A stabilizált pad tápegységének megtervezése

Ebben a bejegyzésben megvitatjuk, hogyan lehet hatékony és eredményes, ugyanakkor nagyon olcsó és stabilizált tápegységet bármilyen elektronikus hobbistának megtervezni minden típusú elektronikus projekt és prototípus biztonságos tesztelésére.

A pad tápegységének fő jellemzői a következők:

• Olcsó és könnyen elérhető alkatrészekkel kell felépíteni
• Rugalmasnak kell lennie feszültség- és áramtartományaival, vagy egyszerűen tartalmaznia kell egy változó feszültségű és változó áramú kimenetet.
• Túláramnak és túlterhelésnek védettnek kell lennie.
• Könnyen javíthatónak kell lennie, ha probléma merülne fel.
• Megfelelően hatékonynak kell lennie a teljesítményével.
• Meg kell könnyítenie a testreszabást a kívánt specifikáció szerint.

Általános leírása

A tápegység-tervek többsége eddig lineáris sorozatú stabilizátort tartalmaz. Ez a kialakítás egy pass tranzisztort használ, amely változó ellenállásként működik, amelyet Zener dióda szabályoz.

A soros tápegység a legnépszerűbb, valószínűleg annak köszönhető, hogy sokkal hatékonyabb. A Zener és a betápláló ellenállás néhány kisebb vesztesége kivételével észlelhető veszteség csak abban az időszakban fordul elő a soros átmenő tranzisztorban, amikor áramot szolgáltat a terhelésnek.

A soros tápegység egyik hátránya azonban, hogy ezek semmiféle kimeneti terhelési rövidzárlatot nem biztosítanak. Ez azt jelenti, hogy a kimeneti hibakörülmények között az átmenő tranzisztor lehetővé teszi, hogy egy nagy áram áramoljon át rajta, végül tönkretéve önmagát és esetleg a csatlakoztatott terhelést is.

Ez azt mondta, hozzátéve a rövidzárlat elleni védelem egy soros átmenő pad tápellátása gyorsan megvalósítható egy másik tranzisztoron keresztül, amely aktuális vezérlő fokozatként van kialakítva.

A változó feszültségű szabályozó egyszerű tranzisztorral, potenciométer-visszacsatolással érhető el.

A fenti két kiegészítés rendkívül sokoldalú, masszív, olcsó, univerzális és gyakorlatilag elpusztíthatatlan sorozatú padfeszültségellátást tesz lehetővé.

A következő bekezdésekben röviden megtanuljuk a szabványos stabilizált pad tápegység különféle szakaszainak tervezését.

A legkönnyebb tranzisztor feszültségszabályozó

Az állítható kimeneti feszültség megszerzésének gyors módja a hágó aljának összekapcsolása tranzisztor potenciométerrel és Zener diódával az alábbi ábrán látható módon.

Ebben az áramkörben a T1 an-ként van felszerelve kibocsátó-követő BJT , ahol a VB alapfeszültsége dönt a VE emitter oldali feszültségről. A VE és a VB is pontosan megfelelnek egymásnak, és majdnem egyenlőek lesznek, levonva annak előreesését.

Bármely BJT előrefelé eső feszültsége általában 0,7 V, ami azt jelenti, hogy az emitter oldali feszültség:

VE = VB - 0,7

Visszajelzési hurok használata

Bár a fentiek a design könnyen felépíthető és nagyon olcsó , ez a fajta megközelítés nem kínál nagy teljesítményszabályozást az alacsonyabb feszültségszinteken.

Pontosan ezért a visszacsatolás típusú vezérlést alkalmazzák a jobb szabályozás elérése érdekében a teljes feszültségtartományban, amint az az alábbi ábrán látható.

Ebben a konfigurációban a T1 alapfeszültségét és ennélfogva a kimeneti feszültséget az R1 feszültségesése szabályozza, elsősorban a T2 által húzott áram miatt.

