Bouwpakket: Hiland 28 V - 2 A voeding

(gepubliceerd op 11-02-2024)

Voor ongeveer € 25,00 koopt u de besturingselektronica voor een zelf te bouwen lineaire, maar digitaal instelbare voeding. U moet echter nog wél het een en ander extra kopen.

Kennismaking met de Hiland 28 V - 2 A voeding

Het eindresultaat

Om meteen met de deur in huis te vallen tonen wij u het eindresultaat van dit bouwpakket. Twee kleine printjes waarop u de volledige besturingselektronica aantreft voor een lineaire voeding met een uitgangsspanning van 0,1 V tot 28,0 V en een stroombegrenzing van 0,01 A tot 2,00 A. Het regelmechanisme van de voeding werkt, op de traditionele ouderwetse manier, volledig analoog (lineair). Tussen de ongestabiliseerde ingangsspanning en de gestabiliseerde uitgangsspanning staat dus een regeltransistor. Die elektronica zit op de grootste print. Zowel de stroom als de spanning stelt u echter digitaal in met twee draaibare en klikbare encoders. De ingestelde waarden verschijnen op een display met uiteraard ook de actueel geleverde spanning en stroom. Dat digitale deel van de schakeling is ondergebracht op het kleine printje. Beide printjes moet u met elkaar verbinden door middel van een vijfaderig kabeltje.

Het eindresultaat van dit bouwpakket. (© 2024 Jos Verstraten)

Fabrikant, model, leveranciers en prijs

Dit bouwpakket wordt samengesteld door Hiland maar wordt ook wel aangeboden onder de naam Aneng. Wie de schakeling heeft ontworpen is niet duidelijk. Het pakket heeft ook geen typenummer, maar als u via Google zoekt naar 'Hiland 28V 2A supply' of 'Aneng 28V 2A supply' vindt u voldoende aanbieders die het pakket via AliExpress of Amazon verkopen. De prijzen lopen nogal uiteen, maar de goedkoopste leverancier biedt de set via AliExpress aan voor € 16,92 plus € 5,64 voor de verzending.

De levering van het pakket

Zoals gebruikelijk worden de onderdelen samengeperst in een veel te klein plastic zakje. Gelukkig zit het ene IC, een ATMEGA8, en zijn voetje wel op een stukje schuim geprikt zodat de pootjes van beide onderdelen in goede staat de slordige verpakking overleven.

Helaas wordt geen bouwbeschrijving meegeleverd, maar dank zij dit uitgebreide artikel zal het nabouwen van deze kit geen problemen opleveren.

De levering van de onderdelen. (© 2024 Jos Verstraten)

De geleverde onderdelen

In de onderstaande foto ziet u wat u allemaal in huis haalt voor het luttele bedrag van ongeveer vijfentwintig euro. Als display wordt de bekende LCD1602 toegepast, een kant-en-klare module die twee regels tekst met ieder zestien karakters op een LCD-display kan zetten. Voor het aanvoeren van de secundaire spanning van de trafo en het afvoeren van de ingestelde gestabiliseerde gelijkspanning worden twee printkroonsteentjes toegepast. Onder de LCD1602 merkt u een nogal raar uitziend onderdeel. Dat is een thermo-schakelaar van het type KSD9700. Deze schakelt in bij een temperatuur van 50 °C. Het is de bedoeling van de ontwerpers dat u dit onderdeel in goed thermisch contact met de koelplaat monteert en hiermee een ventilator in- en uitschakelt. 

De geleverde onderdelen. (© 2024 Jos Verstraten)

De specificaties van de voeding

Volgens de gegevens op de productpagina's heeft deze voeding de onderstaande eigenschappen:

       - Ingangsspanning: 24 Vac ~ 30 Vac, 2 A

       - Uitgangsspanning: 0,1 Vdc ~ 28,0 Vdc

       - Resolutie instelling spanning: 100 mV

       - Begrenzingsstroom: 0,01 A ~ 2,00 A

       - Resolutie instelling stroom: 10 mA

       - Modi: constante spanning of constante stroom

       - Geheugen: één spanningwaarde en één stroomwaarde

       - Afmetingen hoofdprint: 85 mm x 67 mm

       - Afmetingen displayprint: 80 mm x 55 mm

Vreemd genoeg wordt er dus helemaal niets gespecificeerd over de toch wel belangrijke spec's van iedere voeding, namelijk de rimpel op de uitgangsspanning, de nauwkeurigheid van de instellingen en de mate van stabilisatie. Wij zullen zien bij de test!

