So entwerfen Sie einen stabilisierten Tischstromversorgungskreis

In diesem Beitrag diskutieren wir, wie ein effektives und effizientes, aber sehr billiges und stabilisiertes Tischnetzteil von jedem elektronischen Bastler entworfen werden kann, um alle Arten von elektronischen Projekten und Prototypen sicher zu testen.

Die Hauptmerkmale, die ein Tischnetzteil haben muss, sind:

• Sollte mit billigen und leicht verfügbaren Komponenten gebaut werden
• Sollte mit seinen Spannungs- und Strombereichen flexibel sein oder muss einfach die Möglichkeit eines variablen Spannungs- und Stromausgangs beinhalten.
• Sollte überstrom- und überlastgeschützt sein.
• Sollte leicht reparierbar sein, falls ein Problem auftritt.
• Sollte mit seiner Ausgangsleistung einigermaßen effizient sein.
• Sollte eine einfache Anpassung gemäß einer gewünschten Spezifikation ermöglichen.

Allgemeine Beschreibung

Die meisten Stromversorgungskonstruktionen enthalten bisher einen linearen Serienstabilisator. Diese Konstruktion verwendet einen Durchgangstransistor, der wie ein variabler Widerstand arbeitet und von einer Zenerdiode geregelt wird.

Das Serienstromversorgungssystem ist das populärere, möglicherweise aufgrund der Tatsache, dass es viel effizienter ist. Abgesehen von geringfügigen Verlusten im Zener- und Speisewiderstand tritt ein merklicher Verlust nur im Serienpass-Transistor während der Zeit auf, in der er die Last mit Strom versorgt.

Ein Nachteil des Serienstromversorgungssystems besteht jedoch darin, dass diese keinen Kurzschluss der Ausgangslast liefern. Das heißt, während Ausgangsfehlerzuständen kann der Durchgangstransistor einen großen Strom durch ihn fließen lassen, der sich selbst und möglicherweise auch die angeschlossene Last zerstört.

Das heißt, ein hinzufügen Kurzschlussschutz Die Stromversorgung einer Serienpassbank kann schnell über andere Transistoren implementiert werden, die als Stromreglerstufe konfiguriert sind.

Das variabler Spannungsregler wird durch eine einfache Transistor-Potentiometer-Rückkopplung erreicht.

Die beiden oben genannten Ergänzungen ermöglichen ein Serienpass-Netzteil, das äußerst vielseitig, robust, billig, universell und praktisch unzerstörbar ist.

In den folgenden Abschnitten lernen wir kurz den Aufbau der verschiedenen Stufen einer standardmäßigen stabilisierten Tischstromversorgung kennen.

Einfachster Transistorspannungsregler

Eine schnelle Möglichkeit, eine einstellbare Ausgangsspannung zu erhalten, besteht darin, die Basis des Durchgangs anzuschließen Transistor mit Potentiometer und Zenerdiode wie in der Abbildung unten gezeigt.

In dieser Schaltung ist der T1 als Emitterfolger BJT wobei seine Basisspannung VB seine emitterseitige Spannung VE bestimmt. Sowohl VE als auch VB korrespondieren genau miteinander und sind nahezu gleich, wobei der Vorwärtsabfall abgezogen wird.

Die Durchlassabfallspannung eines BJT beträgt typischerweise 0,7 V, was impliziert, dass die emitterseitige Spannung beträgt:

VE = VB - 0,7

Verwenden einer Rückkopplungsschleife

Obwohl die oben genannten Design ist einfach zu bauen und sehr billig Diese Art von Ansatz bietet keine gute Regulierung der Leistung bei den niedrigeren Spannungspegeln.

Dies ist genau der Grund, warum normalerweise eine Rückkopplungssteuerung verwendet wird, um eine verbesserte Regelung über den gesamten Spannungsbereich zu erhalten, wie in der folgenden Abbildung gezeigt.

In dieser Konfiguration wird die Basisspannung von T1 und damit die Ausgangsspannung durch den Spannungsabfall an R1 gesteuert, hauptsächlich aufgrund des von T2 gezogenen Stroms.

Wenn sich der Schieberarm des Topfes VR1 am äußersten Ende der Erdungsseite befindet, wird T2 abgeschaltet, da jetzt seine Basis geerdet wird, wodurch der einzige Spannungsabfall über R1 zugelassen wird, der durch den Basisstrom von T1 verursacht wird. In dieser Situation entspricht die Ausgangsspannung am T1-Emitter fast der Kollektorspannung und kann wie folgt angegeben werden:

VE = Vin - 0,7 , hier ist VE die emitterseitige Spannung von T1 und 0,7 ist der Standardwert für den Durchlassspannungsabfall für BJT T1-Basis- / Emitterleitungen.

