Efficiënte (schakelende) spanningsregelaars uitgelegd plus de noodzaak van filtering

Je kent ze vast wel; de 78xx series lineaire 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.

78xx en 79xx series lineaire spanningsregelaars
78xx en 79xx series lineaire spanningsregelaars

 

Ze 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!

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!

Schakelende voeding 12V 40A
Schakelende voeding 12V 40A

 

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 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):

Schema LM2596 step-down converter
Schema LM2596 step-down converter

 

 

20140123-IMG_6129-800px

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.

20140123-IMG_6130-800pxNadelen 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.

20140123-IMG_6128-1500px

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 hier 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.

20140123-IMG_6127-1500pxHier zie je de ripple (rond de 320mV tt):

De ripple is veel te groot voor analoge schakelingen. Er moet dan een filter in serie met de uitgang worden aangebracht.
De ripple is veel te groot voor analoge schakelingen. Er moet dan een filter in serie met de uitgang worden aangebracht. De oscilloscoop stond hier op 100mV/div.

 

Met een enkel filter van ca. L=100uH in serie en daarachter een C=470uF (liefst van het low-ESR type) naar massa, ziet het er heel aardig uit (de scoop staat nu op maar 2mV/div!):

Nu mét filter. De scoop stond hier op slechts 2mV/div!
Nu mét filter. De scoop stond hier op slechts 2mV/div!

 

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.

Ondanks bovenstaande afbeelding van een mooie schone uitgangsspanning, was dit gemeten aan de VCC (ingang), niet eens zo ver verwijderd van de accuklemmen:

Ripple aan de ingang (VCC) door de schakelende regulator verderop in de schakeling.
Ripple aan de ingang (VCC) door de schakelende regulator verderop in de schakeling.

 

Deze 183mV toptop is heel heftig en zal overal op de voedingsdraden een andere meting opleveren. Feit is wel, dat dit flink injecteert in de analoge schakelingen en dat dit in beeld zichtbaar is als kriebeltjes.

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…

20140127-IMG_6175-800px

Het resultaat:

Met ingangsfilter, dit is wederom gemeten vlakbij de accuklemmen.
Met ingangsfilter, dit is wederom gemeten vlakbij de accuklemmen. De waarden in het scoopbeeld kun je nu negeren. Dit is ter vergelijk aan de eerdere afbeelding.

 

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 :)

Filters-regelaar

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!

12 gedachten over “Efficiënte (schakelende) spanningsregelaars uitgelegd plus de noodzaak van filtering

  1. Goede morgen

    Een prima artiekel, ziet er goed uit
    Ik gebruik in de scheeps modelbouw al vele jaren deze printjes
    Ze werken prima en zijn voor vele dingen in te zetten bv :Verlichting , spannings verlaging voor bv liertjes voeding van een radar en niet te vergeten het meest ingezet als voeding voor de ontvanger in onze modellen
    Ik sla dit artiekel zeker op en wellicht met bron vermelding wel wat voor op mijn website

    Top hg Victor

  2. Goede middag,

    Dit ziet er mooi uit, en deze schakeling zou ik ook wel kunnen gebruiken.
    Ik zit alleen met 1 vraag, ik heb een 6A voeding nodig, en natuurlijk kun je die overal kopen maar voor school moet ik hem zelf maken.

    Zou het werken om 2 van deze LM2596 te combineren? en zo ja, hoe ziet de schakeling er dan uit?

    Alvast bedankt.

    GR Arnoud

    • Hallo Arnoud,

      Om maar met je vraag te beginnen: dat is niet zo heel erg makkelijk met de regelbare versie van de LM2596 (-ADJ), die ik heb beschreven. Als je namelijk meerdere spanningsregelaars parallel wil schakelen, moet de uitgangsspanning van iedere regelaar heel dicht bij elkaar liggen. Kleine verschillen tussen de regelaars kunnen dan worden opgevangen in shunt weerstanden (wat zwaardere weerstanden met een lage waarde van ca. 0,2 Ohm).

      Maar dat is niet makkelijk met twee LM2596-ADJ’s, die allebei hun eigen potmeter hebben. Met één potmeter beide printjes aansturen zou theoretisch nog weleens een experiment waard zijn, maar ik verwacht wel dat beide printjes niet helemaal synchroon lopen. Ze gaan elkaar dan voeden op bepaalde punten. Die shuntweerstanden kunnen best wel wat verschillen opvangen, maar twee afzonderlijke regelaars is meestal geen goed idee. Je kunt beter uitgaan van één lichte regelaar met daarachter dan wat dikke transistoren.

      Wat misschien nog wel mooier is om te bouwen, is een labvoeding met stroombegrenzing. De stroombegrenzing kan bijvoorbeeld je pasgebouwde schakelingen beschermen (tegen rookwolken) en die kan je ook gebruiken in die gevallen dat je een constante stroom (constant current / CC) nodig hebt, in plaats van een constante spanning (constant voltage / CV). Ik heb op school een labvoeding gemaakt met een UA723 en daarachter twee keer 2N3055 op een goede koelplaat of blok. Je hebt ook een goede transformator nodig. Dat is dan wel een lineaire voeding, dus geen schakelende regelaars. Voor mijn toepassingen wil ik toch een zo ruisarm mogelijke voeding, dus dan was een lineaire voeding destijds de beste keuze. Maar ook schakelende regelaars kun je best schoon krijgen, zoals bovenstaand artikel laat zien. De mate van filtering kun je zelf bepalen.

