|
Als u handig shopt op Chinese sites kunt u voor vijftien euro alle onderdelen verzamelen voor het samenstellen van een regelbare gestabiliseerde voeding met een uitgangsspanning van 0 V tot 16,5 V en een uitgangsstroom van 2 A. |
De onmisbare instelbare gestabiliseerde voeding
Zonder voeding geen elektronica
Als u met elektronische schakelingen wilt knutselen is een van de eerste apparaten dat u nodig hebt een goede instelbare gestabiliseerde voeding. Immers, alle elektronische schakelingen willen gevoed worden met gelijkspanning. Die behoefte zou u natuurlijk met batterijen kunnen bevredigen. Het probleem is echter dat de ene schakeling zin heeft in 3,3 V gelijkspanning, een andere in 5,0 V en weer een andere in 12 V. Kortom, een apparaat waarmee u een gelijkspanning kunt instellen tussen 0 V en minstens 15 V is noodzakelijk. Zo'n apparaat moet ook metertjes hebben waardoor u kunt zien op welke spanning u de uitgang instelt en hoeveel stroom de aangesloten schakeling verbruikt.
Mooie, maar prijzige apparaten te koop
Uiteraard zijn dergelijke apparaten te koop, maar u moet toch rekenen op minstens dertig euro voor een in onderstaande foto voorgestelde regelbare gestabiliseerde voeding. Als u bovendien bedenkt dat veel elektronische schakelingen twee of zelfs drie voedingsspanningen nodig hebben wordt alleen al deze basisvoorziening van uw elektronica hobby een dure grap.
 |
| Dergelijke kant-en-klare voedingen kosten minimaal dertig euro per stuk. (© Banggood) |
Kan het goedkoper? Wij zijn op zoek gegaan op de bekende Chinese 'wij verkopen alles dat maar verkocht kan worden'-sites en hebben een alternatief gevonden dat er weliswaar niet zo gelikt uitziet als de apparaten in bovenstaande foto, maar dat u maar vijftien euro kost en volgens de gegevens van de fabrikant vrijwel even goed werkt. U moet daarvoor twee producten kopen via internet:
- De AC/DC-adapter GLS-96W die voor € 9,84 te koop is en die de 230 V wisselspanning van het net omzet in een gestabiliseerde gelijkspanning van 20 V.
- De MP2307 step-down module met LCD-display, die voor € 5,12 te koop is en die de spanning van de GLS-96W regelbaar maakt en bovendien spanning en stroom op een display toont.
 |
| Met deze twee apparaatjes kunt u een vijftien euro voeding samenstellen. (© 2017 Jos Verstraten) |
De AC/DC-adapter GLS-96W
De GLS-96W is in feite een voedingsadapter waarmee u een laptop uit de 230 V netspanning kunt voeden. Het apparaat wordt geleverd met acht voedingspluggen, die voor onze toepassing overbodig zijn. Een laptop verbruikt best wel wat stroom en vandaar dat deze voeding 4,0 A stroom kan leveren. Veel te veel voor onze toepassing, maar de GLS-96W is de goedkoopste 20 Vdc voeding die wij konden vinden. Door middel van een schuifschakelaar op de zijkant kunt u de uitgangsspanning instellen tussen 12 Vdc en 24 Vdc. Voor deze toepassing moet u de 20 Vdc stand selecteren. De uitgangskabel wordt afgesloten met een stevige connector. Die knipt u af en vervolgens zorgt u ervoor dat de twee aders van de kabel ongeveer twee centimeter worden vrijgemaakt en ongeveer vijf millimeter worden gestript en vertind. Meet in ieder geval de polariteit van de uitgangsspanning en noteer welke ader de plus en welke ader de min is.
