Почему мой эксперимент с регулятором напряжения NPN / PNP взорвался?

Я искал способы получения низковольтных шин от источника более высокого напряжения и тока, который на практике составляет около 53-0-53 В от линейного источника питания (тороидальный, мостовой выпрямитель и электролитические колпачки).

Я наивно думал, что схема ниже должна давать хорошие 30 В на тестовой нагрузке R3, вместо этого я получил мертвый стабилитрон и хороший взрыв от транзистора Q2, который был несколько неожиданным и разочаровывающим. Это на самом деле сдуло свою среднюю ногу, бедняжка.

Идея состоит в том, чтобы получить +15 В и -15 В для питания операционного усилителя или двух. Я ожидал, что R1, D1 и R2 упадут соответственно на 38 В, 30 В и 38 В и, таким образом, как пара стандартных последовательных регуляторов, излучатель Q1 стабилизируется на 15 В (относительно гипотетической шины 0 В, которой нет), а также коллектор Q2 будет на -15V.

Что я сделал не так? Мне интересно, если я неправильно понял ток, протекающий через PNP, они всегда заставляют мой мозг жариться из-за их обратной природы. Во всяком случае, в чем моя ошибка?

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Обновить:

Стабилизатор теперь 1N4751A, 30 В при 8,5 мА, см. Эти характеристики . Стабилизатор резисторов теперь 4K7 для тока стабилитрона около 8,5 мА.

После добавления источников напряжения симуляция запускается и дает примерно +/- 2,54 В на стабилитроне и +/- 2,1 В на выходном резисторе.

Странный! Либо симулятор не знает, что стабилитроны при 30 В, либо транзисторы потребляют большой ток базы, но с таким большим нагрузочным резистором, что маловероятно.

У вас уже есть нерегулируемый источник постоянного тока. Как вы говорите, построен из моста и некоторых конденсаторов. По-видимому, у вас также есть центральный отвод на вторичной обмотке трансформатора. Таким образом, у вас есть земля, и$\pm53V$измеряется с помощью вашего метра для двух других рельсов. Я предполагаю, что это, вероятно, выгружено, поэтому у вас, вероятно, будет меньше, чем при загрузке. Насколько меньше можно догадаться, так как это во многом зависит от нагрузки, вашего тороидального дизайна, конденсаторов и других факторов. Но меньше, конечно.

Я полагаю, вы пытаетесь узнать о том, как создать свой собственный $\pm 15V$поставка для использования с операционными усилителями. Таким образом, вы не обязательно просто хотите купить хороший запас (сейчас они дешевы). И поскольку речь идет об обучении, это будет линейный дизайн, а не переключение. Таким образом, ваш источник питания будет в целом неэффективным, с точки зрения мощности. Но ты в порядке с этим.

Возможно, я проецирую, но я думаю, что это хорошая идея для начала. Это достаточно скромно, что у вас есть все основания для успеха. Но и этого достаточно, чтобы узнать, за что стоит бороться. Я думаю, что мой самый первый опыт обучения, когда я действительно многому научился, был в попытке спроектировать свой собственный источник питания, подобный этому. Тогда у меня почти не было выбора. Существующие лабораторные принадлежности были недоступны для молодого подростка. И не было никакого набора дешевых поставщиков ebay для причудливых коммутаторов, основанных на IC, также. Поэтому я должен был сделать это сам или обойтись без. И сталкиваясь с этим, каждый учится или обходится без.

Ваш подход, возможно, немного слишком похож на выходной драйвер приемника / источника, используемый во всем, от операционных усилителей до усилителей звука. Вы могли бы принять подход, который вы делаете, но вы должны сделать два из них - один для$+15V$ и один для $-15V$, И они еще менее эффективны, так как каждый из них может отправляться с вашего (+) рельса и опускаться на ваш (-) рельс, и вам нужно запустить их в классе AB. Вам действительно нужно только источник из (+), чтобы сделать$+15V$ рельс и погрузиться в (-), чтобы сделать $-15V$ рельс.

