Step-up convertor
door: Guyla Kiss
Hogere Spanning Uit Lagere Bron (deel 1)
Naar aanleiding van de door Piet van Schagen besproken oscillatorschakeling op de bijeenkomst in de Sanderij te Schoorl van dinsdag 1 februari jongstleden ben ik tot het volgende gekomen. Om vanuit een lage gelijkspanning een hogere spanning te genereren, werd een slimme schakeling met betrekkelijk weinig onderdelen besproken. Met een platte batterij van slechts 4,5 volt wekte de cursusleider er maar liefst 50-60 volt ’hoogspanning’ uit deze schakeling mee op bij een stroom die ruimschoots voldoende is om de anodebatterij van de meeste batterij-buizenradio’s uit vroegere jaren te vervangen.
Dit is een mooie oplossing, want anodebatterijen worden reeds tijden niet meer verkocht. De schakeling was voor mij fascinerend! Die wilde ik ook bouwen. De volgende dag spoedde ik mij dan ook naar een elektronicazaak om de onderdelen te kopen voor deze wonderlijke schakeling. De gevraagde onderdelen werden door de jonge verkoper uit de laatjes gehaald en netjes op een rijtje op de toonbank gelegd en op de kassa aangeslagen. ”En nu graag eenmaal een AD149”, zei ik. De verkoper treuzelde niet, schijnbaar kende hij alle typenummers van componenten en pakte uit een laatje iets dat helemaal niet leek op de AD149 zoals die er op de cursus uitzag en is besproken.
Dit enge dingetje was zwart, ongeveer 3 cm lang, had aan iedere kant 10 pootjes en op de bovenkant pronkte het opschrift AD149! Ik begon te twijfelen, zou ik me nu toch hebben vergist? ”Heeft u misschien ook verschillende soorten AD149?” vroeg ik bedeesd. ”Nou, dan moet ik er toch iemand anders bij halen.” was het antwoord van de verkoper. Na enige tijd verscheen een wat oudere man van naar schatting 60 jaar jong. Die moest het wel weten dacht ik. ”Wat kan ik voor u doen?” vroeg de man beleefd. ”Ik wil graag een AD149 kopen, maar niet zo’n zwart dingetje met samen wel 20 pootjes eraan, maar eentje met 2 aansluitingen,” was mijn antwoord.
De man begon heel hard te lachen! Ik schaamde me een beetje. Waarvoor weet ik nog steeds niet. Heb ik iets verkeerds gezegd? Angstig keek ik uit mijn ooghoeken of iemand iets vreemds heeft opgemerkt, maar tot mijn geluk was ik de enige klant op dat moment in de winkel. ”Heeft u dit schema uit de archieven van de Romeinse tijd gehaald? Nee meneer zo’n echte mooie glimmende AD149 uit vervlogen tijden kan u wel vergeten en zo’n potkern al helemaal !” was het antwoord.
Teleurgesteld keerde ik zonder onderdelen huiswaarts want aan de helft van de spullen heb ik ook niets. Maar nog wel steeds denkende aan zo’n echte mooie glimmende AD149 uit vervlogen tijden.
Is hier wel een alternatief voor?
Ook zo’n slimme schakeling?
Ook met weinig onderdelen?
Ook met lage kosten?
Ook gemakkelijk te maken?
Nu maar snuffelen in de databoeken of er iets is te vinden dat aan deze voorwaarden voldoet. Na enige tijd zoeken is dit gelukt en mijn keus is gevallen op een IC met het typenummer: MC 34063A.
DE SCHAKELING
De uitgangsspanning van het IC mag niet hoger zijn dan 40 volt boven de ingangsspanning: is die 6 volt, dan mag de uitgangsspanning hooguit 46 volt zijn. Voor de meest gevraagde spanningen voor radio-apparatuur zal 40 V wel voldoende zijn.
