Como projetar um circuito de fonte de alimentação de bancada estabilizada

Neste artigo, discutimos como uma fonte de alimentação de bancada estabilizada e eficaz, embora muito barata, pode ser projetada por qualquer entusiasta eletrônico para testar com segurança todos os tipos de projetos e protótipos eletrônicos.

As principais características que uma fonte de alimentação de bancada deve ter são:

• Deve ser construído com componentes baratos e facilmente disponíveis
• Deve ser flexível com suas faixas de tensão e corrente, ou simplesmente deve incluir a facilidade de uma tensão variável e saídas de corrente variável.
• Deve ser protegido contra sobrecorrente e sobrecarga.
• Deve ser facilmente reparável, caso surja algum problema.
• Deve ser razoavelmente eficiente com sua saída de energia.
• Deve facilitar facilmente a personalização de acordo com uma especificação desejada.

Descrição geral

A maioria dos projetos de fontes de alimentação até agora incorporam um estabilizador de série linear. Este projeto usa um transistor de passagem que funciona como um resistor variável, regulado por um diodo Zener.

O sistema de alimentação em série é o mais popular, possivelmente pelo fato de ser muito mais eficiente. Exceto por uma pequena perda no Zener e no resistor de alimentação, a perda perceptível só acontece no transistor de passagem em série durante o período em que está fornecendo corrente para a carga.

No entanto, uma desvantagem do sistema de fonte de alimentação em série é que eles não fornecem nenhum tipo de curto-circuito na carga de saída. Ou seja, durante as condições de falha de saída, o transistor de passagem pode permitir que uma grande corrente flua através dele, eventualmente destruindo a si mesmo e possivelmente a carga conectada também.

Dito isso, adicionando um proteção contra curto-circuito para uma fonte de alimentação de bancada de passagem em série pode ser rapidamente implementada por meio de outros transistores configurados como um estágio controlador de corrente.

O controlador de tensão variável é obtido através de um transistor simples, feedback de potenciômetro.

As duas adições acima permitem uma fonte de alimentação de bancada com passagem em série altamente versátil, robusta, barata, universal e praticamente indestrutível.

Nos parágrafos a seguir, aprenderemos brevemente o projeto dos vários estágios envolvidos em uma fonte de alimentação de bancada estabilizada padrão.

Regulador de tensão de transistor mais fácil

Uma maneira rápida de obter uma tensão de saída ajustável é conectar a base do passe transistor com um potenciômetro e diodo Zener conforme mostrado na figura abaixo.

Neste circuito, o T1 é montado como um emissor-seguidor BJT , onde sua tensão de base VB decide sua tensão do lado emissor VE. Ambos VE e VB corresponderão precisamente um ao outro, e serão quase iguais, deduzindo sua queda para frente.

A queda de tensão direta de qualquer BJT é normalmente 0,7 V, o que implica que a tensão do lado do emissor será:

VE = VB - 0,7

Usando um Feedback Loop

Embora o acima o design é fácil de construir e muito barato , este tipo de abordagem não oferece grande regulação de potência nos níveis de tensão mais baixos.

É exatamente por isso que um controle do tipo realimentação é normalmente empregado para obter uma regulação aprimorada em toda a faixa de tensão, conforme demonstrado na figura abaixo.

Nessa configuração, a tensão de base de T1 e, portanto, a tensão de saída, é controlada pela queda de tensão em R1, principalmente devido à corrente puxada por T2.

Quando o braço deslizante do potenciômetro VR1 está na extremidade extrema do lado do solo, T2 é cortado, pois agora sua base fica aterrada, permitindo a única queda de tensão em R1 causada pela corrente de base de T1. Nesta situação, a tensão de saída no emissor T1 vai ser quase a mesma que a tensão do coletor, e pode ser dada como:

VE = Vin - 0,7 , aqui VE é a tensão do lado do emissor de T1 e 0,7 é o valor de queda de tensão direta padrão para terminais base / emissor BJT T1.

Portanto, se a alimentação de entrada for 15 V, a saída pode ser:

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

Agora, quando o braço deslizante VR1 do potenciômetro é movido para a extremidade positiva superior, fará com que T2 acesse toda a tensão do lado do emissor de T1, o que fará com que T2 conduza com muita força. Esta ação conectará diretamente o diodo zener D1 com R1. Ou seja, agora a tensão base VB do T1 será simplesmente igual à tensão zener Vz. Portanto, o resultado será:

VE = Vz - 0,7

Portanto, se o valor D1 for 6 V, pode-se esperar que a tensão de saída seja apenas:

VE = 6 - 0,7 = 5,3 V , então a tensão zener decide a tensão de saída mínima possível que poderia ser obtida a partir deste fonte de alimentação série pass quando o pote é girado em sua configuração mais baixa.

Embora o acima seja fácil e eficaz para fazer uma fonte de alimentação de bancada, tem a grande desvantagem de não ser à prova de curto-circuito. Isso significa que, se os terminais de saída do circuito forem acidentalmente curto-circuitados, ou uma corrente de sobrecarga for aplicada, o T1 vai aquecer e queimar rapidamente.

Para evitar esta situação, o design pode ser simplesmente atualizado adicionando um recurso de controle atual conforme explicado na seção a seguir.

Adicionando proteção contra sobrecarga de curto-circuito

Uma simples inclusão de T3 e R2 permite que o projeto do circuito de alimentação de bancada seja 100% à prova de curto-circuito e corrente controlada . Com este projeto, mesmo um curto-circuito intencional na saída não causará nenhum dano ao T1.

