisesti pieninä mu-ruina ja tavallaan kokoaa jännitteen uudestaan näistä rakennuspalikois-ta. Lähteestä otetaan jokaisella jaksolla energiaa vain kuorman tarvitsemamäärä. Näin hakkurin hyötysuhde on oleellisesti parempi kuin lineaarisenteholähteen, teoriassa täydet 100 %. Aivan näin korkealle ei käytännössäpäästä, mutta yli 90 % hyötysuhteet ovat mahdollisia.

Hakkuripiiriin menevää virtaa katkotaan; kytkin on kiinni ajan ton < T ,missä jaksonaika T = 1

f . Pienemmän lämmöntuotannon ja suuremman taa-juuden takia varsinkin suuritehoinen hakkuri vie vähemmän tilaa kuin vas-taava lineaarinen teholähde. Karkeana yleistyksenä voisi sanoa, että suuri-tehoinen teholähde on edullista tehdä hakkurilla, mutta pienellä teholla li-neaarinen rakenne on yksinkertaisempi. Paristokäyttöisissä laitteissa hak-kurien hyvästä mukautuvuudesta eri jännite- ja virtatasoille on usein hyö-tyä. Hyvä esimerkki on Ledlenserin otsalamppu, joka toimii neljän sormi-pariston lisäksi 3 V litiumparistoilla (CR123A) ja 3,6 V litium-ioni -akuilla(18650) sekä latautuu USB:stä. Oleellinen osa hakkurin toimintaa on kyt-kin. Lähtöjännitettä säädetään muuttamalla kytkimen pulssisuhdetta (dutyratio)

D =ton

T(19)

Se, miten jännite riippuu pulssisuhteesta, vaihtelee eri hakkurityyppien vä-lillä; D:n kasvattaminen kuitenkin nostaa jännitettä. Hakkuriteholähteelläon mahdollista muodostaa tulojännitettä suurempi tai pienempi lähtöjän-nite. Tarvittaessa voidaan myös tehdä positiivisesta tulojännitteestä nega-tiivinen lähtöjännite. Tietokoneessa tarvittavat suuret virrat matalalla jän-nitteellä on helpompi tuottaa hakkurirakenteella ilman, että teholähde läm-piää hirveästi.

18 3.1 Hakkuriteholähde

Tulojännitteen suuruus ei vaikuta niin paljon hyötysuhteeseen kuin li-neaariregulaattoreissa, joissa hyötysuhde on lähes tarkalleen sama kuinlähtöjännitteen ja tulojännitteen suhde, koska IOUT ≈ IIN. Hakkurikytken-nöissä ei aina tarvita edes muuntajaa, mutta turvallisuussyistä se kuitenkinon yleensä verkkovirtalaitteissa mukana. Tasasuuntaaja, karkea suodatusja hakkurin kytkin ovat jo muuntajan ensiöpuolella; muuntaja toimii suuri-taajuisilla tasavirtapulsseilla.

Hakkurin kela ja kondensaattori toimivat energiavarastoina ja syöt-tävät kuormaan virtaa sillä välin, kun lähteestä ei oteta tehoa. Hakkureissatarvitaan tehokas suodatus, jotta lähtöjännite olisi tasaista. Toisaalta hak-kurit toimivat yleensä suurella jopa satojen kilohertsien taajuudella, jolloinsuodatus on helpompaa kuin pienemmillä taajuuksilla. Suuren taajuudentakia hakkurin kelat, kondensaattorit ja muuntajakin voivat olla paljon pie-nempiä kuin muuten. Suuri taajuus aiheuttaa helposti radioteitse eteneviätai sähköisesti kytkeytyviä häiriöitä.

