Jak zaprojektować stabilizowany obwód zasilacza stołowego

W tym poście omawiamy, jak efektywny i wydajny, a jednocześnie bardzo tani i stabilizowany zasilacz laboratoryjny może zaprojektować każdy hobbysta elektroniki do bezpiecznego testowania wszelkiego rodzaju projektów i prototypów elektronicznych.

Główne cechy, które musi mieć zasilacz laboratoryjny to:

• Powinien być zbudowany z tanich i łatwo dostępnych komponentów
• Powinien być elastyczny w zakresie zakresów napięcia i prądu lub po prostu musi obejmować zmienne napięcie i zmienne wyjścia prądowe.
• Powinien być zabezpieczony przed przetężeniem i przeciążeniem.
• Powinien być łatwy do naprawy w przypadku pojawienia się problemu.
• Powinien być dość wydajny ze swoją mocą wyjściową.
• Powinien ułatwić łatwe dostosowywanie zgodnie z pożądaną specyfikacją.

Ogólny opis

Większość dotychczasowych konstrukcji zasilaczy zawiera liniowy stabilizator szeregowy. Ta konstrukcja wykorzystuje tranzystor przejściowy, który działa jak rezystor zmienny, regulowany przez diodę Zenera.

System zasilania szeregowego cieszy się większą popularnością, być może ze względu na dużo większą wydajność. Z wyjątkiem niewielkich strat na rezystorze Zenera i rezystorze zasilającym, zauważalne straty występują tylko w tranzystorze szeregowym w okresie, w którym dostarcza prąd do obciążenia.

Jednak jedną wadą szeregowego systemu zasilania jest to, że nie zapewniają one żadnego rodzaju zwarcia obciążenia wyjściowego. Oznacza to, że w warunkach zwarcia wyjścia tranzystor przejściowy może przepuścić przez niego duży prąd, ostatecznie niszcząc siebie i ewentualnie podłączone obciążenie.

To powiedziawszy, dodanie zabezpieczenie przed zwarciem do szeregowego zasilacza stołowego można szybko zaimplementować za pomocą innego tranzystora skonfigurowanego jako stopień kontrolera prądu.

Plik regulator zmiennego napięcia osiąga się poprzez prosty tranzystor, sprzężenie zwrotne potencjometru.

Powyższe dwa dodatki umożliwiają szeregowy zasilacz stołowy o dużej wszechstronności, trwałości, taniej, uniwersalnej i praktycznie niezniszczalnej.

W następnych akapitach pokrótce nauczymy się projektowania różnych etapów związanych ze standardowym stabilizowanym zasilaniem stołowym.

Najłatwiejszy regulator napięcia tranzystora

Szybkim sposobem uzyskania regulowanego napięcia wyjściowego jest podłączenie podstawy przejścia tranzystor z potencjometrem i diodą Zenera jak pokazano na poniższym rysunku.

W tym obwodzie T1 jest skonfigurowany jako BJT popychający emiter , gdzie jego napięcie bazowe VB decyduje o jego napięciu po stronie nadajnika VE. Zarówno VE, jak i VB będą dokładnie ze sobą korespondować i będą prawie równe, odejmując jego spadek do przodu.

Spadek napięcia do przodu dowolnego BJT wynosi zwykle 0,7 V, co oznacza, że ​​napięcie po stronie emitera będzie wynosić:

VE = VB - 0,7

Korzystanie z pętli sprzężenia zwrotnego

Chociaż powyższe projekt jest łatwy w budowie i bardzo tani , tego typu podejście nie zapewnia doskonałej regulacji mocy przy niższych poziomach napięcia.

Właśnie dlatego zwykle stosuje się sterowanie ze sprzężeniem zwrotnym, aby uzyskać lepszą regulację w całym zakresie napięcia, jak pokazano na poniższym rysunku.

W tej konfiguracji napięcie bazowe T1, a tym samym napięcie wyjściowe, jest kontrolowane przez spadek napięcia na R1, głównie z powodu prądu ciągniętego przez T2.

