|
De langste kopersporen op uw printplaten zijn ongetwijfeld de voedings- en massasporen. Die sporen lijken probleemloos aan te leggen, immers zij voeren slechts gelijkspanning. Tóch kan een onzorgvuldige lay-out van deze sporen voor heel wat problemen zorgen. |
Inleiding
Soms zijn vijf voedingssporen nodig
U moet alle delen van een schema voorzien van minstens één voedingsspanning en de massa. In onderstaande figuur is het eenvoudigste voedingssysteem voorgesteld. Een voor- en een eindversterker worden gevoed uit één voedingsspanning.
 |
| Het meest eenvoudige voedingssysteem bestaat uit één voedingslijn en één massalijn die alle blokken van uw schema van spanning voorzien. (© 2017 Jos Verstraten) |
- +12 V analoge voeding.
- -12 V analoge voeding.
- +5 V digitale voeding.
- Analoge massa.
- Digitale massa.
Slechts één voedingsspanning
Als u het voorrecht hebt met slechts één voedingsspanning te kunnen werken, lijkt het voor de hand te liggen de voedings- en massalijnen als twee lange sporen over uw printplaat te leggen en alle punten die met de voeding of de massa verbonden moeten worden op deze twee lijnen aan te sluiten. Niet doen! In onderstaande figuur is de correcte oplossing geschetst. Weinig stroom verbruikende trappen, zoals voorversterkers, kunt u inderdaad volgens het daisy-chained principe voeden. Alle onderdelen die aan de voedingsspanning of de massa hangen kunt u met de twee sporen verbinden. Schakelingen die veel stroom verbruiken moet u echter rechtstreeks verbinden met twee centrale punten op uw printplaat, waarop u de voeding en de massa aansluit. Als de voeding op uw printplaat is geïntegreerd zijn deze twee punten de positieve en de negatieve aansluiting van de primaire afvlakelco. In het getekende voorbeeld moet u dus de eindversterker en de luidspreker rechtstreeks met de massa-aansluiting van de afvlakelco verbinden.
 |
| Afzonderlijke printsporen voor lage en hoge stroomverbruikers. (© 2017 Jos Verstraten) |
Het zal logisch zijn dat u bij het leggen van voedingspatronen op uw print ook rekening moet houden met de stroom die een schakeling verbruikt. In onderstaande tabel is voor de twee standaard diktes van koperfolie op het basismateriaal aangegeven hoeveel stroom u door printsporen van 1 mm, 2 mm en 3 mm breedte kunt jagen. Hierbij wordt uitgegaan van een omgevingstemperatuur van 25 °C en een maximale temperatuur van de printsporen van 65 °C. U ziet: dit valt wel mee, in de meeste gevallen kunt u dus 1 mm spoortjes aanleggen, zelfs voor de voeding van de MOSFET’s van een eindversterker.
 |
| De maximale stroom door printsporen van diverse breedte. (© 2017 Jos Verstraten) |
Hoewel dat in de meeste schakelingen geen problemen zal geven, vermelden wij voor de volledigheid dat er tussen naast elkaar gelegen printsporen een afstand van 1 mm per 150 V spanningsverschil aanwezig moet zijn.
De afvlakelco
Honderd keer per seconde gaat er een flinke stroom doorheen
Wij hebben geschreven dat de primaire afvlakelco hét verzamelpunt moet zijn van alle printsporen die de voedingsspanning en de massa transporteren. Waarom is dat zo? Dat proberen wij u duidelijk te maken aan de hand van onderstaande figuur. Tussen de bruggelijkrichter en de afvlakelco zit een aantal centimeter printspoor.
 |
| Uit deze figuur volgt duidelijk waarom u centrale verzamelpunten voor de voeding en de massa moet introduceren. (© 2017 Jos Verstraten) |
Kortom: de richtlijn dat u alle massa- en voedingsaansluitingen via de kortst mogelijke weg met de positieve en negatieve aansluiting van de voedingselco moet verbinden is geen theoretische richtlijn, maar een door de harde praktijk voorgeschreven eis waar u zich moet aan houden.
