كيفية تصميم دائرة إمداد طاقة ثابتة

في هذا المنشور ، نناقش كيف يمكن تصميم مصدر طاقة فعال وفعال ، ولكنه رخيص للغاية ، ومستقر من قبل أي هاوٍ إلكتروني لاختبار جميع أنواع المشاريع الإلكترونية والنماذج الأولية بأمان.

الميزات الرئيسية التي يجب أن يتمتع بها مصدر طاقة مقاعد البدلاء هي:

• يجب أن يتم بناؤها بمكونات رخيصة ومتوفرة بسهولة
• يجب أن يكون مرنًا مع نطاقات الجهد والتيار ، أو يجب أن يتضمن ببساطة مرفق جهد متغير ومخرجات تيار متغير.
• يجب أن تكون محمية من التيار الزائد والحمل الزائد.
• يجب أن تكون قابلة للإصلاح بسهولة في حالة ظهور مشكلة.
• يجب أن تكون فعالة بشكل معقول مع خرج الطاقة.
• ينبغي تسهيل التخصيص بسهولة حسب المواصفات المطلوبة.

وصف عام

تشتمل غالبية تصميمات مصدر الطاقة حتى الآن على مثبت سلسلة خطي. يستخدم هذا التصميم ترانزستور تمرير يعمل كمقاوم متغير ، ينظمه الصمام الثنائي Zener.

يعتبر نظام إمداد الطاقة التسلسلي هو الأكثر شيوعًا ، وربما يرجع ذلك إلى حقيقة أنه أكثر كفاءة. باستثناء بعض الخسارة الطفيفة في Zener ومقاوم التغذية ، فإن الخسارة الملحوظة تحدث فقط في سلسلة الترانزستور المار خلال الفترة التي تزود فيها الحمل بالتيار.

ومع ذلك ، فإن أحد عيوب نظام إمداد الطاقة التسلسلي هو أنها لا توفر أي نوع من دائرة قصر تحميل الإخراج. بمعنى ، أثناء ظروف خطأ الإخراج ، قد يسمح الترانزستور المار بتدفق تيار كبير من خلاله ، وفي النهاية يدمر نفسه وربما الحمل المتصل أيضًا.

ومع ذلك ، مضيفا أ حماية ماس كهربائى يمكن تنفيذ مصدر طاقة مقاعد البدلاء المتسلسل بسرعة من خلال ترانزستورات أخرى تم تكوينها كمرحلة تحكم حالية.

ال تحكم الجهد المتغير يتم تحقيقه من خلال ترانزستور بسيط ، وردود فعل مقياس الجهد.

تمكّن الإضافتان المذكورتان أعلاه من إمداد طاقة بمقعد متسلسل متعدد الاستخدامات وقوي ورخيص وعالمي وغير قابل للتدمير تقريبًا.

في الفقرات التالية سوف نتعلم بإيجاز تصميم المراحل المختلفة التي ينطوي عليها مصدر طاقة قياسي ثابت.

أسهل منظم الجهد الترانزستور

هناك طريقة سريعة للحصول على جهد خرج قابل للتعديل وهي ربط قاعدة الممر الترانزستور مع مقياس الجهد والصمام الثنائي زينر كما هو موضح في الشكل أدناه.

في هذه الدائرة ، يتم تزوير T1 باعتباره باعث وأتباع BJT ، حيث يقرر جهده الأساسي VB جهده الجانبي الباعث VE. سوف يتوافق كل من VE و VB بدقة مع بعضهما البعض ، وسيكونان متساويين تقريبًا ، مع خصم انخفاضه للأمام.

عادةً ما يكون جهد الهبوط الأمامي لأي BJT 0.7 فولت ، مما يعني أن الجهد الجانبي للباعث سيكون:

VE = VB - 0.7

استخدام حلقة التغذية الراجعة

على الرغم من ما ورد أعلاه التصميم سهل البناء ورخيص للغاية ، لا يوفر هذا النوع من النهج تنظيمًا كبيرًا للطاقة عند مستويات الجهد المنخفض.

هذا هو بالضبط سبب استخدام التحكم في نوع التغذية المرتدة للحصول على تنظيم محسن عبر نطاق الجهد بأكمله ، كما هو موضح في الشكل أدناه.

في هذا التكوين ، يتم التحكم في الجهد الأساسي لـ T1 ، وبالتالي جهد الخرج ، عن طريق انخفاض الجهد عبر R1 ، ويرجع ذلك أساسًا إلى التيار المسحوب بواسطة T2.

عندما يكون الذراع المنزلق للوعاء VR1 عند الطرف الأقصى للجانب الأرضي ، يتم قطع T2 منذ أن أصبحت قاعدته مؤرضة ، مما يسمح بانخفاض الجهد الوحيد عبر R1 الناجم عن التيار الأساسي لـ T1. في هذه الحالة ، سيكون جهد الخرج عند باعث T1 مماثلًا تقريبًا لجهد المجمع ، ويمكن إعطاؤه على النحو التالي:

VE = فين - 0.7 ، هنا VE هو الجهد الجانبي للباعث لـ T1 ، و 0.7 هو قيمة انخفاض الجهد الأمامي القياسي لخيوط القاعدة / الباعث BJT T1.

