13.8 V / 15 A uit een PC voedingsunit (door DL2YEO)   original English version

Veiligheid Instructies

Waarschuwing dodelijk gevaar: De voedingsunit werkt op een netspanning van 230 Vac. Door gelijkrichting staat er op sommige componenten een gelijkspanning van meer dan 322 V. Werkzaamheden mogen alleen worden uitgevoerd als de voedingsunit afgeschakeld is van het lichtnet en ontladen. Haal ook de stekker uit de voedingsunit. Doordat de condensatoren in het primaire circuit nog enige tijd geladen blijven met een hoge en levensgevaarlijke spanning!  Zelfs na uit- schakeling van de voedingsspanning.

De grootste nadelen van een conventionele lineaire voeding is een hoge warmte ontwikkeling, de afmetingen en het gewicht. Bij het zoeken naar een alternatieve oplossing, besloot ik een geschakelde voeding te gebruiken. De rendement van een dergelijke voeding is ongeveer 70 tot 90% bij een vermogensdichtheid van 0,2W/cm³. Omdat zelfbouw/ontwerp onmogelijk was wegens gebrek aan tijd, heb ik geprobeerd om een geschakelde PC voeding aan te passen. Dit zijn massa productie goederen en deze zijn beschikbaar voor minder dan 22euro.

Fig.1: Blokschema van een primair schakelende netvoeding


Korte beschrijving van de kenmerken van een geschakelde PC voeding

Afhankelijk van het model PC, zijn de vermogens tussen de 150 en 240 W. Voor de voeding van een 'socket 7 main board' zijn er vier verschillende voedingsspanning-en nodig nl.: +5V, +12V, -12V en -5V. Er zijn voornamelijk primair schakelende voedingen uitgevoerd als halve-brug gelijkrichtschakelingen. De uitgangsstromen zijn meestal 20 A (+5 V), 8 A (+12 V) en 0,5 A (-12 V, -5 V). Bij ongeveer 205 W uitgangsvermogen en een gemiddeld rendement van 75 % betekent dit een warmte  dissipatie van slechts 68 W. Ik heb gebruik gemaakt van een merkloze PC voeding met de volgende afmetingen: 140 x 100 x 50 mm (B, D, H) en een gewicht van 350g.  De meeste PC voedingen zijn ontworpen volgens het zelfde principe (halve-brug gelijkrichtschakeling) en zijn daarom ook toepasbaar voor voedingen van andere producenten.

Fig.2: Halve-brug geschakelde gelijkrichtschakeling

Regeling

Na het inschakelen van de netspanning reageert de regeling zich korte tijd als een vrijlopende oscillator. Dit gedrag is het gevolg van een terugkoppelwinding in de uitgangstransformator T2. Zodra de externe voedingsspanning Uaux aanwezig is neemt het puls-breedte modulator IC TL494CN van Texas-Instruments de controle functie over, en synchroniseert deze 'oscillator'.

De spanningsvergelijker in het IC TL494 vergelijkt de spanning van de +5V uitgang (werkelijke waarde) met een referentiespanning (set waarde), berekent de analoge controle variabele in overeenstemming met het PI algoritme en regelt de puls-breedte modulator (zie Fig. 6). De modulator stuurt afwisselend pulsen naar de stuur transistoren Q5 and Q6.  De pulslengte is omgekeerd evenredig aan de controle variabele. Stijgende belasting van de +5V uitgang veroorzaakt bredere pulsen, een lichtere belasting veroorzaakt een smallere puls. Omdat er een limiet is aan de minimum pulsbreedte, is er een minimum belasting van 0,1 A vereist. Zonder deze belasting kan de voeding defect raken. De schakelfrequentie is ongeveer 33kHz, welke gebruikelijk is in PC voedingen. Deze is afhankelijk van een weerstand en condensator aan pin 5 en 6 van IC1.

Fig. 3: Primair netfilter, gelijkrichter, vermogensschakelaar en aansturing

Beveiligingscircuit

Verschillende beveiligingscircuits zijn opgenomen in de originele PC voeding. Een overmatige primaire stroom t.g.v. een hoge secundaire stroom leidt tot een hoge wisselende spanning aan de uitgang van T3. Als deze spanning stijgt boven de vaste referentie waarde, dan stopt de TL494 onmiddellijk met het genereren van periodieke pulsen, en begint te schakelen (aan/uit). Het circuit en de belasting zijn beveiligd tegen overspanning d.m.v. de +5V uitgang en tegen kortsluiting via de

-12V en -5V uitgangen. Het afschakelen geschied ook d.m.v. een hoog-signaal op pin 4 (bev. ingang) van IC1. Als er een KA7500 of IR3MO2 PWM regel IC op de print zit, zijn deze vergelijkbare vervangers van de TL494CN. IC3 is een 'dual comparator' van het LM339 type. Sommige PC voedingen zijn niet uitgevoerd met dit IC, maar met d.m.v. twee transistoren worden dezelfde controle functies gerealiseerd.

