Вериги на регулатора на напрежението, използващи транзистор и ценеров диод

В тази статия ще обсъдим изчерпателно как да направим персонализирани транзисторизирани вериги на регулатора на напрежение във фиксирани режими и също променливи режими.

Всички вериги за линейно захранване, които са проектирани да произвеждат стабилизиран, постоянно напрежение и текущият изход основно включва транзисторни и ценерови диодни стъпала за получаване на необходимите регулирани изходи.

Тези вериги, използващи дискретни части, могат да бъдат под формата на постоянно фиксирано или постоянно напрежение или стабилизирано регулируемо изходно напрежение.

Най-простият регулатор на напрежението

Вероятно най-простият тип регулатор на напрежение е стабилизаторът на ценеровия шунт, който работи, като използва основен ценеров диод за регулирането, както е показано на фигура по-долу.

Ценеровите диоди имат напрежение, еквивалентно на предвиденото изходно напрежение, което може да съвпада точно с желаната изходна стойност.

Докато захранващото напрежение е под номиналната стойност на ценеровото напрежение, то показва максимално съпротивление в диапазона от много мегаома, което позволява захранването да премине без ограничения.

Въпреки това, в момента, в който захранващото напрежение се увеличи над номиналната стойност на „ценеровото напрежение“, предизвиква значителен спад в неговото съпротивление, което води до пренасочване на напрежението към земята, докато захранването спадне или достигне нивото на ценеровото напрежение.

Поради това внезапно шунтиране захранващото напрежение пада и достига ценеровата стойност, което води до повишаване на ценеровото съпротивление отново. След това цикълът продължава бързо, като гарантира, че захранването остава стабилизирано при номиналната ценерова стойност и никога не е позволено да надвишава тази стойност.

За да се получи горната стабилизация, входното захранване трябва да е малко по-високо от необходимото стабилизирано изходно напрежение.

Излишното напрежение над ценеровата стойност кара вътрешните характеристики на „лавината“ на ценера да се задействат, причинявайки мигновено маневрено действие и отпадане на захранването, докато достигне ценеровия рейтинг.

Това действие продължава безкрайно да осигурява фиксирано стабилизирано изходно напрежение, еквивалентно на ценеровия рейтинг.

Предимства на стабилизатора на напрежение Zener

Ценеровите диоди са много удобни там, където се изисква регулиране с нисък ток и постоянно напрежение.

Ценеровите диоди са лесни за конфигуриране и могат да се използват за получаване на разумно точен стабилизиран изход при всякакви обстоятелства.

Необходим е само един резистор за конфигуриране на степен на регулатор на напрежение, основан на ценерови диоди, и може бързо да бъде добавен към всяка схема за желаните резултати.

Недостатъци на стабилизираните регулатори

Въпреки че ценерово стабилизираното захранване е бърз, лесен и ефективен метод за постигане на стабилизирана мощност, той включва няколко сериозни недостатъка.

• Изходният ток е нисък, което може да поддържа високи токови натоварвания на изхода.
• Стабилизацията може да се случи само при ниски диференциали вход / изход. Това означава, че входното захранване не може да бъде твърде високо от необходимото изходно напрежение. В противен случай съпротивлението на натоварването може да разсее огромно количество енергия, което прави системата много неефективна.
• Работата на ценеровите диоди обикновено е свързана с генерирането на шум, който може да повлияе критично на работата на чувствителни вериги, като например дизайн на усилвател hi-fi и други подобни уязвими приложения.

Използване на 'усилен ценеров диод'

Това е усилена ценерова версия, която използва BJT за създаване на променлив ценер с подобрена възможност за управление на мощността.

Нека си представим, че R1 и R2 имат една и съща стойност., Което би създало достатъчно ниво на пристрастие към BJT базата и ще позволи на BJT да проведе оптимално. Тъй като изискването за минимално напрежение на базовия излъчвател е 0,7 V, BJT ще провежда и шунтира всяка стойност, която е над 0,7 V или най-много 1 V, в зависимост от специфичните характеристики на използвания BJT.

Така изходът ще бъде стабилизиран приблизително при 1 V. Изходната мощност от този „усилен променлив ценер“ ще зависи от номиналната мощност на BJT и стойността на резистора на натоварване.

Тази стойност обаче може лесно да бъде променена или коригирана до друго желано ниво, просто чрез промяна на стойността R2. Или по-просто, като замените R2 с пот. Обхватът на R1 и R2 Pot може да бъде между 1K и 47K, за да се получи плавно променлива мощност от 1V до нивото на захранване (24V макс). За по-голяма точност можете да приложите следната формула на делител на volatge:

Изходно напрежение = 0,65 (R1 + R2) / R2

Недостатък на Zener усилвател

И все пак, недостатъкът на този дизайн е голямо разсейване, което се увеличава пропорционално с увеличаване на разликата между входа и изхода.

За да настроите правилно стойността на товарния резистор в зависимост от изходния ток и входящото захранване, следните данни могат да бъдат приложени по подходящ начин.

Да предположим, че необходимото изходно напрежение е 5V, необходимият ток е 20 mA, а захранващият вход е 12 V. Тогава използвайки закона на Омс имаме:

Резистор на натоварване = (12 - 5) / 0,02 = 350 ома

мощност = (12 - 5) x 0,02 = 0,14 вата или просто 1/4 вата ще свърши работа.

Серия транзисторни регулатори

По същество, сериен регулатор, който също се нарича сериен преминаващ транзистор, е променливо съпротивление, създадено с помощта на транзистор, прикрепен последователно с една от захранващите линии и товара.

Съпротивлението на транзистора към ток автоматично се регулира в зависимост от изходното натоварване, така че изходното напрежение остава постоянно на желаното ниво.

В последователна верига на регулатора входният ток трябва да бъде малко повече от изходния ток. Тази малка разлика е единствената величина на тока, която се използва от веригата на регулатора самостоятелно.

Предимства на серийния регулатор

Основното предимство на серийната регулаторна верига в сравнение с шунтовия регулатор е по-добрата й ефективност.

Това води до минимално разсейване на мощността и загуба на топлина. Поради това голямо предимство серийните транзисторни регулатори са много популярни в приложенията на регулатори на напрежение с висока мощност.

Това обаче може да се избегне, когато изискването за мощност е много ниско или когато ефективността и производството на топлина не са сред критичните проблеми.

По принцип сериен регулатор може просто да включва стабилизатор на ценерови шунтове, зареждащ буферна верига на последовател на емитер, както е посочено по-горе.

Може да откриете единично усилване на напрежението, когато се използва етап на последовател на излъчвател. Това означава, че когато към неговата основа се приложи стабилизиран вход, обикновено ще постигнем и стабилизиран изход от излъчвателя.

Тъй като ние можем да получим по-голям токов коефициент на усилвател на излъчвателя, изходният ток може да се очаква да бъде много по-висок в сравнение с приложения базов ток.

Следователно, дори докато основният ток е около 1 или 2 mA в ценеровия шунтов етап, което също се превръща в потребление на ток в покой при проектирането, изходният ток от 100 mA може да бъде предоставен на изхода.

Входният ток се добавя към изходния ток заедно с 1 или 2 mA, използвани от стабилизатора на ценеровия стабилизатор, и поради тази причина постигнатата ефективност достига до изключително ниво.

Като се има предвид, че входното захранване на веригата е достатъчно номинално, за да се постигне очакваното изходно напрежение, изходът може да бъде практически независим от нивото на входното захранване, тъй като това е директно регулирано от базовия потенциал на Tr1.

Ценеровият диод и разединителният кондензатор развиват идеално чисто напрежение в основата на транзистора, което се възпроизвежда на изхода, генерирайки практически безшумен волат.

Това позволява този тип схеми с възможност за предаване на изходи с изненадващо ниска пулсация и шум, без да се включват огромни изглаждащи кондензатори, и с обхват на тока, който може да достигне до 1 ампер или дори повече.

Що се отнася до нивото на изходното напрежение, то може да не е точно равно на свързаното ценерово напрежение. Това е така, защото съществува спад на напрежението от приблизително 0,65 волта между основата и излъчващите проводници на транзистора.

Следователно този спад трябва да се приспадне от ценеровата стойност на напрежението, за да може да се постигне минималното изходно напрежение на веригата.

Това означава, че ако ценеровата стойност е 12.7V, тогава изходът на емитера на транзистора може да бъде около 12 V, или обратно, ако желаното изходно напрежение е 12 V, тогава ценеровият волат трябва да бъде избран да бъде 12.7 V.

Регулирането на тази серийна регулаторна верига никога няма да бъде идентично с регулирането на ценеровата верига, тъй като последователят на излъчвателя просто не може да притежава нулев изходен импеданс.

И спадът на напрежението през каскада трябва да се повиши незначително в отговор на нарастващия изходен ток.

От друга страна, може да се очаква добро регулиране, когато ценеровият ток, умножен по текущия коефициент на усилване на транзистора, достигне минимум 100 пъти очаквания най-висок изходен ток.

Силен токов сериен регулатор, използващ Дарлингтън транзистори

За да се постигне точно това, това често предполага, че трябва да се използват няколко транзистора, може да са 2 или 3, за да можем да постигнем задоволително усилване на изхода.

Основна схема от два транзистора, прилагаща последовател на излъчвателя Двойката Дарлингтън е посочена на следващите фигури, показва техниката за прилагане на 3 BJT в конфигурация на последовател на излъчвател на Дарлингтън.

Обърнете внимание, че чрез включване на двойка транзистори води до по-голям спад на напрежението на изхода от приблизително 1,3 волта през основата на 1-ви транзистор към изхода.

Това се дължи на факта, че приблизително 0,65 волта са избръснати от всеки от транзисторите. Ако се разглежда три транзисторна верига, това може да означава спад на напрежението от малко под 2 волта в основата на 1-ви транзистор и изхода и т.н.

Общ регулатор на напрежението на излъчвателя с отрицателна обратна връзка

Една хубава конфигурация се вижда понякога в конкретни дизайни, които имат няколко усилватели с общ емитер , включваща 100 процента нетна отрицателна обратна връзка.

Тази настройка е демонстрирана на следващата фигура.

Въпреки факта, че обикновените емитерни стъпала обикновено имат значителна степен на усилване на напрежението, това може да не е ситуацията в този случай.

Това се дължи на 100% отрицателната обратна връзка, която се поставя през изходния транзисторен колектор и емитера на задвижващия транзистор. Това улеснява усилвателя да постигне печалба от точно единство.

Предимства на Common Emitter Regulator с обратна връзка

Тази конфигурация работи по-добре в сравнение с a Двойка Дарлингтън регулатори, базирани на последовател на излъчвателя, поради намаленото спадане на напрежението на входно / изходните клеми.

Спадът на напрежението, постигнат от тези проекти, е едва около 0,65 волта, което допринася за по-голяма ефективност и дава възможност на веригата да работи ефективно, независимо дали нестабилизираното входно напрежение е само на около сто миливолта над очакваното изходно напрежение.

Елиминатор на батерията с помощта на верига за сериен регулатор

Посочената схема на елиминатор на батерията е функционална илюстрация на дизайн, изграден с помощта на основен сериен регулатор.

Моделът е разработен за всички приложения, работещи с 9 волта постоянен ток с максимален ток не по-голям от 100 mA. Не е подходящо за устройства, които изискват относително по-голямо количество ток.

T1 е a 12 -0 - 12 беше 100 mA трансформатор който осигурява изолирана защитна изолация и понижаване на напрежението, докато неговата централна вторична намотка работи с основен издърпващ токоизправител с филтриращ кондензатор.

Без натоварване изходът ще бъде около 18 волта DC, което може да падне до приблизително 12 волта при пълно натоварване.

Веригата, която работи като стабилизатор на напрежение, всъщност е основен сериен дизайн, включващ R1, D3 и C2, за да получи регулирана номинална мощност от 10 V. Ценеровият ток варира от около 8 mA без товар и до около 3 mA при пълно натоварване. Разсейването, генерирано от R1 и D3 като резултат, е минимално.

Последовател на излъчвател на двойки на Дарлингтън, формиран от TR1 и TR2, може да се види конфигуриран като усилвател на изходния буфер осигурява текуща печалба от около 30 000 при пълна мощност, докато минималната печалба е 10 000.

При това ниво на усилване, когато устройството работи, използвайки 3 mA при ток на пълно натоварване, а минималното усилване i не показва почти никакво отклонение в спада на напрежението на усилвателя, дори докато токът на товара варира.

Реалният спад на напрежението от изходния усилвател е приблизително 1,3 волта, а при умерен вход от 10 волта това предлага изход от около 8,7 волта.

Това изглежда почти равно на посочените 9 V, като се има предвид фактът, че дори реалната 9-волтова батерия може да покаже вариации от 9,5 V до 7,5 V по време на работния си период.

Добавяне на текущ лимит към регулатор на серия

За обяснените по-горе регулатори обикновено става важно да се добави защита от изходно късо съединение.

Това може да е необходимо, за да може конструкцията да осигури добро регулиране заедно с нисък изходен импеданс. Тъй като източникът на захранване е с много нисък импеданс, много висок изходен ток може да премине в случай на случайно изходно късо съединение.

Това може да доведе до незабавно изгаряне на изходния транзистор, заедно с някои от другите части. Типичният предпазител може просто да не осигури достатъчна защита, защото вредата вероятно ще настъпи бързо дори преди предпазителят да може да реагира и да изгори.

Най-лесният начин да се приложи това може би чрез добавяне на токов ограничител към веригата. Това включва допълнителни схеми без никакво пряко въздействие върху работата на конструкцията при нормални работни условия.

Ограничителят на тока обаче може да доведе до бързо падане на изходното напрежение, ако свързаният товар се опита да изтегли значителни количества ток.

Всъщност изходното напрежение намалява толкова бързо, че въпреки наличието на късо съединение през изхода, наличният ток от веригата е малко повече от посочения максимален рейтинг.

Резултатът от верига за ограничаване на тока е доказан в данните по-долу, които показват изходното напрежение и ток по отношение на постепенно намаляващия импеданс на натоварването, както се постига от предлагания блок за елиминиране на батерията.

The верига за ограничаване на тока работи, като използва само няколко елемента R2 и Tr3. Отговорът му всъщност е толкова бърз, че просто елиминира всички възможни рискове от късо съединение на изхода, като по този начин осигурява защита срещу повреда на изходните устройства. Работата на ограничителя на тока може да се разбере, както е обяснено по-долу.

R2 е свързан последователно с изхода, което води до напрежение, развито през R2, пропорционално на изходния ток. При консумация на изход, достигаща 100 mA, напрежението, произведено през R2, няма да е достатъчно, за да се задейства на Tr3, тъй като това е силициев транзистор, изискващ минимален потенциал от 0,65 V за включване.

Въпреки това, когато изходното натоварване надвиши границата от 100 mA, то генерира достатъчно потенциал през T2, за да включи адекватно Tr3 в проводимост. TR3 от своя страна причинява известен ток fto поток към Trl през отрицателната захранваща шина през товара.

Това води до известно намаляване на изходното напрежение. Ако натоварването се увеличи допълнително, се получава пропорционално нарастване на потенциала през R2 да се повиши, принуждавайки Tr3 да се включи още по-силно.

Следователно това позволява преместване на по-големи количества към Tr1 и отрицателната линия през Tr3 и товара. Това действие допълнително води до пропорционално нарастващ спад на напрежението на изходното напрежение.

Дори в случай на изходно късо съединение, Tr3 вероятно ще бъде силно пристрастен към проводимост, принуждавайки изходното напрежение да падне до нула, като гарантира, че изходният ток никога няма да надвиши знака от 100 mA.

Захранване с променлива регулируема скамейка

Захранвания с променливо напрежение, стабилизирани работят с подобен принцип като типовете регулатори на фиксирано напрежение, но те имат a управление на потенциометъра което улеснява стабилизиран изход с променлив диапазон на напрежението.

Тези вериги са най-подходящи като настолни и цехови захранвания, въпреки че могат да се използват и в приложения, които изискват различни регулируеми входове за анализ. За такива задачи потенциометърът на захранването действа като предварително зададено управление, което може да се използва за приспособяване на изходното напрежение на захранването до желаните регулирани нива на напрежение.

Фигурата по-горе показва класически пример за променлива верига на регулатора на напрежението, която ще осигури непрекъснато променлива стабилизирана мощност от 0 до 12V.

Основните функции

• Обхватът на тока е ограничен до максимум 500 mA, въпреки че това може да се увеличи до по-високи нива чрез подходящо надграждане на транзисторите и трансформатора.
• Дизайнът осигурява много добро регулиране на шума и пулсациите, което може да бъде по-малко от 1 mV.
• Максималната разлика между входното захранване и регулираната мощност е не повече от 0,3 V дори при пълно натоварване на изхода.
• Регулираното променливо захранване може в идеалния случай да се използва за тестване на почти всички видове електронни проекти, които изискват висококачествени регулирани доставки.

Как работи

В този дизайн можем да видим потенциална разделителна верига, включена между изходния стабилизатор на стабилизатора и входния буферен усилвател. Този потенциален разделител е създаден от VR1 и R5. Това позволява на плъзгащото рамо на VR1 да бъде регулирано от минимум 1,4 волта, когато е близо до основата на коловоза си, до 15 V ценерово ниво, докато е в най-високата точка от диапазона на настройка.

Съществуват приблизително 2 волта, изпуснати над изходния буферен етап, което позволява диапазон на изходното напрежение от 0 V до около 13 V. Като се има предвид това, горният диапазон на напрежение е податлив на толеранси на части, като 5% толеранс на ценеровото напрежение. Следователно оптималното изходно напрежение може да бъде с нюанс по-високо от 12 волта.

Няколко вида ефективни верига за защита от претоварване може да бъде много важно за всяко захранване на пейка. Това може да е от съществено значение, тъй като изходът може да е уязвим за случайни претоварвания и къси съединения.

Ние използваме доста ясна токова граница в настоящия дизайн, определена от Trl и свързаните с нея елементи. Когато уредът работи в нормални условия, напрежението, произведено през R1, което е прикрепено последователно към изхода на захранването, е твърде малко, за да задейства Trl в проводимост.

В този сценарий веригата работи нормално, освен малък спад на напрежението, генериран от R1. Това няма почти никакъв ефект върху ефективността на регулиране на устройството.

Това е така, защото етапът R1 идва преди веригата на регулатора. В случай на ситуация на претоварване, потенциалът, индуциран през R1, изстрелва до около 0,65 волта, което принуждава Tr1 да се включи, поради базовия ток, получен от потенциалната разлика, генерирана през резистора R2.

Това кара R3 и Tr 1 да изтеглят значително количество ток, което води до значително намаляване на напрежението в R4 и намаляване на изходното напрежение.

Това действие незабавно ограничава изходния ток до максимум 550 до 600 mA въпреки късото съединение на изхода.

Тъй като ограничителят на тока ограничава изходното напрежение практически до 0 V.

R6 е монтиран като натоварващ резистор, който по принцип предотвратява твърде ниския изходен ток и буферният усилвател не може да работи нормално. C3 позволява на устройството да постигне отличен преходен отговор.

Недостатъци

Подобно на всеки типичен линеен регулатор, разсейването на мощността в Tr4 се определя от изходното напрежение и ток и е максимум с пот, регулиран за по-ниски изходни напрежения и по-големи изходни натоварвания.

При най-тежките обстоятелства може да бъде индуцирано 20 V през Tr4, което води до протичане на ток от около 600 mA през него. Това води до разсейване на мощността от около 12 вата в транзистора.

За да може да понася това дълго време, устройството трябва да бъде инсталирано на доста голям радиатор. VR1 може да се инсталира със значителен контролен бутон, улесняващ калибрирана скала, показваща маркировките на изходното напрежение.

Списък с части

• Резистори. (Всички 1/3 вата 5%).
• R1 1,2 ома
• R2 100 ома
• R3 15 ома
• R4 1k
• R5 470 ома
• R6 10k
• VR1 4.7k линеен въглерод
• Кондензатори
• C1 2200 µF 40V
• C2 100 µF 25V
• C3 330 nF
• Полупроводници
• Tr1 BC108
• Tr2 BC107
• Tr3 BFY51
• Tr4 TIP33A
• DI към D4 1N4002 (4 изключени)
• D5 BZY88C15V (15 волта, 400 mW ценер)
• Трансформатор
• T1 Стандартно основно захранване, 17 или 18 волта, 1 ампер
• втори
• Превключване
• S1 D.P.S.T. въртяща се мрежа или превключващ тип
• Разни
• Калъф, изходни контакти, платка, мрежов кабел, проводник,
• спойка и т.н.

Как да спрем прегряването на транзистора при по-високи входни / изходни диференциали

Както е обяснено по-горе, регулаторите от типа преминаващ транзистор обикновено се сблъскват със ситуацията на изключително голямо разсейване, появяващо се от серийния регулаторен транзистор, когато изходното напрежение е много по-ниско от входното захранване.

Всеки път, когато висок изходен ток се задвижва при ниско напрежение (TTL), може да е от решаващо значение да се използва охлаждащ вентилатор на радиатора. Вероятно сериозна илюстрация може да бъде сценарият на единица източник, посочена за осигуряване на 5 ампера до 5 и 50 волта.

Този тип агрегат може да има нормално 60 волта нерегулирано захранване. Представете си, че това конкретно устройство е източник на TTL вериги в целия му номинален ток. Последователният елемент във веригата ще трябва да разсейва 275 вата!

Разходите за доставяне на достатъчно охлаждане изглежда се реализират само от цената на серийния транзистор. В случай, че падането на напрежението върху транзистора на регулатора може да бъде ограничено до 5,5 волта, без да зависи от предпочитаното изходно напрежение, разсейването може да бъде значително намалено в горната илюстрация, това може да е 10% от първоначалната му стойност.

Това може да бъде постигнато чрез използване на три полупроводникови части и няколко резистора (фигура 1). Ето как точно работи това: тиристорът Thy има право да бъде проводим нормално през R1.

Независимо от това, след спада на напрежението на Т2 - серийният регулатор надхвърля 5,5 волта, Т1 започва да провежда, в резултат на което тиристорът се 'отваря' при последващото пресичане на нулата на изхода на мостовия токоизправител.

Тази специфична работна последователност постоянно контролира заряда, подаван през C1 - филтърния кондензатор, за да може нерегулираното захранване да бъде фиксирано на 5,5 волта над регулираното изходно напрежение. Стойността на съпротивлението, необходима за R1, се определя, както следва:

R1 = 1,4 x Vsec - (Vmin + 5) / 50 (резултатът ще бъде в k Ом)

където Vsec показва вторичното средно ефективно напрежение на трансформатора, а Vmin означава минималната стойност на регулирания изход.

Тиристорът трябва да бъде компетентен да издържа на пиковия пулсационен ток и неговото функциониращо напрежение трябва да бъде минимум 1,5 Vc. Серийният регулаторен транзистор трябва да бъде определен за поддържане на най-високия изходен ток, Imax, и трябва да бъде монтиран на радиатор, където може да разсейва 5,5 x Isec вата.

Заключение

В тази публикация научихме как да изграждаме прости вериги на линейни регулатори на напрежение, използвайки последователно преминаващ транзистор и ценеров диод. Линейните стабилизирани захранвания ни предоставят доста лесни опции за създаване на фиксирани стабилизирани изходи, използващи минимален брой компоненти.

При такива конструкции основно NPN транзисторът е конфигуриран последователно с положителен входен захранващ тръбопровод в режим на общ емитер. Стабилизираната мощност се получава през излъчвателя на транзистора и отрицателната захранваща линия.

Основата на транзистора е конфигурирана с верига на ценерова клема или регулируем делител на напрежението, който гарантира, че напрежението на емитерната страна на транзистора репликира базовия потенциал на изхода на емитер на транзистора.

Ако натоварването е натоварване с висок ток, транзисторът регулира напрежението към товара, като води до увеличаване на неговото съпротивление и по този начин гарантира, че напрежението към товара не надвишава определената фиксирана стойност, зададена от основната му конфигурация.