כיצד לעצב מעגל אספקת חשמל ספסל מיוצב

בפוסט זה אנו דנים כיצד ניתן לתכנן אספקת חשמל ספסל יעילה ויעילה, אך זולה מאוד, ומיוצבת על ידי כל חובב אלקטרוני לבדיקה בטוחה של כל סוגי הפרויקטים והטיפוס האלקטרוניים.

המאפיינים העיקריים שיש לספק כוח ספסל הם:

• צריך לבנות עם רכיבים זולים וזמינים
• צריך להיות גמיש בטווחי המתח והזרם שלו, או פשוט צריך לכלול מתקן של מתח משתנה ויציאות זרם משתנות.
• צריך להיות מוגן יתר על המידה ועל עומס יתר.
• צריך להיות ניתן לתיקון בקלות, במידה ומתעוררת בעיה.
• צריך להיות יעיל למדי עם תפוקת הכוח שלו.
• אמור להקל על התאמה אישית בקלות בהתאם למפרט הרצוי.

תיאור כללי

רוב תכנוני אספקת החשמל כוללים עד כה מייצב סדרתי ליניארי. עיצוב זה משתמש בטרנזיסטור מעבר שעובד כמו נגד משתנה, המווסת על ידי דיודת זנר.

מערכת אספקת החשמל מהסדרה פופולרית יותר, אולי בשל העובדה שהיא יעילה הרבה יותר. למעט אובדן קל בנגן הזנר וההזנה, אובדן בולט קורה רק בטרנזיסטור הסדרה לעבור בתקופה שהוא מספק זרם לעומס.

עם זאת, חסרון אחד במערכת אספקת החשמל הסדרתית הוא בכך שאלו אינם מספקים שום סוג של מעגל עומס פלט. כלומר, בתנאי תקלה ביציאה, טרנזיסטור המעבר עשוי לאפשר לזרם גדול לזרום דרכו, ובסופו של דבר להרוס את עצמו ואולי גם את העומס המחובר.

עם זאת, הוספת א הגנה על קצר חשמלי לספסל לעבור הספק יכול להיות מיושם במהירות באמצעות טרנזיסטורים אחרים המוגדרים כשלב בקר הנוכחי.

ה בקר מתח משתנה מושגת באמצעות טרנזיסטור פשוט, משוב פוטנציומטר.

שתי התוספות הנ'ל מאפשרות אספקת חשמל לספסל סדרתי לעבור תכליתי מאוד, מחוספס, זול, אוניברסלי וכמעט בלתי ניתן להריסה.

בפסקאות הבאות נלמד בקצרה את תכנון השלבים השונים המעורבים באספקת ספסל מיוצבת רגילה.

רגולטור מתח הטרנזיסטור הקל ביותר

דרך מהירה להשיג מתח יציאה מתכוונן היא לחבר את בסיס המעבר טרנזיסטור עם פוטנציומטר ודיודת זנר כפי שמוצג באיור למטה.

במעגל זה ה- T1 מותקן כ- פולט-חסיד BJT , שם מתח הבסיס שלו VB מחליט את מתח הצד הפולט VE. גם VE וגם VB יתכתבו זה עם זה במדויק, ויהיו כמעט שווים, ויורידו את ירידתו קדימה.

מתח הירידה קדימה של כל BJT הוא בדרך כלל 0.7 V, מה שמרמז שמתח הצד הפולט יהיה:

VE = VB - 0.7

שימוש בלולאת משוב

למרות שהאמור לעיל העיצוב קל לבנייה וזול מאוד , סוג זה של גישה אינו מציע ויסות גדול של הספק ברמות המתח הנמוכות יותר.

זו בדיוק הסיבה שבדרך כלל משתמשים בבקרת סוג משוב בכדי לקבל ויסות משופר בכל תחום המתח, כפי שמוצג באיור להלן.

בתצורה זו, מתח הבסיס של T1, ולכן מתח המוצא, נשלט על ידי ירידת המתח על פני R1, בעיקר בשל הזרם שנמשך על ידי T2.

כאשר זרוע המחוון של הסיר VR1 נמצאת בקצה הקיצוני בצד הקרקע, T2 מנותק מכיוון שכעת הבסיס שלו מתקרקע, ומאפשר את ירידת המתח היחידה על פני R1 הנגרמת על ידי זרם הבסיס של T1. במצב זה מתח המוצא בפולט T1 יהיה כמעט זהה למתח הקולט, והוא יכול להינתן כ:

VE = Vin - 0.7 , כאן VE הוא מתח הצד הפולט של T1, ו- 0.7 הוא ערך ירידת המתח הקדמי הסטנדרטי עבור מובילי בסיס / פולט BJT T1.

