Kuinka suunnitella vakaa penkkivirtalähde

Kuinka suunnitella vakaa penkkivirtalähde

Tässä viestissä keskustelemme siitä, kuinka kuka tahansa sähköinen harrastaja voi suunnitella tehokkaan ja tehokkaan, mutta silti erittäin halvan ja vakaan penkkijännitesyötön kaiken tyyppisten elektronisten projektien ja prototyyppien turvalliseen testaamiseen.



Penkin virtalähteen tärkeimmät ominaisuudet ovat:

  • Pitäisi rakentaa halpoja ja helposti saatavilla olevia komponentteja
  • Sen tulisi olla joustava jännite- ja virta-alueidensa suhteen, tai sen on yksinkertaisesti sisällettävä muuttuvan jännitteen ja vaihtuvavirtaisten lähtöjen mahdollisuus.
  • Pitäisi olla ylivirta- ja ylikuormitussuojattu.
  • Sen pitäisi olla helposti korjattavissa, jos ilmenee ongelma.
  • Sen pitäisi olla kohtuullisen tehokas tehonsa kanssa.
  • Pitäisi helpottaa räätälöintiä halutun eritelmän mukaisesti.

Yleinen kuvaus

Suurin osa virtalähdemalleista sisältää toistaiseksi lineaarisen sarjan stabilointiaineen. Tämä malli käyttää passitransistoria, joka toimii kuin vaihteleva vastus, jota säätelee Zener-diodi.





Sarjan virransyöttöjärjestelmä on suosittu, mahdollisesti johtuen siitä, että se on paljon tehokkaampi. Pieniä Zener- ja syöttövastuksen häviöitä lukuun ottamatta havaittavia menetyksiä tapahtuu vain sarjapäästötransistorissa aikana, jona se syöttää virtaa kuormalle.

Yksi virransyöttöjärjestelmän haittapuoli on kuitenkin se, että nämä eivät tuota minkäänlaista lähtökuorman oikosulkua. Tarkoituksena on, että lähtövirhetilanteissa passitransistori voi antaa suuren virran kulkea sen läpi, lopulta tuhoamalla itsensä ja mahdollisesti myös liitetyn kuorman.



Se sanoi, lisäämällä a oikosulkusuojaus sarjapäästöpenkkivirtalähde voidaan nopeasti toteuttaa toisten transistoreiden kautta, jotka on konfiguroitu nykyiseksi ohjausvaiheeksi.

säädettävä jänniteohjain saavutetaan yksinkertaisella transistorilla, potentiometrin palautteella.

Edellä mainitut kaksi lisäystä mahdollistavat sarjan pass-penkkivirtalähteen erittäin monipuolisen, kestävän, halvan, yleisen ja käytännöllisesti katsoen tuhoutumattoman.

Seuraavissa kappaleissa opitaan lyhyesti vakiostetun vakiopenkkivirtalähteen eri vaiheiden suunnittelu.

Helpoin transistorin jännitesäädin

Nopea tapa saada säädettävä lähtöjännite on kytkeä passin pohja transistori potentiometrillä ja Zener-diodilla kuten alla olevassa kuvassa on esitetty.

Tässä piirissä T1 on kiinnitetty an lähettäjä-seuraaja BJT , jossa sen perusjännite VB päättää lähettimen puolen jännitteen VE. Sekä VE että VB vastaavat tarkasti toisiaan ja ovat melkein yhtä suuret, vähentäen sen eteenpäin pudotuksen.

Minkä tahansa BJT: n eteenpäin pudotusjännite on tyypillisesti 0,7 V, mikä tarkoittaa, että emitterin puolen jännite on:

VE = VB - 0,7

Palautesilmukan käyttäminen

Vaikka edellä suunnittelu on helppo rakentaa ja erittäin halpaa , tämän tyyppinen lähestymistapa ei tarjoa suurta tehon säätöä alemmilla jännitetasoilla.

Juuri siksi takaisinkytkentätyyppistä ohjausta käytetään normaalisti paremman säätämisen saamiseksi koko jännitealueella, kuten alla olevassa kuvassa on esitetty.

Tässä kokoonpanossa T1: n perusjännitettä ja siten lähtöjännitettä ohjaa R1: n jännitehäviö, pääasiassa T2: n vetämän virran vuoksi.

