Почему мой эксперимент с регулятором напряжения NPN/PNP провалился?

У вас уже есть нерегулируемый источник постоянного тока. Как вы говорите, построен из моста и каких-то конденсаторов. Судя по всему, у вас тоже есть отвод по центру вторичной обмотки трансформатора. Так что у вас тоже есть земля, и$\pm\:53\:\text{V}$измеряется вашим счетчиком для двух других рельсов. Я предполагаю, что это, вероятно, выгружено, поэтому при загрузке у вас, вероятно, будет меньше. Насколько меньше, можно только догадываться, так как это во многом зависит от нагрузки, конструкции вашего тороида, конденсаторов и других факторов. Но меньше, точно.

Я так понимаю, вы пытаетесь научиться создавать собственные$\pm\: 15\:\text{V}$питания для использования с операционными усилителями. Таким образом, вы не обязательно просто хотите купить хороший источник (в наши дни они дешевы). И, поскольку речь идет об обучении, это будет линейный дизайн, а не коммутатор. Таким образом, ваш источник питания будет в целом неэффективным с точки зрения мощности. Но ты в порядке с этим.

Возможно, я проецирую, но я думаю, что это хорошая идея для начала. Это достаточно скромно, чтобы у вас были все основания для успеха. Но есть достаточно, чтобы узнать о том, за что стоит бороться. Я думаю, что мой самый первый опыт обучения, когда я действительно хорошо усвоил несколько вещей, состоял в попытке спроектировать свой собственный блок питания, подобный этому. В то время у меня практически не было выбора. Существующие лабораторные принадлежности были недоступны для подростка. И не было набора дешевых поставщиков на ebay для навороченных коммутаторов на ИС. Так что пришлось делать самому или обходиться без. И сталкиваясь с этим, либо учатся, либо обходятся без.

Ваш подход, возможно, слишком похож на выходной драйвер приемника/источника, используемый во всем, от операционных усилителей до аудиоусилителей. Вы можете использовать подход, который используете, но вам придется сделать два из них — один для$+15\:\text{V}$и один для$-15\:\text{V}$. И они еще менее эффективны, так как каждый из них может исходить из вашей (+) направляющей и опускаться на вашу (-) направляющую, и вам нужно запускать их в классе AB. Вам действительно нужно только источник из (+), чтобы сделать$+15\:\text{V}$рельс и погрузиться в (-), чтобы сделать$-15\:\text{V}$рельс.

Как примечание, может быть хорошей идеей включить пару резисторов сброса напряжения в существующую батарею конденсаторов на выходе вашего моста. Что-то, чтобы избавиться от сохраненного заряда, если вы выключите что-то. Некоторые$\tfrac{1}{2}\:\text{W}$,$10\:\text{k}\Omega$резисторы? Это только представило бы$5\:\text{mA}$нагрузка, во время работы.

Пока вы обдумываете эту идею, подумайте также о том, чтобы попытаться снизить нагрузку на существующий нерегулируемый источник, чтобы измерить, что он делает под нагрузкой. Я бы попробовал что-то вроде$\ge 5\:\text{W}$,$1\:\text{k}\Omega$резистор, чтобы получить представление о$50\:\text{mA}$нагрузки, измеряя напряжение при наличии этой нагрузки. Затем я бы попробовал что-то вроде$\ge 10\:\text{W}$,$270\:\Omega$резистор, чтобы увидеть, что происходит, когда я приближаюсь$200\:\text{mA}$нагрузка. Это проверит всю вашу нерегулируемую систему и даст вам представление о ее ограничениях. Эти значения были выбраны случайным образом. Если вы уже знаете ограничения своего тороида, попробуйте два резистора с разными значениями, которые соответствуют максимальной нагрузке, которую вы ожидаете поддерживать, и еще один, который может достигать 30% от максимальной нагрузки. И просто обратите внимание на измеренные значения напряжения. Это помогает иметь представление о вашем нерегулируемом рельсе, когда он немного загружен.

Я бы порекомендовал вам начать с сосредоточения внимания только на одной стороне, скажем, на создании$+15\:\text{V}$регулируемая шина питания от нерегулируемой (+) шины. Вам также необходимо подумать, нужны ли вам какие-либо текущие ограничения. Я думаю, что было бы безопаснее включить их. Но это ваше решение. Однако нетрудно включить что-то для этого. И, просто лично, я, наверное, хотел бы иметь возможность пойти в$+12\:\text{V}$, слишком. Так что, возможно, переменный выходной источник, который работает в небольшом диапазоне выходных напряжений?