De MP2307 step-down module
Levering
De elektronica van deze module wordt compleet geleverd en dat is maar goed ook, want de vraag is of u in staat zou zijn de microminiatuur SMD-componenten te solderen. Het enige dat u moet doen is de print monteren in de behuizing. Deze behuizing bestaat uit zes keurig uitgesneden plaatjes plexiglas, twee zelftappende boutjes en twee rode drukknopjes. Het kost wel wat gepriegel om alle zes plaatjes in elkaar de klikken en tegelijkertijd de twee drukknopjes op de juiste plaats te monteren, maar na wat mislukte pogingen zal dat wel lukken.
 |
| Het 'bouwpakketje' van de MP2307 module. (© 2017 Jos Verstraten) |
De specificaties van deze miniatuur voedingsmodule mogen gezien worden:
- Werkingsprincipe: DC/DC-omzetter volgens het synchronous buck step-down principe
- Ingangsspanning: 5 Vdc tot 23 Vdc, 20 Vdc typisch
- Uitgangsspanning: 0 Vdc tot 16,5 Vdc, stapsgewijs instelbaar
- Stapgrootte instelling: 40 mV
- Stabiliteit uitgangsspanning: beter dan 0,8 %
- Uitgangsstroom: 2 A continu, 3 A piek
- Uitgangsvermogen: 33 W max.
- Thermische beveiliging: 165 ºC chip-temperatuur van de MP2307
- Chopper-frequentie: 340 kHz typisch
- Rendement: beter dan 95 %
- Digitale voltmeter: zevensegment, 0,00 V tot 16,5 V
- Digitale stroommeter: zevensegment, 0,00 A tot 2,00 A
- Nauwkeurigheid digitale meters: beter dan ±1 %
- Afmetingen print: 62 mm x 44 mm x 18 mm
- Gewicht print: 70 g
Gevoelsmatig is het volledig ongeloofwaardig dat deze kleine module, zonder enige vorm van koeling, in staat is een vermogen van 33 W te regelen. Dat dit tóch kan is een gevolg van de modernste HF-schakeltechnieken die bij het ontwerp van deze module werden toegepast.
De elektronica in de module
Onderstaande foto geeft een indruk van de elektronica die u op het printje onder het display kunt aantreffen. Hart van de schakeling is een onbekende microcontroller, die de instelling van de uitgangsspanning door middel van de twee drukknopjes regelt en het display aanstuurt. Door indrukken van de twee drukknopjes kunt u de uitgangsspanning in stappen van 40 mV laten stijgen of dalen. Het step-down principe is in handen gelegd van een MP2307. De twee grootste onderdelen op het printje, een zelfinductie en een Schottky-diode, vormen samen met de genoemde chip de basis van de DC/DC-omvormer. Achter het uitgangskroonsteentje staat een zware 0,1 Ω weerstand, die wordt gebruikt als stroomsensor voor het meten van de uitgangsstroom. Daarboven zit nog een op-amp die waarschijnlijk wordt gebruikt voor het oppeppen van maximaal 200 mV die over deze weerstand valt.
 |
| De elektronische onderdelen op het printje onder het display. (© 2017 Jos Verstraten) |
Een step-down converter kan op diverse manieren werken. De MP2307 werkt volgens het 'synchronous buck'-principe. Dit principe is, in haar meest fundamentele vorm, voorgesteld in onderstaande figuur. De ingangsspanning Uin gaat via een elektronische schakelaar S1 naar een spoel L1 en een condensator C1. Over de condensator kunt u de gewenste lagere uitgangsspanning Uuit aftakken. Als u de schakelaar S1 sluit gaat er een lineair stijgende stroom door de serieschakeling van L1 en C1 vloeien. Een eigenschap van inducties is dat zij zich verzetten tegen een stroomvariatie door een spanning te genereren die de stroomvariatie tegenwerkt. Deze spanning UL staat in serie met de uitgangsspanning Uuit. De som is echter gelijk aan de ingangsspanning Uin. Het zal dus duidelijk zijn dat de uitgangsspanning gelijk is aan de ingangsspanning minus de spanning over de spoel. Als de uitgangsspanning gelijk wordt aan de gewenste waarde wordt de schakelaar S1 geopend. Er vloeit dan geen stroom meer vanuit de ingangsspanning. In de spoel heeft zich echter magnetische energie opgebouwd en deze zal er voor zorgen dat er een tweede stroom door de spoel gaat vloeien, die afvloeit via de diode D1. Over de spoel blijft bijgevolg de spanning UL staan, met als gevolg dat ook de spanning over de condensator constant blijft. Door de schakelaar zeer snel te openen en te sluiten en door de openingstijd te variëren kunt u over de condensator een mooie en in grootte regelbare gelijkspanning genereren met een minimale rimpel
Het rendement van de schakeling is hoog. Er valt immers alleen spanning over de inwendige weerstanden van de elektronische schakelaar, de zelfinductie en de diode. Deze weerstanden kunt u minimaliseren door voor de elektronische schakelaar een MOSFET te kiezen en voor de diode een Schottky-diode die immers een veel kleinere geleidingsspanning heeft dan een silicium-diode.