Kun potin VR1 liukuvarsi on maanpinnan äärimmäisessä päässä, T2 katkeaa, koska sen pohja on nyt maadoitettu, jolloin T1: n perusvirran aiheuttama ainoa jännitteen pudotus R1: n yli. Tässä tilanteessa lähtöjännite T1-lähettimessä tulee olemaan melkein sama kuin keräimen jännite, ja se voidaan antaa seuraavasti:

VE = Vin - 0,7 , tässä VE on T1: n lähettimen puolen jännite ja 0,7 on BJT: n T1-kanta / emitterijohtimien vakio eteenpäin suuntautuvan jännitteen pudotusarvo.

Joten jos syöttöjännite on 15 V, lähdön voidaan odottaa olevan:

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

Nyt, kun potin VR1-liukusäädin siirretään ylempään positiiviseen päähän, T2 saa aikaan T1: n koko lähettimen puolen jännitteen, mikä saa T2: n johtamaan hyvin kovaa. Tämä toiminto yhdistää suoraan zener-diodi D1 ja R1. Tämä tarkoittaa, että nyt T1: n perusjännite VB on yksinkertaisesti yhtä suuri kuin zener-jännite Vz. Joten tulos on:

VE = Vz - 0,7

Siksi, jos D1-arvo on 6 V, lähtöjännitteen voidaan odottaa olevan vain:

VE = 6 - 0,7 = 5,3 V , joten zener-jännite päättää pienimmän mahdollisen lähtöjännitteen, joka tästä voidaan saada sarjan pass virtalähde kun potti pyöritetään alimmillaan.

Vaikka yllä oleva on helppoa ja tehokasta penkkijännitesyötön tekemisessä, sillä on suuri haitta siitä, ettei se ole oikosulkusuojattu. Tämä tarkoittaa, että jos piirin lähtöliittimet ovat vahingossa oikosulussa tai jos käytetään ylikuormitusvirtaa, T1 lämpenee ja palaa nopeasti.

Tämän tilanteen välttämiseksi suunnittelu voidaan yksinkertaisesti päivittää lisäämällä a nykyinen ohjausominaisuus kuten seuraavassa osassa selitetään.

Ylikuormitussuojauksen lisääminen

T3: n ja R2: n yksinkertainen sisällyttäminen mahdollistaa penkkijännitesyöttöpiirin rakenteen olevan 100% oikosulkusuojattu ja virtaa hallitaan . Tämän mallin avulla edes tahallinen oikosulku lähdössä ei aiheuta haittaa T1: lle.

Tämän vaiheen toiminta voidaan ymmärtää seuraavasti:

Heti kun lähtövirta pyrkii ylittämään asetetun turvallisen arvon, kehitetään suhteellinen määrä potentiaalieroa R2: n yli, joka riittää kytkemään transistorin T3 päälle.

Kun T3 on kytketty päälle, T1-tukiasema liitetään emitterijohtoonsa, mikä poistaa välittömästi T1-johtamisen, ja tämä tilanne säilyy, kunnes lähdön oikosulku tai ylikuormitus poistetaan. Tällä tavalla T1 suojataan kaikilta ei-toivotuilta ulostulotilanteilta.

Muuttuvan nykyisen ominaisuuden lisääminen

Edellä olevassa suunnittelussa nykyinen anturivastus R2 voi olla kiinteä arvo, jos lähdön vaaditaan olevan vakiovirtalähtö. Hyvällä penkkivirtalähteellä oletetaan kuitenkin olevan vaihteleva alue sekä jännitteelle että virralle. Tämän kysynnän perusteella nykyinen rajoitin voitaisiin tehdä säädettäväksi yksinkertaisesti lisäämällä a muuttuva vastus T3-pohjan kanssa, kuten alla on esitetty:

VR2 jakaa jännitehäviön R2: n yli ja antaa siten T3: n kytkeytyä päälle tietyllä halutulla lähtövirralla.

Osa-arvojen laskeminen

Aloitetaan vastuksista, R1 voidaan laskea seuraavalla kaavalla:

R1 = (Vin - MaxVE) hFE / lähtövirta

Täältä, siitä lähtien MaxVE = Viini - 0,7

Siksi yksinkertaistamme ensimmäisen yhtälön muodossa R1 = 0,7 hFE / lähtövirta

VR1 voi olla 10 k: n potti jopa 60 V: n jännitteelle

Virranrajoitin R2 voidaan laskea seuraavasti:

R2 = 0,7 / suurin lähtövirta

Suurin lähtövirta tulisi valita viisi kertaa pienempi kuin T1: n suurin Id, jos T1 vaaditaan toimimaan ilman jäähdytyselementtiä. Kun T1: een on asennettu suuri jäähdytyselementti, lähtövirta voi olla kolmasosa T1 Id: stä.

