Rijregelaar maken

[Havoc]

De "brug van Greatz" is geen regel in de electriciteit, maar de schakeling met 4 diodes die wisselspanning naar gelijkspanning omzet. Elke schakeling die wisselspanning in gelijkspanning omzet zal (bij geen stroomverbuik) aan die formule voldoen.

Gelijkspanning heeft geen topwaarde! Anders was het geen gelijkspanning, heb je hem? De gelijkspanning is dus gelijk aan de topwaarde van de wisselspanning verminderd met de spanning die over de diodes valt (2x voor een brug). Als er veel stroom door de diodes gaat, dan is de spanning die je erover verliest groter. Niet echt van belang voor de stromen waar we hier over spreken, het gaat over ongeveer 1.2V, maar als je transfo wat aan de krappe kant is dan kan het nodig zijn van eraan te denken.

Het een en ander gaat nog afhangen van de grootte van de condensator, want als die te klein is, dan gaat er "rimpel" op de gelijkspanning komen. Maw, het is geen zuivere gelijkspanning meer (zoals uit een batterij komt), maar de spanning gaat wat op en neer. Vandaar regels zoals "ongeveer 1000?F per ampere stroomverbruik".

Nu ja, we zijn stilaan ver aan het gaan. Iedereen nog mee? Dan gaan we nog enkele verder puntjes toelichten om die LM317 correct te gebruiken:

Iets anders om aan te denken is dat als je een regelaar zoals een LM317 gebruikt, dat je altijd een zeker minimum verschil moet hebben tussen de ingang van de LM317 en de uitgang ervan. Reken dat de ingang steeds minstens 3V hoger moet zijn dan de uitgang. Dus, als je maximaal 12V aan de uitgang wil, dan moet je zeker 15V aan de ingang hebben ook bij maximale belasting. Tel daarbij 1.2V voor de spanning die je verliest over de diodes. Je transfo moet dan die spanning gedeeld door 1.41 als wisselspanning uitgeven. Vb: je hebt 15V nodig aan de ingang van je LM317, dan heb je (15 + 1.2)/1.41 = 11.4V (wisselspanning) nodig: dus een 12V transfo. Dit is enkel voor de klassieke transfo's! Dus die met een hoop ijzer en koperdraad er rond. De "electronische transfo's werken op een ander princiepe en geven direct gelijkstroom!"

Nog een belangrijk puntje is dat je steeds minstens 10mA moet verbruiken. Dit voor de correcte werking van de LM317. Dat is niet moeilijk, een LED met weerstand ingesteld op die stroom is een goed idee. Dan weet je tegelijk dat er spanning is. De weerstand is ongeveer (uitgangsspanning -1.2V)/0.01 = (uitkomst in Ohm) afronden naar de dichtbijzijnde waarde. Neem een exemplaar van 0.25W.

Tot nu toe redelijk simpel nietwaar? Maar nu wordt het opletten in de klas []

Als je dan weet hoeveel volt er in gaat, en hoeveel volt eruit komt, dan is het tijd om eens te gaan zien hoeveel watt (vermogen) er verbruikt wordt door de LM317 zelf. Dit is een heel belangrijke stap! Daarvoor heb je ook een idee nodig hoeveel stroom je gaat verbruiken.

Stel 1 trein verbruikt 0.5A. De transfo geeft maximaal 15V gelijkspanning en je regelaar is ingesteld op 12V. Dan ga je (15-12)x0.5 = 1.5W in warmte omzetten. Die gaat wel erg warm worden, maar nog geen ramp. Als je nu echter je regelaar op 6V ingesteld hebt, en je trein verbruikt nog steeds 0.5A dan gaat de berekening als volgt: (15-6)*0.5 = 4.5W. Dit is een probleem! Je LM317 gaat behoorlijk heet worden. Dan moet je een koelplaat tegen je LM317 schroeven zodat er meer warmte afgevoerd kan worden. De regel is als volgt: [(maximale spanning aan de ingang)-(spanning aan de uitgang)] x (stroomverbruik aan de uitgang)= (warmte die moet afgevoerd worden). (nog iets dat je niet mag vergeten is dat je die warmte slechter kwijt kan als je de regelaar in een doos steekt die helemaal dicht is)

Als er nu nog iemand wil weten hoe je kan berekenen hoe groot je koelplaat moet zijn, dan wil ik dat wel eens uitleggen in een volgende aflevering.

