¿Cómo funciona esta fuente de alimentación?

Esto es bastante fácil. Recuerde que el voltaje BE de un bjt es de alrededor de 0,6 V cuando está activo. El Zener tiene una caída de 5.6V.

Entonces, el zener establece que el voltaje base del transistor sea 5.6V, esto hace que el voltaje del emisor sea 5V.

Siempre que el Zener esté activo y el BJT esté activo, el voltaje del emisor será de casi 5 V (dependiendo de las tolerancias). Esto es independientemente de todas las demás condiciones. Entonces, independientemente de lo que esté haciendo el circuito, tenemos un punto de voltaje estable de 5V. Solo debemos asegurarnos de que el zener esté activo y que BJT esté activo, lo que requiere configurar R1 lo suficientemente bajo (principalmente para BJT).

La razón por la que es mejor que solo el zener es que tiene muy poca impedancia de salida. El zener sería R1, por sí mismo. Con el BJT, es mucho más bajo y puede impulsar cargas mucho más grandes, dependiendo solo de la capacidad de carga actual/resistencia interna del BJT.

Se puede agregar un límite a la base y tierra para reducir cualquier fluctuación y estabilizar aún más el voltaje del emisor. La tapa sería más pequeña que usar la misma en el emisor para estabilizar.

Por lo tanto, tales fuentes son buenas porque brindan una forma económica (tiempo, costo, bienes raíces, etc.) de producir un voltaje de riel diferente con una resistencia interna baja. Si uno solo usara el zener y la resistencia, y el circuito requiriera una gran cantidad de energía para algún evento, estaría bajo suministro creando un comportamiento anómalo.

D1 crea un voltaje fijo al actuar como un regulador de derivación . R1 suministra suficiente corriente a través de D1 para que funcione donde su voltaje es bastante constante en un amplio rango de corriente.

Eso es todo lo que necesita si solo desea un voltaje de referencia, como en un lado de un comparador, por ejemplo. Esta referencia solo puede entregar como máximo la cantidad de corriente que pasa por R1 menos el mínimo que D1 necesita para permanecer en su voltaje establecido. En otras palabras, solo R1 y D1 juntos generan un voltaje constante, pero con una capacidad de corriente bastante baja.

Q1 se utiliza en la configuración del seguidor de emisor para proporcionar ganancia de corriente. Esto crea una fuente de alimentación con mucha más capacidad actual. En realidad, la capacidad actual es (ganancia + 1) mayor que solo R1 y D1 por sí mismos.

Sin embargo, hay un inconveniente. Q1 dejará caer algo de voltaje desde su base hasta el emisor. La unión BE parece un diodo para el circuito y tendrá una caída de diodo típica, generalmente en algún lugar en el rango de 600-750 mV. El resultado neto es que la salida en el emisor de Q1 es una fuente de alimentación con un voltaje de alrededor de 700 mV menos que el voltaje zener, y mucha más capacidad de corriente que solo el "suministro" de R1 y D1.

¿Cómo es mejor que simplemente usar un zener con una resistencia?

El 2N3904 puede emitir una corriente de hasta 200 mA para impulsar una carga. Está conectado como un seguidor de emisor , por lo que en términos simples, cualquier voltaje que se alimente a la base, se emite en el emisor menos el VBE (normalmente 0,7 V para un transistor de silicio simple como el 2N3904). En términos más complejos, los 0,7 V dependen un poco de la carga, por lo que este tipo de circuito ofrece una pequeña degradación de la regulación en comparación con una resistencia zener directa.

La gran ventaja es cuando considera la alternativa, es decir, solo una resistencia y un diodo zener. Pregúntese qué valor de resistencia se necesita para poder generar hasta 200 mA cuando se retira el seguidor del emisor y la salida se toma directamente del diodo zener.

Para lograr una salida de 200 mA (sin dañar la regulación zener) significa que la resistencia tiene que bajar 19 voltios (para producir una salida de 5 V) a 200 mA; eso es una disipación de potencia de 3,8 vatios y es continua.

Si los "200 mA" requeridos por la carga son solo muy intermitentes, entonces 3,8 vatios continuos es una gran cantidad de calor residual. El seguidor de emisor básicamente suministra solo la demanda solicitada por la carga y seguro, disipará 3.8 vatios cada vez que la carga necesite 200 mA pero, cuando la carga solo necesite 10 mA, la energía desperdiciada en el 2N3904 es solo 190 mW.

La resistencia zener directa no tiene esta opción, pero es un poco mejor para regular. Sin embargo, si necesita tanta regulación de voltaje, un 7805 sería una mejor opción pero, como siempre, tomar demasiada corriente continuamente de la salida significa una disipación de energía considerable y un disipador de calor.

