วิธีการออกแบบวงจรจ่ายไฟแบบตั้งโต๊ะที่มีความเสถียร

ในโพสต์นี้เราจะพูดถึงว่าแหล่งจ่ายไฟแบบตั้งโต๊ะที่มีประสิทธิภาพและราคาถูกมากและมีความเสถียรสามารถออกแบบโดยมือสมัครเล่นอิเล็กทรอนิกส์คนใดก็ได้เพื่อการทดสอบโครงการและต้นแบบอิเล็กทรอนิกส์ทุกประเภทอย่างปลอดภัย

คุณสมบัติหลักที่พาวเวอร์ซัพพลายแบบตั้งโต๊ะต้องมีคือ:

• ควรสร้างด้วยส่วนประกอบราคาถูกและหาได้ง่าย
• ควรมีความยืดหยุ่นกับช่วงแรงดันและกระแสหรือเพียงแค่ต้องรวมสิ่งอำนวยความสะดวกของแรงดันไฟฟ้าตัวแปรและเอาต์พุตกระแสแปรผัน
• ควรป้องกันกระแสเกินและเกินกำลัง
• ควรซ่อมแซมได้ง่ายในกรณีที่มีปัญหาเกิดขึ้น
• ควรมีประสิทธิภาพพอสมควรกับกำลังขับ
• ควรอำนวยความสะดวกในการปรับแต่งได้อย่างง่ายดายตามข้อกำหนดที่ต้องการ

คำอธิบายทั่วไป

การออกแบบแหล่งจ่ายไฟส่วนใหญ่ในปัจจุบันมีตัวปรับเสถียรภาพแบบอนุกรมเชิงเส้น การออกแบบนี้ใช้ทรานซิสเตอร์แบบพาสซึ่งทำงานเหมือนตัวต้านทานแบบแปรผันควบคุมโดยซีเนอร์ไดโอด

ระบบจ่ายไฟแบบอนุกรมเป็นที่นิยมมากขึ้นอาจเป็นเพราะมีประสิทธิภาพมากกว่ามาก ยกเว้นการสูญเสียเล็กน้อยในซีเนอร์และตัวต้านทานฟีดการสูญเสียที่เห็นได้ชัดเจนจะเกิดขึ้นเฉพาะในทรานซิสเตอร์แบบพาสซีรีส์ในช่วงที่มันจ่ายกระแสให้กับโหลด

อย่างไรก็ตามข้อเสียอย่างหนึ่งของระบบจ่ายไฟแบบอนุกรมคือสิ่งเหล่านี้ไม่มีการลัดวงจรของโหลดเอาต์พุตใด ๆ ความหมายในระหว่างสภาวะความผิดพลาดของเอาต์พุตทรานซิสเตอร์พาสอาจยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านในที่สุดทำลายตัวเองและอาจเป็นไปได้ว่าโหลดที่เชื่อมต่อ

ที่กล่าวว่าการเพิ่มไฟล์ ป้องกันไฟฟ้าลัดวงจร ไปยังแหล่งจ่ายไฟแบบซีรีส์พาสสามารถใช้งานได้อย่างรวดเร็วผ่านทรานซิสเตอร์อื่นที่กำหนดค่าเป็นสเตจคอนโทรลเลอร์ปัจจุบัน

ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าแปรผัน ทำได้โดยใช้ทรานซิสเตอร์อย่างง่ายข้อเสนอแนะโพเทนชิออมิเตอร์

การเพิ่มสองอย่างข้างต้นช่วยให้แหล่งจ่ายไฟแบบซีรีส์พาสมีความอเนกประสงค์สูงทนทานราคาถูกเป็นสากลและไม่สามารถทำลายได้

ในย่อหน้าต่อไปนี้เราจะเรียนรู้สั้น ๆ เกี่ยวกับการออกแบบขั้นตอนต่างๆที่เกี่ยวข้องกับแหล่งจ่ายไฟแบบตั้งโต๊ะมาตรฐาน

ตัวควบคุมแรงดันทรานซิสเตอร์ที่ง่ายที่สุด

วิธีที่รวดเร็วในการรับแรงดันไฟฟ้าขาออกที่ปรับได้คือการต่อฐานของพาส ทรานซิสเตอร์พร้อมโพเทนชิออมิเตอร์และซีเนอร์ไดโอด ดังแสดงในรูปด้านล่าง

ในวงจรนี้ T1 ถูกกำหนดให้เป็น ตัวปล่อยผู้ติดตาม BJT โดยที่แรงดันไฟฟ้าฐาน VB จะตัดสินแรงดันด้านตัวปล่อย VE ทั้ง VE และ VB จะสอดคล้องกันอย่างแม่นยำและเกือบจะเท่ากันโดยหักการลดลงไปข้างหน้า