У тебя много места для головы! Это означает, что вы можете использовать эмиттерный повторитель NPN, повторитель Дарлингтона или практически любую конфигурацию, которую вы хотите иметь. Вещи не тугие , поэтому у вас есть место для структур управления. Много места. Недостатком, конечно же, является то, что вам нужно рассеивать и что ваших шин напряжения достаточно, чтобы вам приходилось проверять таблицы данных, чтобы оставаться в пределах безопасных рабочих параметров для устройств.

Наконец, вы, вероятно, можете согласиться с необходимостью отдельно устанавливать значения двух шин напряжения независимо друг от друга. Некоторые блоки питания предназначены для обеспечения отслеживания , так что если вы установите регулируемый$+\text{V}$поставка в$+15\:\text{V}$тогда ваш регулируемый$-\text{V}$поставка отследит это и предоставит$-15\:\text{V}$. Но вы можете жить без этого, я подозреваю, пока.

Если вы напишете отдельный вопрос или уточните этот вопрос лучше, я могу помочь вам начать с трех или четырех различных дискретных (не IC) топологий, чтобы рассмотреть возможность самостоятельного анализа и построения. Но, например, я понятия не имею, какое текущее соответствие вы хотите иметь. И было бы полезно знать, какое напряжение вы измеряете, когда ваш нерегулируемый источник питания нагружен до максимального соответствия току, которое вы хотите поддерживать (используя резистор высокой мощности, а затем уделяя время измерению напряжения с помощью вольтметра, прежде чем он станет слишком горячим. ) И еще больше помогло бы узнать, хотите ли вы переменное напряжение в диапазоне (в каком именно диапазоне?) И, если вам просто нужно фиксированное напряжение, какая начальная точность, по вашему мнению, вам нужна? И я' хотелось бы знать, предназначено ли это строго для питания операционных усилителей (предполагая более низкое соответствие току) или вы захотите использовать это для фактической подачи более высоких токов при еще более низких напряжениях для некоторых проектов. Наконец, было бы неплохо узнать, какие BJT у вас есть или вы хотите получить.

РЕДАКТИРОВАТЬ: Итак. Что-то простое, не очень актуальное соответствие только$5\:\text{mA}$. Давайте сначала сосредоточимся на стороне (+) шины... можно использовать либо NPN, либо PNP для проходного транзистора. Это больше вопрос того, как вы хотите это контролировать. Вы хотите откачивать ток из источника или вытягивать ток по мере необходимости? Хм. Давайте попробуем это - акцент на простом.

^{смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab}

Я записал некоторые заметки по дизайну на схеме. Значения резисторов стандартные, поэтому фактическое выходное напряжение будет немного отличаться. Но он должен быть рядом. Вот логика.

Я начал использовать$Q_1$как топология эмиттерного повторителя. Это цели излучателя$15\:\text{V}$. Поэтому я записал туда «15 В при 5 мА». Я изначально оценил полезное$\beta_{Q1}=50$и вычислено$I_{B_{Q1}}=100\:\mu\text{A}$и примерно (только по памяти)$V_{BE_{Q1}}=750\:\text{mV}$. Исходя из этого, я решил, что хочу$5\times$столько же от нерегулируемой подачи, поэтому я поставил$R_1=\frac{53V-15V-750\:\text{mV}}{500\:\mu\text{A}}=74.5\:\text{k}\Omega \approx 75\:\text{k}\Omega$. Это означает, что мне нужно будет оторваться между$400-500\:\mu\text{A}$из$R_1$контролировать$Q_1$поведение на выходе. Это достаточно небольшой диапазон,$450\:\mu\text{A}\pm 50\:\mu\text{A}$, что изменения в простой схеме не будут слишком чувствительными. О, и я выбрал BC546, у которого есть$V_{CEO}=65\:\text{V}$. (Можно использовать 2N5551 для$V_{CEO}=150\:\text{V}$.)