لذلك إذا كان مصدر الإدخال 15 فولت ، فمن المتوقع أن يكون الناتج:

VE = 15 - 0.7 = 14.3 فولت

الآن ، عندما يتم نقل ذراع التمرير للوعاء VR1 إلى الطرف الموجب العلوي ، سيؤدي ذلك إلى وصول T2 إلى الجهد الجانبي للباعث بالكامل لـ T1 ، مما يؤدي إلى توصيل T2 بشدة. هذا الإجراء سيربط مباشرة الصمام الثنائي زينر D1 مع R1. بمعنى ، الآن سيكون الجهد الأساسي VB الخاص بـ T1 مساويًا لجهد زينر Vz. لذلك سيكون الناتج:

VE = Vz - 0.7

لذلك ، إذا كانت قيمة D1 هي 6 فولت ، فمن المتوقع أن يكون جهد الخرج فقط:

VE = 6 - 0.7 = 5.3 فولت ، لذلك فإن جهد زينر يحدد الحد الأدنى لجهد الخرج الممكن الذي يمكن الحصول عليه من هذا سلسلة تمرير امدادات الطاقة عندما يتم تدوير القدر عند أدنى درجة له.

على الرغم من أن ما ورد أعلاه سهل وفعال لصنع مصدر طاقة مقاعد البدلاء ، إلا أن له عيبًا رئيسيًا في عدم كونه مقاومًا للدائرة القصيرة. هذا يعني أنه إذا كانت أطراف الخرج للدائرة قصيرة بشكل عرضي ، أو تم تطبيق تيار تحميل زائد ، فإن T1 سوف يسخن ويحترق بسرعة.

لتجنب هذا الموقف ، يمكن ترقية التصميم ببساطة عن طريق إضافة ملف ميزة التحكم الحالية كما هو موضح في القسم التالي.

إضافة حماية ماس كهربائى الزائد

يتيح التضمين البسيط لـ T3 و R2 تصميم دائرة إمداد طاقة المقعد ليكون مقاومًا للدائرة القصيرة بنسبة 100٪ و السيطرة الحالية . مع هذا التصميم ، حتى التقصير المتعمد في الإخراج لن يسبب أي ضرر لـ T1.

يمكن فهم عمل هذه المرحلة على النحو التالي:

بمجرد أن يميل تيار الإخراج إلى تجاوز القيمة الآمنة المحددة ، يتم تطوير مقدار نسبي من فرق الجهد عبر R2 ، وهو ما يكفي لتشغيل الترانزستور T3 الثابت.

مع تشغيل T3 ، يتم ربط قاعدة T1 بخط الباعث الخاص بها ، مما يؤدي على الفور إلى تعطيل التوصيل T1 ، ويتم الحفاظ على هذا الموقف حتى يتم إزالة الحمل الزائد أو قصير الإخراج. بهذه الطريقة يتم حماية T1 من أي موقف إخراج غير مرغوب فيه.

إضافة ميزة تيار متغير

في التصميم أعلاه ، يمكن أن يكون المقاوم المستشعر الحالي R2 قيمة ثابتة إذا كان الناتج مطلوبًا ليكون ناتجًا تيارًا ثابتًا. ومع ذلك ، من المفترض أن يكون لمصدر طاقة المقعد الجيد نطاق متغير لكل من الجهد والتيار. بالنظر إلى هذا الطلب ، يمكن تعديل المحدد الحالي ببساطة عن طريق إضافة a مقاومة متغيرة مع قاعدة T3 ، كما هو موضح أدناه:

يقسم VR2 انخفاض الجهد عبر R2 وبالتالي يسمح لـ T3 بالتبديل في تيار الإخراج المحدد المطلوب.

حساب قيم الأجزاء

لنبدأ بالمقاومات ، يمكن حساب R1 بالصيغة التالية:

R1 = (Vin - MaxVE) hFE / تيار الإخراج

هنا منذ ذلك الحين ماكسفي = النبيذ - 0.7

لذلك ، نبسط المعادلة الأولى على النحو التالي R1 = 0.7hFE / تيار الإخراج

يمكن أن يكون VR1 عبارة عن وعاء بقدرة 10 ك لجهود تصل إلى 60 فولت

يمكن حساب المحدد الحالي R2 على النحو الوارد أدناه:

R2 = 0.7 / الحد الأقصى لتيار الإخراج

يجب تحديد الحد الأقصى لتيار الإخراج 5 مرات أقل من معرف الحد الأقصى لـ T1 ، إذا كان T1 مطلوبًا للعمل بدون غرفة التبريد. مع وجود مبدد حراري كبير مثبت على T1 ، يمكن أن يكون تيار الإخراج 3 / 4th من T1 Id.

