Come progettare un circuito di alimentazione da banco stabilizzato

In questo post discutiamo di come un alimentatore da banco efficace ed efficiente, ma molto economico e stabilizzato, possa essere progettato da qualsiasi hobbista elettronico per testare in sicurezza tutti i tipi di progetti elettronici e prototipi.

Le caratteristiche principali che deve avere un alimentatore da banco sono:

• Dovrebbe essere costruito con componenti economici e facilmente reperibili
• Deve essere flessibile con i suoi intervalli di tensione e corrente, o semplicemente deve includere la possibilità di una tensione variabile e uscite di corrente variabili.
• Dovrebbe essere protetto da sovracorrente e sovraccarico.
• Dovrebbe essere facilmente riparabile, nel caso in cui sorga un problema.
• Dovrebbe essere ragionevolmente efficiente con la sua potenza.
• Dovrebbe facilitare facilmente la personalizzazione secondo una specifica desiderata.

Descrizione generale

La maggior parte dei modelli di alimentatori fino ad ora incorporano uno stabilizzatore di serie lineare. Questo design utilizza un pass transistor che funziona come un resistore variabile, regolato da un diodo Zener.

Il sistema di alimentazione in serie è il più diffuso, forse per il fatto che è molto più efficiente. Ad eccezione di una piccola perdita nello Zener e nel resistore di alimentazione, una perdita evidente si verifica solo nel transistor pass in serie durante il periodo in cui fornisce corrente al carico.

Tuttavia, uno svantaggio del sistema di alimentazione in serie è che questi non forniscono alcun tipo di cortocircuito del carico in uscita. Ciò significa che durante le condizioni di guasto di uscita il pass transistor può consentire a una grande corrente di fluire attraverso di esso, alla fine distruggendo se stesso e possibilmente anche il carico collegato.

Detto questo, aggiungendo un file protezione da cortocircuito ad un banco di passaggio in serie può essere rapidamente implementato un alimentatore tramite un altro transistor configurato come stadio di controllo della corrente.

Il regolatore di tensione variabile si ottiene tramite un semplice transistor, feedback da potenziometro.

Le due aggiunte di cui sopra consentono un alimentatore da banco in serie altamente versatile, robusto, economico, universale e praticamente indistruttibile.

Nei paragrafi seguenti apprenderemo brevemente la progettazione delle varie fasi coinvolte in un alimentatore da banco stabilizzato standard.

Regolatore di tensione a transistor più semplice

Un modo rapido per ottenere una tensione di uscita regolabile è collegare la base del passaggio transistor con potenziometro e diodo Zener come mostrato nella figura sotto.

In questo circuito il T1 è attrezzato come un emettitore-follower BJT , dove la sua tensione di base VB decide la sua tensione lato emettitore VE. Sia VE che VB corrisponderanno esattamente tra loro e saranno quasi uguali, deducendo la sua caduta in avanti.

La tensione di caduta diretta di qualsiasi BJT è tipicamente di 0,7 V, il che implica che la tensione del lato emettitore sarà:

VE = VB - 0,7

Utilizzo di un ciclo di feedback

Sebbene quanto sopra il design è facile da costruire e molto economico , questo tipo di approccio non offre una grande regolazione della potenza ai livelli di tensione inferiori.

Questo è esattamente il motivo per cui viene normalmente impiegato un controllo di tipo feedback per ottenere una regolazione migliorata su tutto l'intervallo di tensione, come mostrato nella figura seguente.

In questa configurazione, la tensione di base di T1, e quindi la tensione di uscita, è controllata dalla caduta di tensione su R1, principalmente a causa della corrente trascinata da T2.

Quando il braccio del cursore del vaso VR1 è all'estremità estrema del lato terra, T2 viene interrotto poiché ora la sua base viene messa a terra, consentendo l'unica caduta di tensione su R1 causata dalla corrente di base di T1. In questa situazione la tensione di uscita all'emettitore T1 sarà quasi uguale alla tensione del collettore e può essere data come:

VE = Vin - 0,7 , qui VE è la tensione lato emettitore di T1 e 0,7 è il valore di caduta di tensione diretta standard per i conduttori base / emettitore BJT T1.

