Pourquoi mon expérience de régulateur de tension NPN / PNP a-t-elle explosé?

J'ai cherché des moyens de dériver des rails basse tension à partir d'une alimentation en tension et courant plus élevée, qui est en pratique d'environ 53-0-53 V à partir d'une alimentation linéaire (toroïdale, redresseur en pont et bouchons électrolytiques).

J'ai naïvement pensé que le circuit ci-dessous devrait produire une belle 30V à travers la charge de test R3, au lieu de cela, j'ai eu une diode Zener morte et une belle explosion du transistor Q2 qui était quelque peu inattendu et décevant. Il a en fait explosé sa jambe médiane, le pauvre.

L'idée est d'obtenir des rails + 15V et -15V pour alimenter un ampli op ou deux. Je m'attendais à ce que R1, D1 et R2 chutent respectivement de 38V, 30V et 38V et ainsi, comme une paire de régulateurs de série standard, l'émetteur de Q1 se stabiliserait à 15V (par rapport à l'hypothétique rail 0V qui n'est pas là) et de même le le collecteur de Q2 serait à -15V.

Qu'est ce que j'ai mal fait? Je me demande si j'ai mal compris le flux de courant à travers le PNP, ils font toujours frire mon cerveau à cause de leur nature inverse. Quoi qu'il en soit, quelle est mon erreur?

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mise à jour:

Le zener est maintenant un 1N4751A, 30 V à 8,5 mA, voir ces spécifications . Les résistances zener sont désormais 4K7 pour un courant zener d'environ 8,5 mA.

Après l'ajout de sources de tension, la simulation s'exécute et donne environ +/- 2,54 V sur le zener et +/- 2,1 V sur la résistance de sortie.

Étrange! Soit le simulateur ne sait pas que les zener zener à 30 V, soit les transistors consomment beaucoup de courant de base, mais avec une résistance de charge aussi importante, ce qui est peu probable.

Vous disposez déjà d'une alimentation CC non réglementée. Comme vous le dites, construit à partir d'un pont et de quelques condensateurs. Apparemment, vous avez également un robinet central sur votre secondaire de transformateur. Vous avez donc aussi un motif et$\pm53V$mesuré avec votre compteur pour les deux autres rails. Je suppose que ceci est probablement déchargé, donc vous en aurez probablement moins lors du chargement. Combien moins est la supposition de quiconque, car cela dépend beaucoup de la charge, de la conception de votre toroïde, des condensateurs et d'autres facteurs. Mais moins, c'est sûr.

Je suppose que vous essayez d'apprendre à concevoir votre propre $\pm 15V$alimentation pour utilisation avec des amplis-op. Donc, vous ne voulez pas nécessairement acheter une bonne offre (ils sont bon marché, de nos jours.) Et comme il s'agit d'apprendre, ce sera un design linéaire et non un commutateur. Ainsi, votre alimentation sera généralement inefficace, en termes de puissance. Mais ça vous va.

Peut-être que je projette, mais je pense que c'est une bonne idée pour commencer. C'est assez modeste pour que vous ayez toutes les raisons de réussir. Mais il y a suffisamment à apprendre pour que cela vaille la peine de se battre aussi. Je pense que ma toute première expérience d'apprentissage, où j'ai vraiment bien appris quelques choses, a été d'essayer de concevoir mon propre bloc d'alimentation comme celui-ci. À l'époque, je n'avais pratiquement pas le choix. Les fournitures de laboratoire existantes n'étaient pas disponibles pour un jeune adolescent. Et il n'y avait pas non plus d'ensemble de fournisseurs eBay bon marché pour les commutateurs de fantaisie basés sur les circuits intégrés. J'ai donc dû le faire moi-même ou m'en passer. Et face à cela, on apprend ou on s'en passe.

