Hoe een gestabiliseerd bankvoedingscircuit te ontwerpen

Probeer Ons Instrument Voor Het Oplossen Van Problemen





In dit bericht bespreken we hoe een effectieve en efficiënte, maar zeer goedkope en gestabiliseerde tafelvoeding kan worden ontworpen door elke elektronische hobbyist voor het veilig testen van alle soorten elektronische projecten en prototypes.

De belangrijkste kenmerken die een bankvoeding moet hebben, zijn:



  • Moet worden gebouwd met goedkope en gemakkelijk verkrijgbare componenten
  • Moet flexibel zijn met zijn spannings- en stroombereiken, of moet eenvoudigweg de mogelijkheid hebben van een variabele spanning en variabele stroomuitgangen.
  • Moet worden beveiligd tegen overstroom en overbelasting.
  • Moet gemakkelijk te repareren zijn, voor het geval er zich een probleem voordoet.
  • Moet redelijk efficiënt zijn met zijn vermogen.
  • Moet gemakkelijk maatwerk volgens een gewenste specificatie vergemakkelijken.

Algemene beschrijving

Het merendeel van de voedingsontwerpen bevat tot nu toe een lineaire seriestabilisator. Dit ontwerp maakt gebruik van een doorlaattransistor die werkt als een variabele weerstand, gereguleerd door een zenerdiode.

Het serievoedingssysteem is het populairst, mogelijk vanwege het feit dat het een stuk efficiënter is. Behalve een klein verlies in de zener- en voedingsweerstand, treedt merkbaar verlies alleen op in de serie-doorlaattransistor gedurende de periode dat deze stroom levert aan de belasting.



Een nadeel van het serievoedingssysteem is echter dat deze geen kortsluiting veroorzaken bij de uitgangsbelasting. Dit betekent dat tijdens uitgangsfoutcondities de doorlaattransistor een grote stroom er doorheen kan laten stromen, die uiteindelijk zichzelf en mogelijk ook de aangesloten belasting vernietigt.

Dat gezegd hebbende, het toevoegen van een kortsluitingsbeveiliging naar een serie doorgeefbank kan de voeding snel worden geïmplementeerd via andere transistors die zijn geconfigureerd als een stroomregelaarstrap.

De variabele spanningsregelaar wordt bereikt door middel van een eenvoudige transistor, potentiometerterugkoppeling.

De bovenstaande twee toevoegingen maken een serie pasbankvoeding mogelijk die zeer veelzijdig, robuust, goedkoop, universeel en vrijwel onverwoestbaar is.

In de volgende paragrafen zullen we kort het ontwerp van de verschillende fasen van een standaard gestabiliseerde tafelvoeding leren.

Gemakkelijkste transistor-spanningsregelaar

Een snelle manier om een ​​instelbare uitgangsspanning te krijgen, is door de basis van de pas aan te sluiten transistor met een potentiometer en zenerdiode zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding.

In dit circuit is de T1 opgetuigd als een zender-volger BJT , waar zijn basisspanning VB zijn emitterzijdespanning VE bepaalt. Zowel VE als VB zullen precies met elkaar corresponderen, en zullen bijna gelijk zijn, na aftrek van de voorwaartse daling.

De voorwaartse afvalspanning van elke BJT is typisch 0,7 V, wat inhoudt dat de spanning aan de emitterzijde zal zijn:

VE = VB - 0,7

Een feedbacklus gebruiken

Hoewel het bovenstaande ontwerp is eenvoudig te bouwen en erg goedkoop , biedt dit type benadering geen goede regulering van het vermogen bij de lagere spanningsniveaus.

Dit is precies waarom een ​​terugkoppelingsbesturing normaal gesproken wordt gebruikt om een ​​verbeterde regeling over het gehele spanningsbereik te krijgen, zoals aangetoond in de onderstaande afbeelding.

In deze configuratie wordt de basisspanning van T1, en dus de uitgangsspanning, geregeld door de spanningsval over R1, voornamelijk als gevolg van de stroom getrokken door T2.

