Recentemente, fiquei interessado na montagem de circuitos estabilizadores de tensão linear. Esses esquemas não exigem detalhes raros, e a seleção de componentes e ajustes também não causa dificuldades especiais. Dessa vez, decidi montar um circuito estabilizador de tensão linear no "diodo zener regulado" (microcircuito) TL431. O TL431 atua como uma fonte de tensão de referência e o papel de potência é desempenhado por um potente transistor NPN no pacote TO -220.
Com uma tensão de entrada de 19V, o circuito pode servir como fonte de tensão estabilizada na faixa de 2,7 a 16 V a uma corrente de até 4A. O estabilizador é projetado como um módulo montado em uma tábua de pão. É assim:
Vídeo:
O estabilizador requer uma fonte de alimentação CC. Faz sentido usar esse estabilizador com uma fonte de alimentação linear clássica, composta por um transformador de ferro, uma ponte de diodos e um capacitor grande. A tensão na rede pode variar dependendo da carga e, como resultado, a tensão na saída do transformador mudará. Este circuito fornecerá uma tensão de saída estável com uma entrada variável. Você precisa entender que um estabilizador do tipo descendente, assim como o próprio circuito, cai de 1-3 V, para que a tensão máxima de saída sempre seja menor que a entrada.
Em princípio, as fontes de alimentação comutadas podem ser usadas como fonte de alimentação para este estabilizador, por exemplo, a partir de um laptop de 19 V. Mas neste caso, o papel da estabilização será mínimo, porque fontes de alimentação comutadas de fábrica e assim por diante tensão estabilizada de saída.
Esquema:
Seleção de componentes
A corrente máxima que o chip TL431 pode passar por ela mesma, de acordo com a documentação, é de 100 mA. No meu caso, limitei a corrente com uma margem para cerca de 80 mA usando o resistor R1. É necessário calcular o resistor de acordo com as fórmulas.
Primeiro você precisa determinar a resistência do resistor. A uma tensão máxima de entrada de 19 V, de acordo com a lei de Ohm, a resistência é calculada da seguinte forma:
R = U / I = 19V / 0,08A = 240 Ohm
É necessário calcular a potência do resistor R1:
P = I ^ 2 * R = 0,08 A * 0,08 A * 240 Ohms = 1,5 Watts
Eu usei um resistor soviético de 2 watts
Os resistores R2 e R3 formam um divisor de tensão que “programa” o TL431, e o resistor R3 é variável, o que permite alterar a tensão de referência, que é repetida em uma cascata de transistores. Eu usei R2 - 1K ohm, R3 - 10K ohm. A potência do resistor R2 depende da tensão de saída. Por exemplo, com uma tensão de saída de 19V:
P = U ^ 2 / R = 19 * 19/1000 = 0,361 watts
Eu usei um resistor de 1 watt.
O resistor R4 é usado para limitar a corrente com base no transistor VT2. É melhor selecionar a classificação experimentalmente, controlando a tensão de saída. Se a resistência for muito grande, isso limitará significativamente a tensão de saída do circuito. No meu caso, são 100 Ohms, qualquer potência é adequada.
Como principal transistor de potência (VT1), é melhor usar transistores no gabinete TO-220 ou mais potente (TO247, TO-3). Usei o transistor E13009, comprado no Ali Express. Transistor para tensão de até 400V e corrente de até 12A. Para esse circuito, um transistor de alta tensão não é a solução mais ideal, mas funcionará bem. O transistor é provavelmente falso e 12 A não suporta, mas 5-6A é bastante. Em nosso circuito, a corrente é de até 4A, portanto, adequada para este circuito. Nesse esquema, o transistor deve ser capaz de dissipar energia de até 30-35 watts.
A dissipação de energia é calculada como a diferença entre a tensão de entrada e saída multiplicada pela corrente do coletor:
P = (saída U - entrada U) * I coletor
Por exemplo, a tensão de entrada é 19 V, configuramos a tensão de saída para 12 V e a corrente do coletor é 3 A
P = (19V-12V) * 3A = 21 watts - esta é uma situação completamente normal para o nosso transistor.
E se continuarmos a reduzir a tensão de saída para 6V, a imagem será diferente:
P = (19V-6V) * 3A = 39 watts, o que não é muito bom para um transistor no pacote TO-220 (você também precisa levar em consideração que quando o transistor é fechado, a corrente também diminui: em 6V a corrente será de cerca de 2-2,5A, e não 3). Nesse caso, é melhor usar outro transistor em um caso mais massivo ou reduzir a diferença entre a tensão de entrada e saída (por exemplo, se a fonte de alimentação for um transformador, alternando os enrolamentos).