แรงดันตกไปข้างหน้าของ BJT ใด ๆ โดยทั่วไปคือ 0.7 V ซึ่งหมายความว่าแรงดันด้านตัวปล่อยจะเป็น:

VE = VB - 0.7

ใช้ลูปคำติชม

แม้ว่าข้างต้น การออกแบบสร้างง่ายและราคาถูกมาก วิธีการประเภทนี้ไม่ได้นำเสนอการควบคุมพลังงานที่ดีเยี่ยมในระดับแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่า

นี่เป็นเหตุผลว่าทำไมการควบคุมประเภทป้อนกลับจึงถูกนำมาใช้เพื่อให้ได้การควบคุมที่ดีขึ้นตลอดช่วงแรงดันไฟฟ้าทั้งหมดดังแสดงในรูปด้านล่าง

ในการกำหนดค่านี้แรงดันไฟฟ้าฐานของ T1 และดังนั้นแรงดันไฟฟ้าขาออกจะถูกควบคุมโดยแรงดันตกคร่อม R1 ส่วนใหญ่เกิดจากกระแสที่ดึงโดย T2

เมื่อแขนเลื่อนของหม้อ VR1 อยู่ที่ปลายสุดด้านกราวด์ T2 จะถูกตัดออกตั้งแต่ตอนนี้ฐานของมันกลายเป็นสายดินทำให้แรงดันไฟฟ้าตกเพียงอย่างเดียวใน R1 ที่เกิดจากกระแสฐานของ T1 ในสถานการณ์นี้แรงดันไฟฟ้าขาออกที่ตัวปล่อย T1 จะใกล้เคียงกับแรงดันไฟฟ้าของตัวสะสมและสามารถกำหนดเป็น:

VE = Vin - 0.7 ที่นี่ VE คือแรงดันด้านตัวปล่อยของ T1 และ 0.7 คือค่าแรงดันตกไปข้างหน้ามาตรฐานสำหรับฐาน / ตัวส่งสัญญาณ BJT T1

ดังนั้นหากอินพุตเป็น 15 V เอาต์พุตอาจเป็น:

VE = 15 - 0.7 = 14.3 โวลต์

ตอนนี้เมื่อแขนเลื่อนหม้อ VR1 ถูกย้ายไปที่ปลายขั้วบวกบนจะทำให้ T2 เข้าถึงแรงดันไฟฟ้าด้านตัวปล่อยทั้งหมดของ T1 ซึ่งจะทำให้ T2 ทำงานได้ยากมาก การดำเนินการนี้จะเชื่อมต่อโดยตรงกับไฟล์ ซีเนอร์ไดโอด D1 กับ R1 หมายความว่าตอนนี้แรงดันพื้นฐาน VB ของ T1 จะเท่ากับแรงดันซีเนอร์ Vz ดังนั้นผลลัพธ์จะเป็น:

VE = Vz - 0.7

ดังนั้นหากค่า D1 เท่ากับ 6 V แรงดันขาออกสามารถคาดว่าจะเป็นเพียง:

VE = 6 - 0.7 = 5.3 โวลต์ ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าของซีเนอร์จะตัดสินแรงดันขาออกขั้นต่ำที่เป็นไปได้ที่จะได้รับจากสิ่งนี้ ชุดจ่ายไฟผ่าน เมื่อหม้อหมุนที่การตั้งค่าต่ำสุด

แม้ว่าข้างต้นจะง่ายและมีประสิทธิภาพในการสร้างแหล่งจ่ายไฟแบบตั้งโต๊ะ แต่ก็มีข้อเสียที่สำคัญคือการไม่ป้องกันไฟฟ้าลัดวงจร นั่นหมายความว่าหากขั้วเอาต์พุตของวงจรลัดวงจรโดยไม่ได้ตั้งใจหรือใช้กระแสไฟฟ้าเกิน T1 จะร้อนและไหม้อย่างรวดเร็ว

เพื่อหลีกเลี่ยงสถานการณ์นี้การออกแบบสามารถอัพเกรดได้ง่ายๆโดยการเพิ่มไฟล์ คุณสมบัติการควบคุมปัจจุบัน ดังอธิบายในส่วนต่อไปนี้

การเพิ่มระบบป้องกันไฟฟ้าลัดวงจรเกินพิกัด

การรวม T3 และ R2 อย่างง่ายช่วยให้การออกแบบวงจรจ่ายไฟแบบตั้งโต๊ะสามารถป้องกันการลัดวงจรได้ 100% และ ควบคุมปัจจุบัน . ด้วยการออกแบบนี้แม้การลัดวงจรโดยเจตนาที่เอาต์พุตจะไม่ก่อให้เกิดอันตรายใด ๆ กับ T1