PS: in het geval dat de LM317 in TO220 verpakking 1.5W moet afgeven zoals in voorgaand voorbeeld, gaat de behuizing ongeveer 100?C worden!!! Daar kan hij tegen, maar je begrijpt dat dit niet veilig is. In het geval dat hij 4.5W moet afgeven zou dat (theoretisch) 250?C worden, maar bij 125?C schakelt hij zichzelf uit.

[Gerolf]

Amai, Johan [8D] Je maakt er werk van, man!

Zullen we het nog even over geforceerde koeling hebben (blowertje, Peltier-elementen, ... [}:)])

[Klaas Zondervan]

citaat:Geplaatst door Havoc

Gelijkspanning heeft geen topwaarde! Anders was het geen gelijkspanning, heb je hem?

Even muggenziften: gelijkspanning betekent niet dat de waarde constant is, het betekent alleen maar dat de polariteit niet verandert.
B.v., als je achter een trafo een bruggelijkrichter schakelt, zonder bufferelco, dan krijg je sinusvormige pulsen die allemaal dezelfde kant op staan. Geen constante waarde, maar toch gelijkspanning. Dus wel degelijk een topwaarde.

[INFO]

Yep bij 50 Hz wisselspanning wordt dat dan 100 Hz gelijkspanning. []

[Frank_N]

citaat:.....hoe groot je koelplaat moet zijn, dan wil ik dat wel eens uitleggen....

@ Havoc: Daar ben ik best nieuwschierig naar []
Frank

[Havoc]

Normaliter spreekt men dan van een gelijkspanning met een rimpel erop. Maar kom zo ver gaan we het niet drijven.

Vermits er vrag is zullen we vanavond even ingaan op koelplaten. (eerst wat werken in huis).

[13erke]

citaat:Normaliter spreekt men dan van een gelijkspanning met een rimpel erop. Maar kom zo ver gaan we het niet drijven.

En in de wiskunde een rechthoekige pulsfunctie,
f(x)=u(x)-u(x-T) met u(x)= de Heavesidefunctie
en ik zal het hier bij laten voordat er hier een wiskunde-forum onstaat[B)]

[Havoc]

Een gelijkgerichte sinus is geen blokgolf. Maar je hebt gelijk, we gaan het zover niet drijven. Voor diegenen die het allemaal uitgelegd willen zien met integralen, afgeleiden, complexe getallen, delta-distributies, convoluties en correlaties: die zullen op hun honger moeten blijven zitten. Of een goed boek hogere wiskunde vragen aan St-Niklaas.

Gerolf, ik denk niet dat we het over Peltiers gaan hebben, want de voeding daarvoor is al wat complexer dan een LM317 en dat schijnt voor velen al niet evident te zijn.

[Havoc]

Verder met gewone koelplaten.

Als je de datasheet van de LM317 zou lezen, dan zal je zien dat daar 2 getallen staan die belangrijk zijn om te weten hoe warm de regelaar het gaat krijgen, en die je toelaten te berekenen of je een koelplaat nodig hebt en hoe groot die gaat moeten zijn. Dat zijn de waarden voor de "thermische weerstand" uitgedrukt in ?C/W (of K/W, dat is hetzelfde).

Wat is nu thermische weerstand? Wel dat is een getal dat aangeeft hoe groot het temperatuursverschil is tussen de 2 meetpunten als er 1W vermogen (als warmte) van het ene punt naar het andere gaat. Dus, hoe kleiner hoe beter warmte afgevoerd wordt. Omgekeerd kan je hiermee eten hoe veel graden er tussen de 2 punten staan als je weet hoeveel Watt er moet doorgaan.

