Cách thiết kế mạch cung cấp điện ổn định trên ghế dài

Trong bài đăng này, chúng tôi thảo luận về cách một nguồn cung cấp điện để bàn hiệu quả và hiệu quả, nhưng rất rẻ và ổn định có thể được thiết kế bởi bất kỳ người yêu thích điện tử nào để kiểm tra an toàn tất cả các loại dự án và nguyên mẫu điện tử.

Các tính năng chính mà bộ nguồn để bàn phải có là:

• Nên được chế tạo bằng các linh kiện rẻ và dễ kiếm
• Phải linh hoạt với phạm vi điện áp và dòng điện của nó, hoặc đơn giản là phải bao gồm cơ sở của đầu ra điện áp thay đổi và dòng điện thay đổi.
• Nên được bảo vệ quá dòng và quá tải.
• Nên dễ dàng sửa chữa, đề phòng trường hợp phát sinh sự cố.
• Nên hiệu quả hợp lý với sản lượng điện của nó.
• Nên tạo điều kiện dễ dàng tùy chỉnh theo một thông số kỹ thuật mong muốn.

Mô tả chung

Cho đến nay, phần lớn các thiết kế bộ nguồn đều kết hợp bộ ổn định loạt tuyến tính. Thiết kế này sử dụng một bóng bán dẫn thông qua hoạt động giống như một biến trở, được điều chỉnh bởi một diode Zener.

Hệ thống cung cấp điện loạt là phổ biến hơn, có thể do thực tế là nó hiệu quả hơn rất nhiều. Ngoại trừ một số tổn thất nhỏ trong Zener và điện trở nguồn, tổn thất đáng chú ý chỉ xảy ra trong bóng bán dẫn chuyển tiếp nối tiếp trong khoảng thời gian nó đang cung cấp dòng điện cho tải.

Tuy nhiên, một nhược điểm của hệ thống cung cấp điện nối tiếp là chúng không cung cấp bất kỳ loại ngắn mạch tải đầu ra nào. Có nghĩa là, trong điều kiện lỗi đầu ra, bóng bán dẫn thông qua có thể cho phép một dòng điện lớn chạy qua nó, cuối cùng phá hủy chính nó và có thể cả tải được kết nối.

Điều đó nói rằng, thêm một bảo vệ ngắn mạch đến một loạt cung cấp điện băng ghế dự bị có thể được thực hiện nhanh chóng thông qua các bóng bán dẫn khác được cấu hình như một giai đoạn điều khiển hiện tại.

Các bộ điều khiển điện áp biến đổi đạt được thông qua một bóng bán dẫn đơn giản, phản hồi chiết áp.

Hai bổ sung trên cho phép một bộ cấp nguồn băng ghế nối tiếp rất linh hoạt, chắc chắn, rẻ, phổ thông và hầu như không thể phá hủy.

Trong các đoạn sau, chúng ta sẽ tìm hiểu sơ qua về việc thiết kế các giai đoạn khác nhau liên quan đến một nguồn điện dự phòng ổn định tiêu chuẩn.

Bộ điều chỉnh điện áp Transistor dễ nhất

Một cách nhanh chóng để có được điện áp đầu ra có thể điều chỉnh được là mắc vào đế của đường truyền bóng bán dẫn với một chiết áp và điốt Zener như trong hình bên dưới.

Trong mạch này, T1 được thiết kế như một người theo dõi emitter BJT , trong đó điện áp cơ bản của nó VB quyết định điện áp bên phát VE. Cả VE và VB sẽ tương ứng chính xác với nhau, và sẽ gần như bằng nhau, trừ đi sự sụt giảm kỳ hạn của nó.

Điện áp rơi chuyển tiếp của bất kỳ BJT nào thường là 0,7 V, có nghĩa là điện áp phía bộ phát sẽ là:

VE = VB - 0,7

Sử dụng vòng lặp phản hồi

Mặc dù trên thiết kế dễ xây dựng và rất rẻ , kiểu tiếp cận này không cung cấp khả năng điều chỉnh công suất lớn ở các mức điện áp thấp hơn.

Đây chính xác là lý do tại sao điều khiển kiểu phản hồi thường được sử dụng để có được điều chỉnh được cải thiện trong toàn bộ dải điện áp, như được minh họa trong hình bên dưới.

Trong cấu hình này, điện áp cơ bản của T1, và do đó là điện áp đầu ra, được điều khiển bởi điện áp rơi trên R1, chủ yếu do dòng điện kéo bởi T2.