Quindi, se l'alimentazione in ingresso è di 15 V, ci si può aspettare che l'uscita sia:

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

Ora, quando il braccio del cursore VR1 del vaso viene spostato all'estremità positiva superiore, T2 accederà all'intera tensione del lato emettitore di T1, il che farà sì che T2 conduca molto duramente. Questa azione collegherà direttamente il file diodo zener D1 con R1. Ciò significa che ora la tensione di base VB del T1 sarà semplicemente uguale alla tensione zener Vz. Quindi l'output sarà:

VE = Vz - 0,7

Pertanto, se il valore D1 è 6 V, ci si può aspettare che la tensione di uscita sia solo:

VE = 6 - 0,7 = 5,3 V , quindi la tensione zener decide la tensione di uscita minima possibile che potrebbe essere ottenuta da questo alimentazione di serie del passaggio quando la pentola viene ruotata nella posizione più bassa.

Sebbene quanto sopra sia facile ed efficace per realizzare un alimentatore da banco, presenta il grande svantaggio di non essere a prova di cortocircuito. Ciò significa che se i terminali di uscita del circuito vengono accidentalmente cortocircuitati o viene applicata una corrente di sovraccarico, il T1 si surriscalda e brucia rapidamente.

Per evitare questa situazione, il design potrebbe essere semplicemente aggiornato aggiungendo un file caratteristica di controllo corrente come spiegato nella sezione seguente.

Aggiunta della protezione da cortocircuito da sovraccarico

Una semplice inclusione di T3 e R2 consente al progetto del circuito di alimentazione da banco di essere al 100% a prova di cortocircuito e corrente controllata . Con questo design anche un cortocircuito intenzionale all'uscita non causerà alcun danno al T1.

Il funzionamento di questa fase potrebbe essere inteso come segue:

Non appena la corrente di uscita tende ad andare oltre il valore di sicurezza impostato, viene sviluppata una quantità proporzionale di differenza di potenziale su R2, sufficiente per attivare il transistor T3 con forza.

Con T3 acceso provoca l'unione della base T1 con la sua linea di emettitore, che disabilita istantaneamente la conduzione T1, e questa situazione viene mantenuta fino a quando l'uscita in corto o sovraccarico non viene rimossa. In questo modo T1 è salvaguardato da qualsiasi situazione di uscita indesiderata.

Aggiunta di una caratteristica corrente variabile

Nel progetto sopra, il resistore del sensore di corrente R2 può essere un valore fisso se l'uscita deve essere un'uscita di corrente costante. Tuttavia, un buon alimentatore da banco dovrebbe avere un intervallo variabile sia per la tensione che per la corrente. Considerando questa esigenza, il limitatore di corrente potrebbe essere regolato semplicemente aggiungendo un resistenza variabile con la base di T3, come mostrato di seguito:

VR2 divide la caduta di tensione su R2 e quindi consente a T3 di accendersi a una specifica corrente di uscita desiderata.

Calcolo dei valori delle parti

Cominciamo con le resistenze, R1 può essere calcolato con la seguente formula:

R1 = (Vin - MaxVE) hFE / Corrente di uscita

Qui, da allora MaxVE = Vino - 0,7

Pertanto, semplifichiamo la prima equazione come R1 = 0.7hFE / Corrente di uscita

VR1 può essere un potenziometro da 10 k per tensioni fino a 60 V.

Il limitatore di corrente R2 può essere calcolato come indicato di seguito:

R2 = 0,7 / corrente di uscita massima

La corrente di uscita massima deve essere selezionata 5 volte inferiore all'Id massimo di T1, se T1 è necessario per funzionare senza un dissipatore di calore. Con un grande dissipatore installato su T1, la corrente di uscita può essere 3/4 di T1 Id.

