Кругови регулатора напона који користе транзистор и Зенер диоду

У овом чланку ћемо свеобухватно разговарати о томе како направити прилагођене транзисторизоване кругове регулатора напона у фиксним и променљивим режимима.

Сви линеарни кругови напајања који су дизајнирани да производе стабилизовани, стални напон и тренутни излаз у основи укључују транзисторске и зенер диоде степене за добијање потребних регулисаних излаза.

Ови кругови који користе дискретне делове могу бити у облику трајно фиксног или константног напона или стабилизованог подесивог излазног напона.

Најједноставнији регулатор напона

Вероватно најједноставнији тип регулатора напона је стабилизатор зенер-шанта, који ради коришћењем основне зенер-диоде за регулацију, као што је приказано на доњој слици.

Зенер диоде имају напон еквивалентан предвиђеном излазном напону, који се може у потпуности подударати са жељеном излазном вредношћу.

Све док је напон напајања испод номиналне вредности ценер-напона, он показује максимални отпор у опсегу многих мегагома, омогућавајући да напајање пролази без ограничења.

Међутим, у тренутку када се напон напајања повећа у односу на номиналну вредност „ценер-напона“, покреће се значајан пад његовог отпора, узрокујући прекомерни напон да се кроз њега узме у земљу, све док напајање не падне или не достигне ниво зенер-напона.

Због овог наглог ранжирања напон напајања пада и достиже ценер вредност, што доводи до поновног повећања отпора зенера. Затим се циклус наставља брзо осигуравајући да напајање остане стабилизовано на номиналној вредности ценера и никада не сме да пређе ову вредност.

Да би се добила горња стабилизација, улазно напајање мора бити мало веће од потребног стабилизованог излазног напона.

Прекомерни напон изнад вредности ценера узрокује активирање унутрашњих карактеристика лавине зенера, што узрокује тренутни ефекат ранжирања и опадање напајања док не достигне оцену зенера.

Ова акција наставља се бесконачно осигуравајући фиксни стабилизовани излазни напон еквивалентан ценер-ном називу.

Предности Зенер-овог стабилизатора напона

Зенер диоде су врло згодне тамо где је потребна регулација слабе струје и константног напона.

Зенер диоде је једноставно конфигурисати и могу се користити за добијање разумно тачног стабилизованог излаза у свим околностима.

Потребан је само један отпорник за конфигурисање степена регулатора напона на бази зенер диоде и може се брзо додати у било које коло за предвиђене резултате.

Мане стабилних Зенер регулатора

Иако је зенер стабилизовано напајање брз, лак и ефикасан метод постизања стабилизованог излаза, он укључује неколико озбиљних недостатака.

• Излазна струја је мала, што може подржати велика струјна оптерећења на излазу.
• Стабилизација се може догодити само за ниске разлике улаз / излаз. То значи да улазно напајање не може бити превисоко од потребног излазног напона. У супротном отпор оптерећења може расипати огромну количину енергије што систем чини веома неефикасним.
• Рад Зенер диоде је генерално повезан са стварањем шума, што може критично утицати на перформансе осетљивих кола, као што су дизајни хи-фи појачала и друге сличне рањиве апликације.

Коришћење „појачане Зенер диоде“

Ово је појачана ценер верзија која користи БЈТ за стварање променљивог ценера са побољшаном способношћу руковања снагом.

Замислимо да су Р1 и Р2 исте вредности., Што би створило довољан ниво пристрасности према основи БЈТ и омогућило БЈТ-у да се понаша оптимално. Будући да је минимални предни напон основног емитора 0,7 В, БЈТ ће спровести и ранжирати било коју вредност изнад 0,7 В или највише 1 В, у зависности од специфичних карактеристика кориштеног БЈТ.

Дакле, излаз ће бити стабилизован на приближно 1 В. Излазна снага овог „појачаног променљивог ценера“ зависиће од вредности снаге БЈТ и вредности отпорника оптерећења.