Er staan er op zo'n datasheet typisch 2 aangegeven. De eerste is "junction-to-case". Deze geeft aan hoe goed de geleiding is van de halfgeleider zelf naar de behuizing. De andere is "junction-to-ambient", die geeft aan hoe goed de warmte van de halfgeleider naar de omgeving gaat (stilstaande lucht!). Voor de LM317 zijn dat respectievelijk 4?C/W en 50?C/W voor een TO220 behuizing. De waarden verschillen van behuizing tot behuizing: metaal geleid beter dan kunststof, een grote behuizing kan maar kwijt dan een kleine etc.

Wat vertelt dit nu: wel als je de LM317 in een TO220 behuizing 1W wil laten verstoken en je gebruikt geen koelplaat, dan moet je de "junction-to-ambient" waarde bekijken. Die vertelt je dat in dit geval voor elke watt de halfgeleider (binnenin de behuizing) 50?C warmer wordt dan de omgevingstemperatuur. Dus voor een typische kamertemperatuur 25?C en 1W vermogen kwijt te geraken wordt de halfgeleider (1W x 50?C/W) + 25?C = 75?C warm. Je vindt ook in die tabellen de maximale gebruikstemperatuur van 125?C, dus daar ben je een heel eind af. Geen probleem, maar je gaat je vinger er niet lang ophouden.

Maar het vorige geval waar we 4.5W moeten verstoken vertelt een ander verhaal: (4.5W x 50?C/W)+25?C= 250?C. En dat is veel te veel. Dus moeten we een koelplaat gebruiken om de TO220 behuizing te helpen die warmte kwijt te geraken.

Een koelplaat is in 90% van de gevallen een stuk zwarte Al extrusie met een hele hoop "vinnen" aan. Dit alles om de oppervlakte zo groot mogelijk te maken zodat de warmte aan de lucht kan afgegeven worden. De efficientie waarmee dat gebeurt wordt voor zo'n koelplaat wordt ook in ?C/W aangegeven. Opnieuw, hoe kleiner de waarde hoe beter.

Om nu te gaan rekenen moeten we de waarde van de koelplaat kennen. Stel dat we eens proberen met een koelplaat van 10?C/W (dat ziet er zo uit: http://be.farnell.com/jsp/endecaSearch/partDetail.jsp?SKU=1213437) Als je bekijkt welke weg de warmte moet afleggen kom je tot het volgende: we beginnen met de "junction-to-case" weerstand (4?C/W), dan is er de weerstand om van de TO220 naar de koelplaat te geraken (ongeveer 1?C/W) en dan de koelplaat zelf (10?C/W). Wat is dan het resultaat: 4.5W x (4 + 1 + 10)?C/W + 25?C = 92.5?C Dit gaat werken, maar echt heel goed is dat niet.

Wat kan je nu doen? Wel een grotere koelplaat kiezen met minder weerstand. Bvb eentje met maar 3.1?C/W, dan heb je 4.5 x (4 + 1 + 3.1) + 25 = 62?C (http://be.farnell.com/jsp/endecaSearch/partDetail.jsp?SKU=1213471) Opgelost! Maar vergelijk eens de afmetingen en prijs.

Andere mogelijkheid is iets anders dan een TO220 behuizing kiezen. Bvb TO3 die heeft maar 2?C/W "junction-to-case" en dan een andere koelplaat die daar bij hoort. Je zal snel merken dat de afmetingen behoorlijk beginnen oplopen.

