Ako navrhnúť stabilizovaný napájací obvod

V tomto príspevku diskutujeme o tom, ako môže efektívny a efektívny, ale zároveň veľmi lacný a stabilizovaný zdroj napájania navrhnúť každý elektronický fanúšik na bezpečné testovanie všetkých typov elektronických projektov a prototypov.

Hlavné vlastnosti, ktoré musí stolný napájací zdroj obsahovať, sú:

• Mali by byť vyrobené z lacných a ľahko dostupných komponentov
• Mal by byť flexibilný so svojimi rozsahmi napätia a prúdu alebo jednoducho musí obsahovať zariadenie na výstupy s premenlivým napätím a prúdom.
• Mali by byť chránené proti nadprúdu a preťaženiu.
• Malo by byť ľahko opraviteľné, ak by nastal problém.
• Mal by byť primerane efektívny s výstupným výkonom.
• Malo by to uľahčiť ľahké prispôsobenie podľa požadovanej špecifikácie.

Všeobecný popis

Väčšina doteraz navrhovaných napájacích zdrojov obsahuje lineárny stabilizátor série. Táto konštrukcia využíva prechodový tranzistor, ktorý funguje ako premenný rezistor regulovaný Zenerovou diódou.

Systém sériového napájania je populárnejší, pravdepodobne kvôli tomu, že je oveľa efektívnejší. S výnimkou menších strát v Zenerovom a napájacom rezistore sa znateľná strata vyskytuje iba v sériovo napájanom tranzistore počas doby, keď dodáva prúd do záťaže.

Jednou z nevýhod systému sériového napájania je však to, že neposkytujú žiadny druh skratu výstupného zaťaženia. To znamená, že počas poruchových stavov výstupu môže prechodový tranzistor umožniť pretekanie veľkého prúdu, ktorý nakoniec zničí seba a pravdepodobne aj pripojenú záťaž.

To znamená, že pridanie a ochrana proti skratu k sériovo napájanému napájaciemu zdroju možno rýchlo implementovať prostredníctvom ďalších tranzistorov nakonfigurovaných ako prúdový regulátor.

The regulátor premenného napätia sa dosahuje pomocou jednoduchého tranzistora, spätnoväzbového potenciometra.

Vyššie uvedené dva prírastky umožňujú sériový napájací zdroj na napájanie z vysoko univerzálneho, robustného, ​​lacného, ​​univerzálneho a prakticky nezničiteľného zdroja.

V nasledujúcich odsekoch sa stručne naučíme návrh rôznych stupňov štandardného stabilizovaného napájacieho zdroja.

Najjednoduchší tranzistorový regulátor napätia

Rýchlym spôsobom, ako získať nastaviteľné výstupné napätie, je pripojiť základňu priechodu tranzistor s potenciometrom a Zenerovou diódou ako je to znázornené na obrázku nižšie.

V tomto okruhu je T1 zostavený ako emitor-nasledovník BJT , kde jeho základné napätie VB rozhoduje o jeho napätí na strane emitora VE. VE aj VB si budú navzájom presne korešpondovať a budú takmer rovnaké, po odpočítaní jeho poklesu vpred.

Dopadové poklesové napätie ľubovoľného BJT je zvyčajne 0,7 V, čo znamená, že napätie na strane vysielača bude:

VE = VB - 0,7

Použitie slučky spätnej väzby

Aj keď vyššie uvedené dizajn je ľahko zostaviteľný a veľmi lacný , tento typ prístupu neponúka veľkú reguláciu výkonu pri nižších úrovniach napätia.

To je presne dôvod, prečo sa zvyčajne používa riadenie typu spätnej väzby, aby sa získala zlepšená regulácia v celom rozsahu napätia, ako je to znázornené na obrázku nižšie.

V tejto konfigurácii je základné napätie T1, a teda výstupné napätie, riadené poklesom napätia na R1, hlavne v dôsledku prúdu ťahaného T2.

