Mengapa Eksperimen Regulator Tegangan NPN / PNP Saya Meledak?

Saya telah mencari cara untuk menurunkan rel tegangan rendah dari tegangan tinggi dan pasokan saat ini, yang secara praktis sekitar 53-0-53V dari catu daya linier (toroidal, penyearah jembatan dan tutup elektrolitik).

Saya naif berpikir bahwa rangkaian di bawah ini harus menghasilkan 30V yang bagus di seluruh beban uji R3, sebaliknya saya mendapat dioda zener mati dan ledakan bagus dari transistor Q2 yang agak tak terduga dan mengecewakan. Itu benar-benar meniup kaki tengahnya, hal yang buruk.

Idenya adalah untuk mendapatkan rel + 15V dan -15V untuk memberi daya satu atau dua op amp. Saya berharap bahwa R1, D1, dan R2 akan turun masing-masing 38V, 30V dan 38V dan dengan demikian, seperti sepasang regulator seri standar, emitor Q1 akan menstabilkan pada 15V (relatif ke rel 0V hipotetis yang tidak ada) dan juga kolektor Q2 akan berada di -15V.

Apa yang telah saya lakukan salah? Saya bertanya-tanya apakah saya salah memahami aliran saat ini melalui PNP, mereka selalu membuat otak saya menggoreng karena sifatnya yang terbalik. Ngomong-ngomong, apa kesalahan saya?

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

memperbarui:

Zener sekarang menjadi 1N4751A, 30 V pada 8,5 mA, lihat spesifikasi ini . Resistor zener sekarang 4K7 untuk arus zener sekitar 8,5 mA.

Setelah menambahkan sumber tegangan, simulasi berjalan dan menghasilkan sekitar +/- 2,54 V di atas zener dan +/- 2.1 V di atas resistor keluaran.

Aneh! Entah simulator tidak tahu bahwa zener zeners pada 30 V, atau transistor menarik banyak arus basis, tetapi dengan resistor beban besar yang tidak mungkin.

Anda sudah memiliki persediaan DC yang tidak diatur. Seperti yang Anda katakan, dibangun dari jembatan dan beberapa kapasitor. Rupanya, Anda juga memiliki ketukan tengah pada transformator sekunder Anda. Jadi Anda punya tanah juga, dan$\pm53V$diukur dengan meter Anda untuk dua rel lainnya. Saya akan berasumsi bahwa ini mungkin dibongkar, jadi Anda mungkin akan memiliki kurang dari itu ketika dimuat. Apalagi dugaan orang, karena sangat tergantung pada pemuatan, desain toroid Anda, kapasitor, dan faktor lainnya. Tapi kurang, pasti.

Saya yakin Anda sedang mencoba mempelajari cara mendesain sendiri $\pm 15V$pasokan untuk digunakan dengan opamps. Jadi Anda tidak perlu hanya ingin membeli persediaan yang bagus (murah, akhir-akhir ini.) Dan karena ini adalah tentang belajar, itu akan menjadi desain linier dan bukan switcher. Jadi catu daya Anda umumnya tidak efisien, hemat daya. Tapi kamu baik-baik saja dengan itu.

Mungkin saya memproyeksikan, tetapi saya pikir ini adalah ide yang baik untuk memulai. Cukup sederhana sehingga Anda memiliki banyak alasan untuk berhasil. Tetapi ada cukup banyak untuk belajar tentang itu juga layak diperjuangkan. Saya pikir pengalaman belajar pertama saya, di mana saya benar-benar belajar beberapa hal dengan baik, adalah dalam mencoba merancang catu daya saya sendiri seperti ini. Pada saat itu, saya tidak punya pilihan. Persediaan lab yang ada tidak dapat diperoleh untuk seorang remaja. Dan tidak ada set pemasok ebay murah untuk switchers mewah berdasarkan IC, baik. Jadi saya harus melakukannya sendiri atau pergi tanpa. Dan dihadapkan dengan itu, seseorang belajar atau yang tidak.

