Voedingen dimensioneren
Voedingen bestaan altijd uit een trafo, die gevolgd wordt door een gelijkrichter en een stabilisator. Dat is een simpele zaak dus. Toch moet je wel even een paar dingen weten om voor de diverse komponenten de juiste waarden te kiezen.
Fig. 1.
Voor dat we dit probleem te lijf kunnen gaan, is het allereerst van belang om te weten welke uitgangsspanning de voeding moet leveren en welke maximale uitgangsstroom te verwachten is. Dan kunnen we tenminste het juiste type spanningsregelaar kiezen (zie tabel 1). Goed; het bepalen van de juiste stabilisator is geen probleem, maar nu de rest. Wil namelijk een regelaar uit de 78XX-serie goed z'n werk kunnen doen, dan moet de ingangs spanning pak-weg 3 V hoger zijn dan. de uitgangsspanning (zie de kolom Umin van tabel 1). Dit betekent dat de gelijkgerichte en gebufferde spanning groter moet zijn dan deze waarde, maar zoals u weet is zo'n spanning nu niet bepaald een rechte gelijkspanning. De bufferelko maakt er wel iets redelijks van, maar er blijft altijd een rimpel over. Om aan de bovengenoemde eis te kunnen voldoen mag de rimpel echter niet al te groot zijn, want dan komt de ingangsspanning onder de minimale waarde en zal de uitgangsspanning niet meer volledig recht zijn.
| Uuit (V) | Iuit (A) | Uin (V) | UAC (Veff) | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Type | 78CXX | 78LXX | 78MXX | min. | max. | min. | max.* | |
| 7805 | 5 | 1 | 0,1 | 0,5 | 7,5 | 20 | 10 | 15 |
| 7806 | 6 | 1 | 0,1 | 0,5 | 8,6 | 21 | 11 | 16 |
| 7808 | 8 | 1 | 0,1 | 0,5 | 10,6 | 23 | 12 | 17 |
| 7810 | 10 | 1 | 0,1 | 0,5 | 12,7 | 25 | 14 | 19 |
| 7812 | 12 | 1 | 0,1 | 0,5 | 14,8 | 27 | 15 | 20 |
| 7815 | 15 | 1 | 0,1 | 0,5 | 18 | 30 | 17 | 22 |
| 7818 | 18 | 1 | 0,1 | 0,5 | 21 | 33 | 19 | 24 |
| 7824 | 24 | 1 | 0,1 | 0,5 | 27,3 | 38 | 24 | 28 |
* zie tekst.
| 78XX | 1,5 A |
| 78LXX | 0,15 A |
| 78MXX | 0,75 A |
In figuur 2 hebben we dit probleem grafisch weergegeven, waarbij we er van uit zijn gegaan dat de regelaar 12 V levert. Deze figuur toont in een oogopslag dat de som van de uitgangsspanning plus het verschil tussen minimale ingangsspanning en uitgangsspanning (LI Umin) en de topwaarde van de rimpelspanning gelijk is aan de topwaarde van de gelijkgerichte wisselspanning. Deze laatste is het verschil van de topwaarde van de wisselspanning (een faktor √2 groter dan de effektieve waarde) en de spanningsval over de dioden. Voor deze spanningsval moet altijd het dubbele genomen worden, omdat er kontinu twee dioden in serie staan (voor het gemak stellen we UD op 1 V). Schrijven we het voorgaande in formulevorm, dan krijgen we:
√2 × UACeff = Uuit + ΔUmin + URtt + 2UD (formule I)
Fig. 2.
Voor een goed gestabiliseerde uitgangsspanning is het van belang dat de ingangsspanning van de regelaar altijd boven het minimum nivo ligt. Aan deze voorwaarde kunnen we voldoen wanneer de trafospanning hoog genoeg is en de rimpelspanning niet al te hoog is. Deze laatste is onder andere afhankelijk van de waarde van de bufferelko en de stroom die de voeding moet leveren. Om de rimpelspanning te kunnen berekenen, kan gebruik worden gemaakt van de volgende benaderingsformule:
URtt = (10 × I) : C (formule II)
(I in mA en C in µF)
Voor de waarde van de kondensator maken we gebruik van de vuistregel dat per ampère uitgangsstroom er ca. 2200 µF als bufferelko nodig is. Dus in een voeding die maximaal 1 A kan leveren dient voor C1 een elko van 2200 µF gebruikt te worden, in een 2-A-voeding 4400 pF en voor een 500 mA apparaat is 1100 µF voldoende. Met deze regel kunt u op waarden uitkomen die niet in de handel verkrijgbaar zijn. Uiteraard is dit geen probleem. U neemt gewoon de eerst volgende standaardwaarde.
Is de rimpelspanning berekend, dan kan met behulp van formule I de trafospanning bepaald worden.
Als laatste is het nog belangrijk om te weten welke stroom de trafo moet kunnen leveren. Als vuistregel houden we aan dat de trafostroom een faktor 1,5 groter moet zijn dan de uitgangsstroom.
Een 12 V voeding
Om de voorgaande theoretische uitleg te verduidelijken zullen we het geheel aan de hand van een rekenvoorbeeld nader bekijken.
