een-gestabiliseerde-voeding-met-overbelastingsbeveiliging

*
.
'I,,,
!
:I
RIJKSDIENST
VOOR DE 1JSSELMEERPOLDERS
SMEDINGHUIS
L E L Y S T A D
~ f d e l l n gWaterhuishouding
Werkdocument 1975-406 Bbw
EEN GESTABILISEERDE VOEDING MET OVERBELASTINGSBEVEILIGING
VOOR HET INSTATIONAIR ElODELONDERZOEK
door
ing. J. Ardon
J.. Kooring
(praktikant E.T.S. - Amsterdam)
januari 1975
INHOUD
I. Inleiding
11. Ontwerpoverwegingen
111. De positieve stabilisator
IV. De negatieve stabilisator
V. De uitgongstrap
VI. De complete voeding
VII. Tip-toets-schakelaar
VIII. Slotbeschouwing
EEN GESTABILISEERDE VOEDING MET BEVEILIGING VOOR OVERBELASTING
De voeding die in dit rapport beschreven wordt is ontwikkeld als
voedingsbron voor de stuurbare stroombronnen van het niet-stationair
modelonderzoek. Deze stroombronnen vormen de randapparstuur waarmee
neerslag en verdamping nagebootst worden. De 2000 stroombronnen zijn
ondergebracht in vier 19" rekken. Ieder rek heeft een eigen eenheid
voor de voeding van de stroombronnen.
11. Ontwerpoverwegingen
De eisen die aan de voeding gesteld dienen te worden zijn bepaald
door de eigenschappen van de stroombronnen. H. Huisman ( I ) stelde vast
dat een optimale werking van de srroombronnen wordt verkregen bij een
positieve en negatieve voedingsspanning van 18 Volt (verder aangeduid
+ 18 Volt).
als De stroombronnen zijn zodanig gedimensioneerd, 'dat bij 10 Volt
sturing de uitgangsstroom 1 mA is. In deze situatie betrekt de schakeling ongeveer 3 mA van de voeding. Voor 500 stroombronnen in' BQn kast
moet de'voeding dus in staat zijn 1,5 Ampere te leveren, zowel aan de
positieve als aan de negatieve voedingspool.
Om beschadiging van de stroombronnen en foutieve beinvloeding van
het model te voorkomen, dient de voeding te worden uitgerust met een
overbelastingsbeveiliging, die de voedingsspanning uitschakeld indien
meer dan ca. 1,8 AmpOre wordt onttrokken. Door de overbelastingsschakeling op te bouwen rond het CMOS circuit CD 4011 AE, een quadruple NANDpoort, kan op eenvoudige wijze de aanluit-bediening en aanfuit-indicatie
hieraan gekoppeld worden door toepassing van "tip-toets" schakelaars.
111. De positieve stabilisator
De positieve stabilisator is opgebouwd met het gelntegreerde
circuit uA 723. In dit circuit zijn alle benodigde regelfuncties aanI.
wezig. Het principe van deze stabilisator is weergegeven in f i
Het doe1 van de stabilisator is een bepaalde constante gefijkspanning te leveren, die onafhankelijk is van de belasting. De benodigde energie wordt betrokken van een niet geatabiliseerde voedingsbron. Dit kan een akku zijn of zoals in de meeste gevallen een gelijkgerichte, afgevlakte en omlaag getransformeerde netspanning. De stabilisator zorgt dat zoveel stroom aan de belasting geleverd wordt dat de
spanning over die belasting altijd de gewenste waarde houdt. Dit wotdt
bereikt door de uitgangsspanning of een fractie daarvan te vergelijken
met de referentiespanning. Dit wordt gerealiseerd zoals fig. 2 aangeef t
Het verschil tussen de referentiespanning Vre en de fractie van
de uitgangsspanning R ~ / ( R ~
+ R3)* VoUt wordt door e versterker G X
verstrekt. De uitgangsspanning Vout 1s dus als volgt af te leiden:
.
6
ofwel:
'
!
Vout
-
(R2
+
R3)/R2
*
(Vrer - (Vbe
+
Vout
)/GI
Er mag aangenomen worden dat de versterkingsfactor G van de versterker
groter is den 10.000 x. De laatste term van vergelijking (2) is dus te
verwnarlozen klein.
Fig. I.
Principeschema van circuitCA 723
Fig. 2. Principeschakeling van stabilisator
.
.
. .
.
.,
,
'.