В качестве дополнительного примечания может быть хорошей идеей добавить пару резисторов для прокачки в имеющуюся конденсаторную батарею на выходе вашего моста. Что-то, чтобы избавиться от накопленного заряда, если вы выключите вещи. Несколько$\tfrac{1}{2}W$, $10k\Omega$резисторы? Это только представит$5mA$ загрузить, когда работает.

Пока вы рассматриваете эту идею, попробуйте также загрузить имеющийся нерегулируемый источник, чтобы измерить, что он делает под нагрузкой. Я бы попробовал что-то вроде$\ge 5W$, $1k\Omega$ резистор, чтобы получить представление о $50mA$нагрузки, измеряя напряжение при наличии этой нагрузки. Я бы тогда попробовал что-то вроде$\ge 10W$, $270\Omega$ резистор, чтобы увидеть, что происходит, когда я рядом $200mA$нагрузить. Это проверит всю вашу нерегулируемую систему и даст вам представление о ее ограничениях. Эти значения были выбраны случайным образом. Если вы уже знаете ограничения вашего тороида, попробуйте два разных значения резистора, которые соответствуют максимальной нагрузке, которую вы ожидаете поддерживать, и еще одну, чтобы достичь, возможно, 30% максимальной нагрузки. И просто обратите внимание на измеренные значения напряжения. Это помогает иметь представление о вашем нерегулируемом рельсе, когда он немного загружен.

Я бы порекомендовал вам начать с того, что сосредоточиться только на одной стороне, скажем, создание $+15V$регулируемая поставка рейки с вашей нерегулируемой (+) рейки. Вы должны решить, хотите ли вы какие-либо текущие ограничения тоже. Я думаю, что было бы безопаснее включить их. Но это ваше решение. Хотя нетрудно включить что-то для этого. И, лично, я бы, наверное, хотел бы иметь возможность пойти в$+12V$, тоже. Так, возможно, переменный выходной источник питания, который работает в некотором умеренном диапазоне выходных напряжений?

У вас много запаса! Это означает, что вы можете использовать подписчик излучателя NPN, последователя Дарлингтона или почти любую конфигурацию, которую вы хотите иметь. Вещи не жесткие , так что у вас есть место для структур управления. Много места. Недостатком является, конечно, то, что вам нужно рассеивать, и что ваши рельсы напряжения достаточны для того, чтобы вам приходилось проверять таблицы данных, чтобы оставаться в пределах безопасных рабочих параметров устройств.

Наконец, вы, вероятно, можете согласиться с необходимостью отдельно установить два значения шины напряжения независимо друг от друга. Некоторые источники питания предназначены для обеспечения слежения, так что если вы установите регулируемый$+V$ поставлять $+15V$ тогда ваш регламентируется $-V$ поставка будет отслеживать это и предоставлять $-15V$, Но вы можете жить без этого, пока, я подозреваю.

Если вы напишите отдельный вопрос или уточните этот вопрос лучше, я могу начать с трех или четырех различных дискретных (не IC) топологий, чтобы рассмотреть возможность самостоятельного анализа и построения. Но, например, я понятия не имею, какого рода текущее соответствие вы хотите иметь. И это помогло бы узнать, какое напряжение вы измеряете, когда ваш нерегулируемый источник питания нагружен до максимально допустимого значения тока, которое вы хотите поддерживать (используя резистор высокой мощности, а затем потратьте немного времени на измерение напряжения с помощью вольтметра, прежде чем оно станет слишком горячим). А еще это поможет узнать, хотите ли вы переменное напряжение в диапазоне (какой диапазон точно?) И, если вы просто хотите фиксированное напряжение, какую начальную точность вы считаете нужной? И я' Хотелось бы узнать, предназначено ли это строго для питания операционного усилителя (предполагая более низкое соответствие тока) или если вы захотите использовать его для подачи более высоких токов при еще более низких напряжениях, для некоторых проектов. Наконец, было бы неплохо узнать, какие BJT у вас есть или вы хотите получить.

