Geschakelde voeding en DC-DC omzetters

Tot nu hebben we de gewone voeding bestudeerd. Dit type wordt ook de "serie" voeding genoemd. Steeds meer wordt een andere, modernere technologie gebruikt: de geschakelde voeding. de DC - DC omzetter is eigenlijk een gevolg.

Terugblik op de voeding: klassiek serie of lineaire :

Hierboven ziet U het schema. Dit is een vereenvoudiging maar voldoende voor het begrip. Merk dat aan de in kant de spanning groter is dan aan de uit kant. Samen geval is de werking dit: een oordeelkundig regelsysteem aan de basis van de transistor aangesloten zorgt ervoor dat elke afwijking van spannings niveau aan de in kant zodanig wordt aangesloten dat de uit spanning steeds identiek blijft. Elke verandering wordt opgemerkt of gedetecteerd, en dient als sturing.

Dit type functioneert goed maar heeft een paar belangrijke beperkingen.

De noodzaak om aan de in kant een grotere spanning dan de gewenste uit spanning.   De transformator (niet in de tekening opgenomen) moet in functie met het gewenste vermogen staan welke van de voeding verwacht wordt. Dit is dan niet zomaar een transfo voor 50 Hz maar moet in staat zijn om meerdere Ampères (vb: 20 à 30 A) kunnen leveren zonder dat hij de geest geeft. Het grote belang van de juiste keuze van transfo is belangrijk en maakt het verschil tussen de CB wereld en de Radio Amatuer wereld uit MAAR ten koste van de investering. Weet U dat , moest de netfrequentiez bv 400 Hz (zoals in vliegtuigen) zou zijn het vollume van de transfo heel wat kleiner zou uitvallen, tracht dit eens te achterhalen. Bovendien moet om bv: 20 A constant te leveren de transfo in staat zijn om gedurende korte perioden een veelvoud van die stroom zonder te satureren kunen leveren. Een deel van het omgezet vermogen zal verloren gaan onder de vorm van warmte. Enerzijds in de transfo maar ook in het SERIE regelelement (transitor('s)) overeen komende met (Vi-Vo)*I. Een voorbeeld: stel Vu (uit) moet 13,8 V zijn en omgezet in vermogen door de transistor gedissipeerd (Vi-Vo)*I. Als we aanvaarden dat om degelijk de werking van het stabiliseren te laten verlopen wa 18 V aan de In kant nodig hebben en een stroom van 20 A noodzakelijk is dan wordt er een vermogen van (18-13,8)*20 = 84 W door de transistor omgezet. Dit vermogen MOET afgevoerd worden.

In het kort. Voor wat grotere vermogens is deze werkwijze wel gulzig. Vroeger werd meer rekening gehouden met als deze tegenstrijdige belangen. De transfo kiezen of bouwen was niet eenvoudig. De toegelaten rimpelspanning was mede bepalend voor de omvang van de transfo, keuze van capacitait voor de afvlakking ... De secundaire spanning van de transfo in functie van de eigen inwendige weerstand enz... waren (maar zijn het eigenlijk nog) allemaal elementen waar rekening moet mee gehouden worden. De geschakkelde voeding brengt verlichting maar voor wat hoort wat. Dit soort voeding wordt in de uitvoering aardig wat compexer.

Zeer ingekort, volgen we de werkingsprincipe:

Aan de ingang merken we de spanning V In. Op de controle zien we een blokvorm welke de transistor gaat aan en uit schakelen. De spoel werd geplaatst om als accumulator van energie te fungeren. Ten gepalste tijd zal deze energie op gepast moment door gegeven worden. (het gaat om magnetische energie in de kern van de spoel opgenomen) Een bijkomende functie voor die spoel bestaat erin om ook de sroom te beperken om het schakel syteem niet te oer belasten. In tegenstelling tot een weerstand zal de spoel zelf weinig warmte omzetten daar deze niet erg resistief is (of zou moeten zijn). De condensator, als steeds, filtert en vangt het te gebruiken energie op. Het sturen zelf is niet eenvoudig. Dit moet op het gepaste moment en in voldoende maten gebeuren. Een speciale kring ook "sensor" genoemd zal door op de breedte van de stuur pulsen in te spelen dit werk verichten (PWM Pulse Width Modulation). Hierboven ziet U een typische geschakeld systeem van een omzetter.

Waaruit bestaat het verschil tussen beiden:

Vooreerst ziet u in het eerste model dat de transistor in het lineaire deel werkt. Bij het tweede wordt er voortdurend "geschakeld" wat bezwaarlijk lieair kan genoemd worden. De lineaire werkwijze verlaagd de spanning door dissipatie van het overtollige vermogen. Door schakelen zal anderzijds veel minder (ideaal zou NUL) vermogen in warmte omgezet worden. Het vermogen omzetten gebeurt hier door omzetten van de gelijkspanning naar blokgolf waarin het benodigde vermogen voor de belasting wordt vervat. Natuurlijk moet er dan wel gefilterd worden.