Maximale stroomopnametabel
| Spanning | stroom |
| 40 V | 200 mA |
| 60 V | 130 mA |
| 80 V | 80 mA |
| 90 V | 40 mA |
Er zijn vijf vragen die beantwoord moeten worden:
1. Welke aangeboden spanning wordt gebruikt (3-30 Vdc)?
2. Hoeveel uitgangsspanning is gewenst (maximaal verschil tussen in- en uitgangsspanning is 40 V)?
3. Hoeveel stroom is er maximaal nodig? (let op: de ingangspiekstroom is maximaal 1,5 A).
4. Hoe groot mag de rimpelspanning aan de uitgang zijn? Een waarde van 30-60 mV is redelijk.
5. Welke schakelfrequentie wordt gekozen (tussen 30 en 80 kHz)?
Bij een hoge schakelfrequentie is het raadzaam om ook kwaliteitselco’s te gebruiken. Deze kunnen een hogere rimpelstroom verwerken omdat ze een lagere ESR1 hebben dan gewone elco’s. Als alles is uitgerekend, kan de bouw beginnen. Het is aan te bevelen om de componenten zo dicht mogelijk bij het IC te plaatsen omstoringen te vermijden. Bouw het geheel in een metalen kastje en let hierbij op de lucht- en kruipwegen en aanraakbaarheid i.v.m. de hoge spanningen.2
Ik heb twee uitvoeringen ontworpen. De eerste werkt met een ingangsspanning van 12-15 Vdc en heeft een uitgangsspanning die regelbaar is tussen 40 en 90 volt. De stroomafname is afhankelijk van de uitgangsspanning (zie tabel). Deze bevat de maximale waarden. Daarop begrenst de schakeling automatisch. Het verdient aanbeveling om het metalen kastje goed met de ’massa’ van de schakeling te verbinden. Mochten aan de ontstoring hogere eisen gesteld worden, dan kan er nog een LC-ontstoringsfilter aan de uitgang gekoppeld worden: zie onderstaand figuur.
De onderdelen worden in het bouwpakket geleverd.
Maximale stroomopnametabel
Bij ingangsspanning 6 V:
| Uitgangsspanning | stroom |
| 12 V | 300 mA |
| 24 V | 160 mA |
| 36 V | 105 mA |
| 46 V | 85 mA |
Bij ingangsspanning 12 V:
| Uitgangsspanning | stroom |
| 16 V | 500 mA |
| 22 V | 375 mA |
| 30 V | 280 mA |
| 38 V | 220 mA |
| 46 V | 180 mA |
| 52 V | 165 mA |
De tweede werkt met een ingangsspanning van 6-12 Vdc en levert aan de uitgang 12-52 volt. De bijbehorende maximale stromen zijn in de tabel weergegeven.
HET ONTSTOORTOORFILTER
Dit filter is eenvoudig te maken door 50-80 windingen van gelakt koperdraad met een dikte van 0,3-0,35 mm om een ferrietstaafje te wikkelen en aan de uitgang een elco van 10-47 µF 125 V te zetten.
De schakelingen kunnen dus gebruikt worden om apparaten te voeden vanuit een betrekkelijk eenvoudige laagspanningsbron.
1. ESR betekent: Equivalent Series Resistance. Deze inwendige complexe weerstand is een maat voor de warmteverliezen (i2xR) in de elco.
2. Voor veiligheid is een luchtweg en kruipweg tussen de printsporen van minimaal 0,6 mm voldoende bij 100 Vdc.
Aanraakbaarheid: alle spanningvoerende delen boven de 50 Vdc of 35 Vac zijn per definitie niet aanraakveilig en mogen daarom niet door de gebruiker kunnen worden aangeraakt. De metalen behuizing zal daarom minstens 1,5 mm luchtweg en kruipweg naar het 100 Vdc circuit moeten hebben.
