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分享~簡易多功能串聯式穩壓電路計算方式與裝機報告 [☆☆☆☆☆]

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文章markbroadcaster 發表於 週六 4月 17, 2010 7:32 pm

大家好~ :D

這個文很早以前就想貼了, 無奈自己好多事, 就一直耽擱了.

今早在別的音響討論版收到三個 PM, 都是來跟我要穩壓電路圖

我想, 我這個 "簡易但多功能的串聯式穩壓" 之所以能順利完成

也是因為在這個站上學到很多, 尤其是 Scott 王大跟 CPSEVEN 兄二位的指導
(當時相關過程的討論串請參考以下聯結:)
http://gcbbs.digitw.com/phpbb2/viewtopic.php?f=1&t=2015&hilit=
http://gcbbs.digitw.com/phpbb2/viewtopic.php?f=1&t=2122&hilit=

因此我認為, 如果我要公開分享, 我應該把他貼到這裡來, 讓大家來這裡看, 順便替這裡做個宣傳ㄚ

以下從第二篇開始就是我整個穩壓電路的計算方法心得跟裝機報告.
最後由 markbroadcaster 於 週六 4月 17, 2010 8:15 pm 編輯, 總共編輯了 2 次
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Re: 簡易多功能串聯式穩壓電路計算方式與裝機報告

文章markbroadcaster 發表於 週六 4月 17, 2010 7:36 pm

這個電路原自於一本電子教課書上

但是我發現, 他很容易使用, 更容易安裝, 甚至也很容易改裝

因此, 在 "喬治查爾斯電子網討論區" 多位前輩高手的協助下

將這個簡易的串聯式穩壓改成很多種延伸型,

任何所需要的電壓與電流都可以使用這個基本電路

基本上這個電路只有三個電阻要計算,

還有就是決定三個電晶體與一個穩壓二極體要用什麼規格...就這麼簡單

如果要加上限流保護, 就再加一顆晶體, 二個電阻就行了.

俗話說; 給人吃魚不如教人怎麼釣魚, 在此我就將這個電路的計算心得公開分享

讓大家都可以用這個電路做出符合你自己需要的電壓電流的穩壓器.

首先請看下圖, 這是基本型: (以下計算以正電壓端為範例, 負電壓端算法一樣, 不再重覆)

圖檔

首先你要決定的是輸出電壓/電流 是多少, 此例假設是你要 16V, 電流 400mA

再來決定你要輸入電壓多少 (也就是輸出輸入的壓差), 壓差最好超過 3V 以上

因此在這裡決定為 21V (因為 15V 的變壓器很好買現成的)

輸入 AC15V, AC15V x 1.414 = DC = 21V

接著, 由於這個電路可調整輸出電壓, 要決定最大與最小輸出電壓,

最大輸出電壓建議比你需求的輸出電壓再高一些些, 但與輸入電壓壓差不要小過 3V

因此最大輸出可定在 18V

而最小輸出電壓的決定就看你的需求

但有一個重點, 假如你預設最高輸出 18V, 調到最小輸出時 (假設是 3V),

那你的壓差就高達 21-3=18V, 如果這時你仍然要輸出 400mA,

那麼 Q1 的功率就高達 7.2W..... (18V x 0.4A = 7.2W)

唔這不但要大型散熱片, 可能還要加風扇才行

因為你不是音響輸出的 7.2W (音樂不是連續功率), 但穩壓要穩定輸出直流一定是連續功率

Q1 如果連續輸出 7.2W, 會很燙很燙的.

所以這裡就有二個重點了.

重點一: 原書上的設計是想做一個可調式穩壓, 但我的個人經驗是我建議這個可調就把他當成
"半可調" 或是 "微調" 就好. 舉例, 假設你要用此穩壓供應 "耳機放大器"
那麼不仿, 最小輸出設定在 13V, 最大輸出設定在 18V, 然後一般使用時,
調整到 16V 輸出, 這樣就可以安心長時間使用了.
為何要這樣設限, 因為等一下電阻與穩壓二極體的的計算跟 "可調整的最小輸出電壓有關連"
最小輸出 13V, 那麼在相同 400mA 的輸出下, Q1 的功率只有 3.2W, 只要中型散熱片就可以了.

重點二: 最小輸出電壓的決定其實還跟穩壓二極體的規格有關, 此例為 13V 是因為穩壓二極體 12V 很好買.
最小輸出電壓其實就是 "穩壓二極體" + "Q3 的 VBE 0.6V" 所以, 12V + 0.6V = 12.6V,
因此就算做最小輸出是 13V 嚕. 假設你要最小輸出是 40V......唔....這就很難了
因為很難買到 39V 的穩壓二極體, 這時你最好定最小輸出為 37V (因為 36V 的穩壓二極體很好買)

好, 現在我們有最高輸出 18V, 最小輸出 13V, 最高輸出電流 0.4A,

輸入交流電壓 AC15V, 整流慮波後為 DC21V 這幾個數據了.

那就很容易決定 Q1 的電晶體. Q1 的最高功率為 Pc=(21V "輸入電壓" - 13V "最小輸出電壓") x 0.4A "最大輸出電流"

於是 Q1 的 Pc 最高為 (21V-13V) x 0.4A = 3.2W, 而最高電壓就是輸入電壓, 最高電流就是輸出電流

因此 Q1 在這裡我建議用 30W / 3A / 60V 的 2SD313 就可以了. (他也有對稱管 2SB507 可用在負電壓)

接著 Q3 與 Q1 由於是接成達靈頓方式, 因此耐壓的選擇是相同的, 但 Pc 的要求不一樣.

因此決定 Q3 的 Pc 要先知道 Q3 最大會有多少˙電流流過, 計算之前要先查 Q1 的 Data Sheet 找出

2SD313 的最小 "直流電流放大率" 規格, 也就是 hFE 的最小值. 查表後發現 2SD313 最小的 hFE 值是 40

因此就把 "最大輸出電流 (也就是 Q1 的最大電流)" 除以 "Q1 的最小 hFE 值" = "Q3 所需的最大電流"

所以嚕 Q3 的最大電流需求 = 0.4A "Q1最大電流值" / 40 "Q1最小 hFE值" = 0.01A, 也就是 10mA

而最高壓差 (前面說過 21-13=8V) x 0.01A = 0.08W, 也就是 80mW

因此 Q3 就用一般最常見的 2SC1815GR 嚕 (也有對稱管 2SA1015 可用在負電壓),

查一下 2SC1815GR 的 Data Sheet, 2SC1815 耐壓 60V, Ic 150mA, Pc 400mW, 完全夠用.

這裡順便看一下 2SC1815GR 等級的最小 hFE 值為 200, 但這是 Ic=2mA 情況下

因此我們就抓最小值, 算 100 好了. 這個等下用得到.

OK, 那接下來就要決定 Q5 與 R1 的值了.

一樣由於 Q1 與 Q2 是接成達靈頓推動的方式, 因此

Q5 的最大電流值就等於 "最大輸出電流" 除以 "Q1 最小 hFE" 再除以 "Q3 最小 hFE"

以這個例子就是 0.4A "最大輸出電流" / 40 "Q1 最小 hFE" / 100 "Q3 最小 hFE" = 0.0001A 也就是 0.1mA

但是由於 Q5 底下還有一個穩壓二極體, 因此通常 Q5 的最大電流我們一定要抓比算出來的高

因為穩壓二極體也需要吃電ㄚ. 這裡就先抓 1mA 好了
(這個 Q5 最大電流的決定要點經驗, 但通常是不要大過十倍,
當總輸出電流越大, 這個值會越接近剛算出來的值)

因此 Q5 也可以再用 2SC1815GR

但由於 Q5 的 C 極是接往 Q3 的 B 極, 因此這個 Q5 的最大電流雖然決定了,

但真正的電流確是要從 R1 送過來的, 因此 R1 電流值有了, 要決定 R1 的阻值就很容易了

R1 由於是接在 Q1/Q3 的 B-C 之間, 因此, R1 的電壓降就是會隨你調整輸出電壓而變動

因此, 我們抓最小輸出電壓來計算, 剛前面說過, 最小輸出 13V, 因此與輸入電壓壓差達 8V

那麼, R1 的壓降最大也是 8V, 因此 R1 要供應 1mA 給 Q5, 所以 R1= 8V/0.001A = 8000-Ohm, 也就是 8K

那麼 R1 最大功率為 8V x 0.001A = 8mW, 因此用 1/4W 足夠了.
(注意, 算這個電阻的功率在高輸出電流時很重要, 此步驟不要省唷)

PS. 上述 R1 的計算我故意放一個錯誤的案例, 為何呢?? 往下看就知道了....~ 8)

再來這是最小輸出電壓時, 如果在最大輸出電壓時呢??

最高輸出 18V, 與輸入 21V 的壓差只有 3V, 那如果用 8K 的電阻, 在最高輸出電壓時, R1 的電流為

3V / 8000-Ohm = 0.3mA...唔....顯然太小了.

所以這裡就有第三個重點了:

重點三: 抓 R1 的阻值要用最大輸出電壓去抓才會準
抓 R1 的最高消耗功率要用最小輸出電壓去抓

所以現在用最高輸出電壓來重算 R1, 在使用最高輸出電壓時, 輸出與輸入壓差為 3V, 因此 R1 上的最小壓降也是 3V

R1= 3V/0.001A = 3000-Ohm 也就是 3K

R1電流在最小輸出電壓時為=8V/3000-Ohm=2.66mA (梢大一些, 但無彷, 此電流可大不可小)

因此 R1 在最高輸出電壓時為 1mA, 最小輸出電壓時為 2.66mA

因此 R1 的功率消耗為 0.02W (抓電流大的, 也就是最小輸出電壓時), 可以用 1/4W, 但我認為用 1/2W 更安全更不會發熱.
(注意, 再次提醒, 算這個電阻的功率在高輸出電流時很重要, 此步驟不要省唷)

再來決定穩壓二極體的規格, 前面說過穩壓二極體其實也決定了這個電路的最小輸出電壓

但是穩壓二極體的功率呢? 要幾瓦才夠?

這時就是 R1 的最大電流 (在最小輸出電壓的規格下) x 穩壓二極體的電壓值 = 穩壓二極體的瓦數

在此例為 0.00266A x 12V = 0.03W, 可用一般最容易買到的 1/2W 的穩壓二極體即可.
(注意, 再次提醒, 算這個穩壓二極體的的功率在高輸出電流時也很重要, 此步驟不要省唷)

好了, 現在 R1 值有了, Q1/Q3/Q5 也決定用那種晶體了, 穩壓二極體的值也有了, 那就來決定最後二個電阻的阻值

PR1 與 R3 其實就等於是個分壓網路, 他們的作用是提供輸出電壓調整的功能, 而此分壓也回授給 Q5 B 極

Q5 的作用就是擔任 "誤差放大器", 由 Q5 去控制 Q1/Q3, 如此才能監控輸出電壓, 高了, 降低, 低了升高, 才達成穩壓的目標.

因此最高輸出電壓即為 Vo (Max) = (PR1最大值 + R3) / R3 x (穩壓二極體規格值 + Q5 VBE)

所以要先決定 PR1 的值, 因為半可調電阻能買到的規格不多. PR1 依經驗先選擇 2K
(調電壓的可變電阻最好選用那種可以調十圈以上的精密型半可調電阻, 可以調出相當準確的電壓值)

因此, 依上述公式倒算回來 R3 應為 4.7K

演算一次, (2000 "PR1" + 4700 "R3") / 4700 "R3" = 1.425

1.425 x (12V "穩壓二極體規格" + 0.6V "Q5 VBE") = 1.425 x 12.6 = 17.955V 也就等同於最高輸出 18V

如何?? 是不是很簡單的計算??

那最後, 電容的部份, 要求不高, 基本上就依經驗來決定就可以了.

首先 C1 是電源慮波電容, 一般說來越大越好, 但容量太大了, 開機脈衝會增加, 要注意

以我的經驗, 最高輸出 2A 以上用 10,000uF, 1A~2A 用 4,700uF, 1A 以下用 2,200 uF.

但如果用到 4,700uF, 請加上 C21~C24 這四顆電容, 以保護二極體與後面的電路.

然後 C3 不管最高輸出電流多大, 我都用 4.7u, 此電容的目的為電源端的 "反交連"

再來 C5/C9 都是為了降低穩壓二極體雜訊用的. C5 我都用 10uF, C9 則是 0.1uF

C7 則是穩定負回授用的, 可使輸出電壓更穩定, 這個我都用 22uF.

C11 則是為了降低輸出阻抗用的, 2A 以下我都用 100uF, 2A 以上我會用到 220uF.

最後 C13 一般用 0.1u, 此為高頻旁路電容, 可慮除高頻雜訊.

全部電容耐壓值建議使用比輸入電壓高就行. 以防止萬一某零件故障打穿而形成導通時

會連帶因為電容耐壓不足而一並爆開的危險. (因為在怎麼燒, 電壓不可能高過輸入電壓ㄚ)

不過對於安全規則, 我是有個觀念, 我會選用比要求規格大約 2~3 倍的空間, 才會比較保顯

例如算出來電阻消耗功率是 0.8W, 可能你會覺得用 1W 就好, 我則會決定用 3W.

至於整流二極體, 建議要比最高輸出電流大二倍以上比較好, 因為這也是個會發熱的東西

以這個案例, 最大輸出 0.4A, 我會建議用 2A 比較好.

而且電流如果大, 電源濾波電容也大 (高過 2,200uF), 那我建議在每個二極體上再併聯一個 0.001uF 的電容

此電容耐壓要選高過市電的, 最好是 250V 以上. 可吸收電源開機時的脈衝.

全部就這樣啦, 祝大家玩的愉快~ :D
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Re: 簡易多功能串聯式穩壓電路計算方式與裝機報告

文章markbroadcaster 發表於 週六 4月 17, 2010 7:39 pm

變種一: 改用 FET 作恆流源


請看下圖, 注意 R1 沒了, 改成一顆 FET Q7/Q8 來使用.

圖檔

假設你算出來 R1 的最大電流值在 10mA 以下, 那我建議你 R1 可以取消, 改用一顆 FET 來當 "恆流源"

因為 FET 有 "定電流" 的特性, 因此會使穩壓電路輸出更穩定.

決定 FET 的關鍵有二個, 一個是最大耐壓一定要高出輸入電壓

再來就是查 FET 的 Data Sheet, 選擇 FET 的 IDSS 剛好符合你需要的最大電流 (可比你所需要的還要稍稍大一些沒關係)

例如在此例為 2.66mA, 則可使用 IDSS 為 3mA 的 2SK30GR 等級 (IDSS 表列規格為 2.6mA~6.5mA)

以 2SK30 來說, Y 等級為 0.6mA~1.4mA, GR 等級為 2.6mA~6.5mA,

如果要高一點, 可用 2SK117BL 為 6~14mA.

或是用雜音更低的 2SK170 也有 GR 與 BL 等級.

要注意的是, FET 在正電壓與負電壓的位置接法不同唷
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Re: 簡易多功能串聯式穩壓電路計算方式與裝機報告

文章markbroadcaster 發表於 週六 4月 17, 2010 7:41 pm

變種二: 追加限流功能


請看下圖, 這是我這次用在我綜擴內的穩壓, 要求規格輸出為 15V, 600mA, 但要限流

圖檔

追加了一顆電晶體當限流控制, 以及一顆半可調電阻來控制輸出電流, 還有一枚電阻做限流參考

圖上 Q551 為前面說過的 FET 定電流源

Q557 與 Q553 就跟我前面說明的 Q1/Q2 是一樣的達靈頓放大

Q555 則是誤差放大器, 等同於我前面說明的 Q3

因此追加的就是 Q559, R551, 還有 PR551

先說明一下電路原理, 這個電晶體是利用 R551 來做為是否導通的關鍵

此晶體如果導通, 就會限制了達靈頓的輸出, 達成限流保護的目的.

