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

He estado buscando maneras de derivar rieles de bajo voltaje de un suministro de voltaje y corriente más alto, que en términos prácticos es de aproximadamente 53-0-53V de un suministro de energía lineal (toroidal, rectificador de puente y tapas electrolíticas).

Ingenuamente pensé que el circuito a continuación debería producir unos 30V agradables a través de la carga de prueba R3, en cambio obtuve un diodo zener muerto y una agradable explosión del transistor Q2 que fue algo inesperado y decepcionante. En realidad se voló la pierna del medio, la pobre.

La idea es obtener rieles de + 15V y -15V para alimentar un amplificador operacional o dos. Esperaba que R1, D1 y R2 cayeran respectivamente 38V, 30V y 38V y, por lo tanto, como un par de reguladores de serie estándar, el emisor de Q1 se estabilizaría a 15V (relativamente al hipotético carril de 0V que no está allí) y del mismo modo el El colector de Q2 estaría a -15V.

¿Qué he hecho mal? Me pregunto si he entendido mal el flujo de corriente a través de la PNP, siempre hacen que mi cerebro se fríe debido a la naturaleza inversa de ellos. De todos modos, ¿cuál es mi error?

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

actualizar:

El zener ahora es un 1N4751A, 30 V a 8.5 mA, consulte estas especificaciones . 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 produce aproximadamente +/- 2.54 V sobre el zener y +/- 2.1 V sobre la resistencia de salida.

¡Extraño! O el simulador no sabe que los zener zeners a 30 V, o los transistores consumen mucha corriente base, pero con una resistencia de carga tan grande que es poco probable.

Ya tiene un suministro de CC no regulado. Como dices, construido a partir de un puente y algunos condensadores. Aparentemente, también tiene un toque central en su secundario del transformador. Entonces también tienes un terreno, y$\pm53V$medido con su medidor para los otros dos rieles. Asumiré que esto probablemente esté descargado, por lo que probablemente tenga menos que eso cuando esté cargado. Cuánto menos se puede suponer, ya que depende mucho de la carga, el diseño de su toroide, los condensadores y otros factores. Pero menos, seguro.

Supongo que estás tratando de aprender cómo diseñar tu propio $\pm 15V$suministro para uso con opamps. Por lo tanto, no necesariamente desea comprar una buena oferta (son baratas 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 términos de energía. Pero estás bien con eso.

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

Su enfoque es quizás demasiado parecido a un controlador de salida de sumidero / fuente utilizado en todo, desde opamps hasta amplificadores de audio. Podría tomar el enfoque que está tomando, pero tendría que hacer dos de ellos, uno para$+15V$ y uno para $-15V$. Y son aún menos eficientes, ya que pueden cada fuente desde su riel (+) y hundirse en su riel (-), y debe ejecutarlos en la clase AB. Realmente solo necesita obtener de (+) para hacer el$+15V$ ferrocarril y hundirse a (-) para hacer el $-15V$ carril.

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. Algunos$\tfrac{1}{2}W$, $10k\Omega$resistencias? Eso solo presentaría un$5mA$ 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$\ge 5W$, $1k\Omega$ resistencia para tener una idea sobre una $50mA$carga, midiendo el voltaje con esa carga presente. Entonces probaría algo como un$\ge 10W$, $270\Omega$ resistencia para ver qué pasa cuando me acerco $200mA$carga. Esto probará todo su sistema no regulado y le dará una idea sobre sus limitaciones. Esos valores fueron seleccionados 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 para alcanzar 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 comience centrándose en un solo lado, digamos, creando $+15V$riel de suministro regulado desde su riel no regulado (+). También debe considerar si desea o no algún límite actual. 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$+12V$, también. Entonces, ¿quizás un suministro de salida variable que funcione en un rango modesto de voltajes de salida?

¡Tienes mucho espacio para la cabeza! Esto significa que puede usar un seguidor de emisor NPN, un seguidor 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 disiparse y que sus rieles de voltaje son suficientes para que tenga que verificar las hojas de datos para mantenerse dentro de los parámetros operativos seguros para los dispositivos.

