Πώς να σχεδιάσετε ένα σταθεροποιημένο κύκλωμα τροφοδοσίας πάγκου

Σε αυτήν την ανάρτηση συζητάμε πώς μπορεί να σχεδιαστεί ένα αποτελεσματικό και αποδοτικό, αλλά πολύ φθηνό και σταθεροποιημένο τροφοδοτικό πάγκου από οποιονδήποτε ηλεκτρονικό χόμπι για την ασφαλή δοκιμή όλων των τύπων ηλεκτρονικών έργων και πρωτοτύπων.

Τα κύρια χαρακτηριστικά που πρέπει να έχει ένα τροφοδοτικό πάγκου είναι:

• Πρέπει να κατασκευαστεί με φθηνά και εύκολα διαθέσιμα εξαρτήματα
• Πρέπει να είναι εύκαμπτο με τα εύρη τάσης και ρεύματος, ή απλά πρέπει να περιλαμβάνει τη δυνατότητα μεταβλητής τάσης και εξόδου μεταβλητού ρεύματος.
• Πρέπει να προστατεύεται από υπερφόρτωση και υπερφόρτωση.
• Πρέπει να επισκευάζεται εύκολα, σε περίπτωση που προκύψει πρόβλημα.
• Πρέπει να είναι αρκετά αποτελεσματικό με την ισχύ εξόδου του.
• Πρέπει να διευκολύνει την εύκολη προσαρμογή σύμφωνα με την επιθυμητή προδιαγραφή.

Γενική περιγραφή

Η πλειονότητα των σχεδίων παροχής ηλεκτρικού ρεύματος ενσωματώνει μέχρι τώρα έναν σταθεροποιητή γραμμικής σειράς. Αυτός ο σχεδιασμός χρησιμοποιεί ένα τρανζίστορ διέλευσης που λειτουργεί σαν μια μεταβλητή αντίσταση, που ρυθμίζεται από μια δίοδο Zener.

Το σύστημα τροφοδοσίας σειράς είναι το πιο δημοφιλές, πιθανώς λόγω του γεγονότος ότι είναι πολύ πιο αποτελεσματικό. Εκτός από κάποια μικρή απώλεια στο Zener και την αντίσταση τροφοδοσίας, αισθητή απώλεια συμβαίνει μόνο στο τρανζίστορ διέλευσης σειράς κατά τη διάρκεια της περιόδου παροχής ρεύματος στο φορτίο.

Ωστόσο, ένα μειονέκτημα του συστήματος τροφοδοσίας σειράς είναι ότι δεν παρέχουν βραχυκύκλωμα φορτίου εξόδου. Δηλαδή, κατά τη διάρκεια των συνθηκών σφάλματος εξόδου, το τρανζίστορ διέλευσης μπορεί να επιτρέψει σε ένα μεγάλο ρεύμα να ρέει μέσα από αυτό, καταστρέφοντας τελικά τον εαυτό του και πιθανώς το συνδεδεμένο φορτίο.

Τούτου λεχθέντος, προσθέτοντας ένα προστασία βραχυκυκλώματος σε μια σειρά τροφοδοσίας πάγκου ισχύος μπορεί να εφαρμοστεί γρήγορα μέσω άλλων τρανζίστορ που έχουν διαμορφωθεί ως τρέχον στάδιο ελεγκτή.

ο ελεγκτής μεταβλητής τάσης επιτυγχάνεται μέσω ενός απλού τρανζίστορ, ανατροφοδότησης ποτενσιόμετρου.

Οι δύο παραπάνω προσθήκες επιτρέπουν την τροφοδοσία σειράς πάγκων υψηλής ευελιξίας, ανθεκτική, φθηνή, καθολική και σχεδόν άφθαρτη.

Στις επόμενες παραγράφους θα μάθουμε εν συντομία τον σχεδιασμό των διαφόρων σταδίων που εμπλέκονται σε ένα τυποποιημένο σταθεροποιημένο τροφοδοτικό πάγκου.

Ευκολότερος ρυθμιστής τάσης τρανζίστορ

Ένας γρήγορος τρόπος για να λάβετε μια ρυθμιζόμενη τάση εξόδου είναι να συνδέσετε τη βάση του περάσματος τρανζίστορ με ποτενσιόμετρο και δίοδο Zener όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

Σε αυτό το κύκλωμα το Τ1 είναι γεμάτο ως emitter-followers BJT , όπου η βασική τάση VB αποφασίζει την πλευρική τάση VE του πομπού. Τόσο το VE όσο και το VB θα αντιστοιχούν με ακρίβεια το ένα στο άλλο, και θα είναι σχεδόν ίσο, αφαιρώντας την πτώση προς τα εμπρός.