РЕДАКТИРОВАТЬ: Итак. Что-то простое, не очень, текущее соответствие только$5mA$, Давайте сначала сконцентрируемся на стороне (+) рельса ... можно использовать либо NPN, либо PNP для проходного транзистора. Это больше зависит от того, как вы хотите контролировать это. Вы хотите откачать ток из источника или вытягивать ток по мере необходимости? Хм. Давайте попробуем это - упор на простое.

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Я записал несколько примечаний к дизайну схемы. Значения резисторов являются стандартными, поэтому фактическое выходное напряжение будет немного ниже. Но это должно быть близко. Вот логика.

Я начал использовать $Q_1$как топология последователя эмиттера. Это цели эмиттера$15V$, Поэтому я записал "15V @ 5mA" там. Я изначально оценил полезное$\beta_{Q1}=50$ и вычислил $I_{B_{Q1}}=100\mu A$ и оценивается (только из памяти) $V_{BE_{Q1}}=750mV$, Из этого я решил, что хочу$5\times$ столько же от нерегулируемой поставки, поэтому я установил $R_1=\frac{53V-15V-750mV}{500\mu A}=74.5k\Omega \approx 75k\Omega$, Это означает, что мне нужно отойти от$400-500\mu A$ от $R_1$ контролировать $Q_1$Поведение на выходе. Это достаточно маленький диапазон,$450\mu A\pm 50\mu A$что изменения в простой схеме не будут слишком чувствительными. О, и я выбрал BC546, который имеет$V_{CEO}=65V$, (Можно использовать 2N5551 для$V_{CEO}=150V$.)

Я решил использовать другой NPN внизу, основание которого было пригвождено к резисторному делителю, чтобы тянуть этот ток. $Q_2$Коллектор пригвожден к напряжению, поэтому нет раннего эффекта. Хорошо. Рассеяние в$Q_2$ находится под $10mW$так что нет проблем. (Вы уже знаете, что может быть проблема в$Q_1$.) Диод и конденсатор обеспечивают полуустойчивое опорное напряжение, так как он подается относительно стабильного $450\mu A\pm50\mu A$текущий. Я оценил$\beta_{Q2}=50$ (снова) и вычислил $I_{B_{Q2}}=10\mu A$ и оценивается (только из памяти) $V_{BE_{Q1}}=650mV$, Я также знаю, что 1N4148 делает около$550mV$ работает на $500\mu A$текущий. Так что это сказал мне, что узел делителя должен быть угадан в$1.2V$, Я тоже это записал.

Я решил сделать делитель тока хотя бы $10\times$ максимальный необходимый базовый ток для $Q_2$, Одной из проблем в этой цепи будут температуры окружающей среды, так как они влияют на соединение база-эмиттер$Q_2$ (а также $D_1$тоже) и это влияет на нашу точку делителя и почти все остальное. Но добавляя$D_2$ а также $D_3$в делителе тут помогает. Это обеспечивает еще два температурно-зависимых соединения. Оставшаяся проблема$R_3$ и различные плотности тока.

$D_2$ а также $D_3$ бегут с около $\tfrac{1}{5}$ плотности тока $D_1$ а также $Q_2$, Я помню, что 1N4148 представляет$\Delta V \approx 100mV$ за десятилетие изменение плотности тока, так что я предполагаю, что $\Delta V = log10\left(\tfrac{100\mu A}{500\mu A}\right) \approx -70mV$за диод для тех двоих. Так что это означает, что для достижения$1.2V$ у делителя, $R_3=\frac{1.2V - 2\cdot\left(550mV-70mV\right)}{87\mu A}\approx 2.7k\Omega$ (Я использовал $87\mu A$ как текущее значение средней точки.) Так что устанавливает $R_3$Догадываюсь.

Я добавил ускорение крышки через резистор делителя $R_2$ так что кратковременные изменения нагрузки могут более быстро привести к $Q_2$, (Если$15V$ регулируемый рельс внезапно прыгает вверх, затем $C_3$ подтянется сразу на базе $Q_2$ заставляя его отрывать больше тока привода собирается $Q_1$, противодействуя росту. Точно так же и в другом направлении.)

