Rob's web

Schakelende voedingen

Een kwestie van even overschakelen

Toegegeven, konventionele voedingen zijn eenvoudiger en makkelijker te ontwerpen dan hun moderne, schakelende broertjes, maar daarentegen wel energie- en plaatsverkwistender. Reden genoeg om eens even over te schakelen op schakelende voedingen.

Er zijn eigenlijk twee soorten schakelende voedingen, waarvan er hier maar van een, de eenvoudigste soort, enkele toepassingen worden besproken. Figuur 1 is het blokschema. Er wordt op de gebruikelijke wijze gebruik gemaakt van een nettransformator, een bruggelijkrichter en een afvlakelko. Ook is er een stuurgedeelte, dat korrigeert zodra de uitgangsspanning te hoog of te laag wordt. Het grote verschil is, dat er in plaats van en serietransistor die het teveel aan spanning wegwerkt, een transistor is genomen die als schakelaar werkt. Deze schakelaar kent maar twee toestanden; of dicht of open. Verder zijn absoluut noodzakelijk een spoel en een diode.

Fig 1
Figuur 1. Het blokschema van een schakelende voeding. S is een elektronische schakelaar, meestal een snelle schakeltransistor. Spoel L slaat steeds energie op als S gesloten is en geeft die vervolgens weer af gedurende de tijd dat S geopend is.

In figuur 2 is het type schakelende voeding getekend dat eigenlijk ideaal is, maar ook zo gekompliceerd, dat nabouw (voorlopig) nog nauwelijks haalbaar is. Hier wordt de netspanning direkt gelijkgericht, en van deze gelijkspanning wordt met behulp van transistors die ook weer als schakelaar werken, een wisselspanning gemaakt met een veel hogere frekwentie (bijvoorbeeld 25 kHz) dan het lichtnet. Deze wisselspanning wordt dan met een speciale transformator op de gewenste uitgangsspanning gebracht. Ook hier is een regelgedeelte dat de uitgangsspanning bewaakt.

Fig 2
Figuur 2. Een meer ideale oplossing vervangt ook de grote voedingstransformator Tr door een veel kleiner type op een speciale kern die bij een veel hogere frekwentie werkt. Deze oplossing is echter vooralsnog voor zelfbouw moeilijk te realiseren.

Het grote voordeel van deze opzet is, dat de logge en zware nettransformator kan worden vervangen door een veel kleinere, lichte trafo omdat de frekwentie nu veel hoger is (25 kHz i.p.v. 50 Hz). Dit is als volgt begrijpelijk te maken: De grootte van de kern van de trafo wordt bepaald door maximale magnetische flux. Hoe groter het over te brengen vermogen, hoe groter de flux is en hoe groter de doorsnede van de kern moet zijn om niet in verzadiging te raken. Iedere keer, dat de kern wordt gemagnetiseerd, kan de transformator een bepaalde hoeveelheid energie via de magnetische flux overdragen van de primaire naar de sekundaire kant. Normaal gebeurt dit met de frekwentie van het lichtnet. Door nu de frekwentie hoger te kiezen, is het mogelijk per sekonde vaker de kern te magnetiseren en dus vaker energie te transporteren. Het vermogen van de transformator neemt dan dus toe!

Voordelen

Tot nu toe is er nog weinig gezegd over de voordelen van schakelende voedingen. Op de eerste plaats is dat het rendement, dus de verhouding (in %) tussen de energie die de schakeling uit gaat en de energie die aan de schakeling moet worden toegevoerd. Voedingen met een serietransistor halen zelden een hoger rendement dan 50%, terwijl een schakelende voeding gemiddeld zo'n 75% haalt. Op het eerste gezicht is dit geen revolutionair verschil, maar een klein rekensommetje stelt dit in een heel ander licht: Stel de voeding levert 5 volt bij 2 ampère, 10 watt dus. Bij een rendement van 50% gaat er dan in de regeling eveneens 10 watt verloren. Bij een rendement van 75% echter, is dit maar 3,3 watt. Dit is een verbetering van maar liefst 300%! Er is nu veel minder koeloppervlak nodig, de voeding kan gemakkelijker worden ingebouwd en het geheel wordt bovendien kleiner omdat de voedingstrafo minder vermogen hoeft te leveren (ongeveer twee-derde).

