De spanningsregulator

redbox.gif (41 octets)

Tot slot van de onderwerpen voor voedingen gaan we deze een zeer stabiele en preciese spanning laten afgeven. We zagen dat het niveau aan de uitgang af kan hangen van de belasting en dat de brom niet zo eenvoudig weg te werken zijn. Dit is de rest van het verhaal.
Dit soort schakeling bestaan in een veelvoud van varianten. Zeker nu de grote schaalintegratie het de gebruiker zeer gemakkelijk maakt.
Om deze geïntegreerde regelkringen wat te begrijpen in hun werking zullen we een paar basisschakelingen bestuderen.
De eenvoudigste ... met zener diode :

Deze schakelijk zal U niet vreemd lijken. De aangelegde niet stabiele spanning wordt aan een spanningsdeler bestaande uit een weerstand en een zener diode gelegd. Van de zener diode weten we dat de spanning over de in sper aangesloten zener in zekere maten stabiel in waarde blijft ongeacht de stroom of de aangelegde spanning. Natuurlijk moet de Vcc wel groter dan de zenerspanning zijn. Uit de studie van de zener weten we dat de zener spanning met de temperatuur verandert en dit in zelfde maten. De weerstand voor de zener is zeer belangrijk. Bedenk eens wat er zou gebeuren indien er geen zou staan (weerstand nul). Van stabilisatie is er geen spraken meer en U zal waarschijnlijk naar de winkel moeten om een nieuwe zener aan te schaffen. Doe die oefening eens door de zaak te bekijken als gesloten kring

Hierboven nog maar eens de zener in al zijn fraaiheid. De (+/-) stabiele spanning zien we eens voorbij de doorslagspanning. Weet dat de zener gesperd gebruikt wordt. Dit soort stabilisatie is bedoeld voor kleine vermogens. Naarmaten de zener spanning groter is zal het eigen vermogen voor een bepaalde stroom toenemen, P = U x I. Voor de bepaling van de voorschakelweerstand moet men eveneens rekening houden met de stroom doorheen de belasting. De totaal stroom (I zener en belasting zijn verantwoordelijk voor de spanningsval over de weerstand, en Vr zijnde = Vzener + (I x belasting) moet kleiner zijn dan Vcc+Vzener.
met U = spanning zener
met I = stroom door de diode
Het maximaal vermogen is snel bereikt. Een vb: een zener van 1,3 W voor 12 V laat maar een stroom van 110 mA toe. en dan houden we nog niet eens rekening met dee bijkomende stroom naar de belasting wanneer deze aangesloten wordt.
Wat meer over de werking van de stabilisatie. We gebruiken hiervoor de grafiek hieronder.

Dit is nogmaals de inverse van een diode met speciale zener eigenschappen. U merkt dat, als we de stroom verdubbelen doorheen de zener dit met slechts een geringe verandering over de zener gepaart gaat. Deze verandering van stroom zou het gevolg van een steiging van de aangelegde spanning kunnen zijn. Opmerking: moest de helling van de grafiek perfekt vertikaal zou kunnen zijn dan zien we geen spannings verandering over de zener.
Nogmaals , en we drukken erop, de weerstand is ABSOLUUT noodzakelijk (zie hoger). De zener moet toch voorbij de zenerspanning gepolariseerd worden? Het bepalen van de stroom door de weerstand is niet moeilijk.
                              Vcc -  Vz
de stroom  I in R =  _________ 
                                  R
Vz = Zener spanning in V
Vcc = voedingsspanning in V
R = weerstand in serie in
Ω
Eenvoudig maar er moet vooral nadruk gelegd worden op het feit dat het toegelaten vermogen van de zener snel bereikt wordt en de schakeling hierdoor in gebruik beperkt. De helling die de kwaliteit van de stabilisatie bepeeld ligt rond 12 V het best. Er bestaan zeners voor een veelvoud van spanningen maar de helling trekt op niet veel als men verder van deze 12 V verwijdert is. Het kan beter.
Regeling in serie :

Een beter resultaat zou men kunnen vewachten indien we een stabiele spanning zouden gebruiken om een andere schakeling te sturen die het eigenlijke en echte werk doet.
Rechts het schema.
Vcc zijnde de voedingsspanning stuurt via een weerstand een zener. Gezien enkel de stroom doorheen de zener vloeit (Ib te verwaarlozen) zal verandering van belasting weinig invloed op de uitgang hebben (bijkomende stroom voor de basis polarisatie is minsten 100 maal kleiner). Rc is de eigenlijke belasting. Vcc moet uiteraard groter zijn dan deze gewenst op de uitgang .