Stel dat u een 12-V-voeding wilt maken die 500 mA kan leveren. Tabel 1 zegt dat daarvoor een 7812 gebruikt moet worden (niet de 78M12, omdat 500 mA voor deze regelaar de grens is). Aan de hand van de vuistregel bepaalt u dat de kondensator 1100 µF moet zijn. Dit gegeven verwerken we als volgt in benaderingsformule II:
URtt = (10 × 500 mA) : 1100 µF = 4,5 V
Dit houdt dus in dat met een bufferelko van 1100 µF de rimpelspanning 4,5 V wordt.
Met formule I kunnen we nu de topwaarde voor de trafospanning bepalen, waarbij we voor het gemak maar aannemen dat de spanningsval over een diode 1 V is:
√2 × UACeff = Uuit + ΔUmin + URtt + 2UD = 12 + 3 + 4,5 + 2 = 21,5 V
Delen we deze uitkomst door j/2, dan krijgen we afgerond 15 V, hetgeen de effektieve uitgangsspanning voor de trafo moet zijn. U ziet dat de (effektieve) trafospanning lager is dan de gelijkspanning over de bufferelko. Wil de trafo wel het gevraagde vermogen kunnen afgeven, dan zal hij een wisselstroom moeten kunnen leveren die een faktor groter is dan de maximale uitgangsgelijkstroom van de voeding. Hierbij houden we geen rekening met de verliezen in de gelijkrichter en de regelaar. Houden we daar wel rekening mee, dan dient een tafo van 500 mA × 1,5 = 750 mA gebruikt te worden.
Om u al dit rekenwerk te besparen, hebben we in de laatste twee kolommen van tabel 1 de minimale en maximale trafospanning weergegeven en onder de tabel de trafostroom bij maximale belasting van de regelaars.
De maximale ingangsspanning
Behalve de minimale ingangsspanning moeten we bij de regelaars uit de 78XX-serie ook rekening houden met de maximale ingangsspanning. Wordt deze waarde namelijk overschreden, dan kan dit nare gevolgen voor het IC hebben. Voor bijvoorbeeld de 7818 houdt dit dus in dat de topwaarde van de gelijkspanning nooit hoger mag worden dan 33 V. Net zoals hierboven kunt u berekenen dat voor deze regelaar een trafo vereist is die ruim 19 V kan leveren en daar zit nu het probleem. Een dergelijke trafo is nergens te koop, maar wel een die 24 V kan leveren. Nu rijst onmiddellijk de vraag: mag die gebruikt worden? Wanneer u gaat berekenen at met zo'n trafo de ingangsspanning voor de regelaar wordt, dan blijkt deze waarde 24 × √2 - 2UD = 32 V te worden, hetgeen 1 V lager is dan de maximale ingangsspanning. Hieruit zou u kunnen konkluderen dat de 24 V trafo dus gerust gebruikt mag worden. Figuur 3 laat echter zien dat het toch niet mag. Wordt de voeding namelijk niet of nauwelijks belast, dan loopt de spanning op tot ca. 36 V, hetgeen voor de regelaar te hoog is. De oorzaak hiervan is de inwendige weerstand van de trafo, die voor een spanningsval zorgt bij belasting. Door de fabrikant wordt namelijk de uitgangsspanning bij maximale belasting gegeven en vooral bij kleinere trafo's kan het verschil tussen vollast- en nullastspanning behoorlijk verschillen. Figuur 3 is overigens een voorbeeld van een willekeurige 24 V trafo, die een indruk geeft van de problematiek. Hebt u een 12 V exemplaar, dan kunt u gerust alle waarden door twee delen.
Fig. 3.
Kondensatoren C2 en C3
Wie wel vaker met de regelaars uit de 78XX- en 79XX-serie werkt, weet wel waarom er rond het IC een tweetal kondensatoren geschakeld moet worden. Voor hen die dit nog niet weten, zullen we in het kort de funktie verklaren.
In het inwendige van een spanningsregelaar zitten een groot aantal transistoren, die samen een speciaal soort versterker vormen. Deze versterker heeft echter een nare eigenschap; wanneer er sprake is van terugkoppeling tussen in- en uitgang, dan kan er oscillatie optreden. Om dit te voorkomen worden in- en uitgang door het tweetal kondensatoren voor wisselspanning kortgesloten. Hierbij is het van belang dat beide C's zo dicht mogelijk bij de spanningsregelaar worden geplaatst.
Nog enkele opmerkingen tot slot
In het voorgaande verhaal hebben we het punt "vermogensdissipatie" niet genoemd. Toch is dit iets waar terdege rekening mee gehouden moet worden. De spanningsregelaar moet namelijk een hoeveelheid vermogen kunnen wegwerken die gelijk is aan het produkt van de spanningsval over het IC en de stroom die er gaat lopen. Is dus het verschil tussen in- en uitgangsspanning groot en loopt er een redelijk grote stroom, dan moet de spanningsregelaar heel wat vermogen wegstoker en zal daardoor behoorlijk heet worden. Om te voorkomen dat er sprake is van oververhitting, dient het IC op een koelplaat gemonteerd te worden, die zo groot is dat bij de maximale belasting het IC niet warmer wordt dan ca. 50 graden (nog net met de hand aan te raken). Als laatste moeten we nog opmerken dat zowel tabel 1 als figuur 3 niet altijd overeenkomen met de werkelijkheid. Zowel bij trafds als bij de spanningsregelaars kunnen er verschillen optreden tussen de diverse merken. Wilt u zeker van uw zaak zijn, informeer dan bij uw handelaar naar de gegevens van het merk dat hij verkoopt.
Gaat u een voeding bouwen zoals in figuur 1 weergegeven is, denk dan wel om de veiligheidseisen.