Schakelende voedingen; zegen of nachtmerrie?

Dit artikel over schakelende voedingen is voor nogal wat lezers reden geweest om te reageren en terecht! Niet vanwege de technische uitleg die ik in de eerste alinea’s geef, maar vanwege mijn kritische houding ten aanzien van het toepassen van schakelende voedingen in geluidsapparatuur. Meerdere lezers wezen mij er op dat er inmiddels prima klinkende hifi apparaten met schakelende voedingen te koop zijn, wat alleen maar er op wijst dat de aanvankelijke problemen overwonnen zijn en de techniek van schakelende voedingen voldoende verbeterd is om ook voor hifi toepassingen de toekomst met vertrouwen tegemoet te kunnen zien. Dat ik persoonlijk nog erg terughoudend ben met het aanschaffen van hifi apparatuur met schakelende voedingen hoeft niet te betekenen dat de hiermee uitgeruste apparatuur klankmatig inferieur is. Ik wil graag benadrukken dat het in deze van groot belang is om uw oor kritisch te luisteren te leggen en zelf te beoordelen wat klankmatig het beste bevalt. Navolgend dus de herziene versie van het artikel over schakelende voedingen. - Frank Speet (april 2004)

Dit wordt best wel een vrij technisch artikel, dus laat ik bij het begin beginnen: wat is een schakelende voeding?

Op zich is het briljant bedacht en voor een groot deel voortgevloeid uit de constatering dat de vermogensoverdracht van een conventionele voedingstrafo niet echt efficiënt is vanwege de 50 Hz netfrequentie die we in Europa hebben. In de V.S. bijvoorbeeld gaat dat al iets beter omdat daar het net een frequentie van 60 Hz heeft. Er is natuurlijk een optimaal werkpunt, maar als vuistregel geldt dat naarmate de frequentie van de aangeboden wisselspanning hoger is, de efficiency van een transformator hoger wordt.

Hoe kun je nu iets doen aan die frequentie, uitgaande van het 50 Hz net zoals dat geleverd wordt. Om te beginnen wordt de 230 Volt direct gelijkgericht en afgevlakt. Elke schakelende voeding heeft dus een gelijkspanning van ongeveer 350 Volt als uitgangspunt. Deze gelijkspanning wordt door een schakeltransistor of –FET als het ware ¨in mootjes gehakt¨. Dat schakelen van die transistor of FET heeft tot gevolg dat de gelijkspanning in een blokgolf verandert en aangezien dat met een hoge frequentie gebeurt, zo tussen de 50 KHz en 100 KHz, kunnen we een kleine, zeer efficiënte transformator toepassen. Aan de secundaire kant van de transformator moeten we dan wel behoorlijk snelle gelijkrichtdiodes toepassen, maar vanwege de hoge frequentie kunnen we volstaan met relatief kleine afvlakcondensatoren. De truc nu met zo’n schakelende voeding is dat de energieoverdracht niet alleen erg efficiënt is, waardoor de warmte ontwikkeling veel minder is als bij een conventionele voeding, maar ook dat de energieoverdracht met een regellus gecontroleerd wordt. Dit gebeurt door de stroom aan de secundaire kant te meten en daarmee de schakeltransistor of –FET bij te sturen. Om de secundaire kant van de schakeling galvanisch te scheiden van het net wordt dit vaak met een opto-coupler gedaan, of met een apart transformatortje. Die regelspanning regelt de verhouding tussen hoelang de schakeltransistor of –FET is ingeschakeld, en er dus stroom door de transformator loopt en hoelang die uitgeschakeld is en er dus geen stroom loopt. Dit heet puls breedte modulatie. Er zijn wat varianten op, maar over het algemeen is dit het basisprincipe waarop verreweg de meeste schakelende voedingen gebaseerd zijn.

Vanwege die geringere warmte ontwikkeling kan een schakelende voeding vaak ook kleiner zijn en omdat de transformator kleiner is, is ook het gewicht een stuk minder. Allemaal goed nieuws dus en de schakelende voeding wordt al jaren in allerlei apparaten toegepast; computers, TV´s, videorecorders, maar ook geluidsapparatuur wordt steeds meer met deze voedingen uitgerust.

De keerzijde

Zoals ik hierboven al meldde wordt de energie overdracht van een schakelende voeding door middel van een regellus gecontroleerd; de pulsbreedte modulatie. Er vindt dus een terugkoppeling plaats van de schakeling die energie vraagt, naar de schakeling die energie levert.

Vooral in de beginperiode werden ook in audioapparatuur schakelende voedingen toegepast die direct afgeleid waren van schakelingen zoals die in TV’s en computers zitten. Het resultaat was een serie versterkers die plat en levenloos klonk. Vooral de eerste serie Carver versterkers was daarom berucht, maar de schakeling die daarin zat sloeg ook alles! In deze versterkers zat een op 60% van het uitgangsvermogen gedimensioneerde voedingstrafo, die door middel van een triacschakeling aangestuurd werd. Dat is dus ongeveer hetzelfde als een flinke lichtdimmer of dat handige schakelingetje waarmee u het toerental an uw boormachine kunt regelen… Het moge duidelijk zijn dat deze versterkers geen klankmatige hoogstandjes waren…

Inmiddels zijn er de nodige vooruitgangen geboekt, maar een zekere voorzichtigheid zou ik blijven houden omdat het snelle schakelen van de voeding wel zeer goed uit de voedingsspanning van de versterker gefilterd moet worden om geen nadelige klankmatige effecten meer te kunnen hebben.