Supongo que nadie ha explicado todavía cómo funciona. Alguien identificó al BJT actuando como un seguidor de emisor . Pero eso no es un cómo , sino más bien una respuesta de topología qué .

Como usted pregunta, "¿cómo es mejor que simplemente usar un zener con una resistencia?", Asumiré que ya comprende la sección de resistencia y zener. Eso deja solo el BJT agregado para explicar.

Cuando un BJT está en su región activa, la caída de Vbe no cambia mucho, independientemente de la corriente del colector. Entonces, si conoce el voltaje en la base del BJT, también conoce el voltaje en el emisor. Para un BJT NPN de silicio (la mayoría de ellos), será cerca de 0,7 V menos que el voltaje base. Entonces, al arreglar la base, se fija el emisor a un valor un poco más bajo (estamos ignorando el colector por ahora). En resumen, el emisor es aproximadamente una "caída de diodo" menos que la base.

Ahora, agreguemos el colector. Esto está ligado a la fuente de alimentación, directamente. Todo esto significa que la corriente del colector (si la hay) puede provenir directamente del riel de la fuente de alimentación de baja impedancia y NO de su fuente de zener. No es muy importante para este circuito qué tan alto sea el voltaje allí; funciona tan bien con 12V como lo haría con 20V, por ejemplo. (Salvo el efecto temprano). El único límite aquí es la capacidad del BJT para "retirar" el voltaje a través de sus pines de colector y emisor. La mayoría de los BJT pueden soportar 30 V y más, pero siempre puede buscarlo en una hoja de datos para estar seguro: busque el voltaje de ruptura de VCE (o VCEO). Entonces, el colector está atado allí para que tenga un suministro listo de corriente de una fuente de alimentación que tiene un gran cumplimiento de corriente.

Ahora, la carga está unida al emisor y luego a tierra. Esto completa un circuito desde la resistencia, a la base, luego al emisor, a través de la carga allí, y luego a tierra, que comienza a suministrar una pequeña corriente a la carga. Pero esa corriente también proporciona la corriente de recombinación necesaria para permitir que fluya una corriente de colector mucho más grande (debido al valor beta del BJT ), que ahora TAMBIÉN se suma a la corriente que sale del emisor y entra en la carga. Entonces, la carga ahora tiene mucho más cumplimiento de corriente del circuito, obteniendo la mayor parte del extra del colector y casi nada de la base. Esto puede ser una diferencia por un factor de 100 o más. Entonces, lo bueno aquí es que el circuito zener + resistencia apenas está cargado , aunque la carga requiere mucha corriente.

Supongamos que la carga necesita 100 mA. Solo en un circuito zener+resistor, todo esto tendría que pasar por el resistor. Y esto agregaría una caída de voltaje adicional a través de él o casi o completamente privaría al zener de la corriente necesaria para mantener su voltaje. Pero con el BJT en su lugar, tal vez 99mA o incluso 99.9mA podrían provenir del colector, sin pasar por la resistencia del zener. Aún así, quizás la resistencia del zener aún necesitaría 1 mA o quizás 0.1 mA para suministrar la corriente de recombinación base del BJT. Pero eso es MUCHO menos y es casi seguro que no matará de hambre al zener. (A menudo funcionan a 10 mA, lo que hace que suministrar la corriente base del BJT de 0,1 mA a 1 mA sea mucho menos complejo que si estuviera considerando tener que suministrar 100 mA desde la resistencia del zener).

En efecto, la ruta colector-emisor del BJT suministra la mayor parte de la corriente necesaria, dejando una parte mucho, mucho más pequeña para cargar la resistencia del zener. Y esto casi siempre es algo bueno aquí.

Además, tenga en cuenta que la diferencia de voltaje de 0.7VI mencionada anteriormente SÍ depende un poco de la corriente del colector. Así que la regulación no es perfecta. Si la carga requiere 1 mA y luego exige 100 mA más tarde, el voltaje al que accede en el emisor cambiará un poco. Pero lo bueno aquí es que el cambio es de solo unos 60 mV por cada factor de cambio de 10 en la corriente de la carga. Entonces, incluso con un cambio de 1 mA a 100 mA, el voltaje en el emisor solo cambiará alrededor de 120 mV (porque hay dos factores de 10 entre 1 mA y 100 mA). Esto suele ser bastante tolerable y es una buena fuente de alimentación para muchos usos . .

EDITAR: @DewaldSwanepoel:

Esta debería ser la respuesta aceptada.

