Symmetrische voeding
Regelbaar van 0 tot 18 V en van 0 tot 1 A
De meesten van u zullen ongetwijfeld weten dat operationele versterkers, oftewel opamps, normaliter met twee spanningen gevoed worden: een positieve en een negatieve. Voor het experimenteren met en het kontroleren van opampschakelingen is dus altijd een symmetrische voeding nodig. Zij die al een tijd lang naar een goed ontwerp voor een dergelijke voeding zitten uit te kijken, worden in dit artikel op hun wenken bediend.
De eisen die aan een symmetrische "lab-voeding" gesteld dienen te worden zijn duidelijk: op de eerste plaats moeten er twee exakt gelijke spanningen uit komen (een positieve en een negatieve) die met een en dezelfde potmeter instelbaar zijn. Op de tweede plaats moet het spanningsbereik zich naar onder liefst helemaal tot 0 V uitstrekken. En op de derde plaats - en dit is misschien wel het belangrijkste - dient het apparaat voorzien te zijn van een instelbare stroombegrenzing, die wanneer de positieve helft van de voeding wordt overbelast ook de negatieve spanning terugregelt en andersom.
Met dit "boodschappenlijstje" als uitgangspunt zijn we aan het werk gegaan.
Instelbare spanningsregelaar-IC's
Aan de geintegreerde spanningsregelaars van het type LM317 en LM337 is tot dusver nauwelijks enige aandacht besteed in Elektuur. Aangezien ze in dit ontwerp echter de essentiële bouwstenen vormen, lijkt het ons verstandig u allereerst wat informatie te geven over deze IC's.
De uitgangsspanning van deze spanningsregelaars kan met behulp van slechts twee weerstanden tussen 1,25 V en 40 V worden ingesteld - een zeer ruim bereik dus. Bovendien zijn de regeleigenschappen zeker een faktor 10 beter dan die van de gebruikelijke spanningsregelaars. Tabel 1 geeft een kort overzicht van de belangrijkste eigenschappen van de LM317.
| uitgangsspanning | 1,25...40 V |
| spanningsregeling | 0,01 % |
| belastingsregeling (IL = 1,5A) | 0,1 % |
| referentiespanning | 1,25 V |
| afregelstroom | 50 µA |
| ruststroom (min. belasting) | 3,5 mA |
| temperatuurstabiliteit | 0,01 %/°C |
| stroombegrenzing | 2,2 A |
| bromonderdrukking | 80 dB |
De inwendige beveiligingsschakeling vervult verschillende taken: stroombegrenzing, ter-mische begrenzing en het beveiligen van de interne vermogenstransistor. De stroombegrenzing is op 2,2 A ingesteld en blijft over het hele temperatuurbereik van 0 .... 125°C binnen 10% konstant. Treden er te grote verschillen op tussen in- en uitgangsspanning, dan wordt de stroombegrenzing door de beveiligingsschakeling op een lagere waarde ingesteld: tot spanningsverschillen van 15 V blijft de maximale uitgangsstroom behouden - bij 40 V is de belastbaarheid gedaald tot 40 mA.
Even een geheugenopfrisser: onder een serie-spanningsregelaar wordt een schakeling verstaan, waarbij de vermogenstransistor als een soort "regelbare weerstand" in serie ligt met de belasting en door een regelspanningsversterker gestuurd wordt. Het teveel aan spanning blijft over de vermogenstransistor staan en wordt door hem als het ware "opgesoupeerd".
De LM317 is weliswaar ook een serieregelaar, maar wel eentje zonder massaaansluiting. Het IC "kijkt" alleen naar het verschil tussen in- en uitgangsspanning en maakt zich niet druk om de spanning ten opzichte van massa. Dat is met name bij hoge uitgangsspanningen een groot voordeel. Een voorbeeld: voor een 30 V voeding met de LM 317 is normaliter een ingangsspanning van 38 V nodig. Het IC kan echter een ingangsspanning van 70 V verdragen: pas dan is het maximale spanningsverschil van 40 V tussen in- en uitgang bereikt.