Nader bekeken

Laten we de 3 voornaamste onderdelen van een konventionele voeding met serietransistor eens nader bekijken.

Extra mogelijkheden

Een schakelende voeding is niet alleen in staat uitgangsspanningen te leveren die lager zijn dan de ingangsspanning, maar er kunnen ook hogere en zelfs negatieve spanningen worden opgewekt. Dit opent de mogelijkheid met maar een trafowikkeling en enkele schakelende voedingen verschillende, zowel negatieve als positieve, spanningen op te wekken. De figuren 4 en 5 geven hiervan een voorbeeld. Let erop, dat steeds dezelfde komponenten worden gebruikt, alleen de konfiguratie is anders.

Nadelen

Helaas bezitten schakelende voedingen niet alleen voordelen. De rimpel op de uitgang is aanzienlijk groter (enkele tientallen millivolts) en ze reageren veel trager op variaties van de belasting. Ook maakt de schakeling een (meer of minder) sissend of fluitend geluid en door straling (er wordt immers snel geschakeld) kunnen andere apparaten in de buurt worden beinvloed. Het snel schakelen vereist speciale snelle vermogenstransistoren en tenslotte: Er is een spoel vereist! Speciaal voor spoelen hebben de meeste amateurs schrik. Toch valt het wel mee zoals uit het hoofdstukje aan het eind van dit artikel zal blijken.

Werking

In figuur 3 is het belangrijkste stukje uit het blokschema van figuur 1 gelicht.

Fig 3
Figuur 3. De eigenschappen van een schakelende voeding worden hoofdzakelijk bepaald door de eigenschappen van spoel 1. Een spoel staat alleen langzame veranderingen van de stroom door de spoel toe, net zoals een kondensator probeert de spanning over de kondensator gelijk te houden.

Links, bij Uin wordt een gelijkspanning aangelegd en rechts, bij RL komt de gestabiliseerde spanning aan de uitgang. Zolang schakelaar S open is, vloeit er geen stroom door S en staat de ingangsspanning over deze schakelaar. Wordt S gesloten (figuur 3a), dan valt er geen spanning meer over deze schakelaar en komt de ingangsspanning over diode D (die spert) en L te staan. Hoewel er dus ineens een flinke spanning over L staat, kan vanwege de zelfinduktie van de spoel de stroom maar langzaam toenemen. Door L gaat nu een steeds groter wordende stroom lopen. Hierdoor wordt kondensator C2 opgeladen en de uitgangsspanning stijgt. Schakelaar S wordt weer geopend wanneer de spanning aan de uitgang groot genoeg is (figuur 3b). Door S kan dan geen stroom meer lopen. Maar net zoals de stroom door de spoel slechts langzaam toenam bij het aanleggen van de spanning, zal de stroom slechts langzaam afnemen nu S is geopend. De stroom die door L loopt, kan nu alleen via D vloeien en C2 wordt nog een tijdje geladen. Zodra de stroom, die nog door L wordt geleverd, kleiner is geworden dan de stroom naar de belasting, zal C2 mee gaan helpen de uitgangsstroom te leveren en zich dus ontladen. De uitgangsspanning zakt hierdoor weer.

Komt de spanning beneden de ingestelde grens, dan zal het besturingscircuit (dat hier ter wille van de overzichtelijkheid niet is getekend) de schakelaar S weer sluiten. De stroom door L neemt dan weer toe en de hele cyclus herhaalt zich. Onder het vereenvoudigde schema zijn de belangrijkste stromen en spanningen getekend voor degenen die het naadje van de kous willen weten.

