1.2.11 Strømforsyning

Enten det dreier seg om forsterkere eller annet analogt eller digitalt utstyr, må all elektronikk drives av stabil likespenning for å kunne fungere optimalt. Denne kan man eksempelvis få fra batterier, fra solcellepanel eller en strømforsyning som omgjør vekselstrøm fra 230V-nettet til likestrøm og likespenning. Hvis spenningen fra batteriet kan brukes slik den er, trenger vi vanligvis ingen ekstra krets. Men dersom man ønsker en lavere spenning enn selve batterispenningen, kan dette enkelt gjøres ved hjelp av spenningsdeler og zenerdiode.

I dette kapittelet skal vi spesielt ta for oss likeretting av vekselstrøm og hvordan en strømforsyning basert på vekselstrøm fra strømnettet kan bygges og fungerer. Den gir ut en konstant og stabil likespenning selv om belastningen på utgangen varierer.

Transformator

Enveislikeretter

Toveislikeretter

Stabilisering

Regulatorer

Figuren viser et eksempel med 10 volt inn og 5 volt ut. Ved hjelp av R6 kan vi justere spenningen ut.

Virkemåte

Dette er en spenningsregulator med 10 volt inn og 5 volt ut. Spenningen på 3,1 volt på emitter Q2 holdes konstant ved hjelp av zenerdioden D1. Motstandene R7, R6 og R9 lager en spenningsdeler, og ved hjelp av R6 kan en bestemme spenningen inn på bas Q2. På denne måten kan en kontrollere strømmen i Q2. Øker spenningen inn på bas Q2, øker bas-/ emitterspenningen og kollektorspenningen synker. Dette fører til at forspenningen til Q1 blir mindre, og spenningen ut synker.

Spenningsregulator

Når vi kjenner zenerspenningen, kan vi beregne maksimum og minimum spenning som regulatoren gir ut.

Vi bruker regulator for at spenningen til lasten skal holdes konstant. Øker belastningen (RL blir mindre), øker også strømmen gjennom lasten, og spenningen ut begynner å synke. Da synker basspenningen på Q2, noe som gjør at basspenningen på Q1 øker, og strømmen gjennom transistor Q1 øker. Dermed holdes spenningen ut konstant. I figuren er strømmen i lasten 19 mA med belastning på 300 Ω, og spenningen ut er 5 volt. Spenningen over bas/emitter på Q2 er 0,741 volt.

På figuren er belastningen forandret til 100 ohm. Spenningen ut synker til 4,991 volt. Dette gjør at bas/emitter spenningen på Q2 synker til 0,734 volt, og strømmen gjennom Q2 minker. Spenningen bas/emitter Q1 øker, som igjen gjør at strømmen gjennom Q1 øker. Dette er med på å holde spenningen konstant.

Beskyttelseskrets

For å sikre kretsene som strømforsyningen skal levere strøm til, er det vanlig å benytte glassikringer. Ulempen med en slik løsning er at det kan ta lang tid før sikringen bryter strømmen. Dette gjør at mye følsom elektronikk kan bli ødelagt. Med en elektronisk sikring kan en bryte strømmen så raskt at skaden ikke rekker å gjøre skade på resten av elektronikken.

Figuren er den samme serieregulatoren med instrumenter. Strømbegrenseren består av Q2 og er med på å begrense strømmen i belastningen. Blir strømmen i lasten for stor, begynner spenningen over R3 å øke. Dette gjør at spenningen ut synker. Samtidig øker spenningen inn på base på Q2, transistoren åpner, og spenningen på bas Q1 synker. Strømmen ut har ikke lenger mulighet til å øke, og maks strøm i denne kretsen er 230 mA.

Ut fra tabellen ser en at når belastningen er nede i 1 ohm, er Q3 sperret, og det er Q2 som er med og stenger Q1. Uten en slik beskyttelse ville strømmen ha muligheter til å øke.

Overspenningsvern

Noen strømforsyninger bruker tyristor som overspenningsvern. Tyristoren virker slik at skal den lede strøm, må anoden være positiv i forhold til katoden. Samtidig må det gå en strøm i styreelektroden. Bryter vi styrestrømmen til tyristoren, vil den fortsette å lede helt til anodespenningen faller under et visst nivå. En må altså bryte anodespenningen for å bryte strømmen i tyristoren.

I figur 5 er det D2 som er strømbegrenser. Skulle strømmen gjennom lasten overstige det som er forsvarlig, for eksempel ved en kortslutning i lasten, vil det oppstå en spenning inn på styreelektroden til D2. Denne vil åpne, og bas på Q2 legges lav, noe som gjør at spenningen ut til lasten blir 0 volt. På denne måten har vi spart elektronikken som strømforsyningen skal levere til, for høye strømmer.

Ulempen med denne er at når kortslutningen forsvinner, må vi fjerne spenningen inn før vi får spenning til lasten igjen. Dette fordi tyristoren vil være ledende helt til strømmen i den går under minsteverdien, det vi ofte kaller tyristorens holdestrøm. D4, som også er en tyristor, er en overspenningsbeskytter. Her bruker vi en zenerdiode på 24 volt som referanse.

Det vil ikke bli noe spenning inn på styreelektroden, før spenningen ut overstiger 24 volt. Skulle dette skje, vil vi få en positiv spenning inn på elektroden, og tyristoren tenner. Dette gjør at utgangen kortsluttes, og D2 tenner. For å starte strømforsyningen igjen må en fjerne spenningen inn. I dette tilfellet 24 volt.

Strømforsyning med operasjonsforsterker

Det å bruke en operasjonsforsterker i spenningsregulator er en måte å holde en konstant spenning ut på. I dette tilfellet er det zenerdioden D2 som låser den ikke-inverterte inngangen til 7,5 volt. Siden det ikke er noen strøm inn i forsterkeren, vil spenningen på den inverterte inngangen også være 7,5 volt.