O funcionamento desta etapa pode ser entendido da seguinte forma:

Assim que a corrente de saída tende a ir além do valor seguro definido, uma quantidade proporcional de diferença de potencial em R2 é desenvolvida, o suficiente para ligar o transistor T3 com força.

Com o T3 ligado, faz com que a base T1 seja unida à sua linha emissora, o que desabilita instantaneamente a condução T1, e esta situação é mantida até que o curto ou a sobrecarga da saída sejam removidos. Desta forma, T1 é protegido de qualquer situação de saída indesejada.

Adicionando um Recurso de Corrente Variável

No design acima, o resistor do sensor de corrente R2 pode ser um valor fixo se a saída for necessária para ser uma saída de corrente constante. No entanto, uma boa fonte de alimentação de bancada deve ter uma faixa variável para tensão e corrente. Considerando esta demanda, o limitador de corrente pode ser ajustado simplesmente adicionando um resistor variável com a base de T3, conforme mostrado abaixo:

VR2 divide a queda de tensão em R2 e, portanto, permite que o T3 ligue em uma corrente de saída desejada específica.

Calculando os valores das peças

Vamos começar com os resistores, R1 pode ser calculado com a seguinte fórmula:

R1 = (Vin - MaxVE) hFE / Corrente de saída

Aqui desde MaxVE = Vinho - 0,7

Portanto, podemos simplificar a primeira equação como R1 = 0,7hFE / Corrente de saída

VR1 pode ser um potenciômetro de 10 k para tensões de até 60 V

O limitador de corrente R2 pode ser calculado conforme abaixo:

R2 = 0,7 / Corrente de saída máxima

A corrente de saída máxima deve ser selecionada 5 vezes menor que a Id máxima de T1, se T1 precisar funcionar sem um dissipador de calor. Com um grande dissipador de calor instalado no T1, a corrente de saída pode ser 3/4 da Id do T1.

VR2 pode ser simplesmente um potenciômetro ou preset de 1k.

T1 deve ser selecionado de acordo com o requisito de corrente de saída. A classificação de Id do T1 deve ser 5 vezes mais do que a corrente de saída necessária, se for operado sem um dissipador de calor. Com um grande dissipador de calor instalado, a classificação T1 Id deve ser pelo menos 1,33 vezes mais do que a corrente de saída necessária.

O coletor / emissor máximo ou VCE para T1 deve ser idealmente duas vezes o valor da especificação de tensão de saída máxima.

O valor do diodo zener D1 pode ser selecionado dependendo do requisito de saída de tensão mais baixo ou mínimo da fonte de alimentação de bancada.

A classificação T2 dependerá do valor R1. Visto que a tensão em R1 será sempre 0,7 V, o VCE de T2 torna-se imaterial e pode ser qualquer valor mínimo. O Id de T2 deve ser tal que seja capaz de lidar com a corrente de base de T1, conforme determinado pelo valor de R1

As mesmas regras também se aplicam ao T3.

Em geral, T2 e T3 podem ser qualquer transistor de propósito geral de pequeno sinal, como BC547 ou talvez um 2N2222 .

Design Prático

Tendo compreendido todos os parâmetros para projetar uma fonte de alimentação de bancada personalizada, é hora de implementar os dados em um protótipo prático, conforme mostrado abaixo:

Você pode encontrar alguns componentes adicionais introduzidos no projeto, que são simplesmente para aumentar a capacidade de regulação do circuito.

C2 é introduzido para limpar qualquer ondulação residual nas bases T1, T2.

O T2 junto com o T1 forma um Par de Darlington para aumentar o ganho atual da saída.

R3 é adicionado para melhorar a condução do diodo zener e, portanto, para garantir uma melhor regulação geral.

R8 e R9 são adicionados para permitir que a tensão de saída seja regulada em uma faixa fixa, que não é crítica.

O R7 define a corrente máxima que pode ser acessada na saída, que é:

I = 0,7 / 0,47 = 1,5 amperes, e isso parece bastante baixo em comparação com a classificação do Transistor 2N3055 . Embora isso possa manter o transistor super resfriado, pode ser possível aumentar este valor em até 8 amperes se o 2N3055 for montado sobre um grande dissipador de calor.

Diminuindo a Dissipação para Aumentar a Eficiência

A maior desvantagem de qualquer regulador linear baseado em transistor em série é a grande dissipação de transistor. E isso acontece quando o diferencial de entrada / saída é alto.

Ou seja, quando a tensão é ajustada para uma tensão de saída mais baixa, o transistor tem que trabalhar duro para controlar o excesso de tensão, que é então liberado como calor do transistor.

Por exemplo, se a carga for um LED de 3,3 V e a alimentação de entrada para a fonte de alimentação de bancada for 15 V, a tensão de saída deve ser reduzida para 3,3 V, que é 15 - 3,3 = 11,7 V menos. E essa diferença é convertida em calor pelo transistor, o que pode significar uma perda de eficiência de mais de 70%.

No entanto, este problema pode ser resolvido simplesmente usando um transformador com enrolamento de saída de tensão derivada.

Por exemplo, o transformador pode ter derivações de 5 V, 7,5 V, 10 V, 12 V e assim por diante.

Dependendo da carga, as torneiras podem ser selecionadas para alimentar o circuito regulador . Depois disso, o potenciômetro de ajuste de tensão do circuito pode ser usado para ajustar ainda mais o nível de saída precisamente para o valor desejado.

Essa técnica aumentaria a eficiência a um nível muito alto, permitindo que o dissipador de calor do transistor fosse menor e compacto.