Я решил использовать другой NPN внизу, с основанием, прибитым к резистивному делителю, чтобы тянуть этот ток.$Q_2$Коллектор прибит к напряжению, так что раннего эффекта нет. Отлично. Рассеяние в$Q_2$находится под$10\:\text{mW}$, так что без проблем. (Вы уже знаете, что может быть проблема в$Q_1$.) Диод и конденсатор обеспечивают полустабильное опорное напряжение, так как на него подается относительно стабильное$450\:\mu\text{A}\pm\:50\:\mu\text{A}$ток. я оценил$\beta_{Q2}=50$(снова) и вычислено$I_{B_{Q2}}=10\:\mu\text{A}$и примерно (только по памяти)$V_{BE_{Q1}}=650\:\text{mV}$. Я также знаю, что 1N4148 делает около$550\:\text{mV}$работает на$500\:\mu\text{A}$ток. Так что это сказало мне, что узел делителя должен быть угадан в$1.2\:\text{V}$. Я это тоже записал.

Я решил сделать ток делителя не менее$10\times$максимальный необходимый базовый ток для$Q_2$. Одной из проблем с этой схемой будет температура окружающей среды, так как она влияет на переход база-эмиттер.$Q_2$(и$D_1$), и это влияет на нашу точку разделения и почти все остальное. Но добавление$D_2$и$D_3$в делителе помогает здесь. Он обеспечивает еще два перехода, зависящих от температуры, которые будут отслеживать перегрев двух других. Оставшаяся проблема заключается в том,$R_3$и разная плотность тока.

$D_2$и$D_3$работают примерно с$\tfrac{1}{5}$плотности тока$D_1$и$Q_2$. Я случайно помню, что 1N4148 представляет около$\Delta V \approx 100\:\text{mV}$изменение плотности тока за десятилетие, поэтому я предполагаю, что$\Delta V = 100\:\text{mV}\cdot \log_{10}\left(\tfrac{1}{5}\right) \approx -70\:\text{mV}$на диод для этих двух. Значит, чтобы достичь$1.2\:\text{V}$у делителя,$R_3=\frac{1.2V - 2\cdot\left(550\:\text{mV}-70\:\text{mV}\right)}{87\:\mu\text{A}}\approx 2.7\:\text{k}\Omega$(Я использовал$87\:\mu\text{A}$как среднее значение тока.) Таким образом, это устанавливает$R_3$, в предположении.

Я добавил конденсатор ускорения на резисторе делителя.$R_2$так что краткосрочные колебания нагрузки могли бы более непосредственно управлять$Q_2$. (Если$15\:\text{V}$регулируемая рейка резко подпрыгивает вверх, затем$C_3$подтянется сразу на базе$Q_2$заставляя его оттягивать больше тока привода, идущего на$Q_1$, противодействуя подъему. Точно так же и в другую сторону.)

Я думаю, вы должны быть в состоянии поднять (-) регулируемую рейку. И имейте в виду, что вы не хотите слишком нагружать эту вещь! Вы обязательно причините этому бедному маленькому ТО-92 серьезные проблемы. Он рассеивается$5\:\text{mA}\cdot\left(53\:\text{V}-15\:\text{V}\right)\approx 200\:\text{mW}$и в упаковке есть$\tfrac{200 ^{\circ}K}{W}$, так что получается примерно$+40^{\circ}C$над окружающим, уже. Вы можете видеть, как быстро эта штука нагреется, если через нее пропустить гораздо больший ток. Вы можете быть в состоянии уйти с$10\:\text{mA}$, но не более того.

ОБЗОРНОЕ ПРИМЕЧАНИЕ. Теперь, когда вы можете увидеть процесс одного человека (другие, более опытные дизайнеры, применят еще больше знаний, чем я), давайте рассмотрим его со стороны.

Схема сводится к:

1. проходной транзистор ($Q_1$), который должен стоять в стороне$40\:\text{V}$между нерегулируемой (+) рейкой и желаемой$15\:\text{V}$рельс. Этому проходному транзистору потребуется источник тока базы, чтобы его можно было удерживать в активной области. Он также организован в конфигурации эмиттерный повторитель, так что перемещение его базового напряжения перемещает его эмиттер примерно в 1: 1 (усиление напряжения от базы к эмиттеру равно$\approx 1$.)
2. Мы можем решить все потребности в (1) выше, используя простой резистор ($R_1$) к нерегулируемому (+) рельсу. Это не только может обеспечить необходимый базовый ток, но также позволяет очень легко контролировать базовое напряжение$Q_1$, просто пропуская через него больший или меньший ток. В целях дизайна нам не нужны вариации в$Q_1$ток базы, чтобы серьезно повлиять на поток тока, который мы также используем для управления напряжением на базе$Q_1$. Поэтому нам нужно сделать этот поток тока большим, по сравнению с ним. Чем больше, тем лучше, и, возможно, по умолчанию мы могли бы выбрать коэффициент$10\times$. Но нас также сдерживает тот факт, что это$5\:\text{mA}$источник питания. Поэтому мы можем захотеть использовать что-то, что о$\tfrac{1}{10}$число$5\:\text{mA}$чтобы было скромно. Это означает что-то из$10\cdot 100\:\mu\text{A}=1\:\text{mA}$с одной стороны примерно$\tfrac{5mA}{10}=500\:\mu\text{A}$на другой стороне. Я решил использовать меньшее значение, так как это всего лишь простой регулятор, и я могу принять немного менее жесткий базовый источник.
3. Что-то, чтобы контролировать ток, проходящий через$R_1$, основанный на каком-либо сравнении напряжения. Оказывается, BJT подходит для чего-то подобного. (Лучше было бы больше биполярных транзисторов, как в операционном усилителе, но здесь достаточно одного.) У него есть ток коллектора, который зависит от разности напряжений между его базой и эмиттером. Так что он сравнивает свою базу и эмиттер и регулирует ток на этой основе! Практически создан на небесах для этого, да? Так что теперь втыкаем новый BJT ($Q_2$) с его коллектором, привязанным к$R_1$и основа$Q_1$.
4. Нам нужно опорное напряжение. Можно использовать реальную ссылку, такую ​​как стабилитрон или более сложное устройство IC, но это простая конструкция. Ну а диод с фиксированной плотностью тока - это опорное напряжение. (Кроме температуры.) И знаете что? У нас просто есть ток, который мы можем использовать, и он относительно стабилен! Тот самый ток, который мы используем для настройки$Q_1$базовое напряжение через$R_1$. А сейчас,$R_1$предоставляет нам три услуги -- он обеспечивает базовый ток для$Q_1$, позволяет нам контролировать$Q_1$, регулируя ток через него, и теперь этот же самый ток можно использовать для стабилизации напряжения диода опорного напряжения . Все, что мы делаем, это втыкаем этот диод в эмиттер$Q_2$. И добавьте небольшой конденсатор, чтобы убить там высокочастотный шум. Приятно, когда вещи выполняют несколько функций за вас.
5. У нас есть коллектор управления током, источник опорного напряжения на эмиттере, и теперь все, что нам нужно обеспечить, — это сравнительное напряжение, полученное из выходного напряжения, на базе.$Q_2$. Важно, что если это сравнение увеличивается (выходное напряжение увеличивается по какой-то неизвестной причине), мы будем пропускать больше тока через$R_1$форсировать базовое напряжение$Q_1$отказаться от противодействия этому изменению. Оказывается, простой делитель напряжения хорошо справляется с этой задачей. Все, что нам нужно сделать, это убедиться, что ток через делитель напряжения намного больше, чем требуемый базовый ток$Q_2$, так что когда$Q_2$регулирует ток коллектора и требует большего (или меньшего) тока базы, чтобы это не влияло на напряжение делителя (сильно).

Это действительно суть этого. Я добавил эти два диода, чтобы помочь стабилизировать ситуацию в зависимости от температуры окружающей среды. Но они не являются строго необходимыми, если вы не возражаете против того, чтобы ваши шины напряжения немного смещались в зависимости от температуры. Как бы то ни было, они все еще могут дрейфовать, может быть,$\tfrac{25\:\text{mV}}{^{\circ}C}$, просто делая короткую циклическую работу по догадкам. Но если вас не смущает, что это в два раза хуже, вы можете вместо этого заменить резистор и два диода простым резистором:

^{смоделируйте эту схему}

Фактическая стоимость$R_3$здесь, возможно, потребуется немного подкорректировать, так как мы на самом деле не знаем, какой базовый ток необходим (вероятно, меньше, чем я предполагал, — намного меньше). Так что, возможно, ближе к$12\:\text{k}\Omega$ценить? Но вы можете использовать потенциометр здесь, я полагаю, чтобы сделать это регулируемым.

Во-первых, 2N2222 рассчитан только на 40 В. 2907 хорош для 60 В, но это все равно не оставляет большого запаса для того, чтобы что-то пошло не так, особенно при запуске.

Я подозреваю, что настоящая проблема в том, что транзисторы были подключены неправильно. Это может оставить прямой путь через Q1, D1 и Q2. Пуф!