En nu de praktijk

In de eerste toepassing (foto 1) wordt al direkt een flinke jongen getoond: een 5 volt/5 ampère voeding. De schakeling is erg eenvoudig en bestaat uit het schakel-IC SH1605 (waar wel vreselijk veel in zit) van Fairchild en slechts 5 andere komponenten.

Nog enkele eigenschappen van de schakeling van foto 1:

Foto 1
Foto 1. Hoewel in een wat ongebruikelijke vorm gepresenteerd, kan dit schema toch zo worden nagebouwd. De schakeling levert 5 volt bij 5 ampère.

Deze voeding is in principe ontworpen voor het omlaagtransformeren van de ingangsspanning. Het kan echter ook voorkomen, dat er een hogere spanning dan de gelijkgerichte trafospanning nodig is. In dat geval biedt figuur 4 de oplossing. Uit 5 volt wordt een spanning van 25 volt opgewekt. Naast het schema is nog even getekend hoe een en ander werkt. Wanneer S is gesloten, gaat er door spoel L een steeds grotere stroom lopen. Wordt S nu geopend, dan probeert L de stroom toch te handhaven. De stroom kan echter alleen maar via diode D vloeien waardoor C2 wordt opgeladen. Dat de spanning over C2 hoger is dan de ingangsspanning is geen bezwaar; de spoel L wekt een zo hoge spanning op als nodig is om stroom te laten lopen. Deze schakeling met de μA78S40 kan 160 mA leveren bij 25volt aan de uitgang. Het rendement bedraagt 79%. Het is overigens mogelijk met dit IC van Fairchild stromen tot maximaal 1500 mA te schakelen. De maximale uitgangsstroom is de helft hiervan, dus 750 mA. Diode D1 kan slechts stromen tot 300 mA verwerken. Door gebruik te maken van een externe diode en een schakeltransistor kunnen deze waarden vanzelfsprekend worden vergroot.

Fig 4
Figuur 4. Indien aan de uitgang een hogere spanning dan de gelijkgerichte trafospanning gewenst is, biedt dit ontwerp een oplossing.

Negatieve spanningen

Niet alleen positieve spanningen die hoger of lager zijn dan de ingangsspanning, maar ook negatieve spanningen kunnen worden opgewekt. Figuur 5 geeft hiervan een voorbeeld met het ICTL497 van Texas. Dit is een zeer bruikbaar IC, dat net als het eerder genoemd IC van Fairchild trouwens, voor alle drie de basiskonfiguraties lomhoog, omlaag en negatief) kan worden gebruikt.

Fig 5
Figuur 5. Met dit ontwerp kunnen negatieve spanningen opgewekt worden die eventueel hoger kunnen zijn dan de gelijkgerichte trafospanning.

De principiële werking is hetzelfde: Er wordt weer energie in spoel L opgeslagen gedurende de tijd dat S is gesloten. Opent S, dan zorgt L voor een stroom die C2 negatief oplaadt. De hier gegeven voorbeelden zijn maar enkele van de vele mogelijkheden van deze IC's. In de literatuurlijst zijn enkele publikaties opgenomen die door de fabrikanten zijn uitgegeven ten behoeve van degenen die hun eigen schakeling willen ontwikkelen. In het aanhangsel worden een aantal formules gegeven, waarmee het mogelijk is, zonder veel kennis, de voornaamste komponenten te berekenen.

Tips

Het bouwen van een schakelende voeding komt in zekere zin overeen met het bouwen van hoogfrekwent-schakelingen. De steile schakelflanken en de hiermee gepaard gaande hoge frekwenties vereisen bijzondere aandacht. Het is van belang verbindingen, speciaal die waardoor de schakelstroom loopt, kort te houden. Er moet :order bij voorkeur van een aardpunt worden uitgegaan Ibijv. bij de uitgangselko). De spoel wordt nog nader besproken verderop. De uitgangselko bepaalt voor een groot deel de rimpelspanning op de uitgang. Het beste zijn tantaalelko's, die beter geschikt zijn voor de optredende hoge frekwenties. Een goede tussenoplossing kan worden verkregen door in plaats van 1 kondensator van bijv. 470 p vijf gewone kondensatoren van ieder 100 p te nemen. Een verbetering wordt verder bereikt door de werkspanning van de elko gelijk te nemen aan tenminste twee maal de uitgangsspanning.