Amikor a VR1 edény csúszó karja a föld felőli szélső végén van, a T2 levágódik, mivel most az alapja földelté válik, lehetővé téve az egyetlen R1-es feszültségesést, amelyet a T1 alapárama okoz. Ebben a helyzetben a T1 emitter kimeneti feszültsége majdnem megegyezik a kollektor feszültségével, és a következőképpen adható meg:

VE = Vin - 0,7 , itt a VE a T1 emitter oldali feszültsége, és 0,7 a BJT T1 bázis / emitter vezeték szabványos előremenő feszültségesés-értéke.

Tehát, ha a bemeneti feszültség 15 V, akkor a kimenet várhatóan:

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

Most, amikor az edény VR1 csúszkáját a felső pozitív végre mozgatjuk, a T2 elérheti a T1 teljes sugárzó oldali feszültségét, ami miatt a T2 nagyon keményen fog vezetni. Ez a művelet közvetlenül összekapcsolja a zener dióda D1 R1-gyel. Ez azt jelenti, hogy a T1 VB alapfeszültsége egyszerűen megegyezik a Vz zener feszültséggel. Tehát a kimenet a következő lesz:

VE = Vz - 0,7

Ezért, ha a D1 értéke 6 V, a kimeneti feszültség várhatóan csak:

VE = 6 - 0,7 = 5,3 V , így a zener feszültség dönti el az ebből elérhető legkisebb lehetséges kimeneti feszültséget sorozatú tápegység amikor az edényt a legalacsonyabb fokozaton forgatják.

Bár a fentiek egyszerűek és hatékonyak a pad tápellátásának előállításához, nagy hátránya, hogy nem zárlatbiztos. Ez azt jelenti, hogy ha az áramkör kimeneti kapcsai véletlenül rövidzárlatosak, vagy túlterhelő áramot alkalmaznak, a T1 gyorsan felmelegszik és megég.

Ennek elkerülése érdekében a design egyszerűen továbbfejleszthető az a hozzáadásával aktuális vezérlési funkció a következő szakaszban kifejtettek szerint.

Túlterhelés rövidzárlat elleni védelem hozzáadása

A T3 és R2 egyszerű beépítése lehetővé teszi, hogy a pad tápfeszültség áramköre 100% -osan rövidzárlatbiztos és áram vezérelt . Ennél a kialakításnál még a kimeneten történő szándékos rövidzárlat sem okoz kárt a T1-ben.

Ennek a szakasznak a működése a következőképpen értelmezhető:

Amint a kimeneti áram hajlamos meghaladni a beállított biztonságos értéket, az R2-n belül arányos potenciálkülönbség alakul ki, amely elegendő ahhoz, hogy a T3 tranzisztort erősen bekapcsolja.

Bekapcsolt T3 esetén a T1 bázis csatlakozik emittervezetékéhez, amely azonnal letiltja a T1 vezetését, és ez a helyzet fennmarad mindaddig, amíg a kimenet rövid vagy túlterhelés megszűnik. Ily módon a T1 védett minden nem kívánt kimeneti helyzet ellen.

Változó aktuális szolgáltatás hozzáadása

A fenti kivitelben az R2 áramérzékelő ellenállás fix érték lehet, ha a kimenetnek állandó áramkimenetnek kell lennie. Állítólag azonban egy jó pad tápegység változó tartományú mind a feszültség, mind az áram szempontjából. Figyelembe véve ezt az igényt, az áramkorlátozót egyszerűen az a hozzáadásával lehet beállítani változtatható ellenállás a T3 alapjával az alábbiak szerint:

A VR2 elosztja a feszültségesést az R2-n, és így a T3 bekapcsolhat egy adott kívánt kimeneti áram mellett.

Az alkatrészértékek kiszámítása

Kezdjük az ellenállásokkal, az R1 a következő képlettel számítható:

R1 = (Vin - MaxVE) hFE / kimeneti áram

Itt, azóta MaxVE = Bor - 0,7

Ezért egyszerűsítjük az első egyenletet as R1 = 0,7 hFE / kimeneti áram

A VR1 10 k pot lehet 60 V feszültségig

Az R2 áramkorlátozó az alábbiak szerint számítható:

R2 = 0,7 / Max. Kimeneti áram

A maximális kimeneti áramot ötször alacsonyabbra kell választani, mint a T1 maximális Id, ha a T1-nek hűtőborda nélküli működéséhez van szükség. A T1-re telepített nagy hűtőbordával a kimeneti áram lehet a T1 Id 3/4-e.

