Cómo diseñar un circuito de fuente de alimentación de banco estabilizado

En este artículo, analizamos cómo cualquier aficionado a la electrónica puede diseñar una fuente de alimentación de banco estabilizada, eficaz y eficiente, pero muy económica, para probar de forma segura todo tipo de proyectos y prototipos electrónicos.

Las principales características que debe tener una fuente de alimentación de banco son:

• Debe construirse con componentes baratos y fácilmente disponibles.
• Debe ser flexible con sus rangos de voltaje y corriente, o simplemente debe incluir la facilidad de un voltaje variable y salidas de corriente variable.
• Debe estar protegido contra sobrecorriente y sobrecarga.
• Debe ser fácilmente reparable, en caso de que surja un problema.
• Debe ser razonablemente eficiente con su potencia de salida.
• Debe facilitar la personalización según la especificación deseada.

Descripción general

La mayoría de los diseños de fuentes de alimentación incorporan hasta ahora un estabilizador de serie lineal. Este diseño utiliza un transistor de paso que funciona como una resistencia variable, regulada por un diodo Zener.

El sistema de suministro de energía en serie es el más popular, posiblemente debido al hecho de que es mucho más eficiente. Excepto por alguna pérdida menor en el Zener y la resistencia de alimentación, una pérdida notable solo ocurre en el transistor de paso en serie durante el período en el que está suministrando corriente a la carga.

Sin embargo, una desventaja del sistema de suministro de energía en serie es que estos no proporcionan ningún tipo de cortocircuito de carga de salida. Es decir, durante las condiciones de falla de salida, el transistor de paso puede permitir que fluya una gran corriente a través de él, que eventualmente se destruye a sí mismo y posiblemente también a la carga conectada.

Dicho esto, agregando un protección contra cortocircuitos a una fuente de alimentación de banco de paso en serie se puede implementar rápidamente a través de otros transistores configurados como una etapa de controlador de corriente.

los controlador de voltaje variable se logra a través de un transistor simple, retroalimentación de potenciómetro.

Las dos adiciones anteriores permiten una fuente de alimentación de banco de paso en serie altamente versátil, resistente, barata, universal y prácticamente indestructible.

En los siguientes párrafos aprenderemos brevemente el diseño de las diversas etapas involucradas en una fuente de alimentación de banco estabilizada estándar.

Regulador de voltaje de transistor más fácil

Una forma rápida de obtener un voltaje de salida ajustable es conectar la base del pase transistor con potenciómetro y diodo Zener como se muestra en la figura siguiente.

En este circuito, el T1 está montado como un emisor-seguidor BJT , donde su voltaje base VB decide su voltaje del lado emisor VE. Tanto VE como VB se corresponderán con precisión entre sí, y serán casi iguales, deduciendo su caída hacia adelante.

El voltaje de caída directo de cualquier BJT es típicamente de 0,7 V, lo que implica que el voltaje del lado del emisor será:

VE = VB - 0,7

Usar un bucle de retroalimentación

Aunque lo anterior el diseño es fácil de construir y muy económico , este tipo de enfoque no ofrece una gran regulación de la potencia en los niveles de voltaje más bajos.

Esta es exactamente la razón por la que normalmente se emplea un control de tipo retroalimentación para obtener una regulación mejorada en todo el rango de voltaje, como se muestra en la figura siguiente.

En esta configuración, el voltaje base de T1, y por lo tanto el voltaje de salida, está controlado por la caída de voltaje en R1, principalmente debido a la corriente tirada por T2.

Cuando el brazo deslizante del potenciómetro VR1 está en el extremo del lado de tierra, T2 se corta ya que ahora su base se conecta a tierra, permitiendo la única caída de voltaje a través de R1 causada por la corriente de base de T1. En esta situación, el voltaje de salida en el emisor T1 será casi el mismo que el voltaje del colector, y se puede dar como:

VE = Vin - 0,7 , aquí VE es el voltaje del lado del emisor de T1, y 0.7 es el valor de caída de voltaje directo estándar para los cables de base / emisor BJT T1.

Entonces, si la fuente de entrada es de 15 V, se puede esperar que la salida sea:

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

Ahora, cuando el brazo deslizante del potenciómetro VR1 se mueve hacia el extremo positivo superior, hará que T2 acceda a todo el voltaje del lado del emisor de T1, lo que hará que T2 conduzca con mucha fuerza. Esta acción conectará directamente el diodo Zener D1 con R1. Es decir, ahora el voltaje base VB del T1 será simplemente igual al voltaje zener Vz. Entonces la salida será:

VE = Vz - 0,7

Por lo tanto, si el valor D1 es 6 V, se puede esperar que el voltaje de salida sea justo:

VE = 6 - 0,7 = 5,3 V , por lo que el voltaje zener decide el voltaje de salida mínimo posible que se puede obtener de este fuente de alimentación del paso de la serie cuando la olla se gira en su posición más baja.

Aunque lo anterior es fácil y efectivo para hacer una fuente de alimentación de banco, tiene una gran desventaja de no ser a prueba de cortocircuitos. Eso significa que si los terminales de salida del circuito se cortocircuitan accidentalmente o se aplica una corriente de sobrecarga, el T1 se calentará y se quemará rápidamente.

Para evitar esta situación, el diseño podría actualizarse simplemente agregando un función de control actual como se explica en la siguiente sección.

Adición de protección contra cortocircuitos de sobrecarga

Una simple inclusión de T3 y R2 permite que el diseño del circuito de la fuente de alimentación del banco sea 100% a prueba de cortocircuitos y corriente controlada . Con este diseño, incluso un cortocircuito intencional en la salida no causará ningún daño al T1.