Aanpassingen aan de secondaire gelijkrichting

De bedoeling is dat het totaal beschikbare vermogen aan de secundaire zijde van T1 wordt gelijkgericht, geregeld, beveiligd en gefilterd als enkele 13,8V uitgang met een vermogen van 205W, of meer indien mogelijk. Controleer als eerste of de diameter van de +12V draad gelijk is aan de diameter van de +5V draad.

Verwijder alle componenten aan de secundaire kant van T1 die gebruikt worden voor gelijkrichting, filtering en regeling van de vier uitgangsspanningen. Op dat gedeelte van de printplaat blijven er slechts drie RC componenten RC1 t/m RC3, en de componenten die de Uaux spanning opwekken.

Fig.4: Secundaire gelijkrichting in the originele PC voeding

Reconstructie van de secundaire zijde.

Verbreek de printsporen tussen de RC componenten RC1 / RC2 en beide 5 V taps van de secundaire winding van T1.

 
Verander L4 voor 12 V en 20 A. verwijder de windingen L4a, L4b en L4c van de spoelvorm (tel de wikkelingen van L4c). (her)Wikkel de spoel L4* met een enkele winding, het zelfde aantal wikkelingen voor L4c maar met een diameter x 2.5 van de oude diameter. Neem twee draden van 1 mm diameter elk, bifilair gewikkeld.

 
Plaats twee ELCO's van 2200 uF met een lage ESR, en de 100 Ohm ontlaad weerstand als permanente belasting.

 
Gebruik de oude printbanen van de +5V sectie en de GND sporen voor de aansluiting van L4*, de 100 Ohm weerstand en de twee 2200 uF condensatoren. Plaats L4* op dezelfde plaats op de printplaat (comp. zijde) waar L4b oorspronkelijk was aangesloten.

 
De oorspronkelijke koeling van de gelijkrichtdiode D5 is onvoldoende. Toereikende koeling wordt verkregen door een koelelement met ventilator van 70 x 50 x 30 mm (B, D, H) in plaats van het oude aluminium koelplaatje.

 
Bevestig D5 op het koelelement en verleng de drie aansluitdraden met 40 mm lange draden. Gebruik isolatiemateriaal en thermisch geleidende pasta. D5 heeft op sommige printplaten de naam SKD.

 
Plaats het koelelement met fan ongeveer 40 mm boven het 'gestripte' secundaire gedeelte (zie foto) met plastic afstands bus en lange M3 bouten (voorkom kortsluiting met GND).

 
Sluit de anode draden van D5a en D5b aan met elk één RC component (RC1/RC2) De kathodes worden verbonden met het gemeenschappelijke aansluitpunt van RC1, RC2 and L4.

 
Maak een verbinding van de 12V aansluitingen van T1 naar de   RC componenten met twee dikke draden. D5 wordt gevoed vanaf de 12V winding.

Een simpele en duidelijke structuur van de secundaire gelijkrichting is bereikt na het "strippen" en "reconstrueren".

Fig. 5: Nieuw ontworpen secundaire gedeelte voor Ua = 13,8 V

Wijzigingen aan het regel- en beveiligingscircuit

De onderdelen verantwoordelijk voor het regel- en beveiligingscircuit wordt gewijzigd op drie plaatsen. Positioneer de toegevoegde componenten vrijstaand op de componentenzijde van de print.

 
R24* is berekend voor 13.8V uitgangsspanning. De spanning op de (+) ingang van de spannings vergelijker (T494) moet gelijk zijn aan 2,5V na 'control loop' stabilisatie, in dit geval de helft van de +5V referentie spanning als de uitgang 13,8V is.

 
R24* = 20 kOhm = 2 x 10 kOhm in serie

 
Plaats een tweede universele diode 1N4148 en een 8,2 V zener diode in serie met D16. Usum = 8,2 V + 2 x 0,7 V = 9,6 V

 
Vereenvoudig de spanningsdeler (R36, R42, R45 en D14) in het kortsluitbeveiliging circuit. verwijder R36 en D14. Sluit de vrijgekomen aansluitdraad van R42 aan massa (GND) en vervang R45 met een hogere waarde om te verwezenlijken dat er geen 'shut-down at normal operation' plaats vind. De spanning over R42 moet minder zijn dan 1,7 V (Ik koos 1,2 V).

R45* = 15 kOhm
 

De gestippelde gedeeltes in het schema geven de gewijzigde of toegevoegde componenten weer, welke nodig zijn voor een uitgangsspanning van 13,8V.

Fig. 6: Regeling- en beveiligingcircuits incl. alle modificaties

Verdere modificaties

Na het testen van de gewijzigde print, bleek de onderdrukking van interferentie erg slecht te zijn. Het gehele ontvangstbereik van 3,5 tot 30 MHz was gestoord door harmonischen van de 33kHz schakelfrequentie. S-meter uitlezingen van S5 op 80m en afnemend tot S2 op 10m. Toen ik de print testte in een metalen behuizing, kon de HF-storing alleen via de het netsnoer en de DC-uitgang draden weglekken. Het toepassen van een standaard 230Vac netfilter en een zelfgemaakt pi-filter in de uitgang, verzwakte de interferentie aanzienlijk.