Mm. tietokoneiden jännitelähteet ovat hakkurityyppisiä, koska pro-sessoripiirien tarvitsema kymmenien ampeerien virta aiheuttaisi lineaari-sissa teholähteissä valtavia ongelmia (kuva 17). Lineaariregulaattori oli-si toivottoman kallis ja kuuma. Toisiokäämejä on useita, jolloin samallalaitteella voidaan kehittää useita eri suuria ja erimerkkisiä lähtöjännitteitä.Usein vain yksi lähtöjännitteistä (3,3 V) on varsinaisesti reguloitu eli kyt-ketty takaisinkytkentään. Muiden lähtöjen jännitteet ovat käämien kierros-määrien suhteessa verrannollisia reguloidun lähdön jännitteeseen. Regu-loimattomat jännitteet vaihtelevat kuitenkin esimerkiksi kuormitusvirranfunktiona. Käämit on kytkettävä oikein päin, muuten piiri ei toimi. Kos-ka kytkin sijaitsee korkeajännitteisessä piirissä, tarvitaan takaisinkytkentä-lenkkiin optoeristin eli optoerotin. Se on komponentti, jossa samassa ko-telossa on LED ja valoherkkä fotodiodi. Tieto siirtyy optoeristimen sisälläoptisesti, jolloin tulon ja lähdön välillä ei ole ns. galvaanista eli "johtimel-lista" yhteyttä.

Lopullinen jännitteen regulointi tehdään joskus hakkuriteholähteenjälkeen kuitenkin vielä lineaarisella regulaattorilla. Tämä voi olla kätevääesimerkiksi silloin, kun tarvitaan useita eri suuria tasajännitteitä tai erityi-sen tasaista tasajännitettä.

3.2 Hakkurien perusrakenteet ja toimintatilat 19

0

+3,3

−12

TakaisinkytkentäKytkimen ohjauslähtöjännitteenfunktiona

Kuva 17. Tietokoneiden ATX-poverin periaatekytkentä, esimerkkinä kaksi läh-töjännitettä. Katkoviiva tarkoittaa kytkimen pulssisuhteen ohjausta (yhden)lähtöjännitteen funktiona. Toisiokäämejä on useita; käytännön ATX-povereissaon tyypillisesti jännitteet: +3,3 V; +5 V; + 12 V ja −12 V sekä joskus vanhoilleISA-korteille −5 V. Liitäntöjen virranantokyvyssä on suuria eroja; suurin tehosaadaan yleensä 12 V linjasta. Kaikkia liitäntöjä ei voi kuormittaa yhtä aikaamaksimivirralla, ettei maksimiteho ylity; rajoittavana tekijänä on ehkä muuntaja.

Hakkuriteholähteen suunnittelu on helppoa IC-valmistajien datalehtienperusteella. Yleensä toimintaa ohjaavan mikropiirin lisäksi tarvitaan vainmuutama irrallinen komponentti, jotka olisi vaikea integroida: kela, suu-rehko kondensaattori, nopea kytkindiodi ja ehkä FET- tai transistorikytkin.Viime mainittu on usein mikropiirissä valmiina. Usein ohjainpiirit on suun-niteltu ja optimoitu nimenomaan tiettyyn hakkurikonfiguraatioon tai jopatiettyyn tarkasti määriteltyyn käyttösovellukseen.

3.2 Hakkurien perusrakenteet ja toimintatilat

Kolme yleisintä hakkuriteholähteiden perusrakennetta ovat: step–down,step–up ja niiden yhdistelmä buck–boost tai step–down step–up eli invert-teri. Yleisimmät hakkuriteholähdetyypit sisältävät ohjauselektroniikan li-säksi vain kytkimen, diodin, kondensaattorin ja kelan. Nämä ovat kaikkilikimain häviöttömiä komponentteja, mikä onkin hakkuriteholähteen hy-vän hyötysuhteen salaisuus. Kytkin ja diodi muodostavat itse asiassa vaih-tokytkimen, jolla kela kytketään vuorotellen varautumistilaan ja purkautu-mistilaan, jossa se luovuttaa energiaa kuormaan.

20 3.3 Käämivuon ja varauksen säilyminen, rippeli

6iL

t-︸ ︷︷ ︸

jatkuva toiminta︸ ︷︷ ︸

epajatkuva toiminta

Kuva 18. Hakkuriteholähteen jatkuva ja epäjatkuva toiminta; katkoviiva on virrankeskiarvo.