Wat u extra moet aanschaffen

De transformator

In de meeste advertenties wordt een trafo met een secundaire spanning van 24 V aanbevolen. De voeding is echter instelbaar tot 28 V en daarvoor vinden wij een trafo van 24 V wel wat aan de krappe kant. Volgens de spec's kunt u echter tot 30 V wisselspanning aan de print aanbieden. Wij hebben dus de onderstaande trafo aangeschaft, die € 37,78 kost en 30 V bij 2 A kan leveren. U vindt dit onderdeel gemakkelijk terug door te googlen op 'Ei66 30V'. Belangrijke informatie: de rode draden vormen de primaire wikkeling van 230 V.

De door ons gebruikte 30 V trafo. (© AliExpress)

De koelplaat en ventilator

Op de print is plaats gereserveerd voor een rechtop staande koelplaat. De beschikbare breedte bedraagt echter slechts 45 mm en het kost nogal wat moeite om een koelplaat te vinden die in deze beperkte ruimte past. Wij vonden onderstaand koelprofiel bij AliExpress (zoeken naar 'Heatsink 40mm x 40mm x 100mm') dat slechts € 9,33 kost.


Ventilatortjes die 40 mm bij 40 mm groot zijn kunt u zonder moeite bij AliExpress vinden. Wij kochten model EB40101S2-000U-999 van het merk Sunon die uit 12 Vdc wordt gevoed. Met twee van deze slechts € 2,45 kostende ventilatortjes houdt u de koelplaat ook bij maximale belasting van de voeding lekker koel, lees verder. U kunt deze ventilatoren in serie schakelen, want op de voedingsprint is een 24 Vdc aansluiting voor de ventilator standaard aanwezig.

De door ons gebruikte koelplaat en ventilatoren.
(© 2024 Jos Verstraten)

De bouw van de controller print

Het schema

In de onderstaande figuur is het schema van dit deel van de voeding weergegeven. Aan de bovenzijde ziet u vijf contacten die door middel van de platte bandkabel met de andere print worden verbonden:

       - G: de massa.

       - K: sturing van de regeltransistor(en) in de basisprint.

       - V: meting van de uitgangsspanning.

       - I: meting van de uitgangsstroom.

       - +5 V: voeding voor het digitale deel.

Helaas ontbreekt bij het bouwpakket een goede handleiding waarin ook wordt uitgelegd hoe de schakeling werkt.

Het schema van het digitale deel van de voeding. (© 2024 Jos Verstraten)

De print van de controller

De twee zijden van deze print zijn voorgesteld in de onderstaande figuur.

De controller print. (© 2024 Jos Verstraten)

Het monteren van de controller print

U begint met het solderen van de 25 weerstanden. Nadien komt de ene condensator van 100 nF aan de beurt. Soldeer vervolgens het IC-voetje. Soldeer de zwarte 16-polige connector op de print. Nu is het de beurt aan de condensator van 22 nF en de instelpotentiometer van 10 kΩ.

Draai de print om en monteer de vijfpolige connector voor de bandkabel in de juiste positie op de soldeerzijde van de print. Draai de print weer om en soldeer de vijf pennetjes van deze connector vast op de componentenzijde van de print. De juiste stand van deze connector volgt uit de onderstaande foto.

De montage van de vijfpolige connector. (© 2024 Jos Verstraten)

Soldeer nu de twee roterende encoders vast en monteer tot slot de twee koperen afstandsbusjes van 10 mm op de componentenzijde van de print. Monteer het IC in het voetje.

Het resultaat van alle werkzaamheden ziet u in de onderstaande foto.

De volledig gesoldeerde controller print. (© 2024 Jos Verstraten)

Monteer vervolgens de 16-polige print header met de korte pootjes op de componentenzijde van de print van de LCD1602. Plug nu deze print in de zwarte connector op de controller print en bevestig de LCD1602 print met twee boutjes in de twee 10 mm afstandsbusjes. Dit deel van de voeding is nu klaar en moet er uitzien zoals voorgesteld in de onderstaande foto.