Finalmente, probablemente pueda aceptar tener que establecer por separado los dos valores de riel de voltaje, independientemente. Algunas fuentes de alimentación están diseñadas para proporcionar seguimiento, de modo que si configura el$+V$ suministrar a $+15V$ entonces tu regulado $-V$ el suministro rastreará eso y proporcionará $-15V$. 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 cumplimiento de corriente máximo que desea soportar (usando una resistencia de alto voltaje y luego tomando un momento para medir el voltaje con un voltímetro antes de que se caliente demasiado). ) Y sería aún más útil saber si desea un voltaje variable en un rango (¿qué rango, exactamente?) Y, si solo desea un voltaje fijo, ¿cuánta precisión inicial siente 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 desea utilizar esto 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$5mA$. Primero centrémonos 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? Hmm Probemos esto: énfasis en lo simple.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

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

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

Decidí usar otro NPN abajo, con su base clavada en un divisor de resistencia, para extraer esa corriente. $Q_2$El colector está clavado a un voltaje, por lo que no hay efecto temprano. Multa. Disipación en$Q_2$ está debajo $10mW$, Asique no hay problema. (Ya sabes que puede haber un problema en$Q_1$.) Un diodo y un condensador proporcionan una referencia de voltaje semi-estable, ya que se alimenta de forma relativamente estable. $450\mu A\pm50\mu A$Actual. Yo estimé$\beta_{Q2}=50$ (nuevamente) y calculado $I_{B_{Q2}}=10\mu A$ y estimado (solo de memoria) $V_{BE_{Q1}}=650mV$. También sé que el 1N4148 hace sobre$550mV$ corriendo a $500\mu A$Actual. Entonces esto me dijo que el nodo divisor debería adivinarse$1.2V$. Escribí eso también.

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 divisor 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. 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 actual de $D_1$ y $Q_2$. Recuerdo que un 1N4148 presenta sobre$\Delta V \approx 100mV$ por cambio de década en la densidad de corriente, así que supongo que $\Delta V = log10\left(\tfrac{100\mu A}{500\mu A}\right) \approx -70mV$por diodo para esos dos. Entonces esto significa que para llegar$1.2V$ en el divisor $R_3=\frac{1.2V - 2\cdot\left(550mV-70mV\right)}{87\mu A}\approx 2.7k\Omega$ (Solía $87\mu A$ como el valor actual de punto medio.) Entonces eso establece $R_3$, en una suposición.

Agregué una tapa de aceleración a través de la resistencia del divisor $R_2$ para que las variaciones de carga a corto plazo puedan conducir más inmediatamente $Q_2$. (Si el$15V$ el riel regulado salta repentinamente hacia arriba, luego $C_3$ se detendrá inmediatamente en la base de $Q_2$ haciendo que se aleje más de la corriente de la unidad que va a $Q_1$, contrarrestando el ascenso. Del mismo modo, en la otra dirección, también.)

Creo que deberías poder subir el (-) riel regulado. ¡Y tenga en cuenta que no desea cargar demasiado esta cosa! Definitivamente le causarás a ese pobre pequeño TO-92 problemas serios. Se esta disipando$5mA\cdot\left(53V-15V\right)\approx 200mW$ y el paquete tiene $\tfrac{200 ^{\circ}K}{W}$, así que esto funciona sobre $+40^{\circ}C$sobre ambiente, ya. Puede ver qué tan rápido se calentará esta cosa si pasa mucha más corriente a través de ella. Es posible que pueda salirse con la suya$10mA$, pero no mucho más.

NOTA GENERAL: Ahora que puede ver el proceso de una persona (otros diseñadores más experimentados aplicarán aún más conocimiento del 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 se destaca sobre $40V$ entre el riel no regulado (+) y el deseado $15V$carril. Este transistor de paso necesitará una fuente de corriente base para que pueda mantenerse en su región activa. También se organiza en una configuración de emisor-seguidor, de modo que al mover su voltaje base se mueve alrededor de su emisor 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 riel 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 de más o menos corriente a través de él. Para fines de diseño, no queremos variaciones en$Q_1$La corriente de base para impactar seriamente la corriente de corriente que también estamos usando para controlar el voltaje en la base de $Q_1$. Por lo tanto, necesitamos hacer que este flujo de corriente sea grande, en comparación. Más grande es mejor, y quizás por defecto podríamos elegir un factor de$10\times$. Pero también estamos limitados por el hecho de que este es un$5mA$fuente de alimentación. Por lo tanto, podríamos querer usar algo que se trata de$\tfrac{1}{10}$th de $5mA$para mantenerlo modesto. Esto significa algo de$10\cdot 100\mu A=1mA$ por un lado a aproximadamente $\tfrac{5mA}{10}=500\mu A$Por otro lado. Decidí usar el valor más pequeño, ya que este es solo un regulador simple y puedo aceptar un poco menos rígido fuente base .
3. Algo para controlar la corriente que se atraviesa $R_1$, 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 opamp, 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 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$Q_1$tensión base a través $R_1$. Y ahora,$R_1$proporciona tres servicios para nosotros: proporciona corriente base para$Q_1$, nos permite controlar $Q_1$'s base ajustando la corriente a través de él, y ahora esa misma corriente se puede utilizar 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 o elimine el ruido de alta frecuencia allí. Es agradable cuando las cosas hacen múltiples tareas 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), atraeremos más corriente$R_1$ 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 la corriente de su colector y necesita más (o menos) corriente base, esto no afecta el voltaje del divisor (mucho)