Wenn die Eingangsversorgung also 15 V beträgt, kann erwartet werden, dass der Ausgang:

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

Wenn nun der Topf-VR1-Schieberarm zum oberen positiven Ende bewegt wird, greift T2 auf die gesamte emitterseitige Spannung von T1 zu, was dazu führt, dass T2 sehr hart leitet. Diese Aktion verbindet die Zenerdiode D1 mit R1. Das heißt, jetzt ist die Basisspannung VB des T1 einfach gleich der Zenerspannung Vz. Die Ausgabe lautet also:

VE = Vz - 0,7

Wenn der D1-Wert 6 V beträgt, kann daher erwartet werden, dass die Ausgangsspannung nur:

VE = 6 - 0,7 = 5,3 V. Die Zenerspannung entscheidet also über die minimal mögliche Ausgangsspannung, die daraus erhalten werden kann Serienpass-Netzteil wenn der Topf auf die niedrigste Einstellung gedreht wird.

Obwohl das Obige für die Herstellung einer Tischstromversorgung einfach und effektiv ist, hat es den Hauptnachteil, nicht kurzschlussfest zu sein. Das heißt, wenn die Ausgangsklemmen des Stromkreises versehentlich kurzgeschlossen werden oder ein Überlaststrom angelegt wird, erwärmt sich der T1 schnell und brennt.

Um diese Situation zu vermeiden, könnte das Design einfach durch Hinzufügen von a aktualisiert werden aktuelle Steuerfunktion wie im folgenden Abschnitt erläutert.

Hinzufügen eines Überlastkurzschlussschutzes

Durch die einfache Einbeziehung von T3 und R2 kann das Design des Tischstromversorgungskreises zu 100% kurzschlussfest gemacht werden stromgesteuert . Bei diesem Design wird selbst ein absichtlicher Kurzschluss am Ausgang dem T1 keinen Schaden zufügen.

Die Arbeitsweise dieser Phase könnte wie folgt verstanden werden:

Sobald der Ausgangsstrom dazu neigt, den eingestellten sicheren Wert zu überschreiten, wird eine proportionale Menge der Potentialdifferenz über R2 entwickelt, die ausreicht, um den Transistor T3 hart einzuschalten.

Wenn T3 eingeschaltet ist, wird die T1-Basis mit ihrer Emitterleitung verbunden, wodurch die T1-Leitung sofort deaktiviert wird. Diese Situation bleibt erhalten, bis der Ausgang kurzgeschlossen oder überlastet wird. Auf diese Weise wird T1 vor unerwünschten Ausgangssituationen geschützt.

Hinzufügen einer variablen Stromfunktion

In der obigen Konstruktion kann der Stromsensorwiderstand R2 ein fester Wert sein, wenn der Ausgang ein Konstantstromausgang sein muss. Ein gutes Tischnetzteil sollte jedoch einen variablen Bereich für Spannung und Strom haben. In Anbetracht dieser Anforderung könnte der Strombegrenzer einfach durch Hinzufügen von a einstellbar gemacht werden variabler Widerstand mit der Basis von T3, wie unten gezeigt:

VR2 teilt den Spannungsabfall über R2 auf und ermöglicht so dem T3, bei einem bestimmten gewünschten Ausgangsstrom einzuschalten.

Teilewerte berechnen

Beginnen wir mit den Widerständen, R1 kann mit der folgenden Formel berechnet werden:

R1 = (Vin - MaxVE) hFE / Ausgangsstrom

Hier seitdem MaxVE = Wein - 0,7

Daher vereinfachen wir die erste Gleichung als R1 = 0,7 hFE / Ausgangsstrom

VR1 kann ein 10-k-Topf für Spannungen bis zu 60 V sein

Der Strombegrenzer R2 kann wie folgt berechnet werden:

R2 = 0,7 / Max. Ausgangsstrom

Der maximale Ausgangsstrom sollte 5-mal niedriger als die maximale T1-ID gewählt werden, wenn T1 ohne Kühlkörper arbeiten soll. Wenn ein großer Kühlkörper an T1 installiert ist, kann der Ausgangsstrom 3/4 der T1-ID betragen.

VR2 kann einfach ein 1k Pot oder ein Preset sein.

T1 sollte gemäß der Ausgangsstromanforderung ausgewählt werden. Die T1-ID sollte 5-mal höher sein als der erforderliche Ausgangsstrom, wenn sie ohne Kühlkörper betrieben werden soll. Bei installiertem großen Kühlkörper sollte die T1-ID mindestens das 1,33-fache des erforderlichen Ausgangsstroms betragen.

Der maximale Kollektor / Emitter oder VCE für T1 sollte idealerweise doppelt so hoch sein wie der Wert der maximalen Ausgangsspannungsspezifikation.

Der Wert der Zenerdiode D1 kann abhängig von der niedrigsten oder der minimalen Spannungsausgangsanforderung von der Tischstromversorgung ausgewählt werden.

Die T2-Bewertung hängt vom R1-Wert ab. Da die Spannung an R1 immer 0,7 V beträgt, spielt der VCE von T2 keine Rolle mehr und kann ein beliebiger Mindestwert sein. Die Id von T2 sollte so sein, dass sie den Basisstrom von T1 verarbeiten kann, der durch den Wert von R1 bestimmt wird

Die gleichen Regeln gelten auch für T3.

Im Allgemeinen können T2 und T3 ein beliebiger Allzwecktransistor mit kleinem Signal wie BC547 oder vielleicht a sein 2N2222 .

Praktisches Design

Nachdem Sie alle Parameter für den Entwurf eines kundenspezifischen Tischnetzteils verstanden haben, ist es an der Zeit, die Daten in einen praktischen Prototyp zu implementieren, wie unten gezeigt:

Möglicherweise finden Sie einige zusätzliche Komponenten im Design, die lediglich dazu dienen, die Regelungsfähigkeit der Schaltung zu verbessern.

C2 wird eingeführt, um verbleibende Welligkeiten an den T1- und T2-Basen zu beseitigen.

Das T2 bildet zusammen mit T1 a Darlington Paar um die Stromverstärkung des Ausgangs zu erhöhen.

R3 wird hinzugefügt, um die Zenerdiodenleitung zu verbessern und damit eine bessere Gesamtregelung sicherzustellen.

R8 und R9 werden hinzugefügt, damit die Ausgangsspannung über einen festen Bereich geregelt werden kann, der nicht kritisch ist.

Der R7 stellt den maximalen Strom ein, auf den am Ausgang zugegriffen werden kann:

I = 0,7 / 0,47 = 1,5 Ampere, und dies erscheint im Vergleich zur Nennleistung des ziemlich niedrig 2N3055 Transistor . Obwohl dies den Transistor super kühl halten kann, kann dieser Wert möglicherweise auf 8 Ampere erhöht werden, wenn der 2N3055 über einem großen Kühlkörper montiert ist.

Verringerung der Verlustleistung zur Steigerung der Effizienz

Der größte Nachteil eines Linearreglers auf Serientransistorbasis ist die hohe Transistordissipation. Und dies geschieht, wenn die Eingangs- / Ausgangsdifferenz hoch ist.

Das heißt, wenn die Spannung auf eine niedrigere Ausgangsspannung eingestellt wird, muss der Transistor hart arbeiten, um die Überspannung zu steuern, die dann als Wärme vom Transistor abgegeben wird.

Wenn die Last beispielsweise eine 3,3-V-LED ist und die Eingangsversorgung der Tischstromversorgung 15 V beträgt, muss die Ausgangsspannung auf 3,3 V gesenkt werden, was 15 - 3,3 = 11,7 V weniger ist. Und dieser Unterschied wird vom Transistor in Wärme umgewandelt, was einen Wirkungsgradverlust von mehr als 70% bedeuten könnte.

Dieses Problem kann jedoch einfach mit a gelöst werden Transformator mit abgegriffener Spannungsausgangswicklung.

Beispielsweise kann der Transformator Abgriffe von 5 V, 7,5 V, 10 V, 12 V usw. aufweisen.

Abhängig von der Last können die Wasserhähne zum Zuführen der ausgewählt werden Reglerschaltung . Danach könnte der Spannungseinstellungstopf der Schaltung verwendet werden, um den Ausgangspegel weiter genau auf den gewünschten Wert einzustellen.

Diese Technik würde den Wirkungsgrad auf ein sehr hohes Niveau erhöhen, wodurch der Kühlkörper zum Transistor kleiner und kompakter werden könnte.