Por que minha experiência com o regulador de tensão NPN / PNP explodiu?

Tenho procurado maneiras de derivar trilhos de baixa tensão de uma fonte de tensão e corrente mais alta, que em termos práticos é de 53-0-53V de uma fonte de alimentação linear (toroidal, retificador de ponte e tampas eletrolíticas).

Ingenuamente, pensei que o circuito abaixo deveria produzir 30V na carga de teste R3. Em vez disso, obtive um diodo zener morto e uma explosão agradável do transistor Q2 que foi um tanto inesperado e decepcionante. Na verdade, arrancou a perna do meio, a coitada.

A idéia é obter trilhos de + 15V e -15V para alimentar um amplificador operacional ou dois. Eu esperava que R1, D1 e R2 caíssem respectivamente 38V, 30V e 38V e, assim, como um par de reguladores da série padrão, o emissor do Q1 se estabilizaria em 15V (relativamente ao hipotético trilho de 0V que não existe) e da mesma forma o coletor de Q2 estaria em -15V.

O que eu fiz errado? Gostaria de saber se eu não entendi o fluxo atual através do PNP, eles sempre fazem meu cérebro fritar por causa do tipo reverso de natureza deles. Enfim, qual é o meu erro?

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

atualizar:

O zener agora é 1N4751A, 30 V a 8,5 mA, consulte estas especificações . Os resistores zener agora são 4K7 para uma corrente zener de cerca de 8,5 mA.

Após adicionar fontes de tensão, a simulação é executada e resulta em cerca de +/- 2,54 V sobre o zener e +/- 2,1 V sobre o resistor de saída.

Estranho! Ou o simulador não sabe que os zener zeners a 30 V ou os transistores consomem muita corrente de base, mas com um resistor de carga tão grande que é improvável.

Você já possui um suprimento CC não regulamentado. Como você diz, construído a partir de uma ponte e alguns capacitores. Aparentemente, você também tem um toque central no secundário do transformador. Então você tem um terreno também$\pm53V$medido com seu medidor para os outros dois trilhos. Eu assumirei que isso provavelmente está descarregado, então você provavelmente terá menos que isso quando carregado. Quanto menos adivinhar alguém, pois depende muito da carga, do design do seu toróide, dos capacitores e de outros fatores. Mas menos, com certeza.

Acho que você está tentando aprender sobre como criar seu próprio $\pm 15V$suprimento para uso com opamps. Portanto, você não está necessariamente querendo comprar um bom suprimento (eles são baratos hoje em dia). E como se trata de aprendizado, será um projeto linear e não um comutador. Portanto, sua fonte de alimentação geralmente será ineficiente em termos de energia. Mas você está bem com isso.

Talvez eu esteja projetando, mas acho que é uma boa ideia para começar. É modesto o suficiente para que você tenha todos os motivos para ter sucesso. Mas há o suficiente para aprender sobre o que vale a pena lutar também. Acho que minha primeira experiência de aprendizado, onde realmente aprendi algumas coisas bem, foi tentar projetar minha própria fonte de alimentação dessa maneira. Naquela época, eu praticamente não tinha escolha. Os suprimentos de laboratório existentes eram inatingíveis para um jovem adolescente. E também não havia um conjunto de fornecedores baratos do ebay para comutadores sofisticados baseados em CIs. Então eu tive que fazer isso sozinho ou ficar sem. E, diante disso, aprende-se ou perde-se.

Sua abordagem talvez seja um pouco como um driver de saída de fonte / coletor usado em tudo, desde opamps a amplificadores de áudio. Você pode adotar a abordagem que está adotando, mas precisará fazer duas delas - uma para$+15V$ e um para $-15V$. E eles são ainda menos eficientes, pois cada fonte pode ser do seu trilho (+) e afundar no seu (-) trilho, e você precisa executá-los na classe AB. Você realmente só precisa procurar em (+) para fazer o$+15V$ trilho e afundar em (-) para fazer a $-15V$ trilho.

Apenas como uma observação lateral, pode ser uma boa ideia incluir um par de resistores de sangramento no banco de capacitores existente na saída de sua ponte. Algo para se livrar da carga armazenada se você desligar as coisas. Alguns$\tfrac{1}{2}W$, $10k\Omega$resistores? Isso apresentaria apenas um$5mA$ carregar, quando em execução.