Esa es realmente la esencia de esto. Agregué esos dos diodos para ayudar a estabilizar las cosas frente a las temperaturas ambiente. Pero no son estrictamente necesarios si no te importa que tus rieles de voltaje cambien un poco más con la temperatura. Tal como están las cosas, aún pueden moverse$\tfrac{25mV}{^{\circ}C}$, solo haciendo un pequeño bucle de conjeturas. Pero si no le importa que sea el doble de malo, puede reemplazar la resistencia y dos diodos con una resistencia simple, en su lugar:

^{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). Entonces, tal vez más cerca del $12k\Omega$¿valor? Pero supongo que puede usar un potenciómetro aquí para hacer que esto también sea ajustable.

Por un lado, un 2N2222 solo tiene una potencia de 40 V. El 2907 es bueno para 60, pero eso todavía no deja mucho margen para que las cosas salgan mal, especialmente en el arranque.

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!

Agregado sobre voltajes en los transistores

Incluso cuando todo funciona perfectamente, cada mitad del circuito ve 53 V. El 1N4730 es un diodo zener de 3.9 V. Eso significa que, cuando todo funciona perfectamente, las bases del transistor se mantendrán a ± 2 V. Incluso diciendo que la caída 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 tan precisos son los suministros de ± 53 V? ¿Qué pasa con los transitorios de inicio? ¿Cuáles son los voltajes reales de Zener con solo medio miliamperio a través de ellos? ¿Qué sucede cuando la carga consume algo de corriente real, incluso si solo en el arranque carga un condensador o algo así?

¿Buscó la especificación de voltaje para los transistores que está utilizando realmente, no cualquier hoja de datos que pueda encontrar para el número de pieza genérico? Hay especificaciones de voltaje mínimo en algún lugar para un 2N2222 y 2N2907, pero los fabricantes específicos a veces hacen que sus piezas sean más capaces. No puede usar una de esas hojas de datos para indicarle el máximo para el que una parte genérica es buena. Para obtener los números que cité anteriormente, tomé hojas de datos aleatorias. Eso significa que las especificaciones reales podrían ser más bajas de lo 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 o bien conectó incorrectamente su circuito o usó los valores incorrectos de las resistencias. Estoy especialmente inclinado a pensar que R1 o R2 podrían haber sido de 100 ohmios, en lugar de 100k. En cualquier caso, sus valores de resistencia nominal 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 40V y más allá en la descomposición secundaria, entonces Vemax es -12V

• 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 su pierna media se vuele, tal vez por errores de construcción.

Esta es una forma más fácil de obtener +/- 15V 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 16V. El voltaje en los emisores de los transistores será aproximadamente 0.7V menor que el voltaje zener o aproximadamente +/- 15.3V.

Si bien este es un circuito muy simple y fiable, nota que es no cortocircuito o sobrecarga de la prueba como un regulador de 3 terminales sería.

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 subir considerablemente más que el pico de 53V. Si bien puede usar el circuito anterior para bajar el voltaje de un regulador de 3 terminales, debe considerar las peores condiciones y cuánta disipación experimentarán los transistores.

Los revisores rechazaron mis últimas ediciones a la pregunta y sugirieron crear una nueva respuesta, por lo tanto:

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 este:

El zener ahora es un 1N4751A, 30 V a 8.5 mA, consulte estas especificaciones . Establecer la parte correcta nr NO establece el voltaje zener relacionado, lo hice manualmente en el editor de diagrama de circuito. 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 produce 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: debe ser algo así como una conexión incorrecta, como lo sugiere uno de los comentaristas.