Eenvoudige spanningsstabilisatoren
In het verleden werden gelijkspanningsstabilisatoren praktisch alleen toegepast bij versterkervoedingen. Door de opkomst van zowel analoge- als digitate IC technieken is de vraag naar deze apparaten sterk toegenomen. Ook het gebruik ervan in (net)voedingen voor transistor-portebels krijgt al een gestandariseerd karakter.
Het elektuurlaboratorium heeft hierom een eenvoudige stabilisator ontworpen die praktisch overal is toe te passen. Het spanningsstabilisatiegebied is, afhankelijk van de komponentenkeuze, te kiezen tussen 6 V en 24 V. De belastingsstroom mag afhankelijk van de netvoeding en transistorkoeling oplopen tot ca. 4 ampere.
De zenerdiodestabilisator
Een gestabiliseerde voedingsspanning kan alleen worden verkregen, als de te stabiliseren spanning wordt vergeleken met een referentiespanning. Voor deze referentiebron werd in het verleden bij laagspanningsvoedingen veelal een aparte batterij genomen. Een groat nadeel van een dergelijke bron is dat de levensduur niet zo erg lang is. In verband daarmee werd de batterij dan ook vrij hoogohmig belast. Bij hoogspanningsvoedingen (boven ca. 80 V) werd voor de referentiespanning meestal een stabilisatiebuis genomen. Een dergelijke buis heeft de eigenschap dat de spanning er over binnenredelijke grenzen konstant blijft als de stroom door de buis varieert. Deze eigenschap heeft een zenerdiode oak. In de eerste jaren van het zenertijdperk was de konstantheid van de spanning niet erg groot. Niet alleen de varierende stroom door de diode, maar ook temperatuurveranderingen zorgden voor een slechte spanningskonstantheid. Daarbij kwam dan nog dat er slechts voor een klein spanningsgebied zenerdioden bestonden. Door nieuwe ontwikkelingen is de zenerdiode in de loop der jaren sterk geperfektioneerd. De temperatuursinvloed is sterk afgenomen. Ook is men nu minder gebonden aan bepaalde zenerspanningen. Zeners tussen ca. 3 V en 100 V zijn overal verkrijgbaar.
In figuur 1 is de eenvoudigste spanningsstabilisator met behulp van een zenerdiode getekend. In. figuur vormt diode D1 de gelijkrichter, Kondensator C1 vlakt het gelijkgerichte signaal af. Om een stabilisator volgens figuur 1 goed te laten werken, moet bij de maksimale belastingsstroom de rimpelspanning van C1 niet in het werkingsgebied van de zenerdiode terecht komen, want in dit gebied is de stabiliserende werking nihil. Stabilisatie volgens de schakeling van figuur 1 wordt veel toegepast. Een nadeel van een dergelijke stabilisator is het beperkte werkingsgebied. Onder het werkingsgebied wordt de maksimale belastingsstroomvaratie verstaan. Deze is onder andere afhankelijk van het maksimale zenervermogen. Dit vermogen kan worden uitgedrukt in:
Figuur 1. Een zenerstabilisator.
In deze formule stelt Uz de zenerspanning voor en Imaks de maksimale zenerstroom.
Als de stabilisator volgens figuur 1 niet belast wordt, dan is weerstand R1 bepalend voor de zenerstroombegrenzing. In dat geval wordt R1 berekend uit:
In deze formule stelt Uci de spanning over kondensator C1 voor, Uzi is de zenerspanning en Imaks de maksimale zenerstroom. Deze maksimale stroom kan worden berekend uit de eerste formule.
Als de schakeling volgens figuur 1 hoogohmig wordt belast is weerstand R1 te berekenen uit:
In deze formule stelt Izi de zenerstroom voor waarbij de diode optimaal stabiliseert. Deze waarde hangt of van het tipe zenerdiode.
