Как спроектировать схему стабилизированного настольного источника питания

В этом посте мы обсудим, как любой любитель электроники может разработать эффективный и действенный, но при этом очень дешевый и стабилизированный настольный источник питания для безопасного тестирования всех типов электронных проектов и прототипов.

Основными характеристиками, которыми должен обладать настольный блок питания, являются:

• Должен быть построен из дешевых и легко доступных компонентов
• Должен быть гибким в отношении диапазонов напряжения и тока или просто должен включать выходы переменного напряжения и переменного тока.
• Должен быть защищен от перегрузки по току и перегрузки.
• Должен легко ремонтироваться в случае возникновения проблемы.
• Должен быть достаточно эффективным с точки зрения выходной мощности.
• Должен облегчить настройку в соответствии с желаемой спецификацией.

Общее описание

На сегодняшний день в большинстве источников питания используется линейный последовательный стабилизатор. В этой конструкции используется проходной транзистор, который работает как переменный резистор, регулируемый стабилитроном.

Система последовательного питания более популярна, возможно, из-за того, что она намного эффективнее. За исключением некоторых незначительных потерь в стабилитроне и питающем резисторе, заметные потери возникают только в последовательном транзисторе в то время, когда он подает ток на нагрузку.

Однако одним из недостатков системы последовательного питания является то, что они не обеспечивают какого-либо короткого замыкания выходной нагрузки. Это означает, что при выходе из строя проходной транзистор может пропускать через него большой ток, в конечном итоге разрушая себя и, возможно, подключенную нагрузку.

Тем не менее, добавив защита от короткого замыкания В последовательный стендовый источник питания можно быстро реализовать через другие транзисторы, сконфигурированные как каскад регулятора тока.

В регулятор переменного напряжения достигается за счет простой транзисторной обратной связи потенциометра.

Два вышеупомянутых дополнения обеспечивают универсальный, надежный, дешевый, универсальный и практически неразрушимый блок питания для настольного оборудования.

В следующих параграфах мы вкратце изучим проектирование различных этапов стандартного стабилизированного настольного источника питания.

Самый простой транзисторный регулятор напряжения

Быстрый способ получить регулируемое выходное напряжение - подключить основание прохода. транзистор с потенциометром и стабилитроном как показано на рисунке ниже.

В этой схеме T1 настроен как эмиттер-повторитель БЮТ , где его базовое напряжение VB определяет напряжение на стороне эмиттера VE. И VE, и VB будут точно соответствовать друг другу и будут почти равны, за вычетом его прямого падения.

Прямое падение напряжения любого BJT обычно составляет 0,7 В, что означает, что напряжение на стороне эмиттера будет:

VE = VB - 0,7

Использование обратной связи

Хотя выше конструкция проста в сборке и очень дешевая , такой подход не обеспечивает хорошего регулирования мощности на более низких уровнях напряжения.

Именно поэтому управление с обратной связью обычно используется для улучшения регулирования во всем диапазоне напряжений, как показано на рисунке ниже.

В этой конфигурации базовое напряжение T1 и, следовательно, выходное напряжение регулируется падением напряжения на R1, в основном из-за тока, протягиваемого T2.

Когда рычаг ползунка потенциометра VR1 находится на крайнем конце стороны заземления, T2 отключается, так как теперь его основание становится заземленным, позволяя единственное падение напряжения на R1, вызванное базовым током T1. В этой ситуации выходное напряжение на эмиттере T1 будет почти таким же, как напряжение на коллекторе, и может быть задано как:

VE = Vin - 0,7 , здесь VE - это напряжение на стороне эмиттера T1, а 0,7 - стандартное значение прямого падения напряжения для выводов базы / эмиттера BJT T1.

Таким образом, если входное напряжение составляет 15 В, на выходе можно ожидать:

VE = 15 - 0,7 = 14,3 В

Теперь, когда ползунок потенциометра VR1 перемещается к верхнему положительному концу, Т2 получит доступ ко всему напряжению на стороне эмиттера Т1, что приведет к очень жесткой проводимости Т2. Это действие напрямую подключит стабилитрон D1 с R1. Это означает, что теперь базовое напряжение VB транзистора T1 будет просто равно напряжению стабилитрона Vz. Итак, вывод будет:

VE = Vz - 0,7

Следовательно, если значение D1 равно 6 В, выходное напряжение можно ожидать равным:

VE = 6 - 0,7 = 5,3 В , поэтому напряжение стабилитрона определяет минимально возможное выходное напряжение, которое может быть получено из этого последовательный источник питания когда горшок вращается на самом низком уровне.

Хотя вышеперечисленное легко и эффективно для изготовления настольного источника питания, у него есть главный недостаток - отсутствие защиты от короткого замыкания. Это означает, что если выходные клеммы цепи случайно замкнуты накоротко или приложен ток перегрузки, T1 быстро нагреется и сгорит.

Чтобы избежать этой ситуации, дизайн можно просто обновить, добавив функция текущего контроля как описано в следующем разделе.

Добавление защиты от перегрузки и короткого замыкания

Простое включение T3 и R2 позволяет обеспечить 100% защиту от короткого замыкания и текущий контролируемый . При такой конструкции даже намеренное короткое замыкание на выходе не повредит T1.

