¿Por qué explotó mi experimento de regulador de voltaje NPN/PNP?

Ya tiene un suministro de CC no regulado. Como dices, construido a partir de un puente y unos condensadores. Aparentemente, también tiene un toque central en el secundario de su transformador. Así que también tienes un terreno, y$\pm\:53\:\text{V}$medido con su metro para los otros dos rieles. Asumiré que esto probablemente esté descargado, por lo que probablemente tendrá menos que eso cuando esté cargado. Cualquiera puede adivinar cuánto menos, ya que depende mucho de la carga, el diseño de su toroide, los condensadores y otros factores. Pero menos, seguro.

Supongo que está tratando de aprender a diseñar su propio$\pm\: 15\:\text{V}$Suministro para usar con amplificadores operacionales. Por lo tanto, no necesariamente solo desea comprar un buen suministro (son baratos en estos días). Y dado que se trata de aprender, será un diseño lineal y no un conmutador. Por lo tanto, su fuente de alimentación será generalmente ineficiente, en cuanto a energía. Pero estás bien con eso.

Tal vez estoy proyectando, pero creo que esta es una buena idea para empezar. Es lo suficientemente modesto como para que tengas todas las razones para tener éxito. Pero hay suficiente para aprender acerca de lo que también vale la pena luchar. Creo que mi primera experiencia de aprendizaje, donde realmente aprendí algunas cosas bien, fue tratando de diseñar mi propia fuente de alimentación como esta. Entonces, en ese momento, prácticamente no tenía otra opción. Los suministros de laboratorio existentes eran inalcanzables para un joven adolescente. Y tampoco había un conjunto de proveedores baratos de eBay para conmutadores sofisticados basados ​​en circuitos integrados. Así que tenía que hacerlo yo mismo o irme sin él. Y ante eso, se aprende o se prescinde.

Su enfoque es quizás demasiado parecido a un controlador de salida de receptor/fuente que se usa en todo, desde amplificadores operacionales hasta amplificadores de audio. Podría tomar el enfoque que está tomando, pero tendría que hacer dos de ellos, uno para$+15\:\text{V}$y uno para$-15\:\text{V}$. Y son aún menos eficientes, ya que cada uno puede generarse desde su riel (+) y hundirse en su riel (-), y debe ejecutarlos en clase AB. Realmente solo necesita obtener de (+) para hacer el$+15\:\text{V}$riel y hundirse a (-) para hacer el$-15\:\text{V}$carril.

Solo como nota al margen, puede ser una buena idea incluir un par de resistencias de purga en su banco de condensadores existente en la salida de su puente. Algo para deshacerse de la carga almacenada si apaga las cosas. Alguno$\tfrac{1}{2}\:\text{W}$,$10\:\text{k}\Omega$resistencias? Eso solo presentaría una$5\:\text{mA}$carga, cuando se ejecuta.

Mientras está considerando esa idea, considere también intentar cargar su suministro no regulado existente para medir lo que hace bajo carga. Intentaría algo como un$\ge 5\:\text{W}$,$1\:\text{k}\Omega$resistencia para tener una idea acerca de un$50\:\text{mA}$carga, midiendo el voltaje con esa carga presente. Entonces intentaría algo como un$\ge 10\:\text{W}$,$270\:\Omega$resistencia a ver que pasa cuando me acerco$200\:\text{mA}$carga. Esto pondrá a prueba todo su sistema no regulado y le dará una idea de sus limitaciones. Esos valores fueron elegidos al azar. Si ya conoce las limitaciones de su toroide, pruebe dos valores de resistencia diferentes que alcancen la carga máxima que espera soportar y otro que alcance quizás el 30% de la carga máxima. Y solo tome nota de los valores de voltaje medidos. Es útil tener una idea sobre su riel no regulado cuando se carga un poco.

Le recomiendo que empiece centrándose en un solo lado, por ejemplo, creando el$+15\:\text{V}$riel de suministro regulado de su riel (+) no regulado. También debe considerar si desea o no límites actuales. Creo que sería más seguro incluirlos. Pero esa es tu decisión. Sin embargo, no es difícil incluir algo para eso. Y, personalmente, probablemente me gustaría poder ir a$+12\:\text{V}$, también. Entonces, ¿tal vez un suministro de salida variable que funcione en un rango modesto de voltajes de salida?