VR2 voi olla yksinkertaisesti 1k potti tai esiasetus.

T1 tulisi valita lähtövirran vaatimuksen mukaan. T1 Id -luokituksen tulisi olla viisi kertaa suurempi kuin vaadittu lähtövirta, jos sitä käytetään ilman jäähdytyselementtiä. Kun suuri jäähdytyselementti on asennettu, T1 Id-luokituksen tulisi olla vähintään 1,33 kertaa suurempi kuin vaadittu lähtövirta.

T1: n maksimikeräimen / emitterin tai VCE: n tulisi olla ihanteellisesti kaksinkertainen maksimilähtöjännitteen spesifikaation arvoon nähden.

Zener-diodin D1 arvo voidaan valita riippuen pienimmän tai pienimmän jännitteen lähtövaatimuksesta penkin virtalähteestä.

T2-luokitus riippuu R1-arvosta. Koska jännite R1: n yli on aina 0,7 V, T2: n VCE: stä tulee merkityksetön ja se voi olla mikä tahansa minimiarvo. T2: n Id: n tulisi olla sellainen, että se kykenee käsittelemään T1: n perusvirtaa määritettynä R1: n arvolla

Samoja sääntöjä sovelletaan myös T3: een.

Yleensä T2 ja T3 voivat olla mitä tahansa pienikokoisia signaaleja, kuten BC547 tai ehkä a 2N2222 .

Käytännön suunnittelu

Kun on ymmärretty kaikki parametrit räätälöidyn penkkivirtalähteen suunnittelulle, on aika toteuttaa tiedot käytännön prototyypissä, kuten alla on esitetty:

Suunnittelussa saattaa olla muutama lisäkomponentti, jotka ovat yksinkertaisesti piirin säätökyvyn parantamiseksi.

C2 lisätään T1-, T2-emästen mahdollisten jäännösten puhdistamiseksi.

T2 yhdessä T1: n kanssa muodostaa a Darlington-pari lisätä tuotoksen nykyistä vahvistusta.

R3 lisätään zener-diodin johtamisen parantamiseksi ja siten paremman kokonaissäätelyn varmistamiseksi.

R8 ja R9 lisätään, jotta lähtöjännitettä voidaan säätää kiinteällä alueella, joka ei ole kriittinen.

R7 asettaa maksimivirran, jota voidaan käyttää lähdössä, joka on:

I = 0,7 / 0,47 = 1,5 ampeeria, ja tämä vaikuttaa melko alhaiselta verrattuna 2N3055-transistori . Vaikka tämä saattaa pitää transistorin erittäin viileänä, voi olla mahdollista nostaa tätä arvoa 8 ampeeriin, jos 2N3055 asennetaan suuren jäähdytyselementin päälle.

Hajotuksen vähentäminen tehokkuuden lisäämiseksi

Suurin haitta minkä tahansa sarjatransistoripohjaisen lineaarisen säätimen kanssa on transistorin suuri hajoaminen. Ja tämä tapahtuu, kun tulo / lähtö ero on suuri.

Merkitys, kun jännite säädetään kohti pienempää lähtöjännitettä, transistorin on työskenneltävä kovasti ylijännitteen hallitsemiseksi, joka sitten vapautuu lämmönä transistorista.

Esimerkiksi, jos kuorma on 3,3 V: n LED ja syöttöjännite penkin virtalähteeseen on 15 V, lähtöjännite on laskettava 3,3 V: een, joka on 15 - 3,3 = 11,7 V vähemmän. Ja tämä ero muunnetaan transistoriksi lämmöksi, mikä voi tarkoittaa yli 70 prosentin tehohäviötä.

Tämä ongelma voidaan kuitenkin yksinkertaisesti ratkaista käyttämällä a muuntaja napautetulla jännitelähdöllä.

Esimerkiksi muuntajassa voi olla hanoja 5 V, 7,5 V, 10 V, 12 V ja niin edelleen.

Kuormasta riippuen hanat voidaan valita syöttämään säätimen piiri . Tämän jälkeen piirin jännitesäätöpotkia voitaisiin käyttää lähtötason tarkempaan säätämiseen tarkalleen haluttuun arvoon.

Tämä tekniikka lisäisi hyötysuhdetta erittäin korkealle tasolle, jolloin transistorin jäähdytyselementti olisi pienempi ja kompakti.




Pari: 2 metrin kinkku radiolähetinpiiri Seuraava: Lähetinvastaanotinpiiri 80 metrin kinkuradiolle