Међутим, ова вредност се лако може променити или прилагодити неком другом жељеном нивоу, једноставно променом вредности Р2. Или једноставније заменом Р2 лонцем. Распон и Р1 и Р2 Пот може бити између 1К и 47К, да би се добио глатко променљиви излаз од 1В до нивоа напајања (макс. 24В). За већу прецизност можете применити следећу формулу делитеља волатура:

Излазни напон = 0,65 (Р1 + Р2) / Р2

Недостатак Зенер појачала

Ипак, недостатак овог дизајна је велика дисипација која се пропорционално повећава са повећањем улазне и излазне разлике.

Да би се правилно поставила вредност отпорника оптерећења у зависности од излазне струје и улазног напајања, могу се на одговарајући начин применити следећи подаци.

Претпоставимо да је потребни излазни напон 5В, потребна струја 20 мА, а улазни напон 12 В. Тада користимо Охмов закон:

Отпорник оптерећења = (12 - 5) / 0,02 = 350 ома

снага = (12 - 5) к 0,02 = 0,14 вата или једноставно 1/4 вата.

Круг склопа регулатора транзистора

У основи, серијски регулатор који се назива и серијски пролазни транзистор је променљиви отпор створен помоћу транзистора причвршћеног у серију са једним од доводних водова и оптерећења.

Отпор транзистора на струју аутоматски се прилагођава у зависности од излазног оптерећења, тако да излазни напон остаје константан на жељеном нивоу.

У серијском регулаторном колу улазна струја мора бити нешто већа од излазне. Ова мала разлика је једина величина струје коју регулаторно коло користи самостално.

Предности регулатора серије

Примарна предност серијског регулационог кола у поређењу са регулатором типа шанта је његова боља ефикасност.

То резултира минималним расипањем снаге и губитком топлоте. Због ове велике предности, серијски транзисторски регулатори су веома популарни у апликацијама регулатора напона велике снаге.

Међутим, ово се може избећи тамо где је потреба за снагом врло мала или када ефикасност и производња топлоте нису међу критичним проблемима.

У основи, серијски регулатор могао би једноставно да угради зенер-регулатор, учитавајући пуферски круг следбеника емитера, као што је горе наведено.

Јединствено појачање напона можете пронаћи кад год се користи ступањ сљедбеника емитора. То значи да када се на његову базу примени стабилизовани улаз, обично ћемо постићи и стабилизовани излаз из емитора.

Будући да смо у могућности да добијемо већи струјни добитак од сљедника емитора, може се очекивати да ће излазна струја бити много већа у поређењу са примијењеном базном струјом.

Према томе, чак и док је основна струја око 1 или 2 мА у фази ценер-ранга, што такође постаје потрошња струје у мировању, излазна струја од 100 мА може бити доступна на излазу.

Улазна струја се сабира са излазном струјом заједно са 1 или 2 мА које користи зенер стабилизатор, и из тог разлога постигнута ефикасност достиже изванредан ниво.

С обзиром на то да је улазно напајање у круг довољно оцењено да постигне очекивани излазни напон, излаз може бити практично неовисан од нивоа улазног напајања, јер је то директно регулисано основним потенцијалом Тр1.

Зенер диода и кондензатор за одвајање развијају савршено чист напон на бази транзистора, који се реплицира на излазу, генеришући практично волатге без буке.

То омогућава овој врсти кола са способношћу да испоруче излазе са изненађујуће ниским валовитошћу и буком без укључивања огромних кондензатора за заглађивање и са опсегом струје који може бити чак 1 амп или више.

Што се тиче нивоа излазног напона, он можда неће бити потпуно једнак повезаном ценер-напону. То је зато што постоји пад напона од приближно 0,65 волти између базе и емитерских каблова транзистора.

Овај пад последично треба одузети од вредности ценер напона да би се могао постићи минимални излазни напон кола.