Добавлено про напряжения на транзисторах

Даже когда все работает идеально, каждая половина схемы видит 53 В. 1N4730 — стабилитрон на 3,9 В. Это означает, что когда все работает идеально, базы транзисторов будут поддерживаться на уровне ± 2 В. Даже с учетом того, что падение BE каждого транзистора составляет всего 600 мВ, на эмиттерах будет ± 1,4 В. Это означает, что каждый транзистор будет получать 52 В. по нему, когда все идеально .

Все никогда не бывает идеальным. Насколько точны источники питания ±53 В? Как насчет переходных процессов при запуске? Каковы реальные напряжения стабилитрона, если через них всего полмиллиампера? Что происходит, когда нагрузка потребляет некоторый реальный ток, даже если только при запуске, чтобы зарядить конденсатор или что-то в этом роде?

Вы искали спецификации напряжения для транзисторов, которые вы на самом деле используете, а не просто технические характеристики, которые вы могли найти для общего номера детали? Где-то есть спецификации минимального напряжения для 2N2222 и 2N2907, но некоторые производители иногда делают свои детали более способными. Вы не можете использовать одну из этих спецификаций, чтобы сказать вам, для чего хороша универсальная деталь. Чтобы получить цифры, которые я привел выше, я взял случайные таблицы данных. Это означает, что реальные характеристики могут быть ниже, чем я указал.

Один транзистор уже далеко не соответствует спецификации, а другой близок к ней. Это не хорошая инженерия.

Во-первых, Google — ваш друг. 1N4730 — стабилитрон на 3,9 В.

Тем не менее, я склонен полагать, что вы либо неправильно подключили свою схему, либо использовали неправильные номиналы резисторов. Я особенно склонен думать, что R1 или R2 могли быть 100 Ом, а не 100 кОм. Во всяком случае, ваши номинальные значения резисторов достаточно велики, чтобы предотвратить излучение магического дыма, поэтому ваша схема каким-то образом отличалась от вашей схемы.

• ЕСЛИ Vcemax для Q2 составляет 40 В и выше при вторичном пробое, тогда Ve max составляет -12 В.

• Vb для Q2 составляет 1/2 от Vz (D1=3,9) или приблизительно -2 В. это Vbe = -10 В, в то время как спецификация -5 В АБСОЛЮТНЫЙ МАКС.

• из-за катастрофического выхода из строя реверса Vbe,

• и твой небрежный дизайн,
• только вы несете ответственность за то, что у него оторвало среднюю ногу, возможно, из-за ошибок конструкции.

Это более простой способ получить +/- 15 В от ваших рельсов:

^{смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab}

R1 и R2 пропускают около 2,5 мА на базы транзисторов и на 16-вольтовые стабилитроны. Напряжение на эмиттерах транзисторов будет примерно на 0,7В меньше напряжения стабилитрона или примерно +/-15,3В.

Хотя это очень простая и надежная схема, обратите внимание, что она не защищена от короткого замыкания или перегрузки, как 3-контактный стабилизатор.

Есть несколько линейных регуляторов, которые могут работать от ваших относительно высоких шин питания, но они не будут такими уж дешевыми. Выполните параметрический поиск на веб-сайтах дистрибьюторов или поставщиков, чтобы найти их. Отрицательный стабилизатор может быть большей проблемой, особенно потому, что ваши (предположительно нерегулируемые) шины могут значительно превышать пиковое значение 53 В. Хотя вы можете использовать приведенную выше схему для понижения напряжения для 3-выводного стабилизатора, вы должны учитывать наихудшие условия и то, какое рассеивание будет происходить на транзисторах.

Рецензенты отклонили мои последние правки к вопросу и предложили создать новый ответ, поэтому:

Вот схема из OP, дополненная источниками напряжения и более подходящими стабилитронами для рекомендуемого тока стабилитрона около 8,5 мА:

^{смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab}

А вот результат моделирования с помощью кнопки Simulate This:

Стабилитрон теперь 1N4751A, 30 В при 8,5 мА, см. эти характеристики . Установка правильного номера детали НЕ устанавливает соответствующее напряжение стабилитрона, я сделал это вручную в редакторе принципиальных схем. Резисторы стабилитрона теперь 4К7 на ток стабилитрона около 8,5 мА.

После добавления источников напряжения моделирование запускается и дает около +/- 15,0 В на стабилитроне и +/- 14,5 В на выходном резисторе.

Идеально! Эта схема, кажется, делает то, что от нее ожидается.

Что касается перегоревших частей: это должно быть что-то вроде неправильного соединения, как предположил один из комментаторов.