Hakkuriteholähteillä on kaksi päätoimintamuotoa (vrt. kuva 18): epä-jatkuvassa toiminnassa kelan virta menee välillä nollaksi, jatkuvassa toi-mintatavassa uusi latauspulssi alkaa ennen kuin kelan virta on ehtinyt sam-mua (kelan virta on siis jatkuva). Epäjatkuvan toiminnan huono puoli onsuuri kelavirran vaihtelu, koska kelan on siirrettävä kondensaattoriin tiet-ty varaus lyhyemmässä ajassa. Epäjatkuvan toiminnan etuna on pienempiherkkyys tulojännitteen ja kuormavirran vaihteluille. Invertteri- ja step–up-kytkennät toimivat yleensä epäjatkuvassa moodissa, kun taas step–down-tyyppinen hakkuri on yleisempi jatkuvassa toiminnassa. Jotta kelan virtaolisi jatkuva, pitää induktanssin olla suurehko, mutta vastaavasti konden-saattori voi olla pienempi. Suuritehoisissa laitteissa jatkuva toiminta onedullisempi, koska huippuvirrat jäävät pienemmiksi. Suurella kuormitus-virralla toiminta muuttuu luonnostaan jatkuvaksi.

3.3 Käämivuon ja varauksen säilyminen, rippeli

Alaindeksi L liittyy seuraavissa alaluvuissa aina kelaan; sekaannusten vält-tämiseksi kuormaan viitataan alaindeksillä O tai OUT. Oletetaan kuorma-virta IO sekä tulo- ja lähtöjännitteet UIN ja UO vakioiksi. Muut suureetoletetaan ajan funktioiksi, mitä ne ovat käytännössäkin — niitä merkitäänsiksi pienillä kirjaimilla. Yksinkertaisissa analyyseissä kytkimen ja diodinjännitteet uS ja uD oletetaan joko nolliksi tai vakioiksi. Kelan sarjavastuson helpompi ottaa huomioon vasta simulointivaiheessa, jos pyritään hyvintarkkaan analyysiin.

Kytkin on vuorotellen kiinni ajan ton ja auki ajan toff. Diodivirran kes-toaika td on korkeintaan yhtä pitkä kuin kytkimen aukioloaika (td ≤ toff).Kelan energiavaraston purkautuminen vie samoin ajan td (d = discharge,decay, "rappeutumisaika", "mätänemisaika"); kelan virta putoaa epäjatku-

3.3 Käämivuon ja varauksen säilyminen, rippeli 21

vassa toiminnassa tässä ajassa nollaksi. Jaksonaika on kytkentätaajuudenf käänteisluku.

T = ton + toff =1f

(20)

∆iL on kelavirran ja ∆uO kuormajännitteen vaihtelu huipusta huippuun elivirta- tai jänniterippeli (kuva 19).

i 6

ton T t-

∆i > 0 ∆i < 0

td = toff∆i

L

Uon -

i-

L

Ud =Uoff-

i-

i 6

ton T t-

td

toff

∆i L

Uon -

i-

L

Uoff-

i-

Kuva 19. Virran aaltoilu eli virtarippeli voidaan laskea "käämivuon säilymislain"perusteella. Yllä jatkuva, alla epäjatkuva toiminta.

Nämä voidaan yleensä spesifioida itse — sopiva rippelin arvo olisi ehkäkymmeniä tai korkeintaan satoja millivoltteja. Kelan ja kytkimen sarjavas-tus sekä diodin jännitehäviö suurentavat käytännössä rippeliä. Erään nyrk-kisäännön mukaan virran vaihtelu ∆iL voisi jatkuvassa toiminnassa ollanoin 40 % keskimääräisestä kuormavirrasta; epäjatkuvan toiminnan rajallase on kuitenkin jo kaksi kertaa kuormavirta ja epäjatkuvassa toiminnassavielä suurempi.

Koska kelan jännite u(t) = uL on likimain vakio, on virran i = iL muut-tuminen suoraan verrannollista aikaan (vrt. vakion integraali:

∫k dt = kt).

i(t2) =1L

∫ t2

t1u(t)dt + i(t1) (21)

Koska muutos on suoraviivaista, derivaatta voidaan lausua tarkasti erotus-osamääränä ilman raja-arvotarkastelua:

u = Ldidt

= L∆i∆t

(22)

Virran muutos ylös- ja alaspäin pysyy keskimäärin muuttumattomana:

∆i =Uonton

L=−Uofftd

L(23)

22 3.3 Käämivuon ja varauksen säilyminen, rippeli

Tämä tulos voidaan tulkita käämivuon säilymislaiksi:

∆ψ = L∆i =Uonton =−Uofftd (24)ton

td=

−Uoff

Uon(25)

Jännitteet Uon ja Uoff määräytyvät yleensä tulo- ja lähtöjännitteen perus-teella. Käämivuota ψ =

∫N ϕ merkitään ulkomaisissa kirjoissa kirjaimella

λ. Kondensaattorin virran ja jännitteen aaltomuoto riippuu hakkuriteholäh-teen perusrakenteesta; kaikissa tilanteissa kuitenkin pätee varauksen säi-lymislaki (kuva 20).