VR2 può essere semplicemente un pot 1k o un preset.

T1 dovrebbe essere selezionato secondo il requisito di corrente di uscita. Il valore nominale di T1 Id dovrebbe essere 5 volte superiore alla corrente di uscita richiesta, se deve funzionare senza un dissipatore di calore. Con un dissipatore di calore di grandi dimensioni installato, il valore nominale di T1 Id dovrebbe essere almeno 1,33 volte superiore alla corrente di uscita richiesta.

Il collettore / emettitore massimo o VCE per T1 dovrebbe essere idealmente il doppio del valore della specifica della tensione di uscita massima.

Il valore del diodo zener D1 può essere selezionato in base alla minima o minima tensione di uscita richiesta dall'alimentatore da banco.

Il rating T2 dipenderà dal valore R1. Poiché la tensione su R1 sarà sempre 0,7 V, la VCE di T2 diventa irrilevante e può essere qualsiasi valore minimo. L'Id di T2 dovrebbe essere tale da poter gestire la corrente di base di T1, determinata dal valore di R1

Le stesse regole valgono anche per T3.

In generale T2 e T3 possono essere qualsiasi transistor per uso generico di piccolo segnale come BC547 o forse a 2N2222 .

Design pratico

Compresi tutti i parametri per progettare un alimentatore da banco personalizzato, è il momento di implementare i dati in un pratico prototipo, come mostrato di seguito:

Potresti trovare alcuni componenti aggiuntivi introdotti nel progetto, che servono semplicemente a migliorare la capacità di regolazione del circuito.

Viene introdotto C2 per pulire qualsiasi ondulazione residua alle basi T1, T2.

Il T2 insieme al T1 forma a Coppia Darlington per aumentare il guadagno di corrente dell'uscita.

R3 viene aggiunto per migliorare la conduzione del diodo zener e quindi per garantire una migliore regolazione generale.

R8 e R9 vengono aggiunti per consentire la regolazione della tensione di uscita su un intervallo fisso, che non è critico.

L'R7 imposta la corrente massima a cui è possibile accedere in uscita, che è:

I = 0.7 / 0.47 = 1.5 amp, e questo appare piuttosto basso rispetto al rating del Transistor 2N3055 . Anche se questo potrebbe mantenere il transistor super freddo, potrebbe essere possibile aumentare questo valore fino a 8 ampere se il 2N3055 è montato su un grande dissipatore di calore.

Diminuzione della dissipazione per aumentare l'efficienza

Il più grande svantaggio con qualsiasi regolatore lineare basato su transistor in serie è l'elevata dissipazione del transistor. E questo accade quando il differenziale ingresso / uscita è alto.

Ciò significa che quando la tensione viene regolata verso una tensione di uscita inferiore, il transistor deve lavorare sodo per controllare la tensione in eccesso, che viene quindi rilasciata come calore dal transistor.

Ad esempio, se il carico è un LED da 3,3 V e l'alimentazione di ingresso all'alimentatore da banco è di 15 V, la tensione di uscita deve essere abbassata a 3,3 V, ovvero 15 - 3,3 = 11,7 V in meno. E questa differenza viene convertita in calore dal transistor, il che potrebbe significare una perdita di efficienza superiore al 70%.

Tuttavia, questo problema può essere risolto semplicemente utilizzando un file trasformatore con avvolgimento di uscita in tensione filettato.

Ad esempio, il trasformatore può avere prese di 5 V, 7,5 V, 10 V, 12 V e così via.

A seconda del carico è possibile selezionare i rubinetti per l'alimentazione del circuito regolatore . Successivamente, il potenziometro di regolazione della tensione del circuito potrebbe essere utilizzato per regolare ulteriormente il livello di uscita precisamente al valore desiderato.

Questa tecnica aumenterebbe l'efficienza a un livello molto alto, consentendo al dissipatore di calore del transistor di essere più piccolo e compatto.