Kako dizajnirati krug napajanja stabilizirane klupe

U ovom postu raspravljamo o tome kako bilo koji elektronički hobi može dizajnirati učinkovito i učinkovito, ali vrlo jeftino i stabilizirano napajanje sa klupe za sigurno testiranje svih vrsta elektroničkih projekata i prototipova.

Glavne značajke koje stolno napajanje mora imati su:

• Trebao bi se graditi s jeftinim i lako dostupnim komponentama
• Treba biti fleksibilan sa svojim rasponima napona i struje ili jednostavno mora sadržavati mogućnost promjenjivog napona i promjenjivih strujnih izlaza.
• Treba biti zaštićen od prekomjerne struje i preopterećenja.
• Trebao bi se lako popraviti, u slučaju da se pojavi problem.
• Trebao bi biti relativno učinkovit sa svojom izlaznom snagom.
• Trebao bi olakšati prilagodbu prema željenoj specifikaciji.

Opći opis

Većina izvedbi napajanja do sada uključuje linearni serijski stabilizator. Ovaj dizajn koristi prolazni tranzistor koji radi poput promjenjivog otpora, reguliran Zener diodom.

Serijski sustav napajanja je popularniji, vjerojatno zbog činjenice da je puno učinkovitiji. Osim nekih manjih gubitaka na Zener-u i naponu otpornika, primjetan gubitak događa se samo u serijskom prolaznom tranzistoru tijekom razdoblja kojim napaja struju na teret.

Međutim, jedan nedostatak serijskog sustava napajanja je taj što ne pruža nikakav kratki spoj izlaznog opterećenja. Što znači, tijekom stanja kvara na izlazu prolazni tranzistor može dopustiti da kroz njega teče velika struja, na kraju uništavajući sebe, a možda i povezano opterećenje.

To je rekao, dodajući a zaštita od kratkog spoja na serijsko prolazno napajanje može se brzo implementirati putem drugog tranzistora konfiguriranog kao trenutni stupanj regulatora.

The kontroler promjenjivog napona postiže se pomoću jednostavnog tranzistora, povratne veze potenciometra.

Gore navedena dva dodatka omogućuju opskrbu električnom energijom serije sveukupno vrlo svestrano, robusno, jeftino, univerzalno i gotovo neuništivo.

U sljedećim odlomcima ukratko ćemo naučiti projektiranje različitih stupnjeva koji su uključeni u standardno stabilizirano napajanje klupe.

Najlakši tranzistorski regulator napona

Brzi način dobivanja podesivog izlaznog napona je spajanje baze prolaza tranzistor s potenciometrom i Zener diodom kako je prikazano na donjoj slici.

U ovom je krugu T1 postavljen kao emiter-sljedbenik BJT , gdje njegov osnovni napon VB određuje njegov napon na emiteru VE. I VE i VB precizno će se međusobno korespondirati i bit će gotovo jednaki, oduzimajući njegov pad prema naprijed.

Naponski pad bilo kojeg BJT-a obično je 0,7 V, što znači da će bočni napon emitera biti:

VE = VB - 0,7

Korištenje petlje povratnih informacija

Iako navedeno dizajn je jednostavan za izgradnju i vrlo jeftin , ovaj tip pristupa ne nudi veliku regulaciju snage na nižim naponskim razinama.

Upravo se zbog toga obično koristi tip povratne sprege za postizanje poboljšane regulacije u cijelom rasponu napona, kao što je prikazano na donjoj slici.

U ovoj konfiguraciji osnovni napon T1, a time i izlazni napon, kontrolira se padom napona na R1, uglavnom zbog struje koju povlači T2.

Kad se klizač lonca VR1 nalazi na krajnjem kraju uz zemlju, T2 postaje odsječen, jer sada njegova baza postaje uzemljena, dopuštajući jedini pad napona na R1 uzrokovan osnovnom strujom T1. U ovoj situaciji izlazni napon na emiteru T1 bit će gotovo jednak naponu kolektora i može se dati kao:

VE = Vin - 0,7 , ovdje je VE napon na strani emitora T1, a 0,7 standardna vrijednost pada napona naprijed za BJT T1 bazne / emiterske vodove.