Я думаю, вы должны быть в состоянии понирить (-) регулируемый рельс. И имейте в виду, что вы не хотите загружать эту вещь слишком много! Вы точно вызовете у этого бедного маленького TO-92 серьезные проблемы. Это рассеивается$5mA\cdot\left(53V-15V\right)\approx 200mW$ and the package has $\tfrac{200 ^{\circ}K}{W}$, so this works out to about $+40^{\circ}C$ over ambient, already. You can see just how quickly this thing will heat up if you run much more current through it. You may be able to get away with $10mA$, but not much more.

OVERVIEW NOTE: Now that you can see one person's process (other, more experienced designers will apply still more knowledge than I applied), let's take a moment to view this from a distant perspective.

The circuit boils down to:

1. A pass transistor ($Q_1$) which is supposed to stand-off about $40V$ between the unregulated (+) rail and the desired $15V$ rail. This pass transistor will need a source of base current so that it can be kept in its active region. It is also arranged into an emitter-follower configuration, so that moving its base voltage around moves its emitter around in roughly 1:1 (voltage gain from base to emitter is $\approx 1$.)
2. We can solve all of the needs in (1) above by using a simple resistor ($R_1$) to the unregulated (+) rail. This not only can provide the needed base current, but it also makes it very easy to control the base voltage of $Q_1$, by just pulling more or less current through it. For design purposes, we do not want variations in $Q_1$'s base current to seriously impact the current stream we are also using to control the voltage at the base of $Q_1$. So we need to make this stream of current large, by comparison. Larger is better, and perhaps by default we might choose a factor of $10\times$. But we are also constrained by the fact that this is a $5mA$ power supply. So we might want to use something that is about $\tfrac{1}{10}$th of $5mA$ to keep it modest. This means something from $10\cdot 100\mu A=1mA$ on the one side to about $\tfrac{5mA}{10}=500\mu A$ on the other side. I decided to use the smaller value, since this is just a simple regulator and I can accept a slightly less stiff base source.
3. Something to control the current being pulled through $R_1$, based upon a voltage comparison of some kind. It turns out that a BJT is okay for something like this. (More BJTs would be better, as in an opamp, but one is sufficient here.) It has a collector current that depends upon the voltage difference between its base and emitter. So it compares its' base and emitter and adjusts a current on that basis! Practically made in heaven for this, yes? So we now stick a new BJT ($Q_2$) with its collector tied up to $R_1$ and the base of $Q_1$.
4. We need a reference voltage. Could use a real reference, like a zener or a more sophisticated IC device, but this is a simple design. Well, a diode with a fixed current density is a voltage reference. (Excepting temperature.) And guess what? We just happen to have a current we can use that is relatively stable! The very current we are using to adjust $Q_1$'s base voltage through $R_1$. So now, $R_1$ provides three services for us -- it provides base current to $Q_1$, allows us to control $Q_1$'s base by adjusting the current through it, and now that very same current can be used to stabilize the voltage of a voltage reference diode. All we do is stick that diode into the emitter of $Q_2$. And add a small capacitor across it o kill high frequency noise there. It's nice when things do multiple duties for you.
5. We have our current control collector, a voltage reference at the emitter, and now all we need to provide is a comparison voltage, derived from the output voltage, at the base of $Q_2$. It's important that if this comparison increases (the output voltage appears to increase for some unknown reason), that we will pull more current through $R_1$ to force the base voltage of $Q_1$ to decline to oppose this change. Turns out that a simple voltage divider does this job well. All we need to do is to make sure that the current through the voltage divider is a lot more than the required base current of $Q_2$, so that when $Q_2$ adjusts its collector current and needs more (or less) base current, that this doesn't affect the divider voltage (much.)

That's really the essence of it. I added those two diodes to help stabilize things vs ambient temps. But they aren't strictly necessary if you don't mind your voltage rails shifting around a little more with temperature. As it is, they may still drift around by maybe $\tfrac{25mV}{^{\circ}C}$, just doing a short loop-around bit of guess-work. But if you don't mind it being twice as bad then you can replace the resistor and two diodes with a simple resistor, instead:

^{simulate this circuit}

The actual value of $R_3$ may need to be adjusted a bit here, as we don't actually know just how much base current is needed (probably less than I guessed -- a lot less.) So perhaps closer to the $12k\Omega$ value? But you can use a potentiometer here, I suppose, to make this adjustable, too.

