|
Met deze schakeling kunt u de stroom, die een 12 V of 24 V accu kan leveren, begrenzen op een veilige waarde. Als u experimentele schakelingen voedt uit een accu is dit een onmisbaar veiligheidsattribuut! |
Achtergrondinformatie en principe
Een YouTube filmpje bracht ons het idee
Het idee van deze schakeling ontstond toen wij een video op YouTube zagen waarin een trotse vader laat zien hoe zijn zoontje speelt met een zelfgemaakt 12 V motortje. Om de netspanning zo ver mogelijk uit de buurt te houden zorgt die vader voor een 12 V accu als voeding op de tafel, zodat zijn zoontje nooit met de gevaarlijke netspanning in aanraking kan komen. Dat lijkt heel veilig, maar dat is het niet. Wat gebeurt er als dat zoontje al spelend met een kabeltje de accu kortsluit? Een accu heeft een zeer lage inwendige weerstand en het gevolg is dat het kabeltje al na een paar seconden in brand vliegt.
Nu is een dergelijke calamiteit gemakkelijk te voorkomen door een zekering in de pluspool van de accu op te nemen. Maar voortdurend zekeringen vervangen is ook niet zo handig.
Vandaar deze schakeling. U sluit de ingang aan op de uitgang van een 12 V of 24 V accu. Met een potentiometer stelt u de maximale stroom die de accu kan leveren in tot een maximale waarde van 2 A. Deze maximale waarde kunt u gemakkelijk aanpassen aan uw eigen situatie. Op deze manier is het absoluut onmogelijk dat er gevaarlijke situaties ontstaan, zelfs als de uitgang van de schakeling wordt kortgesloten.
De schakeling is bovendien uitgerust met een groene en een rode LED. De eerste brandt als de opgenomen stroom kleiner is dan de ingestelde waarde, de tweede gloeit op als de stroombegrenzer in werking treedt.
Het principe van de stroombegrenzing
Het algemene principe van stroombegrenzing is getekend in de onderstaande figuur. Het komt er op neer de te begrenzen stroom om te zetten in een spanning die recht evenredig is met de stroom. Nu is dat helemaal geen kunst, het volstaat immers de stroom door een kleine weerstand te laten lopen (de zogenoemde stroomsensor) en over dit onderdeel ontstaat een spanning die volgens de wet van Ohm gelijk is aan:
U = R • I
Als de waarde van de weerstand constant blijft (wat vanwege temperatuur effecten echter niet zo vanzelfsprekend is) dan zal de waarde van U recht evenredig zijn met de stroom. Is de weerstand gelijk aan 1 Ω, dan zal een stroom van 1 A een spanning van 1 V opwekken en een stroom van 2 A een spanning van 2 V
Deze sensorspanning Ustroom wordt vervolgens in een operationele versterker vergeleken met een stabiele referentiespanning Uref. Is Ustroom kleiner dan deze referentie stuurt de op-amp een regelbare weerstand (uiteraard elektronisch samengesteld) naar 0 Ω en is de uitgangsspanning gelijk aan de ingangsspanning.
Zou nu echter Ustroom groter worden dan de referentie Uref, dan zal de op-amp de waarde van de elektronische weerstand laten stijgen, waardoor er meer weerstand in de voedingskring wordt opgenomen en zowel de uitgangsspanning als de stroom daalt.
 |
| Het principe van de schakeling. (© 2021 Jos Verstraten) |
Het systeem maakt gebruik van een terugkoppeling die er voor zorgt dat Ustroom nooit groter kan worden dan Uref. Zou de op de voeding aangesloten schakeling meer stroom vragen, dan zal de waarde van de elektronische weerstand automatisch zo ver worden verhoogd tot de stroom toch op de met de potentiometer onrechtstreeks ingestelde waarde begrensd wordt. Onrechtstreeks, omdat u met deze potentiometer een spanning instelt die wordt vergeleken met een tweede spanning Uref die proportioneel is met de stroom. Door het stijgen van de waarde van de elektronische weerstand daalt uiteraard de uitgangsspanning van de voeding.
Let op met massa-verbindingen!
Zoals duidelijk uit de tekening blijkt is het referentiepunt voor het met elkaar vergelijken van de twee spanningen de negatieve klem van de accu (punt P). De stroomsensor staat tussen deze klem en de negatieve uitgang van de schakeling. Dit laatste punt wordt nu de nieuwe massa van de voeding. Het zal dus duidelijk zijn dat het niet mogelijk is de negatieve klem van de accu met de massa te verbinden. Dan wordt immers de sensorweerstand kortgesloten en werkt het systeem niet. De twee polen van de accu mogen dus alleen naar de twee ingangsklemmen van het printje gaan!
