Analoge techniek 2 | TouchTech | mbo | ThiemeMeulenhoff by ThiemeMeulenhoff

mb o

LEERWERKBOEK NIVEAU 3&4

TOUCHTECH

TouchTech – Techniek die je raakt Dit boek is onderdeel van TouchTech, een complete modulaire methode voor mbo Techniek niveau 3 en 4. Dit standaardboek is opgebouwd uit een aantal opeenvolgende leereenheden van één vakgebied. TouchTech is in boekvorm, als boek OpMaat en digitaal beschikbaar. TouchTech heeft een breed aanbod van circa 400 leereenheden voor de vele vakgebieden in de elektrotechniek, werktuigkunde en mechatronica.

TOUCHTECH

Analoge techniek 2 LEERWERKBOEK

Het boek Analoge techniek 2 is het tweede standaardboek over analoge elektronica en bevat zeven leereenheden over gelijkspanningsvoedingen, lineaire en schakelende voedingen. Deze kennis is onmisbaar voor iedereen die werkt aan elektronische apparatuur.

Analoge techniek 2

Learning by doing De serie TouchTech helpt de verbinding te maken tussen theorie en praktijk. Elke leereenheid start met kernvragen over het leerdoel, zodat je weet wat je gaat leren. Binnen elke leereenheid wordt beknopte theorie gekoppeld aan praktijkvoorbeelden. Na de theorie volgen korte verwerkings- en toepassingsopdrachten om de lesstof eigen te maken en de relatie met de praktijk te leggen. Anytime/anywhere Met deze nieuwe serie is de benodigde theorie anytime/anywhere beschikbaar. De theorie is beschikbaar in leereenheden op onderwerp, zodat je eenvoudig kunt beschikken over alleen de theorie die je op dat moment nodig hebt tijdens lessen, praktijkopdrachten en projecten. De leereenheden/onderwerpen zijn snel op te zoeken voor docent én student. Bewezen didactiek De didactische opbouw van elke leereenheid is gebaseerd op het zes-leerfasen model: na een introductie vanuit de praktijk volgt de theorie, verduidelijkt met praktijkvoorbeelden. In het tweede deel gaat de student aan de slag met verwerkingsvragen, toepassingsvragen en tenslotte de evaluatie en reflectie. Diversiteit aan leermiddelen TouchTech is leverbaar op papier of digitaal in een volgorde die jij wilt. De opzichzelfstaande leereenheden zijn samen te stellen tot maatwerkreaders, maar ook als standaardboek (leerwerkboek) met vaste volgorde per vakgebied te bestellen. Digitaal is de methode als licentie beschikbaar voor scholen, waarbij de docent zelf een curriculum kan samenstellen uit het brede aanbod van leereenheden. TouchTech bevat leereenheden die onder andere geschikt zijn voor de kwalificaties: - Human Technology - Middenkader Engineering - Werktuigkundige installaties - Elektrotechnische installaties - Mechatronica

Auteur: A. de Bruin Eindredactie: J. Gerrits

9 789006 701401

Analoge-techniek-2_omslag.indd All Pages

9/09/2020 15:57

â&#x20AC;&#x201A;

Analoge techniek 2

Analoge-techniek-2_bw.indb 1

TOUCHTECH

9/09/2020 15:51

Colofon Over ThiemeMeulenhoff ThiemeMeulenhoff ontwikkelt zich van educatieve uitgeverij tot een learning design company. We brengen content, leerontwerp en technologie samen. Met onze groeiende expertise, ervaring en leeroplossingen zijn we een partner voor scholen bij het vernieuwen en verbeteren van onderwijs. Zo kunnen we samen beter recht doen aan de verschillen tussen lerenden en scholen en ervoor zorgen dat leren steeds persoonlijker, effectiever en efficienter wordt. Samen leren vernieuwen. www.thiememeulenhoff.nl ISBN 978 90 06 70140 1 1e druk, 1e oplage, 2020 � ThiemeMeulenhoff, Amersfoort, 2020

Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand, of openbaar gemaakt, in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieën, opnamen, of enig andere manier, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever. Voor zover het maken van kopieën uit deze uitgave is toegestaan op grond van artikel 16B Auteurswet 1912 j° het Besluit van 23 augustus 1985, Stbl. 471 en artikel 17 Auteurswet 1912, dient men de daarvoor wettelijk verschuldigde vergoedingen te voldoen aan Stichting Publicatie- en Reproductierechten Organisatie (PRO), Postbus 3060, 2130 KB Hoofddorp (www.stichting-pro.nl). Voor het overnemen van gedeelte(n) uit deze uitgave in bloemlezingen, readers en andere compilatiewerken (artikel 16 Auteurswet) dient men zich tot de uitgever te wenden. Voor meer informatie over het gebruik van muziek, film en het maken van kopieen in het onderwijs zie www.auteursrechtenonderwijs.nl. De uitgever heeft ernaar gestreefd de auteursrechten te regelen volgens de wettelijke bepalingen. Degenen die desondanks menen zekere rechten te kunnen doen gelden, kunnen zich alsnog tot de uitgever wenden.

