SMPS 110 V, 1 A

Deze voeding levert een uitgangsspanning van 110 V en kan een stroom van 1 A leveren. De uitgang is continu kortsluitvast en de stroombegrenzing is ingesteld op 1,1 A.

Inleiding

Dit ontwerp moest in korte tijd ontworpen en getest zijn. Daarom zijn componenten gebruikt die of op voorraad waren of die op korte termijn beschikbaar waren. Hierdoor zijn niet overal de meest geschikte componenten gebruikt. Het meest opvallend is het gebruik van de UC3842. Dit is een "current feedback" IC, en is niet echt op zijn plaats in en forward-convertor. Voor dit IC is gekozen omdat deze bij de locale onderdelen handel op de plank lag. En zover ik in de beperkte tijd kon nagaan, de enige die een uitgang had die een duty-cycle kan leveren tot tegen de 100%.

De schakeling

De uitgangsspanning van de nettrafo wordt gelijkgericht en afgevlakt met B1 en C2. C1 is toevoegt om de stroompieken op te vangen. De omvormer zelf werkt volgens het Forward principe. T1 en D1 zijn de schakel elementen, en L1 en C4, C5 is het uitgangsfilter. T1 wordt met een pulsbreedte modulatie signaal gestuurd. Op het knooppunt T1-D1 staat een blokspanning met een amplitude van 160 V. Dit wordt gefilterd met L1, C4 en C5, en op de uitgang staat de gemiddelde spanning van de blokgolf. Het snubbernetwerk R2, C3 onderdrukt de piekspanningen.
De uitgangsspanning wordt via de deler R4, P1 afgenomen en wordt via R8 aangeboden op de feetback ingang van de UC3842. R9 en C8 zorgen voor een rustige werking en voorkomen oscillaties. De onderdelen R7, C9, D4, D5 zorgen ervoor dat na het inschakelen de uitgangsspanning langzaam opkomt (250 ms).
De oscillatie frequentie van c.a. 90 kHz is ingesteld met R10 en C13. Op pen 4 is een min of meer zaagtandvormige spanning beschikbaar. Deze wordt gebufferd door emmitervolger T1 en teruggevoerd op de Isence ingang via spanningsdeler R11/R12. Bij deze spanning wordt de gemeten stroom via shunt R3 en filter R13, C14 opgeteld om zodoende een stroombegrenzing te creëren.
Het PWM signaal wordt via C7 aangeboden op N1 van Tr2. Aan de secundaire kant zorgen C6, D2 en D3 er voor dat de gate-source spanning altijd +/- 15 V is ongeacht de duty-cycle van het PWM signaal.
R1, C10, C11, D6 verzorgen de voedingsspanning voor de UC3842.

Bouw

Hou de verbindingen zo kort als mogelijk is. Dit geld speciaal voor het vermogens deel.
Alle onderdelen die met de massa verbonden zijn, moeten verbonden worden met een gemeenschappelijk sterpunt. Dit is van belang voor de kwaliteit van de uitgangsspanning en de stabiliteit van de schakeling.
De MOSFET IRF840 moet voorzien worden van een klein koellichaam van 14 K/W, bv SK104/38. Koeling voor de BYV29-500 is niet nodig.

Zorg ervoor dat als de voeding wordt ingebouwd er voldoende verse lucht langs de componenten kan stromen. De proefopstelling was open opgebouwd zodat lucht vrijelijk om de componenten kon stromen. Enkele temperaturen bij een omgevingstemperatuur van 23 °C en een uitgangsstroom van 975 mA: De spoel bereikt een temperatuur van 80 °C ,weerstand R1 ca 180 °C, T1 ca 48 °C, D1 ca 65 °C.

Spoel L1

Hoewel er een kant en klare spoel 340 µ, 2,5 A spoel te koop is raad ik aan deze niet te gebruiken. Deze spoel heeft een wikkeling over meerdere lagen waarvan ik de isolatie hiertussen niet vertrouw. De spoel die ik gebruikt heb is een omgewikkelde kant en klaar 175 µ, 4 A spoel. (Hierbij is het eigenlijk onduidelijkheden wat ik nu eigenlijk in de winkel gekregen heb. Het zakje vermelde 2,5 A, 160 µ, en de bon 4 A, 175µ.) In ieder geval is de kern als volgt herkenbaar: Kern: D=27, d=14, h=11 De kleur van de lak aan de binnen en buitenzijde is groen. De boven en onderzijde hebben beide een andere kleur nl: rood en donker blauw/groen. De kern was bewikkeld met 55 windingen met een draaddiameter van 0,85 mm.