Principe
De werking van de spanningsregelaar kan aan de hand van figuur 1 duidelijk worden gemaakt. In principe bestaat het geheel uit een opamp die een vermogens-darlington stuurt. De opamp en de schakeling voor de gelijk(voor)spanning voor de regelaar zijn zodanig geschakeld dat de ruststroom naar de uitgang van de regelaar loopt in plaats van naar massa (daarom is er ook geen massa-aansluiting!).
Figuur 1. De geïntegreerde spanningsregelaar LM 317 funktioneert als serieregelaar. De gewenste uitgangsspanning wordt verkregen door toevoeging van de spanningsdeler R1/R2. Met R1 wordt de minimale uitgangsstroom op 10 mA ingesteld.
Tussen de niet-inverterende ingang van de versterker en de ADJ-aansluiting ligt de referentiespanning van 1,2 V. De ruststroom voor de referentiespanningsbron wordt op 50 µA ingesteld en loopt via de ADJ-aansluiting. In de praktijk bedraagt de uitgangsspanning van het IC dan ook: spanning op ADJ-aansluiting plus 1,2 V. Legt men de ADJ-aansluiting aan massa, dan funktioneert de regelaar dus als referentiespanningsbron. Hogere spanningen worden met behulp van de spanningsdeler R1/R2 ingesteld. Omdat over R1 de referentiespanning staat, loopt er door de deler een stroom van 10 mA. Deze stroom loopt dus ook door R2 en verhoogt op deze manier de spanning op de ADJ-aansluiting. Dat brengt ons voor wat betreft de uitgangsspanning tot de volgende formule:
Aangezien het hier gaat om een serieregelaar, moet de ruststroom door de belasting worden opgenomen. Een te lage belasting kan de regeling dus nadelig beïnvloeden. Om die reden is door middel van R1 de minimale belastingsstroom voor het regel-IC op 10 mA ingesteld.
De schakeling
Het schema van figuur 2 ziet er op het eerste gezicht een stuk gekompliceerder uit dan het principeschema (figuur 1) wellicht deed vermoeden. We hadden ons echter nogal wat eisen gesteld, zoals u zich ongetwijfeld herinnert: we wilden een positieve en een negatieve spanning, beide met een potmeter instelbaar, we wilden een laagste spanning van 0 V en een instelbare stroombegrenzing. Vandaar dat het schema er wat "moeilijk" uitziet. In de praktijk valt het echter allemaal best mee.
Figuur 2. Het schema van de symmetrische voeding. Boven het positieve deel, onder het negatieve. Zowel de uitgangsspanning(en) als de stroombegrenzing zijn binnen ruime grenzen variabel.
En dan nu over tot de beschrijving van de spanningsregeling.
Voor de regeling van de positieve uitgangsspanning is een LM317 en voor de negatieve spanning een LM337 toegepast. De LM337 funktioneert in principe op exakt dezelfde wijze als de daarstraks beschreven LM 317. Kijkend naar de positieve regeling (bovenste helft van figuur 2), dan vallen om te beginnen de dioden D7 en D8 op. Waarvoor dienen die? Wel, aangezien de katode van D7 via R14 aan de negatieve "ruwe" gelijkspanning ligt, bevindt de onderkant van P4 zich op een potentiaal van -1,2 V (als T1 gesperd is, tenminste). Voor wat de uitgangsspanning betreft is nu de onderste drempel van de LM317 verlegd van 1,25 V naar ca. 0 V. Vult men de waarde van P4 en R15 in de eerdergenoemde uitgangsspanningsformule in, dan komt men uit op een bereik van 0 ... 22 V. Daarmee is al aan een belangrijke eis voldaan.
