|
Ook zonder gebruik te maken van spanningsstabilisatoren kunt u interessante voedingsschakelingen samenstellen. In dit artikel geven u een handjevol nuttige tips, die u zeker van pas komen bij uw elektronica hobby. |
Langzaam opkomende positieve voedingsspanning
Voedingen bouwen hun uitgangsspanning na het inschakelen van de netspanning heel snel op. Voor sommige systemen kan dat een probleem zijn, zeker voor schakelingen waar veel elektrolytische condensatoren in zitten. Deze laden op tot hun werkspanning en dat kan best enige seconden duren. In die tussentijd kunnen er allerlei ongewenste overgangsverschijnselen optreden, bijvoorbeeld grote spanningen op de uitgang van een eindversterker, die luide ploppen in de luidsprekers veroorzaken.
Bovendien is het in het algemeen een feit dat elektronische onderdelen voornamelijk defect raken bij het inschakelen van de apparatuur. De plotselinge spanningen en stromen die dan ontstaan kunnen een door vaak opwarmen en weer afkoelen vermoeid IC de doodsteek geven.
Een oplossing voor dergelijke problemen is het opkomen van de voedingsspanning kunstmatig te vertragen. Dat kan met behulp van de schakeling die in onderstaande figuur getekend is.
De normale voedingsschakeling wordt afgesloten met een 2N3055, die als emittervolger geschakeld is. De basis is aangesloten op een vertragend RC-netwerkje. Als de voedingsspanning op de collector van de transistor verschijnt zal de condensator C1 nog volledig ontladen zijn. Op de emitter staat dus geen spanning. De condensator gaat nu langzaam opladen via de weerstand R1 naar de voedingsspanning. De basisspanning stijgt langzaam, met als gevolg dat de emitterspanning ook langzaam stijgt. Deze emitterspanning wordt de nieuwe voedingsspanning van de schakeling.
Door het langzaam opkomen van deze spanning zullen uw schakelingen zich soepeler instellen en hebt u minder last van ongewenste inschakelverschijnselen.
 |
| Een langzaam opkomende voedingsspanning spaart uw schakelingen. (© 2018 Jos Verstraten) |
Regelbare lage wisselspanning
Uitgangspunt is een flinke voedingstrafo met een secundaire spanning van bijvoorbeeld 30 V bij 2 A. De secundaire wikkeling wordt afgesloten met twee zware NPN-transistoren, zoals de aloude 2N3055. Tussen de emitter en de collector van beide transistoren zijn twee gekoppelde draadgewonden potentiometers van 5 W opgenomen met een waarde van 1 kΩ.
De werking van de schakeling is als volgt. Als de bovenste aansluiting van de secundaire wikkeling positief is ten opzichte van de onderste aansluiting gaat T1 geleiden en T2 sperren. De mate van geleiding van T1 is afhankelijk van de plaats van de loper op R1a. Hoe meer de loper naar de emitter geplaatst wordt, hoe minder de transistor gaat geleiden en hoe hoger zijn inwendige weerstand wordt. De stroom loopt van de bovenste aansluiting van de secundaire wikkeling door T1 naar de belasting. Vandaar gaat de stroom verder naar de onderste aansluiting van de secundaire wikkeling via de geleidende diode D2.
Als de polariteit van de secundaire spanning ompoolt gaat T1 sperren en T2 geleiden. De stroomkring wordt nu gesloten door de geleidende diode D1.
Het enige probleem van deze schakeling is dat beide potentiometers steeds dezelfde instelling moeten hebben. In feite zou u dus een stereo-pot moeten gebruiken, maar die bestaan niet in de 5 W draadgewonden uitvoering. Op de een of andere manier moet u zélf beide potentiometers mechanisch aan elkaar moeten koppelen. Een typische klus dus voor de fanatieke hobbyist!
Hoe minder de twee transistoren geleiden, hoe kleiner de stroom door de schakeling zal zijn en hoe minder spanning er over de belastingsweerstand Rbelasting ontstaat. Vanwege de complementaire structuur van de schakeling zal over de belasting een bijna vlekkeloze sinusoidale spanning ontstaan, waarvan de grootte in te stellen is door het verdraaien van de lopers van de twee potentiometers.
 |
| Een regelbare lage wisselspanning. (© 2018 Jos Verstraten) |
Stroombegrenzing aanbrengen in een voeding
De meeste regelbare laboratoriumvoedingen hebben een regelbare stroombegrenzing, maar losse voedingen die op een print staan ter voeding van een bepaalde schakeling zijn meestal niet uitgerust met een kortsluitbeveiliging. Jammer, want zoals blijkt uit onderstaande figuur hebt u maar één weerstand en één goedkope transistor nodig om gelijk welke gestabiliseerde voeding met externe serie-transistor te beveiligen.