Spanningsstabilisatoren
Handige driepootjes
Ook u gebruikt ongetwijfeld de handige driepoten van de 78xx en 79xx familie als u gestabiliseerde voedingsspanningen nodig hebt. Het lijkt zo eenvoudig: op één pootje de ongestabiliseerde spanning aansluiten, op het tweede pootje de massa en op het derde pootje staat een mooie gestabiliseerde spanning ter beschikking. Maar ook hier kan de spanningsval over printspoortjes voor problemen zorgen. In onderstaande figuur hebben wij het principiële schema van zo’n driepoot getekend. Tussen de uitgang en de massa staat een spanningsdeler die een deel van de uitgangsspanning terugkoppelt naar een
verschilversterker. Deze versterker vergelijkt deze spanning met een interne stabiele referentiespanning en zorgt ervoor dat beide spanningen onder alle omstandigheden aan elkaar gelijk blijven. Een stabiele constante uitgangsspanning is het resultaat.
 |
| Het intern blokschema van een geïntegreerde spanningsstabilisator. (© 2017 Jos Verstraten) |
Als u gebruik maakt van zo’n spanningsstabilisator, dan moet u het centrale massapunt van de elco verplaatsen naar de massapen van de stabilisator. Dit is voorgesteld in onderstaande figuur. Van de min van de elco gaat één printspoor naar de massa van de stabilisator. Op dit soldeereilandje sluit u vervolgens alle massalijnen op de print aan. Dit is de enige garantie dat de in de vorige figuur getekende spanningsdeler écht het spanningsverschil tussen de uitgangsspanning van de stabilisator en de massa meet en u beloont met een mooie constante voedingsspanning.
 |
| Het aansluiten van voeding en massa op de uitgangen van een geïntegreerde spanningsstabilisator. (© 2017 Jos Verstraten) |
In het schema ziet u de twee condensatoren tussen de massa enerzijds en de in- en uitgangspennen anderzijds. Die twee 100 nF onderdeeltjes mag u nooit vergeten! Zij zorgen voor het ontkoppelen van de spanningen en moeten zo dicht mogelijk bij de pennen van de stabilisator op de print worden opgenomen. In onderstaande figuur hebben wij de lay-out van een print rond de 87xx spanningsstabilisator getekend. U kunt gebruik maken van condensatoren met een raster van 7,5 mm. Vanaf de soldeereilandjes 'GND' en 'OUT' vertrekken de printbanen die de voedingsspanning en de massa distribueren.
 |
| De standaard print lay-out rond een 78xx spanningsstabilisator. (© 2017 Jos Verstraten) |
Voedingsdistributie
Gebruik diverse kleine stabilisatoren
Er zijn kleine spanningsstabilisatoren te koop in TO-92 behuizing, die nog geen € 0,50 kosten en 100 mA kunnen leveren. In grote systemen wordt het dan interessant gebruik te maken van het systeem dat in de volgende figuur is voorgesteld. In plaats van een zware stabilisator in te schakelen, kunt u diverse kleine stabilisatoren toepassen, die ieder één blok van het volledige schema van spanning voorzien. Onderlinge beïnvloeding van de schakelingen via de voedingslijnen wordt hierdoor geminimaliseerd. Let op de manier waarop de massa’s van de blokken tóch weer via afzonderlijke lijnen naar een centraal massapunt gaan.
 |
| Door gebruik te maken van decentrale stabilisatie sluit u onderlinge beïnvloeding via de voedingslijn volledig uit. (© 2017 Jos Verstraten) |
Ontkoppeling bij batterij- of accuvoeding
Hoge inwendige weerstanden
Als u een schema omzet naar een accu- of batterijgevoed apparaat komt het er op aan zoveel mogelijk vermogen te sparen. U moet daarbij wél realiseren dat een accu of batterij een vrij hoge inwendige weerstand heeft. Een standaard NIMH accu van het type PP3 (8,4 V bij 170 mAh) heeft een inwendige weerstand van ongeveer 10 Ω in geladen toestand. Deze weerstand kan flink oplopen als de accu ontladen wordt. Het zal duidelijk zijn dat een variërende belastingsstroom tot gevolg heeft dat de accuspanning niet constant blijft.