אז אם אספקת הקלט היא 15 וולט, ניתן לצפות לפלט להיות:

VE = 15 - 0.7 = 14.3 V

כעת, כאשר זרוע המחוון VR1 של הסיר תועבר לקצה החיובי העליון, תגרום ל- T2 לגשת לכל מתח הצד הפולט של T1, מה שיגרום ל- T2 להתנהל קשה מאוד. פעולה זו תחבר ישירות בין ה- דיודת זנר D1 עם R1. כלומר, כעת מתח הבסיס VB של ה- T1 יהיה פשוט שווה למתח הזנר Vz. אז התפוקה תהיה:

VE = Vz - 0.7

לכן, אם ערך D1 הוא 6 וולט, ניתן לצפות שמתח המוצא יהיה בדיוק:

VE = 6 - 0.7 = 5.3 V , כך שמתח הזנר מחליט על מתח המוצא המינימלי האפשרי שניתן להשיג מכך סדרת אספקת חשמל כאשר הסיר מסובב בתצורה הנמוכה ביותר שלו.

למרות שהאמור לעיל קל ויעיל לייצור אספקת חשמל לספסל, יש לו חסרון גדול בכך שהוא אינו מוגן לקצר. כלומר, אם מסופי הפלט של המעגל מקוצרים בטעות או מפעילים זרם עומס יתר, ה- T1 יתחמם במהירות ונשרף.

כדי למנוע מצב זה, העיצוב יכול להיות משודרג פשוט על ידי הוספת a תכונת הבקרה הנוכחית כמוסבר בסעיף הבא.

הוספת הגנה מפני עומס יתר בקצר

הכללה פשוטה של ​​T3 ו- R2 מאפשרת לתכנון מעגלי אספקת החשמל של הספסל להיות 100% קצר מבוקר זרם . עם תכנון זה אפילו קיצור מכוון ביציאה לא יגרום נזק ל- T1.

ניתן להבין את פעולתו של שלב זה באופן הבא:

ברגע שזרם המוצא נוטה לחרוג מהערך הבטוח שנקבע, פותח כמות פרופורציונאלית של הפרש פוטנציאלי על פני R2, המספיק להפעלת טרנזיסטור T3 קשה.

כאשר T3 מופעל גורם לחיבור הבסיס T1 לקו הפולט שלו, המבטל באופן מיידי את הולכת T1, ומצב זה נשמר עד להסרת הפלט קצר או עומס יתר. באופן זה T1 מוגן מכל מצב תפוקה לא רצוי.

הוספת תכונה נוכחית משתנה

בתכנון שלעיל, הנגד לחיישן הנוכחי R2 יכול להיות ערך קבוע אם הפלט נדרש להיות פלט זרם קבוע. עם זאת, ספק כוח טוב של ספסל אמור להיות בעל טווח משתנה הן למתח והן לזרם. בהתחשב בדרישה זו, ניתן להתאים את המגביל הנוכחי פשוט על ידי הוספת a נגד משתנה עם בסיס T3, כפי שמוצג להלן:

VR2 מחלק את ירידת המתח על פני R2 ובכך מאפשר ל- T3 להפעיל את זרם הפלט הרצוי הספציפי.

חישוב ערכי החלק

נתחיל עם הנגדים, ניתן לחשב את R1 עם הנוסחה הבאה:

R1 = (Vin - MaxVE) hFE / זרם פלט

הנה, מאז MaxVE = יין - 0.7

לכן, אנו מפשטים את המשוואה הראשונה כ- R1 = 0.7hFE / זרם פלט

VR1 יכול להיות סיר 10 k למתח עד 60 וולט

ניתן לחשב את המגביל הנוכחי R2 כמפורט להלן:

R2 = 0.7 / זרם יציאה מקסימלי

יש לבחור את זרם המוצא המרבי פי 5 מזהה המרבי של T1, אם T1 נדרש לעבוד ללא גוף קירור. עם גוף קירור גדול המותקן על T1, זרם הפלט יכול להיות 3/4 מה- T1 Id.

VR2 יכול להיות פשוט סיר 1k או קבוע מראש.