De weerstand R1 is de stroomsensor, die de grootte van de door de voeding geleverde stroom meet. Over de weerstand staat de basis/emitter-overgang van een Si-transistor T3. De collector van deze halfgeleider gaat naar de basis van de serietransistor van de voeding. In het schema is deze transistor T1+T2 benoemd, omdat bij vele voedingen hiervoor een darlington wordt ingezet. Als de stroom die de voeding levert zo klein is dat over de weerstand een spanning van minder dan 0,65 V ontstaat, zal de transistor sperren en is er niets aan de hand. Maar als de stroom stijgt zal de spanning over het onderdeel de transistor in geleiding sturen. Het gevolg is dat de basis van de serie-transistor via de geleidende T3 met de uitgang van de voeding wordt verbonden. De basis wordt dus negatiever, met als gevolg dat de serie-transistor minder gaat geleiden en de uitgangsstroom van de voeding daalt.
De schakeling werkt dus als stroombegrenzer, die de maximale stroom die de voeding kan leveren op een veilige waarde begrenst. De getekende schakeling kunt u zonder problemen toepassen bij iedere voeding die regelt met behulp van een serietransistor die geschakeld is tussen de afvlakelco en de uitgang van de voeding.
De waarde van de weerstand R kan uiteraard berekend worden met de wet van Ohm. Per ampère stroom moet u rekening houden met een weerstand van ongeveer 0,65 Ω.
 |
| Een eenvoudige manier om de stroom die een voeding levert te begrenzen. (© 2018 Jos Verstraten) |
Regelbare stroombegrenzing in voeding
Hetzelfde principe dat in de vorige tip werd toegepast, kunt u ook toepassen om een regelbare stroombegrenzing te maken. Het schema is getekend in onderstaande figuur. De stroomsensor weerstand is nu vervangen door de serieschakeling van een diode D1 en een weerstand R1. De diode zorgt ervoor dat u het regelbereik van de stroombegrenzing prettig kunt instellen met de potentiometer R2. Zelfs bij een relatief kleine stroom valt over de diode een spanning van 0,65 V. Hierdoor staat de transistor, zelfs bij minimale stroom, ingesteld op het randje van geleiden als de loper van de potentiometer helemaal links staat.
Op deze manier kunt u de schakeling reeds laten reageren bij een uitgangsstroom van ongeveer 50 mA. De maximale stroom vloeit als de loper van de potentiometer volledig rechts staat. De spanningsval over D1 + R1 wordt dan verdeeld tussen R2 en R3 en deze weerstandsverhouding bepaalt de stroom waarbij de transistor gaat geleiden en de basis van de serietransistor(en) naar de uitgang trekt.
Het heeft weinig zin hiervoor formules of waarden te geven. Het experiment is nog steeds de beste manier om schakelingen precies aan de eigen wensen aan te passen!
 |
| Een regelbare stroombegrenzing voor een positieve voeding. (© 2018 Jos Verstraten) |
Eenvoudige instelbare en gestabiliseerde voeding
Het meest eenvoudige schema van een goede instelbare gestabiliseerde voeding is getekend in onderstaande figuur. De getekende schakeling is bruikbaar tot ongestabiliseerde spanningen van +35 V. Bij hogere spanningen gaat de operationele versterker 741 stuk!
De uitgang van de op-amp stuurt rechtstreeks de basis van de serietransistor T1. De niet-inverterende ingang van de op-amp wordt ingesteld op een constante spanning van 6,2 V. Deze ontstaat over de zenerdiode D1, die wordt ingesteld vanuit de ongestabiliseerde voeding via de serieweerstand R2. Deze weerstand moet u zo berekenen dat er ongeveer 10 mA door de zener vloeit.
De inverterende ingang van de op-amp gaat naar een potentiometer R3, geschakeld tussen de massa en de uitgang. Er ontstaat een klein teruggekoppeld regelschakelingetje, dat er voor zal zorgen dat beide ingangen van de op-amp op gelijke spanningen komen te staan. Staat de loper van de potentiometer in de middenstand, dan zal over de onderste helft van het weerstandslichaam dus een spanning van 6,2 V staan. Over de volledige potentiometer moet dan wel 2 • 6,2 V = 12,4 V staan. Dat is meteen de uitgangsspanning van de voeding! Hoe meer u de loper van de potentiometer naar de massa verplaatst, hoe hoger de uitgangsspanning wordt.
