Warum explodierte mein NPN / PNP-Spannungsregler-Experiment?

Ich habe nach Möglichkeiten gesucht, Niederspannungsschienen aus einer höheren Spannungs- und Stromversorgung abzuleiten, die in der Praxis etwa 53-0-53 V aus einer linearen Stromversorgung (Toroid-, Brückengleichrichter- und Elektrolytkappen) beträgt.

Ich dachte naiv, dass die Schaltung unten über die Testlast R3 schöne 30 V erzeugen sollte, stattdessen bekam ich eine tote Zenerdiode und eine schöne Explosion vom Transistor Q2, was etwas unerwartet und enttäuschend war. Es hat tatsächlich sein Mittelbein abgeblasen, das arme Ding.

Die Idee ist, + 15V- und -15V-Schienen für die Stromversorgung eines oder zweier Operationsverstärker zu erhalten. Ich erwartete, dass R1, D1 und R2 jeweils 38 V, 30 V und 38 V abfallen würden, und daher würde sich der Emitter von Q1 wie ein Paar Regler der Standardreihe bei 15 V stabilisieren (relativ zu der hypothetischen 0 V-Schiene, die nicht vorhanden ist) und ebenso bei Kollektor von Q2 wäre bei -15V.

Was habe ich falsch gemacht? Ich frage mich, ob ich den Stromfluss durch das PNP falsch verstanden habe. Sie bringen mein Gehirn immer zum Braten, weil sie umgekehrt sind. Wie auch immer, was ist mein Fehler?

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

aktualisieren:

Der Zener ist jetzt ein 1N4751A, 30 V bei 8,5 mA, siehe diese Spezifikationen . Die Zenerwiderstände sind jetzt 4K7 für einen Zenerstrom von ca. 8,5 mA.

Nach dem Hinzufügen von Spannungsquellen läuft die Simulation und ergibt ungefähr +/- 2,54 V über dem Zener und +/- 2,1 V über dem Ausgangswiderstand.

Seltsam! Entweder weiß der Simulator nicht, dass die Zener-Zenere bei 30 V sind, oder die Transistoren ziehen viel Basisstrom, aber mit einem so großen Lastwiderstand ist das unwahrscheinlich.

Sie haben bereits eine ungeregelte Gleichstromversorgung. Wie Sie sagen, aus einer Brücke und einigen Kondensatoren gebaut. Anscheinend haben Sie auch einen Mittelabgriff an der Sekundärseite Ihres Transformators. Sie haben also auch eine Erdung und gemessen mit Ihrem Messgerät für die beiden anderen Schienen. Ich gehe davon aus, dass dies wahrscheinlich entladen ist, so dass Sie beim Laden wahrscheinlich weniger als das haben werden. Wie viel weniger ist jedermanns Vermutung, da dies stark von der Belastung, Ihrem Toroid-Design, den Kondensatoren und anderen Faktoren abhängt. Aber sicher weniger.$\pm53V$

Ich nehme an, Sie versuchen zu lernen, wie Sie Ihre eigene Versorgung für die Verwendung mit Operationsverstärkern entwerfen. Sie möchten also nicht unbedingt nur einen schönen Vorrat kaufen (sie sind heutzutage billig). Und da es um das Lernen geht, wird es ein lineares Design und kein Umschalter sein. Daher ist Ihre Stromversorgung in Bezug auf die Stromversorgung im Allgemeinen ineffizient. Aber damit bist du einverstanden.$\pm 15V$

Vielleicht projiziere ich, aber ich denke, das ist eine gute Idee, um damit zu beginnen. Es ist bescheiden genug, dass Sie allen Grund haben, erfolgreich zu sein. Aber es gibt genug zu lernen, dass es sich auch lohnt, dafür zu kämpfen. Ich denke, meine allererste Lernerfahrung, bei der ich ein paar Dinge wirklich gut gelernt habe, war der Versuch, mein eigenes Netzteil so zu gestalten. Zu der Zeit hatte ich so ziemlich keine Wahl. Bestehende Laborbedarfsartikel waren für einen jungen Teenager nicht erhältlich. Und es gab auch keine billigen eBay-Anbieter für ausgefallene Umschalter, die auf ICs basierten. Also musste ich es selbst machen oder ohne gehen. Und angesichts dessen lernt man oder verzichtet darauf.