Votre approche ressemble peut-être un peu trop à un pilote de sortie récepteur / source utilisé dans tout, des amplificateurs opérationnels aux amplificateurs audio. Vous pouvez adopter l'approche que vous adoptez, mais vous devez en faire deux - une pour$+15V$ et un pour $-15V$. Et ils sont encore moins efficaces, car ils peuvent chaque source de votre rail (+) et couler vers votre rail (-), et vous devez les exécuter en classe AB. Il vous suffit vraiment de vous approvisionner à partir de (+) pour créer$+15V$ rail et couler à (-) pour faire le $-15V$ rail.

Juste comme remarque, il peut être judicieux d'inclure une paire de résistances de purge à votre batterie de condensateurs existante à la sortie de votre pont. Quelque chose pour se débarrasser de la charge stockée si vous éteignez les choses. Certains$\tfrac{1}{2}W$, $10k\Omega$résistances? Cela ne présenterait qu'un$5mA$ charge, lors de l'exécution.

Pendant que vous envisagez cette idée, essayez également de charger votre alimentation non réglementée existante pour mesurer ce qu'elle fait sous charge. J'essaierais quelque chose comme un$\ge 5W$, $1k\Omega$ résistance pour avoir une idée d'un $50mA$charge, mesurer la tension avec cette charge présente. J'essaierais alors quelque chose comme un$\ge 10W$, $270\Omega$ résistance pour voir ce qui se passe quand je m'approche $200mA$charge. Cela testera l'intégralité de votre système non réglementé et vous donnera une idée de ses limites. Ces valeurs ont été choisies au hasard. Si vous connaissez déjà les limites de votre tore, essayez deux valeurs de résistance différentes qui atteignent la charge maximale que vous prévoyez de prendre en charge et une autre pour atteindre peut-être 30% de la charge maximale. Et notez simplement les valeurs de tension mesurées. Il est utile d'avoir une idée de votre rail non réglementé lorsqu'il est un peu chargé.

Je vous recommande de commencer par vous concentrer sur un seul côté, par exemple en créant $+15V$rail d'alimentation régulé à partir de votre rail non réglementé (+). Vous devez également déterminer si vous souhaitez ou non des limites actuelles. Je pense qu'il serait plus sûr de les inclure. Mais c'est votre décision. Ce n'est pas difficile d'inclure quelque chose pour cela, cependant. Et, personnellement, je voudrais probablement pouvoir aller à$+12V$, aussi. Alors peut-être une alimentation de sortie variable qui fonctionne sur une gamme modeste de tensions de sortie?

Vous avez beaucoup de marge! Cela signifie que vous pouvez utiliser un émetteur suiveur NPN, un suiveur Darlington ou à peu près n'importe quelle configuration que vous souhaitez avoir. Les choses ne sont pas serrées , vous avez donc de la place pour les structures de contrôle. Beaucoup de place. L'inconvénient est, bien sûr, que vous devez vous dissiper et que vos rails de tension sont suffisants pour vous obliger à vérifier les fiches techniques pour rester dans les paramètres de fonctionnement sûrs des appareils.

Enfin, vous pouvez probablement accepter d'avoir à définir séparément les deux valeurs de rail de tension, indépendamment. Certaines alimentations sont conçues pour assurer le suivi de sorte que si vous définissez$+V$ fournir à $+15V$ alors votre réglementé $-V$ l'offre suivra cela et fournira $-15V$. Mais vous pouvez vivre sans ça, pour l'instant, je suppose.

Si vous rédigez une question distincte ou clarifiez celle-ci mieux, je peux vous aider à démarrer avec trois ou quatre topologies distinctes (non IC) pour envisager d'analyser vous-même et de construire. Mais, par exemple, je n'ai aucune idée du type de conformité que vous souhaitez avoir. Et il serait utile de savoir quelle tension vous mesurez lorsque votre alimentation non régulée est chargée jusqu'à la conformité de courant maximale que vous souhaitez prendre en charge (en utilisant une résistance à haute puissance et en prenant ensuite un moment pour mesurer la tension avec un voltmètre avant qu'il ne devienne trop chaud. ) Et il serait encore plus utile de savoir si vous voulez une tension variable sur une plage (quelle plage, exactement?) Et, si vous voulez juste une tension fixe, quelle précision initiale pensez-vous avoir besoin? Et moi' J'aimerais savoir si cela est strictement pour une alimentation opamp (suggérant une conformité de courant plus faible) ou si vous souhaitez l'utiliser pour fournir des courants plus élevés à des tensions encore plus faibles, pour certains projets. Enfin, il serait bon de savoir quels BJT vous possédez ou souhaitez obtenir.