Keď je posuvné rameno hrnca VR1 na krajnom konci na zemi, T2 sa odreže, pretože teraz sa jeho základňa uzemní, čo umožňuje jediný pokles napätia na R1 spôsobený základným prúdom T1. V tejto situácii bude výstupné napätie na vysielači T1 takmer rovnaké ako napätie kolektora a môže byť dané ako:

VE = Vin - 0,7 , tu VE je napätie na strane vysielača T1 a 0,7 je štandardná hodnota poklesu napätia vpred pre vodiče základne / vysielača BJT T1.

Takže ak je vstupné napájanie 15 V, dá sa očakávať, že výstup bude:

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

Teraz, keď je posuvné rameno hrnca VR1 presunuté na horný kladný koniec, spôsobí to, že T2 bude mať prístup k celému napätiu na strane emitora T1, čo spôsobí, že T2 bude veľmi tvrdý. Táto akcia priamo spojí zenerova dióda D1 s R1. To znamená, že teraz sa základné napätie VB T1 bude jednoducho rovnať zenerovmu napätiu Vz. Takže výstup bude:

VE = Vz - 0.7

Preto, ak je hodnota D1 6 V, možno očakávať, že výstupné napätie bude len:

VE = 6 - 0,7 = 5,3 V , takže zenerove napätie rozhoduje o minimálnom možnom výstupnom napätí, ktoré by sa z toho dalo získať sériový napájací zdroj keď sa hrniec otočí na najnižšie nastavenie.

Aj keď je vyššie uvedené vytvorenie a napájanie stolového zdroja jednoduché a efektívne, má veľkú nevýhodu v tom, že nie je odolný voči skratu. To znamená, že ak dôjde k náhodnému skratu na výstupných svorkách obvodu alebo k použitiu prúdu nadmerného zaťaženia, T1 sa rýchlo zahreje a zhorí.

Aby sa zabránilo tejto situácii, dizajn je možné jednoducho inovovať pridaním a funkcia súčasného ovládania ako je vysvetlené v nasledujúcej časti.

Pridanie ochrany proti skratu proti preťaženiu

Jednoduché začlenenie T3 a R2 umožňuje, aby bola konštrukcia obvodov napájacieho zdroja 100% chránená proti skratu a riadený prúdom . S týmto dizajnom ani úmyselné skratovanie na výstupe nespôsobí T1 nijaké poškodenie.

Fungovanie tejto etapy možno chápať takto:

Akonáhle má výstupný prúd tendenciu presahovať nastavenú bezpečnú hodnotu, vytvorí sa proporcionálne množstvo rozdielu potenciálov naprieč R2, čo stačí na tvrdé zapnutie tranzistora T3.

Pri zapnutom T3 spôsobí spojenie základne T1 s jej emitorovým vedením, ktoré okamžite deaktivuje vedenie T1, a táto situácia sa udržiava, kým sa neodstráni skrat alebo preťaženie výstupu. Týmto spôsobom je T1 chránený pred každou nežiaducou výstupnou situáciou.

Pridanie funkcie premenlivého prúdu

Vo vyššie uvedenom uskutočnení môže byť odpor R2 prúdového snímača pevnou hodnotou, ak sa vyžaduje, aby výstupom bol výstup s konštantným prúdom. Predpokladá sa však, že dobrý napájací zdroj má premenlivý rozsah pre napätie aj prúd. Vzhľadom na túto požiadavku by bolo možné obmedzovač prúdu upraviť jednoducho pridaním a premenný odpor so základňou T3, ako je uvedené nižšie:

VR2 rozdeľuje pokles napätia na R2 a umožňuje tak T3 zapnúť sa na konkrétnom požadovanom výstupnom prúde.

Výpočet hodnôt častí

Začnime s rezistormi, R1 sa dá vypočítať podľa nasledujúceho vzorca:

R1 = (Vin - MaxVE) hFE / výstupný prúd

Tu, od MaxVE = Víno - 0,7

Preto zjednodušujeme prvú rovnicu ako R1 = 0,7hFE / výstupný prúd

VR1 môže byť 10 k poter pre napätie do 60 V

Aktuálny obmedzovač R2 sa dá vypočítať takto:

R2 = 0,7 / maximálny výstupný prúd

Maximálny výstupný prúd by mal byť zvolený 5-krát nižší ako maximálna hodnota T1, ak sa vyžaduje, aby T1 fungoval bez chladiča. S veľkým chladičom nainštalovaným na T1 môže byť výstupný prúd 1/4 T1 Id.