Ihr Ansatz ähnelt vielleicht etwas zu sehr einem Sink / Source-Ausgangstreiber, der in allen Bereichen verwendet wird, von Operationsverstärkern bis hin zu Audioverstärkern. Sie könnten den Ansatz Sie nehmen, aber man müßte zwei von ihnen machen - einen für und einen für - 15 V . Und sie sind noch weniger effizient, da sie jede Quelle von Ihrer (+) Schiene und Senke auf Ihre (-) Schiene bringen können und Sie sie in Klasse AB betreiben müssen. Sie müssen wirklich nur von (+) beziehen, um die + 15- V- Schiene herzustellen, und auf (-) sinken, um die - 15- V- Schiene herzustellen .$+15V$$-15V$$+15V$$-15V$

Nur als Randnotiz kann es eine gute Idee sein, ein Paar Entlüftungswiderstände in Ihre vorhandene Kondensatorbank am Ausgang Ihrer Brücke einzubauen. Etwas, um die gespeicherte Ladung loszuwerden, wenn Sie Dinge ausschalten. Einige ,10kΩWiderstände? Das würdebeim Laufennur eineLast von5mA darstellen.$\tfrac{1}{2}W$$10k\Omega$$5mA$

Während Sie über diese Idee nachdenken, sollten Sie auch versuchen, Ihr vorhandenes unreguliertes Angebot herunterzuladen, um zu messen, was es unter Last tut. Ich würde so etwas wie ein Versuch , 1 k Ω Widerstand eine Vorstellung von einem bekommen 50 m Eine Last, die Spannung mit dieser Last vorhanden messen. Ich würde dann so etwas wie einen Widerstand von ≥ 10 W , 270 Ω versuchen, um zu sehen, was passiert, wenn ich mich 200 m $\ge 5W$$1k\Omega$$50mA$$\ge 10W$$270\Omega$$200mA$Belastung. Dadurch wird Ihr gesamtes nicht reguliertes System getestet und Sie erhalten eine Vorstellung von den Einschränkungen. Diese Werte wurden zufällig ausgewählt. Wenn Sie die Einschränkungen Ihres Toroids bereits kennen, probieren Sie zwei verschiedene Widerstandswerte aus, die die maximale Last erreichen, die Sie voraussichtlich unterstützen, und einen weiteren, der möglicherweise 30% der maximalen Last erreicht. Und notieren Sie sich einfach die gemessenen Spannungswerte. Es ist hilfreich, eine Vorstellung von Ihrer ungeregelten Schiene zu haben, wenn diese etwas beladen wird.

Ich würde empfehlen, dass Sie sich zunächst nur auf eine Seite konzentrieren und beispielsweise die geregelte Versorgungsschiene aus Ihrer ungeregelten (+) Schiene erstellen . Sie müssen überlegen, ob Sie auch aktuelle Grenzwerte wünschen oder nicht. Ich denke, es wäre sicherer, sie einzubeziehen. Aber das ist deine Entscheidung. Es ist jedoch nicht schwer, etwas dafür aufzunehmen. Und nur persönlich, würde ich wahrscheinlich will in der Lage sein , um zu gehen + 12 V , auch. Also vielleicht eine variable Ausgangsversorgung, die über einen bescheidenen Bereich von Ausgangsspannungen arbeitet?$+15V$$+12V$

Sie haben viel Kopffreiheit! Dies bedeutet, dass Sie einen NPN-Emitter-Follower, einen Darlington-Follower oder nahezu jede gewünschte Konfiguration verwenden können. Die Dinge sind nicht eng , so dass Sie Platz für Kontrollstrukturen haben. Viel Platz. Der Nachteil ist natürlich, dass Sie sich zerstreuen müssen und dass Ihre Spannungsschienen ausreichen, um Datenblätter zu überprüfen, um die sicheren Betriebsparameter für Geräte einzuhalten.

Schließlich können Sie wahrscheinlich akzeptieren, dass Sie die beiden Spannungsschienenwerte unabhängig voneinander separat einstellen müssen. Einige Netzteile sind so konzipiert, bietet Tracking , so dass , wenn Sie die geregelte eingestellt Versorgung + 15 V dann geregelt - V Versorgung verfolgen wird , dass und liefern - 15 V . Aber ohne das kann man vorerst leben, vermute ich.$+V$$+15V$$-V$$-15V$