Indien U het niet meer weet , ga terug naar de studie van de transistor. De spanning op de emittor (over Rc dus) is deze op de basis is min de voorwaardse polarisatie van de diode overgang basis - emittor. De spannig op de uitgang zijnde I x Rc hangt dus af van de spanning op de basis en deze is in principe stabiel. Anders uitgedrukt: Vout = V zener - V eb. Wijziging van belasting zal de basis spanning niet beïnvloeden. Dus een stabilisator.

Het schema hier boven is minder gebruikelijk. Wat hertekenen en U bekomt een meer bekend en voor de hand liggend schema. De benaming van deze stabilisator komt beter tot zijn recht. In serie met de belasting staat een transisor waarvan de spanning Vce de eigenlijke regeling uitvoert.
Een voorbeeld ter verduidelijking maar met cijfers . Stel Vin = 18 V, R1 = 470 Ω, de stroomversterking van de transistor nemen we gelijk aan 100, de zener van het type 13 V en de belasting tenslotte gelijk aan 100 Ω. We stellen als doel het berekenen van de stroom doorheen R1 en deze door Rc.
Stroom door R1

            Vin - Vz       18 - 13
I R1 = _________ = ________ = 10,6 mA
              R1              470
Regelspanning

Ur = Vz - Vbe = 13 - 0,7 = 12,3V
Stroom door de belasting

              Ur       12,3
IR1 =  ______=  _____= 0,123 A
             Rc        100
Basis stroom

         Ic       0,123
Ib =  ____ = ______= 1,23 mA
        
β          100
Stroom doorheen de zener 

Iz = IR1 - Ib = 10,6 - 1,23 = 9,37 mA
De stroom door de basis indien deze zou veranderen is zeer klein en heeft zeer weinig invloed op de schakeling. Een verandering van belasting zal wel de collectorstroom doen veranderen maar gezien de basis hierdoor niet beïnvloed wordt zal de spanning over de belasting niet veranderen. Ook deze schakeling heeft beperkingen. Daarom nog een verbetering.
Dit is het resultaat :

We kennen nu alle elementen en kunnen die gebruiken. Het doel is een bijna perfekt stabiele uitgangsspanning los van welke invloed ook te bekomen. We gaan het voorgaande systeem gebruiken maar gaan er een techniek aan toevoegen dat het veranderen van spanning versterkt gaat tegen werken. Het is zoals bij versterkers: de tegenreactie.

Een paar woorden uitleg bij dit opzet:

R4 polariseert de zener diode in het goede deel van de sper karakteristiek. Een spannings deler R1, potentiometer en R2 brengen een deel van de uitgangs spanning op de basis van T3. met de potentiometer kan men deze spanning fijn en naar wens instellen. Op die manier wordt de uitgang geregelen. Deze bediening wordt naar het front paneel van het toestel gebracht en we beschikken over een regelbare voeding. Allemaal mooi toch ?
En nu de werking ?

  • We vertrekken van een stabiele stoestand waarbij de uitgangsspanning stabiel en naar wens is. De waarde van de spanning naar basis T3 geregeld met potmeter is :
               R1
    Us x _______     De regel weerstand aanzien we als vervat in de delen R1 en R2

          R1 + R2    (het niet moeilijker maken als het al is)

  • Stel, doordat aan de uitgang er plots meer stroom gevraagd wordt doordat de belasting verandert (weerstand wordt kleiner). De spanning op basis van T3 gebracht zal eveneens veranderen (PM: een deel ervan). De stroom doorheen T3 zal natuurlijk volgen. Zo ook de spanningsval over R3. Hierdoor wordt ten slotte de sturing van T2 aangepast waardoor de stroom voldoende wordt bijgestuurd met als gevolg dat de spanning hersteld wordt. Probeer nu eens meer in details welke spanninge naar hoog of lager gestuurd worden.
Wat meer wetenschappelijk nu: schrijven we voor de spanning op basis van T3 nu Ub3 en is gelijk aan Vbe + V zener (junctie spaning).
                                                R2
Maar Ub3 is eveneens gelijk aan Us .  _______ Us zijnde de uitgang
                                              R1 + R2
We kunnen dan schrijven dat :

Vz + Vbe =  Us (R2/R1+R2) nog altijd ok ?