Deze uitgave is volledig CO2-neutraal geproduceerd. Het voor deze uitgave gebruikte papier is voorzien van het FSC®-keurmerk. Dit betekent dat de bosbouw op een verantwoorde wijze heeft plaatsgevonden.

Analoge-techniek-2_bw.indb 2

9/09/2020 15:51

Inhoudsopgave 1 ATE08 Gelijkspanningsvoedingen

Introductie 8 Theorie 9 Kernvragen 9 Gelijkspanningsvoedingen 9 Opbouw lineaire gelijkspanningsvoeding 10 Voedingstransformatoren 11 Gelijkrichten 14 Middelpuntschakeling 19 Symmetrische gelijkspanningsvoeding 20 Samenvatting 21 Video 23 Begrippen 23 Theorieopdrachten 25 Opdrachten uit de praktijk 27 Evaluatie en reflectie 33 Checklist 33 Zelftoets 33

2 ATE09 Afvlakken bij gelijkspanningsvoedingen

Introductie 38 Theorie 39 Kernvragen 39 Ideale gelijkspanning 39 Afvlakken 40 Berekening rimpelspanning ΔU 41 Diodestromen 42 RC- en LC-filters 45 Samenvatting 46 Video 48 Begrippen 48 Theorieopdrachten 49 Opdrachten uit de praktijk 51 Evaluatie en reflectie 57 Checklist 57 Zelftoets 57

Analoge-techniek-2_bw.indb 3

9/09/2020 15:51

3 ATE10â&#x20AC;&#x201A; Spanningsstabilisatie bij lineaire voedingen 61 Introductie 62 Theorie 63 Kernvragen 63 Stabilisator 63 Stabilisatiefuncties 63 Spanningsstabilisatie met een zenerdiode 67 Spanningsstabilisatie met regulators met vaste uitgangsspanning 69 Spanningsstabilisatie met regulators met instelbare uitgangsspanning 72 Datasheet van een instelbare regulator 75 Samenvatting 76 Video 78 Begrippen 78 Theorieopdrachten 79 Opdrachten uit de praktijk 80 Evaluatie en reflectie 85 Checklist 85 Zelftoets 85

4 ATE11â&#x20AC;&#x201A; Schakelende voedingen (1)

Introductie 90 Theorie 91 Kernvragen 91 Adapter 91 Schakelende versus lineaire gelijkspanningsvoeding 91 Opbouw van een schakelende voeding 92 Step-down converter (buck converter) 93 Step-up converter (boost converter) 97 Inverting converter (buck-boost converter) 99 Samenvatting 102 Video 104 Begrippen 104 Theorieopdrachten 105 Opdrachten uit de praktijk 106 Evaluatie en reflectie 108 Checklist 108 Zelftoets 108

Analoge-techniek-2_bw.indb 4

9/09/2020 15:51

5 ATE12â&#x20AC;&#x201A; Koelen van halfgeleiders

111

Introductie 112 Theorie 113 Kernvragen 113 Koeling halfgeleiders 113 Thermische weerstand 113 Koelen met koelprofielen 116 Keuze koelprofiel 121 Koeling door middel van heatpipes 123 Samenvatting 125 Video 126 Begrippen 126 Theorieopdrachten 127 Opdrachten uit de praktijk 128 Evaluatie en reflectie 133 Checklist 133 Zelftoets 133

6 ATE13â&#x20AC;&#x201A; Ontwerpen van lineaire voedingen

137

Introductie 138 Theorie 139 Kernvragen 139 Ontwerpen lineaire gelijkspanningsvoeding 139 Specificaties van de transformator berekenen 139 Grootte van de afvlakcondensator berekenen 140 Berekenen van de componenten voor een lineaire gelijkspanningsvoeding 141 Keuze van de diodes 144 Berekenen werkspanning afvlakcondensator 145 Samenvatting 145 Video 146 Begrippen 146 Theorieopdrachten 147 Opdrachten uit de praktijk 148 Evaluatie en reflectie 158 Checklist 158 Zelftoets 158

Analoge-techniek-2_bw.indb 5

9/09/2020 15:51

7 ATE51â&#x20AC;&#x201A; Schakelende voedingen (2)

161

Introductie 162 Theorie 163 Kernvragen 163 Schakelende voedingen (2) 163 Fly-back convertor 163 Two-transistor forward converter 167 Full-bridge push-pull converter 170 Half-bridge push-pull converter 173 Componenten in een SMPS 174 Samenvatting 178 Video 180 Begrippen 180 Theorieopdrachten 181 Opdrachten uit de praktijk 183 Evaluatie en reflectie 188 Checklist 188 Zelftoets 188