Voor de diode mag geen gewone gelijkrichtdiode worden gebruikt. Het zelfde geldt voor de eventueel toe te passen schakeltransistor. Het gebruik van langzame typen leidt tot een flinke warmteontwikkeling en een daling van het rendement van de schakeling.

Spoelen

Spoelen behoren tot de komponenten die door amateurs liever worden vermeden. Gelukkig worden schakelende voedingen geleidelijk aan steeds populairder, wat tot gevolg heeft dat enkele fabrikanten al kant en klare spoelen leveren. Toch zal het wel eens noodzakelijk zijn, zelf even een zelfinduktie te berekenen en een spoel te wikkelen. Voor schakelende voedingen worden meestal spoelen gemaakt op een ferroxcube-kern. Deze kern moet geschikt zijn voor de frekwentie waarop de voeding werkt (meestal 20 tot 50 kHz) en lage verliezen hebben. (Siemens: materiaal N27, Philips: materiaal 3C8) Gewoon trafoblik is bij deze frekwenties niet bruikbaar!

Om de zaak zo eenvoudig mogelijk te houden beperken we ons tot twee aspekten: de toelaatbare veldsterkte in de kern en de zelfinduktie van de spoel. Wordt de maximaal toelaatbare veldsterkte in de spoel overschreden, dan neemt de zelfinduktie af, waardoor de stroom door de spoel zeer snel gaat toenemen. Deze ontwikkeling is bijzonder ongewenst, aangezien dan binnen de kortste keren de schakeltransistor en de diode stuk kunnen gaan en daardoor de uitgangsspanning ontoelaatbaar oploopt. Het is dus zaak, volgens de grafiek (figuur 6) een voldoende grote kern te kiezen. Uit deze grafiek blijkt, dat een potkern met een diameter van 30 mm al een vermogen van ongeveer 30 watt kan verwerken!

Fig 6
Figuur 6. In deze grafiek staat het maximale transformeerbare vermogen in funktie van de benodogde kerninhoud Ivoor ferroxcube) uitgezet. Bedenk wel dat in de praktijk nogal wat lekveld-verliezen kunnen optreden. Veiligheidshalve dient het benodigde sekundaire vermogen dus wat ruimer gekozen te worden.

Vervolgens moet het aantal windingen worden berekend om de gewenste zelfinduktie te realiseren. Daarvoor is het nodig, de zogenaamde AL-waarde te kennen. Dit getal is afhankelijk van het soort materiaal, de afmetingen van de kern en de grootte van de luchtspleet en wordt door de fabrikant steeds opgegeven. Het is meestal mogelijk uit verschillende AL-waarden te kiezen. Kies bij voorkeur een dusdanige waarde, dat een gemakkelijk te wikkelen spoel met bijv. 20 tot 100 windingen ontstaat. Een nog kleiner aantal windingen lijkt wel gemakkelijk, maar veroorzaakt grotere verliezen in de spoel. Deze verliezen worden verder verkleind, door de grootst mogelijke draaddiameter te kiezen zodat de spoelvorm helemaal vol wordt gewikkeld.

De zelfinduktie is gelijk aan AL maal het aantal windingen in het kwadraat. Voor een spoel van 300 µH op een kern met een AL-waarde van 400 zijn dan Eq 1 windingen nodig.

Let erop, dat AL in nano-henry (=10-9 henry) is uitgedrukt.

Literatuur

Philipsdata handbook soft ferrites
SiemensDatenbuch Ferrite
Fairchilddatasheet SH1605
datasheet µA78S40
application note µA78S40
application note SH1605
Texas Instrumentsapplication report designing switching voltage regulators with TL497