Gestabiliseerde netvoeding

Gestabiliseerde netvoeding
Een gestabiliseerde voeding zet de netspanning van 230 volt wisselspanning om in
een stabiele gelijkspanning. Dit gebeurt door middel van een handvol relatief
eenvoudige elementen die achter elkaar worden geschakeld. Achtereenvolgens
wordt de wisselspanning omlaag getransformeerd door middel van een
transformator, gelijkgericht met een brugcel, afgevlakt met een condensator, en als
laatste gestabiliseerd met een regulator-IC.
Wisselspanning
Bij wisselspanning verandert de polariteit van de spanning periodiek en volgt de
spanning een sinuscurve (zie afbeelding 1).
+A
+Veff
0
De spanning gaat van nul naar de
maximumwaarde (de amplitude), hier
aangegeven met +A, dan weer naar
nul, naar de minimumwaarde (-A) en
weer naar nul.
Bij netspanning gebeurt dit met een
frequentie van 50 Hertz, oftewel
vijftig keer per seconde, zodat één
periode 1/50 seconde duurt, oftewel
twintig milliseconden.
Zoals aangegeven is de amplitude de
maximumwaarde; normaal gesproken
-A
wordt echter gewerkt met de
t=20ms
effectieve waarde van de
wisselspanning, hier aangegeven met
Veff. Deze effectieve waarde is de
Afbeelding 1: Wisselspanning
waarde die een gelijkspanning moet
hebben om dezelfde hoeveelheid energie om te zetten in een weerstand. Met wat
wiskunde kan worden uitgerekend dat de effectieve waarde van een sinusvormige
wisselspanning 1/2 (dus ongeveer 0,7) keer de amplitude is; omgekeerd is de
amplitude dus ook 2 (zeg maar 1,4) keer de effectieve waarde.
-Veff
Aangezien de 230 volt van de netspanning de effectieve waarde is, heeft de
netspanning dus een amplitude van 2·230 = 325 volt. Dit betekent dan ook dat
elektronische onderdelen die op netspanning worden aangesloten een
maximumspanning van 325 volt te verduren krijgen, en niet 230 volt. Dit is erg
belangrijk bij de keuze van onderdelen.
Bij gewone netspanning van 230 volt ligt een van de twee polen op aardniveau (0
volt, massa, oftewel de nul), terwijl de andere de volledige wisselspanning voert (de
fase). In een vaste installatie is de nul te herkennen aan een blauwe draad terwijl
voor de fase een bruine draad wordt gebruikt. In principe kan de nul veilig worden
aangeraakt, maar doordat bij stopcontacten, snoeren enzovoort van buitenaf niet
zichtbaar is wat de fase is en wat de nul, is het aanraken van
netspanningscontacten levensgevaarlijk.
Het schema
In de onderstaande afbeelding is het elektronische schema te zien van een
gestabiliseerde voeding.
afvlakcondensator
regulator-IC
stabilisatiecondensator
+ uit
~
transformator
- uit
~
netspanning in
gelijkrichter
ontstoorcondensatoren
Afbeelding 2: Principeschema van een gestabiliseerde netvoeding
De transformator
Een transformator is een onderdeel dat wisselspanning kan omzetten van een
bepaalde ingangsspanning naar een bepaalde uitgangsspanning. Ook isoleert een
transformator de uitgangsspanning van de netspanning, waardoor de
uitgangsspanning zwevend wordt; dit betekent dat er niet langer één pool
standaard op aardniveau ligt en de andere de wisselspanning voert. Hierdoor is een
transformator essentieel voor de veiligheid van elektrische en elektronische
apparatuur.
Traditioneel werken transformatoren met de 50Hz wisselspanning van het lichtnet.
Dit heeft het voordeel dat het erg eenvoudig is; er is slechts één onderdeel nodig
om een bepaalde gewenste wisselspanning te krijgen: de transformator zelf. Een
nadeel is dat een transformator bij deze vrij lage frequentie relatief groot en zwaar
is.
Tegenwoordig echter worden steeds meer schakelende voedingen gebruikt; hierbij
wordt met flink wat extra elektronica een wisselspanning opgewekt die een veel
hogere frequentie heeft dan 50Hz, soms bijna tienduizend keer zo hoog (500kHz).
Bij een dergelijke hoge frequentie kan een transformator voor hetzelfde vermogen
veel kleiner en lichter zijn dan zijn 50Hz-tegenhanger; dit voordeel is zo groot dat
bijna alle netvoedingen tegenwoordig schakelende voedingen zijn. De extra
elektronica is echter erg ingewikkeld en daarom gaan we er hier ook niet op in.
