El UA723 como regulador de modo de conmutación

Si es un ingeniero electrónico o ha recibido una educación en electrónica que va más allá de las cosas muy básicas, es muy probable que esté familiarizado con el Fairchild μA723. Este chip diseñado por el mítico Bob Widlar y publicado en 1967 es un kit para construir todo tipo de reguladores de voltaje. Además de ser un dispositivo muy útil, puede deber parte de su larga vida a una aparición como ejemplo instructivo en el texto principal de Paul Horowitz y Winfield Hill, El arte de la electrónica. Es mi chip favorito y he escrito mucho sobre él tanto en estas páginas como en otros lugares.

Circuito de cambios regulatorios de Fairchild. De la hoja de datos μA723 en su IC de datos de línea de 1973, página 194 en adelante.

A lo largo de toda mi experimentación con μA723 durante décadas, hay un circuito interesante en su hoja de datos que nunca he tenido la oportunidad de construir. La figura 9 en la hoja de datos original de Fairchild es un regulador de aparamenta, un convertidor reductor que usa un par de transistores PNP junto con el diodo y el inductor que cabría esperar. Es casi seguro que su rendimiento será eclipsado por un montón de chips convertidores dedicados más recientes, pero sigue siendo el único circuito μA723 que nunca construí. Claramente, es necesario hacer algo para corregir esta situación.

Mirando el circuito y consultando la hoja de datos, es evidente que μA723 está configurado como un oscilador por las reacciones proporcionadas por la resistencia R4 de 1 MΩ. La ganancia de bucle adicional es proporcionada por la combinación del par de transistores externos PNP Darlington y el transistor de salida interno del μA723, y la modulación de ancho de pulso se logra mediante el comparador interno viendo el voltaje de salida en su entrada del inversor en comparación con el voltaje de referencia derivado por R1 y R2. La oscilación resultante intercambia la corriente en la red compuesta por D1, L1 y C2, formando un convertidor macho de libro de texto.

Quitar el polvo del proyecto de circuito

Han pasado cincuenta años desde que se publicó esa hoja de datos, y en ese tiempo la industria de la electrónica ha progresado tanto como muchos de los artículos actuales serían irreconocibles para un ingeniero de la década de 1960. Las resistencias y los condensadores realizan la misma función, pero el μA723 es un superviviente poco común en los catálogos de semiconductores, mientras que los dos transistores y el diodo han pasado a la historia. Mientras tanto, hay muchos inductores listos para usar para reemplazar los propuestos de cuerda manual en el original.

Para construir un conmutador μA723 para 2018, es necesario investigar un poco los equivalentes modernos de las partes de 1967. Para los semiconductores, esto significa mirar las hojas de datos de los originales y hacer coincidir las piezas modernas con una ganancia, uso de corriente, disipación de potencia y velocidad similares. Me decidí por el 2N4403 como reemplazo del 2N5545 y el MPS751 como equivalente al 2N5153, aunque debido a que los transistores han mejorado mucho en cinco décadas, podría elegir entre muchos otros. Es de esperar que el diodo sea un rectificador rápido, y me decidí por 1N4837. Sin embargo, la última hoja de datos de Texas Instrument tiene una selección inesperada en un rectificador de propósito general 1N4005, por lo que quizás la velocidad en última instancia no sea tan crítica. Hay muchos fabricantes de inductores adecuados para transformadores reductores pequeños, la parte seleccionada de Taiyo Yuden es simplemente una de muchas.

Mi opinión sobre el conmutador μA723, en una placa Boldport Club.

La construcción del circuito se benefició de un proyecto reciente de Boldport Club, una placa de desarrollo μA723 y un tributo de Widlar. Los lectores habituales de La-Tecnologia conocerán a Saar Drimer de Boldport por su distintivo proyecto artístico de PCB, y el proyecto Widlar es típico por su estética. El cambio lo lleva un poco fuera de pista, pero la placa fue diseñada para adaptarse a cualquier circuito. Es hora de un poco de divulgación responsable: es un tablero que conozco íntimamente porque Saar me pidió que escribiera sus instrucciones cuando lo diseñó hace unos meses.