 |
| De basiswerking van het buck-principe voor spanningsverlaging. (© 2017 Jos Verstraten) |
De MP2307 is een zeer moderne synchronous buck step-down converter. Het basisschema is getekend in onderstaande figuur. Intern wordt er gebruik gemaakt van MOSFET's met een AAN-weerstand van slechts 100 mΩ. Bij de maximale stroom van 3 A valt er dus slechts 0,3 V over de schakeling, waaruit het feit verklaard kan worden dat de chip zonder externe koeling kan werken. De elektronische schakelaars worden geopend en gesloten met een frequentie van 340 kHz. De waarde van de uitgangsspanning wordt bepaald door de verhouding tussen de weerstanden R1 en R2 te variëren. U ziet de vanuit het principe reeds bekende zelfinductie L1 en de Schottky-diode D1.
 |
| Het basisschema rond een MP2307. (© Monolithic Power Systems) |
De voeding in de praktijk
Het werken met de voeding
Het zal duidelijk zijn dat het samenstellen van de voeding een fluitje van een cent is. U sluit de uitgang van de GLS-96W aan op het kroonsteentje links op het MP2307 printje. Vergeet niet de schuifschakelaar van de GLS-96W in de stand 20 Vdc te zetten! U verbindt de GLS-96W met de netspanning en zet de uitgangsspanning op de gewenste waarde met de twee drukknopjes. Hoe langer u op de knopjes drukt, hoe sneller de uitgangsspanning stijgt of daalt. Daar moet u enige ervaring in krijgen, want als u iets te lang drukt, schiet de spanning over de door u gewenste waarde en moet u met het andere drukknopje weer gaan bijregelen. De ingestelde spanning wordt in het geheugen van de microcontroller bewaard en de module gaat bij de volgende keer inschakelen dus automatisch naar deze spanning. Schakel de GLS-96W weer uit, verbind de uitgangen van de MP2307-module met de te voeden schakeling en verbind alles weer met de netspanning.
 |
| Onze vijftien euro voeding in de praktijk. (© 2017 Jos Verstraten) |
De ontwerpers van de MP2307-module hebben een extraatje ingebouwd. U kunt de ingebouwde voltmeter op een gemakkelijke manier ijken. Sluit een nauwkeurige universeelmeter aan op de uitgang van de module. Druk op het linker knopje en schakel eerst dan de netspanning in. Het display gaat knipperen en de voltmeter duidt 4,99 V aan. Op de universeelmeter ziet u waarschijnlijk een iets andere waarde, bijvoorbeeld 5,19 V. Druk nu op een van de knopjes tot de universeelmeter ook een spanning van 4,99 V aanwijst, of een waarde die zo dicht mogelijk in de buurt ligt. Bij iedere druk op een knopje zal de meter 40 mV meer of minder aanwijzen. In ons geval konden we de uitgangsspanning tot op 4,97 V afregelen. De module onthoudt de ingestelde waarde bij het wegvallen van de voedingsspanning. Als u dus de netspanning even uit- en dan weer inschakelt moet de uitgangsspanning van de module weer op de gekalibreerde waarde komen.
Testen van onze vijftien euro voeding
De nauwkeurigheid van de voltmeter
U hebt de ingebouwde meter geijkt voor een uitgangsspanning van 4,99 V, maar dat wil niet automatisch zeggen dat de meter ook voor alle overige uitgangsspanningen zo nauwkeurig is. In onderstaande tabelletje hebben wij de indicatie van de ingebouwde meter (Uint) vergeleken met een nauwkeurige universeelmeter (Uref), geschakeld over de onbelaste uitgangsklemmen. Hieruit blijkt dat de nauwkeurigheid rond 5,00 V uiteraard het grootst is en afneemt naarmate de uitgangsspanning stijgt. De ontwerpers hadden het kalibratiepunt beter in het midden van het bereik kunnen leggen, dus bij 8 V. Een maximale afwijking van 0,86 % is voor een zo goedkoop apparaatje echter acceptabel.