Nog enkele kleine opmerkingen als je met koelplaten werkt:
- de koelplaat schroef je tegen de behuizing of je gebruikt clipsen. Maar de koelplaat maakt dan electrisch contact met de behuizing en staat dus onder spanning! Ofwel trek je je daar niets van aan (het is tenslotte maar 15V), maar dan moet je er rekening mee houden dat er niets tegen kan komen en zo kortsluiting maken. Of je gebruikt een isoleersetje om de halfgeleider geen electrisch contact te laten maken. Tel dan nog een 0.5?C/W bij de weerstand van de overgang tussen behuizing en koelplaat. Vraag een setje dat bij je type behuizing past.
- als je schroeven gebruikt, dan niet t? vast aandraaien! Zeker bij TO220 kan je als je te hard aanspant de boel vervormen en dus slechter resultaat bekomen.
- beste is als je "warmtegeleidende pasta" tussen je behuizing en de koelplaat smeert. Dit is een wit spul (dat op tandpasta lijkt). Maakt plekken etc. Smeer een zo dun mogelijk laagje op je component, maar net voldoende om alles te bedekken. Dan gaat alle lucht vantussen de behuizing en de koelplaat en worden alle oneffenheden netjes opgevuld.

Al die dingen zijn bij een electronica-boer te vinden...

[Janssfs]

Johan, je schreef dat die LM317 behoorlijk warm kan worden en dat een trein gemiddeld zo'n 0,5A verbruikt. Dit betekent dat de LM317 bij 2 treinen reeds op zijn max zit.

Als je een LM350 in de plaats zou zetten, is dit dan niet comfortabeler en zal die dan ook niet minder warm worden?

[Frank_N]

Dank U Havoc [][^]. Komt goed van pas voor het uitwerken van een dubbele voeding waar ik mee bezig ben. Het gaat om een regelbare met 2x BDY20 torren, een schakeling met kortsluitbeveiliging die ik vond in een oud boekje van van Meekeren.

Frank

[Havoc]

citaat:je schreef dat die LM317 behoorlijk warm kan worden en dat een trein gemiddeld zo'n 0,5A verbruikt. Dit betekent dat de LM317 bij 2 treinen reeds op zijn max zit.

Wel, die 0.5A is maar een schatting van mij. Zelf rijd ik met schaal Z en daar is dat toch net iets anders. Kan hier een h0'er even enkele waarden geven aub? Maar als die 0.5A klopt, dan is het bij 2 treinen inderdaad ver gedaan.

citaat:Als je een LM350 in de plaats zou zetten, is dit dan niet comfortabeler en zal die dan ook niet minder warm worden?

Wel, ja en neen. Nu moet je even trachten te volgen. Een "lineaire" regelaar zoals de LM317 en LM350 gaat steeds warm worden. Als je nu 1A aan de uitgang vraagt, dan gaat er ook 1A in. Dus wat hij moet aan warmte kwijtgeraken is steeds (ingangsspanning - uitgangsspanning) x stroom. Dus dat betekent dat die LM350 misschien wel 3A kan leveren, maar het zijn de Watts warmte die het probleem zijn. Met 15V in en 6V uit en 1A verbruik, is de warmte die wegmoet 7W. Zowel voor de LM317 als voor de LM350. Nu maakt de behuizing van de LM350 het iets gemakkelijker om dat te doen. Maar het verschil gaat niet zo groot zijn als je denkt.

Het is waarschijnlijk goedkoper om 2x een LM317 met een redelijk koelplaat te gebruiken dan 1 dikke LM350 met een grote koelplaat.

Geschakelde voedingen hebben dit probleem veel minder. Maar die zijn een heel stuk ingewikkelder.

[Frank_N]

Met een grote N- Arnoldlok welke 5 personen rijtuigen met (gloeilampjes) verlichting trekt rond de 0,8 Amp, en deze trein rijd  langzaam. Gemeten met universeelmeter met ouderwetse draaispoelmeter tussen rails en voeding.
Frank

[Havoc]

Oeps. Dan is het nog erger dan gedacht.

[Klaas Zondervan]

citaat:Geplaatst door ModelspoorfaN

...... trekt rond de 0,8 Amp, en deze trein rijd  langzaam.

Stroomverbruik heeft nauwelijks iets te maken met de snelheid.