      Als je voor een labvoeding wil gaan, Google dan eens op “regelbare voeding met stroombegrenzing” (let op de iets grotere schema’s met UA723’s of CA3140’s oid) en kijk ook eens naar dit ontwerp op Circuits Online: http://www.circuitsonline.net/forum/view/49031/1/elektronica. Scroll door naar onderen om de opmerkingen van anderen terug te zien en de laatste aanpassingen in het schema mee te nemen.

      Die heb ik nog niet getest, maar het lijkt me goed te bouwen. Als ik wat tijd heb, wil ik ook weer eens een voedingsproject gaan uitdenken, om te bouwen bij De Jonge Onderzoekers in Amersfoort.

      Maar mocht je een leuk schema gevonden hebben en je wil meer weten, stuur me gerust een bericht! Misschien wil ik wel met je “meebouwen”. Op afstand ofzo… Maken we een mooi artikel.

  3. Hallo Tjalling,

    Ik heb even een vraagje over de buck-converters..

    Ik maak gebruik van een esp8266 die 1 keer in de 5 min wakker wordt, dan 20 sec bezig is en weer gaat slapen.

    Nu heeft deze een voeding van ongeveer 3,3V nodig. Ik heb het met drie AA’s gedaan, maar na 2-3 dagen zijn deze leeg.
    Nu heb ik een 12V leiding liggen in mijn huis die aan accu’s zit. Ik wil nu eigenlijk de ESP8266 koppelen aan de 12V. Dat is mogelijk d.m.v. de buck-converters.

    Maar nu zit hem de kneep in het stroom gebruik van deze dingen.
    Staan ze nu constant de afgeregelde spanning te leveren? Of is het alleen maar als mijn ESP weer wakker wordt?

    Ik heb namelijk geen idee hoe ik dat zou kunnen meten. Misschien heb je een antwoord?

    Groeten André

    • Hallo André,

      Als je zo’n buck converter gebruikt, ongeveer hetzelfde als die ik beschreven heb, dan geven die altijd de uitgangsspanning af, ook als de belasting op standby gaat. Gezien de maximale stroomopname van 215mA van de ESP8366, is een buck converter een prima toepassing. Je kan ook een lineaire spanningsregelaar gebruiken, maar die moet dan bijna 2 Watt aan warmte wegstoken zodra de ESP8266 in bedrijf is. Je hebt dan weer een koelplaatje nodig etc. Een buck converter heeft een hoger rendement, omdat die de niet benodigde voltage (12 minus 3.3V) niet opstookt in warmte, wat een lineaire regelaar wel doet.

      Dus even simpel gezegd: prima toepasbaar! Gebruik wel een zekering van ca. 500mA aan de ingang, gezien accu’s flinke stromen kunnen leveren bij kortsluiting. Dat voorkomt brandgevaar. Qua filtering zal de ASP2866 niet zo’n hoge eis stellen, gezien dit een digitale schakeling betreft. Maar mocht hij instabiel werken, zou je een filtertje kunnen opnemen achter de buck converter.

      Stel de 3,3V wel eerst in, voordat je de ESP aansluit. En wees daar vrij precies mee, want ze tolereren vaak niet een te grote afwijking van deze spanning. Mocht je een ingestelde buck converter willen ontvangen van mij, dan kan ik je die ook toesturen. Ik zorg dan dat deze vast zal staan op 3,3V. Voor ca. 5 Euro moet dat op je deurmat kunnen liggen.

      Als je vragen hebt, stuur gerust een bericht!

  4. Het rendement van deze kleine regelaar is ca 80% op zich niet slecht. maar het kan veel beter.
    Zoek de High quality DC to DC litium step down charger bij Aliexpress. Deze kan 5A hebben en is voorzien van max. stroom instelling. Kosten ca. €2,60. Voordeel; je kunt ze door de stroomregeling makkelijk parallel schakelen.
    Ook deze regelaar heeft last van warmte; IC >90grC. Je moet een koelblokje op de IC zetten en een alu profieltje aan de koperzijde. Met een boutje klem je de boel vast en heb je tevens bevestiging. De petieterige SMD stroomsensor van 50mOhm kan zijn warmte niet goed kwijt en wordt bijna 100 grC. Deze maar vervangen door zelf gewikkelde 35mOhm versie. De schakeling kan nu continu 4,6A voeren waarbij alleen de spoel nog 75grC wordt. Rendement 94,5% is een zeer goed resultaat.

  5. kijk ook eens naar de HX-MINI-360 ook met een LM2596 dot printje is bijna net zo groot als een TO-220 prima hobby voedinkje volgens mijn als je dat mini instel potmeteretje weet te vervangen en levert ook 1,8A cont. kosten als je ze per 50 koop ongeveer 35 cent maar kan zelfs al goedkoper zijn je kan het er zelf in ieder geval niet meer voor maken

    • Leuke tip Paul!
      Ik heb ook nog wat leuke switched mode printjes gezien met zelfs stroombegrenzing naast een spanningsregeling (leuk voor een eenvoudige labvoeding). En ik heb een paar 3A printjes gekocht voor weinig van de Chinese markt. Die printjes hebben een veel kleiner chipje en de schakelfrequenties ligt hoger. Daardoor zijn ze makkelijker schoon te krijgen aan de uitgang met een eenvoudig filtertje.

  6. hoi tjalling,

    leuk artikel, je zegt hier een hogere schakel frequentie is makkelijker te filteren.
    welke LC waarde gebruik je dan in dit geval.

    73

    pa3hea

Een reactie plaatsen