Khi cánh tay trượt của nồi VR1 ở đầu cực phía mặt đất, T2 bị cắt vì bây giờ chân đế của nó trở thành nối đất, cho phép giảm điện áp duy nhất trên R1 do dòng điện cơ bản của T1 gây ra. Trong tình huống này, điện áp đầu ra tại bộ phát T1 sẽ gần giống như điện áp bộ thu và có thể được cho là:

VE = Vin - 0,7 , ở đây VE là điện áp phía phát của T1, và 0,7 là giá trị sụt áp phía trước tiêu chuẩn cho các đạo trình gốc / cực phát BJT T1.

Vì vậy, nếu nguồn cung cấp đầu vào là 15 V, đầu ra có thể được mong đợi là:

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

Bây giờ, khi cánh tay trượt của nồi VR1 được di chuyển đến cực dương phía trên, sẽ làm cho T2 tiếp cận toàn bộ điện áp bên phát của T1, điều này sẽ làm cho T2 dẫn điện rất khó. Hành động này sẽ kết nối trực tiếp điốt zener Đ1 với R1. Có nghĩa là, bây giờ điện áp cơ bản VB của T1 sẽ đơn giản bằng điện áp zener Vz. Vì vậy, đầu ra sẽ là:

VE = Vz - 0,7

Do đó, nếu giá trị D1 là 6 V, thì điện áp đầu ra có thể được mong đợi chỉ là:

VE = 6 - 0,7 = 5,3 V , do đó, điện áp zener quyết định điện áp đầu ra tối thiểu có thể có được từ điều này cung cấp điện loạt vượt qua khi xoay nồi ở cài đặt thấp nhất.

Mặc dù cách trên dễ dàng và hiệu quả để tạo nguồn điện dự phòng, nhưng nó có một nhược điểm lớn là không chống được ngắn mạch. Điều đó có nghĩa là, nếu các cực đầu ra của mạch vô tình bị đoản mạch, hoặc có dòng điện quá tải, T1 sẽ nhanh chóng nóng lên và cháy.

Để tránh tình trạng này, thiết kế có thể được nâng cấp đơn giản bằng cách thêm tính năng kiểm soát hiện tại như được giải thích trong phần sau.

Thêm bảo vệ ngắn mạch quá tải

Việc bao gồm đơn giản T3 và R2 cho phép thiết kế mạch cung cấp điện dự phòng có khả năng chống ngắn mạch 100% và kiểm soát hiện tại . Với thiết kế này, ngay cả việc cố ý cắt ngắn ở đầu ra sẽ không gây ra bất kỳ tổn hại nào cho T1.

Hoạt động của giai đoạn này có thể được hiểu như sau:

Ngay khi dòng điện đầu ra có xu hướng vượt quá giá trị an toàn đã đặt, một lượng chênh lệch tiềm năng tỷ lệ trên R2 được phát triển, đủ để BẬT bóng bán dẫn T3 khó.

Với T3 được chuyển sang BẬT làm cho đế T1 được kết nối với đường phát của nó, điều này ngay lập tức vô hiệu hóa dẫn T1 và tình trạng này được duy trì cho đến khi đầu ra ngắn hoặc quá tải được loại bỏ. Bằng cách này, T1 được bảo vệ khỏi mọi tình huống đầu ra không mong muốn.

Thêm một tính năng hiện tại biến

Trong thiết kế trên, điện trở cảm biến dòng điện R2 có thể là một giá trị cố định nếu đầu ra được yêu cầu là đầu ra dòng điện không đổi. Tuy nhiên, một nguồn cung cấp điện để bàn tốt phải có một phạm vi thay đổi cho cả điện áp và dòng điện. Xem xét nhu cầu này, giới hạn hiện tại có thể được điều chỉnh đơn giản bằng cách thêm biến trở với cơ sở của T3, như hình dưới đây:

VR2 chia điện áp rơi trên R2 và do đó cho phép T3 BẬT ở dòng đầu ra mong muốn cụ thể.

Tính toán giá trị bộ phận

Hãy bắt đầu với các điện trở, R1 có thể được tính theo công thức sau:

R1 = (Vin - MaxVE) hFE / Dòng điện đầu ra

Đây, kể từ MaxVE = Rượu - 0,7

Do đó, chúng tôi đơn giản hóa phương trình đầu tiên là R1 = 0,7hFE / Dòng điện đầu ra

VR1 có thể là nồi 10 k cho điện áp lên đến 60 V

Bộ giới hạn hiện tại R2 có thể được tính toán như sau:

R2 = 0,7 / Dòng điện đầu ra tối đa

Dòng đầu ra tối đa nên được chọn thấp hơn 5 lần so với Id tối đa của T1, nếu T1 được yêu cầu hoạt động mà không có bộ tản nhiệt. Với một bộ tản nhiệt lớn được lắp đặt trên T1, dòng điện đầu ra có thể là 3/4 của T1 Id.