Analoge-techniek-2_bw.indb 6

9/09/2020 15:51

ATE08

Gelijkspanningsvoedingen

Auteur A. de Bruin Eindredactie J. Gerrits

v1.0

Analoge-techniek-2_bw.indb 7

9/09/2020 15:51

ATE08 Gelijkspannings-voedingen Introductie

Introductie Storingen in een voeding voorspellen Door de steeds grotere vermogens van machines nemen voedingen steeds meer ruimte in. Daarnaast worden voedingen vaak ingebouwd in steeds vollere schakelkasten. Als zo’n voeding defect raakt is het serviceteam daardoor vaak uren bezig met het oplossen van de storing, en het repareren of vervangen van de voeding. Een machinebouwer zoekt altijd naar manieren om storingen te voorspellen en de uptime van een machine te verbeteren. Door een voeding goed zichtbaar te monteren kun je deze bijvoorbeeld gemakkelijker en sneller onderhouden. Daarnaast maakt ‘heartbeattechnologie’ preventief onderhoud op voedingen mogelijk. Een heartbeat-voeding heeft een IO-link-interface. Daarmee kan de voeding via ethernet communiceren met het modulaire I/O-systeem van de productielijn of de machine. Verder geven leds op de voeding de grootte van de belasting en de verwachte levensduur aan. Hierdoor kunnen onderhoudsmedewerkers de status van een voeding uitlezen en een eventuele storing (lang voordat deze optreedt) voorspellen. Bron: www.at-aandrijftechniek.nl

Figuur 1 Heartbeat-voeding met I/O-link-interface (Bron: balluf.com)

Oriënterende vraag

•

Waarom verkorten langdurige piekbelastingen de levensduur van een voeding?

Analoge-techniek-2_bw.indb 8

9/09/2020 15:51

ATE08 Gelijkspannings-voedingen Theorie

Theorie Kernvragen • In welke groepen kun je gelijkspanningsvoedingen indelen? • Uit welke componenten bestaat een gelijkspanningsvoeding? • Hoe werkt enkelzijdige en dubbelzijdige gelijkrichting? • Hoe werkt gelijkrichting met een transformator met midden-aftakking? • Hoe lees en gebruik je de datasheets van voedingstransformatoren? Gelijkspanningsvoedingen Geen enkel elektronisch apparaat werkt zonder voeding. De voeding voorziet het apparaat van de noodzakelijke spanning. Dit kan een wisselspanning of een gelijkspanning zijn. Een voeding is dus een belangrijk onderdeel. Je kunt zelfs stellen dat een apparaat zo goed is als zijn voeding. Een goed ontworpen apparaat met een slechte voeding werkt namelijk niet.

Figuur 2 Voedingen voor laptops en smartphones (Bron: Shutterstock / Mihancea Petru)

Om te bepalen welke gelijkspanningsvoeding geschikt is voor een elektronisch apparaat, moet je weten hoe zo’n voeding werkt en aan welke specificaties (eisen) de voeding moet voldoen.

Gelijkspanningsvoedingen Een gelijkspanningsvoeding moet voldoen aan specificaties die afhankelijk zijn van de toepassing. Een laboratoriumvoeding moet bijvoorbeeld aan hogere specificaties voldoen dan een acculader. In figuur 3a zie je een laboratoriumvoeding (1 - 30 V en 30 A) en in figuur 3b een schakelende voeding (500 VAoutput, VA = volt × ampère).

Figuur 3 Gelijkspanningsvoedingen

Analoge-techniek-2_bw.indb 9

9/09/2020 15:51

ATE08 Gelijkspannings-voedingen Theorie

Er zijn verschillende typen gelijkspanningsvoedingen:

• • •

batterijen en accu’s lineaire voedingen schakelende voedingen

Een schakelende voeding wordt vaak gebruikt om batterijen of accu’s op te laden. Schakelende voedingen hebben een kleine transformator. Ze hebben geen zware transformator nodig, omdat ze het vermogen transformeren bij een hoge frequentie. Een lineaire gelijkspanningsvoeding is vaak uitgevoerd met een zware (en dure) transformator. In figuur 4 zie je het principeschema van een ideale en een niet-ideale gelijkspanningsvoeding. Een ideale gelijkspanningsvoeding heeft de volgende eigenschappen:

• • •

De inwendige weerstand Ri is 0 Ω. De uitgangsspanning Uuit   is constant en onafhankelijk van de belasting. De uitgangsspanning Uuit   heeft geen rimpelspanning.

a ideaal

b niet-ideaal

Figuur 4 Principeschema gelijkspanningsvoeding (Bron: A. de Bruin)