De praktijk van de schakeling
Het volledig schema
Het volledig schema van deze stroombegrenzer is getekend in de onderstaande figuur. R7 is de potentiometer waarmee u de maximale stroom kunt instellen en die dus de referentiespanning Uref opwekt. Deze referentiespanning ontstaat in twee stappen. Eerst wordt uit de uitgangsspanning van de accu (12 V of 24 V) een stabiele 5 V afgeleid door middel van de geïntegreerde spanningsregelaar IC1. Nadien wordt de diode D4 met een constante stroom gevoed via weerstand R5. Afgezien van temperatuur invloeden kunt u stellen dat de spanning over deze diode onder alle ingangsomstandigheden zeer stabiel blijft op een waarde rond 0,65 V.
De stroomsensor weerstand R10 heeft echter een waarde van 0,22 Ω. De maximale stroom van 2 A wekt over dit onderdeel een spanning van 0,44 V op. Het is noodzakelijk de 0,65 V over de referentiediode tot deze waarde te reduceren. Vandaar de in serie geschakelde instelpotentiometer R6. Met dit onderdeel kunt u de referentiespanning over R7 op precies 0,44 V afregelen.
De twee spanningen worden met elkaar vergeleken door middel van de operationele versterker IC2. Nu valt het niet mee twee relatief kleine spanningen die bovendien tegen de massa aanschurken met een op-amp te verwerken. Een 741 zou bijvoorbeeld volkomen onbruikbaar zijn! Gelukkig kan de CA3140 dat klusje zonder problemen aan. Dit IC is echter zeer breedbandig en veroorzaakt nogal wat oscilleer problemen.
Vandaar de condensator C1, die de voedingsspanning ontkoppelt en de schakeling in toom houdt.
De regelbare weerstand is niet, zoals te doen gebruikelijk, samengesteld uit een emittervolger. Over zo’n schakeling valt steeds minstens 0,7 V en deze spanningsval wekt volstrekt zinloos warmte op. Over een geleidende PNP-transistor, geschakeld zoals in het onderstaand schema, valt echter slechts ongeveer 50 mV en deze oplossing is dan ook zonder meer te prefereren. De BD242 (T5) wordt gestuurd uit een darlington (T3 en T4). Worden deze transistoren door de operationele versterker in geleiding gestuurd, dan zal er een grote basisstroom door de BD242 vloeien (slechts begrensd door de kleine weerstand R13). Transistor T5 wordt volledig in verzadiging gestuurd en op de collector meet u een spanning die zo goed als gelijk is aan de spanning op de emitter, ook als de collectorstroom varieert.
Dit verhaal geldt als de spanning die door de belastingsstroom over R10 wordt opgewekt kleiner is dan de ingestelde referentiespanning. De niet-inverterende ingang van de op-amp is dan positief ten opzichte van de inverterende ingang, de uitgangsspanning van de schakeling is ongeveer gelijk aan de accuspanning en de transistoren worden in geleiding gestuurd.
Als de stroom echter zo groot wil worden dat de spanning over R10 groter wordt dan de ingestelde referentie, dan wordt de spanning op de inverterende ingang groter dan deze op de niet-inverterende ingang. De uitgangsspanning van de op-amp gaat dalen, de drie transistoren worden minder gestuurd. De serietransistor T5 ontwaakt uit zijn verzadigde toestand en gaat minder geleiden. Hetgeen kan worden geïnterpreteerd als het elektronisch vormen van een weerstand in de voedingskring. De uitgangsspanning daalt, de belastingsstroom daalt tot de spanning over de stroomsensor gelijk wordt aan de referentiespanning.
 |
| Het volledig schema van de stroombegrenzer. (© 2021 Jos Verstraten) |
De indicatieschakeling
De spanning op de emitter van T3 wordt gebruikt voor het sturen van de twee LED’s. Is de stroombegrenzing niet in functie, dan staat op dit punt een tamelijk grote positieve spanning. Deze stuurt via de zener D4 en de weerstand R4 transistor T2 in geleiding. De groene LED gaat branden. Wordt de stroombegrenzing echter ingeschakeld, dan daalt de spanning op de emitter van T3. Transistor T2 gaat minder geleiden, de collectorspanning stijgt en T1 komt in geleiding. Ook de rode LED begint te branden. Bij volledige kortsluiting van de voeding of bij sterke begrenzing is de spanning op de emitter van T3 zo laag dat de zenerdiode D4 spert en T2 niet meer geleidt. De groene LED is dan volledig gedoofd en de rode brandt op volle sterkte.