¡Tienes mucho margen! Esto significa que puede usar un seguidor de emisor NPN, un seguidor de Darlington o casi cualquier configuración que desee tener. Las cosas no están apretadas , por lo que tienes espacio para estructuras de control. Mucho espacio. La desventaja es, por supuesto, que tiene que disipar y que sus rieles de voltaje son suficientes para que tenga que verificar las hojas de datos para mantenerse dentro de los parámetros de operación seguros para los dispositivos.

Finalmente, probablemente pueda aceptar tener que configurar por separado los dos valores de riel de voltaje, de forma independiente. Algunas fuentes de alimentación están diseñadas para proporcionar seguimiento , de modo que si configura la fuente de alimentación regulada$+\text{V}$suministro a$+15\:\text{V}$entonces tu regulado$-\text{V}$el suministro rastreará eso y proporcionará$-15\:\text{V}$. Pero puedes vivir sin eso, por ahora, sospecho.

Si escribe una pregunta por separado, o aclara esta mejor, puedo ayudarlo a comenzar con tres o cuatro topologías discretas (no IC) diferentes para considerar analizar por su cuenta y construir. Pero, por ejemplo, no tengo idea de qué tipo de cumplimiento actual desea tener. Y sería útil saber qué voltaje mide cuando su suministro no regulado se carga hasta el máximo cumplimiento de corriente que desea admitir (usando una resistencia de alto vataje y luego tomándose un momento para medir el voltaje con un voltímetro antes de que se caliente demasiado). ) Y ayudaría aún más saber si desea un voltaje variable en un rango (¿qué rango, exactamente?) y, si solo desea un voltaje fijo, ¿cuánta precisión inicial cree que necesita? Y yo' Me gustaría saber si esto es estrictamente para un suministro de amplificador operacional (lo que sugiere un cumplimiento de corriente más bajo) o si querrá usarlo para suministrar corrientes más altas a voltajes aún más bajos, para algunos proyectos. Finalmente, sería bueno saber qué BJT tiene o está dispuesto a obtener.

EDITAR: Entonces. Algo simple, no mucho cumplimiento actual de solo$5\:\text{mA}$. Primero concentrémonos en el lado del riel (+) ... podría ir con NPN o PNP para el transistor de paso. Es más una cuestión de cómo quieres controlarlo. ¿Desea desviar la corriente de una fuente o extraer la corriente según sea necesario? Mmm. Intentemos esto: énfasis en lo simple.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

He escrito algunas notas de diseño en el esquema. Los valores de la resistencia son estándar, por lo que el voltaje de salida real estará un poco fuera de lugar. Pero debería estar cerca. Aquí está la lógica.

Empecé usando$Q_1$como una topología de seguidor de emisor. Sus objetivos emisores$15\:\text{V}$. Entonces escribí "15V @ 5mA" allí. Inicialmente estimé un útil$\beta_{Q1}=50$y calculado$I_{B_{Q1}}=100\:\mu\text{A}$y estimado (solo de memoria)$V_{BE_{Q1}}=750\:\text{mV}$. A partir de esto, decidí que quería$5\times$tanto del suministro no regulado, así que me puse$R_1=\frac{53V-15V-750\:\text{mV}}{500\:\mu\text{A}}=74.5\:\text{k}\Omega \approx 75\:\text{k}\Omega$. Esto significa que tendré que alejarme entre$400-500\:\mu\text{A}$de$R_1$al control$Q_1$el comportamiento de la salida. Ese es un rango lo suficientemente pequeño,$450\:\mu\text{A}\pm 50\:\mu\text{A}$, que las variaciones en un circuito simple no serán demasiado sensibles. Ah, y elegí el BC546, que tiene un$V_{CEO}=65\:\text{V}$. (Podría usar un 2N5551 para$V_{CEO}=150\:\text{V}$.)

Decidí usar otro NPN abajo, con su base clavada en un divisor de resistencia, para extraer esa corriente.$Q_2$El colector está conectado a un voltaje, por lo que no hay efecto temprano. Bien. Disipación en$Q_2$está debajo$10\:\text{mW}$, Asique no hay problema. (Ya sabes que puede haber un problema en$Q_1$.) Un diodo y un capacitor proporcionan una referencia de voltaje semiestable, ya que se alimenta con un voltaje relativamente estable.$450\:\mu\text{A}\pm\:50\:\mu\text{A}$Actual. yo estimé$\beta_{Q2}=50$(otra vez) y calculado$I_{B_{Q2}}=10\:\mu\text{A}$y estimado (solo de memoria)$V_{BE_{Q1}}=650\:\text{mV}$. También sé que el 1N4148 hace sobre$550\:\text{mV}$corriendo en$500\:\mu\text{A}$Actual. Entonces esto me dijo que el nodo divisor debe adivinarse en$1.2\:\text{V}$. También lo anoté.