Wanneer de schuifarm van de pot VR1 zich aan het uiterste uiteinde van de grondzijde bevindt, wordt T2 afgesneden aangezien de basis nu geaard wordt, waardoor de enige spanningsval over R1 mogelijk is die wordt veroorzaakt door de basisstroom van T1. In deze situatie zal de uitgangsspanning bij de T1-emitter bijna hetzelfde zijn als de collectorspanning en kan worden gegeven als:

VE = Vin - 0,7 , hier is VE de emitterzijspanning van T1, en 0,7 is de standaard voorwaartse spanningsvalwaarde voor BJT T1 basis- / emitterkabels.

Dus als de ingangsspanning 15 V is, kan de uitgang worden verwacht:

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

Wanneer nu de schuifarm van de pot VR1 naar het bovenste positieve uiteinde wordt bewogen, zal T2 toegang krijgen tot de hele spanning aan de emitterzijde van T1, waardoor T2 erg hard gaat geleiden. Deze actie verbindt de Zener diode D1 met R1. Dit betekent dat nu de basisspanning VB van de T1 eenvoudig gelijk zal zijn aan de zenerspanning Vz. Dus de output zal zijn:

VE = Vz - 0,7

Daarom, als de D1-waarde 6 V is, kan worden verwacht dat de uitgangsspanning slechts:

VE = 6 - 0,7 = 5,3 V , dus de zenerspanning bepaalt de minimaal mogelijke uitgangsspanning die hieruit kan worden verkregen serie pass voeding wanneer de pot op de laagste stand wordt gedraaid.

Hoewel het bovenstaande gemakkelijk en effectief is voor het maken van een tafelvoeding, heeft het een groot nadeel dat het niet kortsluitvast is. Dat betekent dat als de uitgangsklemmen van het circuit per ongeluk worden kortgesloten of als er een overbelastingsstroom wordt toegepast, de T1 snel zal opwarmen en verbranden.

Om deze situatie te voorkomen, kan het ontwerp eenvoudig worden geüpgraded door een huidige controlefunctie zoals uitgelegd in de volgende sectie.

Beveiliging tegen kortsluiting door overbelasting toevoegen

Door eenvoudig T3 en R2 op te nemen, is het ontwerp van het circuit van de tafelvoeding 100% kortsluitvast en huidige gecontroleerd ​Met dit ontwerp zal zelfs een opzettelijke kortsluiting aan de uitgang geen schade toebrengen aan de T1.

De werking van deze fase kan als volgt worden begrepen:

Zodra de uitgangsstroom de ingestelde veilige waarde overschrijdt, wordt een proportioneel potentiaalverschil over R2 ontwikkeld, voldoende om transistor T3 hard aan te zetten.

Als T3 is ingeschakeld, wordt de T1-basis samengevoegd met zijn emitterlijn, waardoor de T1-geleiding onmiddellijk wordt uitgeschakeld, en deze situatie wordt gehandhaafd totdat de output kortsluiting of overbelasting is verwijderd. Op deze manier is T1 gevrijwaard van elke ongewenste uitgangssituatie.

Een variabele huidige functie toevoegen

In het bovenstaande ontwerp kan de stroomsensorweerstand R2 een vaste waarde hebben als de uitgang een constante stroomuitgang moet zijn. Een goede tafelvoeding zou echter een variabel bereik moeten hebben voor zowel spanning als stroom. Gezien deze vraag kan de stroombegrenzer eenvoudig worden aangepast door een variabele weerstand met de basis van T3, zoals hieronder weergegeven:

VR2 verdeelt de spanningsval over R2 en stelt zo de T3 in staat om in te schakelen op een specifieke gewenste uitgangsstroom.

Berekenen van de onderdeelwaarden

Laten we beginnen met de weerstanden, R1 kan worden berekend met de volgende formule:

R1 = (Vin - MaxVE) hFE / uitgangsstroom

Hier, sinds MaxVE = Wijn - 0,7

Daarom vereenvoudigen we de eerste vergelijking als R1 = 0,7 hFE / uitgangsstroom

VR1 kan een pot van 10 k zijn voor spanningen tot 60 V.

Stroombegrenzer R2 kan als volgt worden berekend:

R2 = 0,7 / Max. Uitgangsstroom

De maximale uitgangsstroom moet 5 keer lager worden geselecteerd dan de maximale ID van T1, als T1 moet werken zonder koellichaam. Met een groot koellichaam geïnstalleerd op T1, kan de uitgangsstroom 3/4 van T1 Id zijn.

