InfoNu.nl > Wetenschap > Techniek > Switching power supplies

Switching power supplies

Ontwikkelingen in de halfgeleidertechnologie hebben het mogelijk gemaakt om zeer efficiënte power supplies (voeding van een apparaat) te maken, die erg weinig ruimte innemen. De elektronica die uw mobiele telefoon oplaadt bijvoorbeeld, zit helemaal verwerkt in de stekker van de oplader. Traditioneel werkte men altijd met lineaire voedingen, wat het gebruik van ruimtevretende transformatoren vereist. In switching power supplies wordt dit probleem omzeild.

Switching power supply

In traditionele power supplies wordt meestal het AC-ingangssignaal (dat een hoog voltage heeft) omlaag-getransformeerd naar een AC-spanning die geschikt is voor elektronica. Daarna wordt het signaal verder bewerkt. In een switching power supply (of schakelende voeding) wordt een ander principe gehanteerd.
Een gelijkrichter of rectifier zet de AC-ingang meteen om in een soort DC-signaal. Via een grote parallelle capaciteit vlakt men het DC-signaal nog verder af. In de volgende trappen van het systeem kan met vermogenelektronica de gewenste DC (of AC) uitgangsspanning gemaakt worden. Het is mogelijk om het uitgangssignaal optimaal aan te passen aan de belasting.

Om het DC-signaal naar een andere grootte te transformeren worden DC-DC converters gebruikt. Dit zijn circuits die als geavanceerde schakelaars werken; de schakelende elementen (transistoren, of MOSFETs) staan volledig open of volledig dicht. Door een hoge schakelfrequentie te gebruiken ontstaat er een hf-signaal en dat maakt het mogelijk om via een hf-transformator het signaal naar het gewenste niveau te transformeren.

gebruik van een hf-trafo / Bron: Tronicgebruik van een hf-trafo / Bron: Tronic
Een hf-transformator is relatief klein in grootte en gewicht ten opzichte van een traditionele transformator. De output van de transformator wordt via een rectifier en filter weer omgezet naar het gewenste DC-signaal.

Om de output zeer nauwkeurig te maken, is een feedback-loop nodig die de output continu vergelijkt met een referentie-spanning. Afhankelijk van het verschil tussen deze twee, worden de stuursignalen van de DC-DC schakelaars aangepast. Er vindt dus een afregeling plaats die het verschil tussen de output en referentie minimaliseert.

De voordelen van switching power supplies liggen vooral in toepassingen voor de hogere vermogens. De 2 belangrijkste voordelen zijn:
  1. de power transistoren of MOSFETs fungeren als schakelaar: alleen volledig open of dicht. Ze zijn niet in hun actieve gebied werkzaam, wat een significante vermindering van vermogensverlies betekent. De energie-efficiëntie verbetert met 70-90%.
  2. vanwege het gebruik van hf-transformatoren kan de grootte en het gewicht van de power supply aanzienlijk worden verminderd.

DC-DC conversie

model elektronische schakelaar / Bron: Tronicmodel elektronische schakelaar / Bron: Tronic
In DC-DC converters willen we graag de uitgangsspanning controleren op een gewenst niveau, terwijl de de ingangsspanning en de load mogen fluctueren. De gemiddelde waarde van de uitgangsspanning wordt bepaald door de tijdsduur waarin een schakelaar (switch) open of dicht staat. In de figuur hiernaast is het basisprincipe van DC-DC conversie afgebeeld.
De duty ratio (of duty cycle) D is gedefinieerd als:

  • D = (Ton / T)

In de figuur hiernaast zal gelden:

  • gemiddelde Vo = (Ton * Vd + Toff * 0) / (Ton + Toff) = (Ton / T) Vd = D * Vd

Een van de manieren om de gemiddelde uitgangsspanning Vo te controleren is door te schakelen met constante frequentie en de tijdsduur van schakelen te variëren. Deze methode heet PWM, of pulse width modulation. Bij PWM gebruikt men vaak een controlespanning Vctrl die continu vergeleken word met een periodiek signaal (bv een zaagtand). Vctrl zelf wordt verkregen door de uitgangsspanning van een systeem te vergelijken met een referentiespanning. Op die manier ontstaat er een feedback-loop, die ervoor zorgt dat de fout in de uitgang geminimaliseerd wordt.