Kiedy ramię suwaka garnka VR1 znajduje się na skrajnym końcu po stronie uziemienia, T2 zostaje odcięty, ponieważ teraz jego podstawa zostaje uziemiona, co pozwala na jedyny spadek napięcia na R1 spowodowany prądem bazowym T1. W tej sytuacji napięcie wyjściowe na emiterze T1 będzie prawie takie samo jak napięcie kolektora i można je podać jako:

VE = Vin - 0,7 , tutaj VE to napięcie po stronie emitera T1, a 0,7 to standardowa wartość spadku napięcia przewodzenia dla przewodów podstawy / emitera BJT T1.

Więc jeśli napięcie wejściowe wynosi 15 V, można oczekiwać, że wyjście będzie:

VE = 15 - 0,7 = 14,3 V.

Teraz, gdy ramię suwaka garnka VR1 zostanie przesunięte do górnego dodatniego końca, spowoduje to, że T2 uzyska dostęp do całego napięcia strony emitera T1, co spowoduje, że T2 będzie przewodzić bardzo mocno. Ta akcja spowoduje bezpośrednie połączenie Dioda Zenera D1 z R1. Oznacza to, że teraz napięcie bazowe VB T1 będzie po prostu równe napięciu Zenera Vz. Zatem wynik będzie następujący:

VE = Vz - 0,7

Dlatego jeśli wartość D1 wynosi 6 V, można oczekiwać, że napięcie wyjściowe będzie wynosić tylko:

VE = 6 - 0,7 = 5,3 V. , więc napięcie Zenera decyduje o minimalnym możliwym napięciu wyjściowym, które można z tego uzyskać zasilacz szeregowy gdy garnek jest obracany na najniższym ustawieniu.

Chociaż powyższe jest łatwe i efektywne przy wytwarzaniu zasilacza stołowego, jego główną wadą jest brak zabezpieczenia przed zwarciem. Oznacza to, że jeśli zaciski wyjściowe obwodu zostaną przypadkowo zwarte lub zostanie przyłożony prąd przeciążeniowy, T1 szybko się nagrzeje i spali.

Aby uniknąć tej sytuacji, projekt można po prostu zaktualizować, dodając plik aktualna funkcja sterowania jak wyjaśniono w następnej sekcji.

Dodanie zabezpieczenia przed zwarciem przed przeciążeniem

Proste włączenie T3 i R2 sprawia, że ​​projekt obwodu zasilacza stołowego jest w 100% odporny na zwarcia i prąd kontrolowany . Dzięki tej konstrukcji nawet celowe zwarcie na wyjściu nie spowoduje żadnych uszkodzeń T1.

Działanie tego etapu można rozumieć następująco:

Gdy tylko prąd wyjściowy ma tendencję do przekraczania ustawionej bezpiecznej wartości, powstaje proporcjonalna różnica potencjałów na R2, wystarczająca do twardego włączenia tranzystora T3.

Załączenie T3 powoduje połączenie bazy T1 z linią emitera, co natychmiast wyłącza przewodzenie T1 i ta sytuacja utrzymuje się do momentu usunięcia zwarcia lub przeciążenia wyjścia. W ten sposób T1 jest zabezpieczony przed jakąkolwiek niepożądaną sytuacją wyjściową.

Dodawanie zmiennej bieżącej funkcji

W powyższej konstrukcji rezystor czujnika prądu R2 może mieć stałą wartość, jeśli wyjście ma być wyjściem stałoprądowym. Jednak dobry zasilacz laboratoryjny powinien mieć zmienny zakres zarówno dla napięcia, jak i prądu. Biorąc pod uwagę to zapotrzebowanie, ogranicznik prądu można regulować, po prostu dodając rezystor zmienny z podstawą T3, jak pokazano poniżej:

VR2 dzieli spadek napięcia na R2, dzięki czemu T3 może włączyć się przy określonym żądanym prądzie wyjściowym.

Obliczanie wartości części

Zacznijmy od rezystorów, R1 można obliczyć za pomocą następującego wzoru:

R1 = (Vin - MaxVE) hFE / prąd wyjściowy

Tutaj, od MaxVE = Wino - 0,7

Dlatego upraszczamy pierwsze równanie jako R1 = 0,7hFE / prąd wyjściowy

VR1 może być potencjometrem 10 k dla napięć do 60 V.

Ogranicznik prądu R2 można obliczyć w następujący sposób:

R2 = 0,7 / maksymalny prąd wyjściowy

Maksymalny prąd wyjściowy powinien być wybrany 5 razy niższy niż maksymalny Id T1, jeśli T1 ma pracować bez radiatora. Przy dużym radiatorze zainstalowanym na T1 prąd wyjściowy może wynosić 3/4 T1 Id.