Vereenvoudigd princiep:

De schakeltransistor wordt voor de bespreking door een schakelaar (wissel) vervangen. De beide toestanden worden door positie "a" en "b" aangeduid. Een DC voeding wordt aangelagd (door een batterij voorgesteld). De belasting wordt door een weerstand voorgesteld (wat dacht U anders).

Figure 1 : de gelijkspannng wordt aan de belasting verbonden. De spoel slaat energie om in haar magnetisch veld. de condensator wordt opgeladen. Stromen en spanninge ziet U in fig 2. Figure 3 : We schakelen om naar positie "b". De opgeslagen energie onder de vorm van magnetisch veld wordt doorgegeven maar met omgekeerde polariteit. De lading van de condensator vloeit naar de belasting R. Figure 1 :  En daar gaan we opnieuw.

Benaderen we wat meer de werkelijkheid: De omschakela ar wordt door een transistor vervangen. De plaatsing van de diode maakt het verschil verder met voorgaand schema. U kan de aanwezigheid van de diode zien als de positie van omschakelaar positie "b". Dit lijkt wat ingewikkeld maar bekijk goed het vloeien van de stroom in beide gevallen (op voorgaand schema). De stroom door de diode zal vloeien als de transistor geblokkeerd staat.

En wat about de besturing ?

Dit is het hart van het systeem. Het schakelen moet niet zomaar gebeuren maar op zulke manier dat liefst juist genoeg energie naar de belasting wordt door gegeven. Des te dichter we het ideaal naderen des te complexer de stuurschakeling. Gelukkig bestaat hiervoor de IC technologie of geïntegreerde schakeling die al het werk zal verichten. Er bestaan twee soorten IC. Er kan op de verhouding "open" "gesloten" van de sqchakel transistor inwerken of op de frequentie van de stuurspanning. Het schakelen gebeurt op een frequentie van bv: 50 KHz tot zelfs 1 MHz. Het voordeel zoekt U in de omvang van transformatoren. Steeds zal de behoefte van energie door de belasting gevraagd zorgen voor een juiste frequentie of verhoudig "open, toe". Alles volgens een referentie spanning en de klok in het IC ingebouwd. Daarnaast worden meerdere beveiligingen van overbelasting ... ingebouwd.

Vervolledigen we nu nog wat de schakeling:

Hieronder een realistche schakeling: Een geschakkelde voeding.

Een paar bemerkingen. De vermogen transistor wordt hier een MosFeT (meestal gebruikt). Als bron gebruiken we een netspanning gelijkgericht op een klassieke manier. Men schakelt hier wel 230 V AC dus pas maar op. Doordat de MosFet uitermaten snel en op hoog frequent schakeld zal de gebruikte "down transfo" van een klein formaat zijn. ( weet U het nog, de snelheid van flux verandering bepaald de spanning). Bemerk tevens dat na gelijkrichting de DC spanning over de condensator staat en dus zeer hoog is (afblijven met de vingers die geschakelde voeding).

Waarom heeft eens geschakelde voeding een beter rendement (voor wie het nog niet ziet) ?

Om meer dan een reden :

De uitgangs spanning bij een transformator is evenredig met de frequentie. De formule van "Boucherot" toont dit aan : U = 4,44 Bmax. N.S.f met Bmax inductie maximaal N : aantal wikkelingen S : doormeter van de spoel f : frequentie Het moet duidelijk zijn dat bij stijgende frequentie andere parameters voor het bekomen van de spanning in evenredigheid mogen verminderen. (doormeter , aantal wikkelingen) het zal nu wel duidelijk zijn. De scakeltransistor werkt in verzadigde of geblokkeerde toestand en verbruikt zelf daarom weing of geen vermogen. In beide toestanden is een van beide parameters spanning of stroom zowat NUL. Ga maar effe na doot uitrekenen van het gediscipeerd vermogen . Indien nodig ga maar terug naar hoofdstuk handelend over de transistor als schakelaar. Weing discippatie betekend weing warmte ontwikkeling. Goed voor de energie faktuur maar zeker voor de omvang van zo een voeding.

Waarde van de uitgangsspanning :

Deze zal zeker afhangen van het type geschakkelde voeding (Forward, Flyback en andere om het wat mooi uit te drukken. Bepaalde constanten zullen de spanning mede bepalen: - Tijdsduur van geleiding van de schakeltransitor (het vermogen moet in elk geval door de transistor vloeien. - Natuurlijk de transformatie verhouding van de transformator - Ingangsspanning aan de omzetter.la tension d'entrÈe du convertisseur - De gebruikte frequentie van schakelen.

