Electronika
Power supply
TechTalk
Root server » TechTalk » Electronica » Power supply
Hoe kunnen we met een recup-voedingseenheid (uit een oude videorecorder, DVD speler,...) een aantal spanningen bekomen? De meeste voedingseenheden leveren +5V, +12V en waarschijnlijk nog een paar andere spanningen. Maar we willen bijvoorbeeld een hogere spanning (160V) om nixie aanduiders aan te sturen.
-

-


Deze voeding heeft een kleine schakelende transfo aan secundaire zijde om de gloeispanning voor het display te leveren (gloeispanning van ongeveer 2V wisselspanning met een negatieve voorspanning van ongeveer 15V). Zo'n fluorescerende display is eigenlijk een soort direkt verhitte triode met de verschillende anodes die met een fluorescerende stof bekleed is.



De wikkelingen van de transfo kunnen indien nodig gewijzigd worden, wat een zeer interessante zaak is als je een wat hogere spanning wenst zonder een spanningsverdubbelaar te moeten gebruiken.

De meeste voedingen kunnen langer meegaan dan het toestel waarin ze zitten. De videorecorder wordt niet meer gebruikt, de DVD speler leest geen plaatjes meer,... De voedingseenheid is meestal nog goed.

Levensduur van onderdelen

Een probleem met al die voedingen, is dat ze zo goedkoop gemaakt moeten worden. In plaats van een elko van 470µF/25V zal men een elko van 220µF/16V gebruiken. Het toestel werkt ook, maar minder lang. Bij het ontwerpen van een toestel wordt er meer rekening gehouden met de kostprijs van de onderdelen dan met de levensduur en de kwaliteit van het apparaat.

In een zekere zin speelt de levensduur van de meeste consumertoestellen geen rol meer: een televisie is verouderd na een paar jaar (het toestel kan de nieuwe norm niet streamen, de resolutie is te laag, de buren hebben een grotere tevee gekocht,...). Vroeger werd een televisie meer dan 10 jaar gebruikt. In de jaren 1970 hadden veel mensen nog zwart-wit televisietoestellen die 10 jaar oud waren, en hoewel de meeste uitzendingen al in kleur waren, werd er pas een nieuw toestel gekocht als de oude defekt was en niet meer hersteld kon worden. Maar ja, dat waren geen verwende gastjes zoals nu, de mensen hadden nog de oorlog meegemaakt.

Je verwacht niet dat je smartphone of tablet lang zou meegaan: na twee jaar is die zodanig verouderd dat facebook zeer traag geladen wordt en bepaalde sites zelfs niet meer toegankelijk zijn. Door de software-updates wordt het toestel alsmaar trager. In plaats van de firmware aan te passen om de gebruikservaring te te verbeteren maakt de firmware de smartphone eigenlijk onbruikbaar in de praktijk. Het heeft eigenlijk geen zin een betere batterij in deze toestellen te stoppen, want de toestellen zijn technisch verouderd na een paar jaar.

Er zijn ook schakelingen waarvan je verwacht dat ze een lange tijd zouden meegaan: de computersturing van mijn verwarming, mijn internet server,... Ik ben niet van plan ze om de drie jaar te vervangen. Maar ook de slimme thermostaat, de router, het alarmsysteen in huis, de garagepoort: je verwacht dat ze jaren zouden meegaan.

Maar terug naar onze schakelende voeding. Het eerste wat je zou moeten doen als je zo'n voeding in handen krijgt, is de elko's vervangen. Vooral de elko's op de +5V lijn krijgen het zwaar te verduren (en zeker de elko's op de +3.3V lijn als die reeds aanwezig is). Ze beginnen te lekken en de capaciteit, die al veel te laag is, is nu ontoereikend. Misschien is de DVD speler niet defekt, maar is de voeding gewoon te zwak geworden.

Omdat er een feed-back systeem zit (spanningsstabilisatie) zijn alle spanningen onstabiel als de elko's te zwak zijn geworden. Na het vervangen van de elko's is de voeding weer in orde (voor zover die niet defekt is gegaan omdat de spanningsstabilisatie niet meer werkte).

