Nedávno jsem se začal zajímat o sestavení lineárních stabilizátorů napětí. Taková schémata nevyžadují vzácné detaily a výběr součástí a vyladění také nezpůsobuje žádné zvláštní potíže. Tentokrát jsem se rozhodl sestavit lineární stabilizátor napětí na "regulované zenerově diodě" (mikroobvod) TL431. TL431 funguje jako zdroj referenčního napětí a výkonovou roli hraje výkonný tranzistor NPN v balíčku TO -220.
Se vstupním napětím 19 V může obvod sloužit jako zdroj stabilizovaného napětí v rozsahu od 2,7 do 16 V při proudu až 4A. Stabilizátor je navržen jako modul namontovaný na prkénku. Vypadá to takto:
Video:
Stabilizátor vyžaduje stejnosměrné napájení. Má smysl použít takový stabilizátor s klasickým lineárním napájením, které se skládá z transformátoru železa, diodového můstku a velkého kondenzátoru. Napětí v síti se může lišit v závislosti na zatížení a v důsledku toho se napětí na výstupu transformátoru změní. Tento obvod bude poskytovat stabilní výstupní napětí s měnícím se vstupem. Je třeba si uvědomit, že stabilizátor typu spouštění i samotného obvodu klesá o 1 až 3 V, takže maximální výstupní napětí bude vždy menší než vstupní.
V zásadě lze spínané napájecí zdroje použít jako napájecí zdroj pro tento stabilizátor, například z laptopu 19 V. V tomto případě však bude úloha stabilizace minimální, protože tovární spínané napájecí zdroje a tak dále stabilizované napětí na výstupu.
Schéma:
Výběr součástí
Maximální proud, kterým může čip TL431 projít sám, je podle dokumentace 100 mA. V mém případě jsem omezil proud s rozpětím na asi 80 mA pomocí rezistoru R1. Je nutné vypočítat odpor podle vzorců.
Nejprve musíte určit odpor rezistoru. Při maximálním vstupním napětí 19 V je podle Ohmova zákona vypočítán odpor následujícím způsobem:
R = U / I = 19 V / 0,08 A = 240 Ohmů
Je nutné vypočítat výkon rezistoru R1:
P = I ^ 2 * R = 0,08 A * 0,08 A * 240 Ohmů = 1,5 W
Použil jsem sovětský 2-wattový rezistor
Rezistory R2 a R3 tvoří dělič napětí, který „programuje“ TL431, a rezistor R3 je variabilní, což vám umožňuje změnit referenční napětí, které se pak opakuje v kaskádě tranzistorů. Použil jsem R2 - 1K ohm, R3 - 10K ohm. Výkon rezistoru R2 závisí na výstupním napětí. Například s výstupním napětím 19V:
P = U ^ 2 / R = 19 * 19/1000 = 0,361 wattů
Použil jsem 1 watt rezistor.
Rezistor R4 se používá k omezení proudu na základě tranzistoru VT2. Je lepší experimentálně zvolit jmenovitou hodnotu a řídit výstupní napětí. Pokud je odpor příliš velký, významně to omezí výstupní napětí obvodu. V mém případě je to 100 Ohmů, jakákoli síla je vhodná.
Jako hlavní výkonový tranzistor (VT1) je lepší použít tranzistory v pouzdru TO - 220 nebo silnějším (TO247, TO-3). Použil jsem tranzistor E13009, zakoupený na Ali Express. Tranzistor pro napětí do 400V a proud do 12A. Pro takový obvod není vysokonapěťový tranzistor nejoptimálnějším řešením, ale bude fungovat dobře. Tranzistor je s největší pravděpodobností falešný a 12 A nebude stát, ale 5-6A je docela. V našem obvodu je proud až 4A, proto je pro tento obvod vhodný. V tomto schématu musí tranzistor být schopen rozptýlit energii až 30-35 wattů.
Rozptyl výkonu se počítá jako rozdíl mezi vstupním a výstupním napětím vynásobeným proudem kolektoru:
P = (výstup U - vstup U) * I kolektor
Například vstupní napětí je 19 V, výstupní napětí jsme nastavili na 12 V a proud kolektoru je 3 A
P = (19V-12V) * 3A = 21 wattů - to je pro náš tranzistor zcela normální situace.
A pokud budeme i nadále snižovat výstupní napětí na 6V, bude obraz jiný:
P = (19V-6V) * 3A = 39 wattů, což není příliš dobré pro tranzistor v balíčku TO-220 (musíte také vzít v úvahu, že když je tranzistor uzavřen, proud se také sníží: o 6V bude proud asi 2-2,5A a ne 3). V tomto případě je lepší použít jiný tranzistor v masivnějším případě, nebo zmenšit rozdíl mezi vstupním a výstupním napětím (například pokud je zdrojem napájení transformátor, přepnutím vinutí).