In de andere uiterste stand, dus loper helemaal bovenaan, staat de inverterende ingang rechtstreeks gekoppeld aan de uitgang van de schakeling. Het gevolg is dat de uitgangsspanning dan gelijk is aan 6,2 V, de spanning van de zener. Dat is dus de minimale spanning waarop de voeding kan worden ingesteld. Wilt u lager regelen, dan moet u de zener vervangen door een exemplaar met een lagere spanning.
 |
| Een eenvoudige instelbare en gestabiliseerde voeding. (© 2018 Jos Verstraten) |
Ontkoppelen van de voedingsspanning
Vooral in gevoelige versterkerschakelingen moet u veel aandacht besteden aan de manier waarop de diverse blokken van de schakeling worden gevoed. Het is bijvoorbeeld niet verstandig de voor- en de eindversterkers van een audioversterker uit dezelfde spanning te voeden. Met enige pech ontstaat een vervelend verschijnsel, dat 'motorboaten' wordt genoemd. De grote stromen, die de eindversterker uit de voeding trekt, hebben tot gevolg dat de voedingsspanning daalt. Deze daling komt natuurlijk ook terecht op de voorversterkers, met als gevolg dat deze onstabiel worden en de variërende voedingsspanning als een deel van het te versterken signaal gaan zien. Er ontstaat op deze manier een gesloten lus tussen voor- en eindversterker, hetgeen tot het genoemde oscillatieverschijnsel leidt.
Veel beter kunt u het systeem toepassen, geschetst in onderstaande figuur. Hierbij leidt u vanuit de algemene voeding verschillende deelvoedingen af, die u afzonderlijk stabiliseert en ontkoppelt.
Zo zou u de voeding UIT1 kunnen gebruiken voor het voeden van de linker voorversterker, de voeding UIT2 voor de rechter voorversterker en de voeding UIT3 voor de microfoonversterker. Op deze manier is het absoluut onmogelijk dat er terugkoppelingen in de schakeling ontstaan via de voedingsspanning.
 |
| Het ontkoppelen van de voedingsspanning. (© 2018 Jos Verstraten) |
Nauwkeurig instellen van de uitgangsspanning
De meeste regelbare voedingen hebben één potentiometer, waarmee u de uitgangsspanning van de voeding kunt instellen. Maar dezelfde voedingen beschikken wél over een digitaal display met minstens drie decimalen, waarmee u de waarde van de uitgangsspanning tot twee cijfers na de komma kunt aflezen. Maar hebt u wel eens ooit gepoogd met deze potentiometer de uitgangsspanning op precies 12,00 V in te stellen? Dat gaat natuurlijk niet!
Vandaar dat professionele voedingen een tienslagen potentiometer hebben voor het instellen van de uitgangsspanning. Een zeer dure grap, die nergens voor nodig is, want er bestaat een veel goedkoper middeltje dat minstens zo goed werkt. Het principe is getekend in onderstaande figuur.
Links is de normale potentiometer getekend, waarmee u de spanning kunt instellen. Rechts het alternatief, dat uit drie potentiometers bestaat. Dat kunnen gewone, ordinaire, goedkope koolpotentiometers zijn, de enige voorwaarde is dat de waarde van R3 minstens tien keer groter is dan deze van R1 en R2.
Stel dat u de uitgang van de voeding wilt instellen op 12,00 V. U zet de loper van R3 in de linker stand en verdraait de loper van R1 tot de voeding een uitgangsspanning van 11,9 V opwekt. Dan zet u de loper van R3 in de rechter stand en verdraait R2 tot de uitgangsspanning van de voeding gelijk is aan 12,1 V. Het regelbereik van de potentiometer R3 loopt nu van 11,9 V tot 12,1 V en het is vrij gemakkelijk om de spanning heel precies op 12,00 V af te regelen.
 |
| Het nauwkeurig instellen van de uitgangsspanning van een voeding. (© 2018 Jos Verstraten) |
Temperatuurgestabiliseerde spanningsreferentie
Met drie goedkope IC's kunt u zélf een uiterst stabiele spanningsreferentie samenstellen, met specificaties waar menig speciaal referentie-IC groen en geel van jaloezie van wordt.
Het principe is getekend in onderstaande figuur. De schakeling maakt gebruik van het gegeven dat u een Si-transistor kan gebruiken als:
- zenerdiode.
- temperatuursensor.
- verwarmingselement.
In een goedkoop array zoals de CA3086, zitten vijf identieke transistoren. Transistor T1 wordt gebruikt als zenerdiode. Het volstaat simpelweg de emitter en de collector kort te sluiten en de aldus ontstane 'zenerdiode' via een serieweerstand R1 met een gestabiliseerde spanning te verbinden. De zenerspanning bedraagt ongeveer 7,5 V en de temperatuurscoëfficiënt van de zenerspanning is gelijk aan +3,6 mV/°C. Veel te veel voor een echte nauwkeurige spanningsreferentie.
Transistor T2 wordt gebruik als temperatuursensor. De basis/emitter-overgang levert een spanning van ongeveer 0,65 V met een temperatuurscoëfficiënt van -2,2 mV/°C.