Een nadeel van elke zenerdiode is dat de grensfrekwentie niet erg hoog ligt. Hierdoor is een kleine kondensator (ca. 10 nF) over de diode meestal onvermijdelijk.
Regelbare spanningsstabilisatie
In figuur 2 staat het principeschema getekend van een regelbare stabilisator. In dit schema stelt Z1 de zenerdiode voor. Deze wordt bier alleen gebruikt als referentiebron. Hierdoor blijft de zenerspanning zeer konstant.
Figuur 2. Principe van een regelbare spanningsstabilisator.
De werking van een stabilisator volgens figuur 2 is als volgt: transistor T1 wordt altijd opengestuurd. Dit komt omdat weerstand R3 de kollektor van T1 en de basis van T2 van spanning voorziet. Door geleiding van T2 geleidt ook T3. Hierdoor staat op de uitgang van de schakeling altijd spanning. Deze spanning veroorzaakt een stroom door de weerstanden R1 en R2 naar aarde. Over R2 staat dus een spanning die de basis stuurt van transistor T1, waardoor deze geleidt. Bij een goede dimensionering van de komponenten zal de stroom door de emitter van T1 altijd zo zijn, dat de diode Z1 zenert. Hier-door zal over weerstand R2 altijd een spanning staan, die gelijk is aan de som van de zenerspanning en de basisemitterspanning van T1. Omdat deze spanning vrij konstant is, is de spanning over R2 dit eveneens.
Als de spanning op de uitgang van de schakeling wil stijgen, zal de spanning op de basis van T1 (via R1) ook hoger willen worden. Dit is niet mogelijk vanwege de zenerdiode in de emitter van T1. Daardoor neemt niet de spanning op de basis van T1 toe, maar de basisstroom van T1. Hierdoor neemt de kollektorstroom toe, nl. met hfe x verandering van basisstroom, ten gevolge waarvan de spanning op de kollektor van T1 daalt. Transistor 12 krijgt minder sturing en wordt daarom (evenals T3) minder opengestuurd. Hierdoor daalt dan de uitgangsspanning van de stabilisator weer.
Als de uitgangsspanning van de stabilisator daalt, wordt T1 minder gestuurd. Daardoor stijgt de spanning op de basis van T2, T3, die als emittervolger is geschakeld, volgt T2, zodat ook de uitgangsspanning weer stijgt.
De uitgangsspanning van de stabilisator is eenvoudig te berekenen. Over R2 staat de zenerspanning plus de basisemitterspanning van T1. (Deze is bij Si transistoren ca. 0,7 V.)
De weerstanden R1 en R2 worden altijd zodanig gedimensioneerd, dat de basisstroom van T1 verwaarloosbaar klein is ten opzichte van de totaalstroom door deze weerstanden. De uitgangsspanning van de stabilisator is daarom gelijk aan:
In deze formule stelt Uz1 de zenerspanning voor en VbeT1 de drempelspanning van T1.
Uit de formule blijkt dat de spanning op de uitgang van de stabilisator niet lager kan worden dan de som van de zenerspanning en de transistordrempel. Deze mogelijkheid is wel aanwezig als de nul van de schakeling wordt vervangen door een negatief potentiaal.
De praktische schakeling
Deze is gegeven in figuur 3. De bruggelijkrichter wordt gevormd door G. C1 is de afvlakkondensator. De voeding voor transistor T1 komt via de weerstanden R1 en R2 op de kollektor van T1. Kondensator C2 zorgt voor een betere afvlakking van de spanning op de kollektor van T1. Deze afvlakking doet alleen dienst als de voeding veel stroom levert.
| R3 | 100 Ω |
| P1 | 10 Ω instel |
| C3 | 1 nF |
| C4 | 47 nF |
| T1 | BC 107 |
| T2 | 2N1613 |
| T3 | 2N3055 of BD 130Y |
| G | bruggelijkrichter B40-C1000 |
| alle overige waarden staan in tabel 1. | |
Figuur 3. Het principeschema van de stabilisator.