Wenn Sie eine separate Frage schreiben oder diese besser klären, kann ich Sie mit drei oder vier verschiedenen diskreten (Nicht-IC-) Topologien beginnen, die Sie selbst analysieren und aufbauen sollten. Aber ich habe zum Beispiel keine Ahnung, welche Art von aktueller Compliance Sie haben möchten. Und es ist hilfreich zu wissen, welche Spannung Sie messen, wenn Ihre ungeregelte Versorgung auf die maximale Stromkonformität geladen wird, die Sie unterstützen möchten (verwenden Sie einen Widerstand mit hoher Leistung und nehmen Sie sich einen Moment Zeit, um die Spannung mit einem Voltmeter zu messen, bevor sie zu heiß wird. ) Und es würde noch mehr helfen zu wissen, ob Sie eine variable Spannung über einen Bereich (welcher Bereich genau?) Wollen und, wenn Sie nur eine feste Spannung wollen, wie viel Anfangsgenauigkeit Sie benötigen? Und ich' Ich möchte wissen, ob dies ausschließlich für eine Opamp-Versorgung gilt (was auf eine geringere Stromkonformität hindeutet) oder ob Sie dies für einige Projekte verwenden möchten, um tatsächlich höhere Ströme bei noch niedrigeren Spannungen zu liefern. Schließlich wäre es schön zu wissen, welche BJTs Sie haben oder bereit sind zu bekommen.

EDIT: Also. Etwas einfach, nicht sehr viel Strom der Einhaltung von nur . Konzentrieren wir uns zunächst auf die (+) Schienenseite ... könnte entweder mit NPN oder PNP für den Durchgangstransistor gehen. Es geht eher darum, wie Sie es steuern möchten. Möchten Sie Strom von einer Quelle ableiten oder nach Bedarf Strom abziehen? Hmm. Lassen Sie uns dies versuchen - Betonung auf einfach.$5mA$

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Ich habe einige Konstruktionshinweise zum Schaltplan aufgeschrieben. Die Widerstandswerte sind Standardwerte, daher ist die tatsächliche Ausgangsspannung etwas falsch. Aber es sollte eng sein. Hier ist die Logik.

Ich begann damit, als Emitterfolger-Topologie zu verwenden. Es ist Emitter Ziele 15 V . Also habe ich dort "15V @ 5mA" aufgeschrieben. Ich schätzte anfänglich ein nützliches β Q 1 = 50 und berechnete I B Q 1 = 100 μ A und schätzte (nur aus dem Speicher) V B E Q $Q_1$$15V$$\beta_{Q1}=50$$I_{B_{Q1}}=100\mu A$ . Aus diesem Grund habe ich beschlossen, dass ich 5 × so viel von der ungeregelten Versorgung habenmöchte, also habe ich R 1 = 53 V - $V_{BE_{Q1}}=750mV$$5\times$. Dies bedeutetdass ich zwischen ziehen müssen entfernt400-500μAvonR1zu steuernQ1‚Verhalten am Ausgang. Das ist ein ausreichend kleiner Bereich,450μA±50$R_1=\frac{53V-15V-750mV}{500\mu A}=74.5k\Omega \approx 75k\Omega$$400-500\mu A$$R_1$$Q_1$ , dass Variationen in einer einfachen Schaltung werden nicht zu empfindlich sein. Oh, und ich habe mich für den BC546 entschieden, der eine V C E O = 65 V hat . (Könnte einen 2N5551 für V C $450\mu A\pm 50\mu A$$V_{CEO}=65V$)$V_{CEO}=150V$

Ich beschloss, unten ein anderes NPN zu verwenden, dessen Basis an einen Widerstandsteiler genagelt war, um diesen Strom zu ziehen. Der Kollektor von ist an eine Spannung genagelt, also kein früher Effekt. Fein. Die Verlustleistung in Q 2 liegt unter 10 m W , also kein Problem. (Sie wissen schon ein Problem sein kann , in Q 1 ) . Eine Diode und Kondensator liefert eine semistabile Spannungsreferenz, da es eine relativ stabile zugeführt wird 450 μ A ± 50 μ A Strom. I geschätzt β Q 2 = 50 (wieder) und berechnet I B Q 2$Q_2$$Q_2$$10mW$$Q_1$$450\mu A\pm50\mu A$$\beta_{Q2}=50$ und (ausSpeicher nur) geschätzt V B E Q 1 = 650 m V . Ich weiß auchdass die 1N4148 hat etwa 550 m V bei laufenden 500 μ A Strom. Dies sagte mir also, dass der Teilerknoten auf 1,2 V geschätzt werden sollte. Das habe ich auch aufgeschrieben.$I_{B_{Q2}}=10\mu A$$V_{BE_{Q1}}=650mV$$550mV$$500\mu A$$1.2V$