Hogere Spanning Uit Lagere Bron (deel 2)
De in het vorige RHT de door mij ontworpen en gebouwde step up convertor, blijft het toch leuk om het apparaatje uit de kast te halen en op een ontvanger aan te sluiten en kijken of alles nog naar behoren werkt. Ik heb dat ook zo hier en daar verteld, zodat een kennis mij vroeg om het ook eens te mogen bewonderen.
Bij hem speelde ook het idee om zo’n step-up convertor te bouwen. Na een afspraak te hebben gemaakt, toonde ik voor hem mijn ingeblikt magisch wonder van slechts een afmeting van 50 x 40 x 20 mm, met daaraan hangende aan twee draden een batterijpack met acht penlight batterijen wat de benodigde 67,5 V anodespanning van het toestel moest verzorgen.
Na alles te hebben aangesloten en gecontroleerd werd de ontvanger aangezet. Nu nog even wachten tot de gloeidraden zijn opgewarmd, en…? Niets!! “Duurt wel wat lang”; opperde de kennis ongeduldig en ik beaamde dit. Zoiets had ik nog niet eerder meegemaakt! Toch nog maar even nachecken: ”mm”; alles klopte, totdat ik tot mijn schrik opmerkte dat alle batterijen nog in het pack zaten terwijl ik bij het opbergen van de apparaten er altijd voor zorg een batterij weg te halen om de spanning te onderbreken van de voeding. Even meten en ja hoor dit overkomt natuurlijk niemand alleen mij weer!! Leeg!!!
Na acht nieuwe batterijen er te hebben ingezet werkte alles weer naar behoren, en de demonstatie naar een goed einde gebracht. Na deze ervaring speelde bij mij de gedachte om er iets bij te maken om deze nodeloze verspilling van het stroomverbruik na het vergeten ontkoppelen van de batterijen tot het verleden moet gaan behoren. De drang om dit te gaan ontwerpen werd nog eens versterkt, toen ik een paar dagen later na de NVHR-beurs in Doorn een e-mail van iemand kreeg, en de dagen daarop zelfs twee met de vraag, kan zo’n schakeling ook automatisch gemaakt worden? Zodat als de gloeispanning van de ontvanger wordt aangeschakeld de step-up convertor automatisch aanschakelt en zodra de gloeispanning wordt afgeschakeld ook de step up convertor automatisch afschakelt, zodat er zonder de batterijen te ontkoppelen geen stroom meer wordt verbruikt?
Op dat moment voelde ik mij niet zo’n ontzettende grote nul meer. Schijnbaar was ik toch niet de enige die vergat de batterijen af te koppelen. Voor een schakeling te ontwerpen vergde het nog wel wat zoekwerk om iets te vinden in een doolhof van data van componenten die voor dit doel te gebruiken zijn en het zijn er ontzettend veel en zeker de moderne serie’s IC’s transistoren en FET’s met typeaanduidingen van meest onbegrijpelijke typenummers waar schijnbaar niemand weet wat de betekenis er van is en aanduidingen wat mij sterk moet denken aan kenteken platen van automobielen.
Na wat zoekwerk ben ik ook wel hele mooie componenten tegengekomen die voor dit doel theoretisch uiterst geschikt bleken te zijn. Slechts een klein IC met maar 6 pootjes zonder ook maar enig component erbij kon de hele zaak worden opgelost, maar daar ben ik toch weer van afgestapt om reden dat dit soort componenten zeer moeilijk verkrijgbaar zijn, nee dan maar ietsje meer componenten (mag het ietsje meer zijn?).
Het moest een schakeling worden met onderdelen die gemakkelijk verkrijgbaar moesten zijn bij de gewone componenten zaken en niet te duur. Zijn er toch nog problemen met het aanschaffen van deze onderdelen kan de leverancier contact opnemen met Tb. Huijzer Alkmaar. Deze groothandel heeft zo ontzettend veel en heeft deze ook gewoon op de plank liggen. In de schakeling wordt dan ook normaal verkrijgbare transistoren en een p-channel MosFET gebruikt met een zo laag mogelijke RDS, bijvoorbeeld de IRF9530 met slechts een weerstand van 0,2 Ohm.
