Introduktion

Hvordan sikrer vi, at alle de forskellige moduler i et produkt får de rigtige spændinger og dermed virker efter hensigten? Vi bruger effektelektronik!
Effektelektronik er den gren af elektroteknikken, der beskæftiger sig med at tilpasse spændinger og strømme for at levere effekt til forskellige behov. Det omfatter alt fra husholdningselektronik til udstyr til rumfart.
Formålet med effektelektronik er at skabe en stabil og pålidelig elforsyning med de ønskede specifikationer

Tilbagekoblingssløjfe

Ved elproduktion, især fra vedvarende energi, skal den producerede effekt tilpasses elnettets spændingskrav. En solcelle, der genererer jævnstrøm, leverer eksempelvis ikke en konstant spænding, så det er vigtigt at udnytte så meget af energien fra solcellerne som muligt. Den maksimale tilgængelige effekt skal udtrækkes fra cellens udgang og overføres til nettet med højest mulig virkningsgrad. For ikke at spilde energi fra solceller bruges ofte genopladelige batterier til at lagre energi, der ikke skal bruges med det samme, så den kan anvendes senere og dermed udnyttes effektivt. Det øger udnyttelsen af elproduktionen og er et eksempel på effektiv anvendelse af energi fra vedvarende energikilder. Det sker ofte ved at lave en tilbagekoblingssløjfe i kredsløbet. En tilbagekoblingssløjfe måler bestemte spændinger i kredsløbet for at kontrollere, om de er som ønsket. Hvis de ikke er det, foretages beregninger i kredsløbet for at rette fejlene. Jo hurtigere korrektionerne beregnes og udføres, desto mere følsom er tilbagekoblingsreguleringen. Figur 1 nedenfor viser et blokdiagram over et typisk effektelektronisk system.

Figur 1: Blokdiagram over et typisk effektelektronisk system. I eksemplet med solceller ville den effekt, de producerer, være indgangen. Indgangen varierer og er ikke konstant, men vi ønsker en konstant udgang uden udsving. Det er typisk for elektronik. Vi bruger derfor en tilbagekoblingssløjfe til at bestemme og korrigere fejlen. Korrektionsmetoden afhænger af den konkrete anvendelse, men tilbagekoblingsfejlen er forskellen mellem den målte udgang og den ønskede reference.

Det primære element i et effektelektronisk system er en switchende effektomformer. En switch fungerer som en forbindelse mellem forskellige delkredsløb. Når den er sluttet, forbinder den ét delkredsløb med et andet, og når den er åben, er der ingen forbindelse mellem delkredsløbene. Da et systems virkningsgrad er meget vigtig inden for effektelektronik, giver det mening at diskutere de tab, der opstår i et kredsløb, når der skiftes.

Switchtab
Switchtab opstår, når en switch tændes (sluttes) og slukkes (åbnes). Når en switch eksempelvis tændes, falder spændingen over den til en lav værdi fra den spænding, den blokerede i slukket tilstand. Samtidig stiger strømmen gennem enheden fra nul til belastningsstrømmen eller strømmen til det, switchen forbinder. Da processen ikke sker øjeblikkeligt, men tager en endelig tid, og spænding og strøm ændrer sig imens, opstår et effekttab. Disse tab kaldes switchtab. Hver gang vi forbinder eller afbryder delkredsløb, oplever vi altså switchtab, fordi vi ikke kan skifte øjeblikkeligt. 

Typer af effektelektroniske kredsløb

Afhængigt af et kredsløbs formål kan vi have brug for at omforme indgangen til en bestemt type udgang. Måske ønsker vi at øge eller sænke spændingen eller gå fra jævnspænding til vekselspænding eller omvendt. Til det bruger vi omformere.

 
Figur 2: Grundlæggende typer effektomformere.

Der findes mange forskellige omformere, der kan omsætte indgangene til udgangene i figur 2. Lad os gennemgå én for hver type omformer:

En buck-omformer bruges eksempelvis til at omforme en jævnspænding til en lavere jævnspænding. En boost-omformer, som du måske har gættet, hæver spændingen, så udgangen er højere end indgangen.
En ensretter, der også omtales i artiklen om analoge kredsløb, kan omforme et vekselstrømssignal til jævnstrøm, og en inverter omformer jævnstrøm til vekselstrøm.
Til sidst kan der til omformning fra vekselstrøm til vekselstrøm bruges en cyklokonverter, også kaldet en frekvensomformer.

Betydningen af effektelektronik

Den stigende elektrificering har medført et større behov for elektrisk effekt. Vi bruger meget elektrisk energi i dagens verden, så det er vigtigt at spilde så lidt som muligt. Ud over elproduktion spiller effektomformning derfor en afgørende rolle for effektiv udnyttelse af den tilgængelige energi. Den rå elektriske effekt skal omformes til en form, der kan bruges i forskellige anvendelser. Effektelektronik er vigtig for at levere strøm efter de ønskede specifikationer. Et elektrisk produkt kan altså bestå af mange forskellige moduler, der hver især kræver forskellige spændinger for at fungere optimalt, og det er netop det, effektelektronik handler om.