VR2 môže byť jednoducho 1k pot alebo preset.

T1 by sa mal zvoliť podľa požiadavky na výstupný prúd. Ak má byť prevádzkovaný bez chladiča, hodnota T1 Id by mala byť 5-krát vyššia ako požadovaný výstupný prúd. Ak je nainštalovaný veľký chladič, hodnota T1 Id by mala byť minimálne 1,33-krát vyššia ako požadovaný výstupný prúd.

Maximálny kolektor / vysielač alebo VCE pre T1 by mal byť v ideálnom prípade dvojnásobkom hodnoty maximálnej špecifikácie výstupného napätia.

Hodnotu zenerovej diódy D1 je možné zvoliť v závislosti od požiadavky na najnižší alebo minimálny výstup napätia z napájacieho zdroja na skúšobnom stole.

Hodnotenie T2 bude závisieť od hodnoty R1. Pretože napätie na R1 bude vždy 0,7 V, VCE T2 sa stane nepodstatným a môže predstavovať akúkoľvek minimálnu hodnotu. Id T2 by malo byť také, aby bolo schopné zvládnuť základný prúd T1, ako je určené hodnotou R1

Rovnaké pravidlá platia aj pre T3.

Všeobecne T2 a T3 môže byť akýkoľvek malý univerzálny signálny tranzistor, napríklad BC547 alebo a 2N2222 .

Praktický dizajn

Po pochopení všetkých parametrov pre návrh prispôsobeného napájacieho zdroja pre stolné počítače je čas implementovať údaje do praktického prototypu, ako je uvedené nižšie:

V dizajne môžete nájsť niekoľko ďalších komponentov, ktoré slúžia iba na zvýšenie regulačnej schopnosti obvodu.

Zavádza sa C2, aby sa vyčistilo zvyškové zvlnenie na bázach T1, T2.

T2 spolu s T1 tvoria a Darlingtonský pár na zvýšenie súčasného zisku výstupu.

R3 sa pridáva na zlepšenie vedenia zenerovej diódy a na zabezpečenie lepšej celkovej regulácie.

R8 a R9 sú pridané, aby umožnili reguláciu výstupného napätia v pevnom rozsahu, čo nie je kritické.

R7 nastavuje maximálny prúd, ktorý je prístupný na výstupe, ktorý je:

I = 0,7 / 0,47 = 1,5 ampéra a to sa zdá byť dosť nízke v porovnaní s hodnotením Tranzistor 2N3055 . Aj keď by to mohlo udržať tranzistor v superchladnom stave, je možné zvýšiť túto hodnotu až na 8 ampérov, ak je 2N3055 namontovaný cez veľký chladič.

Znižovanie straty za účelom zvýšenia efektívnosti

Najväčšou nevýhodou lineárnych regulátorov na báze sériových tranzistorov je veľké množstvo rozptylu tranzistorov. A to sa stane, keď je rozdiel medzi vstupom a výstupom vysoký.

To znamená, že keď sa napätie upravuje na nižšie výstupné napätie, musí tranzistor tvrdo pracovať, aby riadil nadmerné napätie, ktoré sa potom uvoľňuje ako teplo z tranzistora.

Napríklad ak je záťaž 3,3 V LED a vstupné napájanie z napájacieho zdroja je 15 V, potom musí byť výstupné napätie znížené na 3,3 V, čo je o 15 - 3,3 = 11,7 V menej. A tento rozdiel je tranzistorom prevedený na teplo, čo by mohlo znamenať stratu účinnosti viac ako 70%.

Tento problém je však možné jednoducho vyriešiť použitím a transformátor s vinutím výstupného napätia s odbočkami.

Napríklad transformátor môže mať odbočky 5 V, 7,5 V, 10 V, 12 V atď.

Podľa napájania sa dali zvoliť kohútiky na napájanie regulačný obvod . Potom by sa dal použiť obvod na nastavenie napätia obvodu na ďalšie nastavenie výstupnej úrovne presne na požadovanú hodnotu.

Táto technika by zvýšila účinnosť na veľmi vysokú úroveň, čo by umožnilo, aby bol chladič k tranzistoru menší a kompaktný.