Pendekatan Anda mungkin agak terlalu mirip dengan driver output sink / sumber yang digunakan dalam segala hal mulai dari opamp hingga amplifier audio. Anda bisa mengambil pendekatan yang Anda ambil, tetapi Anda harus membuat dua dari mereka - satu untuk$+15V$ dan satu untuk $-15V$. Dan mereka bahkan kurang efisien, karena mereka masing-masing dapat sumber dari (+) rel dan tenggelam ke (-) rel Anda, dan Anda perlu menjalankannya di kelas-AB. Anda benar-benar hanya perlu sumber dari (+) untuk membuatnya$+15V$ rel dan tenggelam ke (-) untuk membuat $-15V$ rel.

Sama seperti catatan tambahan, mungkin ide yang baik untuk memasukkan sepasang resistor yang lebih berdarah ke bank kapasitor Anda saat ini di output jembatan Anda. Sesuatu untuk menghilangkan muatan yang tersimpan jika Anda mematikannya. Beberapa$\tfrac{1}{2}W$, $10k\Omega$resistor? Itu hanya akan menghadirkan a$5mA$ memuat, saat berjalan.

Saat Anda mempertimbangkan gagasan itu, pertimbangkan juga untuk mencoba memuat persediaan yang tidak diatur sebelumnya untuk mengukur apa yang dilakukannya di bawah beban. Saya akan mencoba sesuatu seperti$\ge 5W$, $1k\Omega$ resistor untuk mendapatkan ide tentang $50mA$memuat, mengukur tegangan dengan hadir beban itu. Saya kemudian akan mencoba sesuatu seperti$\ge 10W$, $270\Omega$ resistor untuk melihat apa yang terjadi ketika saya mendekat $200mA$beban. Ini akan menguji seluruh sistem Anda yang tidak diatur dan memberi Anda gagasan tentang batasannya. Nilai-nilai itu diambil secara acak. Jika Anda sudah tahu keterbatasan toroid Anda, cobalah dua nilai resistor yang berbeda yang mengenai beban maksimum yang Anda harapkan untuk mendukung dan yang lain untuk memukul mungkin 30% dari beban maksimum. Dan perhatikan nilai tegangan yang diukur. Ini membantu untuk memiliki gagasan tentang rel yang tidak diatur ketika dimuat sedikit.

Saya sarankan Anda mulai dengan fokus hanya pada satu sisi, katakanlah membuat $+15V$rel pasokan yang diregulasi dari rel (+) Anda yang tidak diatur. Anda perlu mempertimbangkan apakah Anda ingin batas saat ini juga. Saya pikir akan lebih aman untuk memasukkan mereka. Tapi itu keputusanmu. Tidak sulit untuk memasukkan sesuatu untuk itu. Dan, secara pribadi, saya mungkin ingin pergi ke sana$+12V$juga. Jadi mungkin suplai output variabel yang bekerja pada beberapa rentang voltase output yang sederhana?

Anda memiliki banyak ruang kepala! Ini berarti Anda dapat menggunakan pengikut emitor NPN, pengikut Darlington, atau hampir semua konfigurasi yang Anda inginkan. Hal-hal tidak ketat , sehingga Anda memiliki ruang untuk struktur kontrol. Banyak ruang. Kelemahannya adalah, tentu saja, bahwa Anda harus membuang dan bahwa voltase rel Anda cukup untuk membuat Anda harus memeriksa lembar data agar tetap dalam parameter operasi yang aman untuk perangkat.

Akhirnya, Anda mungkin dapat menerima harus secara terpisah mengatur dua nilai tegangan rel, secara independen. Beberapa catu daya dirancang untuk menyediakan pelacakan sehingga jika Anda mengatur yang diatur$+V$ pasokan ke $+15V$ maka Anda diatur $-V$ persediaan akan melacak itu dan menyediakan $-15V$. Tapi Anda bisa hidup tanpanya, untuk saat ini, saya curiga.