Step-down converter

Bron: TronicBron: Tronic
Een veel gebruikte DC-DC converter is de step-down converter (zie figuur hiernaast). Zoals de naam impliceert, transformeert een step-down de ingang Vd naar een gemiddeld lagere uitgang Vo.
Voor deze step-down converter geldt :

  • gemiddelde Vo = D * Vd

Voor de variatie (ripple) in Vo geldt:

  • (ΔVo / Vo) = 1/2π ² (1 - D) (fc / fs)²

fc = 1 / (2π √ (LC) )
fc is de cut-off frequentie van het low-pass filter dat gevormd wordt door C en L.,
fs = 1 / T

Step-up converter

Bron: TronicBron: Tronic
Bij een step-up converter of (boost converter) is de gemiddelde uitgangsspanning Vo hoger dan de ingang Vd. De figuur hiernaast laat een step-up zien. Voor deze step-up converter geldt:

  • Vo / Vd = T / Toff = 1 / (1 - D)

en

  • Io / Id = (1 - D)

voor de ripple in Vo geldt:

  • (ΔVo / Vo) = D * T / RC

Een ander type DC-DC converter is de zogenaamde full-bridge converter. Dit is een converter die in totaal vier schakelaars bevat, die zodanig kunnen schakelen dat de converter zowel een positieve als negatieve Vo kan leveren en zowel een positieve stroom Io als negatieve Io. Dit betekent de de energie-overdracht in deze converter beide kanten op kan zijn: input --> output of output --> input. Dit is bijvoorbeeld van belang bij het aansturen van elektromotoren; als een elektromotor afremt werkt het als een generator (dynamo) en levert energie aan de input.

In de switching power supply wordt de DC-DC conversie uitgevoerd door een van deze types converters, of door converters die van deze basistypes zijn afgeleid.

Lees verder

© 2012 - 2017 Tronic, het auteursrecht van dit artikel ligt bij de infoteur. Zonder toestemming van de infoteur is vermenigvuldiging verboden.
Gerelateerde artikelen
Ronde van Qatar 2008De Ronde van Qatar staat sinds 2002 op de wielerkalender en is de tweede rittenkoers van betekenis van het jaar na de To…
Steppen, de autoped is terug in het straatbeeldOf je nu twee jaar of honderd jaar bent, iedereen kan steppen. Op de step naar school, naar de supermarkt, naar het café…
Fitness: bodystepTijdens een gemiddelde bodystep les stap je 2000 keer de step op en af. Bodystep is een afwisselend stepprogramma, waarb…
Steppen met je hond: een leuke activiteit voor hond en baasWil je graag actief met je hond zijn en niet alleen maar wandelen? Overweeg dan eens om te gaan steppen met je hond. Dit…
Parijs-Nice 2008Een overzicht van het rittenschema en wat toelichting bij de Franse rittenwedstrijd Parijs-Nice, vorig jaar gewonnen doo…
Bronnen en referenties
  • Power Electronics, third edition, Mohan, Undeland, Robbins
  • Afbeelding bron 1: Tronic
  • Afbeelding bron 2: Tronic
  • Afbeelding bron 3: Tronic
  • Afbeelding bron 4: Tronic

Reageer op het artikel "Switching power supplies"

Plaats een reactie, vraag of opmerking bij dit artikel. Reacties moeten voldoen aan de huisregels van InfoNu.
Meld mij aan voor de tweewekelijkse InfoNu nieuwsbrief
Reactie

Ton van den Goorbergh, 20-02-2014 12:00 #1
Goed en duidelijk artikel. Bedankt. Reactie infoteur, 20-02-2014
Geen dank :-D
mvg Tronic

Infoteur: Tronic
Laatste update: 18-02-2017
Rubriek: Wetenschap
Subrubriek: Techniek
Bronnen en referenties: 5
Reacties: 1
Schrijf mee!