In de praktijk is een voeding altijd niet-ideaal. Een niet-ideale gelijkspanningsvoeding   hangt daardoor af van de heeft een inwendige weerstand Ri . De uitgangsspanning Uuit grootte van de belastingsstroom Iuit   en de grootte van de weerstand    = U - Iuit    · Ri . Ook heeft de uitgangsspanning een (kleine) rimpelspanning. RL  : Uuit

Opbouw lineaire gelijkspanningsvoeding In figuur 5 zie je de opbouw van een lineaire gelijkspanningsvoeding. Deze bestaat uit een basisvoeding en een spanningsstabilisator. De basisvoeding zet de netspanning om in een niet-ideale gelijkspanning (gelijkspanning met een rimpelspanning). Door de basisvoeding uit te breiden met een stabilisator, wordt de rimpelspanning onderdrukt. Hierdoor benadert de uitgangsspanning een ideale gelijkspanning. Een basisvoeding bestaat uit de volgende componenten:

• • •

transformator gelijkrichter afvlakschakeling

Analoge-techniek-2_bw.indb 10

9/09/2020 15:51

ATE08 Gelijkspannings-voedingen Theorie

a (Bron: A. de Bruin)

b (Bron: ETI.nl / Conrad.com) Figuur 5 Opbouw van een lineaire gelijkspanningsvoeding

Voedingstransformatoren Een lineaire basisvoeding heeft een transformator aan de ingangszijde. Deze transformator zet de ingangsspanning (netspanning 230 V) om naar een lagere waarde. De transformator verlaagt niet alleen de ingangsspanning, maar vormt ook een galvanische scheiding tussen het elektriciteitsnet en de gelijkrichter. De printtransformator (zie figuur 6a) wordt gebruikt in voedingen met een laag uitgangsvermogen (60 VA). De ringkerntransformator (zie figuur 6b) kom je onder andere tegen in voedingen met een hoog uitgangsvermogen (3000 VA).

Figuur 6 Transformatoren

Printtransformatoren In figuur 7 zie je een datasheet van een printtransformator met een afgegeven vermogen van 16 VA. In deze datasheet vind je een aantal kenmerken van deze transformator:

• •

Rated input voltage De effectieve primaire spanning van de transformator. Rated output voltage De effectieve secundaire spanning.

Analoge-techniek-2_bw.indb 11

9/09/2020 15:51

ATE08 Gelijkspannings-voedingen Theorie

• •

•

Rated power Het afgegeven vermogen van de transformator in VA(volt × ampère). No-load voltage In onbelaste toestand is de secundaire spanning van de transformator hoger dan bij maximale belasting. Dit wordt aangegeven door de no-load voltagefactor. Deze factor is voor de VCM16-transformator 1,24. No-load loss (typ) No-load loss is het gemiddelde verlies van de transformator in onbelaste toestand. Dit verlies is 1,80 W.

Figuur 7 Gedeelte datasheet van een printtransformator (Bron: Block Transformers Electronics GmbH)

De transformator van figuur 7 heeft twee wikkelingen aan de secundaire kant. Deze wikkelingen zijn afzonderlijk of geschakeld te gebruiken (serie of parallel). Zie figuur 8.

a printtransformator

b wikkelingen in serie schakelen

c wikkelingen parallel schakelen

Figuur 8 Schakelen van wikkelingen bij een transformator (Bron: Elin.com /A. de Bruin)

De zwarte stip bij de secundaire wikkelingen geeft de wikkelzin aan. De wikkelzin is de faserelatie tussen de wikkelingen onderling. De spanningen op de aansluitingen met de zwarte stip zijn onderling in fase. De secundaire spanningen moeten onderling in fase zijn als deze gecombineerd worden gebruikt. Als de twee wikkelingen in serie worden geschakeld, geldt voor de secundaire spanning:    + Usec_2   Usec    = Usec_1 Als de twee wikkelingen parallel worden geschakeld, is de secundaire spanning gelijk aan de spanning van één wikkeling. De afgegeven stroom kan in dat geval twee keer zo groot zijn.

Analoge-techniek-2_bw.indb 12

9/09/2020 15:51

ATE08 Gelijkspannings-voedingen Theorie

Ringkerntransformatoren Ringkerntransformatoren worden gebruikt in voedingen met een groot uitgangsvermogen. Ze zijn duur vanwege de toegepaste techniek bij het wikkelen van de spoelen. Een ringkerntransformator heeft ook een aantal voordelen:

• • •

De verliezen in de transformator zijn klein. Het rendement is hoog. De transformator heeft een klein magnetisch strooiveld.

Vanwege deze voordelen worden ringkerntransformatoren vaak toegepast in laboratoriumvoedingen en in voedingen van eindversterkers.

Figuur 9 Ringkerntransformator in de voeding van een eindversterker (Bron: JCV Kenwood)

In figuur 10 zie je een deel van de datasheet van een ringkerntransformator. Daarin vind je dezelfde kenmerken als in de datasheet van een printtransformator.