Mi opinión sobre la construcción de prototipos es un poco desagradable y me disculpo si ofende su delicada sensibilidad electrónica. Una combinación de orificios pasantes y almohadillas en la placa para admitir una red popular de componentes, no es exactamente bonita. Coloca el divisor de referencia de voltaje R1 / R2 y los componentes asociados a la izquierda del μA723, el inductor y el diodo encima y los dos transistores a la derecha. El divisor se selecciona para una salida de 5 V y la resistencia de retroalimentación de 1 MΩ se repite de manera desagradable en la parte superior del chip.

Éxito, en parte

Sorprendentemente, la construcción de mi interruptor μA723 funcionó durante el primer interruptor, recompensándome con una salida de CC de 5,01 V en una carga de 50 Ω desde mi entrada de 12 V. Sin embargo, conectar el osciloscopio reveló otro lado de este regulador y demostró por qué rara vez puede ver μA723 en esta configuración.

El trazo amarillo muestra un aumento en la salida de CC, mientras que el azul muestra la forma de onda en los colectores de transistores.

El trazo amarillo en la captura de pantalla a la derecha muestra el aumento en la salida de CC, mientras que el trazo azul muestra la forma de onda en los colectores de transistores. El circuito oscila un poco más de 100 kHz, más alto de lo que cabría esperar, hasta que uno se da cuenta de que todo funciona libremente con una frecuencia dictada solo por las características de su bucle en lugar de derivarse de un oscilador en particular como puede ser el caso en más diseño reciente.

El rizado pico a pico de 260 mV en la salida de CC es el asesino con este circuito, una cifra inaceptablemente alta para todas las aplicaciones excepto las menos exigentes. Ofrece una lección objetiva sobre cómo los dispositivos más recientes con una reflexión significativa sobre cómo tratan su generación PWM han mejorado el rendimiento en este sentido. Animaría a cualquier persona interesada en este tema a leer algunas de las notas sobre aplicaciones de tecnología de línea escritas por Jim Williams, especialmente AN35 y AN29. A pesar de la generación de PWM bastante básica del μA723 libre, es fácilmente posible ver que el ciclo de unión cambia según las condiciones. Al bajar el voltaje de entrada justo antes de que pierda la regulación a un valor algo alto de aproximadamente 9 V, el ciclo de trabajo aumenta del 50% a aproximadamente el 70%.

Entonces, el μA723 no es una estrella como regulador de cambio, lo que no es sorprendente. Hay otra característica del circuito que lo hace completamente inadecuado para el entorno moderno, al ser una fuente de 100 kHz algo potente, produce una cantidad significativa de radiación de RF. La radio AM en cualquier lugar dentro del alcance se borra tan pronto como se enciende, lo que recuerda el impacto de algunos televisores CRT más antiguos. Es muy poco probable que esto tenga éxito con una prueba de EMC.

Esta fue una expedición interesante para cambiar la construcción regulatoria y una oportunidad para llenar ese último vacío en la hoja de datos μA723. Es un proyecto que funciona, pero tiene sentido que llegara a la hoja de datos porque el chip tenía la capacidad más que porque era una elección sensata incluso para los estándares de 1967. Uno se pregunta si esto es un truco de hardware de Bob. Widlar, empujando el chip más allá de su diseño, uno que sobrevivió más allá de las expectativas en cada hoja de datos μA723. Si es así, metafóricamente me quito el sombrero ante él, es un circuito que no tendría osadía publicar si yo fuera el autor de la hoja.

• Ren dice:

  "Fuera de pista"
  algo que tenía que Ggggle, como nunca antes lo había conocido,
  no se parece ni se contradice con la eliminación.
  B ^)

  • Ren dice:

    Entonces, Jenny, ¿crees que el Boldport Club es una membresía digna?

    • pabellón dice:

      Santo cielo, esa también fue mi gran lección de esto. Caro, ¡pero realmente hermoso! Consideraría invertir para mi hijo.

    • Lista de Jenny dice:

      Maravilloso equipo, como era de esperar. Pero no es barato, obtienes lo que pagas. Yo diría que si te quedas sin dinero, hazlo.