EDIT: Alors. Quelque chose de simple, pas vraiment de conformité actuelle de$5mA$. Concentrons-nous d'abord sur le côté du rail (+) ... pourrait aller avec NPN ou PNP pour le transistor de passage. Il s'agit plutôt de savoir comment vous voulez le contrôler. Souhaitez-vous siphonner le courant d'une source ou retirer le courant au besoin? Hmm. Essayons ceci - l'accent sur le simple.

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J'ai écrit quelques notes de conception sur le schéma. Les valeurs de résistance sont des valeurs standard, donc la tension de sortie réelle sera un peu décalée. Mais cela devrait être proche. Voici la logique.

J'ai commencé à utiliser $Q_1$comme topologie d'émetteur suiveur. Ce sont des cibles d'émetteurs$15V$. J'ai donc noté "15V @ 5mA". J’ai initialement estimé utile$\beta_{Q1}=50$ et calculé $I_{B_{Q1}}=100\mu A$ et estimé (de mémoire uniquement) $V_{BE_{Q1}}=750mV$. De là, j'ai décidé que je voulais$5\times$ autant de l'offre non réglementée, donc je mets $R_1=\frac{53V-15V-750mV}{500\mu A}=74.5k\Omega \approx 75k\Omega$. Cela signifie que je devrai m'éloigner entre$400-500\mu A$ de $R_1$ contrôller $Q_1$comportement de la sortie. C'est une gamme suffisamment petite,$450\mu A\pm 50\mu A$, que les variations dans un circuit simple ne seront pas trop sensibles. Oh, et j'ai choisi le BC546, qui a un$V_{CEO}=65V$. (Pourrait utiliser un 2N5551 pour$V_{CEO}=150V$.)

J'ai décidé d'utiliser un autre NPN en dessous, avec sa base clouée à un diviseur de résistance, pour tirer ce courant. $Q_2$Le collecteur est cloué à une tension, donc pas d'effet précoce. Bien. Dissipation dans$Q_2$ est sous $10mW$, Donc pas de problème. (Vous savez déjà qu'il peut y avoir un problème dans$Q_1$.) Une diode et un condensateur fournissent une référence de tension semi-stable, car ils sont alimentés de manière relativement stable $450\mu A\pm50\mu A$courant. J'ai estimé$\beta_{Q2}=50$ (encore) et calculé $I_{B_{Q2}}=10\mu A$ et estimé (de mémoire uniquement) $V_{BE_{Q1}}=650mV$. Je sais aussi que le 1N4148 fait$550mV$ courir à $500\mu A$courant. Donc cela m'a dit que le nœud du diviseur devrait être deviné$1.2V$. Je l'ai également écrit.

J'ai choisi de faire au moins le courant du diviseur $10\times$ le courant de base max requis pour $Q_2$. L'un des problèmes avec ce circuit va être les températures ambiantes, car elles affectent la jonction base-émetteur de$Q_2$ (et $D_1$, aussi) et cela affecte notre point de division et à peu près tout le reste. Mais en ajoutant$D_2$ et $D_3$dans le séparateur aide ici. Il fournit deux jonctions plus dépendantes de la température. Le problème restant étant$R_3$ et les différentes densités de courant.

$D_2$ et $D_3$ courent avec environ $\tfrac{1}{5}$ de la densité actuelle de $D_1$ et $Q_2$. Je me souviens justement qu'un 1N4148 présente environ$\Delta V \approx 100mV$ par changement de densité de courant par décennie, donc je suppose que $\Delta V = log10\left(\tfrac{100\mu A}{500\mu A}\right) \approx -70mV$par diode pour ces deux. Cela signifie donc que pour atteindre$1.2V$ au diviseur, $R_3=\frac{1.2V - 2\cdot\left(550mV-70mV\right)}{87\mu A}\approx 2.7k\Omega$ (J'ai utilisé $87\mu A$ comme valeur actuelle à mi-chemin.) $R_3$, à une supposition.