∆Q =C∆u = Q+ = Q− (26)

∆u =∆QC

(27)

Yleisperiaatteena voidaan päätellä, että hakkuriteholähteen lähtöjännitelasketaan käämivuon säilymislain pohjalta, mutta lähtöjännitteen aal-toilu lasketaan varauksen säilymislain perusteella.

∆u6

uO

UO

t-

iC

−IO

∆iQ+

Q−

6

-t

CiC?

uO

?

Kuva 20. Hakkuriteholähteen kelan virran vaihtelu näkyy yleensä myös konden-saattorin virrassa. Kondensaattorin jännite kasvaa, kun sen virta on positiivinen;virran ollessa negatiivinen, jännite pienenee. Tämä saa aikaan jännitteen rip-pelin ∆u. Jännite vaihtelee likimain arvojen UO − 1

2 ∆u ja UO + 12 ∆u välillä.

Koska aaltomuoto ei ole symmetristä, ei keskiarvo UO todellisuudessa sijaitsetäysin keskellä. Kuvan aaltomuoto on piirretty epätarkasti — jännitehän onkondensaattorissa virran integraali. Jatkuvassa toiminnassa varautumis- ja pur-kautumisvaraukset ovat itseisarvoiltaan yhtä suuret ∆Q = Q+ = Q− (molemmatoletettu lukuarvoiltaan positiivisiksi).

3.4 Step-down eli buck (forward) 23

Kondensaattorin jännite u = uC on yleensä samalla myös piirin lähtö-jännite uO. Tämän jännitteen alkuarvo, jota tarvitaan mm. simuloinnissa,voidaan laskea tarkasti integrointikaavalla:

u(t1) =1C

∫ t1

t0i(t)dt +u(t1) (28)

⇒ uC(0) = uC(t1)−1C

∫ t1

0idt (29)

missä uC(t1) = UO ± 12∆u ja t0 = 0. Aika t1 tarkoittaa tässä ensimmäisen

jännitemaksimin tai -minimin ajankohtaa.

3.4 Step-down eli buck (forward)Step–down-rakenteessa lähtöjännite on aina pienempi kuin tulojännite (UO<UIN). Tulo- ja lähtöjännite ovat lisäksi keskenään samanmerkkiset. Näis-sä seikoissa ei tässä rakenteessa saavuteta etua lineaariseen regulaattoriinnähden; hyötysuhde sen sijaan on hakkurilla merkittävästi parempi. Kyt-kin ja diodi muodostavat vaihtokytkimen, jolla kelan vasenta päätä kytke-tään vuorotellen raakajännitelähteen plussaan (UIN) ja maahan (kuva 21).Kelan virta on kytkimen ja diodin virtojen summa:

iL = iS + iD = iC + IO (30)

?

UIN

uS -

iS-

L

uL -

iL-

CiC?

UO

?

6uD

iD6

IO-

6q

UIN

?

IIN-

Kuva 21. Step–down- eli forward-tyyppinen jännitettä pienentävä eli alasmuun-tava hakkuriteholähde. Huomaa, kuinka vaihtokytkin on toteutettu diodilla jatavallisella kytkimellä; kelan virta ei katkea edes kytkimen kääntämisen aikana.

Jännitesuhde määräytyy pulssisuhteesta D:

UO

UIN≈ ton

ton + td=

ton

T= D (31)

Diodin jännite uD on virrasta riippuen noin 0,5. . . 0,8 V (Schottky-diodeilla vähemmän); hyvän kytkimen jännitehäviö (uS) on paljon tätä pie-nempi. Kytkentätaajuus f on tyypillisesti vähintään kymmeniä tai satoja

24 3.5 Step-up eli boost ks. laskuharjoitustehtävä!

kilohertsejä, jolloin L ja C voivat vastaavasti olla pieniä. Lausutaan kelanja kondensaattorin likimääräiset (uD ≈ 0 ja uS ≈ 0) mitoituskaavat vieläkätevässä muodossa jännitteiden avulla (tämä on johdettu kirjassa):

LMIN ≈ (UIN −UO)UO

∆iLMAXUINT (32)

CMIN ≈ (UIN −UO)UOT 2

8∆uOMAXUINL(33)

Induktanssin suurentaminen pienentää virran rippeliä ja kapasitanssinsuurentaminen jännitteen aaltoisuutta eli ∆iL ja ∆uO pienenevät. Kelan jakytkimen resistanssien sekä diodin jännitehäviön vaikutus lopputuloksiinon usein huomattava; ne puolestaan suurentavat rippeliä. Tarkkoja simu-lointeja voi tehdä simulointiohjelmilla.