Значи, ако је зенерова вредност 12,7 В, тада би излаз на емитеру транзистора могао бити око 12 В, или обратно, ако је жељени излазни напон 12 В, тада се зенер-волатге мора одабрати да буде 12,7 В.

Регулација овог серијског регулаторног кола никада неће бити идентична регулацији зенер-кола, јер следбеник емитора једноставно не може да поседује нулту излазну импедансу.

А пад напона кроз степен мора незнатно да порасте као одговор на повећање излазне струје.

С друге стране, могла би се очекивати добра регулација када ценер струја помножена са тренутним појачањем транзистора достигне минимум 100 пута већу од очекиване највеће излазне струје.

Регулатор јаке струје који користи Дарлингтонове транзисторе

Да би се то тачно постигло, то често подразумева да се користи неколико транзистора, можда 2 или 3, како бисмо могли да постигнемо задовољавајући добитак на излазу.

Основно два транзисторска кола која примењују емитер фолловер Пар Дарлингтон назначен је на следећим сликама, приказује технику примене 3 БЈТ-а у конфигурацији следбеника Дарлингтона.

Имајте на уму да уградњом пара транзистора долази до већег пада напона на излазу од приближно 1,3 волта, кроз базу 1. транзистора до излаза.

То је због чињенице да је око 0,65 волти обријано са сваког од транзистора. Ако се узму у обзир три транзисторска кола, то би могао значити пад напона нешто испод 2 волта на основи 1. транзистора и излаза итд.

Регулатор напона заједничког емитера са негативном повратном спрегом

Лепа конфигурација се понекад види код специфичних дизајна који имају неколико појачавачи са уобичајеним емитерима , који садржи 100 посто нето негативних повратних информација.

Ова поставка приказана је на следећој слици.

Упркос чињеници да фазе уобичајених емитора обично имају значајан степен појачања напона, ово у овом случају можда није ситуација.

То је због 100% негативне повратне спреге која се поставља преко излазног транзисторског колектора и емитора покретачког транзистора. Ово олакшава појачалу да постигне тачно јединство.

Предности заједничког регулатора емисије са повратним информацијама

Ова конфигурација ради боље у поређењу са а Дарлингтон пар регулатори засновани на сљедбенику емитера због смањеног пада напона на улазно / излазним стезаљкама.

Пад напона постигнут на овим конструкцијама износи једва око 0,65 волти, што доприноси већој ефикасности, и оспособљава коло да ефикасно ради без обзира да ли је не-стабилизовани улазни напон само неких стотинак миливолти изнад очекиваног излазног напона.

Елиминатор батерије помоћу круга регулатора серије

Означени круг елиминатора батерије је функционална илустрација дизајна изграђеног помоћу основног серијског регулатора.

Модел је развијен за све апликације које раде са 9 волти једносмерне струје са максималном струјом која не прелази 100 мА. Није прикладно за уређаје који захтевају релативно већу количину струје.

Т1 је а 12 -0 - 12 је био трансформатор од 100 мА који испоручује изоловану заштитну изолацију и опадање напона, док његов средишњи намотани секундарни намотај покреће основни пусх-пулл исправљач са филтер кондензатором.

Без оптерећења излаз ће бити око 18 В ДЦ, што може пасти на приближно 12 В при пуном оптерећењу.

Коло које ради као стабилизатор напона заправо је основни серијски дизајн који укључује Р1, Д3 и Ц2 како би се добио регулисани номинални излаз од 10 В. Ценер струја се креће око 8 мА без оптерећења и до око 3 мА при пуном оптерећењу. Дисипација генерисана од Р1 и Д3 као резултат је минимална.

Следбеник Дарлингтоновог пара емитора формиран од ТР1 и ТР2 може се видети конфигурисан као појачало излазног бафера испоручује тренутни добитак од око 30.000 при пуном излазу, док је минимални добитак 10.000.