Elegí hacer el divisor actual al menos$10\times$la corriente base máxima requerida para$Q_2$. Uno de los problemas con este circuito será la temperatura ambiente, ya que afecta la unión base-emisor de$Q_2$(y$D_1$, también) y esto afecta nuestro punto divisorio y casi todo lo demás. pero agregando$D_2$y$D_3$en el divisor ayuda aquí. Proporciona dos uniones más dependientes de la temperatura que seguirán la temperatura de las otras dos. El problema restante es$R_3$y las diferentes densidades de corriente.

$D_2$y$D_3$están corriendo con aproximadamente$\tfrac{1}{5}$de la densidad de corriente de$D_1$y$Q_2$. Recuerdo que un 1N4148 presenta sobre$\Delta V \approx 100\:\text{mV}$por década de cambio en la densidad de corriente, así que supongo que$\Delta V = 100\:\text{mV}\cdot \log_{10}\left(\tfrac{1}{5}\right) \approx -70\:\text{mV}$por diodo para esos dos. Entonces esto significa que para alcanzar$1.2\:\text{V}$en el divisor,$R_3=\frac{1.2V - 2\cdot\left(550\:\text{mV}-70\:\text{mV}\right)}{87\:\mu\text{A}}\approx 2.7\:\text{k}\Omega$(Solía$87\:\mu\text{A}$como el valor actual del punto medio.) Entonces eso establece$R_3$, en una conjetura.

Agregué un límite de aceleración a través de la resistencia divisoria$R_2$de modo que las variaciones de carga a corto plazo puedan impulsar más inmediatamente$Q_2$. (Si el$15\:\text{V}$el riel regulado salta repentinamente hacia arriba, luego$C_3$se detendrá inmediatamente en la base de$Q_2$haciéndolo alejar más de la corriente de la unidad que va a$Q_1$, contrarrestando la subida. Del mismo modo, también en la otra dirección.)

Creo que debería poder subirse al (-) riel regulado. ¡Y tenga en cuenta que no quiere cargar demasiado esta cosa! Definitivamente le causarás serios problemas a ese pobrecito TO-92. se esta disipando$5\:\text{mA}\cdot\left(53\:\text{V}-15\:\text{V}\right)\approx 200\:\text{mW}$y el paquete tiene$\tfrac{200 ^{\circ}K}{W}$, por lo que esto se resuelve en aproximadamente$+40^{\circ}C$sobre ambiente, ya. Puede ver qué tan rápido se calentará esta cosa si pasa mucha más corriente a través de ella. Es posible que puedas salirte con la tuya$10\:\text{mA}$, pero no mucho más.

NOTA GENERAL: ahora que puede ver el proceso de una persona (otros diseñadores más experimentados aplicarán aún más conocimientos que los que yo apliqué), tomemos un momento para ver esto desde una perspectiva distante.

El circuito se reduce a:

1. Un transistor de paso ($Q_1$) que se supone que debe distanciarse$40\:\text{V}$entre el riel (+) no regulado y el deseado$15\:\text{V}$carril. Este transistor de paso necesitará una fuente de corriente de base para que pueda mantenerse en su región activa. También está dispuesto en una configuración de seguidor de emisor, de modo que al mover su voltaje base, mueve su emisor alrededor en aproximadamente 1: 1 (la ganancia de voltaje de la base al emisor es$\approx 1$.)
2. Podemos resolver todas las necesidades en (1) arriba usando una resistencia simple ($R_1$) al raíl no regulado (+). Esto no solo puede proporcionar la corriente base necesaria, sino que también hace que sea muy fácil controlar el voltaje base de$Q_1$, simplemente tirando más o menos corriente a través de él. Para propósitos de diseño, no queremos variaciones en$Q_1$la corriente de base para impactar seriamente el flujo de corriente que también estamos usando para controlar el voltaje en la base de$Q_1$. Entonces necesitamos hacer que este flujo de corriente sea grande, en comparación. Más grande es mejor, y tal vez por defecto podríamos elegir un factor de$10\times$. Pero también estamos limitados por el hecho de que se trata de un$5\:\text{mA}$fuente de alimentación. Así que podríamos querer usar algo que se trata de$\tfrac{1}{10}$de$5\:\text{mA}$para mantenerlo modesto. Esto significa algo de$10\cdot 100\:\mu\text{A}=1\:\text{mA}$por un lado a aproximadamente$\tfrac{5mA}{10}=500\:\mu\text{A}$Por otro lado. Decidí usar el valor más pequeño, ya que este es solo un regulador simple y puedo aceptar una fuente de base un poco menos rígida .
3. Algo para controlar la corriente que pasa$R_1$, basado en una comparación de voltaje de algún tipo. Resulta que un BJT está bien para algo como esto. (Más BJT serían mejores, como en un amplificador operacional, pero uno es suficiente aquí). Tiene una corriente de colector que depende de la diferencia de voltaje entre su base y su emisor. ¡Entonces compara su base y su emisor y ajusta una corriente sobre esa base! Prácticamente hecho en el cielo para esto, ¿sí? Así que ahora pegamos un nuevo BJT ($Q_2$) con su colector atado a$R_1$y la base de$Q_1$.
4. Necesitamos un voltaje de referencia. Podría usar una referencia real, como un zener o un dispositivo IC más sofisticado, pero este es un diseño simple. Bueno, un diodo con una densidad de corriente fija es una referencia de voltaje. (Excepto la temperatura.) ¿Y adivina qué? ¡Simplemente tenemos una corriente que podemos usar que es relativamente estable! La misma corriente que estamos usando para ajustar$Q_1$el voltaje base a través de$R_1$. Y ahora,$R_1$proporciona tres servicios para nosotros: proporciona corriente base para$Q_1$, nos permite controlar$Q_1$ajustando la corriente a través de ella, y ahora esa misma corriente se puede usar para estabilizar el voltaje de un diodo de referencia de voltaje . Todo lo que hacemos es pegar ese diodo en el emisor de$Q_2$. Y agregue un pequeño condensador a través de él para eliminar el ruido de alta frecuencia allí. Es agradable cuando las cosas cumplen múltiples funciones para ti.
5. Tenemos nuestro colector de control de corriente, una referencia de voltaje en el emisor, y ahora todo lo que necesitamos proporcionar es un voltaje de comparación, derivado del voltaje de salida, en la base de$Q_2$. Es importante que si esta comparación aumenta (el voltaje de salida parece aumentar por alguna razón desconocida), extraeremos más corriente a través de$R_1$para forzar el voltaje base de$Q_1$negarse a oponerse a este cambio. Resulta que un simple divisor de voltaje hace bien este trabajo. Todo lo que tenemos que hacer es asegurarnos de que la corriente a través del divisor de voltaje sea mucho mayor que la corriente base requerida de$Q_2$, para que cuando$Q_2$ajusta su corriente de colector y necesita más (o menos) corriente de base, que esto no afecta (mucho) el voltaje del divisor.

Esa es realmente la esencia de esto. Agregué esos dos diodos para ayudar a estabilizar las cosas frente a las temperaturas ambientales. Pero no son estrictamente necesarios si no le importa que sus rieles de voltaje cambien un poco más con la temperatura. Tal como están las cosas, es posible que todavía se desplacen por ahí tal vez$\tfrac{25\:\text{mV}}{^{\circ}C}$, simplemente haciendo un pequeño bucle de conjetura. Pero si no le importa que sea el doble de malo, puede reemplazar la resistencia y dos diodos con una resistencia simple:

^{simular este circuito}

El valor real de$R_3$Es posible que deba ajustarse un poco aquí, ya que en realidad no sabemos cuánta corriente base se necesita (probablemente menos de lo que supuse, mucho menos). Así que quizás más cerca de la$12\:\text{k}\Omega$¿valor? Pero puede usar un potenciómetro aquí, supongo, para hacer esto ajustable también.

Por un lado, un 2N2222 solo está clasificado para 40 V. El 2907 es bueno para 60, pero eso aún no deja mucho margen para que las cosas salgan mal, particularmente al inicio.

Sospecho que el verdadero problema es que los transistores estaban cableados incorrectamente. Eso podría dejar un camino directo a través de Q1, D1 y Q2. ¡Maricón!

Añadido sobre voltajes en los transistores.