Deze spanning wordt nu vergeleken met een referentiespanning, afgeleid van de zenerspanning van T1. De vergelijker stuurt twee transistoren T3 en T4 met een spanning. Deze gaan min of meer geleiden en dissiperen dus min of meer warmte in de chip. Het systeem is daardoor teruggekoppeld. De vergelijker zal er voor zorgen dat de spanningen op zijn beide ingangen aan elkaar gelijk worden. Dat kan alleen door T3 en T4 zo heet te stoken dat de temperatuur van de chip op een constante waarde wordt ingesteld.
 |
| Een zelfbouw temperatuurgestabiliseerde spanningsreferentie. (© 2018 Jos Verstraten) |
Dank zij de zeer lage uitgangsimpedantie van de op-amp heeft de spanningsreferentie een verwaarloosbare impedantie, in ieder geval veel lager dan de 0,2 Ω die voor professionele referenties als minimale waarde wordt opgegeven. De temperatuursensor wordt gevoed uit deze uitgangsspanning.
De spanning over de sensor wordt in de operationele versterker OP2 vergeleken met een referentiespanning. De potentiometer R4 legt de temperatuur van de chip van de CA3086 vast op ongeveer 80 °C.
De op-amp IC2 is geschakeld als integrerende vergelijker. De integratie-functie ontstaat door de aanwezigheid van de terugkoppelcondensator C3. Deze zorgt ervoor dat de uitgangsspanning van de op-amp langzaam zal variëren en dat de verwarmingstransistoren T3 en T4 geleidelijk meer of minder in geleiding worden gestuurd.
Pen 13 van de CA3086 moet op een spanning worden ingesteld die lager is dan de spanning op de overige pennen van het IC. Vandaar dat deze pen via de diode D1 en de weerstand van 10 kΩ wordt ingesteld op een spanning van -0,65 V.
Het afregelen van de schakeling gaat erg eenvoudig. De schakeling wordt verbonden met de symmetrische voedingsspanningen van ±15 V. Het knooppunt van de weerstanden R6, R7 en R8 wordt kortgesloten naar de massa. In het schema is dit gesymboliseerd door de schakelaar S1 (test). Na ongeveer tien minuten opwarmen meet u de spanning tussen de twee punten TP+ en TP-. Met behulp van de potentiometer R4 regelt u deze spanning af op ongeveer 140 mV.
Vervolgens heft u de kortsluiting naar de massa op. U stelt nu vast dat het spanningsverschil tussen TP+ en TP- snel naar 0 V daalt. Na een vijftal minuten is de schakeling gestabiliseerd en staat op de uitgang een referentiespanning van ongeveer 7,5 V ter beschikking met opmerkelijke specificaties.
De uitgangsspanning werd gemeten met een vijf decade digitale universeelmeter. De omgevingstemperatuur werd gecontroleerd op 0,1 °C nauwkeurig. Uit deze metingen bleek dat deze eenvoudige zelfgebouwde spanningsreferentie een temperatuurscoëfficiënt heeft van slechts 0,002 %/°C!
Negatieve hulpvoeding uit positieve spanning
In digitale systemen werkt u vaak met een enkelvoudige voeding van +5 V. Maar wat als u, bijvoorbeeld voor het voeden van een op-ampje, een negatieve voeding nodig hebt? Uiteraard bestaan er speciale IC's die uit een positieve voedingsspanning een negatieve afleiden. Maar als ergens in het digitale systeem een blokspanning ter beschikking staat kunt u de schakeling van onderstaande figuur toepassen.
De transistor T1 wordt als schakeltransistor gebruikt en wordt gestuurd met de beschikbare blokspanning. Dat kan bijvoorbeeld een clocksignaal zijn, de enige voorwaarde is dat de frequentie van dit signaal groter is dan 1 kHz en kleiner dan 1 MHz. Op punt B ontstaat dus een blokspanning die heen en weer gaat tussen 0 V en +5 V. Deze spanning wordt door middel van de clamp-kring C1/D1 negatief op de massa geclampt. De diode gaat geleiden als de spanning op de rechter plaat van de condensator negatief wil worden. Als gevolg ontstaat op punt C een negatieve blokspanning met een maximale negatieve waarde van ongeveer -4,5 V.
Dit negatieve signaal wordt vervolgens gelijkgericht met behulp van de diode D2 en afgevlakt met de condensator C2. Over dit laatste onderdeel ontstaat een negatieve gelijkspanning met een waarde van ongeveer -4,0 V. Deze spanning is uitermate geschikt voor het voeden van een aantal operationele versterkers. U moet er echter wel rekening mee houden dat deze negatieve voedingsspanning niet erg belast mag worden. Meer dan ongeveer 5 mA kan de schakeling niet leveren, maar vaak is dat meer dan genoeg.
 |
| Een negatieve hulpvoeding maken uit een positieve spanning. (© 2018 Jos Verstraten) |
Pincetten-set negen stuks