Kondensator C3 zorgt ervoor dat de snelle veranderingen op de stabilisatoruitgang direkt op de basis van T1 terecht komen. Weerstand R3 is in de schakeling opgenomen. om een betere instelling van T2 te krijgen. De uitgangskondensator (C4) voorkomt hoogfrekwent oscilleren.
Alle komponentenwaarden die niet aan verandering onderhevig zijn, staan in de stuklijst bij figuur 3.
In tabel 1 staan alle overige komponentenwaarden. In deze tabel staan de waarden van verschillende komponenten voor uitgangsspanningen tussen 6 V en 24 V. Al deze waarden gelden voor een maksimale uitgangsstroom van de schakeling van 500 mA bij elke gestabiliseerde spanning. Voor zenerdiode Z1 kan een 250 mW tipe worden genomen.
| voedingsuitgang- spanning | trafospanning sekundair | C1 | C2 | R1 | R4 | R5 | Z1 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 6 V | 8 V | 1000 µF / 15 V | 100 µF / 15 V | 1 kΩ | 10 kΩ | 33 kΩ | 3,9 V |
| 7,5 V | 8 V | 1000 µF / 15 V | 100 µF / 15 V | 1 kΩ | 10 kΩ | 27 kΩ | 4,7 V |
| 9 V | 12 V | 1000 µF / 25 V | 100 µF / 25 V | 1 kΩ | 12 kΩ | 27 kΩ | 5,6 V |
| 12V | 12V | 1000 µF / 25 V | 100 µF / 25 V | 1 kΩ | 15 kΩ | 27 kΩ | 6,8 V |
| 15V | 18V | 1000 µF / 25 V | 100 µF / 25 V | 1 kΩ | 10 kΩ | 15 kΩ | 8,2 V |
| 18 V | 24 V | 1000 µF / 25 V | 100 µF / 35 V | 1,2 kΩ | 12 kΩ | 27 kΩ | 12 V |
| 24V | 24V | 1000 µF / 35 V | 100 µF / 35 V | 1 kΩ | 10 kΩ | 12 kΩ | 12 V |
Potmeter P1 is in de schakeling opgenomen om de uitgangsspanning enigszins te kunnen varieren.
De weerstandswaarden van R4 en R5 zijn zo berekend, dat P1 eventueel kan worden weggelaten. De spanningsdeler R4 /R5 kan dan net zo worden aangesloten als de deler R1 /R2 uit figuur 2. Voor alle zekerheid is het wenselijk 12 te voorzien van een koelvin. In tabel 2 staat de dissipatie van transistor T3 gegeven bij een uitgangsstroom van 500 mA. Tevens staat in deze tabel wanneer geforceerde koeling van T3 noodzakelijk is. Om de disspiatie van T3 zo klein mogelijk te houden is het wenselijk de sekundaire trafospanning gelijk te nemen aan de benodigde gestabiliseerde spanning.
| voedingsuitgang- spanning | voedingsuitgang- stroom | vermogens- dissipatie T3 | geforceerde koeling |
|---|---|---|---|
| 6 V | 500 mA | 2,5 Watt | nee |
| 7,5 V | 500 mA | 1,7 Watt | nee |
| 9 V | 500 mA | 4 Watt | ja (koelvinger) |
| 12 V | 500 mA | 2,5 Watt | nee |
| 15 V | 500 mA | 5 Watt | ja (koelplaat) |
| 18 V | 500 mA | 8 Watt | ja (koelplaat) |
| 24 V | 500 mA | 5 Watt | ja (koelplaat) |
De schakeling volgens figuur 3 is ook geschikt voor uitgangsstromen tot ca. 4 A. De enige veranderingen hiertoe betreffen de koeling van T2 en T3, brugcel G en kondensator C1. Kondensator C1 wordt dezelfde faktor groter genomen (kwa kapaciteit) als de uitgangsstroomtoename van de schakeling. Bruggelijkrichter G moet uiteraard evenals de trafo de gevraagde stroom kunnen leveren.