Η τάση εμπρόσθιας πτώσης οποιουδήποτε BJT είναι συνήθως 0,7 V, πράγμα που σημαίνει ότι η πλευρική τάση του πομπού θα είναι:

VE = VB - 0,7

Χρησιμοποιώντας ένα Βρόχο Ανατροφοδότησης

Αν και τα παραπάνω η σχεδίαση είναι εύκολη στην κατασκευή και πολύ φθηνή , αυτός ο τύπος προσέγγισης δεν προσφέρει εξαιρετική ρύθμιση ισχύος στα χαμηλότερα επίπεδα τάσης.

Αυτός είναι ακριβώς ο λόγος για τον οποίο χρησιμοποιείται συνήθως ένας έλεγχος τύπου ανατροφοδότησης για τη λήψη βελτιωμένης ρύθμισης σε ολόκληρο το εύρος τάσης, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

Σε αυτήν τη διαμόρφωση, η βασική τάση του Τ1, και συνεπώς η τάση εξόδου, ελέγχεται από την πτώση τάσης κατά μήκος του R1, κυρίως λόγω του ρεύματος που τραβιέται από το Τ2.

Όταν ο ολισθητικός βραχίονας του δοχείου VR1 βρίσκεται στο ακραίο άκρο της γείωσης, το Τ2 αποκόπτεται αφού τώρα η βάση του γειώνεται, επιτρέποντας τη μόνη πτώση τάσης στο R1 που προκαλείται από το ρεύμα βάσης του Τ1. Σε αυτήν την περίπτωση, η τάση εξόδου στον εκπομπό T1 θα είναι σχεδόν ίδια με την τάση συλλέκτη και μπορεί να δοθεί ως:

VE = Vin - 0,7 , εδώ το VE είναι η πλευρική τάση του πομπού του Τ1 και το 0,7 είναι η τυπική τιμή πτώσης τάσης προς τα εμπρός για τα καλώδια βάσης / εκπομπού BJT T1.

Έτσι, εάν η παροχή εισόδου είναι 15 V, η έξοδος αναμένεται να είναι:

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

Τώρα, όταν ο ολισθητικός βραχίονας του δοχείου VR1 μετακινηθεί στο άνω θετικό άκρο, θα προκαλέσει την πρόσβαση του Τ2 σε ολόκληρη την πλευρική τάση του πομπού του Τ1, η οποία θα κάνει το Τ2 να συμπεριφέρεται πολύ σκληρά. Αυτή η ενέργεια θα συνδέσει άμεσα το Δίοδος Ζένερ D1 με R1. Δηλαδή, τώρα η βασική τάση VB του T1 θα είναι απλά ίση με την τάση zener Vz. Έτσι η έξοδος θα είναι:

VE = Vz - 0,7

Επομένως, εάν η τιμή D1 είναι 6 V, η τάση εξόδου αναμένεται να είναι ακριβώς:

VE = 6 - 0,7 = 5,3 V , έτσι η τάση zener αποφασίζει την ελάχιστη δυνατή τάση εξόδου που θα μπορούσε να ληφθεί από αυτό τροφοδοτικό σειράς όταν το δοχείο περιστρέφεται στη χαμηλότερη ρύθμιση.

Παρόλο που τα παραπάνω είναι εύκολο και αποτελεσματικό για την κατασκευή τροφοδοσίας πάγκου, έχει ένα μεγάλο μειονέκτημα ότι δεν είναι ανθεκτικό σε βραχυκύκλωμα. Αυτό σημαίνει, εάν οι ακροδέκτες εξόδου του κυκλώματος είναι τυχαία βραχυκύκλωμα ή εφαρμοστεί ρεύμα υπερφόρτωσης, το T1 θα θερμανθεί και θα καεί γρήγορα.

Για να αποφευχθεί αυτή η κατάσταση, ο σχεδιασμός θα μπορούσε απλώς να αναβαθμιστεί προσθέτοντας ένα τρέχουσα δυνατότητα ελέγχου όπως εξηγείται στην ακόλουθη ενότητα.

Προσθήκη προστασίας από βραχυκύκλωμα υπερφόρτωσης

Μια απλή συμπερίληψη των T3 και R2 επιτρέπει στον σχεδιασμό του κυκλώματος τροφοδοσίας πάγκου να είναι 100% βραχυκύκλωμα και τρέχον ελεγχόμενο . Με αυτό το σχέδιο, ακόμη και ένα σκόπιμο βραχυκύκλωμα στην έξοδο δεν θα προκαλέσει βλάβη στο T1.

