Transzformátor nélküli AC csökkentők

 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: