Perché l'esperimento del regolatore di tensione NPN / PNP è esploso?

Ho cercato dei modi per ricavare i binari a bassa tensione da una tensione e una corrente più elevate, che in pratica sono circa 53-0-53 V da un alimentatore lineare (toroidale, raddrizzatore a ponte e calotte elettrolitiche).

Ho ingenuamente pensato che il circuito in basso dovrebbe produrre un bel 30 V attraverso il carico di prova R3, invece ho ottenuto un diodo zener morto e una bella esplosione dal transistor Q2 che era in qualche modo inaspettata e deludente. In realtà si è fatto saltare la gamba media, la cosa povera.

L'idea è di ottenere binari + 15V e -15V per alimentare uno o due amplificatori operazionali. Mi aspettavo che R1, D1 e R2 sarebbero scesi rispettivamente di 38 V, 30 V e 38 V e quindi, come una coppia di regolatori della serie standard, l'emettitore di Q1 si sarebbe stabilizzato a 15 V (relativamente all'ipotetica guida a 0 V che non c'è) e allo stesso modo il il collettore di Q2 sarebbe a -15V.

Cosa ho fatto di sbagliato? Mi chiedo se ho frainteso l'attuale flusso attraverso il PNP, mi fanno sempre soffriggere il cervello a causa della loro natura inversa. Comunque, qual è il mio errore?

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

aggiornare:

Lo zener è ora un 1N4751A, 30 V a 8,5 mA, vedere queste specifiche . I resistori zener sono ora 4K7 per una corrente zener di circa 8,5 mA.

Dopo aver aggiunto le sorgenti di tensione, la simulazione funziona e si traduce in circa +/- 2,54 V sopra lo zener e +/- 2,1 V sopra la resistenza di uscita.

Strano! O il simulatore non sa che gli zener zener a 30 V, oi transistor assorbono molta corrente di base, ma con una resistenza di carico così grande che è improbabile.

Hai già un alimentatore CC non regolato. Come dici tu, costruito da un ponte e alcuni condensatori. Apparentemente, hai anche un tocco centrale sul secondario del trasformatore. Quindi anche tu hai un terreno e$\pm53V$misurato con il misuratore per le altre due rotaie. Presumo che questo sia probabilmente scaricato, quindi probabilmente avrai meno di quello quando caricato. Quanto meno è l'ipotesi di chiunque, poiché dipende molto dal carico, dal design del toroide, dai condensatori e da altri fattori. Ma di meno, di sicuro.

Ho capito che stai cercando di imparare a progettare il tuo $\pm 15V$fornitura per l'uso con opamp. Quindi non vuoi necessariamente solo acquistare una buona scorta (sono economici, in questi giorni.) E poiché si tratta di apprendimento, sarà un design lineare e non uno switcher. Quindi il tuo alimentatore sarà generalmente inefficiente, dal punto di vista energetico. Ma tu stai bene con quello.

Forse sto proiettando, ma penso che questa sia una buona idea per cominciare. È abbastanza modesto che hai tutte le ragioni per avere successo. Ma c'è abbastanza da imparare che vale la pena lottare anche per. Penso che la mia prima esperienza di apprendimento, in cui ho davvero imparato alcune cose bene, sia stata nel provare a progettare il mio alimentatore in questo modo. All'epoca, quindi, praticamente non avevo scelta. Le forniture di laboratorio esistenti erano introvabili per un giovane adolescente. E non esisteva nemmeno un set di fornitori ebay economici per switcher di fantasia basati su circuiti integrati. Quindi ho dovuto farlo da solo o senza. E di fronte a ciò, si impara o si fa a meno.

Il tuo approccio è forse un po 'troppo simile a un driver di uscita sink / source utilizzato in tutto, dagli opamp agli amplificatori audio. Potresti adottare l'approccio che stai adottando, ma dovresti crearne due - uno per$+15V$ e uno per $-15V$. E sono anche meno efficienti, poiché possono ogni sorgente dalla tua (+) rotaia e affondare alla tua (-) rotaia, e devi eseguirli in classe AB. Hai solo bisogno di provenire da (+) per rendere il$+15V$ rail e affondare a (-) per rendere il file $-15V$ rotaia.

Proprio come una nota a margine, potrebbe essere una buona idea includere una coppia di resistori di spurgo sul banco di condensatori esistente all'uscita del bridge. Qualcosa per sbarazzarsi della carica memorizzata se si spengono le cose. Alcuni$\tfrac{1}{2}W$, $10k\Omega$resistenze? Ciò presenterebbe solo a$5mA$ caricare, durante l'esecuzione.

Mentre stai prendendo in considerazione l'idea, considera anche di provare a scaricare la tua fornitura non regolamentata esistente per misurare ciò che fa sotto carico. Proverei qualcosa di simile a$\ge 5W$, $1k\Omega$ resistenza per avere un'idea di a $50mA$carico, misurando la tensione con quel carico presente. Proverei quindi qualcosa del tipo a$\ge 10W$, $270\Omega$ resistenza per vedere cosa succede quando mi avvicino $200mA$caricare. Questo testerà l'intero sistema non regolamentato e ti darà un'idea dei suoi limiti. Quei valori sono stati scelti a caso. Se conosci già i limiti del tuo toroide, prova due diversi valori di resistenza che colpiscono il carico massimo che ti aspetti di supportare e un altro che colpisce forse il 30% del carico massimo. E basta prendere nota dei valori di tensione misurati. Aiuta ad avere un'idea della tua rotaia non regolamentata quando viene caricata un po '.

Ti consiglierei di iniziare concentrandoti solo su un lato, diciamo creando il $+15V$rotaia di rifornimento regolamentata dalla tua rotaia non regolata (+). È necessario considerare se si desidera o meno anche i limiti attuali. Penso che sarebbe più sicuro includerli. Ma questa è la tua decisione. Tuttavia, non è difficile includere qualcosa per quello. E, solo personalmente, probabilmente vorrei poter andare$+12V$, pure. Quindi forse un'alimentazione variabile in uscita che funziona su una gamma modesta di tensioni di uscita?

Hai un sacco di spazio per la testa! Ciò significa che è possibile utilizzare un follower di emettitori NPN, un follower Darlington o qualsiasi configurazione che si desidera avere. Le cose non sono strette , quindi hai spazio per le strutture di controllo. Un sacco di spazio. Il rovescio della medaglia è, ovviamente, che devi dissipare e che i tuoi binari di tensione sono sufficienti per farti controllare i fogli dati per rimanere all'interno dei parametri operativi sicuri per i dispositivi.

Infine, probabilmente puoi accettare di dover impostare separatamente i due valori della guida di tensione, in modo indipendente. Alcuni alimentatori sono progettati per fornire il monitoraggio in modo che se si imposta il regolamento$+V$ fornire a $+15V$ quindi il tuo regolamentato $-V$ l'offerta monitorerà e fornirà $-15V$. Ma puoi vivere senza quello, per ora, sospetto.

Se scrivi una domanda separata o chiarisci meglio questa, potrei iniziare con tre o quattro diverse topologie discrete (non IC) da prendere in considerazione per l'analisi da solo e la costruzione. Ma, ad esempio, non ho idea di quale tipo di conformità corrente desideri avere. E sarebbe utile sapere quale tensione misurate quando la vostra alimentazione non regolata viene caricata fino alla massima conformità di corrente che volete supportare (usando un resistore ad alta potenza e poi impiegando un momento per misurare la tensione con un voltmetro prima che diventi troppo caldo. ) E sarebbe ancora più utile sapere se si desidera una tensione variabile su un intervallo (quale intervallo, esattamente?) E, se si desidera solo una tensione fissa, quanta precisione iniziale ritieni di aver bisogno? E io' d piacerebbe sapere se questo è strettamente per un'alimentazione opamp (suggerendo una conformità di corrente inferiore) o se si desidera utilizzarlo per fornire effettivamente correnti più elevate a tensioni ancora più basse, per alcuni progetti. Infine, sarebbe bello sapere quali BJT hai o sei disposto a ottenere.

EDIT: So. Qualcosa di semplice, non molto attuale rispetto solo$5mA$. Concentriamoci innanzitutto sul lato (+) della guida ... potrebbe andare con NPN o PNP per il transistor pass. È più una questione di come vuoi controllarlo. Vuoi sottrarre corrente da una fonte o estrarre la corrente secondo necessità? Hmm. Proviamo questo: enfasi sul semplice.

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Ho scritto alcune note di progettazione sullo schema. I valori dei resistori sono standard, quindi la tensione di uscita effettiva sarà leggermente ridotta. Ma dovrebbe essere vicino. Ecco la logica.

Ho iniziato a usare $Q_1$come topologia di follower di emettitori. Sono obiettivi emettitori$15V$. Quindi ho scritto "15V @ 5mA" lì. Inizialmente ho stimato utile$\beta_{Q1}=50$ e calcolato $I_{B_{Q1}}=100\mu A$ e stimato (solo dalla memoria) $V_{BE_{Q1}}=750mV$. Da questo, ho deciso che volevo$5\times$ tanto dalla fornitura non regolamentata, quindi ho impostato $R_1=\frac{53V-15V-750mV}{500\mu A}=74.5k\Omega \approx 75k\Omega$. Ciò significa che dovrò separarmi$400-500\mu A$ a partire dal $R_1$ controllare $Q_1$il comportamento all'uscita. È una gamma abbastanza piccola,$450\mu A\pm 50\mu A$, che le variazioni in un semplice circuito non saranno troppo sensibili. Oh, e ho scelto il BC546, che ha un$V_{CEO}=65V$. (Potrebbe usare un 2N5551 per$V_{CEO}=150V$.)