Dette gjør da at spenningen over R7 vil være 7,5 volt, og når R7 og R6 er like store, vil spenningen ut være 15 volt. Øker belastningen, noe som gjør at strømmen i lasten øker, vil spenningen inn på den inverterende inngangen synke. Dette vil føre til at utgangen på LM741 øker, og det vil gå større strøm i Q2. Slik holdes spenningen konstant, selv med varierende belastning. Q1 utgjør strømbegrenseren og vil åpne hvis det skulle oppstå en kortslutning i belastningen. Dette vil føre til at Q2 vil sperre.

Switched-Mode Power Supply

En svitsjet kraftforsyning har fått navnet sitt ut fra virkemåten. På engelsk kalles den Switched-Mode Power Supply, som ofte forkortes SMPS. Mens vi i vanlig serieregulator og parallellregulator bruker spenningsdeling for å oppnå den utgangsspenningen vi ønsker, bruker vi tidsdeling i en SMPS. En bryter kobler driftsspenningen raskt inn og ut, og middellikespenningen på utgangen får en verdi som er avhengig av hvor lenge bryteren har vært innkoblet. Driftsspenningen er alltid likespenning, og ved bruk av svitsjet spenningsforsyning tilkoblet lysnettet må vekselspenningen likerettes og filtreres før den kan brukes som drivspenning til selve svitsjeenheten. Se figur under:

Prinsippet for en SMPS er at en likespenning blir koblet inn og ut ved hjelp av en rask bryter. Denne «opphakkede» likespenningen driver vanligvis en strøm gjennom viklingene på en transformator. Det oppstår et felt som bygges opp / brytes ned i takt med strømendringen. På sekundærsiden vil en da kunne ta ut vekselspenning med samme frekvens som den «opphakkede likespenningen». Frekvenser som brukes, ligger ofte mellom 20 KHz opp til 100 KHz. Den høye frekvensen gjør at transformatorene kan være små og med lite magnetisk materiale.

Bryteren som kobler inn og ut drivspenningen, blir styrt av en kontrollkrets. Bryteren er som regel en transistor eller MOSFET som kan gå fra ledende til sperrende tilstand på svært kort tid for å unngå effekttap.

Det er vanlig at transistoren lader en drossel eller primærsiden på en transformator som lagrer energien i form av et magnetfelt i en tidsperiode. I neste tidsperiode leveres energien ut til lasten i form av en ladestrøm til en kondensator.

Da utgangsspenningen er proporsjonal med pulsforholdet, kan strømforsyningen reguleres ved å variere av/på-tiden for brytertransistoren. Med pulsforhodet mener vi forholdet mellom tiden transistoren leder, og hele pulstiden. Se figuren.

Arbeidet med å regulere utgangsspenningen er overlatt til styrekretsen. Denne er innkoblet mellom utgangen og regulatoren. De fleste styrekretsene leverer en firkantspenning med en fast frekvens og nytter pulsbreddemodulasjon til reguleringen (eng. Pulse-Width Modulation, forkortet PWM, se figuren før). Denne reguleringen blir i virkeligheten styrt av utgangsspenningen.

Pulsbreddestyring

Svitsjetransistoren kan arbeide med faste svitsjefrekvenser, mens pulsbredden varierer med belastningen. Ved stor belastning må pulsbredden være stor for at spenningen skal holdes stabil, mens liten belastning resulterer i liten pulsbredde. Prinsippet kalles pulsbreddemodulering, PWM (pulse-width modulation).

Frekvensstyring

Dersom lasten fjernes, eller inngangsspenningen øker, blir det en økning i utspenningen. Når denne spenningsøkningen blir registrert av styrekretsen, gir den ut smalere firkantpulser til regulatoren. Spenningen ut synker da til normal verdi igjen. En økning av lasten eller en lavere inngangsspenning gir lavere utgangsspenning. Styrekretsen sørger da for å gi bredere firkantpulser slik at utspenningen igjen stiger til normal verdi. Firkantpulsene fra styrekretsen blir tilført basis på brytertransistoren og bestemmer når den skal lede, og når den skal være blokkert.

Istedenfor å ha en fast frekvens på oscillatoren kan vi la frekvensen variere mens pulsbredden hele tiden er konstant. Vi kan dermed variere tiden mellom hver gang brytertransistoren skal åpne. Denne metoden kalles frekvensstyring (eng. Pulse-density modulation, PDM – se figuren):

Fordeler med en svitsjet strømforsyning:

lite tap, virkningsgrad opp til 90 %
mindre vekt og volum. Mer enn 60 % besparelse
god regulering
stabil utgangspenning med variasjon innenfor 1–2 %
mulighet for flere stabiliserte spenninger
enklere filtrering
galvanisk skille mellom inngang og utgang
gunstig pris i forhold til ytelse

Ulempe:

Elektronisk støy

Oppgaver - strømforsyning

Hvilke fordeler er det med å bruke brolikeretter fremfor enveislikeretter?
Tegn en skisse over en toveislikeretter.
Hva er fordeler og ulemper med å bruke en toveislikeretter fremfor en brolikeretter?
Forklar hva vi mener med rippelspenning.
Hvorfor er det viktig å stabilisere likespenningen?
Den enkleste formen for stabilisering er å bruke en zenerdiode i parallell med lasten. Tegn en slik stabilisering. Hva er ulempen med en slik stabilisering?
Hva er grunnen til at vi bruker overspenningsvern i strømforsyning?
Tegn en skisse over switched-mode power supply og forklar virkemåten.
Hva er forskjellen på frekvensstyring og pulsbreddestyring?