Backup-akku's
Het grote voordeel van het gebruik van netvoedingen is dat u nooit meer batterijen hoeft te kopen. Er is ook een nadeel: als de stroom een keer uitvalt doet een netgevoed apparaat het niet meer zo best. En dat kan soms knap vervelend zijn...
Moet u zich eens voorstellen dat u een prima-de-luxe alarminstallatie hebt gebouwd om huis en haard tegen alle mogelijke malheur te beschermen. Alleen: het apparaat betrekt z'n voeding uit het stopkontakt. Als de stoppen dan een keer zijn doorgeslagen hebt u er niet bijzonder veel meer aan! Toch maar weer op batterijvoeding terugvallen?
Nicad
Maar waarom heeft men dan akku's uitgevonden? Met zegge en schrijve twee onderdelen (een weerstand en een diode), en natuurlijk een akku, kunnen we in principe elk apparaat ongevoelig maken voor netstoringen!
In principe, zeiden we, want in de praktijk wordt het gebruik van backup-akku's (noodstroomvoorziening, in het nederlands) voornamelijk beperkt door het stroomverbruik van het aangesloten apparaat. Zo hebben banken en andere grote instellingen ter beveiliging van de bestanden op hun mainframe-computers zware diesel-generatoren nodig (nou ja, daar mag het dan ook een paar centen kosten... ).
Daar hoeven we als hobby-elektronici dus niet aan te denken. Gelukkig is het helemaal niet moeilijk om apparatuur van wat bescheidener proporties van een backup-akku te voorzien. Kijk maar eens naar figuur 1.
Figuur 1. Zo ziet een standaard 5-V-voeding met backup-akku eruit. Weerstand R1 moet aan de trafospanning en de gebruikte akku worden aangepast. Om de akku te sparen is de "power-LED" nog voor de brugcel geplaatst.
Truuk met diode
Voor de goede orde. In de voorbeelden die we hieronder zullen geven, zijn we uitgegaan van een 5-V-voeding (100 mA), opgebouwd met een 78L05, een 9-V-akku en een trafo die 10 V wisselspanning levert. Belangrijke beginvoorwaarden: de ingangsspanning van de 78L05 moet tenminste 3 V hoger zijn dan de uitgangsspanning (dat geldt overigens voor elke regelaar uit de 78XX-serie); ook moet de gelijkgerichte en afgevlakte trafospanning enkele volt hoger zijn dan de akkuspanning.
Even afgezien van de "vreemd" gesitueerde LED (links van de brugcel; komen we nog op terug) ziet u in figuur 1 een standaard 78XX-voeding. De enige onderdelen die u nog niet vaak zult zijn tegengekomen, zijn R1, D1 en de nicad-akku. Deze drie onderdelen vormen samen de komplete noodstroomvoorziening.
Denk in eerste instantie weerstand R1 even weg. Op de katode van D1 (en op de ingang van de 78L05) staat een spanning van ongeveer 14 V (dat is natuurlijk helemaal afhankelijk van de gebruikte trafo; de exakte waarde is echter verder niet zo belangrijk). Op de anode van D1 staat gewoon de akkuspanning van 9 V. Dat betekent dat D1 spert: er loopt geen stroom vanuit de akku naar de 78L05, en ook loopt er geen stroom rechtstreeks van de brugcel naar de akku (dat zou heel erg dodelijk zijn voor de akku!).
Deze situatie blijft gehandhaafd zolang de netspanning voorhanden is. Zodra die echter wegvalt, gaat D1 in geleiding en neemt de akku de stroomverzorging naadloos over. Simpel? Simpel!
Zelfontlading
Nu is ook bij nicad-akku's niet alles rozegeur en maneschijn (waar wel?). Naast alle voordelen hebben deze akku's een belangrijk nadeel: ze lijden aan zelfontlading. Dat wil zeggen dat een vers geladen akku na enkele weken tot maanden (dat is vooral van de omgevingstemperatuur afhankelijk) als vanzelf zijn lading I verliest. U kunt zich wel voorstellen dat een lege backup-akku geen doorslaand sukses is!