Verwijder eerst de wikkeling van de kant en klaar spoel.
Herwikkel: Leg 80 windingen strak naast elkaar over de kern. Als op de laatste 2 ´ 3 windingen na de spoel gewikkeld is, moet over het laatste eind draad een isolatie kousje geschoven worden waarna de laatste wikkelingen gelegd kunnen worden. Gebruik een goed passend kousje dat niet te dik is en waarvan je zeker bent dat dit temperaturen over de 100 °C kan weerstaan zonder dat het week wordt. Voor het wikkelen moet koperlakdraad met een diameter van 0,5 mm gebruikt worden. Als netjes gewikkeld is moet dit net passen.

Transformator Tr2

In het prototype is en kern van het materiaal 3E2 gebruikt. D=23, d=14, h=7. Dit materiaal is in een ver verleden door Philips geproduceerd. Een vervangend kernmateriaal is 3E25. Type number: TN23/14/7-3E25 Philips 11NC nummer: 43300303716. Deze is te verkrijgbaar bij Farnell. Trouwens, het Philips kernmateriaal is overgenomen door Ferroxcube.

Op deze kern moet als eerste de secundaire (=n2) wikkeling worden gelegd. Deze telt 40 windingen en hiervoor is koperlakdraad met een diameter van 0,35 mm gebruikt. Verdeel de windingen mooi over de hele lengte van de kern.
Vervolgens kan de primair wikkeling (=n1) worden gelegd. Deze is gewikkeld van draad met PVC isolatie. Ik haal deze uit meeraderige telefoon/alarminstallatie kabel, maar vergelijkbaar montagedraad is natuurlijk ook goed. Diameter koper is 0,5 mm, en met isolatie 0,9 mm. Leg met deze draad 30 windingen mooi verdeeld over de hele lengte van de kern. En met het start en eindpunt tegenover die van n2.

Hou van elke wikkeling goed in de gaten hoe de polariteit is. Dit wil zeggen: De aansluitdraden van verschillende wikkelingen hebben dezelfde polariteit als deze dezelfde wikkelrichting hebben. Dit is in het schema aangegeven met de punt bij elke wikkeling.

Afregelen

Het instellen van de uitgangsspanning gebeurt met P1. Zet deze voordat de voeding voor het eerst ingeschakeld wordt in de middenstand.
LET OP: Als de loper te ver richting massa wordt gedraaid zal de uitgangsspanning ook maximaal worden (160 V) en ongestabiliseerd.

Aanvullingen

Zoals bij elke schakelende voeding worden er door de steile schakelflanken veel hogere harmonischen opgewekt. Het is daarom verstandig om een netfilter aan de 230 V~ kant op te nemen.

Om de inschakelstroom te beperken is het verstandig om een NTC aan de secundaire zijde van de nettrafo op te nemen.

Modificatie

Deze modificaties zijn niet getest!

Deze voeding is eenvoudig om te bouwen tot een regelbare voeding van 2,5 tot 110 V. Vervang R4 en P1 door de schakeling hiernaast. D1 moet in deze situatie voorzien worden van een klein koellichaam. Over het hele uitgangsspanningsbereik is de voeding met de maximum stroom van 1 A te belasten.

De voeding voor de regelelektronica neemt een vermogen van 6,3 W op. De regelelektronica zelf heeft slechts 0,66 W nodig, De rest wordt verstookt in R1 en D6. Met de hieronder staande modificatie ter vervanging van R1 en D1 wordt het opgenomen vermogen gereduceerd tot 3 W.

Prestaties

Gemeten bij Uin= 115 VAC 50 Hz, Uout= 108 VDC Iout=975 mADC
Alle gemeten waarden zijn RMS-waarden, tenzij anders aangegeven.
Stroombegrenzing: 1,1 A
Rimpelspanning (Iout=804 mA): 50 Hz component 50 mVtt, 88 kHz component 163 mVtt.
Rimpelspanning (Iout=975 mA): 50 Hz component 1,5 Vtt, 88 kHz component 1,4 Vtt.
Load regulation: 290 mA/842 mA 113 V/ 110V, geen over en onder pulsspanning.
Rendement (gemeten zonder trafo): 86 %

Als de verbeterde stuurspanningsvoeding wordt gebruikt zal het rendement op ongeveer 88 % komen te liggen.

Hoewel de voeding kortsluitvast is, en de stroombegrensd is op 1,1 A, moet kortsluiten vermeden worden. Dit is zeer ongezond voor de uitgangselco.