El funcionamiento de esta etapa podría entenderse de la siguiente manera:

Tan pronto como la corriente de salida tiende a ir más allá del valor seguro establecido, se desarrolla una cantidad proporcional de diferencia de potencial en R2, suficiente para encender el transistor T3 con fuerza.

Con T3 en ON provoca que la base T1 se una a su línea emisora, lo que deshabilita instantáneamente la conducción T1, y esta situación se mantiene hasta que se elimina el cortocircuito o sobrecarga de salida. De esta manera, T1 está protegido de cualquier situación de salida no deseada.

Agregar una característica de corriente variable

En el diseño anterior, la resistencia R2 del sensor de corriente puede ser un valor fijo si se requiere que la salida sea una salida de corriente constante. Sin embargo, se supone que una buena fuente de alimentación de banco tiene un rango variable tanto para voltaje como para corriente. Teniendo en cuenta esta demanda, el limitador de corriente podría ajustarse simplemente agregando un resistencia variable con la base de T3, como se muestra a continuación:

VR2 divide la caída de voltaje en R2 y, por lo tanto, permite que el T3 se encienda a una corriente de salida deseada específica.

Calcular los valores de las piezas

Comencemos con las resistencias, R1 se puede calcular con la siguiente fórmula:

R1 = (Vin - MaxVE) hFE / Corriente de salida

Aquí, desde MaxVE = Vino - 0,7

Por lo tanto, simplificamos la primera ecuación como R1 = 0.7hFE / Corriente de salida

VR1 puede ser un potenciómetro de 10 k para voltajes de hasta 60 V

El limitador de corriente R2 se puede calcular como se indica a continuación:

R2 = 0.7 / Corriente de salida máxima

La corriente de salida máxima debe seleccionarse 5 veces menor que el Id máximo de T1, si se requiere que T1 funcione sin un disipador de calor. Con un disipador de calor grande instalado en T1, la corriente de salida puede ser 3/4 de T1 Id.

VR2 puede ser simplemente un potenciómetro de 1k o un preajuste.

T1 debe seleccionarse según el requisito de corriente de salida. La clasificación de T1 Id debe ser 5 veces mayor que la corriente de salida requerida, si se va a operar sin un disipador de calor. Con un disipador de calor grande instalado, la clasificación de T1 Id debe ser al menos 1,33 veces mayor que la corriente de salida requerida.

El colector / emisor máximo o VCE para T1 debería ser idealmente el doble del valor de la especificación de voltaje de salida máximo.

El valor del diodo Zener D1 se puede seleccionar según el requisito de salida de voltaje más bajo o mínimo de la fuente de alimentación del banco.

La calificación T2 dependerá del valor R1. Dado que el voltaje en R1 será siempre de 0,7 V, el VCE de T2 se vuelve irrelevante y puede ser cualquier valor mínimo. El Id de T2 debe ser tal que pueda manejar la corriente de base de T1, según lo determinado por el valor de R1

Las mismas reglas se aplican también para T3.

En general, T2 y T3 pueden ser cualquier transistor de propósito general de pequeña señal como BC547 o tal vez un 2N2222 .

Diseño practico

Habiendo entendido todos los parámetros para diseñar una fuente de alimentación de banco personalizada, es hora de implementar los datos en un prototipo práctico, como se muestra a continuación:

Puede encontrar algunos componentes adicionales introducidos en el diseño, que son simplemente para mejorar la capacidad de regulación del circuito.

Se introduce C2 para limpiar cualquier ondulación residual en las bases T1, T2.

La T2 junto con la T1 forma una Par de Darlington para aumentar la ganancia de corriente de la salida.

Se agrega R3 para mejorar la conducción del diodo Zener y, por lo tanto, para garantizar una mejor regulación general.

Se agregan R8 y R9 para permitir que el voltaje de salida se regule en un rango fijo, que no es crítico.

El R7 establece la corriente máxima a la que se puede acceder en la salida, que es:

I = 0,7 / 0,47 = 1,5 amperios, y esto parece bastante bajo en comparación con la clasificación del Transistor 2N3055 . Aunque esto podría mantener el transistor súper frío, es posible aumentar este valor hasta 8 amperios si el 2N3055 está montado sobre un disipador de calor grande.

Reducir la disipación para aumentar la eficiencia

La mayor desventaja con cualquier regulador lineal basado en transistores en serie es la gran cantidad de disipación del transistor. Y esto sucede cuando el diferencial de entrada / salida es alto.

Es decir, cuando el voltaje se ajusta hacia un voltaje de salida más bajo, el transistor tiene que trabajar duro para controlar el exceso de voltaje, que luego se libera como calor del transistor.

Por ejemplo, si la carga es un LED de 3,3 V y la alimentación de entrada a la fuente de alimentación del banco es de 15 V, entonces el voltaje de salida debe reducirse a 3,3 V, que es 15 - 3,3 = 11,7 V menos. Y esta diferencia es convertida en calor por el transistor, lo que podría significar una pérdida de eficiencia de más del 70%.

Sin embargo, este problema se puede resolver simplemente utilizando un transformador con bobinado de salida de tensión con derivación.

Por ejemplo, el transformador puede tener tomas de 5 V, 7,5 V, 10 V, 12 V, etc.

Dependiendo de la carga, se pueden seleccionar los grifos para alimentar el circuito regulador . Después de esto, el potenciómetro de ajuste de voltaje del circuito podría usarse para ajustar aún más el nivel de salida con precisión al valor deseado.

Esta técnica aumentaría la eficiencia a un nivel muy alto, permitiendo que el disipador de calor del transistor sea más pequeño y compacto.