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Regulador de voltaje lineal ajustable en transistores TL431 y NPN

Hola a todos!
Recientemente, me interesé en el montaje de circuitos estabilizadores de voltaje lineales. Tales esquemas no requieren detalles raros, y la selección de componentes y el ajuste tampoco causa dificultades especiales. Esta vez decidí ensamblar un circuito estabilizador de voltaje lineal en el "diodo zener regulado" (microcircuito) TL431. TL431 actúa como una fuente de voltaje de referencia, y el poderoso transistor NPN en el paquete TO -220 desempeña el papel de potencia.

Con un voltaje de entrada de 19V, el circuito puede servir como fuente de voltaje estabilizado en el rango de 2.7 a 16 V a una corriente de hasta 4A. El estabilizador está diseñado como un módulo montado en una placa de pruebas. Se ve así:



Video:


El estabilizador requiere una fuente de alimentación de CC. Tiene sentido usar un estabilizador de este tipo con una fuente de alimentación lineal clásica, que consta de un transformador de hierro, un puente de diodos y un condensador grande. El voltaje en la red puede variar según la carga y, como resultado, el voltaje en la salida del transformador cambiará. Este circuito proporcionará un voltaje de salida estable con una entrada variable. Debe comprender que un estabilizador de tipo descendente, así como en el circuito en sí mismo, cae 1-3 V, por lo que el voltaje de salida máximo siempre será menor que la entrada.

En principio, las fuentes de alimentación conmutadas se pueden utilizar como fuente de alimentación para este estabilizador, por ejemplo, desde una computadora portátil de 19 V. Pero en este caso, el papel de la estabilización será mínimo, porque Fuentes de alimentación conmutadas de fábrica, etc.

Esquema:


Selección de componentes.
La corriente máxima que el chip TL431 puede pasar a través de sí mismo, según la documentación, es de 100 mA. En mi caso, limité la corriente con un margen a aproximadamente 80 mA usando la resistencia R1. Es necesario calcular la resistencia por las fórmulas.

Primero debe determinar la resistencia de la resistencia. Con un voltaje de entrada máximo de 19 V, de acuerdo con la ley de Ohm, la resistencia se calcula de la siguiente manera:
R = U / I = 19V / 0.08A = 240 ohmios

Es necesario calcular la potencia de la resistencia R1:
P = I ^ 2 * R = 0.08 A * 0.08 A * 240 ohmios = 1.5 vatios

Usé una resistencia soviética de 2 vatios

Las resistencias R2 y R3 forman un divisor de voltaje que "programa" TL431, y la resistencia R3 es variable, lo que le permite cambiar el voltaje de referencia, que luego se repite en una cascada de transistores. Usé R2 - 1K ohm, R3 - 10K ohm. La potencia de la resistencia R2 depende de la tensión de salida. Por ejemplo, con un voltaje de salida de 19V:
P = U ^ 2 / R = 19 * 19/1000 = 0.361 vatios

Usé una resistencia de 1 vatio.

La resistencia R4 se usa para limitar la corriente basada en el transistor VT2. Es mejor seleccionar la clasificación experimentalmente, controlando el voltaje de salida. Si la resistencia es demasiado grande, esto limitará significativamente el voltaje de salida del circuito. En mi caso, son 100 ohmios, cualquier potencia es adecuada.

Como el transistor de potencia principal (VT1), es mejor usar transistores en el caso TO - 220 o más potente (TO247, TO-3). Usé el transistor E13009, compré en Ali Express. Transistor para voltaje hasta 400V y corriente hasta 12A. Para tal circuito, un transistor de alto voltaje no es la solución más óptima, pero funcionará bien. El transistor es probablemente falso y 12 A no se mantendrá, pero 5-6A es bastante. En nuestro circuito, la corriente es de hasta 4A, por lo tanto, adecuada para este circuito. En este esquema, el transistor debe ser capaz de disipar potencia de hasta 30-35 vatios.

La disipación de potencia se calcula como la diferencia entre el voltaje de entrada y salida multiplicado por la corriente del colector:
P = (salida U - entrada U) * I colector
Por ejemplo, el voltaje de entrada es de 19 V, establecemos el voltaje de salida en 12 V y la corriente del colector es de 3 A
P = (19V-12V) * 3A = 21 vatios: esta es una situación completamente normal para nuestro transistor.