A VR2 lehet egyszerűen 1k pot vagy előre beállított.

A T1-et a kimeneti áram követelményének megfelelően kell kiválasztani. A T1 Id névértékének ötször nagyobbnak kell lennie, mint a szükséges kimeneti áram, ha hűtőborda nélkül kívánja működtetni. Ha nagy hűtőbordát telepítettek, a T1 Id névleges értéknek legalább 1,33-szor nagyobbnak kell lennie, mint a szükséges kimeneti áram.

A T1 maximális kollektorának / emitterének vagy VCE-jének ideális esetben a maximális kimeneti feszültség specifikációjának kétszerese kell lennie.

A D1 zener dióda értéke a pad tápegységének legkisebb vagy minimális feszültségkimeneti követelményétől függően választható ki.

A T2 besorolás az R1 értéktől függ. Mivel az R1 feszültsége mindig 0,7 V lesz, a T2 VCE-je lényegtelenné válik, és bármilyen minimális érték lehet. A T2 azonosítójának olyannak kell lennie, hogy képes legyen kezelni a T1 alapáramát, amelyet az R1 értéke határoz meg

Ugyanezek a szabályok vonatkoznak a T3-ra is.

Általában a T2 és a T3 bármilyen kis általános jelű tranzisztor lehet, mint például a BC547 vagy esetleg a 2N2222 .

Gyakorlati tervezés

Miután megértette a testreszabott pad tápegységének tervezéséhez szükséges összes paramétert, itt az ideje, hogy az adatokat egy gyakorlati prototípusba helyezze, az alábbiak szerint:

Találhat néhány további összetevőt a tervezésben, amelyek egyszerűen az áramkör szabályozási képességének javítását szolgálják.

C2-t vezetnek be a T1, T2 bázisok esetleges maradék hullámainak tisztításához.

A T2 a T1-vel együtt a Darlington pár hogy növelje a kimenet aktuális nyereségét.

Az R3 hozzáadásával javítják a zener dióda vezetését és ezért a jobb általános szabályozást.

R8 és R9 hozzáadásával lehetővé válik a kimeneti feszültség rögzített tartományon történő szabályozása, amely nem kritikus.

Az R7 beállítja a kimeneten elérhető maximális áramot, amely:

I = 0,7 / 0,47 = 1,5 amper, és ez meglehetősen alacsonynak tűnik a névleges értékhez képest 2N3055 tranzisztor . Bár ez a tranzisztort nagyon hűvösnek tartja, lehetséges, hogy ezt az értéket 8 amperig növelheti, ha a 2N3055-et nagy hűtőbordára helyezik.

A szórás csökkenése a hatékonyság növelése érdekében

A legnagyobb hátrány bármely soros tranzisztor alapú lineáris szabályozóval szemben a nagy mennyiségű tranzisztor disszipációja. És ez akkor történik, ha a bemeneti / kimeneti különbség magas.

Ez azt jelenti, hogy amikor a feszültséget az alacsonyabb kimeneti feszültség felé állítják be, a tranzisztornak keményen kell dolgoznia a túlfeszültség szabályozásán, amelyet aztán hőként szabadít fel a tranzisztorból.

Például, ha a terhelés 3,3 V LED, és a pad tápellátásának tápellátása 15 V, akkor a kimeneti feszültséget 3,3 V-ra kell csökkenteni, ami 15 - 3,3 = 11,7 V kisebb. És ezt a különbséget a tranzisztor hővé alakítja, ami több mint 70% -os hatékonysági veszteséget jelenthet.

Ez a probléma azonban egyszerűen megoldható az a használatával transzformátor csapolt feszültség kimeneti tekercseléssel.

Például a transzformátor 5 V, 7,5 V, 10 V, 12 V stb.

A terheléstől függően a csapok megválaszthatók a tápláláshoz szabályozó áramkör . Ezt követően az áramkör feszültségszabályozó edénye felhasználható a kimeneti szint további pontos beállításához a kívánt értékhez.

Ez a technika nagyon magas szintre emelné a hatékonyságot, lehetővé téve a tranzisztor hűtőbordájának kisebb és kompaktabb kialakítását.