На овом нивоу појачања када јединица ради користећи 3 мА под струјом пуног оптерећења, а минимално појачање и не показује готово никакво одступање у паду напона на појачалу, чак и док струја оптерећења флуктуира.

Стварни пад напона на излазном појачалу је приближно 1,3 волта, а са умереним улазом од 10 волти ово нуди излаз од приближно 8,7 волти.

Ово изгледа готово једнако специфицираним 9 В, с обзиром на чињеницу да чак и права 9-волтна батерија може показивати одступања од 9,5 В до 7,5 В током свог оперативног периода.

Додавање тренутног ограничења регулатору серије

За горе објашњене регулаторе обично постаје важно додати излазну заштиту од кратког споја.

То је можда неопходно како би дизајн могао да пружи добру регулацију уз малу излазну импедансу. Пошто је извор напајања врло ниске импедансе, у случају случајног излазног кратког споја може проћи врло висока излазна струја.

То би могло довести до тога да излазни транзистор, заједно са неколико осталих делова, одмах изгори. Типични осигурач можда једноставно не пружа довољну заштиту, јер би штета настала брзо чак и пре него што осигурач евентуално реагује и прегори.

Најлакши начин да се то примени је можда додавањем граничника струје у коло. То укључује додатна кола без икаквог директног утицаја на перформансе дизајна у нормалним радним условима.

Међутим, граничник струје може узроковати брзи пад излазног напона ако повезано оптерећење покушава да повуче значајне количине струје.

Заправо се излазни напон смањује тако брзо да је, иако је кратки спој постављен преко излаза, струја доступна у кругу мало већа од назначене максималне вредности.

Исход круга за ограничавање струје доказан је у доњим подацима који приказују излазни напон и струју с обзиром на поступно смањивање импедансе оптерећења, постигнуто из предложене јединице за елиминисање акумулатора.

Тхе струјни кругови за ограничавање ради употребом само неколико елемената Р2 и Тр3. Његов одговор је заправо тако брз да једноставно елиминише све могуће ризике од кратког споја на излазу, пружајући тако излазне уређаје заштиту од кварова. Рад ограничења струје може се разумети како је објашњено у наставку.

Р2 је повезан серијски са излазом, што доводи до тога да напон развијен на Р2 буде пропорционалан излазној струји. При излазној потрошњи која достиже 100 мА, напон произведен на Р2 неће бити довољан да се активира на Тр3, јер је то силицијумски транзистор којем је потребан ОН да укључи минимални потенцијал од 0,65 В.

Међутим, када излазно оптерећење пређе границу од 100 мА, ствара довољно потенцијала преко Т2 да се Тр3 адекватно укључи у проводљивост. ТР3 заузврат изазива одређени проток струје према Трл преко негативне доводне шине кроз терет.

То резултира одређеним смањењем излазног напона. Ако се оптерећење даље повећава, резултира сразмерним порастом потенцијала преко Р2 да расте, присиљавајући Тр3 да се укључи још јаче.

То последично омогућава померање веће количине струје према Тр1 и негативној линији кроз Тр3 и оптерећење. Ова акција даље доводи до пропорционално растућег пада напона излазног напона.

Чак и у случају излазног кратког споја, Тр3 ће вероватно бити јако пристрасан у проводљивости, присиљавајући излазни напон да падне на нулу, осигуравајући да излазна струја никада не дозволи да пређе ознаку од 100 мА.

Напајање са клупама са променљивом регулацијом

Напајања стабилизована променљивим напоном раде са сличним принципом као типови регулатора фиксног напона, али они имају а управљање потенциометром што олакшава стабилизовани излаз са променљивим опсегом напона.

Ови кругови су најприкладнија за напајање у клупи и у радионици, мада се такође могу користити у апликацијама које захтевају различите подесиве улазе за анализу. За такве послове потенциометар напајања делује као унапред подешена контрола која се може користити за прилагођавање излазног напона напајања жељеним регулисаним нивоима напона.