De twee lichtgevende dioden geven dus geen eenduidige indicatie over de functie van de schakeling. Er bestaat een overgangsgebied waarin beide onderdelen oplichten. U kunt echter stellen dat de stroombegrenzing in werking treedt op het moment dat de rode LED begint te branden.
De bouw van de schakeling
De print
De print is voorgesteld in de twee onderstaande figuren. De montage van de onderdelen kan geen problemen opleveren. Voor de montage van de potentiometer moet u een gat in het grote koperen eiland boren waar de as van het onderdeel precies in past. Nadien bevestigt u de potmeter op de koperzijde van de print en draait de meegeleverde moer vast op de componentenzijde. De drie soldeerlipjes van de potmeter kunt u nu met drie korte draadjes verbinden met de drie pad's op de print.
 |
| De print voor de schakeling. (© 2021 Jos Verstraten) |
Voor R10 moet u een draadgewonden exemplaar van 10 W kopen. Niet omdat er zo veel vermogen wordt gedissipeerd in dit onderdeel (0,44 V • 2 A = 0,88 W), maar omdat het niet de bedoeling is dat dit onderdeel opwarmt. Door de temperatuurscoëfficiënt van bijvoorbeeld een in principe bruikbare l W weerstand zou de waarde tamelijk sterk variëren en als gevolg zou de stroom bij begrenzing niet constant blijven.
Voor IC1 is een 7805 gebruikt, omdat dit onderdeel tot de 'minimum standaard voorraad' van iedere hobby-elektronicus behoort. In dit geval kunt u natuurlijk ook een 78M05 of zelfs een 78L05 toepassen, er worden immers geen eisen gesteld aan de stroomcapaciteit van dit onderdeel.
De drukknop schakelaar S1 kunt u rechtstreeks op de print solderen. Het moet wel een type zijn dat in staat is 2 A te verdragen!
 |
De componentenopstelling van de print. (© 2021 Jos Verstraten) |
De montage van de transistor T5
De print past op het grondvlak van een koelprofiel van het type CTX08/75 van Thermal Solutions. Het is de bedoeling dat u in het grondvlak vier gaatjes boort in de hoeken en de print met 15 mm lange afstandsbusjes op het profiel monteert. De transistor T5 wordt op het grondvlak geschroefd. Nadien kunt u de aansluitingen van deze halfgeleider naar buiten buigen en op de koperzijde van de print vast solderen.
Er ontstaat op deze manier een zeer compact geheel waarop u op de ene kant de draden van de accu aansluit en op de andere kant de belasting.
 |
| Het koelprofiel van het type CTX08/75. (© Conrad Elektronik) |
Het afregelen van de schakeling
Het schema voor het afregelen van de schakeling is voorgesteld in de onderstaande figuur. Sluit de negatieve pool van de accu rechtstreeks aan op de negatieve ingang van het printje. Tussen de positieve pool van de accu en de positieve ingang van het printje neemt u een zekering op van 5 A en een multimeter, geschakeld op stroombereik. Deze meter moet in staat zijn minstens 2 A gelijkstroom te meten. De zekering is, in dit stadium, absoluut noodzakelijk voor uw veiligheid. Stel dat de schakeling niet zou werken en u op de drukknop drukt, dan zou er een veel te grote stroom uit de accu kunnen vloeien.
 |
| Het afregelen van de schakeling. (© 2021 Jos Verstraten) |
Zet de potentiometer R7 in zijn uiterste stand. Druk nu op de drukknop S1. De uitgang van de print wordt kortgesloten en u kunt nu de maximale stroom op 2 A instellen. Verdraai dus de instelpotentiometer R6 tot de meter een stroom van 2 A aanduidt. Door het verdraaien van de potentiometer R7 moet u de stroom kunnen instellen tussen deze maximale waarde en zo goed als nul.
De print is nu afgeregeld en u kunt de zekering en de multimeter verwijderen. Vanaf dit moment kunt u de accu rechtstreeks verbinden met de ingangen van de print en de experimenteerschakeling aansluiten op de uitgang van de print.
PeakTech 3710, R/C-penmeter voor SMD