يمكن أن يكون VR2 عبارة عن وعاء بحجم 1 كيلو أو إعداد مسبق.

يجب تحديد T1 وفقًا لمتطلبات الإخراج الحالية. يجب أن يكون تصنيف T1 Id 5 مرات أكثر من تيار الإخراج المطلوب ، إذا كان سيتم تشغيله بدون غرفة تبريد. مع تركيب مبدد حراري كبير ، يجب أن يكون تصنيف T1 ID على الأقل 1.33 مرة أكثر من تيار الإخراج المطلوب.

يجب أن يكون الحد الأقصى للمجمع / الباعث أو VCE لـ T1 ضعف قيمة الحد الأقصى لمواصفات جهد الخرج.

يمكن تحديد قيمة Zener diode D1 اعتمادًا على أقل أو أدنى متطلبات خرج الجهد من مصدر طاقة المقعد.

سيعتمد تصنيف T2 على قيمة R1. نظرًا لأن الجهد عبر R1 سيكون دائمًا 0.7 فولت ، يصبح VCE لـ T2 غير مادي ، ويمكن أن يكون أي قيمة دنيا. يجب أن يكون معرف T2 قادرًا على التعامل مع التيار الأساسي لـ T1 ، على النحو الذي تحدده قيمة R1

تنطبق نفس القواعد على T3 أيضًا.

بشكل عام ، يمكن أن يكون T2 و T3 أي ترانزستور صغير للأغراض العامة مثل BC547 أو ربما a 2N2222 .

تصميم عملي

بعد فهم جميع المعلمات لتصميم مصدر طاقة مخصص ، فقد حان الوقت لتطبيق البيانات في نموذج أولي عملي ، كما هو موضح أدناه:

قد تجد بعض المكونات الإضافية التي تم إدخالها في التصميم ، والتي تهدف ببساطة إلى تعزيز القدرة التنظيمية للدائرة.

يتم إدخال C2 لتنظيف أي تموج متبقي في قواعد T1 و T2.

يشكل T2 مع T1 أ زوج دارلينجتون لزيادة المكسب الحالي من الناتج.

تمت إضافة R3 لتحسين توصيل الصمام الثنائي zener وبالتالي لضمان تنظيم عام أفضل.

تمت إضافة R8 و R9 لتمكين تنظيم جهد الخرج عبر نطاق ثابت ، وهو ليس حرجًا.

يحدد R7 الحد الأقصى للتيار الذي يمكن الوصول إليه عند الإخراج ، وهو:

أنا = 0.7 / 0.47 = 1.5 أمبير ، وهذا يبدو منخفضًا جدًا مقارنةً بتصنيف 2N3055 الترانزستور . على الرغم من أن هذا قد يحافظ على البرودة الفائقة للترانزستور ، فقد يكون من الممكن زيادة هذه القيمة حتى 8 أمبير إذا تم تركيب 2N3055 فوق مبدد حرارة كبير.

تقليل التبديد لزيادة الكفاءة

أكبر عيب مع أي منظم خطي قائم على الترانزستور هو الكمية الكبيرة من تبديد الترانزستور. وهذا يحدث عندما يكون فارق الإدخال / الإخراج مرتفعًا.

بمعنى ، عندما يتم ضبط الجهد باتجاه جهد الخرج المنخفض ، يجب أن يعمل الترانزستور بجد للتحكم في الجهد الزائد ، والذي يتم إطلاقه بعد ذلك كحرارة من الترانزستور.

على سبيل المثال ، إذا كان الحمل هو 3.3 فولت LED ، وكان إمداد الدخل لمصدر طاقة المقعد 15 فولت ، فيجب تخفيض جهد الخرج إلى 3.3 فولت وهو 15 - 3.3 = 11.7 فولت أقل. ويتم تحويل هذا الاختلاف إلى حرارة بواسطة الترانزستور ، مما قد يعني خسارة كفاءة تزيد عن 70٪.

ومع ذلك ، يمكن حل هذه المشكلة ببساطة باستخدام ملف محول مع لف الناتج الجهد استغلالها.

على سبيل المثال ، قد يحتوي المحول على صنابير 5 فولت ، 7.5 فولت ، 10 فولت ، 12 فولت ، وما إلى ذلك.

اعتمادًا على الحمل ، يمكن اختيار الصنابير لتغذية دائرة منظم . بعد ذلك ، يمكن استخدام وعاء ضبط الجهد للدائرة لمزيد من ضبط مستوى الإخراج بدقة إلى القيمة المطلوبة.

ستزيد هذه التقنية من الكفاءة إلى مستوى عالٍ جدًا ، مما يسمح للمبدد الحراري للترانزستور بأن يكون أصغر حجمًا ومضغوطًا.