Wisselspanning
Het verbeteren van crest- en arbeidsfactor
TechTalk
Root server » TechTalk » Electriciteit » Wisselspanning » Verbeteren van crest- en arbeidsfactor
Op een vorige pagina hebben we uitgelegd wat crest- en arbeidsfactor betekenen. Hier leggen we uit hoe we deze factoren kunnen verbeteren. Als voorbeeld gebruiken we de voeding van een electronisch apparaat zoals een audio-versterker.



Traditionele voeding voor een radio,
een versterker, enz.


Spanning (rood) en stroom (blauw)


Stroom die van het net onttrokken wordt
en spanning over de elko


Bijplaatsen van een spoel


Resulterende netstroom


Faseverschuiving door de spoel
(arbeidsfactorvermindering)


Verbetering van crest- en arbeidsfactor


Transistor in geleiding


Transistor uit geleiding


Stroom afgenomen van het net
en stroom door de spoel


Detailweergave stroom door de spoel

Vanaf een bepaald vermogen moeten alle netgevoede apparaten gecorrigeerd worden zodat ze een minimale arbeidsfactor en crestfactor hebben. De normen worden regelmatig aangescherpt en toestellen mogen niet verkocht worden als ze niet aan de normen beantwoorden.

Het vermogen waarbij deze normen geldig zijn wordt alsmaar verlaagd: een hifi versterker van 20 jaar geleden had geen correctie nodig, tegenwoordig zou zo'n versterker niet meer verkocht mogen worden. Een typische hifi toren van 20 jaar geleden met tuner, versterker, CD speler en cassettedeck voldoet niet meer aan de huidige normen.

In bepaalde toepassingen volstaat het een condensator bij te plaatsen om de arbeidsfactor te verbeteren. Het betreft hier voornamelijk motoren (die zich als een inductie gedragen). Verdere ingrijpen zijn hier niet nodig.

Als een toestel een gestabiliseerde gelijkstroom nodig heeft, dan wordt de situatie complexer. Tegenwoordig hebben de meeste toestellen zo'n spanning nodig: internet modem met draadloze router en access point, computer (laptop of bureaucomputer), tablet en smartphone, beeldscherm (LCD en OLED), LED verlichting,...

Nemen we als voorbeeld een versterker die gevoed moet worden met wisselpanning. De voedingsschakeling bestaat uit een transformator om de spanning te verlagen, een diodebrug (gelijkrichter) en een bufferelko. Een dergelijke schakeling die vroeger algemeen gebruikt werd zou vandaag niet meer toegelaten zijn (enkel voor zeer lage vermogens).

Deze schakeling trekt een zeer hoge stroom gedurende een korte tijd, en dit iedere periode van de wisselspanning. Er loopt enkel stroom als de netspanning hoger is dan de elkospanning. De crestfactor is heel slecht en de stroompiek produceert harmonischen die zich via het electriciteitsnet verspreiden. Als het toestel een audio-apparaat is, dan hoort men een typische ratel als er geen maatregelen genomen worden.

Een eerste verbetering is het plaatsen van een spoel tussen de diodebrug en de elko. De spoel verzwakt de spanningspieken waardoor er een verbetering van de crestfactor ontstaat. Een neveneffekt is de vermindering van de spanning over de elko. Hoe hoger de zelfinductie van de spoel, hoe lager de uitgangsspanning en hoe lager de spanningspieken. In het uiterste geval is de spoel constant in geleiding, maar daarvoor is er een zelfinductie nodig met een zeer hoge waarde.

Bij een hogere zelfinductie komt er een ander ongewenst fenomeen de kop opsteken, namelijk de faseverschuiving van de stroom ten opzichte van de spanning. De crestfactor kan binnen de normen vallen, maar de arbeidsfactor niet meer. De arbeidsfactor kan hier gemakkelijk verbeterd worden met een extra niet-gepolariseerde condensator vr de diodebrug, maar daardoor wordt de constructie nog eens verzwaard.

Om de crestfactor tot een geschikte waarde te brengen moet er een relatief grote spoel gebruikt worden omdat we hier werken met netfrekwenties (50 of 60Hz). Dit systeem wordt enkel toegepast voor kleine vermogens.

De situatie zou ideaal zijn als de condensator niet zou bestaan, de stroomopname zou dan gelijklopen met de netspanning. De condensator is natuurlijk nodig om de gebruiker een (relatief) constante spanning te geven. Men kan de schakeling echter zodanig aanpassen dat het net de condensator niet meer ziet.

Men voegt een transistor (met de nodige schakelelectronica) en een diode aan de schakeling toe. Dankzij de transistor kan de stroom verder lopen, zelfs als de netspanning lager is dan de elkospanning.

De transistor wordt zodanig geschakeld dat de gemiddelde stroom in de spoel overeenkomt met de netspanning. De transistor werkt natuurlijk niet in zijn lineair gebied (er zouden teveel verliezen zijn) maar als zuivere schakelaar. De schakelaar werkt op een zodanige hoge frekwentie, dat de gemiddelde stroom in de spoel nauwelijks kan veranderen tussen aan en uit toestand. Het is alsof de schakelaar zou werken als een weerstand die altijd een constante stroom zou afnemen. Men werkt met een frekwentie die boven de 20kHz gelegen is zodat de oscillatie van de spoel (magnetostrictie) niet hoorbaar is.