De combinatie van controller en display print.
(© 2024 Jos Verstraten)

De bouw van de analoge print

Het schema van het analoge deel

Dit is getekend in de onderstaande figuur. Als regeltransistor VT1 wordt een A1941 toegepast. Dat is een equivalent van de Japanse 2SA1941 silicium PNP vermogenstransistor. Deze kan 10 A collectorstroom verwerken bij een maximaal vermogen van 70 W. De collector/emitter-spanning mag maximaal 140 V bedragen. Uiteraard kan een uitgang van de microcontroller niet voldoende stroom leveren om de basis van deze halfgeleider rechtstreeks aan te sturen. Vandaar de drie transistoren VT2, VT3 en VT4 die een stroomversterker vormen voor het leveren van voldoende basisstroom aan VT1. Deze schakeling wordt aangestuurd uit de uitgang K van de controller print.

De weerstanden R3, R5 en R7 vormen de spanningsdeler die een deel van de uitgangsspanning terugkoppelt via de ader V van de platte bandkabel naar de microcontroller. Door het afregelen van R7 kunt u ervoor zorgen dat de uitgangsspanning van de voeding gelijk wordt aan de waarde die op het display verschijnt.

R8 is de stroomsensor weerstand die via de ader I van de platte bandkabel de waarde van de geleverde stroom terugkoppelt naar de microcontroller.

De analoge print bevat nog twee spanningsstabilisatoren VR1 en VR2 die de +5 V en de +24 V leveren voor respectievelijk de microcontroller en de ventilator.

De schakelaar S1 is de schematische voorstelling van de thermoschakelaar KSD9700. Deze sluit op het moment dat de koelplaat van de transistor VT1 warmer wordt dan 50 °C. 

Opgemerkt kan worden dat over de uitgangsklemmen van de voeding slechts een kleine condensator van 100 nF is geschakeld en geen grote elco. Dat mag bij een voeding met instelbare stroombegrenzing ook niet, want de lading in zo'n grote elco kan ervoor zorgen dat de voeding toch even veel meer stroom gaat leveren dan u hebt ingesteld.

Het schema van het analoge deel van de voeding. (© 2024 Jos Verstraten)

De print van het analoge deel

In de onderstaande foto ziet u beide zijden van de analoge print van deze voeding.

De twee zijden van de analoge print. (© 2024 Jos Verstraten)

Het monteren van de analoge print

Start met het solderen van de kleine zenerdiode van 5V1 naast de plaats waar de 7805 moet komen. Let op de polariteit! Ga dan verder met het solderen van de zeven weerstanden. Volgende stap is het solderen van de vijf 100 nF condensatoren. Soldeer de twee 1N4007 diodes, ook hierbij moet u goed letten op de plaats van anode en kathode. Het solderen van de ene 22 nF condensator besluit de montage van de kleinere onderdelen. 

Druk nu de twee transistoren 9015 en 9014 in de print en soldeer deze vast. Maak nu de gelijkrichter bedrijfsklaar door de vier diodes 1N5408 op de print te monteren en te solderen. Zorg ervoor dat deze onderdelen een paar millimeter boven het oppervlak van de print zweven.

Nu komt de vijfpolige connector voor de bandkabel aan de beurt, let hierbij goed op de positie! Soldeer vervolgens de twee printkroonsteentjes, uiteraard met de gaatjes naar buiten gericht. U kunt nu de instelpotentiometer R7 (Volt-1K staat op de opdruk) op zijn plaats monteren en solderen. Let op de positie van het instelschroefje! Vervolgens kunt u de transistor D882 in de print drukken en solderen. Let ook hier op de positie, de metalen rugzijde is naar binnen gericht.

Monteer de draadgewonden weerstand van 0,47 Ω op de print en wel zo dat er een halve centimeter ruimte is tussen het printoppervlak en de onderzijde van deze weerstand.

Schroef de twee spanningsstabilisatoren VR1 en VR2 op de koelprofieltjes en monteer deze op de print. Monteer de grote afvlakcondensator in de rechter onderhoek van de print en soldeer deze vast. Let op de plus en de min!

