Van wisselspanning naar gelijkspanning

afbeelding van Frank

Elke transformator levert wisselspanning maar soms hebben we gelijkspanning nodig om dingen te laten functioneren. Dit kunnen we op verschillende maniren bereiken.

Met een diode. Afhankelijk van de spanning die onze transformator levert en de stroom die we nodige hebben kiezen we een diode.

Wanneer we werken met kleine stromen kunnen we kiezen voor een bekende diode nv: de 1N4148.

large_Diode_1n4148_0.jpg
bron wikimedia.org

  Wanneer we een component kiezen kan kunnen we dit doen op basis van onze ervaring. Lar dan moet
  je die steeds eerst ergens halen. Vaklectuur is een goede bron, maar de beste bron is nog steeds een
  datasheet waarin de specificaties van de component staan.
  Op eerste zicht lijkt zo een datasheet steeds véél te complex.
  Wanneer we google gerbuiken en "1N4148 datasheet" opzoeken, dan kies ik de tweede link van de fabrikant Vishay.
  U zal zich afvragen waarom deze en niet een van de vele anderen, dit merk komt mij bekend voor de de website www.conrad.be
  waar u beetje lager op de pagina onder te tab downloads een link vindt naar de datasheet.
  Op pagina één leren we dat de Reverse voltage van deze diode 75V is. Naar modelbouwnormen is dit een redelijk hoge grens
  omdat we meestal met spanningen tussen de 12V en 20V te maken krijgen.
  Verder lezen we hier ook dat de Average forward current, de gemiddelde stroom die er door mag lopen slechts 150mA is.

  1.   Dit is aan de lage kant. Een ledje gebruikt typisch 20mA, dus zouden we 7 ledjes elk voorzien van een voorschakelweertand kunnen laten branden.

  Willen we grotere stromen kunnen gelijkrichten moeten we dus op zoek naar een diode die deze grotere stromen kan verwerken. Wanneer we de datasheet opzoeken merken we dat er een aantal gelijkaardige diodes zijn van de 1N4001 tot en met de 1N4007. Uit de datasheer leren we dat het verschil hem zit in de Reverse voltage dit gaat van 50V voor de 1N4001 tot 1000V voor de 1N4007. Voor modelbouw hebben we ruim voldoende aan de 50V van de 1N4001. De gemiddelde stroom dat deze diode aankan de Average Rectified Forward Current is 1A en op de regel er onder lezen we dat de piekstroom zelfs 30A bedraagd.

Maar hoe maken we nu met een diode van wisselspanning gelijkspanning?

800px-Halfwave.rectifier.en_.svg__0.png

In bovenstaande tekening (bron wikimedia.org) zien we links een sinusgolf van de wisselspanning. In het midden zien we het schema waarmee we de wisselspanning gaan omzetten in gelijkspanning. Links op het shema komen we eerst de aansluitklemmen voor de 230V tegen. Dan zien wen een symbool met lussen en daar tussenin een vertikale lijn, dit is de transformator die de 230V omzet naar bij voorbeeld 12V. Aan één van de klemmen sluiten we de diode aan met de kant zonder de streep. Aan de kant met de streep komt onze verbruiker. In ons voorbeeld een weerstand. Dit zou een aantal leds of en motor kunnen zijn of een printje met wat elektronica. Wanneer de spanning van onze sinus over de boven nu stijgt gaat de diode geleiden en komt er langzaam aan spanning op onze verbruiker te staan. Wanneer de spanning daalt daalt de spanning over de verbruiker. Komt de spanning van de transformator op 0V of gaat deze onder 0V dan gaat de diode in sper en geleidt niet meer. Gedurende deze tijd staat er geen spanning op de verbruiker. Dit zien we gebeuren in de tekening rechts van het schema.