Y si continuamos reduciendo el voltaje de salida a 6V, la imagen será diferente:
P = (19V-6V) * 3A = 39 vatios, lo que no es muy bueno para un transistor en un paquete TO-220 (también debe tener en cuenta que cuando el transistor está cerrado, la corriente también disminuirá: en 6V la corriente será de aproximadamente 2-2.5A, y no 3). En este caso, es mejor usar otro transistor en un caso más masivo, o reducir la diferencia entre el voltaje de entrada y el de salida (por ejemplo, si la fuente de alimentación es transformadora, cambiando los devanados).

Además, el transistor debe estar clasificado para una corriente de 5A o más. Es mejor tomar un transistor con un coeficiente de transferencia de corriente estática de 20. El transistor chino cumple completamente con estos requisitos. Antes de sellar el circuito, lo revisé (disipación de corriente y potencia) en un soporte especial.

Porque TL431 puede producir una corriente de no más de 100 mA, y para alimentar la base del transistor requiere más corriente, necesitará otro transistor, que amplificará la corriente de la salida del chip TL431, repitiendo el voltaje de referencia. Para esto, necesitamos un transistor VT2.
El transistor VT2 debe poder suministrar suficiente corriente a la base del transistor VT1.

Es posible determinar aproximadamente la corriente requerida a través del coeficiente de transferencia de corriente estática (h21e o hFE o β) del transistor VT1. Si queremos tener una corriente de 4 A en la salida, y el coeficiente de transferencia de corriente estática VT1 es 20, entonces:
I base = I colector / β = 4 A / 20 = 0.2 A.

El coeficiente de transferencia de corriente estática variará dependiendo de la corriente del colector, por lo que este valor es indicativo. La medición en la práctica mostró que es necesario suministrar aproximadamente 170 mA a la base del transistor VT1 para que la corriente del colector sea 4A. Los transistores en el paquete TO-92 comienzan a calentarse notablemente a corrientes superiores a 0.1 A, por lo que en este circuito utilicé el transistor KT815A en el paquete TO-126. El transistor está diseñado para una corriente de hasta 1.5A, el coeficiente estático de transferencia de corriente es de aproximadamente 75. Un pequeño disipador térmico para este transistor será apropiado.
El condensador C3 es necesario para estabilizar el voltaje sobre la base del transistor VT1, el valor nominal es de 100 μF, el voltaje es de 25V.

Los filtros de los condensadores se instalan en la salida y entrada: C1 y C4 (electrolítico a 25 V, 1000 μF) y C2, C5 (cerámica 2-10 μF).
El diodo D1 sirve para proteger el transistor VT1 de la corriente inversa. El diodo D2 es necesario para proteger contra un transistor cuando se suministran motores de colector. Cuando se apaga la energía, los motores giran por un tiempo y en el modo de frenado funcionan como generadores. La corriente generada de esta manera va en la dirección opuesta y puede dañar el transistor.El diodo en este caso cierra el motor y la corriente no llega al transistor. La resistencia R5 desempeña el papel de una pequeña carga para la estabilización en modo inactivo, el valor nominal es de 10k Ohm, cualquier potencia.

Asamblea
El circuito se ensambla como un módulo en una placa de pruebas. Usé un radiador de una fuente de alimentación conmutada.

Con un radiador de este tamaño, no debe cargar el circuito tanto como sea posible. Con una corriente de más de 1 A, es necesario reemplazar el radiador por uno más masivo, soplar con un ventilador tampoco dañará.

Es importante recordar que cuanto mayor es la diferencia entre el voltaje de entrada y salida y mayor es la corriente, se genera más calor y se necesita más enfriamiento.
Tomó alrededor de una hora para soldar. En principio, sería una buena forma hacer un tablero usando el método LUT, pero dado que Necesito un tablero en una sola copia, no quería perder el tiempo diseñando el tablero.

El resultado es un módulo de este tipo:

Después del ensamblaje, verifiqué las características:


El circuito prácticamente no tiene protección (lo que significa que no hay protección contra cortocircuitos, protección contra polaridad inversa, arranque suave, limitación de corriente, etc.), por lo que debe usarlo con mucho cuidado. Por la misma razón, no se recomienda utilizar tales esquemas en las fuentes de alimentación de "laboratorio". Para este propósito, los microcircuitos listos para usar en el paquete TO-220 son adecuados para corrientes de hasta 5A, por ejemplo, KR142EN22A. O al menos para este circuito, necesita hacer un módulo adicional para protección contra cortocircuito.