 |
| De nauwkeurigheid van de spanningsindicator. (© 2017 Jos Verstraten) |
Op dezelfde manier hebben wij de nauwkeurigheid van de ingebouwde stroommeter vergeleken met een geijkte instelbare elektronische belasting bij een uitgangsspanning van 10,0 V. De resultaten ziet u in onderstaand tabelletje en zijn uitstekend te noemen.
 |
| De nauwkeurigheid van de stroomindicator. (© 2017 Jos Verstraten) |
Bij de volgende test werd de onbelaste uitgangsspanning ingesteld op 12,0 Vdc en werd de voeding in stappen van 200 mA belast van 200 mA tot 2,00 A. Bij iedere stap werd uiteraard de uitgangsspanning gemeten. Over het totaal belastingsbereik daalt de uitgangsspanning met 0,24 V. Hieruit kunt u de inwendige weerstand van de voeding berekenen als 0,12 Ω, een uitstekende waarde voor een gestabiliseerde voeding met een dergelijk prijskaartje. De 0,8 % uitgangsstabiliteit van de fabrieksspecificaties wordt echter niet gehaald. Bij het geteste exemplaar was deze parameter 1,99 %.
 |
| De stabiliteit van de uitgangsspanning bij 12 Vdc. (© 2017 Jos Verstraten) |
Op dezelfde manier hebben wij de stabiliteit bij een onbelaste uitgangsspanning van 5,0 Vdc opgemeten. Over het totaal belastingsbereik daalt de uitgangsspanning nu met 0,30 V. Hieruit kunt u de inwendige weerstand van de voeding berekenen als 0,15 Ω en een uitgangsstabiliteit van slechts 6 %.
 |
| De stabiliteit van de uitgangsspanning bij 5 Vdc. (© 2017 Jos Verstraten) |
Bij een traditionele lineaire voeding hebt u te kampen met residuen van de 50 Hz netspanning op de uitgangsspanning. Bij een synchronous buck step-down converter zal deze 50 Hz of 100 Hz brom waarschijnlijk niet aanwezig zijn, maar wél residuen van de schakelfrequentie van 340 kHz waarmee de elektronische schakelaars werken en stromen door de zelfinductie sturen. Zoals uit onderstaande schermbeeldfoto's blijkt, klopt die stelling aardig. We hebben de wisselspanningscomponenten van de uitgangsspanning van de voeding gemeten bij stromen van 0 A, 1 A en 2 A en dat bij een uitgangsspanning van 12,00 Vdc.
Dat valt best wel tegen, zelfs bij nullast zitten er stoorpiekjes van 400 mV op de uitgangsspanning. Zoals uit de positie van de twee verticale cursors blijkt, is de frequentie van dit stoorsignaal gelijk aan 331 kHz. Daarnaast is er een vrijwel sinusvormig residu met een top-tot-top waarde van ongeveer 100 mV op de uitgang aanwezig, het resultaat van de wisselstroom van 331 kHz die het systeem door de zelfinductie en de uitgangscondensator stuurt. Bij een belasting met 2 A nemen de stoorpieken toe tot meer dan 800 mV, uiteraard een vrij hoge waarde op een gelijkspanning van slechts 12 V.
 |
| De uitgangsresiduen op een uitgangsspanning van 12 Vdc bij 0 A, 1 A en 2 A belasting. (© 2017 Jos Verstraten) |
Algemene conclusie
Zou u tevreden zijn na de aankoop van deze twee modules? Als u rekening houdt met de zeer lage prijs is het antwoord daarop volmondig ja. Weliswaar is de 331 kHz rimpel groot, maar die kunt u bij de te voeden schakeling gemakkelijk wegfilteren door bij de voedingsingang een condensator op te nemen. Deze condensator vormt met de inductantie van de voedingsdraadjes een uitstekend werkend laagdoorlaat filter, dat wel raad weet met dergelijke hoogfrequente signalen. Als u niet al te veel geld hebt uit te geven aan uw hobby en u wilt tóch van batterijvoeding af, is de aanschaf van twee van dergelijke voedinkjes een goede investering.
Universal notebook power adapter 
|
DC-DC step down power supply 
|