Efficiënte schakelende spanningsregelaars uitgelegd plus de noodzaak van filtering.
Je kent ze vast wel; de 78xx series schakelende spanningsregelaars. Handige IC-tjes in de vorm van een transistor, die een ongestabiliseerde ingangsspanning omzet naar een gestabiliseerde uitgangsspanning. De 78 series zijn voor positieve voedingen en de 79 series zijn voor negatieve voedingen. En dan heb je nog regelbare varianten, zoals bijvoorbeeld de LM317. Albert kwam volgende tegen op het blog van PE1RQM.
De vermogensopname
Schakelende spanningsregelaars hebben echter één groot nadeel. De vermogensopname loopt lineair op met het verschil tussen de ingangs- en de uitgangsspanning. Voorbeeld: stel je wil 5V maken met een 7805 en je ingangsspanning is 10V. Dan moet de 7805 dus 5V verschil weg zien te werken. Dat doet hij heel simpel: door dit in warmte op te stoken. Stel je neemt 0.5A op uit je 5V uitgang. Dat is 2,5W aan vermogensafgifte aan je schakeling (spanning maal stroom). Die 0,5A loopt ook aan de ingang (lineair). Alleen dat is is echter bij 10V! Dus wordt er 5W aan vermogen in gestopt.
Aangezien ik ook een aantal batterij gevoede apparaten heb, wilde ik op zoek gaan naar een meer efficiëntere oplossing. En dat is iets, wat in de moderne elektronica al een lange tijd zeer veel gebruikt wordt. We gaan naar de schakelende regelaar!
Grootverbruikers
Schakelende voedingen kennen we wel uit computers en andere grootverbruikers. En dat is niet zonder reden; door het hoge rendement kan de voeding heel veel stroom leveren, terwijl de totale omvang en de kosten beperkt blijven. 40A bij 12V is geen zeldzaamheid en het gaat soms nog wel veel hoger! Maar dat is een complete voeding. Ik wilde alleen de spanningsregelaar vervangen. De voeding wordt verder gewoon verzorgd door de batterijen, of zelfs gewoon een trafo met gelijkrichter. Maar schakelen is wel het toverwoord.
Je hebt diverse typen schakelende spanningsregelaars IC-tjes. Ze schakelen bijna altijd met een hoge frequentie (rond de 100kHz) in een schakeling met een Schottky diode, een dikke spoel en een low-ESR elko. Ik ga hier niet precies uitleggen hoe dat werkt, want dat is door anderen al veel beter gedaan (Google op “buck-converter” of “boost-converter”). Het rendement ligt zo rond de 75%.
Hier is een schema van een eenvoudige maar efficiënte step-down converter met de LM2596-ADJ (Bron: datasheet van ON Semiconductors):
Typen schakelende regelaars:
Naast de step-down converters (“buck-converter”) met een lagere uitgangsspanning dan de ingangsspanning, is het met deze techniek ook mogelijk om step-up converters (“boost-converter”) te maken. Step-up converters kunnen de ingangsspanning dus verhogen. Ideaal om bijvoorbeeld een 28V relais te kunnen schakelen op 12V. En je kan ook een positive to negative converter maken. Dan maak je van een positieve spanning een negatieve spanning. Er is dus veel meer mogelijk dan met lineaire regelaars. Ik beperk me in dit artikel tot de positieve voedingen.
Kenmerken schakende regelaars (uitgaande van een positieve voeding):
– Bij een Step-down converter is de uitgangsspanning lager dan de ingangsspanning. Maar de uitgangsstroom is hoger dan de ingangsstroom.
– Bij een Step-up converter is de uitgangsspanning hoger dan de ingangsspanning. Maar de uitgangsstroom is lager dan de ingangsstroom.
Kenmerken lineaire regelaars (uitgaande van een positieve voeding):
– Bij een lineaire spanningsregelaar is de uitgangsspanning lager dan de ingangsspanning. De ingangsstroom is gelijk aan de uitgangsstroom.
