A passzív feszültségcsökkentő a fogyasztóval sorba kapcsolt ellenállás vagy
reaktív impedancia. A rajta eső feszültséggel kevesebb feszültség jut a
fogyasztóra. Ennek velejárója, hogy ha a terhelőáram közben megváltozik, akkor
a fogyasztón eső feszültség is megváltozik, tehát a passzív feszültségcsökkentő
elsősorban állandó fogyasztású terheléssel alkalmazható. Ellenpélda az olyan
fogyasztó, amely nem bánja, ha kikapcsolása után (amikor már nem jelent
terhelést), kapcsain a feszültség megugrik. Következik néhány példa passzív
feszültségcsökkentésre.
Ellenállás
Ritkán használatos, mert az energia nagy részét hővé alakítja, viszont kis áramoknál
mérete miatt célszerű. Nagyobb teljesítmény mellett a hatékonysága csökken,
hiszen az általa elnyelt teljesítmény a rajta átfolyó áram és a rajta eső
feszültség szorzata, amit hővé alakít.
Legyen egy 24V/21W-os izzó, ami a hálózati
feszültségről kellene, hogy üzemeljen. A fogyasztó áramfelvétele és
ellenállása:
\[I = \frac{P}{U}=\frac{21}{24}=0.875\text{A}\]
\[R=\frac{U}{I}=\frac{24}{0.875}=27.42\Omega\]
A
hálózati feszültség effektív értéke 230V, a csúcsértéke pedig ennek
gyök(2)-szerese, vagyis 325V. Az izzónak ebből 24V-ra van szüksége, így a
maradék 301V az ellenálláson esik:
\[R=\frac{U}{I}=\frac{301\text{V}}{0.875\text{A}}=344\Omega\]
A
legközelebbi nagyobb szabvány 390$\Omega$, aminek minimális teljesítménye:
\[P=I^2\cdot R=0.875^2\text{A}\cdot 390\Omega = 298.6\text{W}\]
Ez egy
meglehetősen nagyméretű ellenállás. Nem csak méretben, de árban is meghaladja a
hasonló képességű más feszültségcsökkentőket, ezért ilyen izzót ellenállásról
üzemelni nem hatékony.
Visszaszámolva
a 390Ω előtét ellenállással, az izzó kevesebb áramot és feszültséget kap:
\[i=\frac{U_{hálózat}}{R+R_{izzó}}=\frac{325\text{V}}{390\Omega+27.42\Omega}=0.778\text{A}\]\[U_{izzó}=R_{izzó}\cdot I=27.42\Omega\cdot 0.778\text{A}=21.33\text{V}\]
Az
ellenállás teljesítménye csökkenthető, ha kisebb feszültség esik rajta, például amikor nem egy, hanem több izzót kapcsolunk sorba. A teljesítmény
akkor is csökkenthető, ha kisebb áramerősséget kell, hogy elviseljen, például LED-ek
áramerősségét. Ha egy 5mm-es piros LED 1.7V-on 25mA-t fogyaszt, akkor sorba
kapcsolva 100 darabot, az előtét ellenállás paraméterei:
\[R=\frac{U}{I}=\frac{325\text{V}-100\cdot 1.7\text{V}}{0.025\text{A}}=6200\Omega\approx 6.8\text{k}\Omega\]
\[P=I^2\cdot R=0.025^2\text{A}\cdot 3800\Omega = 4.25\text{W}\]
Ez már
egy elfogadhatóbb érték, de a biztonság kedvéért nem árt túlméretezni és
legalább 10W-os ellenállást használni. Alternatív megoldásként helyettesíteni
lehet kisebb teljesítményű sorba és/vagy párhuzamosan kapcsolt ellenállásokkal.
A LED-es oldala ennek az áramkörnek több finomítást igényel hiszen érzékeny a
feszültség vagy áramingadozásra.
Kondenzátor
Váltakozó áram esetén a kondenzátor impedanciája
hasznosítható előtét ellenállásként:
\[X_C[\Omega ]=\frac{1}{\omega C[\text{F}]}=\frac{1}{2\pi f [\text{Hz}]C[\text{F}]}\]
Visszatérve
a 24V/21W izzós példára, a kiszámolt előtét ellenállás:
\[R=390\Omega=X_C\]
A szükséges kondenzátor
kapacitása:
\[X_C=\frac{1}{2\pi fC}\implies C=\frac{1}{2\pi fX_C}=\frac{1}{2\pi\cdot 50\text{Hz}\cdot 390\Omega}=8.16\cdot 10^{-6}\text{F}\approx 8\mu\text{F}\]
Rögtön látszik, hogy a kondenzátoron átfolyó áram
90 fokot siet, így az izzó feszültsége is siet a hálózati feszültséghez képest.