De print
Figuur 4 geeft de print voor de schakeling volgens figuur 3.
Figuur 4. De print lay-out voor de schakeling volgens figuur 3.
De afmetingen van de print zijn ca. 5 × 10 cm. De bruggelijkrichter en de afvlakkondensator zijn ook op de print aangebracht. De opstelling van T3 is zo gekozen dat er nog ruimte over is voor een eventueel koellichaam.
Als potmeter P1 niet wordt gemonteerd, kunnen de drie aansluitpunten hiervoor worden kortgesloten met een draadverbinding.
Toepassingen
In de eerste plaats kan de stabilisator worden gebruikt als voeding voor 1.f.-versterkers.
Ook het gebruik van de stabilisator bij analoge- of digitale schakelingen, die niet veel vermogen vragen (bv. 100 mA), is aan te bevelen. Veel storingsverschijnselen bij dergelijke schakelingen zijn te wijten aan instabiliteit van de voeding. Ook rimpelspanningen over een gewone voeding (bestaande uit een gelijkrichter met afvlakkondensator) kunnen een schakeling negatief beinvloeden.
De stabilisator kan ook worden gebruikt voor het voeden van portebel apparaten, zoals transistorradio's en kassetterekorders. Veel van deze apparaten hebben alleen een batterijvoeding. Een gewone netadapter (een gelijkrichter en een afvlakelko) wil nog wel eens brom veroorzaken.
De schakeling kan uiteraard gewoon op de batterijklemmen van een bepaald transistorapparaat worden aangesloten. Een nadeel hiervan is dat het aansluiten van de voeding steeds veel werk veroorzaakt (batterijen verwijderen enz.).
Een betere metode is een omschakelplug in te bouwen. Deze plug schakelt dan automatisch de batterijvoeding uit als het chassisdeel wordt verbonden met de eigenlijke plug. Hiervoor kan het beste de 4-polige DIN luidpsrekerplug worden genomen. In figuur 5 is schematisch een aansluitmetode getekend. De plug heeft vier aansluitpunten. Hiervan zijn de punten 3 en 4 in rust-stand doorverbonden. In de chassisplug volgens figuur 5 kan een luidsprekersnoerplug worden gestoken. Deze heeft een platte- en een ronde pen. De platte pen maakt kontakt met punt 2 in figuur 5. De ronde pen kan worden verbonden met punt 1 of met punt 3/4. Het is de bedoeling dat deze pen in kontakt 3/4 wordt gestoken. Daardoor wordt de verbinding van punt 3 naar 4 verbroken en maakt de ronde pen alleen kontakt met punt 4. Hierdoor is dan de batterijvoeding onderbroken en is de voedingsschakelaar van het betreffende apparaat (S1) verbonden met de ronde pen van de snoerplug. Aan de snoerplug wordt de stabilisatorvoeding aangesloten. De batterijaansluiting die niet naar de schakelaar van het apparaat gaat, hoeft niet te worden onderbroken (punt A); deze kan gewoon worden afgetakt en worden toegevoerd naar de plug.
Figuur 5. Een omschakelmetode voor batterijgevoede apparaten.
Een andere toepassing van de stabilisator is mogelijk bij autoradio's en kassetterekorders.
Het wil nog wel eens voorkomen dat kassetterekorders of autoradio's een lagere voedingsspanning nodig hebben dan de beschikbare akkuspanning van de auto. Het te veel aan spanning kan dan door de stabilisator worden opgevangen. In dat geval kunnen de bruggelijkrichter (G) en afvlakkondensator (C1) uit de schakeling worden weggelaten. Let dan wel op de juiste aansluiting van plus en min. Gebruikt men de voeding voor eksperimenten, dan is het opnemen van een snelle zekering voor de gewenste stroomsterkte aan te bevelen.