El circuito puede llamarse clásico, como la mayoría de los circuitos estabilizadores lineales. Los circuitos de pulso modernos tienen muchas ventajas, por ejemplo: mayor eficiencia, mucho menos calentamiento, dimensiones y peso más pequeños. Al mismo tiempo, los circuitos lineales son más fáciles de dominar para jamones principiantes, y si la eficiencia y las dimensiones no son particularmente importantes, son muy adecuadas para suministrar dispositivos con voltaje estabilizado.

Y, por supuesto, nada supera la sensación cuando conecté un dispositivo desde una fuente de alimentación hecha en casa, y los circuitos lineales para jamones principiantes son más accesibles, digan lo que digan.
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10 comentarios
El autor
Como prometí, verifiqué la estabilización del voltaje de salida cuando cambia la corriente de carga.
La estabilización funciona bien. Condiciones de prueba: voltaje de entrada -16V, salida - 12V. La corriente de carga cambió de aproximadamente 1.5 A a 3 A (una lámpara está encendida constantemente, conectando / desconectando una lámpara adicional). El voltaje de 12V se mantiene estable.
Cita: EandV
Por supuesto, puedo estar equivocado, pero en mi opinión, si se usan trabajadores de campo en el modo lineal (entreabierto), también se calentarán.
Según la ciencia de la física, también. )) ¿Cuál es la diferencia, qué transistor es bipolar, campo, IGBT, BSIT? Si una corriente lo atraviesa y el voltaje cae, entonces la potencia asignada a ella no depende del tipo de transistor. )))
El autor
Gracias
Sí, los circuitos lineales en transistores bipolares son esencialmente calderas. No puedes discutir con eso.
Personalmente, utilicé el trabajo de campo solo para circuitos de control PWM. Por supuesto, puedo estar equivocado, pero en mi opinión, si se utilizan trabajadores de campo en el modo lineal (entreabierto), también se calentarán. No se calientan solo cuando están completamente abiertos.
Alexander invitado
Felicitaciones por mucho trabajo realizado. Pero hay una cosa, pero los transistores bipolares sin enfriamiento (por agua) son difíciles de enfriar. Por esta razón, hace mucho que se ha ido al campo. Trate de no arrepentirse con los mismos parámetros, no se necesita un radiador grande
El autor
Es bueno hablar con personas que hacen comentarios sobre los méritos. En una serie de cuestiones me veo obligado a admitir su caso.
Pero aún quiero aclarar un par de puntos.
Esto es menos del 1%, pero generalmente cuando hablamos de estabilizadores, nos referimos a la carga en la salida.

Estoy de acuerdo con usted; necesitaba formularlo con mayor precisión. Creo que el significado general es claro: el voltaje en la red camina, aunque no mucho, también caminará en la salida del transformador.
Esta es tu información. En el video, cuando el voltaje disminuye, la corriente realmente disminuye (ley de Ohm), pero a una carga activa específica. Reduzca la resistencia de carga: la corriente aumentará.

Por supuesto, tiene razón, es inútil discutir, pero en la práctica, las personas que tienen al menos una experiencia mínima en electrónica probablemente no usarán estabilizadores lineales con una gran caída de voltaje y corrientes máximas (al menos eso espero).
Traté de transmitir esto con el siguiente texto, quizás no muy bien:
"P = (19V-6V) * 3A = 39 vatios, lo cual no es muy bueno para un transistor en el paquete TO-220 (también debe tener en cuenta que cuando el transistor está cerrado, la corriente también disminuirá: en 6V la corriente será de aproximadamente 2-2.5A, pero no 3). En este caso, es mejor usar otro transistor en un caso más masivo o reducir la diferencia entre el voltaje de entrada y el de salida (por ejemplo, si la fuente de alimentación es transformadora, cambiando los devanados) ".
El condensador no puede estabilizar el voltaje.

Nuevamente, la redacción no es la misma ... En general, con un condensador es mejor.