Jeje. Gracias. Traté de responder la pregunta, no solo probar que puedo reconocer un patrón. Un poco de diferencia. Pero el OP elige.

¿Le importaría explicar cómo elegiría el valor de la resistencia y el BJT específico para su aplicación?

Cada zener tendrá una especificación en la hoja de datos para la corriente operativa deseada. (O un rango de corrientes operativas). Desviarse de los valores recomendados significa que el voltaje zener en sí ya no cumplirá con las otras especificaciones, por lo que es mejor operarlo según lo previsto.

Suponga que eligió el 1N4735A, que es un$6.2\:\textrm{V}$zener. se prueba en$41\:\textrm{mA}$, pero un gráfico muestra curvas para corrientes de$5\:\textrm{mA}$a$20\:\textrm{mA}$. Eso sugiere que deberías operarlo en uno de esos. La impedancia zener generalmente mejora un poco (algo bueno) si los está ejecutando más calientes o con un poco más de corriente.

También habrá una corriente base para el BJT, cuando esté completamente cargado. O ninguno, si no. Suponga que el BJT tuvo que soportar una carga de$200\:\textrm{mA}$. Y digamos que el riel de voltaje es$12\:\textrm{V}$, por lo que el BJT podría tener que caer$7\:\textrm{V}$a través de su$V_{CE}$. Entonces puede que tenga que disiparse hasta$1.4\:\textrm{W}$. Y tales BJT solo pueden exhibir$\beta=50$, más o menos. Así que planearíamos una corriente base de hasta$4\:\textrm{mA}$.

Entonces necesitamos manejar una corriente base que varía de$0\:\textrm{mA}$a$4\:\textrm{mA}$. Yo recomendaría seleccionar quizás el$20\:\textrm{mA}$corriente para el zener. De esa manera, la corriente total a través de la resistencia será$24\:\textrm{mA}$, con toda$24\:\textrm{mA}$pasando por el zener cuando el BJT no está cargado, solo$20\:\textrm{mA}$a través del zener cuando el BJT está cargado, al máximo. Esta variación no es mucha, por lo que la referencia de voltaje que ve el BJT debería mantenerse, está bien.

Entonces, en este caso, la resistencia sería:

Puede seleccionar cualquiera$220\:\Omega$o$270\:\Omega$. Cualquiera estaría bien.

He visto que algunos circuitos usan un Darlington, pero ¿cuáles son exactamente las consideraciones?

El Darlington dejará caer más voltaje al llegar al emisor, por lo que su selección de voltaje zener debe tener eso en cuenta. El otro detalle principal es que Darlington requerirá menos corriente base.

Suponga que en la circunstancia anterior, la corriente máxima requerida fue$1\:\textrm{A}$, en cambio. En este caso, podríamos planear$\beta\approx 40$y la corriente base entonces de$25\:\textrm{mA}$. Esto es mucho más de lo que podemos esperar diseñar, para ese zener que mencioné. Es demasiado con lo que lidiar. Así que aquí, podríamos elegir un Darlington con un$\beta=500$aquí, lo que significa que volvemos a una corriente base que es aproximadamente$2\:\textrm{mA}$, que ahora está perfectamente bien. Por supuesto, tendríamos que usar un voltaje de zener más alto, por lo que sería una elección de zener diferente. Pero esa es la idea.

Me imagino que para el diodo simplemente desea elegir un diodo cuyo voltaje de ruptura zener sea 0.7V más alto que el voltaje de salida deseado.

En términos generales, sí. Debe averiguar cuál será la caída del emisor base en el BJT o en Darlington. Un mayor cumplimiento actual requiere una caída mayor. Puede ver cualquier cosa desde$600\:\textrm{mV}$para acabar$900\:\textrm{mV}$, según el BJT y las circunstancias. Y significativamente más que eso de un Darlington. Use las hojas de datos para ayudar a estimar esto.

Además, ¿hay ventajas en este circuito sobre el simple uso de un regulador de voltaje como el LM317?

¿Para la mayoría de los propósitos? Probablemente no. Pero hay problemas de disponibilidad, cantidad de proveedores de piezas, costo, cantidad de orificios pasantes (si eso es lo que está haciendo) y otros factores que pueden llevarlo a elegir uno sobre otro. Una cosa que obtienes aquí es el control sobre el BJT que elijas. Pero también puede agregar BJT alrededor del LM317. Entonces, tal vez el LM317 todavía gane.

La resistencia simple con zener es adecuada para corrientes bajas o para un nivel de corriente muy específico y conocido. Si desea usar la salida de potencia, debe usar algo como ese circuito que mencionó. Puede proporcionar voltaje estabilizado para una amplia gama de niveles de corriente.