J'ai ajouté un plafond d'accélération à travers la résistance du diviseur $R_2$ de sorte que les variations de charge à court terme pourraient conduire plus immédiatement $Q_2$. (Si la$15V$ rail réglementé saute soudainement vers le haut, puis $C_3$ tirera immédiatement sur la base de $Q_2$ ce qui en fait retirer plus du courant d'entraînement va $Q_1$, contrer la montée. De même, dans l'autre sens aussi.)

Je pense que vous devriez pouvoir monter le rail réglementé (-). Et gardez à l'esprit que vous ne voulez pas trop charger cette chose! Vous causerez certainement ce pauvre petit TO-92 de graves problèmes. Ça se dissipe$5mA\cdot\left(53V-15V\right)\approx 200mW$ et le paquet a $\tfrac{200 ^{\circ}K}{W}$, donc cela correspond à environ $+40^{\circ}C$déjà ambiant. Vous pouvez voir à quelle vitesse cette chose va chauffer si vous courez beaucoup plus de courant à travers elle. Vous pourrez peut-être vous en sortir avec$10mA$, mais pas beaucoup plus.

APERÇU REMARQUE: Maintenant que vous pouvez voir le processus d'une personne (d'autres concepteurs plus expérimentés appliqueront encore plus de connaissances que moi), prenons un moment pour voir cela d'un point de vue lointain.

Le circuit se résume à:

1. Un transistor de passage ($Q_1$) qui est censé se tenir à l'écart $40V$ entre le rail non régulé (+) et le rail souhaité $15V$rail. Ce transistor pass aura besoin d'une source de courant de base pour pouvoir être maintenu dans sa région active. Il est également disposé dans une configuration émetteur-suiveur, de sorte que le déplacement de sa tension de base se déplace autour de son émetteur dans environ 1: 1 (le gain de tension de la base à l'émetteur est$\approx 1$.)
2. Nous pouvons résoudre tous les besoins de (1) ci-dessus en utilisant une simple résistance ($R_1$) au rail non régulé (+). Cela peut non seulement fournir le courant de base nécessaire, mais il permet également de contrôler très facilement la tension de base de$Q_1$, simplement en y tirant plus ou moins de courant. À des fins de conception, nous ne voulons pas de variations$Q_1$courant de base pour avoir un impact sérieux sur le flux de courant, nous utilisons également pour contrôler la tension à la base de $Q_1$. Nous devons donc rendre ce flux de courant important, par comparaison. Plus grand est meilleur, et peut-être par défaut, nous pourrions choisir un facteur de$10\times$. Mais nous sommes également contraints par le fait qu'il s'agit d'un$5mA$source de courant. Nous pourrions donc vouloir utiliser quelque chose qui concerne$\tfrac{1}{10}$e $5mA$pour le garder modeste. Cela signifie quelque chose de$10\cdot 100\mu A=1mA$ d'un côté à environ $\tfrac{5mA}{10}=500\mu A$d'un autre côté. J'ai décidé d'utiliser la valeur la plus petite, car ce n'est qu'un simple régulateur et je peux accepter une source de base légèrement moins rigide .
3. Quelque chose pour contrôler le courant traversé $R_1$, sur la base d'une comparaison de tension quelconque. Il s'avère qu'un BJT est acceptable pour quelque chose comme ça. (Plus de BJT serait mieux, comme dans un ampli op, mais un suffit ici.) Il a un courant de collecteur qui dépend de la différence de tension entre sa base et son émetteur. Il compare donc sa base et son émetteur et ajuste un courant sur cette base! Pratiquement fait au paradis pour ça, oui? Nous collons donc maintenant un nouveau BJT ($Q_2$) avec son collecteur attaché à $R_1$ et la base de $Q_1$.
4. Nous avons besoin d'une tension de référence. Pourrait utiliser une véritable référence, comme un zener ou un dispositif IC plus sophistiqué, mais c'est une conception simple. Eh bien, une diode à densité de courant fixe est une référence de tension. (Sauf la température.) Et devinez quoi? Il se trouve que nous avons un courant que nous pouvons utiliser qui est relativement stable! Le très courant que nous utilisons pour ajuster$Q_1$la tension de base à travers $R_1$. Alors maintenant,$R_1$nous fournit trois services - il fournit un courant de base$Q_1$, nous permet de contrôler $Q_1$base en ajustant le courant qui le traverse, et maintenant ce même courant peut être utilisé pour stabiliser la tension d'une diode de référence de tension. Tout ce que nous faisons est de coller cette diode dans l'émetteur de$Q_2$. Et ajoutez-y un petit condensateur pour y tuer le bruit haute fréquence. C'est bien quand les choses font plusieurs tâches pour vous.
5. Nous avons notre collecteur de contrôle de courant, une référence de tension à l'émetteur, et maintenant tout ce que nous devons fournir est une tension de comparaison, dérivée de la tension de sortie, à la base de $Q_2$. Il est important que si cette comparaison augmente (la tension de sortie semble augmenter pour une raison inconnue), nous tirerons plus de courant à travers$R_1$ pour forcer la tension de base de $Q_1$de refuser de s'opposer à ce changement. Il s'avère qu'un simple diviseur de tension fait bien ce travail. Tout ce que nous devons faire est de nous assurer que le courant traversant le diviseur de tension est bien supérieur au courant de base requis de$Q_2$, de sorte que lorsque $Q_2$ ajuste son courant de collecteur et a besoin de plus (ou moins) de courant de base, que cela n'affecte pas (beaucoup) la tension du diviseur.