De diode heeft twee funkties:

  • Als de transistor in geleiding is werkt de diode als open schakelaar zodat de condensator zich niet kan ontladen via de transistor. Vanwege de energie die in de condensator opgeslagen is zou dit catastrofale gevolgen hebben voor de transistor. Op dit ogenblik wordt de belasting gevoed door de buffercondensator. De transistor zorgt er echter voor dat er een (oplopende) stroom door de spoel blijft lopen.

  • Als de transistor niet in geleiding is, dan loopt de stroom verder door de spoel (afnemend), zelfs al is de voedingsspanning lager dan de elkospanning. Gedurende deze fase gedraagt de spoel zich als een stroombron die stroom verder blijft leveren aan de elko (en daarbij het net constant blijft belasten).
Dit systeem heeft talrijke voordelen:
  • Aangezien de elko ook opgeladen wordt als de netspanning lager is dan de elkospanning, kan men een lagere capaciteit kiezen. De condensator wordt in feite opgeladen op de oscilloatorfrekwentie en niet meer op de netfrekwentie. Voor verschillende redenen zal men echter de waarde van de elko niet teveel beperken.

  • De stroom volgt de netspanning, maar met een kleine hoogfrekwente rimpel die gemakkelijk gefilterd kan worden met een standaard netfilter.

  • De stuurelectronika kan zodanig ontworpen worden dat het effekt van de spoel (naijlen van de stroom op de spanning) volledig weggewerkt kan worden.

  • De uitgangspanning is relatief onafhankelijk geworden van de voedingsspanning. Men kan zo voedingsblokken maken die werken met een netspanning tussen 100 en 240V.

  • De spoel moet berekend zijn voor de hoge schakelfrekwentie en niet meer voor de netfrekwentie, waardoor de spoel veel kleiner gemaakt kan worden. Er wordt meestal een ferrietkern gebruikt die lagere verliezen heeft en zeer licht is in vergelijking met staalplaat.
De stuurelectronica moet rekening houden met verschillende parameters:
  • De uitgangsspanning zodat die gestabiliseerd kan worden door de puls-pauze verhouding van de transistor te veranderen. Deze correctie is een trage correctie die over meerdere cycli werkt.

    Dit is de uitgangsspanning stabilisatie. De correctie kan beperkt zijn indien men geen al te nauwkeurige uitgangsspanning nodig heeft. De reaktiesnelheid (na een verandering van de belasting) is in ieder geval trager dan bij een lineaire spanningsstabilisatie.

  • De ingangsspanning om de gemiddelde stroom door de spoel aan te passen zodat die evenredig is met de netspanning.

    Dit is de verbetering van de crest- en arbeidsfactor. Om effekt te hebben moet de correctie constant werken, dus bij iedere cyclus van de oscillator. Op het grafiek ziet men dat de stroom de netspanning perfekt volgt. De hoogfrekwente rimpel kan weggewerkt worden met een netfilter.

  • De stroom door de spoel. om het schakelmoment te bepalen. Hier zijn er verschillende systemen:
    • De stroom wordt nooit nul, maar varieert rond een berekende waarde. Dit systeem levert weinig harmonische storingen en de onderdelen worden minder extreem belast, waardoor ze kleiner gekozen kunnen worden. De grafieken hebben betrekking op deze schakelwijze. Dit systeem heeft het hoogste rendement bij een relatief hoge belasting.

    • De stroom varieert tussen een maximale waarde en nul. Dit systeem heeft als nadeel dat de schakelfrekwentie zeer weinig stabiel is, waardoor het moeilijker wordt de storingen te onderdrukken. Bij een lage belasting stijgt de schakelfrekwentie, waardoor ook de schakelverliezen stijgen. Dit systeem heeft een lager rendement bij deellast.

    • De puls-pauze verhouding van de schakletransistor is zodanig dat de stroom een tijdje nul kan zijn bij lage belasting. De tijdstippen met nulstroom worden natuurlijk over de volledige netperiode verdeeld, waardoor de gemiddelde stroom toch de netspanning volgt. Dit systeem die een hoog rendement heeft ongeacht de belasting vergt een complexere netfilter.

In het voorbeeld gebruiken we een voedingstransformator, maar in de meeste toepassingen wordt de nettransformator achterwege gelaten en wordt de schakelende voeding direct uit het net gevoed. De nettransformator is zwaar en duur omdat die op een relatief lage frekwentie moet weren.

Een moderne schakelende netvoeding (bijvoorbeeld voor een laptop of bureaucomputer) bestaat uit volgende deelcomponenten:

  • Netfilter om storingen te onderdrukken (in beide richtingen)
  • Gelijkrichterbrug
  • Schakelsysteem bestaande uit een spoel, schakeltransistor, diode, stuurelectronica en bufferelko. De uitgangspanning is ongeveer 300V (maar kan hoger of lager liggen). Dit is eigenlijk het gedeelte gelijkrichting met crestfactor en arbeidsfactor correctie.
  • De gelijkgerichte voedingsspanning wordt nu gebruikt om een klassieke schakelende voeding van stroom te voorzien. Hier worden de benodigde spanningen gegenereerd: + en -5V, + en -12V, +3.3V voor een computervoeding.
Tot over enkele jaren bestond een geschakelende voeding enkel uit het laatste deel (met natuurlijk de gelijkrichter en elko).

Links to relevant pages - Liens vers d'autres pages au contenu similaire - Links naar gelijkaardige pagina's