Na het vervangen van de elko's moet er nagezien worden welke spanningen allemaal geleverd worden (soms staat dat gewoon op de print zelf). Meestal wordt de 5V gebruikt als referentiespanning, de andere spanningen worden niet gestabiliseerd. Dat wilt zeggen dat als je vooral de 5V belast, de spanning op de 12V lijn kan oplopen naar bijvoorbeeld 15V, of omgekeerd, als je vooral de 12V belast, de spanning naar 10V kan zakken. Het is niet zo moeilijk de stabilisatie te verleggen naar de gewenste spanning.

Schottky diodes

Voor de 3.3V en 5V wordt er meestal een schottky diode gebruikt. Dit is een diode met een lage voorwaartse spanningsval. Een normale diode heeft een spanningsval van bijvoorbeeld 0.7V bij een stroom van 2A, bij een schottky diode is dat 0.2V. In geleiding verbruikt een gewone diode dus 1.4W, een schottky diode 0.4W (respectivelijk 14 en 4% van het nominaal vermogen op 5V). Bij 12V 1A is het vermogen dat in de diode gedissipeerd wordt 6 en 2%.

Schottky diodes zijn echter niet perfekt, ze hebben een relatief hoge stroom in sperrichting (en die stijgt exponentieel met de temperatuur, waardoor de diode gemakkelijk defekt kan gaan als de nodige voorzorgmaatregelen niet genomen worden). Door de relatief hoge stroom in de sperrichting wordt de maximale reverse spanning ook beperkt (meestal tot minder dan 200V), maar dit is geen probleem in deze toepassing.

Een kenmerk van deze kleine schakelende voedingen is dat ze asymmetrisch werken. De schakeltransistor aan primaire zijde schakelt aan en uit, en het vermogen dat opgebouwd werd tijdens de geleiding van de schakeltransistor wordt overgedragen aan het secundair op het ogenblik dat de transistor uit geleiding gaat.

Bij het schakelen ontstaan er spanningspieken in de sperrichting, waardoor de schottky diodes enkel op de +3.3V en +5V lijn gebruikt worden. Op 12V loont het de moeite niet om duurdere schottky diodes te gebruiken. Bij 12V zijn de verliezen in sperrichting sterker dan de verliezen in doorlaatrichting als de diodetemperatuur oploopt naar meer dan 50C. Door de stijgende verliezen stijgt de temperatuur verder: het is een vicieuze cirkel die eigen is aan schottky diodes.

Voedingsspanningen en skoopbeelden

Naast de +5V en +12V leveren deze voedingen ook nog andere spanningen, bijvoorbeeld +40V voor de varicapspanning (spanning over de afstemdiodes van tuners) en soms -30V als het toestel uitgerust is met een FL display (fluorescent). Modernere voedingen leveren ook 3.3V.

Het is ook van belang hoe de diodes aan secundaire kant geplaatst worden: op n wikkeling kan je niet zowel +5V als -5V bekomen (zoals wel mogelijk met een normale voedingstransfo).

Als je een skoop zou gebruiken, dan zou je merken dat de vorm van de schakelpulsen aan het secundair nogal vreemd is (we gaan opnieuw uit van de +5V wikkeling). De positieve top gaat bijvoorbeeld tot 5.4V, terwijl de negatieve dal tot -20V gaat. Maar die negatieve dal kan nauwelijks belast worden (de schakeltransistor zou zeer snel defekt gaan omdat de transfo zijn magnetische energie niet correct kan overdragen).

In het algemeen kan er gesteld worden dat de oppervlakte boven de 0V-lijn gelijk moet zijn aan de oppervlakte onder de 0V-lijn.

  • Oppervlakte boven: diode in geleiding, magnetische energie wordt overgedragen van de transfo naar de secundaire belasting.
  • Oppervlakte onder: schakeltransistor in geleiding, energie van het net wordt in de transfo gepompt.
Als beide oppervlaktes niet gelijk zijn, dan raakt de schakeltransfo permanent gemagnetiseerd, waardoor die in saturatie kan gaan. Als de transfo in saturatie is dan gedraagt de spoel zich als een gewone weerstand (meestal van een paar Ωs), waardoor de stroom onbeperkt kan toenemen. De schakeltransistor gaat dan ogenblikkelijk defekt.