De oplossing voor dit probleem heet: druppelladen. Zoals u ongetwijfeld weet, dient een nicad-akku geladen te worden met een stroom die ongeveer 10% bedraagt van de kapaciteit die op het etiket van de akku gedrukt staat. Zo heeft het veel gebruikte 9-V-"blokje" een kapaciteit van 100 mAh, en dient dus geladen te worden met een stroom van 10 mA. Zodra de akku echter "vol" is, kan deze in topkonditie worden gehouden met een druppel-laadstroom ID die ongeveer 20% bedraagt van de laadstroom. Het aardige is dat deze druppellaadstroom in tegenstelling tot de gewone laadstroom, niet aan een maximum tijdsduur gebonden is: we mogen de akku kontinu blijven druppelladen zonder gevaar te lopen dat de akku oververhit raakt en daardoor onherstelbaar wordt beschadigd.
Weerstand
Voor dit druppelladen zorgt weerstand R1 in het schema van figuur 1. R1 laat een kleine stroom ID van de brugcel naar de akku lopen. Let op: weerstand R1 moet liefst een beetje zorgvuldig berekend worden. We zullen daar een voorbeeld van geven.
We nemen aan dat we over bufferelko C1 een spanning meten van 14 V (deze meting moet worden uitgevoerd terwijl de voeding belast wordt met de te beveiligen schakeling, om te voorkomen dat u een te hoge spanning meet). De akku levert een spanning van 9 V en heeft een kapaciteit van 100 mAh.
De laadstroom voor deze akku bedraagt 10 mA en de druppellaadstroom 2 mA (20% van 10 mA). Over Rl valt een spanning van 14 V - 9V = 5 V Met de wet van Ohm kunnen we nu eenvoudig de waarde van R1 bepalen: R1 = UR1/ID = 5 V/2 mA = 2,5 kΩ.
We nemen voor R1 dus de standaardwaarde 2,7 kΩ. U ziet: een backup-akku is eigenlijk best gemakkelijk aan te sluiten!
Power-LED
We komen nog even terug op de wat merkwaardig geplaatste LED D2. Dit is een gewone aan-uit-indikator - dit ter geruststelling van diegenen die er iets heel diep-zinnigs achter zochten. Hoewel een storing van het elektriciteitsnet zelden langer dan een uurtje duurt, is het het beste om "stroomvreters" zoals LED's (die immers al gauw per stuk een kleine 20 mA trekken) niet uit de akku te voeden. Die raakt dan veel minder snel uitgeput. Door nu de LED voor de brugcel te plaatsen, kan er nooit een stroom lopen van akku naar LED. Het ei van Columbus, mits we met een ding rekening houden: we hebben voor de brugcel met een wisselspanning te maken, en niet met een gelijkspanning! Dat betekent dat gedurende de helft van de tijd, de LED in geleiderichting staat en gedurende de andere helft van de tijd in sperrichting. En daar zit het probleem: een "gewone" diode zoals een 1N4148 kan in sperrichting een spanning van ongeveer 75 V verdragen zonder (onherstelbaar) door te slaan; bij een LED is dat slechts een paar volt. We moeten dus in serie met de LED een gewone diode opnemen; de LED zorgt dan voor het lichtgever en de diode neemt de sperspaning voor zijn rekening. De LED knippert nu aan en uit met de lichtnet-frekwentie van 50 Hz, veel te snel om met het oog te kunnen zien, alleen is de lichtopbrengst met de helft verminderd. De serieweerstand R2 moet dus in waarde verkleind worden, om gemiddeld toch een voldoende grote stroom door de LED te laten lopen. Neem aan dat de trafo (bij belasting, hou daar altijd rekening mee!) een spanning van 10 V levert. Als dat een gelijkspanning zou zijn, dan was R2 gemakkelijk te berekenen: voor een LED-stroom van 20 mA wordt dat: R2 = (9 V - ULED) / 20 mA = (9 V - 1,6 V) / 20 mA = 420 Ω; afgerond op de dichtstbijzijnde standaardwaarde wordt dat 390 Ω. Bij een wisselspanning van 9 V moeten we R2 tenminste in waarde halveren; dat wordt dus 180 Ω of 220 Ω.