Een transformator bestaat uit niets anders dan twee (of meer) spoelen die samen
om een ijzeren kern liggen. De verhouding van het aantal wikkelingen van deze
twee spoelen bepaalt de verhouding tussen in- en uitgangsspanning. Als de spoel
aan de ingang bijvoorbeeld 1000 wikkelingen heeft, en de spoel aan de uitgang
100, is de wikkelverhouding 10:1, en zal de uitgangsspanning ook tien keer lager
zijn dan de ingangsspanning (dus 23 volt als we 230 volt netspanning op de ingang
aansluiten). Let op dat deze spanningsverhouding vastligt, zodat variatie in de
ingansspanning ook zal leiden tot variatie in de uitgangsspanning. Dit komt
verderop ook nog even aan de orde.
Als laatste moet je er rekening mee houden dat een transformator onbelast een wat
hogere spanning zal leveren dan onder belasting.
De gelijkrichter
De transformator doet niets anders dan het omlaag brengen en isoleren van de
230V-netspanning. De uitgang van de transformator levert nog steeds
wisselspanning. De volgende stap is daarom het gelijkrichten van deze
wisselspanning; dit gebeurt met een zogenoemde gelijkrichter, die meestal bestaat
uit vier dioden. Een diode is een onderdeel dat de stroom in één richting kan
doorlaten, en wel in de richting van de pijl. In afbeelding 2 zie je de vier dioden in
een gelijkrichter. De werking is eenvoudig: als de spanning op punt 2 van de
gelijkrichter hoger is dan op punt 1, loopt de stroom door de dioden linksboven en
rechtsonder; een halve wisselspanningsfase later, als de spanning op punt 2 juist
lager is dan op punt 1, loopt de stroom door de dioden rechtsboven en linksonder.
Dit betekent dus dat de gelijkrichter zowel in de positieve als de negatieve fase van
de wisselspanning stroom levert; om deze reden wordt dit dan ook een
dubbelfasige gelijkrichter genoemd. De spanning die uit de gelijkrichter komt (op de
punten 3 en 4 in het schema) ziet eruit als in afbeelding 3.
+A
+Ueff
0
Afbeelding 3: Dubbelfasig gelijkgerichte
wisselspanning
De negatieve fase wordt als het ware
naar boven ‘omgeklapt’. Het resultaat
is een spanning die niet meer
negatief wordt. Deze ‘gelijkspanning’
is echter nog niet echt netjes; zoals te
zien is, wordt de spanning nog steeds
honderd keer per seconde nul volt. De
ruimte tussen de toppen van de
spanning moet dus op een of andere
manier worden ‘opgevuld’. Dit laatste
gebeurt met een afvlakcondensator.
De afvlakcondensator
Een condensator is een onderdeel dat elektrische lading kan opslaan en weer
afstaan, ongeveer zoals een accu, maar dan veel sneller, met minder lading. In
afbeelding 4 zie je wat er gebeurt met de dubbelfasig gelijkgerichte wisselspanning
van afbeelding 3 wanneer er een afvlakcondensator achter de gelijkrichter wordt
geplaatst. Wat er gebeurt, is eenvoudig: de afvlakcondensator wordt bij iedere top
van de gelijkgerichte spanning
opgeladen tot de amplitude van
de spanning; zodra de
+A
gelijkgerichte spanning lager
Ur
wordt (de grijze stippellijn),
wordt de afvlakcondensator
ontladen, zodat de spanning
0
erover daalt. Deze spanning
daalt totdat de volgende top van
de gelijkgerichte wisselspanning
Afbeelding 4: Dubbelfasig gelijkgerichte en
de condensator weer oplaadt.
afgevlakte wisselspanning
Het uiteindelijke gevolg is een
gelijkspanning die nog niet helemaal constant is, maar al wel redelijk bruikbaar. Dit
is ook precies hoe goedkope, ongeregelde adapters in elkaar zitten: een
transformator, een gelijkrichter en een afvlakcondensator. Dit werkt goed zolang
het apparaat dat er op wordt aangesloten niet erg kritisch is wat betreft de
spanning.
Het verschil tussen de hoogste spanning (de amplitude) en de laagste spanning
waarop de afvlakcondensator ontladen wordt, heet de rimpelspanning, in
afbeelding 4 aangeduid met Ur. De condensator wordt verder ontladen (en de
rimpelspanning is dus groter) naarmate hij een kleinere capaciteit heeft of de
voeding meer stroom moet leveren. (Verderop geven we voor de liefhebbers nog
alle berekeningen.) Een afvlakcondensator heeft een relatief hoge waarde, die
vooral afhangt van de stroom die de voeding moet kunnen leveren en het verschil
tussen de amplitude en de gewenste uitgangsspanning. Gangbare waarden lopen
uiteen van circa honderd microfarad (μF) tot tienduizenden microfarad.
Let op: Deze condensatoren zijn zogenoemde elektrolytische condensatoren en
moeten met de juiste polariteit aangesloten worden, anders kunnen ze exploderen!