VR2 może być po prostu 1k potencjometrem lub presetem.

T1 należy wybrać zgodnie z wymaganiami dotyczącymi prądu wyjściowego. Wartość znamionowa T1 powinna być 5 razy większa niż wymagany prąd wyjściowy, jeśli ma być używany bez radiatora. Przy zainstalowanym dużym radiatorze wartość znamionowa T1 powinna być co najmniej 1,33 razy większa niż wymagany prąd wyjściowy.

Maksymalna wartość kolektora / emitera lub VCE dla T1 powinna być idealnie dwukrotnością wartości maksymalnego napięcia wyjściowego.

Wartość diody Zenera D1 można dobrać w zależności od najniższego lub minimalnego zapotrzebowania na napięcie wyjściowe z zasilacza stacjonarnego.

Ocena T2 będzie zależeć od wartości R1. Ponieważ napięcie na R1 będzie zawsze wynosić 0,7 V, VCE T2 staje się nieistotna i może mieć dowolną wartość minimalną. Id T2 powinien być taki, aby był w stanie obsłużyć prąd bazowy T1, określony przez wartość R1

Te same zasady dotyczą również T3.

Ogólnie T2 i T3 mogą być dowolnym tranzystorem ogólnego przeznaczenia o małym sygnale, takim jak BC547 lub może 2N2222 .

Praktyczny projekt

Po zrozumieniu wszystkich parametrów potrzebnych do zaprojektowania niestandardowego zasilacza stołowego, czas zaimplementować dane w praktycznym prototypie, jak pokazano poniżej:

Możesz znaleźć kilka dodatkowych komponentów wprowadzonych do projektu, które po prostu zwiększają zdolność regulacyjną obwodu.

C2 wprowadza się w celu usunięcia wszelkich resztkowych tętnień na podstawach T1, T2.

T2 wraz z T1 tworzy a Para Darlington aby zwiększyć bieżące wzmocnienie wyjścia.

R3 jest dodawany, aby poprawić przewodnictwo diody Zenera, a tym samym zapewnić lepszą ogólną regulację.

R8 i R9 są dodawane, aby umożliwić regulację napięcia wyjściowego w ustalonym zakresie, który nie jest krytyczny.

R7 ustawia maksymalny prąd, do którego można uzyskać dostęp na wyjściu, który wynosi:

I = 0,7 / 0,47 = 1,5 ampera, a to wydaje się dość niskie w porównaniu z oceną Tranzystor 2N3055 . Chociaż może to zapewnić super chłodzenie tranzystora, możliwe jest zwiększenie tej wartości do 8 amperów, jeśli 2N3055 zostanie zamontowany na dużym radiatorze.

Zmniejszanie rozpraszania w celu zwiększenia wydajności

Największą wadą każdego regulatora liniowego opartego na tranzystorach szeregowych jest duże rozpraszanie tranzystora. Dzieje się tak, gdy różnica wejścia / wyjścia jest wysoka.

Oznacza to, że gdy napięcie jest regulowane w kierunku niższego napięcia wyjściowego, tranzystor musi ciężko pracować, aby kontrolować nadmierne napięcie, które jest następnie uwalniane jako ciepło z tranzystora.

Na przykład, jeśli obciążenie jest diodą LED 3,3 V, a zasilanie wejściowe do zasilacza stołowego wynosi 15 V, wówczas napięcie wyjściowe należy obniżyć do 3,3 V, czyli o 15 - 3,3 = 11,7 V mniej. A ta różnica jest zamieniana na ciepło przez tranzystor, co może oznaczać utratę sprawności przekraczającą 70%.

Jednak ten problem można po prostu rozwiązać za pomocą pliku transformator z uzwojeniem wyjściowym z odczepem.

Na przykład transformator może mieć odczepy 5 V, 7,5 V, 10 V, 12 V i tak dalej.

W zależności od obciążenia można dobrać kurki do zasilania obwód regulatora . Następnie można użyć potencjometru regulacji napięcia obwodu do dalszego precyzyjnego ustawiania poziomu wyjściowego do żądanej wartości.

Technika ta zwiększyłaby sprawność do bardzo wysokiego poziomu, pozwalając radiatorowi na tranzystor być mniejszym i zwartym.