3.5 Step-up eli boost ks. laskuharjoitustehtävä!

Kuten nimikin sanoo, on step–up-regulaattorin lähtöjännite aina suurempikuin tulojännite (UIN < UO)! Kuvassa 22 on tämän rakenteen periaatekyt-kentä.

?UIN

?iS

LiL-

CiC?

UO?

iD-

IO- 6)

Kuva 22. Step–up-tyyppisen konvertterin periaatekytkentä. Kela latautuu vaihto-kytkimen ala-asennossa ja työntää kytkimen yläasennossa virtaa eteenpäin kon-densaattorille (”boost”).

3.6 Buck–boost eli step–up–step–down ks. laskuharj.teht.!

Buck–boost-tyypin konvertterissa eli invertterissä jännitteen suunta kään-tyy; tulojännitteen miinusjohdin onkin lähtöjännitteen plusjohdin. Positii-visesta tulojännitteestä saadaan siis negatiivinen lähtöjännite (kuva 23).Tästä voi olla suuri hyöty käytännössä, koska monet laitteet vaativat erik-seen positiivisen ja negatiivisen käyttöjännitteen, mutta esimerkiksi sa-maan käämiin kytkettyjä tasasuuntaussiltoja ei voi kytkeä sarjaan. Myös

25

esimerkiksi auton akusta saadaan invertterillä tarvittaessa myös maahannähden negatiivinen jännite. Lähtöjännite UO voi itseisarvoltaan olla jokopienempi tai suurempi kuin tulojännite UIN.

6q-

?

66)

?UIN

iS-

?

uL L?iL

CiC6

6UO

iD� �

IO-

?i

??

6

Kuva 23. Buck–boost-tyyppisen konvertterin toimintaperiaate. Se voidaan ym-märtää myös buck- ja boost-rakenteiden peräkkäin kytkentänä (yllä). Kelavirransuunta ei muutu (eikä edes voi muuttua) kytkintä käännettäessä.

4 Jäähdytyselementin mitoitus

Suuritehoiset puolijohdekomponentit, kuten regulaattorit tai tehotransis-torit, joudutaan kiinnittämään metalliseen jäähdytyslevyyn tai -ripaan.Yksinkertaisimmillaan jäähdytyslevy on esimerkiksi alumiinilevy, johonkomponentti on puristettu ruuveilla kiinni. Mikäli mitään eristyssarjoja(kiillelevy, muoviruuvit ja -holkit) ei käytetä, tulee jäähdytyslevy jännit-teelliseksi, koska komponentin metallikuori on yleensä yhdistetty johonkinosaan piiriä; esim. tehotransistoreilla kuoressa on kollektori, positiivisillaregulaattoreilla maa (common). Kuvassa 24 on TO-3–koteloinen tehotran-sistori tai regulaattori kiinnitettynä jäähdytysripaan.

Pystysuorassa oleva jäähdytyslevy toimii tehokkaammin kuin vaaka-suora (jälkimmäisen lämpövastus on 15. . . 20 % suurempi). Kirkkaan alu-miinin lämpöresistanssi on myös n. 15. . . 20 % suurempi kuin mustan.Jäähdytyksen mitoitus on yllättävän helppoa virtapiirianalogian avulla.Seuraavat suureet vastaavat toisiaan:

lämpötila ↔ jännitetehohäviö ↔ virtalämpövastus ↔ vastus

26

ripa -

θJC θCS

***

TA

PθSA

TS

Kuva 24. Tehotransistori kiinnitettynä jäähdytysripaan. Transistorin tehohäviöon noin P ≈ UCE · IC. Jäähdytysrivan tarkoituksena on tämän tehon lähettäminenympäröivään ilmaan.