Voordelen schakelende regelaars:
Dat hoge rendement scheelt aanzienlijk in energie en warmte. En je hoeft vaak de spanningsregelaar niet meer op een koelblok te monteren (<3A voedingen). Ook is het eenvoudiger om hoge stromen te kunnen leveren aan de uitgang.
Nadelen zijn er ook:
De schakelfrequentie kan op de uitgang voor storing zorgen op vooral analoge schakelingen. Dat komt door de ripple over de uitgangs elko. Met filters is dit behoorlijk schoon te krijgen. Ook zijn er wat meer componenten nodig, al win je die ruimte weer door het kleinere koelblok (of het ontbreken daarvan).
Overigens zijn lineaire spanningsregelaars ook niet superschoon. Daar kan ook wel wat ruis op de uitgang staan. Meestal praten we slechts over enkele mV top-top. Daar heb je alleen maar last van, als je gebruikt maakt van analoge versterkers. Dan moet je de voeding goed ontkoppelen.
..
De LM2596-ADJ regelaar
Dit is een 3A step-down converter, die momenteel zeer goedkoop aangeschaft kan worden op printjes, waar dan ook gelijk alle randcomponenten op gemonteerd zijn. Google maar op het typenummer en je ziet vanzelf de winkels verschijnen. Ik heb 15 stuks op Ebay gekocht voor ongeveer anderhalve euro per stuk. De LM2596 is gemaakt van de TO-263 / D2PAK behuizing. Een soort SMD versie van de TO-220. De print is de koeling, dus bij 3A wordt hij gevaarlijk warm. 2A gaat veilig.
Hierboven ben ik bezig met het testen van de print. Eerst leek hij het niet te doen; de inkomende spanning kwam er nagenoeg ook weer uit. Toen bleek je toch behoorlijk wat slagen linksom te moeten maken met de meerslagenpotmeter, voordat je de uitgangsspanning ziet zakken. Geen probleem, als je het maar weet 🙂 Eenmaal ingesteld op een lagere spanning (bijvoorbeeld 5V), dan blijft hij muurvast staan. En bij de tweede is een belasting aangelegd, om de warmteproductie en de ripple te meten. Ik ben steeds de weerstandswaarden gaan verlagen, om de stroom te verhogen. Tot 2A kon ik veilig gaan zonder de regelaar te heet te laten worden.
..
Ripple:
Ongefilterde uitgangs-spanning: ripple 320mV
Met filter L=100uH en C=470uF: ripple 2mV
Zit de regelaar éénmaal in een schakeling, is de ripple best lastig te meten. Dat komt, omdat de schakelfrequentie zich overal manifesteert. Zelfs als je op twee massapunten meet, dan zie je iets terug op de scoop. Ripple aan de ingang: Dat hakken in de voedingsspanning (schakelen) zorgt ook voor een flinke ripple over de bedrading aan de ingang van de regulatorprint. Ook al gebruik je dikke draden, de minimale inwendige weerstand is voldoende om een flinke storing over de VCC te plaatsen.
Een spoel (met dikke draden vanwege de stroom) in serie aan de ingang en daarvoor een C naar massa (low-ESR) lost dit volledig op. Houd de draden van de condensator zo kort mogelijk. Op onderstaande foto is dat maar gedeeltelijk gelukt, maar het werkte goed…
mm
n 
Het resultaat:
Ik weet niet of de waarden erg kritisch zijn, maar ik heb het gevoel dat je met 100uH en 470uF goed zit. Ik heb dat zowel aan de ingang, als de uitgang gebruikt. En bij mij was het schoon, dus doel bereikt 🙂
Conclusie: je moet echt heel erg goed filteren, zowel aan de ingang als de uitgang! Nu snap je wel, dat de meerprijs van een betere schakelende voeding hier dus grotendeels in zit… Maar dan heb je wel een hele efficiënte voeding of regulator!
bb
bb
Bewerkt en gelezen door Albert op de blog van PE1RQM ©
nn
mm
