Amit a PFC-ről tudni érdemes

Szerző: ELP | 2007-12-21 20:10 | Rovat: PC | Típus: Tudástár | Hozzászólások (35)

Megpróbáltam egy olyan leírást készíteni, ami mindenki számára érthető...

[ Új teszt ]

Ezt a leírást azért készítettem, mert olvasgatva a fórumokat, felfigyeltem, hogy a PFC-vel kapcsolatban elég sok a félreértés.
PFC= Power Factor Correction, vagyis teljesítménytényező javítás.
(Gyakran összekeverik a tápegységekben található rádiófrekvenciás szűrőkkel. Ennek oka, hogy mindkettőnek van felharmonikus csökkentő hatása, de ez utóbbi csak a rádiófrekvenciás tartományban dolgozik, az EMC-t, vagyis az elektromágneses kompatibilitást hivatott javítani, teljesítménytényezőt nem javít.)

A PFC lényegének megértéséhez egy kapcsolóüzemű tápegység 230V-os részét vizsgálom meg. Lesz néhány példa-kapcsolás a könnyebb érthetőség érdekében, valamint néhány számítás, de ezeket jócskán leegyszerűsítettem. Ezért persze lesz néhány pontatlanság is, de ez a végeredményt nem befolyásolja.

Vágjunk is bele:
Minden kapcsolóüzemű tápegység lényege, hogy a hálózati 230V váltófeszültségből egy egyenirányító segítségével egyenfeszt állít elő. Ezt a hullámzó feszültséget egy kondenzátorral simítják. Az így kapott feszültség a hálózati szinusz csúcsértéke, tipikusan 1,41x230V, vagyis 325V lesz. Ebből az egyenfeszből egy tranzisztorral nagyfrekvenciás áramot állítanak elő, amit letranszformálva megkapjuk az 5-12-3,3...stb Voltos feszültségeket.

A PFC szempontjából az egyenirányító-kondenzátor alaktrészpáros viselkedése az érdekes. Ez az 1. ábrán látható. (Az egyszerűség kedvéért egyutas egyenirányítót ábrázoltam.)

Hogy könnyebb legyen a dolgunk vegyünk egy példát:
Kezdetnek tételezzük fel, hogy a PC-nk tápegységének hatásfokkal, mindennel együtt 1A-re van szüksége a hálózatból (230W). Azt is feltételezzük, hogy már egy ideje be van kapcsolva a gépünk, vagyis a C1 puffer-kondenzátor most épp töltött, azaz 325V van rajta.
Mivel még nem jön feszültség a hálózat felől, a kondenzátorunk látja el energiával a gépünket, cserébe "lassan" csökken rajta a feszültség, ....várjunk egy kicsit :).... már csak 310V van rajta. Egyszer csak a hálózati feszültség emelkedni kezd: eléri a 10V-ot, 50V-ot, stb. Belátható, hogy semmi nem történik, hiszen az 50V-tal hogy tudnánk feltölteni egy 310V-os kondenzátort? Ráadásul a diódánk is csak akkor vezet, ha az anódján (A) pozítíabb a fesz, mint az katódján (K), vagyis most pont a kondi nagy feszültsége tartja zárva. Aztán eljön a várva-várt pillanat: kondenzátorunk feszültsége leesett már 290V-ra, a hálózati fesz pedig átlépte a 290V-os határt, diódánk kinyit, kondenzátorunk töltődni kezd. Ez jelen esetben a szinuszhullám 63. fokánál történik meg - arcusSin(290/325).
Aztán elérve a 90 fokot, a töltés abbamarad: a kondink megint 325V-on van, a hálózati feszültség viszont már esik, D1 is lezár. Ez a 27 fokunk van az összes energia bevitelére.
2.ábra:

Pontosan ugyanez zajlik le kétutas egyenirányításnál is, csak sűrűbben. Ott mindig van egy diódapár: D1-D4, D2-D3, ami mindig helyes irányba tereli az áramunkat.
Térjünk is át erre, de a fenti eredményeket nyugodtan használjuk tovább:
3.ábra:

Vagyis egy teljes 360 fokos periódus alatt 2x27, azaz 54 fok áll rendelkezésre az összes töltés bevitelére. Ez kábé 1/6-a a periódusnak. Vagyis az 1A-beviteléhez 1/6-od idő alatt 6A-es áramot kell bepumpálnunk.
Így jönnek létre azok a csúnya piros áram-tüskék, amik a bajt okozzák. Ezeknek kellene szépen együtt futniuk a kék szinusz-hullámmal. Ezeknek a tüskéknek az alapharmonikusa (a hálózat felől nézve) 50Hz, és ez végez hatásos munkát. Viszont nagy mennyiségben tartalmaz 100...150...1000Hz-es...és még nagyobb frekvenciájú harmonikusokat, amik semmilyen hatásos munkát nem végeznek, csak a hálózatot terhelik. (Csak a feszültség szinuszával fázisban lévő áram végez munkát, ha a frekvencia eltér, az semmilyen fázisban sincs a feszültséggel, vagyis nincs hatásos munkavégzés.)

Miért is kell a PFC?
Hogy ez kiderüljön végezzünk egy rövid számítást:
Tételezzük fel, hogy a betáp hálózatunkban van valahol egy 1 Ohm-os ellenállás. (Ne feledjük, az egész hálózat maga egy nagy ellenállás a kábeleivel.) A 3.ábrán az átkötés helyére tegyük be a 1 Ohmos ellenállást. Normál fogyasztó esetében ezt 1W fűtené, ez volt a kiindulási adat: 1A, 230W. (P=I^2*R, vagyis 1A^2*1 OHM=1W) Azonban a mi tápunk 6A-t hajt át rajta, ami 36W melegedés (6A^2*1 Ohm=36W), de ez csak az idő 1/6-ában van (54fok), vagyis 6W fűti átlagosan az ellenállást, ami hatszor akkora veszteség, mint amit várnánk. Átlag 6W-ot a mi tápegységünknél 2,5-ször nagyobb (gyök6) fogyasztó fűtene.
Vagyis a hálózat elemei (kábelek, trafók, biztosítékok) "meg vannak győződve" arról, hogy nem 230W-os, hanem 575W-os (2,5x230W) fogyasztónk van és 6-szor nagyobb veszteség keletkezik rajtuk. Ez országos szinten óriási veszteség.

Irodaház valahol (Amerikában, Hamburgban...stb): 1000 db számítógépet telepítenek. 50 emelet, minden szinten 20 gép (nem is sok)....230kW. Elég lenne 1000A-rel biztosítani rendszert, de a fentiek miatt 2500A-es biztosítóra lesz szükség és a bevezető drága réz-kábeleket is 2,5-szeresen kell túlméretezni. Ez nagyon nagy költség.
Rengeteg felharmonikussal terheli a hálózatot. Ezt a szolgáltatók "áramszennyezésnek" nevezik. Sok bajt (zavart) okozhat.

Ezért kell a PFC.

Tehát az aktív PFC működése:
4. ábra:

Az ábrán látható kapcsolásra kössünk 6V-ot.
Kezdésnek a kapcsolónk bekapcsolva, a 6V-os tápból áram indul meg az I1-I1a útvonalon, ami szépen nőni kezd. Mikor az áram 1A körülire nőtt, nyissuk a kapcsolót. A tekercsben az áram továbbra is folyni akar változatlan nagysággal. Ezért most a 4. pont feszültsége egy pillanat alatt megemelkedik a kondi feszültségére (indukció), D1 kinyit, és most már az áram tovább tud folyni a kondenzátorba (I1b), így a tekercsben tárolt energiával feltölti azt. Ezzel a módszerrel akár 6V-ból is tudtunk 300V-ot csinálni, (mint a kocsik gyújtása). Vagyis így semmi akadálya, hogy a szinusz bármely pillanatában energiát nyerjünk ki a hálózatból. És ha ezt elég sokszor megismételjük egy periódus alatt, a terhelőáram szépen eloszlik az egész szinusz hullámon. A formája így már hasonlít a szinuszra, nem lesz tüske alakja, emiatt a felharmonikusok mértéke is jóval kisebb lesz. (Hasonlít arra, mint ahogy a hangkártya rakja össze a szinusz hullámot impulzusokból.)
Tehát vonjuk össze a 2-es 4-as ábrát, a kapcsolót cseréljük le tranzisztorra, és építsünk be neki egy vezérlést:

A vezérlő IC figyeli a bejövő feszt, a kondi-feszt, és az áramokat. Ez alapján kapcsolgatja a tranzisztort. (elvi blokkdiagram)
Végezetül ilyen hálózati áram alakul ki:

Mi lesz az irodaházzal?
Az 1000 db PFC-s táp 1-2millió HUF plusz költséget jelent, de a hálózatukat nem kell bővíteni.