De stroom wekt immers over de inwendige weerstand een spanningsval op en deze spanningsval wordt afgetrokken van de klemspanning van de accu. Het gevolg is dat de voedingsspanning van uw schakeling flink kan variëren. Dit uit zich onder de vorm van een wisselspanningssignaal dat als het ware op de voedingsspanning is gesuperponeerd. Een deel van dit signaal kan in uw schakeling terecht komen, bijvoorbeeld via een weerstandsdeler waarmee u een ingang van een op-amp op de helft van de voedingsspanning instelt. Het zal duidelijk zijn dat u dan de poppen aan het dansen zet!
Ontkoppelen noodzakelijk
U moet, bij accu- of batterijgevoede apparatuur, veel aandacht besteden aan de ontkoppeling van de voedingsspanning. Deze ontkoppeling moet er voor zorgen dat de gevoeligste delen van uw schakeling zo min mogelijk last hebben van dit wisselspanningssignaal op de voedingsspanning.
Plaats RC-netwerkjes tussen de trappen
In plaats van iedere trap te voorzien van een eigen stabilisator kunt u in weinig stroom vragende schakelingen ook het schema van onderstaande figuur toepassen. Alle trappen worden gevoed uit één voedingslijn, maar tussen iedere trap is een RC laagdoorlaat filter opgenomen. Deze filters hebben tot taak de wisselspanningsschommelingen op de accu- of batterijspanning zo veel mogelijk te dempen en te onderdrukken. Uiteraard valt er over iedere weerstand een bepaalde spanningsval en naarmate u meer in de keten naar voren gaat daalt de beschikbare waarde van de voedingsspanning. In de meeste gevallen is dat niet zo’n ramp, omdat de gevoeligste schakelingen genoegen nemen met een lage voedingsspanning.
 |
| Het ontkoppelen van de voedingslijn in een accugevoed apparaat. (© 2017 Jos Verstraten) |
Als u bijvoorbeeld het schema van een hoofdtelefoon versterker hebt omgezet in een batterijgevoed apparaat en dit heeft last van het beruchte 'motorboaten', een verschijnsel waarbij op de uitgang een geluid als van een op hoge snelheid varende motorboot te horen is, dan kunt u door alle trappen van de versterker op de beschreven manier van een RC-netwerkje te voorzien dit verschijnsel elimineren. Hoe groter u de waarde van de condensatoren kiest, hoe effectiever de ontkoppeling tussen de verschillende trappen wordt. U kunt natuurlijk ook de weerstanden vergroten, maar het gevolg is uiteraard dat de beschikbare voedingsspanning daalt.
Locale ontkoppeling
Locale ontkoppeling van analoge schakelingen
Moderne snelle operationele versterkers en comparatoren eisen dat de voedingsspanning een zo laag mogelijke impedantie heeft. Een tiental centimeter printbaan heeft bij een frequentie van een paar MHz een niet te verwaarlozen impedantie en instabiliteit kan het gevolg zijn. De oplossing voor dit probleem is het opnemen van een ontkoppelcondensator en wel zo dicht mogelijk bij de voedingspennen van het IC. Dit wordt voorgesteld in onderstaande figuur. In de meeste gevallen volstaat een condensator van 100 nF per IC. U moet wél condensatoren met goede hoogfrequent eigenschappen toepassen.