Ich habe mich dafür entschieden, den Teilerstrom mindestens dem maximal erforderlichen Basisstrom für Q 2 zu machen . Eines der Probleme mit dieser Schaltung werden Umgebungstemperaturen sein, da diese den Basis-Emitter-Übergang von Q 2 (und auch D 1 ) beeinflussen und dies unseren Teilerpunkt und so ziemlich alles andere beeinflusst. Hier hilft jedoch das Hinzufügen von D 2 und D 3 im Teiler. Es bietet zwei weitere temperaturabhängige Übergänge. Das verbleibende Problem ist R 3 und die unterschiedlichen Stromdichten.$10\times$$Q_2$$Q_2$$D_1$$D_2$$D_3$$R_3$

und D 3 laufen mit ungefähr$D_2$$D_3$ der Stromdichte vonD1undQ2. Ich bin zufällig zu erinnerndass ein 1N4148 präsentiert etwaΔV≈100mVpro Dekade Änderung der Stromdichte, so dass ich denkedass$\tfrac{1}{5}$$D_1$$Q_2$$\Delta V \approx 100mV$pro Diode für diese beiden. Das heißt also, um1,2Vam Teilerzu erreichen, istR3=1,2V$\Delta V = log10\left(\tfrac{100\mu A}{500\mu A}\right) \approx -70mV$$1.2V$ (I verwenden 87 μ A als Mittelpunkt-Stromwert.)So dass Sätze R 3 bei einer Vermutung.$R_3=\frac{1.2V - 2\cdot\left(550mV-70mV\right)}{87\mu A}\approx 2.7k\Omega$$87\mu A$$R_3$

Ich habe eine Beschleunigungskappe über dem Teilerwiderstand hinzugefügt, damit kurzfristige Lastschwankungen Q 2 sofort antreiben können . (Wenn die geregelte 15- V- Schiene plötzlich nach oben springt, dann$R_2$$Q_2$$15V$$C_3$$Q_2$$Q_1$

$5mA\cdot\left(53V-15V\right)\approx 200mW$$\tfrac{200 ^{\circ}K}{W}$$+40^{\circ}C$$10mA$

ÜBERSICHT HINWEIS: Nachdem Sie nun den Prozess einer Person sehen können (andere, erfahrenere Designer wenden noch mehr Wissen an als ich), nehmen wir uns einen Moment Zeit, um dies aus einer entfernten Perspektive zu betrachten.

Die Schaltung läuft auf Folgendes hinaus:

1. $Q_1$$40V$$15V$$\approx 1$
2. $R_1$$Q_1$$Q_1$$Q_1$$10\times$$5mA$$\tfrac{1}{10}$$5mA$$10\cdot 100\mu A=1mA$$\tfrac{5mA}{10}=500\mu A$
3. $R_1$$Q_2$$R_1$$Q_1$
4. $Q_1$$R_1$$R_1$$Q_1$$Q_1$$Q_2$
5. $Q_2$$R_1$$Q_1$$Q_2$$Q_2$ passt seinen Kollektorstrom an und benötigt mehr (oder weniger) Basisstrom, so dass dies die Teilerspannung nicht stark beeinflusst (viel.)

$\tfrac{25mV}{^{\circ}C}$

^{simulieren Sie diese Schaltung}

$R_3$$12k\Omega$

Zum einen ist ein 2N2222 nur für 40 V ausgelegt. Der 2907 ist gut für 60, aber das lässt immer noch nicht viel Spielraum, damit etwas schief geht, insbesondere beim Start.

Ich vermute, das eigentliche Problem ist, dass die Transistoren falsch verdrahtet wurden. Das könnte einen direkten Weg durch Q1, D1 und Q2 hinterlassen. Poof!

Über Spannungen an den Transistoren hinzugefügt

Selbst wenn alles einwandfrei funktioniert, sieht jede Schaltungshälfte 53 V. Die 1N4730 ist eine 3,9-V-Zenerdiode. Das heißt, wenn alles perfekt funktioniert, werden die Transistorbasen bei ± 2 V gehalten. Selbst wenn der BE-Abfall jedes Transistors nur 600 mV beträgt, liegen die Emitter bei ± 1,4 V. Das bedeutet, dass jeder Transistor 52 V sieht darüber hinweg, wenn alles perfekt ist .

Alles ist niemals perfekt. Wie genau sind die ± 53 V-Versorgungen? Was ist mit Starttransienten? Was sind die wirklichen Zenerspannungen mit nur einem halben Milliampere? Was passiert, wenn die Last einen echten Strom zieht, auch wenn nur beim Start ein Kondensator oder etwas aufgeladen wird?