Ho deciso di utilizzare un altro NPN in basso, con la sua base inchiodata su un divisore di resistenza, per tirare quella corrente. $Q_2$Il collezionista è inchiodato a una tensione, quindi nessun effetto precoce. Belle. Dissipazione in$Q_2$ è sotto $10mW$, quindi nessun problema. (Sai già che potrebbe esserci un problema in$Q_1$.) Un diodo e un condensatore forniscono un riferimento di tensione semi-stabile, poiché viene alimentato in modo relativamente stabile $450\mu A\pm50\mu A$attuale. Ho stimato$\beta_{Q2}=50$ (di nuovo) e calcolato $I_{B_{Q2}}=10\mu A$ e stimato (solo dalla memoria) $V_{BE_{Q1}}=650mV$. So anche che l'1N4148 fa$550mV$ in esecuzione a $500\mu A$attuale. Quindi questo mi ha detto che il nodo divisore dovrebbe essere indovinato$1.2V$. L'ho scritto anch'io.

Ho scelto di rendere attuale il divisore almeno $10\times$ la corrente di base massima richiesta per $Q_2$. Uno dei problemi con questo circuito sarà la temperatura ambiente, poiché questi influenzano la giunzione base-emettitore di$Q_2$ (e $D_1$anche) e questo influenza il nostro punto di divisione e praticamente tutto il resto. Ma aggiungendo$D_2$ e $D_3$nel divisore aiuta qui. Fornisce altre due giunzioni dipendenti dalla temperatura. Il problema rimanente è$R_3$ e le diverse densità di corrente.

$D_2$ e $D_3$ sono in esecuzione con circa $\tfrac{1}{5}$ dell'attuale densità di $D_1$ e $Q_2$. Ricordo che un 1N4148 si presenta$\Delta V \approx 100mV$ ogni decennio cambia la densità attuale, quindi immagino che $\Delta V = log10\left(\tfrac{100\mu A}{500\mu A}\right) \approx -70mV$per diodo per quei due. Quindi questo significa che per raggiungere$1.2V$ al divisore, $R_3=\frac{1.2V - 2\cdot\left(550mV-70mV\right)}{87\mu A}\approx 2.7k\Omega$ (Ero solito $87\mu A$ come valore corrente del punto medio.) Quindi imposta $R_3$, a indovinare.

Ho aggiunto un tappo di accelerazione attraverso la resistenza del divisore $R_2$ in modo che le variazioni di carico a breve termine possano guidare più immediatamente $Q_2$. (Se la$15V$ la ferrovia regolata salta improvvisamente verso l'alto, quindi $C_3$ si solleverà immediatamente sulla base di $Q_2$ facendolo staccare di più dalla corrente del convertitore $Q_1$, contrastando l'ascesa. Allo stesso modo, anche nell'altra direzione.)

Dovresti essere in grado di inventare la (-) rotaia regolamentata, credo. E tieni presente che non vuoi caricare troppo questa cosa! Sicuramente causerai quel povero piccolo TO-92 seri problemi. Si sta dissipando$5mA\cdot\left(53V-15V\right)\approx 200mW$ e il pacchetto ha $\tfrac{200 ^{\circ}K}{W}$, quindi questo risolve $+40^{\circ}C$oltre ambient, già. Puoi vedere quanto velocemente questa cosa si surriscalda se la attraversi molto più corrente. Potresti riuscire a cavartela$10mA$, ma non molto di più.

PANORAMICA NOTA: Ora che puoi vedere il processo di una persona (altri designer più esperti applicheranno ancora più conoscenze di quelle che ho applicato), prendiamoci un momento per vederlo da una prospettiva lontana.

Il circuito si riduce a:

1. Un transistor pass ($Q_1$) che si suppone si stia distaccando $40V$ tra la rotaia non regolata (+) e la desiderata $15V$rotaia. Questo transistor pass avrà bisogno di una sorgente di corrente di base in modo che possa essere mantenuto nella sua regione attiva. È anche organizzato in una configurazione di emettitore-seguace, in modo che spostando la sua tensione di base si muova intorno all'emettitore in circa 1: 1 (il guadagno di tensione dalla base all'emettitore è$\approx 1$.)
2. Possiamo risolvere tutte le esigenze in (1) sopra usando un semplice resistore ($R_1$) alla guida non regolata (+). Questo non solo può fornire la corrente di base necessaria, ma semplifica anche il controllo della tensione di base di$Q_1$, semplicemente tirando più o meno corrente attraverso di essa. Ai fini della progettazione, non vogliamo variazioni in$Q_1$La corrente di base ha un forte impatto sul flusso di corrente che stiamo usando anche per controllare la tensione alla base di $Q_1$. Quindi dobbiamo confrontare questo flusso di corrente, al confronto. Più grande è meglio, e forse per impostazione predefinita potremmo scegliere un fattore di$10\times$. Ma siamo anche vincolati dal fatto che questo è un$5mA$Alimentazione elettrica. Quindi potremmo voler usare qualcosa che riguarda$\tfrac{1}{10}$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.