Jak navrhnout obvod napájecího zdroje se stabilizovaným stolem

V tomto příspěvku pojednáváme o tom, jak může každý elektronický fanda navrhnout efektivní a efektivní, přesto velmi levný a stabilizovaný napájecí zdroj pro bezpečné testování všech typů elektronických projektů a prototypů.

Hlavní vlastnosti stolního zdroje napájení musí být:

• Mělo by být postaveno z levných a snadno dostupných komponent
• Mělo by být flexibilní s rozsahem napětí a proudu, nebo jednoduše musí obsahovat možnost výstupů s proměnným napětím a proudem.
• Mělo by být chráněno proti nadproudu a přetížení.
• Mělo by být snadno opravitelné, v případě, že nastane problém.
• Mělo by být přiměřeně efektivní s jeho výkonem.
• Mělo by usnadnit snadné přizpůsobení podle požadované specifikace.

Obecný popis

Většina návrhů napájecích zdrojů dosud obsahuje lineární stabilizátor série. Tato konstrukce využívá propustný tranzistor, který funguje jako proměnný rezistor regulovaný Zenerovou diodou.

Sériový systém napájení je populárnější, pravděpodobně kvůli tomu, že je mnohem efektivnější. S výjimkou menších ztrát v Zenerově a napájecím rezistoru dochází ke znatelné ztrátě pouze u tranzistoru sériového průchodu během doby, kdy dodává proud do zátěže.

Jednou z nevýhod systému sériového napájení je však to, že neposkytují žádný druh zkratu výstupního zatížení. To znamená, že během podmínek poruchy výstupu může propustný tranzistor umožnit protékání velkého proudu, který se nakonec zničí a případně také připojená zátěž.

To znamená, přidání a ochrana proti zkratu k sériově napájenému zdroji lze rychle implementovat prostřednictvím dalších tranzistorů nakonfigurovaných jako aktuální stupeň regulátoru.

The regulátor proměnného napětí je dosaženo jednoduchým tranzistorem, zpětnou vazbou potenciometru.

Výše uvedené dva přírůstky umožňují sériově dodávaný napájecí zdroj vysoce univerzální, robustní, levný, univerzální a prakticky nezničitelný.

V následujících odstavcích se stručně seznámíme s návrhem různých fází standardního stabilizovaného napájecího zdroje.

Nejjednodušší tranzistorový regulátor napětí

Rychlým způsobem, jak získat nastavitelné výstupní napětí, je připojit základnu průchodu tranzistor s potenciometrem a Zenerovou diodou jak je znázorněno na obrázku níže.

V tomto okruhu je T1 zmanipulován jako sledovač emitorů BJT , kde jeho základní napětí VB rozhoduje o jeho napětí na straně emitoru VE. Jak VE, tak VB si budou přesně odpovídat a budou téměř stejné, odečteme její pokles vpřed.

Dopředné poklesové napětí jakéhokoli BJT je obvykle 0,7 V, což znamená, že napětí na straně emitoru bude:

VE = VB - 0,7

Použití smyčky zpětné vazby

Ačkoli výše design je snadno sestavitelný a velmi levný , tento typ přístupu nenabízí velkou regulaci výkonu při nižších úrovních napětí.

To je přesně důvod, proč se obvykle používá ovládání typu zpětné vazby, aby se dosáhlo vylepšené regulace v celém rozsahu napětí, jak je znázorněno na obrázku níže.

V této konfiguraci je základní napětí T1, a tedy výstupní napětí, řízeno poklesem napětí na R1, hlavně kvůli proudu taženému T2.

Když je posuvné rameno hrnce VR1 na krajním konci na zemní straně, T2 se odřízne, protože nyní se jeho základna uzemní, což umožňuje jediný pokles napětí na R1 způsobený základním proudem T1. V této situaci bude výstupní napětí na emitoru T1 téměř stejné jako napětí kolektoru a může být dáno jako:

VE = Vin - 0,7 , zde VE je napětí na straně emitoru T1 a 0,7 je standardní hodnota poklesu dopředného napětí pro vodiče základny / emitoru BJT T1.

Pokud je tedy vstupní napájení 15 V, lze očekávat výstup:

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

Nyní, když je posuvné rameno potenciometru VR1 přesunuto na horní kladný konec, způsobí, že T2 bude mít přístup k celému napětí na straně emitoru T1, což způsobí, že T2 bude fungovat velmi tvrdě. Tato akce přímo propojí Zenerova dioda D1 s R1. To znamená, že nyní bude základní napětí VB T1 jednoduše rovno zenerovu napětí Vz. Výstup bude tedy:

VE = Vz - 0.7

Pokud je tedy hodnota D1 6 V, lze očekávat, že výstupní napětí bude jen:

VE = 6 - 0,7 = 5,3 V , takže zenerovo napětí rozhoduje o minimálním možném výstupním napětí, které z toho lze získat sériový napájecí zdroj když se hrnec otáčí na nejnižší nastavení.

Ačkoli výše uvedené je snadné a efektivní pro výrobu stolního napájení, má hlavní nevýhodu v tom, že není odolný proti zkratu. To znamená, že pokud dojde k náhodnému zkratu výstupních svorek obvodu nebo k přetížení proudu, T1 se rychle zahřeje a spálí.

Aby se této situaci zabránilo, lze design jednoduše upgradovat přidáním a aktuální ovládací prvek jak je vysvětleno v následující části.

Přidání ochrany proti zkratu proti přetížení

Jednoduché začlenění T3 a R2 umožňuje, aby konstrukce napájecího obvodu napájecího zdroje byla 100% odolná proti zkratu a řízené proudem . S tímto designem ani úmyslné zkratování na výstupu nezpůsobí poškození T1.

Fungování této etapy lze chápat takto:

Jakmile má výstupní proud tendenci překračovat nastavenou bezpečnou hodnotu, vytvoří se proporcionální množství rozdílu potenciálů napříč R2, což stačí k silnému zapnutí tranzistoru T3.

Se zapnutým T3 způsobí, že základna T1 bude spojena s jeho emitorovým vedením, které okamžitě zakáže vedení T1, a tato situace bude udržována, dokud nebude odstraněn zkrat nebo přetížení výstupu. Tímto způsobem je T1 chráněn před jakoukoli nežádoucí výstupní situací.

Přidání proměnné aktuální funkce

Ve výše uvedené konstrukci může být rezistor R2 snímače proudu pevnou hodnotou, pokud je požadováno, aby výstupem byl výstup s konstantním proudem. Předpokládá se však, že dobrý napájecí zdroj má proměnlivý rozsah pro napětí i proud. S ohledem na tento požadavek lze omezovač proudu upravit jednoduše přidáním a proměnný odpor se základnou T3, jak je znázorněno níže:

VR2 rozděluje pokles napětí napříč R2 a umožňuje tak T3 zapnout při konkrétním požadovaném výstupním proudu.

Výpočet hodnot dílů

Začněme s rezistory, R1 lze vypočítat podle následujícího vzorce:

R1 = (Vin - MaxVE) hFE / výstupní proud

Tady, protože MaxVE = Víno - 0.7

Proto zjednodušujeme první rovnici jako R1 = 0,7hFE / výstupní proud

VR1 může být 10k hrnec pro napětí až 60 V

Proudový omezovač R2 lze vypočítat následujícím způsobem:

R2 = 0,7 / maximální výstupní proud

Maximální výstupní proud by měl být zvolen 5krát nižší než maximální Id T1, pokud je T1 vyžadován pro práci bez chladiče. S velkým chladičem nainstalovaným na T1 může být výstupní proud 1/4 T1 Id.

VR2 může být jednoduše 1k pot nebo preset.

T1 by měl být vybrán podle požadavku výstupního proudu. Jmenovitý výkon T1 by měl být 5krát větší než požadovaný výstupní proud, pokud má být provozován bez chladiče. S nainstalovaným velkým chladičem by hodnocení T1 Id mělo být alespoň 1,33krát vyšší než požadovaný výstupní proud.

Maximální kolektor / emitor nebo VCE pro T1 by měl být v ideálním případě dvojnásobek hodnoty specifikace maximálního výstupního napětí.

Hodnotu zenerovy diody D1 lze zvolit v závislosti na požadavku na nejnižší nebo minimální napěťový výstup z napájecího zdroje stolu.

Hodnocení T2 bude záviset na hodnotě R1. Vzhledem k tomu, že napětí na R1 bude vždy 0,7 V, stane se VCE T2 irelevantní a může mít jakoukoli minimální hodnotu. Id T2 by měl být takový, aby byl schopen zpracovat základní proud T1, jak je určeno hodnotou R1

Stejná pravidla platí i pro T3.

Obecně T2 a T3 může být jakýkoli malý univerzální signální tranzistor, jako je BC547 nebo možná a 2N2222 .

Praktický design

Po pochopení všech parametrů pro návrh přizpůsobeného napájecího zdroje pro stolní počítače je čas implementovat data do praktického prototypu, jak je znázorněno níže:

V konstrukci můžete najít několik dalších komponent, které slouží pouze ke zvýšení regulační schopnosti obvodu.

Zavádí se C2 k čištění jakéhokoli zbytkového zvlnění na základnách T1, T2.

T2 spolu s T1 tvoří a Darlingtonský pár zvýšit aktuální zesílení výstupu.

R3 se přidává ke zlepšení vedení zenerovy diody a tím k zajištění lepší celkové regulace.

R8 a R9 jsou přidány, aby umožnily regulaci výstupního napětí v pevném rozsahu, což není kritické.

R7 nastavuje maximální proud, který je přístupný na výstupu, což je:

I = 0,7 / 0,47 = 1,5 zesilovače, a to se zdá být poměrně nízké ve srovnání s hodnocením Tranzistor 2N3055 . I když to může udržet tranzistor super chladný, je možné zvýšit tuto hodnotu až na 8 ampérů, pokud je 2N3055 namontován přes velký chladič.

Snižování ztrát za účelem zvýšení efektivity

Největší nevýhodou jakéhokoli lineárního regulátoru založeného na tranzistorech je velká ztráta tranzistoru. A to se stane, když je rozdíl vstupů / výstupů vysoký.

To znamená, že když je napětí upraveno směrem k nižšímu výstupnímu napětí, musí tranzistor tvrdě pracovat, aby řídil nadměrné napětí, které se pak uvolňuje jako teplo z tranzistoru.

Například pokud je zátěž 3,3 V LED a vstupní napájení stolního napájecího zdroje je 15 V, pak musí být výstupní napětí sníženo na 3,3 V, což je o 15 - 3,3 = 11,7 V méně. A tento rozdíl je převeden na teplo tranzistorem, což by mohlo znamenat ztrátu účinnosti o více než 70%.

Tento problém však lze jednoduše vyřešit pomocí a transformátor s vinutím výstupního napětí s odbočkami.

Například transformátor může mít odbočky 5 V, 7,5 V, 10 V, 12 V atd.

V závislosti na zatížení lze vybrat kohoutky pro napájení regulační obvod . Poté by mohl být použit napěťový regulační obvod obvodu pro další nastavení výstupní úrovně přesně na požadovanou hodnotu.

Tato technika by zvýšila účinnost na velmi vysokou úroveň, což by umožnilo menší a kompaktní chladič k tranzistoru.