, # \
.,,
.,
,
rrgrlelen~en~in d c s~abilisilLur.w~rd~
d e ui~gangsspanning te laag dan
wordt de spanning op de ingang van de versterker lager dan de referentiespanning. Het positieve vers'chil verschijnt G
versterkt aan de
uitgang. Itierdoor gaat een stroom door de basis-emitterovergang van
transistor T 1 vloeien, zodat deie meer verzadigd raakt, waardoor in
feite de weerstand tussen collector en emitter verkleind worden. Hierdoor stijgt V
tot de gewenste waarde.'
out
Zoals fig. I laat zien bestaat het circuit PA 723 uit vier onderdelen. Ten eerate een zcer stabiele referentiebron, die een spanning
afgeeft van 7 , 1 2 Volt. Ten tweede de regelversterker. Ten derde de
uitgnngstrap. Dit als darlington gpschakelde transistor paar kan aan
uitgang 10 een stroom leveren van maximaal 150 mA. Verder is in het
ci.rcui.teen transistor aanwezig waarvan de basis en emitter resp. aan
de aansluitpunten 2 en 3 bereikbaar zijn. Deze transistor kan dienst
doen in cen overbelastingsbeveiligingsschakeling.
*
'
1V. De negapifve stabilisator
Voor de bouw van een symetrische stabilisator kunnen verschillende
principe's (zie fig. 3) worden toegepast. Het koppelen van twee gelijke
modules, zoals fig. 3a toont, is niet bruikbaar, omdat vier symetrische
stabilisatoren gemeenschappelijk gevoed worden. De ongestabiliseerde
voedingsbronnen I en 2 zijn dan niet meer onafhankelijk van elkaar.
Dit betekent dat voor ons doe1 het principe volgens figuur 3b toegepast
moet wordrn.
Fig. 3. Enkele principes voor samenstellen van symetrische stabilisator
Er kan een geheel onafhankelijke stabilisator voor negatieve spanningen worden toegepast. Het is echter veel eenvoudiger gebruik te
maken van de positieve gestabiliseerde spanning. De spanning wordt gebruikt als referentie voor de negatieve.gestabiliseerde spanning. De
toegepastc negatieve stabilisator is schematisch weergegeven in fig. 4.
Fig. 4. Schema van negatieve stabilisator
Het regelorgaan wordt gevormd door een fgn. single-ended diffamp.
T I en T 2. Ingang A is verbonden met massa. ~ierd'ooris de spanningsval over R I altijd constant en dsarmee ook de voedingsstrom van T I
en T 2. De som van deze twee deelstromen is dus altijd constant. De
deelstromen zullen aan elkaar gelijk zijn indien ingang B ook verbonden is met een nu1 potentiaal.
Dit wordt bereikt door ingang B te verbinden met het midden van
de spanningsdeler die gevormd wordt door de weerstanden R 3 R 4
R 5.
De werking kan nu als volgt verklaard worden. Indien door toenemende
18 V positiever wordt, dan wordt punt B positief. Tranbelasting de
sistor T 2 zal hierdoor meer gaan sperren. Dit betekent dat de strom
door T I en R 2 toeneernt, zodat T 3 open gestuurd wordt. De uitgangsspanning zal daardoor weer terugkeren naar de waarde van - 18 Volt.
-
-
-
V. De uitgangstra~
De tronsistoren T I en T 3 zoals die resp. in de figuren 2 en 4
zijn getekend vormen de trap die de volledige belastingsstroom moeten
schakelen. Om voldoende vermogensturing te waarborgen is als uitgangstrap een darlington-schakeling toegepast. Deze schakeling wordtiopgebouwd zoals fig. 5 toont. Deze schakeling is te beschouwen als een
enkele transistor waarvan de stroomversterkingsfactor ongeveer gelijk
is aan het produkt van de stroomversterkingsfactoren van de transistoren waaruit de schakeling is opgebouwd. Op deze wijze is een configuratie te verkrijgen met een hoge versterkingsfactor en met een groot
dissipatievermogen.
,
Fig. 5. Darlington-schakeling.
.
,~ .
C
Z
..
VI. De complete voeding
Door de besproken onderdelen samen te voegen, ontstaat eenlvolledige voeding zoals die isweergegeven in figuur 6. Tevens is in deie
figuur de detectieschakeling voor de overbelasting ondergebracht. Deze
schakeling is opgebouwd rond de transistor T 1 , T 2 en T 3. De werking
hiervan is als volgt. De stroom naar de belasting zal altijd via R 1
en R 7 vloeien,,resp. voor de positieve en negatieve stabilisator.