那麼關鍵就在 R551, R551 必須在流過最大電流時剛好讓 Q559 導通

我們都知道晶體導通電壓為 0.6V, 因此要算 R551 就很容易了

所以, R = 0.6V "Q559 導通電壓" / 0.6A "最大所需電流" = 1-Ohm,

又因為這個電阻會流過 0.6V x 0.6A = 0.36W, 所以我用 2W (也可以用 1W, 但是會比較燙)

而 PR1 則依經驗來選, 當1A 以下時我用 500-Ohm, 1A 以上時我用 1K.

PR1 的調整則是要用到負載電阻才會準確, 以此例, 15V 0.6A 則負載電阻要 25-Ohm / 9W

我用 24-Ohm / 20W 電阻, 則最大輸出是 0.625A, 調整時先接上負載電阻在輸出端

調整 PR551 到輸出電壓最大, 然後調 PR553 至標準 15V, 然後往回調 PR551, 當看到電壓剛開始下降那一點就好了

這時輸出至少可以達到 15V 0.6A 完全沒問題. 這時, 你可以大膽的找一枚 8-Ohm 電阻, 也是 20W 的接上輸出端
(用 8-Ohm 是因為玩音響的手上應該都有 8-Ohm 假負載電阻,
不能將輸出短路, 短路雖不會燒毀, 但輸出電壓也變 0V 了, 觀察不出變化)

故意讓他超載, 這時你會發現電壓下降很多, 這就代表限流保護有在工作中.
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Re: 簡易多功能串聯式穩壓電路計算方式與裝機報告

文章markbroadcaster 發表於 週六 4月 17, 2010 7:45 pm

變種三: 加大輸出電壓與電流功能

這個電路我最高做過輸入 115V (下圖) 輸出 57~85V 4A.

圖檔


另一個版本是輸入 58V, 輸出 37~52V, 5A (下圖)

圖檔


這二者都需要用二顆大型 To3 大鐵帽功率晶體做輸出晶體併聯運轉

目前二者都安然工作中, 而且都是拿來直接推後級使用, 沒有任何問題

電路請看下圖:

輸出晶體併聯時計算方式一樣, 只是你要算二份到達靈頓的前端

大家可以試著用我前面教的算法, 重新演算一次就知道了.

這裡有個關鍵, 大電流時, 我穩壓二極體的瓦數也上升到使用 6W 的

還有就是全部晶體都要加上散熱片了.
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Re: 簡易多功能串聯式穩壓電路計算方式與裝機報告

文章markbroadcaster 發表於 週六 4月 17, 2010 8:05 pm

所以我說這個穩壓很好改, 很好做, 很安全穩定

我想在輸出在 100V 以下, 5A 以下, 這個電路都很好改

而且不只大輸出, 我也曾經用這個電路在 MC 唱頭放大器上

那個只要 9V/100mA 也可以用這個電路. 因此這個電路可大可小

以下是我幾個不同成品的照片, 都是用這個穩壓的電路

給大家參考看看

MC 唱頭用穩壓
圖檔

前級用穩壓
圖檔

後級用穩壓
圖檔

高壓穩壓 (這是一台樂器用高壓 OTL 後級)
圖檔

後級加穩壓 (特寫一)
圖檔

後級加穩壓 (特寫二)
圖檔

後級加穩壓 (特寫三)
圖檔

後級加穩壓 (溫升測試)
圖檔

全文完~謝謝
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Re: 分享~簡易多功能串聯式穩壓電路計算方式與裝機報告 [☆☆☆☆☆]

文章sos19 發表於 週一 4月 19, 2010 11:07 am

markbroadcaster
請問你第一張照片MC唱頭穩壓
是否可以提供我自己興趣DIY洗板

聯絡信箱qwii888@pchome.com.tw
sos19
 
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