Opamp IC8 zorgt dat de positieve en negatieve uitgangsspanning exakt dezelfde waarde hebben. Daar de niet-inverterende ingang van IC8 aan massa ligt, zal de uitgang de spanning op de inverterende ingang volgen. Op de uitgang van IC7 staat dientengevolge (mits P5 juist is ingesteld) dezelfde spanning als op de uitgang van IC6; alleen is de uitgangsspanning van IC6 positief en die van IC7 negatief. Kondensator C12 is toegevoegd om de werking van IC8 enigszins te vertragen en aldus te voorkomen dat de negatieve spanningsregelaar zich als een oscillator zou gaan gedragen.
Opmerkelijk is verder dat de voedingsspanning voor IC8 ontzettend asymmetrisch is: +5 V en ongeveer -25 V. Opgeteld resulteren deze beide absolute waarden echter in een maximale voedingsspanning van 30 V voor IC8 - dat is een reden voor die asymmetrie. De andere reden is dat de spanning op de uitgang van IC8 minstens een waarde van -18 V moet kunnen bereiken, anders blijft de negatieve uitgangsspanning van de voeding te laag.
Nog een paar woorden over de opwekking van de "ruwe gelijkspanning". De spanningsregelaar-IC's 1, 2 en 3 dienen uitsluitend voor de voeding van de opamps. De ingangsspanning voor de regelaars IC6 en IC7 wordt van de afvlak-elko's C1 en C2 afgenomen. Die elko's zijn met elk 4700 µF tamelijk fors bemeten om te zorgen dat ook bij hoge uitgangsstromen de bromspanning klein blijft en de gelijkgerichte spanning nooit onder de voor de spanningsregelaar benodigde minimale ingangsspanning kan dalen. Dan hebben we nog de laatste eis: de instelbare stroombegrenzing. De weerstanden R9 en R10 dienen als "stroomvoeler". De positieve stroombegrenzing funktioneert als volgt: op de niet-inverterende ingang van IC4 wordt via de spanningsdeler R5/R2 een referentiespanning gezet. Wanneer nu de spanningsdeler aan de inverterende ingang met behulp van P1 en P3a zodanig wordt ingesteld dat de spanningen op de "+"- en "-"-ingang gelijk zijn, dan zal bij de maximale uitgangsstroom de spanning op de "-"-ingang iets lager worden dan die op de "+"-ingang. De uitgang van IC4 zal dan (iets vertraagd door R11/C6) van "laag" naar "hoog" omschakelen en via T1 wordt IC6 zover teruggeregeld dat de uitgangsspanning daalt tot de referentiespanning van het IC. Met P3a kan de stroom waarbij dit alles gebeurt binnen ruime grenzen worden ingesteld.
In het negatieve deel van de voeding funktioneert de stroombegrenzing op exakt gelijke wijze, alleen gebeurt daar alles in "spiegelbeeld". Bij het overschrijden van de maximale uitgangsstroom gaat de uitgang van IC5 omhoog en worden via T1 de uitgangsspanningen van IC6 en IC7 teruggeregeld. Het instellen van de maximale stroom geschiedt hier met P3b. Aangezien P3 als stereopotmeter is uitgevoerd, worden de stroombegrenzingen van de positieve en de negatieve voeding dus altijd tegelijk ingesteld On op dezelfde waarde).
Bouw en afregeling
De print van figuur 3 staat uiteraard garant voor een probleemloze montage. Het enige waarop men moet letten is dat er geen onderdelen verkeerd-om op de print worden gezet en dat de soldeerverbindingen van goede kwaliteit zijn. Voor de rest is het meer een mechanisch probleem. De behuizing moet voldoende stevig zijn. In het frontpaneel van de kast moeten gaten worden geboord voor de potmeters P3 en P4, de uitgangsbussen en de netschakelaar. Aan de achterkant van de kast komen de regel-IC 's met hun koellichamen, de zekeringhouder en de netsnoer-aansluiting. Daarna worden de print en de trafo in de kast gemonteerd en wordt de zaak bedraad.