Enquanto você estiver considerando essa ideia, considere também tentar carregar seu suprimento não regulamentado existente para medir o que ele faz sob carga. Eu tentaria algo como um$\ge 5W$, $1k\Omega$ resistor para ter uma idéia sobre um $50mA$carga, medindo a tensão com essa carga presente. Eu tentaria algo como um$\ge 10W$, $270\Omega$ resistor para ver o que acontece quando chego perto $200mA$carga. Isso testará todo o seu sistema não regulamentado e dará uma idéia sobre suas limitações. Esses valores foram escolhidos aleatoriamente. Se você já conhece as limitações do seu toróide, tente dois valores diferentes de resistores que atingem a carga máxima que você espera suportar e outro que atinja talvez 30% da carga máxima. E tome nota dos valores de tensão medidos. Isso ajuda a ter uma idéia do trilho não regulamentado quando carregado um pouco.

Eu recomendo que você comece concentrando-se em apenas um lado, digamos, criando o $+15V$trilho de suprimento regulamentado do seu trilho não regulamentado (+). Você precisa considerar se deseja ou não limites atuais também. Eu acho que seria mais seguro incluí-los. Mas essa é sua decisão. Não é difícil incluir algo para isso, no entanto. E, pessoalmente, eu provavelmente gostaria de poder ir para$+12V$, também. Então, talvez uma fonte de saída variável que funcione em uma faixa modesta de tensões de saída?

Você tem muito espaço livre! Isso significa que você pode usar um seguidor de emissor NPN, um seguidor de Darlington ou praticamente qualquer configuração que desejar. Como as coisas não estão apertadas , você tem espaço para estruturas de controle. Muito espaço. A desvantagem é, obviamente, que você precisa dissipar e que seus trilhos de tensão são suficientes para fazer com que você verifique as fichas técnicas para permanecer dentro dos parâmetros operacionais seguros dos dispositivos.

Finalmente, você provavelmente pode aceitar ter que definir separadamente os dois valores do trilho de tensão, independentemente. Algumas fontes de alimentação são projetadas para fornecer rastreamento, de modo que, se você definir o$+V$ Fornecimento para $+15V$ então seu regulado $-V$ fornecimento acompanhará isso e fornecerá $-15V$. Mas você pode viver sem isso, por enquanto, eu suspeito.

Se você escrever uma pergunta separada ou esclarecer melhor essa questão, posso começar com três ou quatro topologias distintas (não IC) diferentes para considerar analisar por conta própria e construir. Mas, por exemplo, não tenho idéia de que tipo de conformidade atual você deseja ter. E ajudaria a saber qual voltagem você mede quando seu suprimento não regulado é carregado até a conformidade máxima de corrente que você deseja suportar (usando um resistor de alta potência e, em seguida, tirando um momento para medir a voltagem com um voltímetro antes que fique muito quente. ) E ajudaria ainda mais saber se você deseja uma voltagem variável em uma faixa (qual faixa, exatamente?) E, se você deseja apenas uma voltagem fixa, quanta precisão inicial você acha que precisa? E eu' gostaria de saber se isso é estritamente para uma fonte de opamp (sugerindo uma conformidade de corrente mais baixa) ou se você deseja usá-la para fornecer correntes mais altas em tensões ainda mais baixas, para alguns projetos. Finalmente, seria bom saber o que você tem ou está disposto a obter.

EDIT: So. Algo simples, não muito conformidade atual de apenas$5mA$. Vamos primeiro focar no lado do trilho (+) ... poderíamos usar NPN ou PNP para o transistor de passagem. É mais uma questão de como você deseja controlá-lo. Deseja desviar a corrente de uma fonte ou retirar a corrente conforme necessário? Hmm. Vamos tentar isso - ênfase no simples.

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Escrevi algumas notas de projeto sobre o esquema. Os valores do resistor são padrão, portanto a tensão de saída real estará um pouco desligada. Mas deve estar perto. Aqui está a lógica.

Eu comecei usando $Q_1$como uma topologia de seguidor de emissor. São alvos de emissor$15V$. Então eu escrevi "15V @ 5mA" lá. Estimei inicialmente uma utilidade$\beta_{Q1}=50$ e computado $I_{B_{Q1}}=100\mu A$ e estimado (apenas da memória) $V_{BE_{Q1}}=750mV$. A partir disso, eu decidi que queria$5\times$ tanto do suprimento não regulamentado, então $R_1=\frac{53V-15V-750mV}{500\mu A}=74.5k\Omega \approx 75k\Omega$. Isso significa que vou precisar me afastar entre$400-500\mu A$ de $R_1$ controlar $Q_1$comportamento da saída. Esse é um intervalo pequeno o suficiente,$450\mu A\pm 50\mu A$, que variações em um circuito simples não serão muito sensíveis. Ah, e eu escolhi o BC546, que tem um$V_{CEO}=65V$. (Poderia usar um 2N5551 para$V_{CEO}=150V$.)