Figuur 10 Datasheet van een ringkerntransformator (Bron: Block Transformers Electronics GmbH)

De primaire zijde van de transformator heeft twee wikkelingen (2 × 115 VAC). Als je de wikkelingen in serie schakelt, kun je de transformator aansluiten op een netspanning van 230 V.

Analoge-techniek-2_bw.indb 13

9/09/2020 15:51

ATE08 Gelijkspannings-voedingen Theorie

De secundaire zijde heeft ook twee wikkelingen die elk 18 Vafgeven. De no-load voltagefactor is 1,08. De onbelaste uitgangsspanning van één secundaire wikkeling is dan 1,08 × 18 V = 19,44 V. Het uitgangsvermogen is 120 VA. Per secundaire wikkeling is dit 60 VA. De maximale     = 3,33 A. stroom die één secundaire wikkeling mag leveren is dan ______   60 VA 18 V De verliezen in onbelaste toestand (no-load loss) zijn zeer klein: slechts 1 W. Het rendement van deze transformator bij maximale belasting is 91%. Het opgenomen 120 VA       ). vermogen van deze transformator bij maximale belasting is dan 132 VA ( ______ 0,91

Praktijkvoorbeeld: Datasheet van een printtransformator lezen Gegeven De datasheet van een transformator VCM16/2/8 in figuur 7. Gevraagd a Wat betekent de code 16/2/8? b Hoe groot is de secundaire onbelaste spanning? c Hoe groot mag de secundaire stroom maximaal zijn? Oplossing a De code 16/2/8 betekent dat het secundaire vermogen 16 VAis en de secundaire spanning 2 × 8 V. Er zijn twee secundaire wikkelingen. b De onbelaste secundaire spanning van één wikkeling is 1,24 × 8 V = 9,92 V. P 

16 VA sec c De secundaire stroom Isec    =  ____     =  ______     = 1 A. U  16 V sec

Gelijkrichten Gelijkrichten is het omzetten van een wisselspanning in een gelijkspanning. De secundaire spanning van de voedingstransformator wordt door een of meer diodes gelijkgericht. Er is enkelzijdige gelijkrichting en dubbelzijdige gelijkrichting.

Enkelzijdige gelijkrichting In figuur 11 zie je een schakeling voor enkelzijdige gelijkrichting. Bij enkelzijdige gelijkrichting wordt één deel van een wisselspanning omgezet in een gelijkspanning.

Figuur 11 Enkelzijdige gelijkrichting (Bron: A. de Bruin)

De diode laat het positieve deel (1) van de secundaire spanning Usec   door. De spanning UD   over de diode is dan gelijk aan UF  (doorlaatspanning). Bij het negatieve deel (2) van de secundaire spanning Usec   blokkeert de diode de spanning. De diode staat dan in de sperrichting. Er loopt dan geen stroom en er is 14

Analoge-techniek-2_bw.indb 14

9/09/2020 15:51

ATE08 Gelijkspannings-voedingen Theorie

geen spanning over belasting RL  . De spanning UD   over de diode is dan gelijk aan de topwaarde van de secundaire spanning Usec   . De belasting RL  (L = load) is een apparaat dat een gelijkspanning krijgt. De herhalingsfrequentie van de spanning URL   is gelijk aan de frequentie van de netspanning. Voor de topwaarde van de spanning URL   over belasting RL  in figuur 11 geldt: URL_top    = Usec_top    - UD   URL_top   topwaarde van de spanning URL   over de belasting RL  na gelijkrichting in V _

Usec_top   topwaarde van de secundaire spanning Usec   in V (Usec_top    = Usec    · √ 2 )  UD  

spanning over de diode in V(in dit geval: UD    = UF  )

bij Als je deze waarden invult, geldt voor de topwaarde van de spanning URL_top   enkelzijdige gelijkrichting: _

 = Usec    · √ 2  - UF  URL_top

Dubbelzijdige gelijkrichting Bij dubbelzijdige gelijkrichting zet je het positieve en het negatieve deel van een wisselspanning om in een gelijkspanning. De vier diodes in de schakeling van figuur 12 noem je een diodebrug. Een diodebrug zet een wisselspanning om in een gelijkspanning.

a positieve helft van Usec

b negatieve helft van Usec Figuur 12 Diodebrug

Tijdens periodehelft 1 van Usec   is punt a positief ten opzichte van punt b. De diodes D1  en D4  geleiden, terwijl de diodes D2  en D3  in de sperrichting staan. Tijdens periodehelft 2 van Usec   is punt b positief ten opzichte van punt a. De diodes D2  en D3  geleiden, terwijl diode D1  en D4  in de sperrichting staan. In beide gevallen gaat de stroom IRL   in dezelfde richting door de belasting RL  . Conclusie:

•

Per periodehelft van de wisselspanning geleiden er twee diodes. 15

Analoge-techniek-2_bw.indb 15

9/09/2020 15:51

ATE08 Gelijkspannings-voedingen Theorie

• • •

Het spanningsverlies in een diodebrug is daardoor 2 × UF  . De topwaarde van _de spanning URL   bij dubbelzijdige gelijkrichting is:  = Usec    · √ 2  - 2 · UF  . URL_top   De frequentie van de spanning URL   is 100 Hz(bij een netfrequentie van 50 Hz). Dit is twee keer de frequentie van de netspanning.