C'est vraiment l'essence de tout cela. J'ai ajouté ces deux diodes pour aider à stabiliser les choses par rapport aux températures ambiantes. Mais ils ne sont pas strictement nécessaires si cela ne vous dérange pas que vos rails de tension se déplacent un peu plus avec la température. En l'état, ils peuvent encore dériver$\tfrac{25mV}{^{\circ}C}$, faisant juste un petit tour de boucle. Mais si cela ne vous dérange pas d'être deux fois plus mauvais, vous pouvez remplacer la résistance et deux diodes par une simple résistance, à la place:

^{simuler ce circuit}

La valeur réelle de $R_3$ peut-être besoin d'être ajusté un peu ici, car nous ne savons pas vraiment combien de courant de base est nécessaire (probablement moins que je ne le pensais - beaucoup moins.) Donc peut-être plus proche de la $12k\Omega$valeur? Mais vous pouvez utiliser un potentiomètre ici, je suppose, pour le rendre réglable aussi.

D'une part, un 2N2222 n'est évalué que pour 40 V. Le 2907 est bon pour 60, mais cela ne laisse toujours pas beaucoup de marge pour que les choses tournent mal, en particulier au démarrage.

Je soupçonne que le vrai problème est que les transistors ont été mal câblés. Cela pourrait laisser un chemin direct à travers Q1, D1 et Q2. Pouf!

Ajouté sur les tensions sur les transistors

Même lorsque tout fonctionne parfaitement, chaque moitié du circuit voit 53 V. Le 1N4730 est une diode zener de 3,9 V. Cela signifie que lorsque tout fonctionne parfaitement, les bases des transistors seront maintenues à ± 2 V. Même en disant que la chute BE de chaque transistor n'est que de 600 mV, les émetteurs seront à ± 1,4 V. Cela signifie que chaque transistor verra 52 V à travers quand tout est parfait .

Tout n'est jamais parfait. Quelle est la précision des alimentations ± 53 V? Qu'en est-il des transitoires de démarrage? Quelles sont les vraies tensions zener avec seulement un demi-milliampère à travers elles? Que se passe-t-il lorsque la charge consomme du courant réel, même si ce n'est qu'au démarrage pour charger un condensateur ou quelque chose?