Opgepast : Let op het schema en je zal merken dat de schakeling NIET geïsoleerd van het stroomnet ligt. Als de differentiëel schakelaar van Uw netverdeling niet afgaat kan je ernstige gevolgend vij het aanraken van companenten ondergaan. In geval werken met een oscilloscoop of ander toestel maak je de aarding van dat toestel maar los. In elk geval , voorzichtig !!!

Veel gebruikte montage :

De principes zijn steeds dezelfde. We gaan enkele schakkelinge zien zodat een paar termen niet meer vreemd zullen blijven.

De schakelaar"Buck" verlaging van spanning:

Bij gesloten schakkelaar zal de spoel energie in het magnetisch veld opslaan. De diode spert. Bij het openen van de schakelaar levert de spoel een tegenspanning waardoor de diode zal gaan geleiden. de condensator zal ontladen door de belasting. Bij dit soort schakeling is de spanning over de belasting enkel afhankelijk van de aangelegde spanning en de frequentie van schakelen. Indien we "k" de cyclische schakel verhouding noemen (verhouding gesloten, open) wordt de uitgang Vout = Vin . k

De schakeling "Boost" spanningsverhogend:

Bij gesloten schakelaar bevat de spoel energie en is de diode gesperd. Bij het openen zal de diode gaan geleiden en wordt de voeding belast. De spanning: Vout = Vin/( 1-k)

De schakeling FLYBACK

Met wat moeite kan je er de schakeling van het type BUCK in zien. De spoel is nu de transfo en U zal terecht opmerken dat de geleverde spanning ook door de transfo verhouding wordt bepaald. Dit type vindt men vooral voor de wat kmleinere voedingen tot zowat 100 VA. Een nadeel is echter dat de gestockeerde energie enkel gedurende de geleiding faze gebeurt.

De schakeling FORWARD

Dit lijkt toch wat ingewikkelder. Deze voeding levert een minimale rimpel op de gelijkspanning omdat L1 de rimpel beperkt. Als de transistor gaat geleiden wordt de energie simultaan in L1 en en via D1 naar de verbruiker gestuurd. Tijdens de blokkering wordt de energie in L1 via D2 naar de verbruiker doorgegeven.Een derde spoel "demagnetisatiespoel" beperkt de piekspanning op de "drain" van de transistor. De spanning op de uitgang staat in verhouding tot de transformatie verhouding , de ingangsspanning en de schakelverhouding.

De geschakelde voeding en onze radio:

In tegenstelling tot de "gewone" voeding is de geschakelde zeer luidruchtig. Dit kan men gemakkelijk inzien. Daarom is zorgvuldig te werk gaan meer dan noodzakelijk. Maar gezien de toch grote voordelen van rendement en omvang zullen we dit type steeds meer gaan zien. De steeds betere technologie maak dit mogelijk en dat is maar goed ook.

DC / DC omzetter :

Een ander gebruik van dit princiep is de DC / DC omzetter. Een gelijkspanning wordt naar een andere omgezet. De technologie laat dit meer dan ooit toe. In onze toestellen zal vanaf de 12 V DC van bv: de batterij naar alle mogelijk spanningen omgezet worden die waar de werking van andere dan strikt Radio noodzakelijk maakt. U vermoed het toch, hoe langer hoe meer begint de radio op een computer te gaan gelijken en daar zijn andere spanningen gebruikelijk.

Tot slot, samengevat...

De geschakelde voeding ook wel SMPS voor Switch Mode Power Supply genoemd leveren zeker voordelen. We kunnen aanvoeren:

Een kleiner volume. Wel haalde het reeds aan, een hogere schakelfrequentie levert een hogere uitgang aan de transfo. Hierdoor kan deze kleiner genomen worden. Het zelfde geldt voor de spoel en niet te vergeten de condensator (de tijdconstante voor filtering kan kleiner door die grotere frequentie. Een beter rendement door de kleinere discipatie . Er wordt naar twee extreme toestanden (aan / uit) geschakeld waardoor de transistor zelf niet veel meer hoeft te verwerken als warmte. Ter informatie zal een goede klassike voeding een rendement van bv 50% behalen tegenover bv 80 voor een SMPS. Doordat de frquentie van de schakelaar en de belasting mede de uitgagsspanning bepalen kan tevens ook de variatie van netspanning voorzien worden.

Zoals men verwachten kan zijn er niet allen voordelen :

Het geheel is duidelijk complexer op het vlak van kringen. Door die hogere frequentie wordt het spectrum aanzienlijk vervuild (de kans is toch groot). En minder snelle aanpassing als de belasting verandert. De rimpel op de uitgang is niet zo eenvoudig te verwerken.

Ingewikkelder beduidt eveneens dat in geval problemen of herstellingen men wel voor problemen kan staan. Het werk in minder intuïtief dan met de klassieke technologie. Voorzichtigheid moet benadrukt. Voor diegenen die deze cursus volgen zijn we hier wat diep in de stof gegaan. Zij die hun kennis wat willen verruimen zullen dit geleerde kunnen gebruiken.