Além disso, o transistor deve ser classificado para uma corrente de 5A ou mais. É melhor usar um transistor com um coeficiente de transferência de corrente estática de 20. O transistor chinês atende totalmente a esses requisitos. Antes de selar o circuito, verifiquei (dissipação de corrente e potência) em um suporte especial.
Porque O TL431 pode produzir uma corrente não superior a 100 mA, e para alimentar a base do transistor requer mais corrente, você precisará de outro transistor, que amplificará a corrente da saída do chip TL431, repetindo a tensão de referência. Para isso, precisamos de um transistor VT2.
O transistor VT2 deve poder fornecer corrente suficiente à base do transistor VT1.
É possível determinar aproximadamente a corrente necessária através do coeficiente de transferência de corrente estática (h21e ou hFE ou β) do transistor VT1. Se quisermos ter uma corrente de 4 A na saída e o coeficiente de transferência de corrente estática VT1 for 20, então:
Base I = coletor / β = 4 A / 20 = 0,2 A.
O coeficiente de transferência de corrente estática variará dependendo da corrente do coletor, portanto esse valor é indicativo. A medição na prática mostrou que é necessário fornecer cerca de 170 mA à base do transistor VT1 para que a corrente do coletor seja 4A. Os transistores no pacote TO-92 começam a aquecer visivelmente em correntes acima de 0,1 A, então neste circuito eu usei o transistor KT815A no pacote TO-126. O transistor é projetado para corrente de até 1,5 A, o coeficiente estático de transferência de corrente é de cerca de 75. Um pequeno dissipador de calor para esse transistor será apropriado.
O capacitor C3 é necessário para estabilizar a tensão com base no transistor VT1, o valor nominal é 100 μF, a tensão é 25V.
Os filtros dos capacitores são instalados na saída e na entrada: C1 e C4 (eletrolítico em 25V, 1000 μF) e C2, C5 (cerâmica 2-10 μF).
O diodo D1 serve para proteger o transistor VT1 da corrente reversa. O diodo D2 é necessário para proteger contra um transistor ao fornecer motores coletores. Quando a energia é desligada, os motores giram por um tempo e, no modo de frenagem, funcionam como geradores. A corrente gerada dessa maneira vai na direção oposta e pode danificar o transistor.Neste caso, o diodo fecha o motor e a corrente não atinge o transistor. O resistor R5 desempenha o papel de uma pequena carga para estabilização no modo inativo, um valor nominal de 10k Ohm, qualquer potência.
Assembléia
O circuito é montado como um módulo em uma tábua de pão. Eu usei um radiador de uma fonte de alimentação comutada.
Com um radiador desse tamanho, você não deve carregar o circuito o máximo possível. Com uma corrente superior a 1 A, é necessário substituir o radiador por um mais maciço, soprar com um ventilador também não fará mal.
É importante lembrar que, quanto maior a diferença entre a tensão de entrada e saída e maior a corrente, mais calor é gerado e mais refrigeração é necessária.
Demorou cerca de uma hora para soldar. Em princípio, seria uma boa forma de montar uma placa usando o método LUT, mas desde Eu só preciso de um quadro em uma cópia, não queria perder tempo projetando o quadro.
O resultado é esse módulo:
Após a montagem, verifiquei as características:
O circuito praticamente não possui proteção (o que significa que não há proteção contra curto-circuito, proteção contra polaridade reversa, partida suave, limitação de corrente etc.), portanto, você deve usá-lo com muito cuidado. Pelo mesmo motivo, não é recomendável usar esses esquemas em fontes de alimentação "de laboratório". Para esse fim, os microcircuitos prontos no pacote TO-220 são adequados para correntes de até 5A, por exemplo, KR142EN22A. Ou pelo menos para este circuito, você precisa criar um módulo adicional para proteção contra curto-circuito.
O circuito pode ser chamado de clássico, como a maioria dos circuitos estabilizadores lineares. Os circuitos de pulso modernos têm muitas vantagens, por exemplo: maior eficiência, muito menos aquecimento, dimensões e peso menores. Ao mesmo tempo, os circuitos lineares são mais fáceis de dominar para presuntos iniciantes e, se a eficiência e as dimensões não forem particularmente importantes, são adequadas para fornecer dispositivos com tensão estabilizada.
E, é claro, nada pode ser comparado com a sensação de quando eu liguei algum dispositivo a partir de uma fonte de energia caseira, e os circuitos lineares para presuntos iniciantes são mais acessíveis, o que quer que se possa dizer.