Wat fijner :
             Vz + Vbe
Us = _____________
            R2/R1+R2

We merken dat de uitgang wel degelijk van de instelling R1, R2 (en ook de potentiometer) zijnde R2/R1 + R2.

U merk toch dat V zener zo stabiel mogelijk en precies moet zijn.

De stabilisator maakt dat aan de uitgang er een spanning heerst onafhankelijk van fluctuaties aan de ingang EN van de gevraagde stroom (dit in zekere maten). De spanning aan de ingang is de gelijkgerichte spanning na transformatie en filtering. Nogmaals verandering van belasting zijn oorzaak van de verandering van geleverde stroom.
De evolutie van de technologie wordt ook hier vastgesteld. Stabilisatoren voor alle denkbare spanningen en stromen zijn gemakkelijk op de markt te vinden. Het gaat om Ic's van de zerie 78xx en 79xx. de reeks 78 werden voor positieve regelaars ontwikkeld en 79 dan voor de negatieve reeks. Een voorbeeld: 7812 is een regelaar stabilisator voor plus 12 V (regelaar omdat mits kleine aanpassing deze Ic op die wijze kunnen gebruikt worden. Data boeken kunnen U verder informeren. De geleverde stroom is eerder beperkt en hier bv: 1,5 A. Indien meer stroom gewenst moet , ofwel een aangepast type, of bijkomende elementen als power transistor gebruikt worden.
Hiernaast een model:

Schematisch ziet U een stabilisator hier links. Het gebruik is dus heel eenvoudig. De condensatoren hier gebruikt zijn NIET de filtercondensatoren maar wel om oscillaties te vermijden. (waarde vb: 0,1 micro)

Een mogelijk probleem, stel U moet een spanning bekomen van 6 V en beschikt over stabilisator van 5 V. U kan ofwel naar Leuven rijden en een nieuwe kopen of beter nog een diode gebruiken zoals hiernaast getoond. een diode zal in princiep 5,7 V op de uitgang geven. Indien niet tevrede zet er dan 2 en U bekomt 6,4 V. Weet dat een stabilisator voor 6 V niet noodzakelijk precies 6 V levert, dus... het is een alternatief.
Praktische beschouwingen :

Ten onrechten, vind ik toch, wordt door heel wat mensen de aandacht voor voedingen wat op het tweede vlak gezet (is het allemaal niet ingewikkeld genoeg misschien ??). Ervaring toont aan dat soms symptonen van problemen bij trancievers niet laten vermoeden dat het probleem bij de voeding ligt. Gezien grotere stromen aanwezig zijn kunnen bijvoorbeeld slechte contacten oorzaak zijn dat vonken (snelle stroomveranderingen) en de eindtrap van de zender doen denken dat de belasting (antenne) niet correct of slechte contacten in coax of antenne vertonen. Meestal zal men dan op de verkeerde plaats gaan zoeken. Een voeding is in laatste instantie zeker geen "accessoire".
Veel voorkomend zijn de "ondergedimentioneerde" voedingen. We spreken van voedingen van 13,8 V DC met 22 A mogelijkheid. Heel wat warmte wordt opgewekt. Bij minder vlotte afvoer van de warmte kunnen problemen ontstaan. Warmte beheersen, daar gaat het om..

Er zijn niet veel radioamateurs die zelf nog transievers bouwen. De Japanse blinkdozen ogen prima en functioneren bovendien goed. Goedkoop zijn die dingen niet. Besparen op voeding is een misvatting. Vooral die warmte ontwikkeling is belanrijk om in de hand te houden. Hiervoor bestaan koelelementen zoals hiernaast getoond. Uw voeding moet best wat over gedimentioneerd zijn, voorzien van ruime koel elementen, kortsluit beveiliging....Een zekering is niet steeds voldoende en daarom is een systeem dat stroom limiteert een aanrader. Constante spanningsbron gaat bij kortsluiting over naar constante stroombron en dat is de goede oplossing. Voldoende ventillatie natuurlijk of aangedreven kunnen helpen.

Er wordt op gedrukt dat dit hoofdstuk toch belanrijk is. Voor de fijnproevers, er bestaan ander type voedingen die het probleem "warmte" minder dwingend maken. Dit zijn de geschakelde voedingen. Technologisch zijn die complex en vallen buiten deze lessenreeks.