VR2 có thể đơn giản là 1k pot hoặc cài đặt trước.

T1 nên được chọn theo yêu cầu dòng điện đầu ra. Định mức T1 Id phải cao hơn 5 lần so với dòng đầu ra yêu cầu, nếu nó được vận hành mà không có bộ tản nhiệt. Với một bộ tản nhiệt lớn được lắp đặt, định mức T1 Id phải nhiều hơn ít nhất 1,33 lần so với dòng điện đầu ra yêu cầu.

Bộ thu / cực phát hoặc VCE tối đa cho T1 lý tưởng phải gấp đôi giá trị của thông số điện áp đầu ra tối đa.

Giá trị của diode zener D1 có thể được chọn tùy thuộc vào yêu cầu đầu ra điện áp thấp nhất hoặc tối thiểu từ nguồn điện dự phòng.

Xếp hạng T2 sẽ phụ thuộc vào giá trị R1. Vì điện áp trên R1 sẽ luôn là 0,7 V, VCE của T2 trở thành phi vật chất và có thể là bất kỳ giá trị nhỏ nhất nào. Id của T2 phải sao cho nó có thể xử lý dòng điện cơ bản của T1, được xác định bởi giá trị của R1

Các quy tắc tương tự cũng áp dụng cho T3.

Nói chung T2 và T3 có thể là bất kỳ bóng bán dẫn mục đích chung tín hiệu nhỏ nào như BC547 hoặc có thể là 2N2222 .

Thiết kế thực tế

Sau khi hiểu tất cả các thông số để thiết kế bộ nguồn dự phòng tùy chỉnh, đã đến lúc triển khai dữ liệu trong một nguyên mẫu thực tế, như được hiển thị bên dưới:

Bạn có thể tìm thấy một vài thành phần bổ sung được giới thiệu trong thiết kế, chỉ đơn giản là để tăng cường khả năng điều chỉnh của mạch.

C2 được đưa vào để làm sạch bất kỳ gợn nào còn sót lại ở các gốc T1, T2.

T2 cùng với T1 tạo thành Cặp Darlington để tăng mức tăng hiện tại của đầu ra.

R3 được thêm vào để cải thiện độ dẫn của diode zener và do đó để đảm bảo điều chỉnh tổng thể tốt hơn.

R8 và R9 được thêm vào để cho phép điều chỉnh điện áp đầu ra trên phạm vi cố định, không quan trọng.

R7 đặt dòng điện tối đa có thể truy cập ở đầu ra, là:

I = 0,7 / 0,47 = 1,5 amps và điều này có vẻ khá thấp so với xếp hạng của Bóng bán dẫn 2N3055 . Mặc dù điều này có thể giữ cho bóng bán dẫn siêu mát, nhưng có thể tăng giá trị này lên đến 8 ampe nếu 2N3055 được gắn trên một bộ tản nhiệt lớn.

Giảm phân tán để tăng hiệu quả

Nhược điểm lớn nhất với bất kỳ bộ điều chỉnh tuyến tính dựa trên bóng bán dẫn nào là sự tiêu tán lượng bóng bán dẫn cao. Và điều này xảy ra khi chênh lệch đầu vào / đầu ra cao.

Có nghĩa là, khi điện áp được điều chỉnh theo hướng điện áp đầu ra thấp hơn, bóng bán dẫn phải làm việc chăm chỉ để kiểm soát điện áp dư thừa, sau đó được giải phóng dưới dạng nhiệt từ bóng bán dẫn.

Ví dụ: nếu tải là đèn LED 3,3 V và nguồn cung cấp đầu vào cho nguồn điện để bàn là 15 V, thì điện áp đầu ra phải được hạ xuống 3,3 V, thấp hơn 15 - 3,3 = 11,7 V. Và sự khác biệt này được chuyển đổi thành nhiệt bởi bóng bán dẫn, có thể có nghĩa là mất hiệu suất hơn 70%.

Tuy nhiên, vấn đề này có thể được giải quyết đơn giản bằng cách sử dụng máy biến áp với cuộn dây đầu ra điện áp khai thác.

Ví dụ, máy biến áp có thể có các vòi 5 V, 7,5 V, 10 V, 12 V, v.v.

Tùy thuộc vào tải, các vòi có thể được chọn để cấp mạch điều chỉnh . Sau đó, nồi điều chỉnh điện áp của mạch có thể được sử dụng để điều chỉnh thêm mức đầu ra một cách chính xác đến giá trị mong muốn.

Kỹ thuật này sẽ làm tăng hiệu suất lên một mức rất cao, cho phép bộ tản nhiệt của bóng bán dẫn nhỏ và gọn hơn.