A hálózati feszültség minimum és maximum értékeinél tehát nem folyik áram a
kondenzátoron és az izzón, így a kondenzátor nem melegedik. Az egyetlen dolog, amire ügyelni kell, hogy
elég nagy feszültségű legyen, hiszen előfordulhat, hogy éppen hálózati
feszültség maximumánál kapcsol be az áramkör és a kondenzátor 325V-ra töltődik.
Amikor ezt leadja, tönkre teheti a fogyasztót, ezért érdemes egy ellenállást is
sorba kapcsolni a kondenzátorral áramkorlátozás céljából. Ezzel ugyanott
tartunk, mint a szimpla előtét ellenállás esetén, hiszen az izzó 0.875A-nél
sokkal többet nem visel el, viszont itt alkalmazható egy NTC termisztor, aminek
ellenállása csak a bekapcsolás pillanatában nagy. Ekkor ugyanis elnyeli a
csúcsáramot, amitől felmelegszik. Ahogy melegszik, úgy csökken az ellenállása,
ezért az áramkorlátozó szerepet az üzem hátralévő idejében a kondenzátor veszi
át.
Ahhoz hogy a termisztor ellenállása alacsony
maradjon, a termisztornak melegnek kell maradnia, továbbra is energiát kell
fogyasztania, ami a hatékonyság rovására jár, viszont még mindig jobb, mint az
állandó értékű ellenállás. Az izzón eső feszültség a termisztor miatt kevesebb
lesz.
Az előtét kondenzátoros
megoldásnak nincs különösebb hátránya, árban, hatékonyságban és méretben is
rendben van, a kondenzátor kapacitását lehet párhuzamos kapcsolással növelni.
Azonban veszélyes, azon kívül, hogy közvetlenül a villamos hálózati
feszültségre csatlakozik, kikapcsolás után is feltöltve marad és adott esetben a
villás dugó megrázhatja az embert. Érdemes ezért egy 1M ellenállást a lábaira
kapcsolni, amin elhanyagolható áram folyik üzem közben, viszont kikapcsolás
után hamar kisüti a kondenzátort. Emellett még egy sorba kapcsolt biztosíték is
ajánlott, hiszen egy esetleges rövidzár felrobbanthatja a kondenzátort, tüzet
idézve elő.
Tekercs
Váltakozó
áram esetén a tekercs reaktanciája hasznosítható előtét ellenállásként:
\[X_L[\Omega ]=\omega L[\text{H}]=2\pi f[\text{Hz}]L[\text{H}]\]
Visszatérve
a 24V/21W izzós példára, a kiszámolt előtét ellenállás:
\[R=390\Omega =X_L\]
A szükséges tekercs induktivitása:
\[X_L=2\pi fL\implies L=\frac{X_L}{2\pi f}=\frac{390\Omega}{2\pi\cdot 50\text{Hz}}=1.24\text{H}\]
Ebben az esetben a tekercsen átfolyó áram 90
fokot késik, így az izzó feszültsége is késik a hálózati feszültséghez képest.
A hálózati feszültség minimum és maximum értékeinél tehát nem folyik áram a tekercsen
és az izzón, így a tekercs nem melegedik (a gyakorlatban azonban kissé
melegednek). Az 1.24H induktivitású
tekercs méretben és árban is meghaladja a hasonló képességű kondenzátort, ezért
ez a megoldás sem gyakori. Tekercset általában kisebb mértékű
feszültségcsökkentésre használnak, a termisztor használata pedig duplán
indokolt, hiszen kikapcsoláskor is hatalmas feszültségtüske keletkezik, amikor
a tekercs mágneses mezeje összeomlik. Emellett oda kell figyelni a tekercs
áramtűrő képességére (huzalátmérő), valamint szaturációs áramkorlátra (ami
fölött a mag telítődik).
Induktív előtéteket elsősorban lineáris
fénycsövek és nagynyomású kisülőlámpák meghajtására használnak, ritkán kompakt
fénycsövekhez. Ezeket elektronikus ballasztnak nevezik, a világítástechnikában azonban
elavult módszernek számít, hiszen a fénycsöveket a LEDek váltották fel.
Dióda
Csak egy irányba vezet, ezért váltóáramban az ellenkező irányú félhullámot
levágja. A vezetési irányban a teljes félhullámot átengedi. Az egyenirányító
diódák záróirányú feszültsége 0.6V-1.2V között van, ezért inkább olyan dióda
kell, ami 24V felett zár. Erre a
szupresszor dióda vagy két egymással szembe fordított 24V-os zener dióda
képes.
