Dr.Godfried-Willem RAES
Kursus Experimentele Muziek: Boekdeel 2: Live electronics
Hogeschool Gent : Departement Muziek & Drama
<Terug naar inhoudstafel kursus>
In paragraaf 2007 behandelden we de omzetting van netspanning naar voor elektronische schakelingen gebruikelijke gelijkspanningen en stromen. In sommige toepassingen kunnen we behoefte hebben aan hoge gelijkspanningen of wisselspanningen afgeleid van een gelijkstroomstroomvoeding of van een batterij of akku. Een voor de muziek relevant voorbeeld ontmoeten we o.m. in de hoogspanning nodig voor de voeding van een kondensatormikrofoon. ('Fantoomspanning')
We weten dat gelijkspanningen zich niet via een transformator laten transformeren. Om toch hogere uitgangsspanningen te verkrijgen maken we een omweg door eerst de gelijkspanning om te zetten in een wisselspanning, deze vervolgens te transformeren en dan weer gelijk te richten.
In het voorbeeld van deze schakeling gaan we uit van een 6Volt akkuspanning. Een transistor wordt gebruikt om samen met een kleine voedingstransformator een Hartley oscillator te vormen. De trillingsfrekwentie kan gewijzigd worden door het spelen met de waarde van de 10kOhm weerstand die de positieve feedback naar de basis van de transistor verzorgt. Dit is een uiterst eenvoudige schakeling: de uitgangsspanning kan niet sterk worden belast en zal met de belasting erg fluktueren. Wanneer we een 6V / 230V transfo toepassen, kan ook een uitgangsspanning van 200 to 260V worden verkregen. De 10mF kondensator moet dan wel voor een hogere werkspanning bemeten worden.
SMPS (Switched Mode Power Supply)
Wanneer we voedingen volgens de schemas gegeven in 2007 zouden ontwerpen voor hoge stroomsterktes, zoals we die o.m. nodig hebben als voedingen voor komputers (5V/ 25A, 12V/5A zijn heel gewone waarden), dan komen we bij de berekening steeds uit op de nood aan bijzonder zware voedingsstransformatoren. Bovendien zijn voedingen volgens de in 2007 uiteengezette regels niet erg efficient: een groot deel van het vermogen gaat verloren in warmte: wikkelverliezen in de transfo, de spanningsval over de regulator en over de diodes...
Mede daarom ontstonden in de jaren '80 zgn. 'switching power supplies'. (SMPS). Hierbij wordt gebruik gemaakt van het feit dat voor een gegeven energieomzettingswaarde, de massa van een tranformator ongeveer omgekeerd evenredig is met de frekwkentie van de getransformeerde spanning. Wanneer een transformator met een vermogen van 1000VA werkt bij 50Hz dan zal die toch zo'n 10kg wegen. Willen we eenzelfde vermogen transformeren bij 100kHz dan zullen we met een minimale transfokern (uit ferriet) kunnen volstaan terwijl het gros van de massa zal bestaan uit het gewicht van het koper nodig voor de wikkelingen. Een 500g zal in dit voorbeeld ruimschoots kunnen volstaan. Het was dus zaak een middel te vinden om de (net)spanning vooraleer haar te transformeren, een frekwentieomzetting te doen ondergaan.
Daartoe wordt de netspanning (cfr. blokschema) eerst gelijkgericht en vervolgens naar een schakeling gevoerd die de bekomen gelijkspanning aan een hoge frekwentie aan en uit schakelt (een chopper). Deze geschakelde spanning met een hoge frekwentie wordt dan in een kleine HF-transformator naar de gewenste spanning getransformeerd. Om regeling en stabilisatie mogelijk te maken is de chopper voorzien van een pulsbreedte regelingsingang waardoor de aan/uit verhouding van het omschakelen (de duty cycle) kan worden geregeld in funktie van de gelijkgerichte sekondaire gelijkspanning. Omwille van de veiligheid (het hele linkergedeelte van de schakeling is verbonden met het net!) wordt bovendien gebruik gemaakt van een optische (soms ook induktieve) terugkoppeling.
Hoewel het principe tamelijk eenvoudig is, valt het zelf ontwerpen van schakelende voedingen niet mee. Niet in het minst omdat voor dit doel nodige transformatoren niet tot de standaard elektronische komponenten behoren. We moeten ze zelf wikkelen en berekenen, een niet bepaald eenvoudige klus. Bovendien kunnen ze een ernstig veiligheidsrisiko inhouden. Schakelende voedingen kunnen gelukkig voor de meest diverse in- en uitgangsspanningen als kant en klare modules worden gekocht.