In figuur 13 zie je de spanning over RL  als functie van de tijd.

Figuur 13 Spanning over RL (Bron: A. de Bruin)

In figuur 14 is de diodebrug op twee andere manieren getekend. De werking blijft hetzelfde.

b als ruit getekend

a gekruist getekend

Figuur 14 Andere tekenwijzen van een diodebrug (Bron: A. de Bruin)

Bruggelijkrichter Voor een diodebrug worden meestal geen losse diodes gebruikt. De vier diodes worden ondergebracht in een vaste behuizing. Dit noem je een bruggelijkrichter.

a kunststof behuizing

b metalen behuizing

c symbool

Figuur 15 Bruggelijkrichter (Bron: A. de Bruin)

Een bruggelijkrichter heeft vier aansluitingen:

• •

twee aansluitingen voor de wisselspanning (~of AC); twee aansluitingen waarvan de gelijkspanning wordt afgenomen (+en -). 16

Analoge-techniek-2_bw.indb 16

9/09/2020 15:51

ATE08 Gelijkspannings-voedingen Theorie

De opdruk van de bruggelijkrichter in figuur 15a betekent het volgende:

• • • •

B: dit betekent gelijkrichter (bridge). 500: dit is de maximale waarde van de wisselspanning. 7000: dit is de maximale waarde van de stroom (7000 mA) als de brug op een koelprofiel is geplaatst. In de datasheet wordt dit aangegeven met chassis mounting. 4000: dit is de maximale waarde van de stroom (4000 mA) als de brug niet op een koelprofiel is geplaatst. In de datasheet wordt dit aangegeven met natural cooling.

In figuur 15b zie je een bruggelijkrichter voor grote stromen. Deze hebben meestal een metalen behuizing. Deze behuizing kan de warmte beter afvoeren met behulp van een koellichaam.

Praktijkvoorbeeld: Spanningsvormen bij enkelzijdige gelijkrichting Gegeven De schakeling van figuur 16. De doorlaatspanning UF  van de diode is 0,7 V. De secundaire spanning Usec   van de transformator is 15 V.

Figuur 16 Schakeling met één diode (Bron: A. de Bruin)

Gevraagd a Welke waarde geeft voltmeter V aan? b Bereken de topwaarde van de spanning URL   . c Teken op schaal de spanningen URL   en UD   als functie van de tijd. d Waarom is de spanning URL   een gelijkspanning? Oplossing a De voltmeter geeft 15 Vaan. Dit is de effectieve waarde van de secundaire spanning van de transformator. b V oor de topwaarde_van URL   (de diode staat dan in _ de doorlaatrichting) geldt: √ √   = U sec  ·   2  -    UF    → U RL_top = 15 V ×   2  - 0,7 V = 20,5 V   URL_top   c Bij de positieve helft van Usec   staat de diode in de doorlaatrichting, URL_top    = 20,5 V (zie onderdeel b). Bij de negatieve helft van Usec   laat de diode geen stroom door (sperrichting).   komt dan De spanning URL   over de belasting is 0 V. De negatieve _ helft van Usec √  = 15 V ×   2  = 21,2 V volledig over de diode te staan. UD_top   De periodetijd van de spanning URL   is gelijk aan de periodetijd van de netspanning: 1 1     =  _____  −1  = 0,02 s = 20 ms   T =  __ f 50 s 

d In figuur 17 zie je deze waarden weergegeven. 17

Analoge-techniek-2_bw.indb 17

9/09/2020 15:51

ATE08 Gelijkspannings-voedingen Theorie

Figuur 17 Spanningsvormen bij eenzijdige gelijkrichting (Bron: A. de Bruin)

e De spanning URL   is een gelijkspanning, omdat de polariteit van de spanning steeds hetzelfde is.

Praktijkvoorbeeld: Spanningsvormen bij dubbelzijdige gelijkrichting Gegeven De schakeling van figuur 18. De netspanning is 230 Vmet een frequentie van 50 Hz. De secundaire spanning van de transformator is 15 V. De doorlaatspanning UF  van een diode is 0,7 V.