In de rechter bovenhoek zijn nu nog open plaatsen voor de thermoschakelaar en het superkleine connectortje dat bedoeld is voor het aansluiten van een 24 V ventilator. Wij hebben deze thermoschakelaar niet gebruikt omdat de door ons gekochte ventilatoren nauwelijks lawaai maken en deze dus net zo goed continu de koelplaat van de A1941 kunnen koelen. Wij hebben deze ventilatoren met draadjes op de print aangesloten, dus het kleine connectortje was voor ons ook overbodig.

De gemonteerde analoge print. (© AliExpress)

De montage van de regeltransistor A1941

Op de bovenstaande foto is deze transistor al in de print gesoldeerd. Dat is uitsluitend van toepassing als u een koelplaat gebruikt die op de print past en bovendien voorbarig. U kunt de eindtransistor echter ook op een losse koelplaat monteren en de drie aansluitingen met zo kort mogelijke draadjes met de print verbinden.

LET OP! Als u de transistor op een koelplaat schroeft wordt deze koelplaat verbonden met de collector van de transistor en dus, zie het schema, met de uitgangsspanning van de voeding. Monteer deze transistor dus altijd geïsoleerd op een losse koelplaat!

Als u onze montage volgt dan moet u eerst bepalen waar een gat in het koelprofiel moet komen voor de bevestiging van de A1941. Monteer deze transistor zo hoog mogelijk op de koelplaat, dus zo dat de drie pootjes nog nét in de drie gaatjes van de print kunnen worden gesoldeerd. Bevestig vervolgens de ventilatoren op de achterzijde van het profiel. Dat kunt u het best doen met zelftappende schroefjes, die u vast draait in kleine gaatjes die u in de twee flenzen van het koelprofiel boort. Zorg door het aanbrengen van een paar metalen sluitringetjes ervoor dat de ventilatoren ongehinderd kunnen draaien en monteer deze onderdelen zó dat de lucht naar het koelprofiel wordt geblazen. U moet de twee 12 V ventilatoren uiteraard is serie bedraden, let hierbij op de plus en de min. 

De montage van de ventilatoren op de koelplaat.
(© 2024 Jos Verstraten)

De eindmontage van de analoge print

U kunt vervolgens het koelprofiel met transistor op de print schroeven met zelftappers. Als u het door ons geadviseerde koelprofiel gebruikt kunt u deze zelftappers via twee van de koelgaatjes in de print tussen twee ribben van het koelprofiel vastschroeven. Let er hierbij op dat de track die naar de emitter van de transistor loopt vrij dicht in de buurt van deze gaatjes is aangebracht. Gebruik eventueel kunststof sluitringetjes onder de zelftappers, zodat er geen kortsluiting kan ontstaan met dit printspoortje. Soldeer tot slot de drie aansluitpennen van de transistor en de twee draadjes van de ventilatoren in de print. Let ook hier weer op de polariteit.

De volledig gemonteerde analoge print. (© 2024 Jos Verstraten)

Het werken met de Hiland voeding

De eindmontage

Verbind de twee printen met het meegeleverde platte bandkabeltje. Schroef de twee blauwe secundaire draden van de voedingstrafo in het betreffende printkroonsteentje. Monteer in het printkroonsteentje van de uitgangsspanning twee draadjes met daaraan een 4 mm banaan chassisdeel gesoldeerd. Op deze manier kunt u uw meetapparatuur, zoals een multimeter en een oscilloscoop, gemakkelijk op de uitgang van de voeding aansluiten.

De eerste test

Sluit de primaire van de trafo aan op het 230 V net. U zult merken dat de uitgangsspanning van de voeding gelijk wordt aan ongeveer 5,0 V en dat het display gelijkmatig oplicht zonder echter tekst te vertonen. Draai aan de instelpotentiometer R19 op de controller print tot de karakters goed leesbaar op het display verschijnen.

Verdraai de instelpotentiometer R7 op de analoge print tot de uitgangsspanning van de voeding gelijk wordt aan de waarde die op het display staat.