Tranzistor musí být dimenzován na proud 5A nebo více. Je lepší vzít tranzistor s koeficientem přenosu statického proudu 20. Čínský tranzistor tyto požadavky plně splňuje. Před zapečetěním obvodu jsem zkontroloval (proud a rozptyl energie) na speciálním stojanu.
Protože TL431 může produkovat proud nejvýše 100 mA a pro napájení základny tranzistoru je potřeba více proudu, budete potřebovat další tranzistor, který zesílí proud z výstupu čipu TL431 a opakuje referenční napětí. K tomu potřebujeme tranzistor VT2.
Tranzistor VT2 musí být schopen dodávat dostatečný proud do základny tranzistoru VT1.
Požadovaný proud je možné zhruba určit pomocí koeficientu přenosu statického proudu (h21e nebo hFE nebo β) tranzistoru VT1. Pokud chceme mít na výstupu proud 4 A a koeficient přenosu statického proudu VT1 je 20, pak:
I báze = I kolektor / β = 4 A / 20 = 0,2 A.
Koeficient statického přenosu proudu se bude lišit v závislosti na proudu kolektoru, takže tato hodnota je indikativní. Měření v praxi ukázala, že je nutné dodávat asi 170 mA do báze tranzistoru VT1, takže proud kolektoru je 4A. Tranzistory v balíčku TO-92 se začínají znatelně zahřívat při proudech nad 0,1 A, takže jsem v tomto obvodu použil tranzistor KT815A v balíčku TO-126. Tranzistor je navržen pro proud do 1,5A, statický koeficient přenosu proudu je asi 75. Pro tento tranzistor bude vhodný malý chladič.
Kondenzátor C3 je potřebný ke stabilizaci napětí na základě tranzistoru VT1, jmenovitá hodnota je 100 μF, napětí je 25V.
Filtry z kondenzátorů jsou instalovány na výstupu a na vstupu: C1 a C4 (elektrolytický při 25 V, 1 000 μF) a C2, C5 (keramický 2 až 10 μF).
Dioda Dl slouží k ochraně tranzistoru VT1 před zpětným proudem. Dioda D2 je potřebná k ochraně před tranzistorem při napájení motorů kolektoru. Když je vypnuto napájení, motory se na chvíli otáčí a v brzdovém režimu pracují jako generátory. Proud generovaný tímto způsobem jde opačným směrem a může poškodit tranzistor.Dioda v tomto případě uzavře motor k sobě a proud nedosáhne tranzistoru. Rezistor R5 hraje roli malé zátěže pro stabilizaci v klidovém režimu, jmenovitá hodnota 10 k Ohm, jakýkoli výkon.
Shromáždění
Obvod je sestaven jako modul na prkénku. Použil jsem chladič ze spínaného zdroje energie.
U radiátoru této velikosti byste obvod neměli zatěžovat co nejvíce. S proudem větším než 1 A je nutné vyměnit chladič za masivnější, foukání ventilátorem také neublíží.
Je důležité si uvědomit, že čím větší je rozdíl mezi vstupním a výstupním napětím a čím větší je proud, tím více tepla je generováno a tím více je zapotřebí chlazení.
Pájení trvalo asi hodinu. V zásadě by bylo dobré vytvořit desku pomocí metody LUT, ale od té doby Potřebuji pouze desku v jedné kopii, nechtěl jsem ztrácet čas navrhováním desky.
Výsledkem je takový modul:
Po montáži jsem zkontroloval vlastnosti:
Obvod nemá prakticky žádnou ochranu (což znamená, že neexistuje ochrana před zkratem, ochrana proti přepólování, měkký start, omezení proudu atd.), Takže je musíte používat velmi opatrně. Ze stejného důvodu se nedoporučuje používat taková schémata v „laboratorních“ napájecích zdrojích. K tomuto účelu jsou mikroobvody v balení TO-220 vhodné pro proudy do 5A, například KR142EN22A. Nebo alespoň pro tento obvod, musíte vytvořit další modul pro ochranu proti zkratu.
Obvod lze nazvat klasickým, jako většina lineárních stabilizátorových obvodů. Moderní pulzní obvody mají mnoho výhod, například: vyšší účinnost, mnohem méně zahřívání, menší rozměry a hmotnost. Současně je pro začátečníky šunka snazší zvládnout lineární obvody a pokud účinnost a rozměry nejsou zvlášť důležité, jsou zcela vhodné pro napájení zařízení se stabilizovaným napětím.
A samozřejmě ten pocit neporáží, když jsem napájel některé zařízení z domácího zdroje energie a lineární obvody pro šunky pro začátečníky jsou stejně přístupnější.