For one thing, a 2N2222 is only rated for 40 V. The 2907 is good for 60, but that still doesn't leave much margin for things to go wrong, particularly at startup.

I suspect the real problem is that the transistors were wired incorrectly. That could leave a direct path thru Q1, D1, and Q2. Poof!

Added about voltages on the transistors

Even when everything is working perfectly, each half of the circuit sees 53 V. The 1N4730 is a 3.9 V zener diode. That means, when everything is working perfectly, the transistor bases will be held at ±2 V. Even saying the B-E drop of each transistor is only 600 mV, the emitters will be at ±1.4 V. That means each transistor will see 52 V across it when everything is perfect.

Everything is never perfect. How accurate are the ±53 V supplies? What about startup transients? What are the real zener voltages with only half a milliamp thru them? What happens when the load draws some real current, even if only on startup to charge up a capacitor or something?

Did you look up the voltage spec for the transistors you are actually using, not just any datasheet you could find for the generic part number? There are minimum voltage specs somewhere for a 2N2222 and 2N2907, but specific manufacturers sometimes make their parts more capable. You can't use one of those datasheets to tell you the maximum a generic part is good for. To get the numbers I quoted above, I grabbed random datasheets. That means the real specs could be lower than what I quoted.

One transistor is already well out of spec, and the other is close to it. This is not good engineering.

First, Google is your friend. A 1N4730 is a 3.9 volt zener.

That said, I'm inclined to believe that you either miswired your circuit or you used the wrong values of resistors. I'm especially inclined to think that R1 or R2 might have been 100 ohms, rather than 100k. At any rate, your nominal resistor values are large enough to prevent Magic Smoke Emission, so your circuit in some way was different from your schematic.

• IF Vcemax for Q2 is 40V and beyond in secondary breakdown then Ve max is -12V

• Vb for Q2 is 1/2 of Vz (D1=3.9) or -2V approx. this Vbe = -10V while spec is -5V ABSOLUTE MAX.

• due to the catastrophic mode of failure for Vbe reverse ,

• and your careless design,
• only you are responsible for it's middle leg getting blown off, perhaps by construction errors.

This is an easier way of getting +/-15V from your rails:

^{simulate this circuit – Schematic created using CircuitLab}

R1 and R2 allow about 2.5mA to flow to the transistor bases and to the 16V zeners. The voltage at the emitters of the transistors will be about 0.7V less than the zener voltage or about +/-15.3V.

While this is a very simple and reliable circuit, note that it is not short-circuit or overload proof as a 3-terminal regulator would be.

There are a few linear regulators which can operate from your relatively high supply rails but they will not be all that cheap. Do a parametric search on a distributor or supplier web sites to find them. The negative regulator may be more of a problem, especially as your (presumably unregulated) rails might go considerably higher than 53V peak. While you can use the above circuit to drop down the voltage for a 3-terminal regulator you have to consider the worst-case conditions and how much dissipation the transistors will experience.

Reviewers rejected my latest edits to the question, and suggested to create a new answer, so:

Here is the schematic from the OP, completed with voltage sources and more appropriate zener resistors, for the recommended zener current of about 8.5 mA:

^{simulate this circuit – Schematic created using CircuitLab}

And here is the result of the simulation using the Simulate This button:

The zener is now a 1N4751A, 30 V at 8.5 mA, see these specs. Setting the correct part nr does NOT set the related zener voltage, I did that manualy in the circuit diagram editor. The zener resistors are now 4K7 for a zener current of about 8.5 mA.

After adding voltage sources the simulation runs and results in about +/- 15.0 V over the zener and +/- 14.5 V over the output resistor.

Perfect! This circuit seems to do what is expected from it.

As for the blown parts: that must be something like a wrong connection, as suggested by one of the commenters.