Asymmetrische voedingen

Wanneer de transistor in geleiding wordt gezet begint er een stroom te lopen. De stroomtoename wordt beperkt door de zelfinductie van de spoel, maar uiteindelijk, als de transistor lang genoeg in geleiding zou blijven, zou de stroom zodanig oplopen dat de transistor beschadigd zou worden. De energie wordt in de kern opgeslagen. Bij schakelende voedingen gebruikt men ferriet, een materiaal bestaande uit zeer fijne ijzerpartikels.

Als de transistor uit geleiding gaat moet de opgeslagen energie kunnen vrijkomen, dit gebeurt door een diode die in geleiding gaat als de transistor uit geleiding gaat. Men kan de energie aftappen via een tweede wikkeling, maar het principe blijft hetzelfde. Als men een tweede wikkeling gebruikt kan men het primair van het secundair scheiden.

De buck omvormer levert een lagere uitgangsspanning dan de ingangsspanning. De transistor (schakelaar) is al dan niet in geleiding en de smoorspoel zet de stroompieken in een meer constante stroom. De diode laat de stroom door als de transistor niet meer in geleiding is. Moet men een groot spanningsverschil hebben, dan is de geleidingstijd van de transistor korter.

De omvormer kan ontworpen worden om een relatief constante stroom te hebben door de smoorspoel. De rimpelspanning is daardoor lager.

De boost of step up omvormer kan de spanning verhogen. Als de transistor in geleiding is, loopt er stroom door de spoel. De stroom wordt beperkt door de zelfinductie van de spoel, want zijn ohmse weerstand is zeer laag. De transistor moet op tijd uitgeschakeld worden. De schakeling heeft als voordeel dat de transistor via de massa geschakeld wordt.

De stroomopname aan primaire kant kant redelijk constant zijn vanwege de smoorspoel. Dit heeft voordelen in bepaalde toepassingen waarbij de stroomopname redelijk constant moet zijn.

De buck-boost of flyback omvormer is de derde versie van de schakeling. De uitgangsspanning is omgekeerd in vergelijking met de voedingsspanning. Heeft men een positieve voeding, dan is de uitgang negatief.

De schakelingen kunnen ontworpen worden waarbij de stroom door de smoorspoel al of niet nul wordt, maar de overgang van de ene modus naar de andere is niet gewenst (moeilijker te stabiliseren). De buck omvormer wordt doorgaans zo ontworpen dat er altijd een stroom door de smoorspoel loopt.

De Cuk omvormer is een boost omvormer (spanningsbron, spoel, transistor en diode) gevolgd door een buck omvormer (diode en uitgansspoel). Deze schakeling heeft als voordeel dat de stromen aan de ingang en uitgang redelijk constant kunnen zijn (geen stroompieken die storingen veroorzaken). Een dergelijke opstelling is tegenwoordig verplicht bij schakelende voedingen die op het net aangesloten worden.

Bij een schakelende voeding met gescheiden primair en secondair gebruikt men doorgaans de noost-opstelling die gemakkelijker te realiseren is. Er is trouwens geen verschil tussen een boost en een buck-boost schakeling, de onderdelen zijn enkel van plaats verwisseld aan primaire zijde. De schakeling wordt zo ontworpen dat de stroom nul wordt op het einde van de geleidingstijd van de diode, dan is al het vermogen overgebracht van primair naar secundair.

In al deze voedingen loopt de stroom in één enkele richting. Om kernverzadiging tegen te gaan moet de spoel een luchtspleet hebben, anders zal de transistor het niet lang overleven. Bij een dergelijke schakeling wordt de uitgangsspanning niet enkel bepaald door de wikkelverhouding zoals bij een klassieke transfo (bij een enkelvoudige spoel is de wikkelverhouding 1:1), maar ook door de puls/pauze verhouding van de schakeltransistor. Energie wordt immers in de spoel gepompt op het ogenblik dat de transistor in geleiding is. Als de verbruiker niet alle energie opneemt, dan gaat de uitgangsspanning stijgen (behalve in het gevan van ene buck converter). De spanningsregeling is complexer dan met een symmetrische omvormer.

De buck omvormer is een speciaal geval, in die zin dat de stroom door de spoel ook bepaald wordt door de belasting. Indien de belasting geen stroom opneemt, dan wordt de stroom door de smoorspoel ook nul. Bij de andere types omvormers gaat de spanning stijgen bij verminderde belasting en gelijkblijvende duty-cycle.

Symmetrische voedingen

Kern van een transformator (kleine of geen luchtspleet) en van een smoorspoel (grote luchtspleet)

De uitgangsspanning wordt doorgaans bepaald door de wikkelverhouding tussen primair ens ecundair. De spanning mag verlaagd worden door de puls/pauze verhouding (duty cycle) te beperken, zodat de transistoren minder lang in geleiding gaan, en dus minder energie kunnen overbrengen.

In tegenstelling met een asymmetrische voeding wordt er geen energie in de transfo opgeslagen, maar wordt die direct overgebracht naar de belasting.