Sijaiskytkentä (kuvassa 25) esittää tyypillistä tilannetta puolijohdekompo-nentin jäähdytyksessä. Vastusten ja lämpötilojen alaindeksit ovat seuraa-vat:

J = junction, puolijohdeliitosC = case, komponentin kotelon pintaS = (heat) sink, jäähdytyslevyA = ambient, ympäristö

P6

TJ?

RJCTC?

RCSTS?

RSA +

−TA

?

Kuva 25. Jäähdytyselementin mitoitus virtapiirianalogian perusteella. Tämäsijaiskytkentä pätee jäähdytyksen osalta kaikissa tilanteissa.

Lasketaan liitoslämpötila eli komponentin sisuksen lämpötila tehohä-viön funktiona:

TJ = (θJC +θCS +θSA)PREG (34)

Puolijohdekomponenttien suurin sallittu liitoslämpötila on melkoisen kor-kea, yleensä 125–200 ◦C. Ensimmäinen rakentamani hifi-vahvistin toimiliian suurella lepovirralla; päätetransistorit kävivät niin kuumana, että niil-le syljettäessä kuului kihahdus kuin saunan kiukaasta — laite kuitenkintoimi mainiosti!

Liitoslämpötila tarkoittaa komponentin ytimen ("puolijohdeliitos")lämpötilaa (core temperature). Komponentin suurin sallittu pintalämpö-tila on tätä alempi — esimerkiksi mikroprosessoreilla usein vain n. 70 ◦C.Jo maksimilämpötilan lähellä piiri voi alkaa toimia epäluotettavasti. Kom-ponenteille ja jäähdytystarvikkeille ilmoitetaan yleensä lämpöresistanssi

27

RTH = θ, jossa alaindeksi TH (thermal) korvataan yleensä alaindekseilläJC, CS tai SA. Mitä pienempi lämpövastus, sitä parempi! Toinen mahdol-lisuus on antaa sama informaatio käyrämuodossa (kuva 26). Kuvasta voi-daan helposti laskea:

RJC = θJC =TJMAX −25◦

PMAX(35)

6

-

P

TC

PMAX

25◦ TJMAX

Kuva 26. Puolijohdekomponentin suurin sallittu tehohäviö kotelolämpötilanfunktiona: power (dissipation) derating curve. Luiskan kulmakertoimen itseisarvoon sama kuin komponentin lämpöresistanssi puolijohdeliitoksen ja kotelon välillä.

Komponenttia voidaan käyttää maksimiteholla vain, jos jäähdytys ontäydellinen (RCA = 0). Mikäli jäähdytyslevyä ei käytetä, on laskelmissavastukseen sisällytettävä koko ketjun lämpöresistanssi RJA = RJC +RCA.Esimerkiksi TO-3-kotelossa nämä ovat tyypillisesti RJC ≈ 2 ◦C/W jaRJA ≈ 35 ◦C/W. Vastaavasti TO-220-kotelossa RJC ≈ 3 ◦C/W ja RJA ≈ 50◦C/W (arvot vaihtelevat tuotekohtaisesti). Pienimmät (0,1 A) regulaattoritovat usein TO-92-kotelossa, jonka kanssa ei yleensä käytetä jäähdytysle-vyä, mutta RJA onkin sitten n. 200 ◦C/W. Komponentin ja jäähdytyslevynvälinen lämpövastus RCS on yleensä pieni, esim. 0,1 ◦C/W, silikonipastaaeli piitahnaa käytettäessä vähemmän. Usein käytetty kiille-eriste1 suu-rentaa RCS:n moninkertaiseksi. Jäähdytyslevyjen valmistajat ilmoittavatpuolestaan RSA:n arvon. Vastaava suure ilmoitetaan myös esimerkiksiprosessorituulettimille.

Tsemppiä välikokeeseen ja tenttiin! Kannustuspisteitä jaetaan hel-pommin kuin ykkösvälikokeessa!

1Kirkas kiilleliuska kestää korkeita lämpötiloja hyvin. Korvasin koulupoikana juotos-kolvin hajonneet kiille-eristeet kontaktimuovilla, jota en ollut viitsinyt laittaa koulukirjoi-hin. Sulake paloi välittömästi, mutta savu ei ollut yhtä sankka kuin vahingossa oikosul-keutuneesta muuntajasta aiemmin tuprunnut pilvi!