Dakle, ako je ulazno napajanje 15 V, može se očekivati ​​da će izlaz biti:

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

Sada, kada se klizač kraka VR1 pomakne na gornji pozitivni kraj, učinit će da T2 pristupi cijelom naponu T1 bočne strane emitera, što će uzrokovati vrlo teško ponašanje T2. Ova će radnja izravno povezati zener dioda D1 s R1. Znači, sada će osnovni napon VB T1 biti jednostavno jednak zener naponu Vz. Tako će izlaz biti:

VE = Vz - 0,7

Stoga, ako je vrijednost D1 6 V, može se očekivati ​​da izlazni napon bude samo:

VE = 6 - 0,7 = 5,3 V , tako da cener napon odlučuje o najmanjem mogućem izlaznom naponu koji bi se iz toga mogao dobiti serijsko prolazno napajanje kada se lonac okrene na najnižoj postavci.

Iako je gore navedeno jednostavno i učinkovito za izradu napajanja sa stola, ima glavni nedostatak što nije zaštita od kratkog spoja. To znači, ako je na izlaznim stezaljkama kruga slučajno došlo do kratkog spoja ili se primijeni struja preopterećenja, T1 će se brzo zagrijati i izgorjeti.

Da bi se izbjegla ova situacija, dizajn bi se mogao jednostavno nadograditi dodavanjem a značajka trenutne kontrole kako je objašnjeno u sljedećem odjeljku.

Dodavanje zaštite od preopterećenja kratkog spoja

Jednostavno uključivanje T3 i R2 omogućava da dizajn kruga napajanja stola bude 100% otporan na kratki spoj i struja kontrolirana . Ovim dizajnom ni namjerno kratki spoj na izlazu neće naštetiti T1.

Rad ove faze mogao bi se shvatiti na sljedeći način:

Čim izlazna struja pređe zadanu sigurnu vrijednost, razvija se proporcionalna količina potencijalne razlike na R2, dovoljna da snažno UKLJUČI tranzistor T3.

S uključenim T3 dovodi do spajanja baze T1 sa svojim emiterskim vodom, što trenutno onemogućava provođenje T1, a ta se situacija održava sve dok se ne ukloni kratki izlaz ili preopterećenje. Na ovaj način T1 je zaštićen od bilo kakve neželjene izlazne situacije.

Dodavanje značajke varijable Current

U gore navedenom dizajnu, otpornik osjetnika struje R2 može biti fiksna vrijednost ako se traži da izlaz bude konstantni strujni izlaz. Međutim, dobro napajanje sa stola treba imati promjenjivi raspon i za napon i za struju. Uzimajući u obzir ovaj zahtjev, trenutni graničnik može se podesiti jednostavnim dodavanjem a promjenjivi otpornik s bazom T3, kao što je prikazano dolje:

VR2 dijeli pad napona na R2 i na taj način omogućuje T3 da se uključi na određenoj željenoj izlaznoj struji.

Izračunavanje vrijednosti dijelova

Počnimo s otpornicima, R1 se može izračunati prema sljedećoj formuli:

R1 = (Vin - MaxVE) hFE / Izlazna struja

Evo, od MaxVE = Vino - 0,7

Stoga pojednostavljujemo prvu jednadžbu kao R1 = 0,7hFE / Izlazna struja

VR1 može biti lonac od 10 k za napone do 60 V

Ograničivač struje R2 može se izračunati kako je navedeno u nastavku:

R2 = 0,7 / maksimalna izlazna struja

Maksimalnu izlaznu struju treba odabrati 5 puta nižu od maksimalne vrijednosti T1, ako T1 treba raditi bez hladnjaka. S velikim hladnjakom instaliranim na T1, izlazna struja može biti 3/4 od T1 Id.