Горња слика приказује класични пример кола са променљивим регулатором напона који ће обезбедити континуирано променљиви стабилизовани излаз од 0 до 12В.

Главне карактеристике

• Распон струје је ограничен на максимално 500 мА, мада се то може повећати на више нивое одговарајућом надоградњом транзистора и трансформатора.
• Дизајн пружа врло добру регулацију буке и мрешкања, која може бити мања од 1 мВ.
• Максимална разлика између улазног напајања и регулисаног излаза није већа од 0,3 В чак и при пуном излазном оптерећењу.
• Регулисано променљиво напајање може се идеално користити за тестирање готово свих врста електронских пројеката којима су потребна висококвалитетна регулисана напајања.

Како то ради

У овом дизајну можемо видети потенцијално делилно коло укључено између излазног степена стабилизатора и улазног појачавача појачала. Ову потенцијалну преграду стварају ВР1 и Р5. Ово омогућава подешавање клизача за ВР1 са минимално 1,4 волта када је близу основе стазе, до нивоа од 15 В зенера, док је на највишој тачки свог опсега подешавања.

Постоје отприлике 2 волта испуштена преко излазног ступња међуспремника, омогућавајући опсег излазног напона од 0 В до око 13 В. Имајући то у виду, горњи опсег напона је подложан делимичним толеранцијама, попут 5% толеранције на зенер напон. Стога оптимални излазни напон може бити за нијансу већи од 12 волти.

Неколико врста ефикасних коло за заштиту од преоптерећења може бити веома важно за било које напајање са клупе. Ово је можда неопходно јер излаз може бити осетљив на случајна преоптерећења и кратке спојеве.

Ми користимо прилично једноставно ограничавање струје у садашњем дизајну, одређено Трл-ом и његовим повезаним елементима. Када јединица ради у нормалним условима, напон произведен на Р1, који је прикључен у серију са излазном излазном снагом, премален је да покрене Трл у проводљивости.

У овом сценарију круг ради нормално, поред малог пада напона који генерише Р1. Ово једва да утиче на ефикасност регулације јединице.

То је зато што Р1 ступањ долази пре склопа регулатора. У случају преоптерећења, потенцијал индукован преко Р1 пуца на око 0,65 волти, што приморава Тр1 да се укључи, због основне струје стечене из разлике потенцијала генерисане преко отпорника Р2.

То доводи до тога да Р3 и Тр 1 повлаче значајну количину тока, што доводи до значајног повећања пада напона на Р4 и смањења излазног напона.

Ова радња тренутно ограничава излазну струју на највише 550 до 600 мА упркос кратком споју на излазу.

Будући да ограничење струје ограничава излазни напон на практично 0 В.

Р6 је монтиран попут отпорника оптерећења који у основи спречава прениску излазну струју, а међуспремник појачавача не може нормално да ради. Ц3 омогућава уређају да постигне одличан привремени одзив.

Недостаци

Као и сваки типични линеарни регулатор, расипање снаге у Тр4 одређује се излазним напоном и струјом и максимално је са лонцем прилагођеним за ниже излазне напоне и већа излазна оптерећења.

У најтежим околностима може бити индуковано 20 В преко Тр4, што доводи до струје од око 600 мА кроз њега. То резултира расипањем снаге од око 12 вати у транзистору.

Да би ово могао дуго толерисати, уређај мора бити инсталиран на прилично великом хладњаку. ВР1 се може инсталирати са значајним контролним дугметом који олакшава калибрацију скале и приказује ознаке излазног напона.