Haben Sie die Spannungsspezifikation für die Transistoren nachgeschlagen, die Sie tatsächlich verwenden, und nicht irgendein Datenblatt, das Sie für die generische Teilenummer finden konnten? Es gibt irgendwo Mindestspannungsspezifikationen für einen 2N2222 und einen 2N2907, aber bestimmte Hersteller machen ihre Teile manchmal leistungsfähiger. Sie können keines dieser Datenblätter verwenden, um anzugeben, für welches Maximum ein generischer Teil geeignet ist. Um die oben genannten Zahlen zu erhalten, habe ich zufällige Datenblätter genommen. Das bedeutet, dass die tatsächlichen Spezifikationen niedriger sein könnten als von mir angegeben.

Ein Transistor ist bereits weit außerhalb der Spezifikation und der andere ist nahe daran. Das ist keine gute Technik.

Erstens ist Google dein Freund. Ein 1N4730 ist ein 3,9-Volt-Zener.

Trotzdem neige ich dazu zu glauben, dass Sie entweder Ihre Schaltung falsch verkabelt haben oder die falschen Werte für Widerstände verwendet haben. Ich bin besonders geneigt zu glauben, dass R1 oder R2 100 Ohm statt 100k gewesen sein könnten. In jedem Fall sind Ihre Nennwiderstandswerte groß genug, um eine magische Rauchemission zu verhindern, sodass sich Ihre Schaltung in irgendeiner Weise von Ihrem Schaltplan unterschied.

• WENN Vcemax für Q2 bei sekundärem Durchschlag 40 V und mehr beträgt, beträgt Ve max -12 V.

• Vb für Q2 ist 1/2 von Vz (D1 = 3,9) oder -2V ca. diese Vbe = -10V, während die Spezifikation -5V ABSOLUTE MAX ist.

• aufgrund des katastrophalen Ausfallmodus für Vbe Reverse,

• und dein nachlässiges Design,
• Nur Sie sind dafür verantwortlich, dass das Mittelbein weggeblasen wird, möglicherweise durch Konstruktionsfehler.

Dies ist eine einfachere Möglichkeit, +/- 15 V von Ihren Schienen zu erhalten:

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Mit R1 und R2 können etwa 2,5 mA zu den Transistorbasen und zu den 16-V-Zenern fließen. Die Spannung an den Emittern der Transistoren ist etwa 0,7 V niedriger als die Zenerspannung oder etwa +/- 15,3 V.

Dies ist zwar eine sehr einfache und zuverlässige Schaltung, beachten Sie jedoch, dass sie nicht kurzschluss- oder überlastungssicher ist, wie dies bei einem 3-poligen Regler der Fall wäre.

Es gibt einige Linearregler, die von Ihren relativ hohen Versorgungsschienen aus betrieben werden können, aber sie sind nicht allzu billig. Führen Sie eine parametrische Suche auf den Websites eines Händlers oder Lieferanten durch, um diese zu finden. Der negative Regler kann ein größeres Problem darstellen, insbesondere da Ihre (vermutlich nicht geregelten) Schienen erheblich höher als die 53-V-Spitze sein können. Während Sie die obige Schaltung verwenden können, um die Spannung für einen 3-poligen Regler abzusenken, müssen Sie die Worst-Case-Bedingungen und die Verlustleistung der Transistoren berücksichtigen.

Die Prüfer lehnten meine letzten Änderungen an der Frage ab und schlugen vor, eine neue Antwort zu erstellen.

Hier ist das Schema aus dem OP, ergänzt mit Spannungsquellen und geeigneteren Zenerwiderständen, für den empfohlenen Zenerstrom von ca. 8,5 mA:

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Und hier ist das Ergebnis der Simulation mit der Schaltfläche Dies simulieren:

Der Zener ist jetzt ein 1N4751A, 30 V bei 8,5 mA, siehe diese Spezifikationen . Durch Einstellen des richtigen Teils nr wird NICHT die zugehörige Zenerspannung eingestellt. Dies habe ich manuell im Schaltplaneditor durchgeführt. Die Zenerwiderstände sind jetzt 4K7 für einen Zenerstrom von ca. 8,5 mA.

Nach dem Hinzufügen von Spannungsquellen läuft die Simulation und ergibt ungefähr +/- 15,0 V über dem Zener und +/- 14,5 V über dem Ausgangswiderstand.

Perfekt! Diese Schaltung scheint das zu tun, was von ihr erwartet wird.

Was die durchgebrannten Teile betrifft: Das muss so etwas wie eine falsche Verbindung sein, wie von einem der Kommentatoren vorgeschlagen.