A soros ellenállás értéke akkora kell legyen, hogy terhelés nélkül megvédje
a zénereket a túláramtól, vagyis ne engedjen át nagyobb áramot, mint amit a
diódák megbírnak. Az izzónak 0,875mA-ra szüksége, ezért a zénerek is legyenek
legalább 1A-esek. Ezzel ugyanott tartunk, mint az első ellenállásos csökkentőn,
vagyis nem előnyös módszer a hálózati feszültség amplitúdóját zéner diódákkal
levágani.
Triák
A triákon nem esik feszültség, viszont kontrolálni tudja a terhelésnek
szolgáltatott áramerősséget a tápfeszültség gyors kapcsolgatásával. Más szóval
nem az impedanciáján esik a feszültség, hanem impulzus-szélesség modulációval
kontrolálja a kimenő áramerősséget. A triákra nincs hatással, ha a terhelés
megváltozik, éppen ezért ugyanazon terhelés mellett változtatni lehet a
kapcsolási sebességet, azaz több illetve kevesebb áram adható a terhelésnek. A
terhelés viszont olyan kell legyen, ami nem kényes a jelalakra vagy
feszültségtüskékre. Ez sok elektronikus berendezésre nem igaz, de főleg az
induktív terheléseket kell kerülni. Ami maradt az a rezisztív terhelés, mint az
izzó (a fényerőszabályzók mind triákkal működnek).
A transzformátor nélküli tápegységeknek számos előnyük
és hátrányuk van, de ezek függenek az alkalmazási területtől is. Például egy
LED dióda vagy egy LED-es lámpa táplálása a 230V-os hálózatról sokkal
előnyösebb előtét kondenzátorral, mint transzformátorral vagy kapcsolóüzemű
tápegységgel, hiszen olcsóbb és kisebb helyet foglal el (akár az égő tokjába is
belefér). Általában a kis fogyasztású
eszközök meghajtása olcsóbb és hatékonyabb transzformátor nélkül, azonban egy szintén kis fogyasztású mikrovezérlős vagy
szenzoros berendezést jobb, ha izolált tápegységgel hajtunk, hiszen a táp
meghibásodása okozta kár nagyobb lehet, mint a meghibásodott alkatrész. Ezzel
szemben a 100W-1000W teljesítményű izzó vagy fűtő szabályzása előnyösebb Triac
vezérléssel, mint Variac transzformátorral, költség és helyigény szempontjából,
de nem lehetséges előtét kondenzátorral vagy tekerccsel.
Legyen
egy kisebb fogyasztó, egy 5mm-es piros LED, ami 1.7V feszültségen 30mA áramot
vesz fel. A hozzá szükséges ellenállás:
\[R=\frac{U}{I}=\frac{325\text{V}-1.7\text{V}}{0.03\text{A}}=10.776\text{k}\Omega\]
Szabványellenállásként
11k ellenállás is megfelel. Ennek minimális teljesítménye:
\[P=I^2\cdot R=0.03^2\text{A}\cdot 11000\Omega =9.9\text{W}\]
Még
ilyen kis fogyasztó esetén is legalább 10W-os ellenállás szükséges. Lehet
helyette 10 darab 1.1k/1W vagy 40 darab 270Ω/0.25W normál ellenállást sorba
kötni, de úgy talán még nagyobb helyet foglal el.
A LED
csak a pozitív félhullámokon kapcsol be (50Hz-en pislog). A negatív
félhullámokon a LED dióda fordítva van előfeszítve, ami igencsak próbára teszi
a LED tűrőképességét. A LED adatlapján a záróirányú feszültség változhat
(5-20V), és általában az ettől eltérő értékeket vagy bírja a LED vagy nem.
Minden esetre érdemes biztonságból betenni anti-parallelben egy diódát, ami a
negatív félhullámokat kb -0.75V-ra csökkenti, minimálisra véve a fogyasztást.
Az
ellenállás teljesítménye úgy is csökkenthető, ha kisebb feszültség esik rajta,
azaz a fogyasztó üzemfeszültsége nagyobb, például 100db sorba kötött LED
meghajtására 1.7x100=170V szükséges. Az ellenálláson 325V-170V=155V esik.\[R=\frac{U}{I}=\frac{155\text{V}}{0.03\text{A}}=5.16\text{k}\Omega\approx 5.1\text{k}\Omega\]
\[P=I^2\cdot R = 0.03^2\text{A}\cdot 5100\Omega = 4.59\text{W}\]
Bár egy LED 50Hz-es villogása annyira nem szembetűnő,
de a hatásfokot tekintve előnyösebb, ha a pozitív félhullámokat is hasznosítja. Ez egy diódahíddal megvalósítható.
Egy párhuzamos kondenzátor a LED-en kisimíthatja a negatív tüskéket:
