Com dissenyar un circuit d'alimentació de banc estabilitzat

En aquest post discutim com qualsevol aficionat electrònic pot dissenyar una font d’alimentació de banc efectiva i eficient, però molt barata i estabilitzada, per provar amb seguretat tots els tipus de prototips i projectes electrònics.

Les principals característiques que ha de tenir una font d'alimentació de banc són:

• S'hauria de construir amb components econòmics i fàcilment disponibles
• Ha de ser flexible amb els seus rangs de tensió i corrent, o simplement ha d'incloure la facilitat d'una tensió variable i sortides de corrent variable.
• Hauria de protegir-se de la sobrecàrrega i la sobrecàrrega.
• Hauria de ser fàcilment reparable, en cas que sorgeixi un problema.
• Ha de ser raonablement eficient amb la seva potència de sortida.
• Hauria de facilitar la personalització fàcilment segons les especificacions desitjades.

Descripció general

La majoria dels dissenys d'alimentació incorporen fins ara un estabilitzador de sèrie lineal. Aquest disseny utilitza un transistor de pas que funciona com una resistència variable, regulada per un díode Zener.

El sistema d'alimentació en sèrie és el més popular, possiblement pel fet que és molt més eficient. Llevat d'algunes pèrdues menors al Zener i la resistència d'alimentació, la pèrdua notable només es produeix al transistor de pas en sèrie durant el període que subministra corrent a la càrrega.

No obstant això, un desavantatge del sistema d'alimentació en sèrie és que no proporcionen cap mena de curtcircuit de càrrega de sortida. És a dir, durant les condicions de fallada de sortida, el transistor de pas pot permetre que circuli un gran corrent a través d’ell, eventualment destruint-se a si mateix i possiblement la càrrega connectada també.

Dit això, afegint un protecció contra curtcircuits a una sèrie de passos, la font d'alimentació es pot implementar ràpidament a través d'altres transistors configurats com a etapa de controlador actual.

El controlador de tensió variable s’aconsegueix mitjançant un transistor senzill, retroalimentació del potenciòmetre.

Les dues addicions anteriors permeten una font d'alimentació en banc de sèrie molt versàtil, resistent, econòmica, universal i pràcticament indestructible.

En els paràgrafs següents aprendrem breument el disseny de les diverses etapes implicades en una font d’alimentació de banc estabilitzada estàndard.

Regulador de tensió del transistor més fàcil

Una manera ràpida d’obtenir un voltatge de sortida ajustable és connectar la base del pas transistor amb potenciòmetre i díode Zener tal com es mostra a la figura següent.

En aquest circuit, el T1 està equipat com a emissor-seguidor BJT , on la seva tensió base VB decideix la seva tensió lateral emissora VE. Tant VE com VB es correspondran exactament entre si i seran gairebé iguals, deduint-ne la caiguda directa.

La tensió de caiguda directa de qualsevol BJT sol ser de 0,7 V, la qual cosa implica que la tensió lateral de l'emissor serà:

VE = VB - 0,7

Ús d’un bucle de retroalimentació

Tot i que l’anterior el disseny és fàcil de construir i és molt barat , aquest tipus d'enfocament no ofereix una gran regulació de la potència als nivells de tensió més baixos.

És exactament per això que normalment s’utilitza un control de tipus de retroalimentació per obtenir una regulació millorada en tot el rang de tensió, com es demostra a la figura següent.

En aquesta configuració, la tensió base de T1 i, per tant, la tensió de sortida, està controlada per la caiguda de tensió a través de R1, principalment a causa del corrent extret per T2.

Quan el braç lliscant de l'olla VR1 es troba a l'extrem extrem del terra, T2 es talla ja que ara la seva base es posa a terra, permetent l'única caiguda de tensió a través de R1 causada pel corrent de base de T1. En aquesta situació, la tensió de sortida a l’emissor T1 serà gairebé la mateixa que la tensió del col·lector i es pot donar com:

VE = Vin - 0,7 , aquí VE és el voltatge lateral de l'emissor de T1 i 0,7 és el valor de caiguda de tensió avançada estàndard per als cables de la base / emissor BJT T1.

Per tant, si el subministrament d’entrada és de 15 V, es pot esperar que la sortida sigui:

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

Ara, quan el braç lliscant VR1 del pot es mou cap a l’extrem positiu superior, farà que T2 accedeixi a tota la tensió lateral de l’emissor de T1, cosa que farà que la conducta de T2 sigui molt dura. Aquesta acció connectarà directament el fitxer díode zener D1 amb R1. És a dir, ara la tensió base VB del T1 serà simplement igual a la tensió zener Vz. Així doncs, la sortida serà:

VE = Vz - 0,7

Per tant, si el valor D1 és de 6 V, es pot esperar que el voltatge de sortida sigui només:

VE = 6 - 0,7 = 5,3 V , de manera que el voltatge zener decideix el voltatge de sortida mínim possible que se’n podria obtenir font d'alimentació de sèrie quan l’olla es gira al seu nivell més baix.

Tot i que l’anterior és fàcil i eficaç per fer una font d’alimentació de banc, té un desavantatge important de no ser a prova de curtcircuits. Això vol dir que, si els terminals de sortida del circuit s’escurcita accidentalment o s’aplica un corrent de sobrecàrrega, el T1 s’escalfarà i cremarà ràpidament.

Per evitar aquesta situació, el disseny es podria actualitzar simplement afegint un fitxer funció de control actual tal com s’explica a la secció següent.

Addició de protecció contra el curtcircuit de sobrecàrrega

Una simple inclusió de T3 i R2 permet que el disseny del circuit d’alimentació del banc sigui 100% a prova de curtcircuit i corrent controlat . Amb aquest disseny, fins i tot un curtcircuit intencionat a la sortida no causarà cap dany al T1.

El funcionament d'aquesta etapa es podria entendre de la següent manera:

Tan bon punt el corrent de sortida tendeix a anar més enllà del valor segur establert, es desenvolupa una quantitat proporcional de diferència de potencial a través de R2, suficient per encendre el transistor T3.

Amb T3 activat fa que la base T1 s’uneixi a la seva línia d’emissor, que desactiva instantàniament la conducció T1 i es manté aquesta situació fins que s’elimina la sortida curta o la sobrecàrrega. D'aquesta manera, T1 es protegeix de qualsevol situació de sortida no desitjada.

Afegir una característica actual variable

En el disseny anterior, la resistència del sensor de corrent R2 pot ser un valor fix si la sortida ha de ser una sortida de corrent constant. Tanmateix, se suposa que una bona font d'alimentació de banc té un rang variable tant per al voltatge com per al corrent. Tenint en compte aquesta demanda, el limitador actual es podria ajustar simplement afegint un resistència variable amb la base de T3, com es mostra a continuació:

VR2 divideix la caiguda de tensió a través de R2 i, per tant, permet que el T3 s’encengui a un corrent de sortida desitjat específic.

Càlcul dels valors de les peces

Comencem amb les resistències, R1 es pot calcular amb la següent fórmula:

R1 = (Vin - MaxVE) hFE / Corrent de sortida

Aquí, des de llavors MaxVE = Vi - 0,7

Per tant, simplifiquem la primera equació com R1 = 0,7 hFE / corrent de sortida

VR1 pot ser un pot de 10 k per a tensions de fins a 60 V

El limitador de corrent R2 es pot calcular de la manera següent:

R2 = 0,7 / Corrent de sortida màx

El corrent de sortida màxim s’ha de seleccionar 5 vegades inferior al T1 màxim Id, si es requereix que T1 funcioni sense dissipador de calor. Amb un gran dissipador de calor instal·lat a T1, el corrent de sortida pot ser de 3/4 de la T1 Id.

VR2 pot ser simplement un pot predeterminat o 1k.

S'ha de seleccionar T1 segons el requisit de corrent de sortida. La qualificació de l’identificador T1 hauria de ser 5 vegades més que el corrent de sortida requerit, si s’ha d’utilitzar sense dissipador de calor. Amb un gran dissipador de calor instal·lat, l’índex T1 Id ha de ser almenys 1,33 vegades superior al corrent de sortida requerit.

El col·lector / emissor màxim o VCE de T1 hauria de ser idealment el doble del valor de l’especificació de la tensió de sortida màxima.

El valor del díode zener D1 es pot seleccionar en funció del voltatge mínim o mínim requerit per la font d'alimentació de banc.

La qualificació T2 dependrà del valor R1. Com que la tensió a través de R1 serà sempre de 0,7 V, el VCE de T2 es torna immaterial i pot ser qualsevol valor mínim. L'identificador de T2 ha de ser tal que sigui capaç de manejar el corrent base de T1, tal com determina el valor de R1

Les mateixes regles s'apliquen també per a T3.

En general, T2 i T3 poden ser qualsevol transistor de propòsit general de senyal petit, com ara BC547 o potser un 2N2222 .

Disseny pràctic

Després d’haver entès tots els paràmetres per dissenyar una font d’alimentació de banc personalitzada, és hora d’implementar les dades en un prototip pràctic, com es mostra a continuació:

Podeu trobar alguns components addicionals introduïts al disseny, que són simplement per millorar la capacitat de regulació del circuit.

S'introdueix C2 per netejar qualsevol ondulació residual a les bases T1, T2.

La T2 juntament amb la T1 formen a Parella Darlington per augmentar el guany actual de la sortida.

S'afegeix R3 per millorar la conducció del díode zener i, per tant, per garantir una millor regulació general.

S’afegeixen R8 i R9 per permetre regular el voltatge de sortida en un interval fix, que no són crítics.

El R7 estableix el corrent màxim al qual es pot accedir a la sortida, que és:

I = 0,7 / 0,47 = 1,5 amperes, i això sembla bastant baix en comparació amb la qualificació del 2N3055 transistor . Tot i que això pot mantenir el transistor molt fresc, és possible augmentar aquest valor fins a 8 amperes si el 2N3055 està muntat sobre un gran dissipador de calor.

Disminució de la dissipació per augmentar l’eficiència

El desavantatge més gran amb qualsevol regulador lineal basat en transistors de sèrie és la gran quantitat de dissipació del transistor. I això passa quan el diferencial d’entrada / sortida és alt.

És a dir, quan la tensió s’ajusta a una tensió de sortida inferior, el transistor ha de treballar molt per controlar l’excés de tensió, que després s’allibera com a calor del transistor.

Per exemple, si la càrrega és un LED de 3,3 V i el subministrament d'entrada a la font d'alimentació de banc és de 15 V, la tensió de sortida s'ha de reduir a 3,3 V, que és de 15 - 3,3 = 11,7 V menys. I aquesta diferència es converteix en calor pel transistor, cosa que podria significar una pèrdua d’eficiència superior al 70%.

Tanmateix, aquest problema es pot resoldre simplement utilitzant un fitxer transformador amb bobinatge de sortida de tensió.

Per exemple, el transformador pot tenir preses de 5 V, 7,5 V, 10 V, 12 V, etc.

Depenent de la càrrega, es podrien seleccionar les aixetes per alimentar-les circuit regulador . Després d'això, el pot d'ajust de tensió del circuit es podria utilitzar per ajustar encara més el nivell de sortida amb precisió al valor desitjat.

Aquesta tècnica augmentaria l'eficiència a un nivell molt alt, cosa que permetria que el dissipador de calor del transistor fos més petit i compacte.