Figuur 18 Schakeling met diodebrug (Bron: A. de Bruin)

Gevraagd Teken op schaal de spanning URL   als functie van de tijd. Oplossing Bereken eerst de topwaarde van Usec   : _

Usec_top     = Usec     · √ 2  →    Usec_top    = 15 V × √ 2  = 21,2 V   Tijdens de positieve en negatieve helft van de secundaire spanning geleiden er telkens twee diodes. Het spanningsverlies over deze diodes is dan: 2 × 0,7 = 1,4 V. De topwaarde van URL   wordt dan: URL_top     = U sec_top - 2 · UF    → U RL_top = 21,2 V - 1,4 V = 19,8 V De periodetijd T van de spanning URL   is gelijk aan de halve periodetijd van de netspanning, namelijk 10 ms. In figuur 19 zie je de spanning URL   als functie van de tijd op schaal getekend. 18

Analoge-techniek-2_bw.indb 18

9/09/2020 15:51

ATE08 Gelijkspannings-voedingen Theorie

Figuur 19 Spanningsvorm URL = ƒ(t) (Bron: A. de Bruin)

Middelpuntschakeling Een diodebrug heeft vier diodes om gelijk te richten. Je kunt een wisselspanning ook gelijkrichten met twee diodes en een transformator met een middenaftakking. Dat heet een middelpuntschakeling.

a positieve deel van Usec

b negatieve deel van Usec Figuur 20 Middelpuntschakeling (Bron: A. de Bruin)

Door de spanning Ua  geleidt diode D1  in het positieve deel van de secundaire spanning. De spanning Ub  levert in deze periode geen stroom aan de belasting, omdat diode D2  spert. Door de spanning Ub  geleidt diode D2  in het negatieve deel van de secundaire spanning. De spanning Ua  levert in deze periode geen stroom aan de belasting, omdat diode D1  spert. Een middelpuntschakeling wordt alleen gebruikt in voedingen met een laag vermogen. Een voordeel van deze schakeling is het lagere spanningsverlies over de diodes. Er is namelijk maar één diode per sinushelft nodig voor de gelijkrichting. Het toepassen van de middelpuntschakeling bij grote stromen is nadelig voor de belasting van de transformator. Per sinushelft van de secundaire spanning wordt maar één deel van de secundaire wikkelingen gebruikt. De transformator wordt daardoor asymmetrisch belast.

Analoge-techniek-2_bw.indb 19

9/09/2020 15:51

ATE08 Gelijkspannings-voedingen Theorie

Praktijkvoorbeeld: Spanningsvormen bij een middelpuntschakeling Gegeven De middelpuntschakeling van figuur 21. De netspanning is 230 Vmet een frequentie van 50 Hz. De secundaire spanning van de transformator is 2 × 12 V. De doorlaatspanning UF  van een diode is 0,7 V.

Figuur 21 Middelpuntschakeling (Bron: A. de Bruin)

Gevraagd Teken op schaal de spanning URL   als functie van de tijd. Oplossing

De topwaarde van Usec    → Usec_top    = 12 V × √ 2  = 17 V. De topwaarde van URL    → URL_top    = Usec_top    - UF   = 17 V - 0,7 V = 16,3 V. De periodetijd T van de spanning URL   is gelijk aan de halve periodetijd van de netspanning, namelijk 10 ms. In figuur 22 zie je de spanning URL   als functie van de tijd op schaal getekend.

Figuur 22 Spanningsvorm URL = ƒ(t) (Bron: A. de Bruin)

Symmetrische gelijkspanningsvoeding In veel elektronische schakelingen kom je meer dan één voedingsspanning tegen. Zo zijn er gelijkspanningsvoedingen met een positieve en een negatieve uitgangsspanning. Bij deze gelijkspanningsvoedingen heeft één aansluiting een positieve potentiaal ten opzichte van een gemeenschappelijke aansluiting en één aansluiting een negatieve potentiaal ten opzichte van een gemeenschappelijke aansluiting. De gemeenschappelijke aansluiting wordt meestal de common genoemd. Als beide spanningen gelijk zijn, noem je dit een symmetrische gelijkspanningsvoeding.

Analoge-techniek-2_bw.indb 20

9/09/2020 15:51

ATE08 Gelijkspannings-voedingen Theorie

Figuur 23 Opbouw symmetrische voeding (Bron: A. de Bruin)

In figuur 24 zie je de twee meest gebruikte principes voor het samenstellen van een symmetrische gelijkspanningsvoeding. Als de voedingstransformator twee gescheiden secundaire wikkelingen heeft, wordt het schema in figuur 24a gebruikt. In figuur 24b zie je een schema voor een transformator zonder gescheiden wikkelingen aan de secundaire zijde.

a gescheiden secundaire wikkelingen

b secundaire wikkelingen niet gescheiden

Figuur 24 Symmetrische voedingen (Bron: A. de Bruin)

Samenvatting Typen gelijkspanningsvoedingen:

• • •

batterijen en accu’s lineaire voedingen schakelende voedingen

Blokschema basisvoeding

Figuur 25 Blokschema en componenten basisvoeding (Bron: A. de Bruin)

Analoge-techniek-2_bw.indb 21

9/09/2020 15:51

ATE08 Gelijkspannings-voedingen Theorie

Een lineaire gelijkspanningsvoeding bestaat uit:

•

een basisvoeding die is opgebouwd uit een: − transformator; − gelijkrichter; − afvlakschakeling.