De bediening van de voeding

Deze voeding is erg gemakkelijk te bedienen. Met de linker roterende encoder stelt u de waarde van de uitgangsspanning in met een resolutie van 0,1 V. Met de rechter encoder definieert u de maximale stroom die de voeding mag leveren met een resolutie van 10 mA. Door een druk op de encoder wordt de ingestelde waarde in het geheugen bewaard en wordt dat de waarde waarmee de voeding de volgende keer weer opstart. In de onderstaande figuur zijn de diverse meldingen die op het display kunnen verschijnen weergegeven:

• A:
  Opstartscherm dat ongeveer één seconde verschijnt na het inschakelen van de netspanning.
• B:
  Het normale display tijdens het werken met de voeding. Op de bovenste regel 'SET' ziet u de in het geheugen bewaarde opstartwaarden van spanning en stroom. Op de onderste regel verschijnen de actuele waarden van uitgangsspanning- en stroom.
• C:
  Verschijnt op het display als u een van beide encoders indrukt. De ingestelde waarde wordt in het geheugen bewaard en wordt de nieuwe 'SET'-waarde.
• D:
  Op de onderste regel verschijnt links '<OL>' als de voeding meer stroom zou willen leveren dan de SET-waarde toelaat. De waarde van de uitgangsspanning wordt dan tot die waarde verlaagd waarbij de voeding de ingestelde SET-stroom gaat leveren.

De meldingen op het display. (© 2024 Jos Verstraten)

Het testen van de Hiland voeding

Nauwkeurigheid van de uitgangsspanning

In de onderstaande tabel ziet u in de linker kolom de ingestelde waarde van de uitgangsspanning en in de rechter kolom de reële uitgangsspanning, gemeten met onze Fluke 8842A multimeter. Deze metingen zijn uitgevoerd bij nullast, dus met open uitgangsklemmen. U zult het ongetwijfeld met ons eens zijn dat dit uitstekende resultaten zijn!

De nauwkeurigheid van de uitgangsspanning.
(© 2024 Jos Verstraten)

Nauwkeurigheid van de uitgangsstroom

Wij hebben de voeding kortgesloten met onze op gelijkstroom geschakelde multimeter ET3255 en de kortsluitstroom gemeten bij diverse ingestelde waarden van de begrenzingsstroom. De resultaten zijn weer samengevat in een tabel. Ook nu kunnen wij alleen maar besluiten dat de voeding het uitstekend doet.

De nauwkeurigheid van de uitgangsstroom.
(© 2024 Jos Verstraten)

Uitgangsstabiliteit en rimpel bij 5,0 V

In de onderstaande tabel ziet u hoe constant de uitgangsspanning blijft bij een instelling op 5,0 V en bij diverse uitgangsstromen. Uiteraard hebben wij de stroombegrenzing ingesteld op de maximale waarde van 2,00 A. In de rechtse kolom wordt de effectieve waarde van de rimpel op de 5,0 V uitgang gemeten met onze wisselspanning millivoltmeter PM2454B van Philips. Vreemd is dat de rimpel eerst toeneemt bij stijgende belastingsstroom, maar nadien weer afneemt.

Een effectieve waarde van 20 mV op een uitgangsspanning van 5,0 V komt overeen met 0,4 % rimpel en dat is voor een moderne voeding in feite wel veel. Maar voor hobby-gebruik, daar is deze voeding typisch voor ontworpen, is dat een aanvaardbare waarde.

Als de voeding wordt belast met een stroom van 1,9 A daalt de uitgangsspanning met 0,1056 V. Hieruit kunt u berekenen dat de inwendige weerstand van de voeding gelijk is aan 0,056 Ω. Dat is een uitstekende waarde!

Uitgangsstabiliteit en rimpel bij 5,0 V. (© 2024 Jos Verstraten)

Uitgangsstabiliteit en rimpel bij 12,0 V

Wij hebben deze test herhaald bij een uitgangsspanning van 12,0 V. De resultaten ziet u in de onderstaande tabel. Hier zakt de spanning met 0,1059 V tussen 0 A en 1,9 A. De inwendige weerstand van de voeding blijft dus gelijk.