Gracias de nuevo por los comentarios constructivos. En nuestro tiempo, esto no suele suceder, por lo general solo dicen que el circuito no se puede usar, y el autor es enviado a leer algunos libros de texto clásicos sobre electrónica.
la tensión de red bajó un par de voltios
Esto es menos del 1%, pero generalmente cuando hablamos de estabilizadores, nos referimos a la carga en la salida.
No habrá 4A cuando se limite a 2.7V. Mira el video del artículo
Con un voltaje de entrada de 19V, el circuito puede servir como fuente de voltaje estabilizado en el rango de 2,7 hasta 16 V en corriente hasta 4A.
Esta es tu información. En el video, cuando el voltaje disminuye, la corriente realmente disminuye (ley de Ohm), pero a una carga activa específica. Reduzca la resistencia de carga: la corriente aumentará.
Sin C3, el voltaje de salida después del transistor camina un poco +/- 50 mA
Condensador C3 es necesario para estabilizar el voltaje basado en el transistor VT1
El condensador no puede estabilizar el voltaje. rascarse
El autor
No he intentado tal esquema, para ser honesto. Una variante interesante con un trabajador de campo.
Inicialmente, en el circuito descrito en el artículo, quería usar exactamente el transistor bipolar, o más bien de Darlington (tenía un par de KT827A extra por ahí). Entonces pensé que no todos tienen KT827A, pero no son baratos. Por lo tanto, hizo una opción con un transistor compuesto de piezas baratas.
El autor
Saludos!
Bueno, usted analizó directamente todo el artículo, ya estoy contento de que alguien haya leído todo tan cuidadosamente. No es de extrañar que signifique que escribí tanta haya.
Trataré de responder esencialmente:
¿Un trance de cartón no es adecuado?

El cartón no cabe sin ambigüedades, feríticamente - pulsado, también. Una vez pensé que el ferítico (hierro de alta frecuencia y 50 hercios) es lo mismo, ahora sé que no lo hay y me apresuro a mencionarlo. De repente, no soy el único en todo el mundo.
Que carga

La gente llegó por la noche después del trabajo, encendió televisores, estufas eléctricas, computadoras, etc., el voltaje en la red bajó un par de voltios (más relevante para ciudades pequeñas y áreas rurales, aunque las fluctuaciones pequeñas no son infrecuentes en Moscú)
¿Y cuándo cambia la corriente de carga?

Esta es la pregunta correcta, lo comprobaré.
¿Y la caída de voltaje en el TL431 no cuenta?

No tuvo en cuenta, porque en mi caso no es significativo, el transistor VT2 se amplifica con un margen. La tarea de seleccionar una resistencia para TL es limitar la corriente para que no se queme, si es un poco menos, no es fatal
Pmax = (19-2.7) * 4 = 65.2 W

Estimado, este es un circuito lineal, la limitación del voltaje de salida se obtiene debido a la limitación de la corriente por el transistor. No habrá 4A cuando se limite a 2.7V. Mire el video del artículo, allí puede ver claramente en las pruebas: a 2.7V, la corriente es 1.7A, es decir (19-2.7) * 1.7 = 27.7 vatios, ¡así que viva!
???

Sin C3, el voltaje de salida después del transistor camina un poco +/- 50 mA. En tales esquemas, vi cómo para este propósito también pusieron una resistencia que compensa la corriente inversa del colector de aproximadamente 4.7k entre la base y el emisor del transistor.
Con respecto al diodo, un error tipográfico (bueno, disculpe), "para proteger el transistor", quiero decir, estamos hablando de esto:
Si eres demasiado vago para leer, aquí hay una cita:
"Dado que el motor es una carga inductiva, debemos tener cuidado. Si la corriente fluye a través del devanado y de repente detenemos este flujo, entonces aparecerá un voltaje grande temporalmente en los terminales del devanado. Este voltaje puede dañar el transistor (en el diagrama anterior), causando una ruptura de la unión base-colector. Además, esto puede crear una interferencia significativa. Para evitar esto, es necesario conectar un diodo en paralelo con la carga inductiva "
¡Pero estoy totalmente de acuerdo con esto!

Después del resto de los comentarios, este es como un bálsamo para heridas)
Esta opción, creo, es más aceptable.
que consiste en hierro transformador
¿Un trance de cartón no es adecuado?
Voltaje en la red puede variar dependiendo de la carga
Que carga
Este circuito proporcionará un voltaje de salida estable con una entrada variable
¿Y cuándo cambia la corriente de carga?
R = U / I = 19V / 0.08A = 240 ohmios
¿Y la caída de voltaje en el TL431 no cuenta?
voltajes que van desde 2.7 a 16 V en corriente hasta 4A.
el transistor debe ser capaz de disipar potencia de hasta 30-35 vatios
Pmax = (19-2.7) * 4 = 65.2 W!
Condensador C3 es necesario estabilizar voltaje basado en el transistor VT1
Se necesita diodo D2 para protección de transistores cuando funciona con motores de colector
???
Para este propósito, los microcircuitos listos para usar en el paquete TO-220 son adecuados para corrientes de hasta 5 A, por ejemplo, KR142EN22A
¡Pero estoy totalmente de acuerdo con esto! sonrie

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