De regulator
De laatste stap bestaat uit het ‘afsnijden’ van het bovenste rafelige randje van deze
spanning, zodat we een stabiele, vaste gelijkspanning overhouden. Dit gebeurt door
middel van een zogenoemd regulator-IC. Dit is een elektronisch onderdeel dat een
groot bereik aan ingangsspanning kan omzetten naar één vaste (of desnoods
regelbare) uitgangsspanning. Afbeelding 5 laat de werking van de regulator zien,
waarbij de lijn achter Uuit de uitgangsspanning voorstelt.
+A
+Uuit
0
Regulator-IC’s zijn verkrijgbaar met
diverse vaste uitgangsspanningen;
gangbare waarden zijn 5 volt, 9 volt,
12 volt, 15 volt en 24 volt. Ook van
belang is de maximale stroom die uit
de voeding getrokken kan worden;
dit komt later nog aan de orde.
Achter de regulator worden meestal
Afbeelding 5: Een regulator-IC zorgt voor
nog twee condensatoren geplaatst.
een gelijkmatige uitgangsspanning Uuit
De uitgangscondensator zorgt ervoor
dat de regulator stabiel werkt; dit is
nodig omdat een regulator een terugkoppeling heeft die de werkelijke spanning aan
de uitgang voortdurend vergelijkt met de vereiste spanning, en iedere afwijking
probeert bij te regelen. Zonder extra condensator kan de regulator ‘op hol slaan’
doordat hij zichzelf steeds sterker gaat corrigeren. De uitgangscondensator heeft
meestal een waarde van ongeveer tien microfarad. De andere condensator heeft
een nog lagere waarde (circa 0,1μF) en zorgt voor hoogfrequente ontstoring; aan de
ingang van de regulator wordt ook een ontstoorcondensator geplaatst.
De ingangsspanning van de regulator
mag natuurlijk nooit lager worden dan
+A
de gewenste uitgangsspanning,
anders kan de regulator zijn werk niet
+Uuit
goed doen. Met andere woorden: de
rimpelspanning mag niet te groot
worden. Afbeelding 6 laat zien wat er
0
gebeurt als dit verkeerd gaat: er
treedt dan een rimpelspanning op
Afbeelding 6: Een te grote rimpelspanning
aan de uitgang van de regulator,
werkt door naar de uitgang van de regulator aangegeven met de rode delen van
de curve.
Berekeningen
Dan nu het favoriete deel van iedere knutselaar (of juist niet): de berekeningen.
De transformator
Allereerst de transformator. Deze moet een uitgangsspanning leveren met een
amplitude die hoger is dan de gewenste gestabiliseerde uitgangsspanning, maar
ook weer niet te hoog, omdat dit weer andere problemen met zich meebrengt. Zo
verdragen de meeste regulator-IC’s een maximale ingangsspanning van 35 volt.
Ook zal het energieverlies in een regulator-IC (en daarmee de warmte-ontwikkeling)
toenemen als de ingangsspanning erg hoog wordt ten opzichte van de
uitgangsspanning.
Een goede vuistregel voor de keuze van de transformator is een uitgangsspanning
(oftewel secundaire spanning) te kiezen die zo hoog is als de gewenste
uitgangsspanning van de hele voeding, of anders de eerstvolgende hogere
spanning die beschikbaar is. Voor een voeding van 15 volt is een transformator met
een secundaire spanning van 15 volt meestal een prima keuze.
Let ook op dat de secundaire spanning van een transformator meestal wordt
opgegeven bij zijn nominale belasting. Een geheel onbelaste transformator zal een
hogere secundaire spanning leveren; dit effect is het sterkst bij kleine
transformatoren.
De gelijkrichter
De keuze van de gelijkrichter is eenvoudig: deze moet de amplitude van de
ingangsspanning en de maximale stroom van de voeding gemakkelijk kunnen
verdragen.
Een gelijkrichter heeft overigens wel enige invloed op de spanning. Zoals gezegd
laten de dioden slechts in één richting stroom door, maar daarbij treedt een klein
verlies aan spanning op: ongeveer 0,7 volt per diode. Omdat de stroom in een
dubbelfasige gelijkrichter altijd door twee van de vier dioden loopt, moet er dus 1,4
volt van de secundaire transformatorspanning worden afgetrokken. Dit kan van
belang zijn bij lage spanningen.
De afvlakcondensator
De berekeningen voor de afvlakcondensator zijn iets ingewikkelder, vooral omdat er
zowel spanning als stroom bij komt kijken. De spanning over een condensator
verandert als er stroom door de condensator loopt en vice versa, volgens deze
formule:
Ic = C · (dU / dt)
Ic is de stroom door de condensator in ampère
C is de capaciteit van de condensator in farad
dU / dt is de verandering van de spanning over de condensator in volts per
seconde; dU is de rimpelspanning en dt is doorgaans 0,01 seconde
Als we de rimpelspanning willen berekenen, zijn we dus geïnteresseerd in de
verandering van spanning tussen twee toppen van de gelijkgerichte spanning,
oftewel dU/dt, waarbij dt gelijk is aan ongeveer een honderste seconde (de tijd
tussen twee toppen van een dubbelfasig gelijkgerichte wisselspanning van 50Hz).