VR2 može biti jednostavno 1k pot ili unaprijed postavljena.

T1 treba odabrati prema zahtjevu izlazne struje. Oznaka T1 Id trebala bi biti 5 puta veća od potrebne izlazne struje ako se radi bez hladnjaka. S instaliranim velikim hladnjakom, vrijednost T1 Id trebala bi biti najmanje 1,33 puta veća od potrebne izlazne struje.

Maksimalni kolektor / emiter ili VCE za T1 idealno bi trebao biti dvostruko veći od vrijednosti specifikacije maksimalnog izlaznog napona.

Vrijednost zener diode D1 može se odabrati ovisno o najnižem ili najmanjem naponskom izlazu iz napajanja na stolu.

Ocjena T2 ovisit će o vrijednosti R1. Budući da će napon na R1 uvijek biti 0,7 V, VCE T2 postaje nematerijalni i može biti bilo koja minimalna vrijednost. Id T2 trebao bi biti takav da može obrađivati ​​osnovnu struju T1, kako je određeno vrijednošću R1

Ista pravila vrijede i za T3.

Općenito T2 i T3 mogu biti bilo koji tranzistor male namjene opće namjene poput BC547 ili možda a 2N2222 .

Praktični dizajn

Nakon što smo razumjeli sve parametre za projektiranje prilagođenog napajanja sa stola, vrijeme je da podatke implementiramo u praktični prototip, kao što je prikazano dolje:

U dizajnu ćete naći nekoliko dodatnih komponenata koje su jednostavno za poboljšanje sposobnosti regulacije kruga.

C2 se uvodi za čišćenje bilo kakvog zaostalog talasa na bazama T1, T2.

T2 zajedno s T1 tvori a Par Darlington povećati trenutni dobitak na izlazu.

R3 je dodan za poboljšanje provođenja zener diode i stoga za osiguravanje bolje cjelokupne regulacije.

Dodaju se R8 i R9 kako bi se omogućilo reguliranje izlaznog napona u fiksnom opsegu, što nije kritično.

R7 postavlja maksimalnu struju kojoj se može pristupiti na izlazu, a to je:

I = 0,7 / 0,47 = 1,5 ampera, i to se čini prilično niskim u usporedbi s ocjenom Tranzistor 2N3055 . Iako bi ovo moglo tranzistor držati super hladnim, možda je moguće povećati ovu vrijednost do 8 ampera ako je 2N3055 postavljen na veliki hladnjak.

Smanjenje rasipanja za povećanje učinkovitosti

Najveći nedostatak bilo kojeg serijskog linearnog regulatora koji se temelji na tranzistorima je velika raspršenost tranzistora. A to se događa kada je ulazna / izlazna razlika velika.

Znači, kada se napon podesi na niži izlazni napon, tranzistor mora naporno raditi na kontroli prekomjernog napona, koji se tada oslobađa kao toplina iz tranzistora.

Na primjer, ako je opterećenje LED od 3,3 V, a ulazno napajanje napajanja stola je 15 V, tada se izlazni napon mora smanjiti na 3,3 V, što je 15 - 3,3 = 11,7 V manje. A tu razliku tranzistor pretvara u toplinu, što bi moglo značiti gubitak učinkovitosti veći od 70%.

Međutim, ovaj se problem može jednostavno riješiti pomoću a transformator s navojnim izlaznim namotom s naponom.

Na primjer, transformator može imati slavine od 5 V, 7,5 V, 10 V, 12 V itd.

Ovisno o opterećenju, mogu se odabrati slavine za hranjenje krug regulatora . Nakon toga, lonac za podešavanje napona u krugu mogao bi se koristiti za daljnje podešavanje izlazne razine precizno na željenu vrijednost.

Ova bi tehnika povećala učinkovitost na vrlo visoku razinu, dopuštajući da hladnjak na tranzistoru bude manji i kompaktniji.