Figuur 3. De print voor de voeding. De regel-IC's (IC6 en IC7) dienen op een koellichaam te worden gemonteerd (isolatie-plaatjes niet vergeten!).
| R1-R4 | 8k2 |
| R5,R7,R11,R12 | 27 k |
| R6,R8 | 22 k |
| R9,R10 | 0,82 Ω/3 W |
| R13,R14 | 1k |
| R15,R16 | 120 Ω |
| R17,R18 | 100 k |
| P1,P2 | 10 k instelpot |
| P3a,P3b | 1 k stereo-potmeter lin. |
| P4 | 2k2 lin. |
| P5 | 1 k instelpot |
| Cl,C2 | 4700 µ/63 V |
| C3,C4,C5 | 10 µ/16 V tantaal |
| C6,C7 | 2n2 |
| C8,C9,C11,C13 | 10 µ/30 V tantaal |
| C10 | 10 n |
| C12 | 1n8 ker. |
| D1-D4 | 1N5408 |
| D5,D6 | 1N4148 |
| D7,D8 | 1N4001 |
| T1 | BC141 |
| IC1 | 7812 |
| IC2 | 79L12 |
| IC3 | 7805 |
| IC4,IC5,IC8 | LF356 |
| IC6 | LM317K |
| IC7 | LM337K |
| S1 | dubbelpolige netschakelaar |
| F1 | zekering 0,5 A (snel) met houder |
| Tr1 | nettrafo 2 × 18V/1,5A |
| Koellichaam voor 2 stuks TO-3 behuizingen | |
| EPS83121 | |
Als alles klaar en terdege gekontroleerd is, dan kan worden begonnen met de afregeling.
Alvorens de netspanning wordt ingeschakeld, stelt men P1, P2 en P3 op minimale weerstand in (met de ohmmeter kontroleren!). Aan de positieve uitgang wordt nu een voltmeter aangesloten; beschikt men over twee meetinstrumenten dan kan men ook aan de negatieve uitgang een voltmeter aansluiten (let op de polariteit!). Wanneer de voeding wordt ingeschakeld, dan moet als alles goed is, de spanning op de beide uitgangen met P4 kunnen worden gevarieerd. Instelpot P5 wordt nu zodanig ingesteld dat de negatieve spanning exakt dezelfde waarde heeft als de positieve (bijv. -15 V).
Het afregelen van de stroombegrenzing is evenmin moeilijk: zowel over de negatieve als over de positieve uitgang wordt een weerstand aangesloten van 1 ohm/5 watt; die weerstanden worden dus parallel geschakeld aan de voltmeters. P4 wordt op maximale uitgangsspanning afgeregeld en vervolgens wordt het apparaat ingeschakeld. P3 wordt nu zo ver open gedraaid dat de spanning over de belastingsweerstanden begint te stijgen. Draait men P3 terug dan behoren de uitgangsspanningen weer lager te worden. Klopt tot zover alles, dan wordt P3 helemaal open gedraaid, waarna P1 en P2 zo worden ingesteld dat over de aangesloten belastingsweerstanden precies 1 V staat. De uitgangsstroom bedraagt dan 1 A. Bij ons proefmodel kon de stroombegrenzing met P3 tussen 15 mA en 1 A worden gevarieerd. Desgewenst kan men de voeding nog uitbreiden met de in figuur 4 weergegeven schakelingen. Daarmee wordt een kontinue aflezing van de uitgangsstroom (4a) en -spanning (4b) mogelijk. De afregeling van deze stroom- en spanningsindikatoren kan met behulp van een goede (digitale) multimeter gebeuren, nadat de voeding zelf eerst zorgvuldig is afgeregeld.
Figuur 4. Een stroom- (4a) en spanningsindikatie (4b) vormen natuurlijk nuttige extra's voor een "lab-voeding".