Incluso cuando todo funciona perfectamente, cada mitad del circuito recibe 53 V. El 1N4730 es un diodo zener de 3,9 V. Eso significa que, cuando todo funcione perfectamente, las bases de los transistores se mantendrán a ±2 V. Incluso diciendo que la caída de BE de cada transistor es de solo 600 mV, los emisores estarán a ±1,4 V. Eso significa que cada transistor verá 52 V. a través de él cuando todo es perfecto .

Todo nunca es perfecto. ¿Qué precisión tienen los suministros de ±53 V? ¿Qué pasa con los transitorios de inicio? ¿Cuáles son los voltajes zener reales con solo medio miliamperio a través de ellos? ¿Qué sucede cuando la carga consume algo de corriente real, aunque solo sea en el arranque para cargar un condensador o algo así?

¿Buscó la especificación de voltaje para los transistores que está usando, no solo cualquier hoja de datos que pueda encontrar para el número de pieza genérico? Hay especificaciones de voltaje mínimo en alguna parte para un 2N2222 y un 2N2907, pero los fabricantes específicos a veces hacen que sus piezas sean más capaces. No puede usar una de esas hojas de datos para decirle el máximo para el que es buena una parte genérica. Para obtener los números que mencioné anteriormente, tomé hojas de datos al azar. Eso significa que las especificaciones reales podrían ser más bajas que las que cité.

Un transistor ya está fuera de especificación, y el otro está cerca de él. Esto no es buena ingeniería.

Primero, Google es tu amigo. Un 1N4730 es un zener de 3,9 voltios.

Dicho esto, me inclino a creer que conectó mal su circuito o usó los valores incorrectos de las resistencias. Me inclino especialmente a pensar que R1 o R2 podrían haber sido de 100 ohmios, en lugar de 100k. En cualquier caso, los valores nominales de su resistencia son lo suficientemente grandes como para evitar la emisión de humo mágico, por lo que su circuito de alguna manera era diferente de su esquema.

• SI Vcemax para Q2 es de 40 V y más en ruptura secundaria, entonces Ve max es -12 V

• Vb para Q2 es 1/2 de Vz (D1=3.9) o -2V aprox. este Vbe = -10V mientras que la especificación es -5V ABSOLUTE MAX.

• debido al modo catastrófico de falla para Vbe reverse,

• y tu diseño descuidado,
• solo usted es responsable de que la pata del medio se vuele, tal vez por errores de construcción.

Esta es una forma más fácil de obtener +/- 15 V de sus rieles:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

R1 y R2 permiten que fluyan aproximadamente 2,5 mA a las bases del transistor y a los zeners de 16 V. El voltaje en los emisores de los transistores será aproximadamente 0,7 V menor que el voltaje zener o aproximadamente +/-15,3 V.

Si bien este es un circuito muy simple y confiable, tenga en cuenta que no es a prueba de cortocircuitos o sobrecargas como lo sería un regulador de 3 terminales.

Hay algunos reguladores lineales que pueden operar desde sus rieles de suministro relativamente altos, pero no serán tan baratos. Realice una búsqueda paramétrica en los sitios web de un distribuidor o proveedor para encontrarlos. El regulador negativo puede ser un problema mayor, especialmente porque sus rieles (presumiblemente no regulados) pueden superar considerablemente el pico de 53V. Si bien puede usar el circuito anterior para reducir el voltaje de un regulador de 3 terminales, debe considerar las peores condiciones y cuánta disipación experimentarán los transistores.

Los revisores rechazaron mis últimas modificaciones a la pregunta y sugirieron crear una nueva respuesta, así que:

Aquí está el esquema del OP, completado con fuentes de voltaje y resistencias zener más apropiadas, para la corriente zener recomendada de aproximadamente 8,5 mA:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Y aquí está el resultado de la simulación usando el botón Simular esto:

El zener ahora es un 1N4751A, 30 V a 8,5 mA, consulte estas especificaciones . Establecer la parte nr correcta NO establece el voltaje zener relacionado, lo hice manualmente en el editor de diagramas de circuitos. Las resistencias zener ahora son 4K7 para una corriente zener de aproximadamente 8,5 mA.

Después de agregar fuentes de voltaje, la simulación se ejecuta y da como resultado aproximadamente +/- 15,0 V sobre el zener y +/- 14,5 V sobre la resistencia de salida.

¡Perfecto! Este circuito parece hacer lo que se espera de él.

En cuanto a las partes quemadas: eso debe ser algo así como una conexión incorrecta, como lo sugiere uno de los comentaristas.