Hakkuriteholähde

Hakkuriteholähde (engl. switched-mode power supply, SMPS) on hyvin yleisesti käytetty jännitemuunninperiaate, joka perustuu sähkömagneettiseen induktioon. Hakkurimuuntimissa energiaa syötetään ottopuolelta kelan magneettikenttään ja puretaan kenttään varastoitunut energia muuntimen antopuolelle katkaisemalla ensiövirta. Energian siirto perustuu kelan ensiövirran nopeaan katkomiseen, jolloin hakkurin kela toimii suurtaajuisen muuntajan tavoin.

Hakkuriteholähde

Hakkuriperiaatteella saavutetaan korkea hyötysuhde ja periaatetta voidaan soveltaa kaikkeen sähkönmuokkaukseen sekä vaihto- että tasasähköllä ja sekä jännitteen nostamiseen että alentamiseen.

Hakkurit voidaan jakaa neljään eri ryhmään. Kun merkitään vaihtovirtaa AC:llä ja tasavirtaa DC:llä, näitä voidaan merkitä seuraavasti:

• AC → DC jännitelähde
• DC → DC tasajännitemuunnin
• AC → AC taajuusmuuttaja eli syklokonvertteri
• DC → AC vaihtosuuntaaja eli invertteri.

Nykypäivänä hakkureita (AC → DC) käytetään kaiken tyyppisissä elektronisissa laitteissa kuten akkulatureissa, tietokoneissa, televisioissa ja radioissa. Hakkuriin sisältyvän ohjauselektroniikan avulla antopuolen antama jännite voidaan vakioida vaikka ottopuolen jännite tai antopuolen kuormitus vaihtelevat.

Toimintaperiaate (AC → DC hakkuri)

50 Hz vaihtovirralla toimiva verkkovirta tasasuunnataan pistorasiaan kytketyn laitteen virtalähteessä. Tämän jälkeen tasavirta vaihtosuunnataan (pätkitään tasavirtaa "hakkurilla") korkeataajuiseksi vaihtovirraksi, jonka taajuus voi olla kymmeniä tai satoja kilohertsejä, yleensä yli 20 kHz. Tämä korkeataajuinen vaihtosähkö muunnetaan muuntajalla pienemmäksi jännitteeksi, joka lopulta tasasuunnataan laitteen käyttöjännitteeksi. Koska magneettikenttään ladataan ja siitä puretaan energiaa suurella taajuudella, yhden jakson siirtämä energia on pieni ja siten "mahtuu" pienen ja halvan muuntajan magneettikenttään.

Hakkurin hyviä puolia

• Korkea hyötysuhde
• Matala hukkateho
• Pieni koko ja paino

Hakkurin huonoja puolia

• Mahdolliset RF- eli radiotaajuushäiriöt
• Mahdolliset sähköiset häiriöt
• Mahdolliset akustiset häiriöt (korkeataajuksinen vikinä)
• Monimutkaisuus

Hakkurin aiheuttamat häiriöt

Hakkuriteholähteet aiheuttavat sekä johtuvia että säteileviä radiotaajuushäiriöitä. Johtuvat häiriöt kytkeytyvät piirin fyysisiä kulkureitteja kuten johtimia pitkin. Säteilevät häiriöt välittyvät sähkömagneettisena säteilynä, pääosin ilmateitse. Merkittävin häiriöiden lähde hakkuriteholähteessä on tasavirran vaihtosuuntaus, jossa tasavirta “hakataan” kanttiaalloksi. Virran aikaderivaatta on tällöin suuri, eli virran muutokset ovat nopeita ja syntyy ns. nousu- ja laskureunoja. Piirin sisäinen induktanssi vastustaa virran muutosta, mikä saa aikaan myös nopeita jännitevaihteluita.

Nopeasti muuttuva, eli suuritaajuinen sähkövirta ja jännite, aiheuttavat muuttuvan sähkömagneettisen kentän. Piiri toimii ikään kuin antennina, joka säteilee ympäristöönsä radiotaajuushäiriöitä. Samalla aiheutuu johtuvia sähköisiä häiriöitä, jotka näkyvät nopeina jännitteenvaihteluina eli jännitepiikkeinä.

Häiriöitä voidaan vähentää hidastamalla virran muutosnopeutta, eli loiventamalla nousu- ja laskureunoja. Tämä kuitenkin heikentää hakkuriteholähteen hyötysuhdetta, sillä transistorin on oltava tällöin pidempään aktiivitilassa ja se kuumenee enemmän. Häiriöiden syntyä voidaan vähentää myös käyttämällä mahdollisimman lyhyitä ja suojattuja johtimia. Myös johtimien ja komponenttien sijoittelulla teholähteen sisällä voidaan vaikuttaa sen aiheuttamiin häiriöihin. Säteileviä häiriöitä voidaan minimoida myös sijoittamalla laite metallikoteloon, joka läpäisee huonosti sähkömagneettista säteilyä.

Johtuvia häiriöitä voidaan suodattaa, esimerkiksi passiivisista komponenteista koostuvan EMI-suodattimen tai ferriittirenkaan avulla. Oleellista on sijoittaa hakkuriteholähde siten, ettei se ole liian lähellä häiriöille herkkiä laitteita tai komponentteja.

Katso myös

• Hakkuriregulaattori
• Muuntaja