Η λειτουργία αυτού του σταδίου θα μπορούσε να γίνει κατανοητή ως εξής:

Μόλις το ρεύμα εξόδου τείνει να ξεπεράσει την καθορισμένη ασφαλή τιμή, αναπτύσσεται ένα αναλογικό ποσό πιθανής διαφοράς στο R2, αρκετό για να ενεργοποιήσετε το τρανζίστορ Τ3 σκληρά.

Με το T3 ενεργοποιημένο προκαλεί τη σύνδεση της βάσης T1 με τη γραμμή εκπομπής, η οποία απενεργοποιεί αμέσως την αγωγιμότητα T1 και αυτή η κατάσταση διατηρείται έως ότου αφαιρεθεί το βραχυκύκλωμα εξόδου ή η υπερφόρτωση. Με αυτόν τον τρόπο το Τ1 προστατεύεται από οποιαδήποτε ανεπιθύμητη κατάσταση εξόδου.

Προσθήκη μιας μεταβλητής τρέχουσας δυνατότητας

Στην παραπάνω σχεδίαση, η τρέχουσα αντίσταση αισθητήρα R2 μπορεί να είναι μια σταθερή τιμή εάν η έξοδος απαιτείται να είναι μια συνεχής έξοδος ρεύματος. Ωστόσο, μια καλή τροφοδοσία πάγκου υποτίθεται ότι έχει μεταβλητό εύρος τόσο για την τάση όσο και για το ρεύμα. Λαμβάνοντας υπόψη αυτήν τη ζήτηση, ο τρέχων περιοριστής θα μπορούσε να γίνει ρυθμιζόμενος απλά προσθέτοντας ένα μεταβλητή αντίσταση με τη βάση του Τ3, όπως φαίνεται παρακάτω:

Το VR2 διαιρεί την πτώση τάσης στο R2 και έτσι επιτρέπει στο T3 να ενεργοποιηθεί σε ένα συγκεκριμένο επιθυμητό ρεύμα εξόδου.

Υπολογισμός των τιμών μερών

Ας ξεκινήσουμε με τις αντιστάσεις, το R1 μπορεί να υπολογιστεί με τον ακόλουθο τύπο:

R1 = (Vin - MaxVE) hFE / Ρεύμα εξόδου

Εδώ, από τότε MaxVE = Κρασί - 0,7

Επομένως, απλοποιούμε την πρώτη εξίσωση ως R1 = 0,7hFE / Ρεύμα εξόδου

Το VR1 μπορεί να είναι δοχείο 10 k για τάσεις έως 60 V

Ο τρέχων περιοριστής R2 μπορεί να υπολογιστεί όπως δίνεται παρακάτω:

R2 = 0,7 / Μέγιστο ρεύμα εξόδου

Το μέγιστο ρεύμα εξόδου θα πρέπει να επιλεγεί 5 φορές χαμηλότερο από το μέγιστο αναγνωριστικό T1, εάν το T1 απαιτείται για να λειτουργεί χωρίς ψύκτρα. Με μια μεγάλη ψύκτρα εγκατεστημένη στο T1, το ρεύμα εξόδου μπορεί να είναι 3/4 του T1 Id.

Το VR2 μπορεί να είναι απλώς 1k pot ή προκαθορισμένο.

Το T1 πρέπει να επιλεγεί σύμφωνα με την τρέχουσα απαίτηση εξόδου. Η βαθμολογία T1 Id πρέπει να είναι 5 φορές μεγαλύτερη από το απαιτούμενο ρεύμα εξόδου, εάν πρόκειται να χρησιμοποιηθεί χωρίς ψύκτρα. Με μια μεγάλη ψύκτρα εγκατεστημένη, η βαθμολογία T1 Id πρέπει να είναι τουλάχιστον 1,33 φορές μεγαλύτερη από το απαιτούμενο ρεύμα εξόδου.

Ο μέγιστος συλλέκτης / εκπομπός ή VCE για το T1 πρέπει ιδανικά να είναι διπλάσιος από την τιμή της προδιαγραφής μέγιστης τάσης εξόδου.

Η τιμή της διόδου zener D1 μπορεί να επιλεγεί ανάλογα με τη χαμηλότερη ή την ελάχιστη απαίτηση εξόδου τάσης από την τροφοδοσία πάγκου.

Η βαθμολογία T2 θα εξαρτηθεί από την τιμή R1. Δεδομένου ότι η τάση στο R1 θα είναι πάντα 0,7 V, το VCE του T2 καθίσταται άϋλο και μπορεί να είναι οποιαδήποτε ελάχιστη τιμή. Το Id του T2 πρέπει να είναι τέτοιο ώστε να μπορεί να χειρίζεται το ρεύμα βάσης του T1, όπως καθορίζεται από την τιμή του R1

Οι ίδιοι κανόνες ισχύουν και για το Τ3.

