Как да проектирам стабилизирана верига за захранване на стенд

В тази публикация обсъждаме как ефективно и ефикасно, но много евтино и стабилизирано захранване на пейката може да бъде проектирано от всеки електронен любител за безопасно тестване на всички видове електронни проекти и прототипи.

Основните характеристики, които трябва да има захранващо устройство за пейка, са:

• Трябва да се изгради с евтини и лесно достъпни компоненти
• Трябва да бъде гъвкав със своите диапазони на напрежение и ток или просто трябва да включва съоръжението с променливо изходно напрежение и променлив ток.
• Трябва да е защитен от претоварване и претоварване.
• Трябва лесно да се поправи, в случай че възникне проблем.
• Трябва да бъде разумно ефективен с изходната си мощност.
• Трябва да улесни лесното персонализиране според желаната спецификация.

Общо описание

По-голямата част от проектите за захранване досега включват линеен сериен стабилизатор. Този дизайн използва проходен транзистор, който работи като променлив резистор, регулиран от ценеров диод.

Серийната система за захранване е по-популярна, вероятно поради факта, че е много по-ефективна. С изключение на някои малки загуби в ценеровия и подаващия резистор, забележими загуби се случват само в серийно преминаващия транзистор през периода, в който той подава ток към товара.

Въпреки това, един недостатък на серийната захранваща система е, че те не осигуряват никакво късо съединение на изходния товар. Това означава, че по време на условия на неизправност на изхода преминаващият транзистор може да позволи на голям ток да тече през него, в крайна сметка да се самоунищожи и евентуално свързаният товар също.

Това каза, добавяйки a защита от късо съединение към серийно преминаване на пейката захранването може бързо да бъде внедрено чрез друг транзистор, конфигуриран като текущ етап на контролера.

The контролер с променливо напрежение се постига чрез прост транзистор, потенциометър обратна връзка.

Горните две допълнения позволяват серийно захранващо устройство с многофункционален, здрав, евтин, универсален и практически неразрушим.

В следващите параграфи накратко ще научим проектирането на различните етапи, включени в стандартно стабилизирано захранване на пейката.

Най-лесният транзисторен регулатор на напрежението

Един бърз начин за получаване на регулируемо изходно напрежение е да закачите основата на прохода транзистор с потенциометър и ценеров диод както е показано на фигурата по-долу.

В тази схема T1 е монтиран като излъчвател-последовател BJT , където базовото му напрежение VB решава страничното напрежение VE на излъчвателя. Както VE, така и VB ще си кореспондират прецизно и ще бъдат почти равни, като се приспада спадът му напред.

Напрежението за падане напред на всеки BJT обикновено е 0,7 V, което означава, че напрежението от страна на емитера ще бъде:

VE = VB - 0,7

Използване на контур за обратна връзка

Въпреки че горното дизайнът е лесен за изграждане и много евтин , този тип подход не предлага голямо регулиране на мощността при по-ниските нива на напрежение.

Точно затова обикновено се използва тип управление с обратна връзка, за да се получи подобрена регулация в целия диапазон на напрежението, както е показано на фигурата по-долу.

В тази конфигурация базовото напрежение на T1 и следователно изходното напрежение се контролира от спада на напрежението в R1, главно поради тока, изтеглен от T2.

Когато плъзгащото рамо на гърнето VR1 е в крайния край на земята, T2 се отрязва, тъй като сега основата му става заземена, което позволява единственият спад на напрежението в R1, причинен от базовия ток на T1. В тази ситуация изходното напрежение на излъчвателя Т1 ще бъде почти същото като напрежението на колектора и може да бъде дадено като:

VE = Vin - 0,7 , тук VE е напрежението на страната на излъчвателя на T1, а 0,7 е стандартната стойност на спада на напрежението за BJT T1 база / излъчващи проводници.

Така че, ако входното захранване е 15 V, може да се очаква изходът да бъде:

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

Сега, когато рамото на плъзгача VR1 на гърнето е преместено в горния положителен край, ще накара T2 да получи достъп до цялото напрежение на страната на излъчвателя на T1, което ще накара T2 да работи много трудно. Това действие ще свърже директно ценеров диод D1 с R1. Това означава, че сега базовото напрежение VB на T1 ще бъде просто равно на ценеровото напрежение Vz. Така че изходът ще бъде:

VE = Vz - 0,7

Следователно, ако стойността на D1 е 6 V, може да се очаква изходното напрежение да бъде просто:

VE = 6 - 0,7 = 5,3 V , така че ценеровото напрежение решава минимално възможното изходно напрежение, което може да се получи от това захранване със серийно преминаване когато потът се завърти на най-ниската си настройка.

Въпреки че горното е лесно и ефективно за създаване на захранващо устройство за пейка, то има голям недостатък, че не е устойчиво на късо съединение. Това означава, че ако изходните клеми на веригата случайно са късо съединени или се приложи ток на свръхнатоварване, T1 бързо ще се нагрее и изгори.

За да се избегне тази ситуация, дизайнът може да бъде просто надграден чрез добавяне на текуща функция за контрол както е обяснено в следващия раздел.

Добавяне на защита от късо съединение срещу претоварване

Простото включване на T3 и R2 позволява конструкцията на веригата за захранване на стенд да бъде 100% устойчива на късо съединение и ток контролиран . С този дизайн дори умишлено късо съединение на изхода няма да причини вреда на T1.