Vooraleer naar een schakelende voeding te grijpen voor een eigen ontwerp past toch een woord van waarschuwing: voor analoge audioschakelingen zijn ze bijna nooit geschikt! De reden is gelegen in het feit dat de op de uitgangsspanning gesuperponeerde ruis- en storing- van nature uit minstens een decade groter is dan bij analoog geregelde voedingen. De golfvorm van de geschakelde spanning en het grote aantal harmonischen dat bij het schakelen optreedt is daarvoor aansprakelijk. Voor de voeding van digitale schakelingen is dit type -vanzodra het gaat over stromen groter dan ca. 1A- zeer aan te bevelen.
In elektronische schakelingen hebben we af en toe nood aan een negatieve spanning terwijl de voeding waarvan we in het ontwerp uitgingen of waarover we beschikken, slechts een enkele positieve spanning aflevert. Voorbeelden vinden we bvb. in seriele verbindingen (RS232) die nood hebben aan +12 en -12V. Hoewel we om een positieve spanning om te zetten in een negatieve, gebruik zouden kunnen maken van een schakelende voeding, zoals hierboven beschreven, bestaat er ook een veel eenvoudiger alternatief: het toepassen van een schakeltechnische truuk rond een kondensator. Om het werkingsprincipe duidelijk te maken bestudeer je best bijgaand schema. De in het schema als dubbelpolige omschakelaar getekende schakelaar wordt in de praktijk natuurlijk vervangen door een louter elektronisch exemplaar opgebouwd uit MOSFETS. Deze schakeling noemt met een 'ladingspomp'. Het principe kan ook worden gebruikt voor de verdubbeling van een gegeven ingangsspanning met een gegeven polariteit. Grote vermogens kunnen er echter niet mee worden bereikt: de kondensatoren zouden onevenredig groot moeten worden en de MOSFETS zouden ook een al te grote stroomsterkte te verwerken krijgen. Ook voor dit type 'voeding' geldt wat we stelden in verband met schakelende voeding: de uitgangsspanning is steeds en inherent verontreinigd door harmonischen van de schakelfrekwentie. Het is dan ook beslist geen goed idee een voorversterker te voeden uit een batterij, direkt gebruikt voor de positieve voeding, en via een dergelijke inverter (een ICL7660 bvb). voor de negatieve voeding van de opamp.
De schakeling kan in chipvorm als IC worden verkregen. (cfr. katalogi van Maxim, National, Toshiba e.d...)
High voltage phantom power supply
Voor de kondensatormikrofoons die gebruikt worden in het ultrasoongebied, zijn hoge spanningen nodig (150 tot 400Volt). Ook voor 'normale' kondensatormikrofoons zijn trouwens de nodige plaatspanningen zelden kleiner dan 48 Volt. Immers, hoe groter deze spanning kan worden genomen, hoe groter ook het dynamisch bereik van de mikrofoon zal zijn. (Vergelijk bvb. het ontwerp van een Neumann mikrofoon, met 48V fantoom spanning met dit van Schoeps, waarin intern een 140V spanning wordt opgewekt...). Voor het genereren van een hoge gelijkspanning met een beperkte stroom kan een van volgende ontwerpen worden gebruikt. Hierbij wordt de transformatorspoel in resonantie gebracht op de frekwentie van de oscillator. De transformatorspoel wordt gewikkeld op een kleine Philips potkern. Er werd gekozen voor een kristal oscillator omdat dit het uitfilteren van stoorsignalen vereenvoudigd in de verdere schakelingen. Dat we niet rechtstreeks het 1MHz signaal gebruiken voor de aansturing van de mosfet wordt verklaard door de te grote capaciteit van de gates van dergelijke vermogensmosfets. Er zou teveel energie verloren gaan in warmte. Klassieke bipolaire transistoren werken weliswaar beter bij dergelijke hoge frekwenties, maar die hebben dan weer een behoorlijk grote stroom nodig door hun basis voor een goede schakelende uitsturing. In minder kritische toepassingen kan ook een eenvoudige 555 (mos-versie) als oscillator worden gebruikt. De 555 kan dan zelfs rechtstreeks de potkerntransfo aansturen.
Met de weerstand in serie met de resonantiekring kan de sekondair opgewekte spanning worden ingesteld.
Terug naar inhoudstafel kursus: <Index Kursus>
Naar homepage dr.Godfried-Willem RAES