 |
| Decentrale ontkoppeling met een condensator per IC zorgt voor een voedingslijn met een zeer lage impedantie. (© 2017 Jos Verstraten) |
Digitale IC hebben vrijwel allemaal een totem-pole uitgangstrap. Het principe van zo’n trap is geschetst in onderstaande figuur. Als de uitgang 'H' wordt geleidt T3 en spert T4. Als de uitgang 'L' wordt geleidt T4 en spert T3. Een mooi principe, maar in de praktijk zorgen de niet oneindig kleine schakeltijden van transistoren voor grote problemen. Het omschakelen van beide halfgeleiders van geleiden naar sperren of van sperren naar geleiden duurt een bepaalde tijd. Gedurende deze tijd ontstaat er een gesloten laagimpedant stroompad van de voeding via R4, T3, D3, T4 naar de massa. De schakeling trekt dan even een grote stroom uit de voeding. Die stroom vloeit natuurlijk door de dunne koperspoortjes die de voeding en de massa distribueren en kunnen voor flinke spanningstransiënten op deze lijnen zorgen.
 |
| Uit dit schema van een standaard TTL-schakeling blijkt het belang van goede ontkoppeling van de voedingsspanning. (© 2017 Jos Verstraten) |
Ontkoppelcondensatoren
Condensatoren zijn geen perfecte componenten en hebben bijvoorbeeld last van inductantie en resistantie. Zij hebben dus een bepaalde 'weerstand' en 'spoel' die in serie met de condensator staan. Twee verborgen onderdelen die u niet op het schema ziet staan! Nauwkeurigheid en stabiliteit zijn niet zo belangrijk als u condensatoren inzet als locale ontkoppelcondensatoren. Veel belangrijker is dat zij een zo laag mogelijke serieweerstand en -inductantie hebben. Elektrolytische condensatoren zijn dan ook absoluut niet toegestaan. Het best kunt u ceramische types gebruiken, die tot 100 nF in de handel zijn. Wilt u hier en daar op uw print een kleine elco opnemen tussen voeding en massa, dan raden wij u het gebruik van tantaalcondensatoren aan. Deze hebben veel betere eigenschappen dan traditionele elco’s. Tantaaltjes hebben wel één probleem: de laad- en ontlaadstromen mogen niet te groot zijn. Dat betekent dat het circuit waaruit zij worden geladen en het circuit waarin zij zich ontladen een bepaalde minimale weerstand moeten hebben. In de praktijk wordt uitgegaan van een weerstand van 30 mΩ per volt voedingsspanning.
De aarding en de massa
Inleiding
De aarding vormt natuurlijk een integraal onderdeel van de voedingsverdeling op uw print en in uw apparaat. De aarding is immers meestal verbonden met de massa. Maar aarding speelt natuurlijk een tweede belangrijke rol en dat is zorgen voor afscherming van de elektronica in uw apparaat tegen ongewenste beïnvloeding door de boze buitenwereld. Het is nu deze dubbelrol van de aarding, onderdeel van de voedingsdistributie en afscherming tegen invloeden, die vaak tot grote problemen kan leiden.
Nul volt moet ook nul volt zijn
Alle punten die met de massa of de aarding zijn verbonden moeten op 0 V staan. Dit lijkt logisch, maar in de praktijk hebt u te maken met het vervelende feit dat iedere elektrische geleider een bepaalde weerstand heeft. Het gevolg is dat het niet per definitie zo is dat alle aardingspunten op hetzelfde potentiaal staan. In onderstaande figuur hebben wij een typische illustratie geschetst van dit verschijnsel. U moet het schema van een audio eindversterker omzetten in een kant en klaar apparaat. De eindversterker, stel een module van Kemo, heeft een massa-aansluiting. De luidspreker moet ook naar de massa. Versterker en luidspreker worden gevoed uit de voeding die ook een massa heeft. Zoals het hoort verbindt u de massa van het systeem bij het meest gevoelige punt, dus de ingang, met de aarding van het systeem.