Γενικά τα Τ2 και Τ3 μπορούν να είναι οποιοδήποτε τρανζίστορ γενικού σκοπού μικρού σήματος όπως το BC547 ή ίσως ένα 2Ν2222 .

Πρακτικός σχεδιασμός

Έχοντας κατανοήσει όλες τις παραμέτρους για το σχεδιασμό ενός προσαρμοσμένου τροφοδοτικού πάγκου, ήρθε η ώρα να εφαρμόσετε τα δεδομένα σε ένα πρακτικό πρωτότυπο, όπως φαίνεται παρακάτω:

Ενδέχεται να βρείτε μερικά πρόσθετα εξαρτήματα που εισήχθησαν στο σχεδιασμό, τα οποία είναι απλά για την ενίσχυση της ικανότητας ρύθμισης του κυκλώματος.

Το C2 εισάγεται για τον καθαρισμό τυχόν υπολειπόμενων κυματισμών στις βάσεις T1, T2.

Το T2 μαζί με το T1 σχηματίζει ένα Ζεύγος Ντάρλινγκτον για να αυξήσετε το τρέχον κέρδος της παραγωγής.

Το R3 προστίθεται για να βελτιώσει την αγωγή διόδου zener και επομένως να εξασφαλίσει καλύτερη συνολική ρύθμιση.

Τα R8 και R9 προστίθενται για να επιτρέπουν τη ρύθμιση της τάσης εξόδου σε σταθερό εύρος, οι οποίες δεν είναι κρίσιμες.

Το R7 ορίζει το μέγιστο ρεύμα που μπορεί να έχει πρόσβαση στην έξοδο, το οποίο είναι:

I = 0,7 / 0,47 = 1,5 αμπέρ, και αυτό φαίνεται αρκετά χαμηλό σε σύγκριση με την βαθμολογία του Τρανζίστορ 2N3055 . Αν και αυτό μπορεί να διατηρήσει το τρανζίστορ εξαιρετικά δροσερό, μπορεί να αυξηθεί αυτή η τιμή έως και 8 αμπέρ αν το 2N3055 είναι τοποθετημένο πάνω σε ένα μεγάλο ψύκτρα.

Μείωση του διασκεδασμού για αύξηση της αποτελεσματικότητας

Το μεγαλύτερο μειονέκτημα με οποιονδήποτε γραμμικό ρυθμιστή βασισμένο σε τρανζίστορ σειράς είναι η διάχυση τρανζίστορ μεγάλης ποσότητας. Και αυτό συμβαίνει όταν η διαφορά εισόδου / εξόδου είναι υψηλή.

Δηλαδή, όταν η τάση ρυθμίζεται προς χαμηλότερη τάση εξόδου, το τρανζίστορ πρέπει να εργαστεί σκληρά για να ελέγξει την περίσσεια τάσης, η οποία στη συνέχεια απελευθερώνεται ως θερμότητα από το τρανζίστορ.

Για παράδειγμα, εάν το φορτίο είναι LED 3,3 V και η τροφοδοσία εισόδου στην τροφοδοσία πάγκου είναι 15 V, τότε η τάση εξόδου πρέπει να μειωθεί στα 3,3 V, δηλαδή 15 - 3,3 = 11,7 V λιγότερο. Και αυτή η διαφορά μετατρέπεται σε θερμότητα από το τρανζίστορ, το οποίο θα μπορούσε να σημαίνει απώλεια απόδοσης άνω του 70%.

Ωστόσο, αυτό το πρόβλημα μπορεί απλά να επιλυθεί χρησιμοποιώντας ένα μετασχηματιστής με τύλιγμα εξόδου τάσης.

Για παράδειγμα, ο μετασχηματιστής μπορεί να έχει βρύσες 5 V, 7,5 V, 10 V, 12 V και ούτω καθεξής.

Ανάλογα με το φορτίο, οι βρύσες θα μπορούσαν να επιλεγούν για τροφοδοσία του κύκλωμα ρυθμιστή . Μετά από αυτό, το δοχείο ρύθμισης τάσης του κυκλώματος θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για περαιτέρω ρύθμιση του επιπέδου εξόδου ακριβώς στην επιθυμητή τιμή.

Αυτή η τεχνική θα αύξανε την απόδοση σε πολύ υψηλό επίπεδο, επιτρέποντας στη ψύκτρα στο τρανζίστορ να είναι μικρότερη και συμπαγής.