És mi van az otthoni gépekkel?
Nekünk nem nagyon számít, hogy a tápunk PFCs-e. Valamivel jobb a stabilitása, jobban bírja a feszültség-letöréseket, és nem kell 115/230-as átkapcsoló sem, mivel alacsonyabb tápfeszről is tud működni. Mi fizetünk érte, de az áramszolgáltató élvezi a gyümölcsét: tisztább lesz a hálózata.
A mi lakásunkban nem számít, hogy a nagyobb áramtüskék miatt a néhány méternyi vezetékben a villanyóráig tized wattokkal több a veszteség, de a villanyóránkhoz már lehet 100km-ről jön az áram, a szolgáltató vesztesége csökken.

Javítja-e a tápunk hatásfokát? Nem.
Belátható, hogy egy adott konstrukciójú tápnak van valamennyi vesztesége, ezt mi még csak megtoldottuk néhány melegedő alkatrésszel, vagyis romlik a hatásfok.

Passzív PFC:
Túl sokat nem érdemes beszélni róla, kifutóban van. Egy jó nagy fojtóval szűrik a bejövő áramot, így csillapítva a felharmonikusokat, némileg szinuszosítva a felvett áramot. Ennél is azt használják ki, hogy a tekercsben az áram csak lassan nőhet és csökkenhet, így "keni" szét a tüskét a szinuszhullámon. Ez a tekercs lényegesen nagyobb és drágább, az aktív PFC-s társánál, és közel sem jelent olyan korrekt megoldást. A képen jól látható a venti mögött a nagy fojtó, a panelen jobbra az EMI (rádiófrekvenciás) szűrő (ferritmag sárga tekercseléssel+kondik), kicsit balra a graetz-egyenirányító, majd a két jókora pufferkondi. (Q-tec 550W PFC)

Kiloptam a PH! FSP táptesztjéből egy képet. Ezen a pirossal jelölt területen található a PFC vezérlőpanelje, illetve a hozzá tartozó fojtó, ill. a teljesítmény tranzisztor(ok) a hűtőn. Látható a méretbeli különbség a passzívhoz képest. És az is, hogy az aktív valószínűleg olcsóbb megoldás is.

Megjegyzés:
A fent leírt jelenség fellép minden olyan tápegységben, amely egyenirányító-kondenzátor párost tartalmaz. Legyen az telefontöltő, hifi berendezés, vagy mikró sütő. Az nem számít, hogy transzformátoron keresztül van megtáplálva. Az legfeljebb, csak a ~400Hz feletti harmonikusokat csillapítja.

----------------------------------------------------------------------------------------------------

Végezetül 2 link:
egyenirányítók működése
UCC38050 PFC vezérlő IC

----------------------------------------------------------------------------------------------------

Az induktivitásról:
A tekercsben az áram mágneses teret épít fel, ez a tér tárolja az energiát, ami az áram négyzetével arányos. A természetben az energia sosem változhat ugrásszerűen, mivel ENERGIA(változás)=TELJESÍTMÉNY*IDŐ, vagyis, ha az IDŐ nulla, a TELJESÍTMÉNY végtelen kell hogy legyen, ami nem lehetséges. Ha a tekercs energiája az előzőek miatt nem változhat meg nulla idő alatt, akkor az őt fenntartó áram nagysága sem.
(Ezért sem lehet nulla idő alatt autóval 100-ra gyorsulni, akkut feltölteni, kondit feltölteni, levest felmelegíteni. Ez annyira általános törvény, hogy az összes energiaváltozási folyamatot ugyanaz a természetesalapú logaritmus-függvény írja le.)
Ha a tekercsben az áram nagysága változik, olyan feszültséget indukál, ami a változás ellen hat, vagyis: az indukált feszültség igyekszik fenntartani az áramot, miközben az ehhez szükséges energiát a mágneses térből veszi el. Ez itt most azért fontos, mert a kialakult áram így egy alacsonyabb feszültségű helyről is be tud folyni egy magasabb feszültségű helyre. Természetesen a csökkenő mágneses energia miatt az áram is csökkenésnek indul.
Ez játszódik le az áram növekedésekor is, csak fordított irányban: ilyenkor az induktivitás a növekedés ellen ható feszt. hoz létre.