•

een spanningsstabilisator.

Transformator De transformator zet de netspanning om naar een lagere waarde. De transformator vormt ook een galvanische scheiding tussen het elektriciteitsnet en de gelijkrichtschakeling.

Gelijkrichter De gelijkrichter zet een wisselspanning om in een gelijkspanning. Gelijkrichting kan op de volgende manieren plaatsvinden:

• • •

enkelzijdig dubbelzijdig (vier diodes, bruggelijkrichter) dubbelzijdig (twee diodes, middelpuntschakeling)

Enkelzijdige gelijkrichting

Figuur 26 Enkelzijdige gelijkrichting (Bron: A. de Bruin) _

URL_top    = Usec    · √ 2  - UF 

URL_top   topwaarde van de spanning over belasting RL  na gelijkrichting in V UF 

doorlaatspanning over de diode in V

Dubbelzijdige gelijkrichting

Figuur 27 Dubbelzijdige gelijkrichting (Bron: A. de Bruin) _

URL_top    = Usec    · √ 2  - 2 · UF 

Analoge-techniek-2_bw.indb 22

9/09/2020 15:51

ATE08 Gelijkspannings-voedingen Theorie URL_top   topwaarde van de spanning over belasting RL  na gelijkrichting in V UF 

doorlaatspanning over de diode in V

Middelpuntschakeling

Figuur 28 Middelpuntschakeling (Bron: A. de Bruin) _

URL_top    = Usec    · √ 2  - UF 

URL_top   topwaarde van de spanning over belasting RL  na gelijkrichting in V UF 

doorlaatspanning over de diode in V

Symmetrische gelijkspanningsvoeding

a gescheiden secundaire wikkelingen

b secundaire wikkelingen niet gescheiden

Figuur 29 Symmetrische voedingen (Bron: A. Bruin)

Video Bekijk de video over schakelende en lineaire gelijkspanningsvoedingen: https://qr.linktm.nl/purl-1354. Bekijk de video over lineaire gelijkspanningsvoedingen: https://qr.linktm.nl/purl-1355. Bekijk de video over enkelzijdige en dubbelzijdige gelijkrichters: https://qr.linktm.nl/purl-1356.

Begrippen Bruggelijkrichter

Diodebrug die is ondergebracht in een behuizing.

Diodebrug

Schakeling met vier diodes waarmee je een wisselspanning kunt gelijkrichten.

Dubbelzijdige gelijkrichting

Het positieve en het negatieve deel van een wisselspanning omzetten in een gelijkspanning.

Enkelzijdige gelijkrichting

Eén deel van een wisselspanning omzetten in een gelijkspanning. 23

Analoge-techniek-2_bw.indb 23

9/09/2020 15:51

ATE08 Gelijkspannings-voedingen Theorie

Gelijkrichten

Omzetten van een wisselspanning naar een gelijkspanning.

Ideale gelijkspanningsvoeding

Gelijkspanningsvoeding zonder inwendige weerstand.

Middelpuntschakeling

Schakeling met twee diodes en een transformator met een middenaftakking, wordt gebruikt om een wisselspanning gelijk te richten.

Niet-ideale gelijkspanningsvoeding

Gelijkspanningsvoeding met inwendige weerstand.

Voeding

Elektronische component die de spanning verzorgt in een apparaat.

Wikkelzin

Onderlinge faserelatie van de wikkelingen van een transformator.

Analoge-techniek-2_bw.indb 24

9/09/2020 15:51

ATE08 Gelijkspannings-voedingen Theorieopdrachten

Theorieopdrachten 1

Noem drie kenmerken van een ideale gelijkspanningsvoeding. Drie kenmerken:

• • •

Teken in figuur 30 de grafiek URL    = f(IRL   ).

Figuur 30 Schema niet-ideale voeding (Bron: A. de Bruin)

Teken in figuur 31 de grafiek URL    = f(t)     .

Figuur 31 Schema niet-ideale voeding (Bron: A. de Bruin)

Analoge-techniek-2_bw.indb 25

9/09/2020 15:51

mb o

LEERWERKBOEK NIVEAU 3&4

TOUCHTECH

Analoge techniek 2 LEERWERKBOEK

Analoge techniek 2

Auteur: A. de Bruin Eindredactie: J. Gerrits

9 789006 701401

Analoge-techniek-2_omslag.indd All Pages

9/09/2020 15:57