Deze weerstanden zijn zo gedimensioneerd, dat bij een belastingastrow
van meer dan ongeveer 1,7 AmpEre transistor T I of T 2 opengestuurd
wordt. Dit betekent dat ook T 3 in geleiding komt zodat het signaal
CONTR"0" wordt. Hierdoor zal d e tip-toets-schakelaar op
CONTReen " I " laten verschijven waardoor de positieve en de negatieve uitgangsspanningen nu1 worden.,
VI1.
Tip-toets-schakelaar
De tip-toets-schakelaar is een elektronische schakelaar die bediend wordt door twee aanraakcontacten " A M " en "UIT". De toestand
waarin de schakelaar zich bevindt wordt aangegeven door LED'S (light
emitting diode). De opbouw van de schakeling is aangegeven in het
schema van figuur 7.
ONDERDELENLIJST:
WEEHSTANDEN:
'
CONDENSATOR:
HALFGELEIDERS :
TI, T2 = BC 237
I.C. = MC 1601 1CP
Fig. 7. Tip-toets-schakelaar
ONDERDELENLIJST
WEE RSTANDEN
HALFGELEIDERS:
Rl , R 7 = 0 . 3 3 n
RI2,
H Z,R6 = L 7 0 n
R13=1K
R3.Rl0:
RZ1 :
22K
RlL,RI8~=10K
l
.
T2',T3 ,T7 ,T9 =.'Bc 2 3 7
~
R L ::82,O.n
RI6 R18 = l 0 0 n
H5::27K
R17 = 2 K 2
R ~ * =3 K 3
CONDENSATOR
R e -33 K
T1.T5oTL=BC177
D l = B Z X 55-ClO
I.C.yA 7 23
T8 , T g
' 2 N 1711
T 6 , T 1 l 9 = 2 N 3055
Fig. 6. Volledig schema van gestabiliseerde voeding
Het hart van de schakeling wordt gevormd door het geintegreerde
circuit (I.C.) KC 14011. Van deze quadruple two input NAND gate,zijn
twee poorten geschakeld als bistabiele multivibrator. De resterende
poorten dienen als buffertrap voor de beide uitgangen van de multivibrator. De poorten hebben een inverterende werking. De toestand van
de schakeling wordt nu bepaald door het aanraakcontact, dat het laatst
geactiveerd is. Indien "AAN" is aangeraakt verschijnt op CONTReen "0". Tevens wordt T I in verzadiging gestuurd waardoor T 2 gaat
sperren en D 2 zal oplichten. Bij activering van "UIT" gebeurt het
tegenovergestelde: CONTR -D wordt "I" . T I spert en T 2 komt in verzadiging, dus D 2 dooft en D 3 licht op. De uitgang CONTR+
is verbonden met het I . C . p A 723 van de gestabiliseerde voeding (zie fig. 6).
Afhankelijk van-de toestand zal de voeding in- of uitgeschakeld zijn.
Het controle-circuit in de voeding van fig. 6, dat detecteerd of de
voedingsstroom niet te groot wordt, geeft d.m.v. T 3 in fig. 6.via
D I in fig. 7 zijn informatie door. Verschijnt hier een "0" dan zal
onmiddelijk de voeding uitgeschakeld worden.
Het toepassen van de tip-toets-schakelaar heeft tevens het voordeel dat op eenvoudige wijze de bediening uitgevoerd kan worden door
de Processor Alpha-16.
V11I. ~lotbeschouwin~
De bovenomschreven schakeling is opgebouwd op universeelprint.
Hierdoor is een opstelling ontstaan die voor een stabilisator niet
het meest gunstig is. Door de lange bedrading ontstond aanvankelijk
nogal wat instabiliteit. Door de frequentiecompensatie iets aan te
passen kon dit euvel worden verholpen. Het verdient echter we1 aanheveling de gehele schakeling op te bouwen op een speciaa? ontworpen
plaat met gedrukte bedrading. Dit zal de eigenschappen van de voeding
zeker ten goede komen.
Overigens is de werking voor het gestelde doe1 zeker bevredigend
te noemen. Dit is tevens af te leiden uit de belastingskarskteristiek
zoals die voor 6611van de voedingen bepaald is (zie bijlage I).
Deze
grafiek toont de uitgangsspanning bij toenemende belasting. Indien
de belasting de maximaal ingestelde stroomwaarde overschreidt wordt
direct de voeding uitgeschakeld.
Literatuur,
1.
Stroombronnen ten behoeve van het instationair modelonderzoek
door H. Huisman, Kampen, april 1973.
Rijksdienst voor de IJsselmeerpolders doc.nr. 1749.
2. Fairchild linear application manual.

Download Report