Uitgangsstabiliteit en rimpel bij 12,0 V. (© 2024 Jos Verstraten)

Uitgangsstabiliteit en rimpel bij 24,0 V

Tot slot wordt nog eens gemeten bij een uitgangsspanning van 24,0 V. Nu bedraagt de spanningsdaling over het volledige stroombereik 0,133 V. Dat komt overeen met een inwendige weerstand van 0,07 Ω. 

Uitgangsstabiliteit en rimpel bij 24,0 V. (© 2024 Jos Verstraten)

De rimpel op de oscilloscoop

Uiteraard hebben wij tijdens deze metingen de uitgangsspanning niet alleen gemeten met onze Fluke 8842A, maar ook geobserveerd op onze oscilloscoop. U ziet in het onderstaand oscillogram de rimpel bij 5,0 V uitgangsspanning en een stroom van 1,9 A. Bij de overige metingen week de vorm van de rimpel niet veel af van dit plaatje. De periode van de rimpel bedraagt 10 ms, wat dus keurig overeen komt met de 100 Hz die de bruggelijkrichter levert. 

De rimpel bij 5,0 V en 1,9 A. (© 2024 Jos Verstraten)

Het in- en uitschakelen van de voeding

Als u een voeding in- of uitschakelt mogen er geen spanningspieken of oscillaties op de uitgang verschijnen. In de onderstaande foto ziet u wat er gebeurt als u de op 12,0 V ingestelde en met 1,0 A belaste voeding eerst in- en een paar seconden later weer uitschakelt. De spanning komt keurig op en valt even keurig weer weg.

Het in- en uitschakelen van de voeding. (© 2024 Jos Verstraten)

Gedrag bij aan- en afsluiten van een belasting

In het onderstaand oscillogram ziet u het gedrag van de op 12,0 V ingestelde voeding als er eerst een belasting wordt aangesloten die 1 A uit de voeding trekt en deze nadien weer wordt verwijderd. Zoals te verwachten is ontstaan er nu wél in- en uitschakel transiënten op de uitgangsspanning. Het regelsysteem dat de uitgangsspanning constant moet houden werkt immers niet traagheidsloos. Vandaar dat u ziet dat de uitgangsspanning even met 75 mV daalt bij het aansluiten van de belasting. Het regelsysteem zorgt er echter voor dat die spanningsdaling snel wordt gecompenseerd. Bij het verwijderen van de belasting gaat de uitgangsspanning met 110 mV stijgen, maar ook die stijging wordt vrij snel gecompenseerd door het regelsysteem.

Gedrag bij aan- en afsluiten van een belasting. (© 2024 Jos Verstraten)

De opwarming van de koelplaat

Bij iedere lineair werkende voeding wordt er heel wat vermogen verstookt in de regeltransistor. Deze moet immers het verschil opvangen tussen de ongestabiliseerde spanning en de ingestelde uitgangsspanning. Wij hebben de voeding ingesteld op een stroom op 2,00 A. Nadien hebben wij een thermokoppel gemonteerd tussen twee ribben van de koelplaat en de temperatuur gemeten. De voeding wordt kortgesloten, zodat de uitgangsspanning nul wordt en de regeltransistor de maximale ongestabiliseerde spanning moet verwerken. Na vijftien minuten was de temperatuur van de koelplaat gestegen tot +45,4 °C, na een half uur tot +46,2 °C. Het is duidelijk dat u, zelfs na inbouw van de printen in een behuizing, niet hoeft te vrezen voor te hete halfgeleiders. De trafo wordt veel warmer dan de koelplaat!

Inbouw in een behuizing

Dat is iets dat wij met plezier aan uw verbeelding overlaten. Als u onze bouwbeschrijving hebt gevolgd met het tien centimeter hoog koelprofiel kunt u kiezen voor een smal, hoog kastje. Op internet vind u hobbyisten die werken met een 24 V trafo en een veel kleinere koelplaat toepassen. In de onderstaande, van internet geleende foto ziet u hoe u dan de elektronica in een plattere behuizing kunt inbouwen. In deze foto is de netschakelaar, links op de frontplaat, nog niet aangesloten. Vergeet u niet een zekering in de 230 V bedrading op te nemen!

Op deze manier kunt u de elektronica in een kastje inbouwen.
(© Bricolages-electroniques)

(Amazon sponsor advertentie)
Koop deze voedingskit bij Amazon