Decidi usar outro NPN abaixo, com a base pregada em um divisor de resistor, para puxar a corrente. $Q_2$O coletor é pregado a uma voltagem, portanto, nenhum efeito inicial. Bem. Dissipação em$Q_2$ está embaixo $10mW$, então não há problema. (Você já sabe que pode haver um problema no$Q_1$.) Um diodo e um capacitor fornecem uma referência de tensão semi-estável, pois são alimentados com uma freqüência relativamente estável. $450\mu A\pm50\mu A$atual. Eu estimei$\beta_{Q2}=50$ (novamente) e computado $I_{B_{Q2}}=10\mu A$ e estimado (apenas da memória) $V_{BE_{Q1}}=650mV$. Eu também sei que o 1N4148 faz sobre$550mV$ correndo em $500\mu A$atual. Então isso me disse que o nó divisor deveria ser adivinhado em$1.2V$. Eu escrevi isso também.

Eu escolhi tornar o divisor atual pelo menos $10\times$ a corrente base máxima necessária para $Q_2$. Um dos problemas deste circuito será a temperatura ambiente, pois afeta a junção base-emissor do$Q_2$ (e $D_1$também) e isso afeta nosso ponto divisor e praticamente todo o resto. Mas adicionando$D_2$ e $D_3$no divisor ajuda aqui. Ele fornece mais duas junções dependentes da temperatura. O problema restante é$R_3$ e as diferentes densidades de corrente.

$D_2$ e $D_3$ estão correndo com cerca de $\tfrac{1}{5}$ da densidade atual de $D_1$ e $Q_2$. Por acaso, lembro que um 1N4148 apresenta sobre$\Delta V \approx 100mV$ por década de mudança na densidade atual, então acho que $\Delta V = log10\left(\tfrac{100\mu A}{500\mu A}\right) \approx -70mV$por diodo para os dois. Então isso significa que para alcançar$1.2V$ no divisor, $R_3=\frac{1.2V - 2\cdot\left(550mV-70mV\right)}{87\mu A}\approx 2.7k\Omega$ (Eu usei $87\mu A$ como o valor atual do ponto médio.) $R_3$, em um palpite.

Adicionei um limite de aceleração no resistor divisor $R_2$ para que variações de carga de curto prazo possam conduzir mais imediatamente $Q_2$. (Se o$15V$ trilho regulado de repente salta para cima, depois $C_3$ levantará imediatamente na base do $Q_2$ fazendo com que se afaste mais da corrente de acionamento $Q_1$, combatendo o aumento. Da mesma forma, na outra direção também.)

Você deve ser capaz de montar o trilho regulado (-), eu acho. E lembre-se de que você não deseja carregar muito isso! Você definitivamente causará esses problemas sérios ao TO-92. Está dissipando$5mA\cdot\left(53V-15V\right)\approx 200mW$ e o pacote tem $\tfrac{200 ^{\circ}K}{W}$, então isso funciona para cerca de $+40^{\circ}C$sobre o ambiente, já. Você pode ver a rapidez com que essa coisa esquenta se você passar muito mais atual por ela. Você pode se safar com$10mA$, mas não muito mais.

NOTA GERAL: Agora que você pode ver o processo de uma pessoa (outros designers mais experientes aplicarão ainda mais conhecimento do que eu apliquei), vamos dedicar um momento para ver isso de uma perspectiva distante.