Natuurlijk zijn er betere maar voor dit doel en gezien de lage prijs is deze goed bruikbaar. Om de FET aan en uit te sturen wordt een NPN transistor BC547b (T3) en een PNP transistor BF423 (T2) gebruikt. De werking is als volgt: D1 zit met de anode aan de plus van de batterij, D2 zit aan de plusuitgang van de step-up convertor. Beide kathodes van D1 en D2 zijn met elkaar verbonden. Deze twee diodes zorgen ervoor dat de batterij en uitgangsspanning geen invloed op elkaar hebben. In serie met de uitgangsspanning zijn twee diodes 1N4004 ( D3/D4 ) in serie geschakeld.
Parallel daarover staat de emitter-basis van de transistor T2 met in serie een begrenzingsweerstand RX2, deze weerstand bepaalt bij welke uitgangsstroom de basis-emitter wordt begrensd (Ibe max. 50 mA). Voor een gunstige waarde is hier uitgegaan van zo’n 10 á 20 mA . De berekening is: Bij een stroomdoorlaat van 15 mA is de gemeten waarde van VBE / T2 900 mV, dezelfde stroom over D3/D4 is 1580 mV, een verschil van 680 mV. Dit wordt gedeeld door 15 mA = 45,3 Ω ( 47 Ω) . Hierdoor begrenst T2, en de stroom neemt verder nauwelijks meer toe, dit is het snijpunt (overname punt) zie grafiek.
De hogere uitgangsstroom wordt via D3 en D4 geleidt tot de maximum aangegeven stroom . Met RX1 kan een punt worden gekozen wanneer de step-up convertor aanschakelt. Bij een inschakelstroom van 250 µA heeft RX een waarde van ± 3k3 (een ander inschakelpunt kan zelf bepaald worden door deze waarde hoger of lager te kiezen tussen de 47 Ohm- 220 kOhm; hoe hoger de weerstand wordt gekozen des te lager het inschakelpunt (zie grafiek).
Zodra de uitgang een belasting ziet van deze waarde of hoger gaat T2 geleiden. Deze spanning wordt verzorgd uit de batterijspanning en loopt via D1. Op de collector T2 staat nu een moment dezelfde spanning min 0,6 V als de ingangsspanning. Op dat ogenblik is de collectorstroom laag, zo’n 100 µA, maar ruimschoots voldoende om via het knooppunt R3/R4 de transistor T3 uit te sturen. De collector/gate T1 wordt nagenoeg 0 V, T1 gaat geleiden en de convertor schakelt in. De hogere uitgangsspanning zal nu via D2 de schakeling blijven uitsturen. D1 wordt automatisch gesperd en doet niet meer mee, immers de spanning over de kathode is bij inschakeling altijd hoger.
Omdat T1 alleen spanningssturing nodig heeft en geen stroom wordt T2/T3 totaal niet belast en kunnen met zeer lage stromen worden ingesteld, dit geeft een voordeel dat bij de hoogst ingestelde uitgangsspanning (90V) nauwelijks rendementsverlies is (collectorstroom T2 slechts 0,75 mA). Doordat R5 een weerstand is met een hoge waarde zal de uitschakeltijd wat trager zijn als de inschakeltijd, maar bij deze schakeling is dit niet van belang, bij deze waarde is de uitschakeltijd toch altijd nog zo’n 40 µs, dit wordt veroorzaakt door de ingangscapaciteit van T1: Cgs = (500–700) pF /R5 . Het is aan te bevelen om bij de bouw van deze schakeling wel de opgegeven componenten te gebruiken, omdat opgebouwd en berekend uit de karakteristieken van de opgegeven types, dit geldt vooral D3 , D4 , T1 , T2 en T3 .
Veel succes met de bouw!
Gyula Kiss.