יש לבחור את T1 בהתאם לדרישת זרם הפלט. דירוג T1 Id צריך להיות פי 5 מזרם הפלט הנדרש, אם הוא אמור להיות מופעל ללא גוף קירור. עם התקנת גוף קירור גדול, דירוג ה- T1 Id צריך להיות לפחות פי 1.33 מזרם הפלט הנדרש.

הקולט / הפולט המרבי או ה- VCE עבור T1 צריכים להיות אידיאליים מהערך של מפרט מתח המוצא המרבי.

ניתן לבחור את הערך של דיודת הזנר D1 בהתאם לדרישת תפוקת המתח הנמוכה ביותר או המינימלית מאספקת החשמל של הספסל.

דירוג T2 יהיה תלוי בערך R1. מכיוון שהמתח על פני R1 יהיה תמיד 0.7 וולט, VCE של T2 הופך לחסר ויכול להיות כל ערך מינימלי. מזהה ה- T2 צריך להיות כזה שהוא מסוגל להתמודד עם זרם הבסיס של T1, כפי שנקבע על ידי הערך של R1

אותם חלים חלים גם על T3.

באופן כללי T2 ו- T3 יכולים להיות כל טרנזיסטורים למטרות כלליות עם אות קטן כגון BC547 או אולי a 2N2222 .

עיצוב מעשי

לאחר שהבנו את כל הפרמטרים לעיצוב ספק כוח ספסל מותאם אישית, הגיע הזמן ליישם את הנתונים באב טיפוס מעשי, כמוצג להלן:

ייתכן שתמצא כמה רכיבים נוספים שהוצגו בתכנון, שהם פשוט לשיפור יכולת הוויסות של המעגל.

C2 מוצג כדי לנקות כל אדווה שיורית בבסיסי T1, T2.

ה- T2 יחד עם T1 יוצרים א זוג דרלינגטון כדי להגדיל את הרווח הנוכחי של התפוקה.

R3 נוסף כדי לשפר את הולכת דיודות הזנר ולכן כדי להבטיח ויסות כולל טוב יותר.

R8 ו- R9 מתווספים כדי לאפשר ויסות מתח המוצא על פני טווח קבוע, שאינם קריטיים.

ה- R7 מגדיר את הזרם המרבי אליו ניתן לגשת בפלט, כלומר:

I = 0.7 / 0.47 = 1.5 אמפר, וזה נראה נמוך למדי בהשוואה לדירוג של טרנזיסטור 2N3055 . למרות שזה עשוי לשמור על הטרנזיסטור מגניב במיוחד, יתכן שניתן להגדיל את הערך הזה עד 8 אמפר אם ה- 2N3055 מותקן מעל גוף קירור גדול.

ירידה בפיזור להגברת היעילות

החיסרון הגדול ביותר בכל רגולטור ליניארי מבוסס טרנזיסטור מסדרה הוא פיזור הטרנזיסטור בכמות גבוהה. וזה קורה כאשר הפרש הקלט / הפלט גבוה.

כלומר, כאשר המתח מותאם לכיוון מתח היציאה הנמוך יותר, הטרנזיסטור צריך לעבוד קשה כדי לשלוט על המתח העודף, ואז משתחרר כחום מהטרנזיסטור.

למשל אם העומס הוא נורית 3.3 וולט, ואספקת הקלט לאספקת החשמל של הספסל היא 15 וולט, אז יש להוריד את מתח המוצא ל -3.3 וולט שהוא 15 - 3.3 = 11.7 וולט פחות. והבדל זה מומר לחום על ידי הטרנזיסטור, מה שאומר שמשמעותו היא אובדן יעילות של יותר מ -70%.

עם זאת, ניתן לפתור בעיה זו פשוט באמצעות שַׁנַאי עם פיתול מתח מתח טפח.

למשל בשנאי עשויים להיות ברזים של 5 וולט, 7.5 וולט, 10 וולט, 12 וולט וכן הלאה.

תלוי בעומס ניתן היה לבחור בברזים להזנתם מעגל הרגולטור . לאחר מכן, ניתן להשתמש בסיר כוונון המתח של המעגל להתאמה נוספת של רמת הפלט בדיוק לערך הרצוי.

טכניקה זו תגדיל את היעילות לרמה גבוהה מאוד ותאפשר לקירור הטרנזיסטור להיות קטן וקומפקטי יותר.