O circuito se resume a:

1. Um transistor de passagem ($Q_1$), que deveria se destacar $40V$ entre o trilho não regulamentado (+) e o trilho desejado $15V$trilho. Esse transistor de passagem precisará de uma fonte de corrente base para que possa ser mantido em sua região ativa. Ele também é organizado em uma configuração seguidor de emissor, de modo que a movimentação de sua tensão de base movimente seu emissor em aproximadamente 1: 1 (o ganho de tensão da base para o emissor é$\approx 1$.)
2. Podemos resolver todas as necessidades em (1) acima usando um resistor simples ($R_1$) para o trilho não regulamentado (+). Isso não apenas pode fornecer a corrente de base necessária, mas também facilita o controle da tensão de base do$Q_1$, apenas puxando mais ou menos corrente através dele. Para fins de design, não queremos variações no$Q_1$a corrente de base da impressora para impactar seriamente o fluxo de corrente que também estamos usando para controlar a tensão na base da $Q_1$. Então, precisamos fazer esse fluxo de corrente grande, em comparação. Maior é melhor e, talvez, por padrão, possamos escolher um fator de$10\times$. Mas também somos constrangidos pelo fato de que este é um$5mA$fonte de energia. Então, podemos querer usar algo que é sobre$\tfrac{1}{10}$th de $5mA$para mantê-lo modesto. Isso significa algo de$10\cdot 100\mu A=1mA$ de um lado para cerca de $\tfrac{5mA}{10}=500\mu A$por outro lado. Decidi usar o valor menor, pois esse é apenas um regulador simples e posso aceitar uma fonte de base um pouco menos rígida .
3. Algo para controlar a corrente que está sendo extraída $R_1$, com base em uma comparação de tensão de algum tipo. Acontece que um BJT é bom para algo assim. (Mais BJTs seriam melhores, como em um opamp, mas um é suficiente aqui.) Possui uma corrente de coletor que depende da diferença de tensão entre sua base e o emissor. Por isso, compara sua base e emissor e ajusta uma corrente nessa base! Praticamente feito no céu por isso, sim? Então, agora montamos um novo BJT ($Q_2$) com seu coletor amarrado a $R_1$ e a base de $Q_1$.
4. Precisamos de uma tensão de referência. Pode usar uma referência real, como um zener ou um dispositivo IC mais sofisticado, mas esse é um design simples. Bem, um diodo com densidade de corrente fixa é uma referência de tensão. (Exceto a temperatura.) E adivinhem? Por acaso, temos uma corrente que podemos usar que é relativamente estável! A atual corrente que estamos usando para ajustar$Q_1$tensão básica do $R_1$. Então agora,$R_1$fornece três serviços para nós - fornece corrente básica para$Q_1$, nos permite controlar $Q_1$ajustando a corrente através dela e agora essa mesma corrente pode ser usada para estabilizar a tensão de um diodo de referência de tensão . Tudo o que fazemos é colar esse diodo no emissor de$Q_2$. E adicione um pequeno capacitor nele para eliminar o ruído de alta frequência. É bom quando as coisas fazem várias tarefas para você.
5. Temos nosso coletor de controle de corrente, uma referência de tensão no emissor, e agora tudo o que precisamos fornecer é uma tensão de comparação, derivada da tensão de saída, na base do $Q_2$. É importante que, se essa comparação aumentar (a tensão de saída parece aumentar por algum motivo desconhecido), extrairemos mais corrente$R_1$ para forçar a tensão básica de $Q_1$recusar-se a se opor a essa mudança. Acontece que um simples divisor de tensão faz esse trabalho bem. Tudo o que precisamos fazer é garantir que a corrente através do divisor de tensão seja muito mais do que a corrente básica necessária de$Q_2$, para que quando $Q_2$ ajusta sua corrente de coletor e precisa de mais (ou menos) corrente de base, para que isso não afete muito a tensão do divisor.

Essa é realmente a essência disso. Eu adicionei esses dois diodos para ajudar a estabilizar as coisas versus a temperatura ambiente. Mas eles não são estritamente necessários se você não se importar com os trilhos de tensão mudando um pouco mais com a temperatura. Como é, eles ainda podem vagar por talvez$\tfrac{25mV}{^{\circ}C}$, apenas fazendo um pequeno trabalho de adivinhação. Mas se você não se importa que seja duas vezes pior, substitua o resistor e dois diodos por um resistor simples:

^{simule este circuito}

O valor real de $R_3$ talvez seja necessário ajustar um pouco aqui, pois na verdade não sabemos quanta corrente de base é necessária (provavelmente menos do que eu imaginava - muito menos). $12k\Omega$valor? Mas você pode usar um potenciômetro aqui, suponho, para tornar isso ajustável também.

Por um lado, um 2N2222 é classificado apenas para 40 V. O 2907 é bom para 60, mas isso ainda não deixa muita margem para que as coisas dêem errado, principalmente na inicialização.

Eu suspeito que o verdadeiro problema é que os transistores foram conectados incorretamente. Isso pode deixar um caminho direto através de Q1, D1 e Q2. Poof!