Jika Anda menulis pertanyaan terpisah, atau memperjelas hal ini dengan lebih baik, saya dapat membantu Anda memulai dengan tiga atau empat topologi berbeda (non-IC) untuk mempertimbangkan analisis pada Anda sendiri dan bangunan. Tapi, misalnya, saya tidak tahu kepatuhan seperti apa yang ingin Anda miliki. Dan itu akan membantu untuk mengetahui tegangan apa yang Anda ukur ketika pasokan Anda yang tidak diregulasi dimuat ke pemenuhan arus maksimum yang ingin Anda dukung (menggunakan resistor watt tinggi dan kemudian luangkan waktu sejenak untuk mengukur tegangan dengan voltmeter sebelum terlalu panas. ) Dan itu akan membantu lebih banyak lagi untuk mengetahui apakah Anda menginginkan tegangan variabel pada rentang (kisaran berapa, tepatnya?) Dan, jika Anda hanya menginginkan tegangan tetap, seberapa banyak akurasi awal yang Anda rasakan dibutuhkan? Dan saya' ingin tahu apakah ini hanya untuk pasokan opamp (menunjukkan kepatuhan arus yang lebih rendah) atau jika Anda ingin menggunakan ini untuk benar-benar memasok arus yang lebih tinggi dengan voltase yang lebih rendah, untuk beberapa proyek. Akhirnya, alangkah baiknya untuk mengetahui apa yang Anda miliki, atau bersedia Anda dapatkan.

Sunting: Jadi. Sesuatu yang sederhana, tidak terlalu banyak kepatuhan saat ini saja$5mA$. Pertama-tama mari kita fokus pada sisi (+) rel ... bisa dengan NPN atau PNP untuk transistor lulus. Ini lebih merupakan masalah bagaimana Anda ingin mengendalikannya. Apakah Anda ingin menyedot arus dari sumber, atau menarik arus sesuai kebutuhan? Hmm. Mari kita coba ini - penekanan pada yang sederhana.

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

Saya telah menulis beberapa catatan desain pada skema. Nilai-nilai resistor adalah yang standar, sehingga tegangan output aktual akan sedikit mati. Tetapi harus dekat. Inilah logikanya.

Saya mulai menggunakan $Q_1$sebagai topologi pengikut emitor. Itu target emitor$15V$. Jadi saya menulis "15V @ 5mA" di sana. Awalnya saya memperkirakan berguna$\beta_{Q1}=50$ dan dihitung $I_{B_{Q1}}=100\mu A$ dan diperkirakan (hanya dari memori) $V_{BE_{Q1}}=750mV$. Dari sini, saya memutuskan ingin$5\times$ sebanyak dari persediaan yang tidak diatur, jadi saya mengatur $R_1=\frac{53V-15V-750mV}{500\mu A}=74.5k\Omega \approx 75k\Omega$. Ini berarti bahwa saya harus mundur$400-500\mu A$ dari $R_1$ kontrol $Q_1$Perilaku di output. Kisaran yang cukup kecil,$450\mu A\pm 50\mu A$, bahwa variasi dalam rangkaian sederhana tidak akan terlalu sensitif. Oh, dan saya memilih BC546, yang memiliki$V_{CEO}=65V$. (Bisa menggunakan 2N5551 untuk$V_{CEO}=150V$.)

Saya memutuskan untuk menggunakan NPN lain di bawah, dengan basis dipaku ke pembagi resistor, untuk menarik arus itu. $Q_2$Kolektor dipaku ke tegangan, jadi tidak ada Efek Dini. Baik. Pembuangan di$Q_2$ dibawah $10mW$jadi tidak masalah. (Anda sudah tahu mungkin ada masalah di$Q_1$.) Dioda dan kapasitor memberikan referensi tegangan semi-stabil, karena diumpankan relatif stabil $450\mu A\pm50\mu A$arus. Saya memperkirakan$\beta_{Q2}=50$ (lagi) dan dihitung $I_{B_{Q2}}=10\mu A$ dan diperkirakan (hanya dari memori) $V_{BE_{Q1}}=650mV$. Saya juga tahu bahwa 1N4148 tidak tentang$550mV$ berlari pada $500\mu A$arus. Jadi ini memberi tahu saya bahwa node pembagi harus ditebak$1.2V$. Saya menuliskannya juga.

Saya memilih untuk membuat pembagi saat ini setidaknya $10\times$ maks arus basis yang diperlukan untuk $Q_2$. Salah satu masalah dengan rangkaian ini adalah suhu sekitar, karena ini memengaruhi sambungan basis-emitor$Q_2$ (dan $D_1$juga) dan ini mempengaruhi titik pembagi kita dan hampir semua yang lainnya. Tapi menambahkan$D_2$ dan $D_3$di pembagi membantu di sini. Ini menyediakan dua persimpangan lebih tergantung suhu. Masalah yang tersisa adalah$R_3$ dan kepadatan arus yang berbeda.

