Comment concevoir un circuit d'alimentation de banc stabilisé

Dans cet article, nous discutons de la manière dont une alimentation de table efficace et efficace, mais très bon marché et stabilisée, peut être conçue par tout amateur d'électronique pour tester en toute sécurité tous les types de projets et prototypes électroniques.

Les principales caractéristiques d'une alimentation de table sont:

• Doit être construit avec des composants bon marché et facilement disponibles
• Doit être flexible avec ses plages de tension et de courant, ou doit simplement inclure la possibilité d'une tension variable et de sorties de courant variables.
• Doit être protégé contre les surintensités et les surcharges.
• Devrait être facilement réparable, en cas de problème.
• Doit être raisonnablement efficace avec sa puissance de sortie.
• Devrait faciliter facilement la personnalisation selon une spécification souhaitée.

Description générale

La majorité des conceptions d'alimentation électrique incorporent jusqu'à présent un stabilisateur linéaire en série. Cette conception utilise un transistor passe qui fonctionne comme une résistance variable, régulée par une diode Zener.

Le système d'alimentation en série est le plus populaire, peut-être en raison du fait qu'il est beaucoup plus efficace. À l'exception de quelques pertes mineures dans le Zener et la résistance d'alimentation, une perte notable ne se produit que dans le transistor passe-série pendant la période pendant laquelle il fournit du courant à la charge.

Cependant, un inconvénient du système d'alimentation en série est que ceux-ci ne fournissent aucun type de court-circuit de charge de sortie. Cela signifie que pendant les conditions de défaut de sortie, le transistor de passage peut permettre à un courant important de le traverser, se détruisant éventuellement lui-même et éventuellement la charge connectée également.

Cela dit, l'ajout d'un protection de court circuit à un banc d'alimentation en série peut être rapidement mis en œuvre via un autre transistors configuré comme un étage de commande de courant.

Le régulateur de tension variable est réalisé grâce à un simple transistor, retour potentiomètre.

Les deux ajouts ci-dessus permettent une alimentation en série de bancs d'alimentation très polyvalente, robuste, bon marché, universelle et pratiquement indestructible.

Dans les paragraphes suivants, nous apprendrons brièvement la conception des différentes étapes impliquées dans une alimentation de banc stabilisée standard.

Régulateur de tension à transistor le plus simple

Un moyen rapide d'obtenir une tension de sortie réglable est de brancher la base du pass transistor avec potentiomètre et diode Zener comme indiqué dans la figure ci-dessous.

Dans ce circuit, le T1 est truqué comme un émetteur-suiveur BJT , où sa tension de base VB décide de sa tension côté émetteur VE. VE et VB correspondront précisément l'un à l'autre, et seront presque égaux, en déduisant sa chute vers l'avant.

La tension de chute directe de tout BJT est généralement de 0,7 V, ce qui implique que la tension côté émetteur sera:

VE = VB - 0,7

Utilisation d'une boucle de rétroaction

Bien que ce qui précède la conception est facile à construire et très bon marché , ce type d'approche n'offre pas une grande régulation de la puissance aux niveaux de tension les plus bas.

C'est exactement pourquoi une commande de type à rétroaction est normalement utilisée pour obtenir une régulation améliorée sur toute la plage de tension, comme le montre la figure ci-dessous.

Dans cette configuration, la tension de base de T1, et donc la tension de sortie, est contrôlée par la chute de tension aux bornes de R1, principalement due au courant tiré par T2.

Lorsque le bras coulissant du pot VR1 est à l'extrémité extrême côté terre, T2 devient coupé puisque maintenant sa base devient mise à la terre, permettant la seule chute de tension à travers R1 provoquée par le courant de base de T1. Dans cette situation, la tension de sortie de l'émetteur T1 sera presque la même que la tension du collecteur et peut être donnée comme suit:

VE = Vin - 0,7 , ici VE est la tension côté émetteur de T1, et 0,7 est la valeur de chute de tension directe standard pour les fils base / émetteur BJT T1.

Ainsi, si l'alimentation d'entrée est de 15 V, on peut s'attendre à ce que la sortie soit:

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

Maintenant, lorsque le bras coulissant du pot VR1 est déplacé vers l'extrémité positive supérieure, T2 accède à toute la tension côté émetteur de T1, ce qui provoque une conduite très dure de T2. Cette action connectera directement le diode zener D1 avec R1. Cela signifie que la tension de base VB du T1 sera simplement égale à la tension Zener Vz. Ainsi, la sortie sera:

VE = Vz - 0,7

Par conséquent, si la valeur D1 est de 6 V, on peut s'attendre à ce que la tension de sortie soit juste:

VE = 6 - 0,7 = 5,3 V , de sorte que la tension Zener décide de la tension de sortie minimale possible qui pourrait être obtenue à partir de alimentation en série lorsque le pot est tourné à son réglage le plus bas.

Bien que ce qui précède soit facile et efficace pour réaliser une alimentation de table, il présente un inconvénient majeur de ne pas être protégé contre les courts-circuits. Cela signifie que si les bornes de sortie du circuit sont accidentellement court-circuitées ou si un courant de surcharge est appliqué, le T1 va rapidement chauffer et brûler.

Pour éviter cette situation, la conception pourrait être simplement améliorée en ajoutant un fonction de contrôle actuelle comme expliqué dans la section suivante.

Ajout d'une protection contre les courts-circuits de surcharge

Une simple inclusion de T3 et R2 permet à la conception du circuit d'alimentation du banc d'être à 100% étanche aux courts-circuits et courant contrôlé . Avec cette conception, même un court-circuit intentionnel à la sortie ne causera aucun dommage au T1.