Adicionado sobre tensões nos transistores

Mesmo quando tudo está funcionando perfeitamente, cada metade do circuito possui 53 V. O 1N4730 é um diodo zener de 3,9 V. Isso significa que, quando tudo estiver funcionando perfeitamente, as bases do transistor serão mantidas em ± 2 V. Mesmo dizendo que a queda BE de cada transistor é de apenas 600 mV, os emissores estarão em ± 1,4 V. Isso significa que cada transistor verá 52 V através dele quando tudo está perfeito .

Tudo nunca é perfeito. Qual a precisão dos suprimentos de ± 53 V? E os transitórios de inicialização? Quais são as tensões reais do zener com apenas meio miliampere através delas? O que acontece quando a carga consome alguma corrente real, mesmo que apenas na inicialização, para carregar um capacitor ou algo assim?

Você procurou as especificações de tensão dos transistores que você está realmente usando, e não apenas qualquer folha de dados que pudesse encontrar para o número de peça genérico? Existem especificações mínimas de tensão em algum lugar para um 2N2222 e 2N2907, mas fabricantes específicos às vezes tornam suas peças mais capazes. Você não pode usar uma dessas folhas de dados para informar o máximo de uma peça genérica. Para obter os números citados acima, peguei folhas de dados aleatórias. Isso significa que as especificações reais podem ser menores do que eu citei.

Um transistor já está bem fora da especificação e o outro está perto dele. Isso não é uma boa engenharia.

Primeiro, o Google é seu amigo. Um 1N4730 é um zener de 3,9 volts.

Dito isto, estou inclinado a acreditar que você conectou mal o seu circuito ou usou os valores errados dos resistores. Estou especialmente inclinado a pensar que R1 ou R2 pode ter sido de 100 ohms, em vez de 100k. De qualquer forma, os valores nominais do seu resistor são grandes o suficiente para evitar a emissão de fumaça mágica, de modo que o seu circuito era diferente do seu esquema.

• Se o Vcemax para Q2 for de 40V e além na quebra secundária, o Ve max será de -12V

• Vb para Q2 é 1/2 de Vz (D1 = 3,9) ou -2V aprox. este Vbe = -10V enquanto a especificação é -5V ABSOLUTE MAX.

• devido ao modo catastrófico de falha do Vbe reverso,

• e seu design descuidado,
• somente você é responsável por sua perna média explodir, talvez por erros de construção.

Essa é uma maneira mais fácil de obter +/- 15V de seus trilhos:

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

R1 e R2 permitem que cerca de 2,5mA flua para as bases do transistor e para os zeners de 16V. A tensão nos emissores dos transistores será cerca de 0,7V menor que a tensão do zener ou cerca de +/- 15,3V.

Enquanto este é um circuito muito simples e confiável, nota que é não curto-circuito ou sobrecarga prova como um regulador 3-terminal seria.

Existem alguns reguladores lineares que podem operar com seus trilhos de suprimento relativamente altos, mas eles não serão tão baratos assim. Faça uma pesquisa paramétrica nos sites de um distribuidor ou fornecedor para encontrá-los. O regulador negativo pode ser mais um problema, especialmente porque seus trilhos (presumivelmente não regulamentados) podem ir consideravelmente acima do pico de 53V. Embora você possa usar o circuito acima para diminuir a tensão de um regulador de 3 terminais, é necessário considerar as piores condições e quanta dissipação os transistores sofrerão.

Os revisores rejeitaram minhas edições mais recentes da pergunta e sugeriram a criação de uma nova resposta, portanto:

Aqui está o esquema do OP, completo com fontes de tensão e resistores zener mais apropriados, para a corrente zener recomendada de cerca de 8,5 mA:

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

E aqui está o resultado da simulação usando o botão Simular este:

O zener agora é um 1N4751A, 30 V a 8,5 mA, consulte estas especificações . Definir a parte correta nr NÃO define a tensão zener relacionada, fiz isso manualmente no editor de diagrama de circuitos. Os resistores zener agora são 4K7 para uma corrente zener de cerca de 8,5 mA.

Depois de adicionar fontes de tensão, a simulação é executada e resulta em cerca de +/- 15,0 V no zener e +/- 14,5 V no resistor de saída.

Perfeito! Este circuito parece fazer o que é esperado dele.

Quanto às partes explodidas: deve ser algo como uma conexão errada, conforme sugerido por um dos comentaristas.