Bij de tweede skoopbeeld zie je een slingelring als alle energie overgedragen is aan de belasting aan secundaire kant. De slingering is geen defekt bij deze voeding. De slingering voert geen stroom. Deze schakelende voeding levert slechts een minimale stroom, waardoor de schakeltransistor ook slechts een heel korte tijd in geleiding gaat. Mocht de voeding zwaarder belast worden, dan zou ook de transistor langer in geleiding gaan en de energieoverdracht zou ook langer duren (kortere slingering). Deze voeding werkt namelijk met een vaste frekwentie.

Praktisch voorbeeld

De eerste stap dat we moeten doen is nagaan welke spanningen we effektief nodig hebben, en met welk vermogen. We hebben volgende spanningen nodig:
  • 5V, 0.5A voor de processor,
  • 12V 0.1 0.5A voor de indicatorlampjes en
  • 160V 20mA voor het display.

De voeding levert

  • +3.3V (die spanning gebruiken we niet),
  • +5V (met stabilisatie),
  • +12V (in de praktijk ongeveer 14V bij een belasting van 0.1A) met wikkeling S1 en
  • +18V (niet gestabiliseerd) met wikkeling S1 en S2.
We gebruiken de wikkeling S1 + S2 die 18V levert (dit is de maximale spanning die we ter beschikking hebben). Over deze wikkeling hebben we een top-tot-top spanning van ongeveer 65V.

Met C1 bouwen we een eerste spanningsverdubbelaar. We bekomen dus 65V (de top-tot-top spanning) + 12V, de beginspanning (de anode van D2 ligt immers op +12V en niet aan massa). Over C5 hebben we 77V.

Met C2 bouwen we een tweede spanningsverdubbelaar. We hebben opnieuw 65V + 77V, over C6 meten we 141V. C2 kunnen we ook monteren als C2A, waarbij we een wat hoger rendement halen, maar C2A moet geschikt zijn voor een hogere spanning. Hier werken we met relatief lage spanningen, en het is beter de montage te doen met C2A (condensatorspanning 200V).

Met C3 bouwen we de derde trap. We hebben hier 65V + 141V. Over C7 meten we 204V. C6 en C7 kunnen ook geschakeld worden zoals op de figuur (groene elko's), maar hier ook is de totale spanning zo laag dat de serieschakeling niet aangewezen is.

Een toepassing waar de serieschakeling van condensatoren (en diodes) wel gebeurt is bij de hoogspanning van televisietoestellen. Er is een hoogspanning nodig van 25kV en het is gemakkelijker condensatoren en diodes te gebruiken die geschikt zijn voor 8.5kV. We hebben dan een schakeling met C1, C2 en C3A aan de wisselspanningskant en C5, C6A en C7A aan de gelijkspanningskant. Over C5, C6A en C7A zit er maximaal 8.5kV en ook de diodes moeten maar voor zo'n spanning geschikt zijn.

Met de serieschakeling is er een veel slechtere stabilisatie van de spanning (door de hogere inwendige weerstand): zowel voor de wisselspanning als voor de gelijkspanning staan alle condensatoren in serie. Gebruik je voor C1, C2 en C3A condensatoren van 1µF, dan ziet de bovenste diode een condensator van 0.33µF, en zelfs minder, omdat de onderste condensator ook stroom moet voeren aan de eerste en tweede spanningsverdubbelaar. Als je voor C3A een waarde van 1µF kiest, dan moet je voor C2 een waarde van 2µF gebruiken en voor C1 4µF. Dezelfde redenering is van toepassing voor C7A en C6A.

De hoogspanningslijn kan niet te zwaar belast worden, niet zozeer wegens de serieschakeling, maar omdat de belasting asymmetrisch moet zijn, terwijl hier de belasting symmetrisch is. Als de 204V lijn belast wordt met 20mA (4W), dan moet de spoel een stroom van 120mA kunnen leveren.

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

-