Explicar a lógica de uma conversão de 12 V a 9 V

Como funciona o circuito abaixo?

Sei o que resistores, capacitores e transistores fazem e brincaram com eles em uma placa de microcontrolador, mas estou tentando entender a lógica do circuito.

Suponho que exista uma relação entre os resistores de 22 ohm e os de 470 ohm.

Ele se divide em três seções simples, cada uma relativamente fácil de explicar:

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

A primeira parte é o diodo que fornece proteção de tensão reversa. Se, por algum motivo, a polaridade da tensão de entrada estiver ligada oposta à que deveria ser, então a bloqueará e a saída também estará essencialmente desligada. Somente se a polaridade estiver correta, o restante do circuito estará operacional. O preço da inclusão dessa proteção adicional é uma queda de tensão de talvez . (Exagerei essa queda de tensão um pouco no diagrama. Mas isso mostra o ponto.)$D_1$$700\:\text{mV}$

A próxima seção está abaixo disso. É um regulador zener. O resistor existe para limitar a corrente. O zener tende a ter a mesma voltagem através dele, quando a polarização reversa com voltagem suficiente (e é mais que suficiente). Com conforme indicado, você esperaria que a corrente estivesse em algum lugar de cerca de a . Essa é uma corrente operacional "normal" para muitos zeners. (Você pode procurar a folha de dados e descobrir exatamente. Eu não me incomodei aqui.) Portanto, a tensão na parte superior do zener deve estar próxima de . A corrente exata através do zener terá um leve impacto nisso. Mas não muito. (O capacitor,$11-13\:\text{V}$$R_1$$5\:\text{mA}$$10\:\text{mA}$$9.1\:\text{V}$$C_1$, existe para "calcular a média" ou "suavizar" o ruído do zener. Não é crítico. Mas é útil.)

A seção final à direita está lá para "aumentar" a conformidade atual. Como o zener tem apenas alguns miliamperes para trabalhar, se você não incluísse essa seção adicional, sua carga só poderia consumir alguns miliamperes muito pequenos, no máximo, sem atrapalhar a tensão regulada do zener. Portanto, para obter mais do que isso, você precisa de uma seção de reforço atual. Isso é composto do que geralmente é chamado de "seguidor de emissor" BJT. O emissor deste BJT "segue" a tensão na base. Como a base está em , e como a queda de tensão do emissor da base será de cerca de$9.1\:\text{V}$$600-700\:\text{mV}$, você pode esperar que o emissor "siga", mas aqui com uma voltagem ligeiramente mais baixa (conforme indicado no esquema). Esse BJT não requer muita corrente de base para permitir muita corrente do coletor. Portanto, o BJT aqui pode "extrair" a corrente de seu coletor, também desenhando uma corrente base muito menor e mais pequena ("roubada" do zener, para que não possa ser muito) e, então, essa soma da dois se torna a corrente total do emissor. Essa corrente do emissor pode chegar a várias centenas de vezes a corrente base. Portanto, aqui, o BJT pode extrair da corrente base (o que é bom, porque há várias vezes mais disponível devido ao ) para lidar com talvez até$1\:\text{mA}$$R_1$$200\:\text{mA}$da corrente do emissor. De acordo com a idéia de "ser conservador", a especificação diz apenas - e esse é o caminho certo a seguir quando se diz a alguém do que isso é capaz. Seja conservador.$100\:\text{mA}$

$R_2$ existe como um limite de corrente de curto-circuito. Não serve muito mais. Mas se a carga tentar puxar muita corrente através do emissor, haverá uma queda de tensão cada vez maior em e isso fará com que o coletor tenha acesso à menor tensão restante. Em algum momento, o emissor será "apertado". Nesse caso, uma queda de mais de (talvez um pouco mais) provavelmente iniciará o processo de compactar a saída. Isso significa que o limite está em algum lugar acima de . No geral, o é uma maneira muito barata de adicionar alguma proteção modesta para ajudar a tornar a coisa toda um pouco mais à prova de balas, por assim dizer.$R_2$$2\:\text{V}$$\frac{2\:\text{V}}{22\:\Omega}\approx 100\:\text{mA}$$R_2$

Nota: é um capacitor de saída que fornece alguma conformidade atual adicional se houver uma demanda momentânea e de curto prazo da carga. Eu também normalmente gostaria de incluir um resistor de saída em (não mostrado) de talvez como um resistor de sangria para fornecer um caminho DC para o terra da saída e descarregar depois de alguns segundos, quando a fonte de entrada de energia é removida.$C_2$$C_2$$4.7\:\text{k}\Omega$$C_2$

• O TIP41A está configurado como um seguidor de tensão. A tensão do emissor será igual à tensão de base menos cerca de 0,7 V.
• O resistor de 470 provides fornece a corrente da base para ligar o transistor e puxar a base em direção à tensão de alimentação.
• O diodo zener será ativado se a tensão básica ultrapassar 9,1 V (sua tensão de ruptura). Portanto, a base será mantida em 9,1 V.
• $\frac {3}{470} = 6 \ \mathrm {mA}$
• $IR = 0.1 \cdot 22 = 2.2\ \mathrm V$$I^2R = 0.1^2 \cdot 22 = 0.22 \ \mathrm W$
• A queda da maior parte da tensão no resistor reduz a energia dissipada no transistor. Voltaremos a isso.
• O 1N4007 é para proteger o circuito da conexão de entrada de tensão reversa. Perderemos cerca de 0,7 V através dele.

De volta ao transistor: vamos trabalhar para a entrada máxima de 14 V.

• Vin = 14 V.
• V após o 1N4007 = 13,3 V.
• V após o resistor de 22 at a 100 mA = 13,3 - 2,2 = 11,1 V.
• V através do transistor = 11,1 - 8,5 = 2,6 V (permitindo queda de tensão de cerca de 0,6 V entre a base e o emissor).
• $= VI = 2.6 \cdot 0.1 = 0.26\ \mathrm W$
• $(2.2 + 2.6)0.1 = 0.46\ \mathrm W$

Presumo que exista uma relação entre os 22ohms e os 470 ohms.

Na verdade não. Eles estão cumprindo funções independentes e não interagem.

O elemento chave deste circuito que causa a saída de +9 V é o diodo zener 1N757. Quando o circuito é alimentado com energia (+12 a +14 V), o capacitor de 1 µF é descarregado e o transistor é desligado. Com algum atraso, o capacitor de 1 µF é carregado através do resistor de 470 ohm até a tensão nominal do diodo zener e abre o transistor até o seu emissor com uma tensão de saída de 9 V.

O resistor de 22 ohm aqui está limitando a corrente se algo der errado (protegerá de falta / sobrecorrente por um curto período de tempo, mas por períodos mais longos o transistor pode superaquecer e fritar). O diodo 1N4007, como eu entendo, é garantir que, se você conectar acidentalmente a tensão de entrada CA, o circuito não fritará da tensão negativa.