Le fonctionnement de cette étape pourrait être compris comme suit:

Dès que le courant de sortie a tendance à dépasser la valeur de sécurité définie, une quantité proportionnelle de différence de potentiel aux bornes de R2 est développée, suffisante pour activer le transistor T3 dur.

Lorsque T3 est activé, la base T1 est jointe à sa ligne d'émetteur, ce qui désactive instantanément la conduction T1, et cette situation est maintenue jusqu'à ce que le court-circuit ou la surcharge de sortie soit supprimé. De cette manière, T1 est protégé de toute situation de sortie indésirable.

Ajout d'une fonction de courant variable

Dans la conception ci-dessus, la résistance de capteur de courant R2 peut être une valeur fixe si la sortie doit être une sortie de courant constant. Cependant, une bonne alimentation de table est censée avoir une plage variable pour la tension et le courant. Compte tenu de cette demande, le limiteur de courant pourrait être rendu réglable simplement en ajoutant un Resistance variable avec la base de T3, comme illustré ci-dessous:

VR2 divise la chute de tension sur R2 et permet ainsi au T3 de s'allumer à un courant de sortie spécifique souhaité.

Calcul des valeurs de pièce

Commençons par les résistances, R1 peut être calculé avec la formule suivante:

R1 = (Vin - MaxVE) hFE / Courant de sortie

Ici, depuis MaxVE = Vin - 0.7

Par conséquent, nous simplifions la première équation comme R1 = 0.7hFE / courant de sortie

VR1 peut être un pot de 10 k pour des tensions jusqu'à 60 V

Le limiteur de courant R2 peut être calculé comme indiqué ci-dessous:

R2 = 0,7 / courant de sortie maximum

Le courant de sortie maximum doit être sélectionné 5 fois inférieur à l'Id maximum T1, si T1 doit fonctionner sans dissipateur thermique. Avec un grand dissipateur thermique installé sur T1, le courant de sortie peut être de 3/4 de T1 Id.

VR2 peut être simplement un pot 1k ou un preset.

T1 doit être sélectionné selon l'exigence de courant de sortie. La valeur nominale T1 Id doit être 5 fois supérieure au courant de sortie requis, si elle doit être utilisée sans dissipateur thermique. Avec un grand dissipateur de chaleur installé, la cote T1 Id doit être au moins 1,33 fois plus élevée que le courant de sortie requis.

Le collecteur / émetteur maximal ou VCE pour T1 devrait idéalement être deux fois la valeur de la spécification de tension de sortie maximale.

La valeur de la diode Zener D1 peut être sélectionnée en fonction de l'exigence de sortie de tension la plus basse ou la plus basse de l'alimentation du banc.

La cote T2 dépendra de la valeur R1. Comme la tension aux bornes de R1 sera toujours de 0,7 V, le VCE de T2 devient immatériel et peut être n'importe quelle valeur minimale. L'Id de T2 doit être tel qu'il est capable de gérer le courant de base de T1, tel que déterminé par la valeur de R1

Les mêmes règles s'appliquent également pour T3.

En général, T2 et T3 peuvent être n'importe quel petit transistor à usage général de signal tel que BC547 ou peut-être un 2N2222 .

Conception pratique

Après avoir compris tous les paramètres pour concevoir une alimentation de banc personnalisée, il est temps de mettre en œuvre les données dans un prototype pratique, comme indiqué ci-dessous:

Vous pouvez trouver quelques composants supplémentaires introduits dans la conception, qui visent simplement à améliorer la capacité de régulation du circuit.

C2 est introduit pour nettoyer toute ondulation résiduelle aux bases T1, T2.

Le T2 avec T1 forme un Paire de Darlington pour augmenter le gain de courant de la sortie.

R3 est ajouté pour améliorer la conduction de la diode Zener et donc assurer une meilleure régulation globale.

R8 et R9 sont ajoutés pour permettre à la tension de sortie d'être régulée sur une plage fixe, qui ne sont pas critiques.

Le R7 définit le courant maximal accessible à la sortie, qui est:

I = 0,7 / 0,47 = 1,5 ampère, et cela semble assez faible par rapport à la note du Transistor 2N3055 . Bien que cela puisse garder le transistor super froid, il peut être possible d'augmenter cette valeur jusqu'à 8 ampères si le 2N3055 est monté sur un grand dissipateur thermique.

Diminuer la dissipation pour augmenter l'efficacité

Le plus gros inconvénient de tout régulateur linéaire basé sur un transistor en série est la dissipation élevée du transistor. Et cela se produit lorsque le différentiel d'entrée / sortie est élevé.

Cela signifie que lorsque la tension est ajustée vers une tension de sortie inférieure, le transistor doit travailler dur pour contrôler la tension excessive, qui est ensuite libérée sous forme de chaleur par le transistor.

Par exemple, si la charge est une LED de 3,3 V et que l'alimentation d'entrée de l'alimentation du banc est de 15 V, la tension de sortie doit être abaissée à 3,3 V, soit 15 - 3,3 = 11,7 V de moins. Et cette différence est convertie en chaleur par le transistor, ce qui pourrait entraîner une perte d'efficacité de plus de 70%.

Cependant, ce problème peut être simplement résolu en utilisant un transformateur avec enroulement de sortie de tension à prises.

Par exemple, le transformateur peut avoir des prises de 5 V, 7,5 V, 10 V, 12 V, etc.

En fonction de la charge, les robinets peuvent être sélectionnés pour alimenter le circuit régulateur . Après cela, le potentiomètre de réglage de tension du circuit pourrait être utilisé pour ajuster davantage le niveau de sortie précisément à la valeur souhaitée.

Cette technique augmenterait l'efficacité à un niveau très élevé, permettant au dissipateur thermique du transistor d'être plus petit et compact.