Gestabiliseerde netvoeding Een gestabiliseerde voeding zet de netspanning van 23 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). +Veff De spanning gaat van nul naar de maximumwaarde (de amplitude), hier aangegeven met, dan weer naar nul, naar de minimumwaarde (-A) en weer naar nul. Bij netspanning gebeurt dit met een frequentie van 5 Hertz, oftewel vijftig keer per seconde, zodat één periode 1/5 seconde duurt, oftewel twintig milliseconden. -Veff Zoals aangegeven is de amplitude de maximumwaarde; normaal gesproken -A wordt echter gewerkt met de t=2ms effectieve waarde van de wisselspanning, hier aangegeven met Afbeelding 1: Wisselspanning Veff. Deze effectieve waarde is de 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,7) keer de amplitude is; omgekeerd is de amplitude dus ook 2 (zeg maar 1,4) keer de effectieve waarde. Aangezien de 23 volt van de netspanning de effectieve waarde is, heeft de netspanning dus een amplitude van 2 23 = 325 volt. Dit betekent dan ook dat elektronische onderdelen die op netspanning worden aangesloten een maximumspanning van 325 volt te verduren krijgen, en niet 23 volt. Dit is erg belangrijk bij de keuze van onderdelen. Bij gewone netspanning van 23 volt ligt een van de twee polen op aardniveau ( 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 ~ transformator + uit ~ - 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 5Hz 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 5Hz, soms bijna tienduizend keer zo hoog (5kHz). Bij een dergelijke hoge frequentie kan een transformator voor hetzelfde vermogen veel kleiner en lichter zijn dan zijn 5Hz-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 1 wikkelingen heeft, en de spoel aan de uitgang 1, is de wikkelverhouding 1:1, en zal de uitgangsspanning ook tien keer lager zijn dan de ingangsspanning (dus 23 volt als we 23 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 23V-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. +Ueff Afbeelding 3: Dubbelfasig gelijkgerichte wisselspanning De afvlakcondensator 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. 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 Afbeelding 4: Dubbelfasig gelijkgerichte en afgevlakte wisselspanning opgeladen tot de amplitude van de spanning; zodra de gelijkgerichte spanning lager wordt (de grijze stippellijn), wordt de afvlakcondensator ontladen, zodat de spanning erover daalt. Deze spanning daalt totdat de volgende top van de gelijkgerichte wisselspanning de condensator weer oplaadt. 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. Ur
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. +Uuit Afbeelding 5: Een regulator-ic zorgt voor een gelijkmatige uitgangsspanning Uuit 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 nog twee condensatoren geplaatst. 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,1μf) en zorgt voor hoogfrequente ontstoring; aan de ingang van de regulator wordt ook een ontstoorcondensator geplaatst. +Uuit Afbeelding 6: Een te grote rimpelspanning werkt door naar de uitgang van de regulator De ingangsspanning van de regulator mag natuurlijk nooit lager worden dan de gewenste uitgangsspanning, anders kan de regulator zijn werk niet goed doen. Met andere woorden: de rimpelspanning mag niet te groot worden. Afbeelding 6 laat zien wat er gebeurt als dit verkeerd gaat: er treedt dan een rimpelspanning op aan 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,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,1 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 5Hz).
Dit vinden we door de formule als volgt om te werken: dus dus du / dt = Ic / C du /,1 = Ic / C du =,1 Ic/C Stel, we gebruiken een afvlakcondensator van 22μF in een voeding die maximaal,1 ampère moet leveren, dan krijgen we de volgende rimpelspanning: du =,1,1 / 22 1-6 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: oftewel C = Ic 1 / (du/dt) C = Ic,1 / du Als we een voeding willen maken die,6 ampère kan leveren bij een rimpelspanning van maximaal 4 volt, ziet de berekening er als volgt uit: C =,6,1 / 4 = 1,5 1-3 = 15μF 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 2% 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 TO22-behuizing met een metalen lip aan de bovenkant hebben een maximumstroom tussen 1 en 3 ampère; de kleinere modellen (de L-serie) kunnen maximaal,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 2 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 (2-15) = 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 TO22-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 1μF 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,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.