$D_2$ dan $D_3$ berjalan dengan sekitar $\tfrac{1}{5}$ dari kepadatan saat ini $D_1$ dan $Q_2$. Saya ingat bahwa 1N4148 menyajikan tentang$\Delta V \approx 100mV$ per dekade berubah dalam kepadatan saat ini, jadi saya rasa itu $\Delta V = log10\left(\tfrac{100\mu A}{500\mu A}\right) \approx -70mV$per dioda untuk keduanya. Jadi ini berarti mencapai$1.2V$ di pembagi, $R_3=\frac{1.2V - 2\cdot\left(550mV-70mV\right)}{87\mu A}\approx 2.7k\Omega$ (Saya dulu $87\mu A$ sebagai nilai saat ini titik tengah.) Jadi set $R_3$, menebak.

Saya menambahkan tutup mempercepat di resistor pembagi $R_2$ sehingga variasi beban jangka pendek mungkin lebih cepat dikendarai $Q_2$. (Jika$15V$ kereta yang diatur tiba-tiba melompat ke atas, lalu $C_3$ akan menarik segera di pangkalan $Q_2$ membuatnya menarik lebih banyak arus drive ke $Q_1$, melawan kenaikan itu. Demikian pula, ke arah lain juga.)

Anda harus bisa mengendarai rel yang diatur (-), saya pikir. Dan perlu diingat bahwa Anda tidak ingin memuat barang ini terlalu banyak! Anda pasti akan menyebabkan masalah serius kecil TO-92 yang buruk itu. Ini menghilang$5mA\cdot\left(53V-15V\right)\approx 200mW$ dan paketnya sudah $\tfrac{200 ^{\circ}K}{W}$, jadi ini berhasil sekitar $+40^{\circ}C$lebih ambient, sudah. Anda dapat melihat seberapa cepat benda ini akan memanas jika Anda menjalankan lebih banyak arus melewatinya. Anda mungkin bisa lolos$10mA$, tapi tidak lebih.

CATATAN TINJAUAN: Sekarang Anda dapat melihat proses seseorang (desainer lain yang lebih berpengalaman akan menerapkan lebih banyak pengetahuan daripada yang saya terapkan), mari luangkan waktu sejenak untuk melihatnya dari perspektif yang jauh.

Sirkuit bermuara ke:

1. Transistor lulus ($Q_1$) yang seharusnya stand-off $40V$ antara rel (+) yang tidak diatur dan yang diinginkan $15V$rel. Transistor lulus ini akan membutuhkan sumber arus basis sehingga dapat disimpan di wilayah aktifnya. Hal ini juga diatur ke dalam konfigurasi emitor-pengikut, sehingga memindahkan tegangan basisnya bergerak sekitar emitor sekitar 1: 1 (gain tegangan dari basis ke emitor adalah$\approx 1$.)
2. Kita dapat menyelesaikan semua kebutuhan dalam (1) di atas dengan menggunakan resistor sederhana ($R_1$) ke rel (+) yang tidak diatur. Ini tidak hanya dapat memberikan arus basis yang dibutuhkan, tetapi juga membuatnya sangat mudah untuk mengontrol tegangan dasar$Q_1$, dengan hanya menarik lebih atau kurang arus melewatinya. Untuk tujuan desain, kami tidak ingin variasi$Q_1$arus basis sangat mempengaruhi aliran arus kami juga menggunakan untuk mengontrol tegangan di dasar $Q_1$. Jadi kita perlu membuat aliran arus ini besar, sebagai perbandingan. Lebih besar lebih baik, dan mungkin secara default kita mungkin memilih faktor$10\times$. Tetapi kita juga terkendala oleh fakta bahwa ini adalah a$5mA$Sumber Daya listrik. Jadi kita mungkin ingin menggunakan sesuatu tentang itu$\tfrac{1}{10}$th dari $5mA$untuk membuatnya tetap sederhana. Ini berarti sesuatu dari$10\cdot 100\mu A=1mA$ 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.