Avez-vous recherché la spécification de tension pour les transistors que vous utilisez réellement, pas seulement une fiche technique que vous pourriez trouver pour le numéro de pièce générique? Il existe des spécifications de tension minimale quelque part pour un 2N2222 et 2N2907, mais certains fabricants spécifiques rendent parfois leurs pièces plus performantes. Vous ne pouvez pas utiliser l'une de ces fiches techniques pour vous dire le maximum pour lequel une pièce générique est bonne. Pour obtenir les chiffres que j'ai cités ci-dessus, j'ai saisi des fiches techniques aléatoires. Cela signifie que les spécifications réelles pourraient être inférieures à celles que j'ai citées.

Un transistor est déjà bien hors spécifications et l'autre est proche. Ce n'est pas une bonne ingénierie.

Tout d'abord, Google est votre ami. Un 1N4730 est un zener de 3,9 volts.

Cela dit, j'ai tendance à croire que vous avez soit mal câblé votre circuit, soit que vous avez utilisé les mauvaises valeurs de résistances. Je suis particulièrement enclin à penser que R1 ou R2 aurait pu être de 100 ohms, plutôt que 100k. En tout cas, vos valeurs de résistance nominales sont suffisamment grandes pour empêcher l'émission de fumée magique, donc votre circuit était en quelque sorte différent de votre schéma.

• SI Vcemax pour Q2 est de 40 V et au-delà en cas de panne secondaire, alors Ve max est de -12 V

• Vb pour Q2 est 1/2 de Vz (D1 = 3,9) ou -2V environ. ce Vbe = -10 V tandis que la spécification est -5 V ABSOLU MAX.

• en raison du mode de défaillance catastrophique pour Vbe reverse,

• et votre conception insouciante,
• vous seul êtes responsable de la suppression de la jambe médiane, peut-être par des erreurs de construction.

C'est un moyen plus facile d'obtenir +/- 15 V de vos rails:

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

R1 et R2 permettent à environ 2,5mA de s'écouler vers les bases des transistors et vers les zeners 16V. La tension aux émetteurs des transistors sera inférieure d'environ 0,7 V à la tension zener ou d'environ +/- 15,3 V.

Bien qu'il s'agisse d'un circuit très simple et fiable, notez qu'il n'est pas protégé contre les courts-circuits ou les surcharges comme le serait un régulateur à 3 bornes.

Il existe quelques régulateurs linéaires qui peuvent fonctionner à partir de vos rails d'alimentation relativement élevés, mais ils ne seront pas si bon marché. Effectuez une recherche paramétrique sur les sites Web d'un distributeur ou d'un fournisseur pour les trouver. Le régulateur négatif peut être plus problématique, d'autant plus que vos rails (vraisemblablement non réglementés) peuvent aller considérablement au-delà de 53 V en pointe. Bien que vous puissiez utiliser le circuit ci-dessus pour abaisser la tension d'un régulateur à 3 bornes, vous devez tenir compte des conditions les plus défavorables et de la dissipation que subiront les transistors.

Les examinateurs ont rejeté mes dernières modifications à la question et ont suggéré de créer une nouvelle réponse, donc:

Voici le schéma de l'OP, complété par des sources de tension et des résistances Zener plus appropriées, pour le courant Zener recommandé d'environ 8,5 mA:

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Et voici le résultat de la simulation à l'aide du bouton Simuler ce:

Le zener est maintenant un 1N4751A, 30 V à 8,5 mA, voir ces spécifications . Le réglage de la bonne pièce nr ne définit PAS la tension zener associée, je l'ai fait manuellement dans l'éditeur de schéma de circuit. Les résistances zener sont désormais 4K7 pour un courant zener d'environ 8,5 mA.

Après l'ajout de sources de tension, la simulation s'exécute et donne environ +/- 15,0 V sur le zener et +/- 14,5 V sur la résistance de sortie.

Parfait! Ce circuit semble faire ce qu'on attend de lui.

Quant aux parties soufflées: cela doit être quelque chose comme une mauvaise connexion, comme l'a suggéré l'un des commentateurs.