A témához kapcsolódik még: Kapacitásproblémák?

kapcsolódó linkjeim:
[Memória Típusok, Működésük (RAM, Flash Egyszerűen)]
[Órajelek előállítása (a frekvencia szintézer egyszerűen)]
[MP3, WMA, stb frekvencia átvitelek és spectrumok a bitráta függvényében]


Az első 6 hozzászólás a teszthez

(#1) twollah

Új Válasz Privát 2007-12-21 23:21:48

twollah
(PH! nagyúr)

Pont a napokban doglott meg a passziv PFCs Coolink tapom.
Ugy leverte a kapcsoloszekrenyben a fokapcsolot vagy mi a toszt, mint vak a poharat.
De hala az egnek a gepnek semmi baja nem lett.

A tapot szetszedve par kondenzator fel volt puposodva.

Elt 3 evet R.I.P.

(#2) REDeath

Új Válasz Privát 2007-12-21 23:54:28

REDeath
(PH! addikt)
(LOGOUT blog)

vannak számomra nemteljesen tiszta részek, de a lényegét sikerült megértenem köszi az infót! :R

mostmár azt is tudom, hogy működnek a sokkolók :)

Kodály mondta volt: "Legyen a zene mindenkié". en inkabb neki hiszek, mint az ASVAnak

(#3) Balage_82

Új Válasz Privát 2007-12-21 23:58:57

Balage_82
(újonc)

Köszönöm az írást! Hiánypótló volt. :)

emerge -DuNatv world

(#4) toth_janika

Új Válasz Privát 2007-12-22 06:26:53

toth_janika
(senior tag)

Én is köszönöm az írást! :R Kicsit nagyon gyenge vagyok eletronikából, úgyhogy mindenképpen hasznos!
De mi van az irodaházzal? :U Ugyanis OK, hogy 1000 gép, meg hogy mennyit fogyaszt, de mik ezek a kicsapongások a villanyszámla illetve büntetés körül? :R

Flickr - http://www.flickr.com/photos/toth_janos/

(#5) biker

Új Válasz Privát 2007-12-22 07:42:41

biker
(PH! nagyúr)
(LOGOUT blog)

szerintem félreszámoltál.
2x27 fok van töltésre, mivel ha alapul vesszük az elképzelésed, hogy 290V-tól tölt a kondi (ezt nem akarom számolással ellenőrízni, fogadjuk el) akkor 290 től 290V-ig tölt, nem 290 től 315V-ig
ugyanis a sinus/csúcs lefelé tartó ága is ugyanúgy pozitív, tehát tölteni fog 290>315>290 ív teljes szakaszán.
ez alatt a csökkenő ív alatt a töltőáram azonos, a kondi így nem töltődik 315V fölé, de a leadott áramot pótolja az egyenirányító, így nem esik a kondin a feszültség, mivel a kondenzátoron akkor esik a feszültség, ha
- a leadott áram nagyobb a betáplált áramnál
- megszűnik a tápellátás.
tehát 27fokot tölt, 27fokot nem tölt, de nem is esik, majd utána fog esni a fesz.

ezután jön az, hogy a szekunder oldalakon is meg van pufferelve, így ott sem esik oly gyorsan a fesz, csak ott félhullámonként 54 fokon keresztül lesz 10khz-es tüskesor a töltőáram.

a többi szerintem teljesen korrekt.

Telekom-adó mentesen keress Skype-on vagy Viber-en! --- www.e-szakuzlet.hu | www.gerisoft.hu | www.szeged-klima.hu

(#6) pschio válasza twollah (#1) üzenetére

Új Válasz Privát 2007-12-22 08:47:50

pschio
(őstag)

hehe. az meg jo. az enyemek 2db 500-as 1 ev 3 honap illetve 4 honap utan adtak meg magukat. javitattni is probaltam de az csak 1 hettel hosszabbitotta meg az eletuket :(

''Én nem süllyedek a hülyék szintjére, mert ott legyőznének a rutinjukkal''

this page is valid

xhtml . css