VR2 kan gewoon een pot van 1k of een preset zijn.

T1 moet worden geselecteerd volgens de uitgangsstroomvereiste. T1 Id-classificatie moet 5 keer meer zijn dan de vereiste uitgangsstroom, als deze zonder koellichaam moet worden gebruikt. Als er een groot koellichaam is geïnstalleerd, moet de T1 Id-classificatie minstens 1,33 keer hoger zijn dan de vereiste uitgangsstroom.

De maximale collector / emitter of VCE voor T1 moet idealiter tweemaal de waarde van de maximale uitgangsspanningsspecificatie zijn.

De waarde van zenerdiode D1 kan worden geselecteerd afhankelijk van de laagste of minimale vereiste spanning van de tafelvoeding.

De T2-beoordeling is afhankelijk van de R1-waarde. Omdat de spanning over R1 altijd 0,7 V zal zijn, wordt de VCE van T2 niet van belang en kan deze elke minimumwaarde zijn. De Id van T2 zou zodanig moeten zijn dat hij in staat is om de basisstroom van T1 aan te kunnen, zoals bepaald door de waarde van R1

Dezelfde regels zijn ook van toepassing op T3.

In het algemeen kunnen T2 en T3 elke algemene transistor met een klein signaal zijn, zoals BC547 of misschien een 2N2222

Praktisch ontwerp

Nadat u alle parameters heeft begrepen voor het ontwerpen van een op maat gemaakte tafelvoeding, is het tijd om de gegevens in een praktisch prototype te implementeren, zoals hieronder weergegeven:

Mogelijk vindt u een paar extra componenten die in het ontwerp zijn geïntroduceerd, die eenvoudigweg zijn bedoeld om de regelcapaciteit van het circuit te verbeteren.

C2 wordt geïntroduceerd om eventuele resterende rimpel op de T1- en T2-bases te reinigen.

De T2 vormt samen met T1 een Darlington paar om de huidige versterking van de output te verhogen.

R3 is toegevoegd om de zenerdiodegeleiding te verbeteren en daarmee een betere algehele regeling te garanderen.

R8 en R9 zijn toegevoegd om het mogelijk te maken de uitgangsspanning te regelen over een vast bereik, dat niet kritisch is.

De R7 stelt de maximale stroom in die aan de uitgang kan worden benaderd, namelijk:

I = 0,7 / 0,47 = 1,5 ampère, en dit lijkt vrij laag in vergelijking met de beoordeling van de 2N3055 transistor ​Hoewel dit de transistor super koel kan houden, is het wellicht mogelijk om deze waarde te verhogen tot 8 ampère als de 2N3055 over een grote heatsink wordt gemonteerd.

Verminderende dissipatie om de efficiëntie te verhogen

Het grootste nadeel van elke lineaire regelaar op basis van een serietransistor is de grote transistordissipatie. En dit gebeurt wanneer het input / output-verschil hoog is.

Dit betekent dat wanneer de spanning wordt aangepast naar een lagere uitgangsspanning, de transistor hard moet werken om de overtollige spanning te regelen, die vervolgens als warmte van de transistor wordt vrijgegeven.

Als de belasting bijvoorbeeld een 3,3 V-led is en de ingangsspanning naar de tafelvoeding 15 V is, moet de uitgangsspanning worden verlaagd tot 3,3 V, wat 15 - 3,3 = 11,7 V minder is. En dit verschil wordt door de transistor omgezet in warmte, wat een rendementsverlies van meer dan 70% kan betekenen.

Dit probleem kan echter eenvoudig worden opgelost door een transformator met afgetakte spanningsuitgangswikkeling.

De transformator kan bijvoorbeeld kranen hebben van 5 V, 7,5 V, 10 V, 12 V, enzovoort.

Afhankelijk van de belasting kunnen de kranen worden geselecteerd voor het voeden van de regelaar circuit ​Hierna zou de spanningsaanpassingspot van het circuit kunnen worden gebruikt om het uitgangsniveau verder nauwkeurig af te stellen op de gewenste waarde.

Deze techniek zou de efficiëntie tot een zeer hoog niveau verhogen, waardoor de heatsink naar de transistor kleiner en compact zou worden.




Een paar: 2 meter Ham-radiozendercircuit Vervolg: Zenderontvangercircuit voor 80 meter Ham-radio