Net-adapter
Nu hebben we het in het bovenstaande steeds gehad over een voeding, opgebouwd met trafo, brugcel e.d. terwijl u weet dat wij warme voorstanders zijn van het gebruik van netadapters - omwille van de veiligheid. Welnu, in feite gaat het hele bovenstaande verhaal ook op bij gebruik van een net-adapter. Dit hebben we getekend in figuur 2. Trafo en brugcel zijn verdwenen en vervangen door een deugdelijke aan-sluitplug voor de adapter. Afhankelijk van de kwaliteit van de gebruikte adapter, kan C1 als extra afvlak-elko gemonteerd worden (dit zal in de meeste gevallen wel nodig zijn, en mits de waarde niet te groot wordt gekozen, kan het in elk geval geen kwaad). Zolang u nu maar in de gaten houdt dat de akkuspanning en de door de adapter geleverde spanning tenminste 3 V hoger zijn dan de uitgangsspanning van de 78XXregelaar, en dat de adapterspanning enkele V hoger is dan de akkuspanning, zal alles prima werken.
Figuur 2. Dezelfde schakeling, maar nu voor (veiligern gebruik met een net-adapter.
Alleen het gebruik van een akku-sparende aan-uit-LED levert nu, bij gebrek aan gelijkrichter (die is er wel, maar zit in de adapter verborgen) een probleempje. Hoewel: door het aanbrengen van diode D3, zoals getekend, is ook dat weer opgelost. Ook nu kan de akkuspanning niet bij LED D2 terechtkomen.
Let voor het berekenen van R1 even op dat u (ook weer onder belasting!) de spanning op het knooppunt van D1 en D3 meet, dus (vanuit de adapter gezien) achter D3! Op die manier houdt u "vanzelf' rekening met de 0,7 V spanningsval over D3. Toegegeven, dat maakt niet zoveel uit, maar als we toch aan het rekenen zijn, kunnen we het beter maar meteen goed doen!
De berekening van de serieweerstand R2 voor de LED is nu weer rechttoe-rechtaan (gelijkspanning).
Verfraaiing
Als u het helemaal fraai wilt maken, kunt u de schakeling nog met een extra weerstand en een schakelaar uitbreiden. Dat geeft de mogelijkheid een na een storing uitgeputte akku weer te laden zonder deze te moeten demonteren en in een akkulader te stoppen. Met schakelaar S1 kunnen we namelijk de extra weerstand R1a parallel aan R1 schakelen; de totale weerstandswaarde wordt kleiner en de laadstroom wordt navenant groter. Als voorbeeld berekenen we de waarde van R1n met dezelfde getallen als we boven gebruikten. De laadstroom voor de akku bedraagt 10 mA; voor de totale weerstand berekenen we: RT = 5 V / 10 mA = 500 Ω.
Figuur 3. Door ook nog S1 en R1A te monteren, kan de akku ook geladen worden.
Nu weten we allemaal (ja toch?) dat voor de parallelschakeling van deze twee weerstanden geldt: 1 / RT = 1 / R1A + 1 / R1.
Met een klein beetje heel eenvoudige algebra kunnen we deze vergelijking herschrijven als: R1A = (R1 × RT) / (R1 - RT).
Invullen van de zojuist berekende waarde voor RT en de al bekende waarde van R1 levert: R1A = (2700 × 500) / (2700 - 500) = 614 Ω.
We kiezen weer een naastgelegen waarde uit de E-12-reeks: 680 Ω.
Batterij i.p.v. akku
Nicad-akku's zijn vrij kostbaar. U zult daarom blij zijn te horen dat u in plaats van een akku probleemloos een gewone batterij kunt gebruiken. Alleen komt dan de druppellaadstroom te vervallen, dus u moet R1 niet monteren. Afhankelijk van het beroep dat op de batterij is gedaan, verdient het aanbeveling deze regelmatig te vervangen.
Waarschuwing
In principe is het bovenstaande verhaal niet alleen van toepassing op zelfgebouwde (Elex-)schakelingen, maar kunt u het ook gebruiken om bestaande apparaten zoals wekkerradio's van een backup-akku te voorzien. Hoewel daar in theorie niets op tegen is, moet u wel bedenken dat het zelf "rommelen" in net-gevoede apparaten zonder de nodige kennis en ervaring, levensgevaarlijk is. Bezint dus eer ge begint, en vraag in twijfelgevallen een beroeps-elektronicus of uw onderdelenleverancier om raad!
E. Bogers.