Dit is geen ideale situatie, voor een lampje is dit misschien nog aanvaardbaar. De frequentie (het aantal golven omhoog, omlaag door nul tot het dieptepunt en terug tot nul is één golf) is 50 Hr. Dus 50 golven per seconde. Maar we krijgen slechts stroom en spanning gedurende de helft van de tijd dus de frequentie van de stroom en spanning over de verbruiker is de helft of 25Hz. Dit is waarneembaar voor het oog. Je zam dus het lampje of de led zien fklikkeren. In praktijd heeft een diode een bepaalde spanning nodig voor deze kan gaan geleiden, voor een 1N400X is de Forward Voltage 1,1V bij een verbruik van 1A. In praktijk is hier niets van merkbaar zolang de spanning van de transformator maar voldoende hoog is. Mocht de transformator slechts bv 1,5V leveren zou er amper spanning over blijven (van 1,1 tot 1,5V) het topje dus van de sinus.

Een betere oplossing bestaat er in beide delen van de sinusgolf te benutten.

800px_RC_filter_0.png

In bovenstaande tekening zien we links de uitgang van onze 50Hz transformator aan bv 12V.
Wanneer de sinusgolf stijgt en we veronderstellen dat de + zich nu bovenaan bevindt dan loopt de stroom door D2 naar de verbruiker en van de verbruiker terug naar de transformator via D3, de diode staat in geleiding want de + bevindt zich aan de kant van de pijl. Via D1 en D4 loopt geen stroom dat deze in sper staan ( de + bevindt zich aan de kant dan de streep).

Wanneer de spanning op de transformator draait en de plus komt onderaan te staan loop de stroom eerst door D4 naar de verbuiker en van de verbuiker terug naar de transformator via D1. D2 en D3 staanu in sper. Dus nu kunnen we de twee kanten van de sinusgold benutten de de + staat steeds aan dezelfde kant op de verbruiker, de motor zal dus steeds dezelfde richting uit draaien.
Willen we deze gelijkspanning bruikbaar maken voor elektronica moeten we van de de goldvormen proberen om te vormen naar een ro recht mogelijke lijn. Hiervoor plaatsen we na de diodes een condensator. Een vuistregel is dat de waarde van deze condensator in microfarad (de waarde van een condensator drukken we uit in Farad, maar dat is erg grote maat dus gbruiken we meestal micro- (miljoenste) nano- (miljardste) of picoFarad (biljoenste)) 3x de waarde is van de stroom in mA. Wanneer we een verbruiker hebben die een stroom vraagt van 1A, 1000A hebben we een condensator nodig van 3000µF dus 3000 microFarad. Deze waarde kunnen we niet kopen en dan ronden we deze waarde af naar 3300µF. Zulke condensator vinden we alleen terug bij elektrolytische condensator en deze hebben een + en een - pootje.  Dan zien we nog een kleine schommeling op de spanning bovenaan de rode lijn rechts op bovenstaande tekening. Voor zeer vele schakelingen zal deze schommeling ( de rimpelspanning) geen probleem zijn.

In plaats van 4 aparte diodes kunnen we ook kiezen voor een brugelijkrichter die 4 pootjes heeft en de 4 diode ingebouwd zijn in een behuizing. Een bezoekje aan conrad leert dat één brugelijkrichter goedkoper is van 4 aparte diodes enonze schakeling wordt eenvoudiger.

Disclaimer van Aansprakelijkheid:
Het gebruik van alle schema's formules en alle installatie instructies, berekeningen die kunnen worden gevonden op deze site volg je op eigen risico. Alle formules, tabellen, berekeningen werden gecontroleerd, maar er is geen garantie dat ze foutvrij zijn. Alles is gemaakt voor eigen gebruik, en ik vind ze zeer nuttig. Daarom wil ik ze hierbij delen met andere modelspoorweg hobbyisten. Al de items en procedures zijn getest op mijn eigen modelbaan, zonder dat deze enige schade heeft veroorzaakt. Maar dit wil natuurlijk niet noodzakelijk zeggen dat alle schema's in elke omgeving of op elk systeem zal werken. Ik kan natuurlijk geen aansprakelijkheid aanvaarden voor wat ik niet zelf heb gebouwd of heb berekend. Gebruik dus altijd je eigen oordeel en gezond verstand!