การทำงานของขั้นตอนนี้สามารถเข้าใจได้ดังนี้:

ทันทีที่กระแสเอาต์พุตมีแนวโน้มที่จะเกินค่าที่ตั้งไว้ปลอดภัยจะมีการพัฒนาจำนวนความต่างศักย์ใน R2 ตามสัดส่วนซึ่งเพียงพอที่จะเปิดทรานซิสเตอร์ T3 ได้ยาก

ด้วยการเปิดสวิตช์ T3 ทำให้ฐาน T1 เชื่อมต่อกับสายตัวปล่อยซึ่งจะปิดใช้งานการนำทาง T1 ทันทีและสถานการณ์นี้จะคงอยู่จนกว่าเอาต์พุตจะสั้นหรือเกินจะถูกลบออก ด้วยวิธีนี้ T1 จะได้รับการปกป้องจากสถานการณ์เอาต์พุตที่ไม่ต้องการ

การเพิ่มคุณลักษณะปัจจุบันของตัวแปร

ในการออกแบบข้างต้นตัวต้านทานเซ็นเซอร์ปัจจุบัน R2 อาจเป็นค่าคงที่หากต้องการให้เอาต์พุตเป็นเอาต์พุตกระแสคงที่ อย่างไรก็ตามแหล่งจ่ายไฟม้านั่งที่ดีควรมีช่วงตัวแปรสำหรับทั้งแรงดันและกระแส เมื่อพิจารณาถึงความต้องการนี้ตัว จำกัด ปัจจุบันสามารถปรับได้ง่ายๆโดยการเพิ่ม a ตัวต้านทานตัวแปร ด้วยฐานของ T3 ดังที่แสดงด้านล่าง:

VR2 แบ่งแรงดันตกคร่อม R2 และทำให้ T3 สามารถเปิดที่กระแสเอาต์พุตที่ต้องการได้

การคำนวณค่าชิ้นส่วน

เริ่มต้นด้วยตัวต้านทาน R1 สามารถคำนวณได้ด้วยสูตรต่อไปนี้:

R1 = (Vin - MaxVE) hFE / กระแสไฟขาออก

ที่นี่ตั้งแต่ MaxVE = ไวน์ - 0.7

ดังนั้นเราจึงลดความซับซ้อนของสมการแรกเป็น R1 = 0.7hFE / กระแสไฟขาออก

VR1 สามารถเป็นหม้อ 10 k สำหรับแรงดันไฟฟ้าสูงสุด 60 V

ตัว จำกัด ปัจจุบัน R2 สามารถคำนวณได้ตามที่ระบุด้านล่าง:

R2 = 0.7 / กระแสไฟขาออกสูงสุด

ควรเลือกกระแสเอาต์พุตสูงสุดต่ำกว่ารหัสสูงสุด T1 5 เท่าหากจำเป็นต้องใช้ T1 เพื่อทำงานโดยไม่มีฮีทซิงค์ ด้วยฮีทซิงค์ขนาดใหญ่ที่ติดตั้งบน T1 กระแสไฟขาออกอาจเป็น 3 ใน 4 ของ T1 Id

VR2 สามารถเป็นเพียง 1k pot หรือ preset

ควรเลือก T1 ตามความต้องการกระแสเอาต์พุต T1 Id rating ควรมากกว่ากระแสเอาต์พุตที่ต้องการ 5 เท่าหากต้องใช้งานโดยไม่มีฮีทซิงค์ เมื่อติดตั้งฮีทซิงค์ขนาดใหญ่ระดับ T1 Id ควรมากกว่ากระแสเอาต์พุตที่ต้องการอย่างน้อย 1.33 เท่า

ตัวรวบรวม / ตัวปล่อยสูงสุดหรือ VCE สำหรับ T1 ควรเป็นสองเท่าของค่าข้อกำหนดแรงดันเอาต์พุตสูงสุด

ค่าของซีเนอร์ไดโอด D1 สามารถเลือกได้ขึ้นอยู่กับความต้องการเอาต์พุตแรงดันไฟฟ้าต่ำสุดหรือต่ำสุดจากแหล่งจ่ายไฟแบบตั้งโต๊ะ

คะแนน T2 จะขึ้นอยู่กับค่า R1 เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าทั่ว R1 จะเป็น 0.7 V เสมอ VCE ของ T2 จึงไม่เป็นสาระสำคัญและอาจเป็นค่าต่ำสุดก็ได้ Id ของ T2 ควรเป็นแบบที่สามารถรองรับกระแสฐานของ T1 ได้ตามที่กำหนดโดยค่าของ R1

ใช้กฎเดียวกันสำหรับ T3 ด้วย

โดยทั่วไป T2 และ T3 อาจเป็นทรานซิสเตอร์วัตถุประสงค์ทั่วไปสัญญาณขนาดเล็กเช่น BC547 หรืออาจเป็น 2N2222 .