Dergelijke voedingen hebben vrijloopdiodes nodig zodat de energie die niet door de belasting opgenomen wordt kan terugvloeien naar de voeding als de transsitor uit geleiding gaat. Bij eenvoudige voedingen blijft de duty cycle constant ongeacht de belasting, maar het verbruik zakt toch bij lage belasting want het niet-opgenomen vermogen wordt terug op het net gestoken.

Maar laten we dat eens meer in detail bekijken met een klassieke H brug. We hebben eerst de transistoren A high en B low die in geleiding zijn. De stroom door de transfo loopt in één richting.

Dan is er een dode tijd, waarbij geen enkele transistor in geleiding is. Die tijd is noodzakelijk zodat de niet-opgenomen energie kan terugvloeien naar de voedingsbron. De stroom loopt nu via de diode B high en A low (alle andere diodes zijn omgekeerd gepolariseerd).

Dan hebben we de transsitor B high en A low in geleiding.

Men kan het vermogen dat overgedragen wordt aanpassen door de duty cycle aan te passen, waarbij de transistoren maximaal 48% van de tijd in geleiding zijn. De overige 2% zijn nodig om de restenergie te laten wegvloeien op het ogenblik dat geen transistoren in geleiding zijn.

h Deze schakeling heeft een zeer hoog rendement en kan gebruikt worden voor zeer hoge vermogens, meerdere megawaats als dat moet. De verliezen in de transistoren zijn beperkt, het rendement is hoog en het schakelen kan eenvoudig gehouden worden.

Dergelijke omvormers worden ook gebruikt in de industrie, waarbij een H-brug een driefasige spanning levert (H brug met 6 transistoren). De frekwentieregelaars (VFD) die gebruikt worden om zware motoren te voeden kunnen een veranderlijke frekwentie leveren en dus de motoren versnellen en vertragen.

Bij kleinere installaties kan men de helft van de brug achterwege laten. De twee ontbrekende transistoren worden vervangen door zware elko's. In de meeste toepassingen zijn deze condensatoren toch nodig, het is geen extra kost dat men hier maakt.

Deze tweede schakeling is een spanningsverdubbelaar, gebruikt men een 230V gelijkspanning aan de ingang, dan bekomt men 600V gelijkspanning. Maar men kan ook een bruggelijkrichter gebruiken, met de gemeenschappelijke verbinding van de condensatoren die zwevend zijn. Dit systeem met spanningsverdubbelaar of diodebrug werd in de oudere computervoedingen gebruikt (met schakelaar 110/220V).

De middelpunt van de condensatoren stabiliseert zich op de halve voedingsspanning, zelfs zonder verbinding met de voeding, als de sturing van de transsitoren symmetrisch is.

De H-brug wordt ook gebruikt voor de sturing van gelijkstroommotoren met permanente magneten, waarbij men de draairichting van de motor kan veranderen. Men kan de zelfinductie van de motorwikkeling gebruiken om de snelheid van de motor aan te passen. De motor heeft een stator bestaande uit permanente magneten en de rotor is de wikkeling.

Ook stappenmotoren kunnen met een H-brug gestuurd worden. Dergelijke motoren hebben meerdere wikkelingen en de stappen worden gezet door opeenvolgende wikkelingen van stroom te voorzien. Hier is de rotor een permanente magneet en vormen de wikkelingen de stator. De stuurschakelingen worden doorgaans geleverd onder de vorm van een complete IC.

En om af te sluiten: bij symmetrische voedingen kan men ook twee transistoren gebruiken in plaats van 4, maar met ene transfo met dubbele (balans) wikkeling. De transsitoren worden met een spanning ten opzichte van de massa gestuurd, wat de schakeling eenvoudiger maakt.

Ik heb weel dergelijke schakelingen in de tijd hersteld. Ze werden in gebruikt, versterkers die een hoger vermogen geven dan de autoradio zelf. Daarvoor moet de batterijspanning echter verhoogd worden van 12V naar +50 en -50V om een klassieke versterker te voeden.

De schakeling is ideaal voor lagere spanningen, maar niet voor hoogspanning. De drain van de transistor krijgt het dubbele van de voedingsspanning bij het uitschakelen van de transistor. Dit vormt natuurlijk geen probleem voor een auto booster, maar een dergelijke schakeling wordt niet gebruikt voor schakelende voedingen die direct op het net aangesloten worden.

Het terugwinnen van de niet-gebruikte energie is minder optimaal en dergelijke voedingen worden bij lage spanningen en gemiddelde vermogens gebruikt. De uitgangsspanning kan gewijzigd worden door de duty cycle te wijzigen.

Dergelijke voedingen kunnen een perfecte 50Hz sinus leveren als men een normale transformator gebruikt en de aansturing met een aangepaste signaal gebeurt. Het rendement van een dergelijke voeding is lager dan bij een "harde" schakelende voeding maar de voeding geeft geen schakelstoringen. Deze voedingen worden gebruikt in UPS (noodvoedingen) die een perfecte sinus moeten leveren (noodvoedingen voor intensive care units in ziekenhuizen).