Работу этого этапа можно понять следующим образом:

Как только выходной ток стремится выйти за пределы установленного безопасного значения, возникает пропорциональная разность потенциалов на R2, достаточная для жесткого включения транзистора T3.

Когда T3 включен, база T1 соединяется с его линией эмиттера, что мгновенно отключает проводимость T1, и эта ситуация сохраняется до тех пор, пока не будет устранено короткое замыкание на выходе или перегрузка. Таким образом, T1 защищен от любых нежелательных выходных ситуаций.

Добавление функции переменного тока

В приведенной выше конструкции резистор R2 датчика тока может иметь фиксированное значение, если требуется, чтобы выход был постоянным током. Тем не менее, хороший настольный источник питания должен иметь регулируемый диапазон как напряжения, так и тока. Учитывая это требование, ограничитель тока можно сделать регулируемым, просто добавив переменный резистор с основанием T3, как показано ниже:

VR2 делит падение напряжения на R2 и, таким образом, позволяет T3 включаться при определенном желаемом выходном токе.

Расчет стоимости деталей

Начнем с резисторов, R1 можно рассчитать по следующей формуле:

R1 = (Vin - MaxVE) hFE / выходной ток

Здесь, поскольку MaxVE = Вино - 0,7

Поэтому мы упростим первое уравнение как R1 = 0,7hFE / выходной ток

VR1 может быть потенциометром 10 кОм для напряжений до 60 В.

Ограничитель тока R2 можно рассчитать следующим образом:

R2 = 0,7 / Максимальный выходной ток

Максимальный выходной ток следует выбирать в 5 раз ниже, чем максимальный Id T1, если T1 требуется для работы без радиатора. Если на T1 установлен большой радиатор, выходной ток может составлять 3/4 от T1 Id.

VR2 может быть просто банкой 1k или пресетом.

T1 следует выбирать в соответствии с требованиями к выходному току. Номинал T1 Id должен быть в 5 раз больше, чем требуемый выходной ток, если он будет работать без радиатора. При установленном большом радиаторе номинальное значение T1 Id должно быть как минимум в 1,33 раза больше необходимого выходного тока.

Максимальный коллектор / эмиттер или VCE для T1 в идеале должен быть в два раза больше значения максимального выходного напряжения.

Значение стабилитрона D1 может быть выбрано в зависимости от минимального или минимального требования к выходному напряжению от стендового источника питания.

Рейтинг T2 будет зависеть от значения R1. Поскольку напряжение на R1 всегда будет 0,7 В, VCE T2 становится несущественным и может иметь любое минимальное значение. Id T2 должен быть таким, чтобы он мог обрабатывать базовый ток T1, как определено значением R1.

Те же правила применяются и для T3.

Как правило, T2 и T3 могут быть любыми малосигнальными транзисторами общего назначения, такими как BC547 или, возможно, 2N2222 .

Практичный дизайн

Поняв все параметры для разработки индивидуального настольного источника питания, пора воплотить данные в практическом прототипе, как показано ниже:

Вы можете найти несколько дополнительных компонентов, введенных в конструкцию, которые просто увеличивают возможности регулирования схемы.

C2 вводится для устранения остаточной пульсации на основаниях T1, T2.

T2 вместе с T1 образует Пара Дарлингтона для увеличения текущего усиления выхода.

R3 добавлен для улучшения проводимости стабилитрона и, следовательно, для обеспечения лучшего общего регулирования.

Добавлены R8 и R9, позволяющие регулировать выходное напряжение в фиксированном диапазоне, что не является критичным.

R7 устанавливает максимальный ток, доступный на выходе, который составляет:

I = 0,7 / 0,47 = 1,5 ампера, и это кажется довольно низким по сравнению с номиналом 2Н3055 транзистор . Хотя при этом транзистор может оставаться очень холодным, можно увеличить это значение до 8 ампер, если 2N3055 установлен на большом радиаторе.

Уменьшение рассеивания для повышения эффективности

Самым большим недостатком любого линейного стабилизатора на основе последовательного транзистора является большое рассеивание транзистора. И это происходит, когда дифференциал входа / выхода высокий.

Это означает, что когда напряжение регулируется в сторону более низкого выходного напряжения, транзистор должен усердно работать, чтобы контролировать избыточное напряжение, которое затем выделяется в виде тепла от транзистора.

Например, если нагрузка представляет собой светодиод на 3,3 В, а входное напряжение для настольного источника питания составляет 15 В, то выходное напряжение необходимо снизить до 3,3 В, что на 15 - 3,3 = 11,7 В. И эта разница преобразуется транзистором в тепло, что может означать потерю эффективности более чем на 70%.

Однако эту проблему можно просто решить, используя трансформатор с выходной обмоткой с отводом напряжения.

Например, трансформатор может иметь отводы 5 В, 7,5 В, 10 В, 12 В и так далее.

В зависимости от нагрузки можно выбрать краны для подачи схема регулятора . После этого потенциометр схемы можно использовать для дальнейшей настройки выходного уровня точно до желаемого значения.

Этот метод позволил бы повысить эффективность до очень высокого уровня, позволив радиатору транзистора быть меньше и компактнее.