Работата на този етап може да се разбере, както следва:

Веднага след като изходният ток има тенденция да надхвърля зададената безопасна стойност, се развива пропорционално количество потенциална разлика в R2, достатъчно, за да включи усилено транзистора T3.

Когато T3 е включен, T1 базата се свързва с емитерната си линия, което незабавно деактивира проводимостта на T1 и тази ситуация се поддържа, докато изходът не бъде отстранен или претоварването е премахнато. По този начин T1 е защитен от всяка нежелана изходна ситуация.

Добавяне на променлива текуща функция

В горния дизайн резисторът на тока R2 на датчика може да бъде фиксирана стойност, ако се изисква изходът да бъде постоянен токов изход. Въпреки това, доброто захранващо устройство за пейка трябва да има променлив обхват както за напрежение, така и за ток. Имайки предвид това търсене, текущият ограничител може да бъде направен регулируем само чрез добавяне на a променлив резистор с основата на Т3, както е показано по-долу:

VR2 разделя спада на напрежението на R2 и по този начин позволява на T3 да се включи при определен желан изходен ток.

Изчисляване на стойностите на частите

Нека започнем с резисторите, R1 може да се изчисли със следната формула:

R1 = (Vin - MaxVE) hFE / изходен ток

Ето, тъй като MaxVE = Вино - 0,7

Следователно ние опростяваме първото уравнение като R1 = 0.7hFE / изходен ток

VR1 може да бъде 10 k пот за напрежение до 60 V

Ограничител на тока R2 може да се изчисли, както е дадено по-долу:

R2 = 0,7 / Максимален изходен ток

Максималният изходен ток трябва да бъде избран 5 пъти по-нисък от максималния Id на T1, ако се изисква T1 да работи без радиатор. С голям радиатор, инсталиран на T1, изходният ток може да бъде 3/4 от T1 Id.

VR2 може да бъде просто 1k пот или предварително зададена.

T1 трябва да бъде избран според изискването за изходен ток. Номиналната стойност на T1 Id трябва да бъде 5 пъти повече от необходимия изходен ток, ако трябва да се работи без радиатор. При инсталиран голям радиатор, рейтингът T1 Id трябва да бъде поне 1,33 пъти повече от необходимия изходен ток.

Максималният колектор / излъчвател или VCE за T1 в идеалния случай трябва да бъде два пъти стойността на спецификацията за максимално изходно напрежение.

Стойността на ценеровия диод D1 може да бъде избрана в зависимост от най-ниското или минималното изискване за изходно напрежение от захранването на стенда.

Рейтингът T2 ще зависи от стойността на R1. Тъй като напрежението на R1 винаги ще бъде 0,7 V, VCE на T2 става без значение и може да бъде всякаква минимална стойност. Id на T2 трябва да бъде такъв, че да може да се справи с базовия ток на T1, както се определя от стойността на R1

Същите правила важат и за Т3.

Като цяло T2 и T3 могат да бъдат всеки транзистор с общо предназначение с малък сигнал като BC547 или може би a 2N2222 .

Практически дизайн

След като разбрахме всички параметри за проектиране на персонализирано захранване за пейка, е време да внедрим данните в практически прототип, както е показано по-долу:

Може да намерите няколко допълнителни компонента, въведени в дизайна, които са просто за подобряване на възможностите за регулиране на веригата.

C2 се въвежда за почистване на всякакви остатъчни пулсации в основите T1, T2.

T2 заедно с T1 образуват a Чифт Дарлингтън за увеличаване на текущата печалба на изхода.

R3 е добавен, за да подобри проводимостта на ценеровите диоди и следователно да осигури по-добра цялостна регулация.

R8 и R9 са добавени, за да позволят изходното напрежение да се регулира във фиксиран диапазон, които не са критични.

R7 задава максималния ток, който може да бъде достъпен на изхода, който е:

I = 0,7 / 0,47 = 1,5 ампера и това изглежда доста ниско в сравнение с рейтинга на 2N3055 транзистор . Въпреки че това може да поддържа транзистора супер хладен, може да е възможно да увеличите тази стойност до 8 ампера, ако 2N3055 е монтиран върху голям радиатор.

Намаляване на разсейването за увеличаване на ефективността

Най-големият недостатък на всеки сериен транзисторен линеен регулатор е голямото разсейване на транзистора. И това се случва, когато входно / изходната разлика е висока.

Това означава, че когато напрежението се регулира към по-ниско изходно напрежение, транзисторът трябва да работи усилено, за да контролира излишното напрежение, което след това се освобождава като топлина от транзистора.

Например, ако натоварването е светодиод 3.3 V, а входното захранване към захранващото устройство на стенд е 15 V, тогава изходното напрежение трябва да бъде понижено до 3.3 V, което е с 15 - 3.3 = 11.7 V по-малко. И тази разлика се преобразува в топлина от транзистора, което може да означава загуба на ефективност над 70%.

Този проблем обаче може просто да бъде решен с помощта на трансформатор с подвижна намотка за изходно напрежение.

Например трансформаторът може да има кранове от 5 V, 7,5 V, 10 V, 12 V и т.н.

В зависимост от натоварването крановете могат да бъдат избрани за подаване на верига на регулатора . След това гърлото за регулиране на напрежението на веригата може да се използва за допълнително регулиране на изходното ниво точно до желаната стойност.

Тази техника би увеличила ефективността до много високо ниво, позволявайки на радиатора към транзистора да бъде по-малък и компактен.