 |
| Waarom 0 V niet altijd 0 V is blijkt uit dit schema van een laagfrequent eindversterker. (© 2017 Jos Verstraten) |
Besluit: U hebt nu vier punten A, B, C en D die allemaal op nul volt moeten staan. Vanwege de aanwezigheid van de verborgen weerstanden Ra, Rb en Rc zullen er echter tussen deze punten spanningsverschillen ontstaan. De stromen die door deze weerstanden vloeien wekken wisselspanningen op, die zich uiten onder de vorm van ongewenste signaalspanningen. De ingang ziet deze spanningen in serie staan met het toegevoerde te versterken signaal. De gevolgen kunnen dramatisch zijn: brom, oscillatie, motorboating!
Symmetrische voeding
De beste manier om ervoor te zorgen dat uw aarding 'schoon' is, is uw apparatuur zo te bouwen dat er zo min mogelijk stroom door de massa en aarding loopt. Als u met enkelvoudige voeding werkt is het niet te voorkomen dat er stroom door de massaleiding vloeit. De massa is dan immers de retourleiding van de voeding. Als u echter met symmetrische voeding werkt is het in de meeste gevallen mogelijk de stroom door de massa tot nul te reduceren. Het komt er dan op aan de schakeling zó te ontwerpen dat er uit de positieve en uit de negatieve voeding even veel stroom wordt getrokken. Er vloeit dan geen stroom door de massa, zodat er ook geen spanningen over de massaleidingen kunnen ontstaan.
Een voorbeeld
Laat ons even een voorbeeld van deze techniek behandelen. In een bepaald schema staat een relais dat twee schakelaars bedient. De meest voor de hand liggende schakeling om dit probleem op te lossen is geschetst in onderstaande figuur. U ontwerpt een eindtrapje bestaande uit een stuurtrap IC1 die via de weerstand R1 de transistor T1 in sper of geleiding stuurt. Het relais slaat aan als de uitgangsspanning van A1 positief wordt. Het relais schakelt de twee schakelaars S1 en S2. Niets op tegen, maar de relaisstroom vloeit wél af via de massaverbinding naar de min van de voeding. In gevoelige schakelingen kan deze stroom een massaspanning tot gevolg hebben. Als deze relaisschakeling onderdeel uitmaakt van een gevoelige audioversterker kan het gevolg zijn dat er een 'plop' uit de luidspreker klinkt op het moment dat het relais in- en uitschakelt.
 |
| De standaard manier voor het inschakelen van een relais veroorzaakt een stroom door de massaleidingen. (© 2017 Jos Verstraten) |
In de volgende figuur is een oplossing getekend die dit nadeel niet heeft. U maakt nu gebruik van twee identieke relais. Ry1 wordt weer gevoed tussen de positieve voeding en de massa, Ry2 wordt gevoed tussen de massa en de negatieve voeding. Op het moment dat de ingangsspanning positief wordt, gaan beide transistoren geleiden. Door beide relais vloeien even grote stromen en deze stroom vloeit rechtstreeks van de positieve voeding naar de negatieve voeding. Er vloeit géén stroom door de massa! Als de ingangsspanning negatief wordt gaan beide transistoren sperren en vallen beide relais af. U moet natuurlijk wel alle punten die aan de massa liggen met zo kort mogelijke printlijnen met elkaar verbinden. Bijvoorbeeld: de emitter van T1 en de collector van T2 moeten zo dicht mogelijk bij elkaar op de print staan, zodat de stroom rechtstreeks van emitter naar collector vloeit. Het voornaamste verschil tussen beide schema’s is dat u in de vorige figuur kunt werken met een stuursignaal tussen +Ub en 0 V, terwijl u in het onderstaand schema een stuursignaal nodig hebt tussen +Ub en -Ub.
 |
| Een oplossing voor de relaisschakeling, waarbij er geen stroom door de massa vloeit als de relais worden bekrachtigd. (© 2017 Jos Verstraten) |
Koop uw sensor modules bij Amazon