Dit vinden we door de formule als volgt om te werken:
dU / dt = Ic / C
dus
dU / 0,01 = Ic / C
dus
dU = 0,01 · Ic/C
Stel, we gebruiken een afvlakcondensator van 220μF in een voeding die maximaal
0,1 ampère moet leveren, dan krijgen we de volgende rimpelspanning:
dU = 0,01 · 0,1 / 220·10-6 ≈ 4,5 volt
Vaak ook zijn de stroom en de maximaal toelaatbare rimpelspanning bekend, en
willen we weten hoe groot de afvlakcondensator moet zijn. We werken de formule
als volgt om:
C = Ic · 1 / (dU/dt)
oftewel
C = Ic · 0,01 / dU
Als we een voeding willen maken die 0,6 ampère kan leveren bij een
rimpelspanning van maximaal 4 volt, ziet de berekening er als volgt uit:
C = 0,6 · 0,01 / 4 = 1,5·10-3 = 1500μF
Let op: De afvlakcondensator is een elektrolytische condensator, waarbij de juiste
polariteit van de aansluitingen essentieel is. Verder moet de condensator een
maximale werkspanning hebben die minstens 20% hoger is dan de amplitude van
de gelijkgerichte wisselspanning.
De regulator
Ook bij het regulator-IC spelen zowel spanning als stroom een rol. Ten eerste moet
de regulator vanzelfsprekend de gewenste uitgangsspanning leveren. Dit kan alleen
als de ingangsspanning voldoende hoog is; bij de veel regulator-IC’s moet de
ingangsspanning altijd minstens 2 volt hoger zijn dan de gewenste
uitgangsspanning. Overigens zijn er ook zogenoemde low drop-out-typen te koop,
waarbij de ingangsspanning soms maar een paar tiende volt hoger moet zijn dan de
uitgangsspanning.
Verder mogen de maximale ingangsspanning en stroom van de regulator niet
overschreden worden. Bij veel typen met een vaste uitgangsspanning is de
maximale ingangsspanning 35 volt, terwijl de maximale stroom afhangt van de
uitvoering; de grotere typen in een zogenoemde TO220-behuizing met een metalen
lip aan de bovenkant hebben een maximumstroom tussen 1 en 3 ampère; de
kleinere modellen (de L-serie) kunnen maximaal 0,1 ampère leveren.
Erg belangrijk ook is het vermogen dat in de regulator verloren gaat. Dit vermogen
is de stroom door de regulator vermenigvuldigd met het verschil tussen in- en
uitgangsspanning. Stel, we sluiten de 78S15 (een regulator van 15 volt en
maximaal 2 ampère) aan op een ingangsspanning van 20 volt, en we trekken een
stroom van 1,5 ampère. De regulator krijgt dan een vermogen te verstoken van
P = I · (Uin - Uuit)
dus
P = 1,5 · (20 - 15) = 7,5 watt
Ook al worden de maximale ingangsspanning en stroom niet overschreden, de
regulator moet bij dit vermogen beslist gekoeld worden, anders gaat hij stuk. Als
vuistregel kun je aannemen dat een onderdeel in een TO220-behuizing tot
ongeveer 1 watt kan verdragen zonder koeling; bij grotere vermogens is koeling
vereist.
Overige onderdelen
Aan de uitgangscondensator valt weinig te berekenen; hiervoor kan meestal zonder
problemen iets van 10μF worden genomen. Let wel op dat ook dit een
elektrolytische condensator is, waarbij de juiste polariteit erg belangrijk is. Let er
ook even op dat deze condensator een voldoende hoge werkspanning heeft.
De ontstoorcondensatoren zijn doorgaans vaste typen van circa 0,1μF, zonder
polarisatie. Hierbij maakt het niet uit hoe ze worden aangesloten.
Een onderdeel dat we nog niet eerder hebben genoemd is de zekering. Dit is een
beveiliging die brand en andere schade kan voorkomen als de voeding kortgesloten
of overbelast wordt, of defect raakt. Vaak worden in een voeding twee zekeringen
gebruikt: de eerste in de aansluiting van de netspanning, nog vóór de
transformator. Deze zekering moet de waarde krijgen die door de fabrikant van de
transformator is opgegeven; als deze waarde onbekend is, neem dan de
uitgangsstroom van de voeding en deel deze door de verhouding tussen de
netspanning en de secundaire spanning van de transformator.