Листа делова

• Отпорници. (Све 1/3 вата 5%).
• Р1 1,2 ома
• Р2 100 ома
• Р3 15 ома
• Р4 1к
• Р5 470 ома
• Р6 10к
• ВР1 4.7к линеарни угљеник
• Кондензатори
• Ц1 2200 µФ 40В
• Ц2 100 µФ 25В
• Ц3 330 нФ
• Полупроводници
• Тр1 БЦ108
• Тр2 БЦ107
• Тр3 БФИ51
• Тр4 ТИП33А
• ДИ до Д4 1Н4002 (4 искључења)
• Д5 БЗИ88Ц15В (15 волти, 400 мВ ценер)
• Трансформатор
• Т1 Стандардно примарно напајање, 17 или 18 волти, 1 амп
• секундарни
• Пребаци
• С1 Д.П.С.Т. ротационе мреже или тип прекидача
• Остало
• Кућиште, излазне утичнице, плочица, мрежни кабл, жица,
• лемљење итд.

Како зауставити прегревање транзистора на већим улазним / излазним диференцијалима

Регулатори типа пролазног транзистора, како је горе објашњено, обично наилазе на ситуацију да имају изузетно високу дисипацију која се појављује од серијског регулаторног транзистора кад год је излазни напон много нижи од улазног напајања.

Сваки пут када се висока излазна струја покреће при ниском напону (ТТЛ), можда би било пресудно користити хладњак на хладњаку. Можда озбиљна илустрација може бити сценарио изворне јединице која даје 5 ампера до 5 и 50 волти.

Ова врста јединице може нормално да има неуређено напајање од 60 волти. Замислите да овај одређени уређај даје ТТЛ кола у целој називној струји. Серијски елемент у колу ће у овој ситуацији морати да расипа 275 вати!

Чини се да се трошак испоруке довољног хлађења остварује само ценом серијског транзистора. У случају да би пад напона на транзистору регулатора могао бити ограничен на 5,5 волти, без зависности од жељеног излазног напона, расипање би могло бити значајно смањено на горњој илустрацији, то може бити 10% његове почетне вредности.

То се може постићи употребом три полупроводничка дела и неколико отпорника (слика 1). Ево како то тачно функционише: тиристор Тхи сме да буде нормално проводљив кроз Р1.

Ипак, када пад напона на Т2 - серијски регулатор пређе 5,5 волти, Т1 почиње да проводи, што резултира тиме да се тиристор `отвори` при накнадном прелазу нуле на излазу мостовског исправљача.

Ова специфична радна секвенца стално контролише наелектрисање напајано преко Ц1 - кондензатора филтера - како би нерегулисано напајање било фиксирано на 5,5 волти преко регулисаног излазног напона. Вредност отпора неопходна за Р1 одређује се на следећи начин:

Р1 = 1,4 к Всец - (Вмин + 5) / 50 (резултат ће бити у кОма)

при чему Всец означава секундарни ефективни напон трансформатора, а Вмин минималну вредност регулисаног излаза.

Тиристор мора бити компетентан да поднесе вршну валовиту струју, а његов напон у функцији треба да буде најмање 1,5 Вц. Транзистор серијског регулатора требало би да буде специфициран да подржава највећу излазну струју, Имак, и требало би да буде монтиран на хладњак где може расипати 5,5 к Исец вати.

Закључак

У овом посту смо научили како се граде једноставни линеарни кругови регулатора напона помоћу серијског пролазног транзистора и зенер диоде. Линеарна стабилизована напајања пружају нам прилично једноставне опције за стварање фиксних стабилизованих излаза помоћу минималног броја компонената.

У таквим изведбама, НПН транзистор је конфигурисан у серији са позитивним улазним водом у режиму заједничког емитора. Стабилизовани излаз добија се преко емитора транзистора и негативног напајања.

Основа транзистора је конфигурисана са кругом стезаљке са Зенер-ом или подесивим делитељем напона који осигурава да бочни напон емитер-а на транзистору блиско пресликава основни потенцијал на излазу емитора на транзистору.

Ако је оптерећење велико струјно оптерећење, транзистор регулише напон на оптерећењу узрокујући пораст његовог отпора и на тај начин осигурава да напон на оптерећењу не прелази наведену фиксну вредност како је постављено његовом основном конфигурацијом.