Plaats een 230V/2A netfilter in de primaire netaansluiting, vlakbij de plaats waar het netsnoer de achterwand van de kast verlaat.

 
Plaats een 20 A pi-filter in de DC uitgang, achter de +/- DC aansluitingen op het achterpaneel.

 
De behuizing van de PC voeding moet beslist van ijzer zijn, om magnetische velden af te schermen. Aluminium beschermt alleen tegen elektrische velden.
 

Als extra optie in het primaire gedeelte: Vervang de 220 uF afvlakcondensatoren C1 en C2 door 470 uF condensatoren.
Dit reduceert de primaire rimpelspanning, en dit vereenvoudigt de spanningsregeling bij volledige belasting.

Testen van de voeding

Fase 1: Deze test moet worden uitgevoerd met een lage DC- voedingsspanning om de schade aan componenten te voorkomen in geval van mogelijke aansluitfouten. De 13,8V uitgang is belast met een 12V/50W auto koplamp, en een 15V/1A lab voeding is aangesloten tussen GND en Uaux. Het TL494 IC krijgt hierdoor zijn bedrijfsspanning en genereert de controle pulsen met een maximale pulsduur. Controleer de signalen op Q5 en Q6.

 
Fase 2: Tijdens de tweede testfase wordt de galvanisch gescheiden primaire kant van het circuit ook met de lab voeding gevoed. Voor dit doel maken we een korte verbinding tussen Uaux en U+ en ook tussen GND en U-. De PWM regeling probeert een 13,8V uitgangsspanning aan te bieden bij een maximale pulsduur. Dit laatste kan niet worden bereikt door de lage ingang voedingsspanning van 15Vdc, en de huidige transformator verhouding. De met een oscilloscoop gemeten signalen op de testpunten TP1 (tussen emitter Q1 en emitter Q2) en TP2 (tussen kathode van D5 en GND) moeten er uitzien als in figuur 7.

Fig. 7: Signaal vormen van TP1 en TP2

Fase 3: Verwijder de lab voeding van het primaire gedeelte. Sluit nu hiervoor in plaats een transformator aan van 48V/1A op de aansluitingen L1 en N, om nu de print te voeden met een galvanisch gescheiden wisselspanning. 60V op C1 en C2 is in Europa gedefinieerd als een �OEveilige” spanning. De 48Vac voeding aan de ingang veroorzaakt een uitgangsspanning van +6V.

 
Als alles goed is tot nu toe, kunnen we verder gaan met testen op 230Vac.

De lab voeding, de 48Vac transformator, de meetinstrumenten en alle provisorische aansluitingen gebruikt voor het testen enz. moeten beslist worden verwijderd.

 
De autolamp is benodigd als belasting en voor functionaliteit testen. Als na aansluiting van de netspanning van 230Vac de lamp helder brand, de uitgangs- spanning is gestegen naar 13,8V en als er verder geen ondefinieerbare geluiden of stank is te bespeuren, hebben we de eerste ronde gewonnen. Als er een niet herkenbare fout was gepasseerd in de eerdere testen, nemen de twee schakel transistoren en printbanen afscheid met een min of meer luide knal.

 
Voor de volgende belastingstest hebben we enkele hoogvermogens weerstanden nodig met een waarde van 1 Ohm en voldoende vermogen. De stroom die gaat lopen bij deze test, mag geen buitengewoon hoge verwarming van de diode D5 en de schakel transistoren tijdens een test periode  van 5 minuten.

Waarschuwing: Controleer de temperatuur van componenten alleen als de netspanning is uitgeschakeld, en de netstekker verwijderd!

De koeling van de schakeltransistoren Q1 en Q2 bij een continue stroom van 15A moet in ieder geval worden verbeterd. Bij het verwisselen van de kleine koelplaatjes moet er op worden gelet dat ze een elektrische verbinding hebben met de printsporen op sommige printplaten. Vervang deze verbinding met een draad verbinding als dit het geval is. Zoals op de foto te zien is, heb ik deze uitbreiding voor een groter uitgangsvermogen niet gemaakt.

Praktijk ervaring

De aangepaste schakelende voedingsprint is geïnstalleerd in een luidsprekerkast type SP120 welke bij mijn zend/ontvanger past. De voedingsaansluiting zit evenals de DC aansluitingen aan de achterzijde van de kast, net als de aan/uitschakelaar, het toegevoegde netfilter en een kleine 12V ventilator. Een groene LED als aan/uit indicatie is in het front gemonteerd in een 5mm gat. De kleine ventilator is gebruikt voor het geval dat… hij blijkt overbodig, tijdens niet continue bedrijf (CW en SSB) worden de componenten niet warm. De voeding is al enige jaren in gebruik, en geeft geen problemen.  DL2YEO

Fig. 8: Gewijzigde voedingsprint in een SP120 luidsprekerkast