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.