การออกแบบที่ใช้ได้จริง

เมื่อเข้าใจพารามิเตอร์ทั้งหมดสำหรับการออกแบบแหล่งจ่ายไฟแบบตั้งโต๊ะที่กำหนดเองแล้วก็ถึงเวลานำข้อมูลไปใช้ในต้นแบบที่ใช้งานได้จริงดังที่แสดงด้านล่าง:

คุณอาจพบส่วนประกอบเพิ่มเติมบางส่วนที่นำมาใช้ในการออกแบบซึ่งเป็นเพียงการเพิ่มความสามารถในการควบคุมของวงจร

C2 ถูกนำมาใช้เพื่อทำความสะอาดระลอกคลื่นตกค้างที่ฐาน T1, T2

T2 พร้อมกับ T1 เป็นรูปแบบ คู่ดาร์ลิงตัน เพื่อเพิ่มกำไรปัจจุบันของเอาต์พุต

R3 ถูกเพิ่มเพื่อปรับปรุงการนำซีเนอร์ไดโอดดังนั้นเพื่อให้แน่ใจว่ามีการควบคุมโดยรวมที่ดีขึ้น

เพิ่ม R8 และ R9 เพื่อให้สามารถควบคุมแรงดันไฟฟ้าขาออกในช่วงคงที่ซึ่งไม่สำคัญ

R7 ตั้งค่ากระแสสูงสุดที่สามารถเข้าถึงได้ที่เอาต์พุตซึ่งก็คือ:

ฉัน = 0.7 / 0.47 = 1.5 แอมป์และสิ่งนี้ค่อนข้างต่ำเมื่อเทียบกับการจัดอันดับของ ทรานซิสเตอร์ 2N3055 . แม้ว่าสิ่งนี้จะทำให้ทรานซิสเตอร์มีอุณหภูมิสูง แต่ก็อาจเพิ่มค่านี้ได้ถึง 8 แอมป์หากติดตั้ง 2N3055 บนฮีทซิงค์ขนาดใหญ่

การลดการสูญเสียเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ

ข้อเสียที่ใหญ่ที่สุดของตัวควบคุมเชิงเส้นที่ใช้ทรานซิสเตอร์แบบอนุกรมคือการกระจายตัวของทรานซิสเตอร์จำนวนมาก และสิ่งนี้จะเกิดขึ้นเมื่อค่าความแตกต่างของอินพุต / เอาต์พุตสูง

ความหมายเมื่อแรงดันไฟฟ้าถูกปรับให้เป็นแรงดันไฟฟ้าขาออกที่ต่ำกว่าทรานซิสเตอร์จะต้องทำงานหนักเพื่อควบคุมแรงดันไฟฟ้าส่วนเกินซึ่งจะถูกปล่อยออกมาเป็นความร้อนจากทรานซิสเตอร์

ตัวอย่างเช่นถ้าโหลดเป็น LED 3.3 V และแหล่งจ่ายไฟเข้ากับแหล่งจ่ายไฟตั้งโต๊ะคือ 15 V ดังนั้นแรงดันขาออกจะต้องลดลงเหลือ 3.3 V ซึ่งน้อยกว่า 15 - 3.3 = 11.7 V และความแตกต่างนี้จะถูกแปลงเป็นความร้อนโดยทรานซิสเตอร์ซึ่งอาจหมายถึงการสูญเสียประสิทธิภาพมากกว่า 70%

อย่างไรก็ตามปัญหานี้สามารถแก้ไขได้โดยใช้ไฟล์ หม้อแปลงไฟฟ้า ด้วยขดลวดเอาท์พุทแรงดันไฟฟ้าเคาะ

ตัวอย่างเช่นหม้อแปลงอาจมีก๊อก 5 V, 7.5 V, 10 V, 12 V เป็นต้น

ขึ้นอยู่กับโหลดที่สามารถเลือกก๊อกสำหรับป้อน วงจรควบคุม . หลังจากนี้หม้อปรับแรงดันไฟฟ้าของวงจรสามารถใช้เพื่อปรับระดับเอาต์พุตต่อไปได้อย่างแม่นยำตามค่าที่ต้องการ

เทคนิคนี้จะเพิ่มประสิทธิภาพในระดับที่สูงมากทำให้ฮีทซิงค์กับทรานซิสเตอร์มีขนาดเล็กและกะทัดรัด