1. No category

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 (% / oC), (% / 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
Virta / A
Purku Lataus
– 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)
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
Vin
78XX
TO-3
SOIC-8
TO-92
Vout
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 oC)
Esim. 7812, 7912, 7815, 7915
+12 V -12 V +15 V -15 V
Vin
78XX
TO-3
SOIC-8
TO-92
Vout
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
on
– Jännitettä laskeva “hakkuri”
– Switch-down, Buck
– Kytkintä (transistoria)
suljetaan ohjatusti (PW)
off
on
Vave
• Kytkin suljettuna
– Kelan läpi kulkeva virta kiihtyy
– Ulostulojännite kasvaa
– 100 % PW -> Vout Vin
– Paluuvirta diodin kautta
-> ilman diodia jännitepiikki!
– Kelan virtaa ei saa katkaista
Vin
L
Kytkin
D
C
Kuorma
• Kytkin avoinna
off
Kytkevät jänniteregulaattorit (hakkurit)
• DC-DC konvertteri
– Jännitettä nostava “hakkuri”
– Kytkintä (transistoria)
suljetaan ohjatusti (PW)
on
off
on
off
• Kytkin suljettuna
– Kelan läpi kulkevaa virtaa kiihdytetään kytkemällä reitti maahan
– Ulostulojännite laskee hetkellisesti
– Ulostulon jännite aina min. Vin
Vin
– Kiihdytetty virta ohjataan
kuormaan -> jännite nousee
– Vout > Vin
– Ulostulon jännite ja virta rajalliset
L
D
Kytkin
C
Kuorma
• Kytkin avoinna
Vave
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