• Ren dice:

  ¿Ha probado sombreros más grandes u otro inductor para suavizar la salida?

  • BillSF9c dice:

    Al menos una simple prueba o 2 para mostrar el tocador (si es así) habría sido el barniz, pero un buen pastel. Gracias.

    • Ren dice:

      La sustitución de piezas para mejorar la linealidad de la salida sigue siendo un ejercicio para el alumno.
      B ^)

  • Miroslav dice:

    La misma pregunta aquí.

  • Lista de Jenny dice:

    No. El objetivo era construir el circuito de la hoja de datos. Pero sí, ciertamente se podría hacer algo.

• Jimmie Wong dice:

  Y, solo porque es la razón fundamental para cambiar de modo, ¿cuál fue la eficiencia? ¿Mejor que lineal?

  • steve dice:

    Sí, me interesaría la efectividad. Además, 12 V de entrada, 5 V de salida, 50% de ciclo de desarrollo.

    • nopmataru dice:

      Sí, también lo pillé. También me interesaría saber qué sucede. No puedo decir que haya usado uno de estos que recuerdo (soy viejo lol). Aunque es una lectura interesante. Puede que tenga que buscar un poco en Internet esta noche.

    • Sparkygsx dice:

      El Darlington bajaría alrededor de 1.4V, y con una pequeña caída de resistencia en el inductor, esto agrega aproximadamente un ciclo de carga del 50%.

      La ondulación parece estar causada por una capacitancia de salida insuficiente y una ESR especialmente alta; ¿Es la tapa un tipo de ESR bajo, adecuado para convertidores de modo de conmutación? En última instancia, es 100 kHz y 50%, y no importa cómo llegaste allí, la frecuencia, el ciclo de desarrollo y el valor inductivo determinan la corriente de onda, que junto con las propiedades del condensador de salida determina el voltaje de onda.

    • BrilaBluJim dice:

      Encendí mi primera computadora (CPU Z-80 y TV de 5 ″, en 1978) con una batería de motocicleta, regulada hasta 5V por el circuito regular de conmutación provisto en las notas de aplicación del 7805. Se veía así, pero creo que solo usó un transistor PNP en lugar de un par querido. Hizo una primera prueba y me dio alrededor del 75% de eficiencia, lo que no es bueno, pero mucho mejor que el 40% que daría un regulador de línea.

      En realidad, nunca lo usé hasta el punto en que se agotó la batería, por lo que no sé cuál fue la duración de la batería; la razón principal de esta fuente de energía era que no tenía almacenamiento masivo, por lo que cargar un programa requería cargar un pequeño programa de inicio de interruptores, que luego permitía ingresar al programa principal (octal) a través del teclado y el monitor. Apagar la computadora lo perdió todo, por lo que la batería estaba allí más como un UPS, y una forma de transportar la computadora de casa al trabajo y viceversa sin perder lo que estaba trabajando.

• BillSF9c dice:

  Sime> simple. Lo sé ... especialmente de estos nanokibd sin llave.

  Pero estoy interesado en los reguladores y en desarrollar un regulador de derivación para motocicletas viejas y pequeñas de 6v que no pueden pagar la carga aérea típica (o IU). Incluso las que no tienen juntas ayudan a mantener lubricado mi equipo oxidado. ;>)

  • Ren dice:

    Pensé que estabas acortando "simular"
    B ^)

• echodelta dice:

  Sí, me llevó a un diccionario etimológico en línea. Tiene que ser el error de los Juegos Olímpicos de Invierno. Slalom, fue el siguiente. Recuerdo el 723, me alegré cuando aparecieron 3 reguladores de terminal.

  • BrilaBluJim dice:

    El 723 ERA un regulador de 3 terminales. La única ventaja del 78xx, era que el divisor de voltaje que determinaba el voltaje de salida era interno, ahorrando dos resistencias.

    • Michael Black dice:

      ¿Y cuánta corriente es buena en el 723 sin un transistor de transistor externo?

      Es un circuito integrado flexible, pero sobre todo necesita esas partes adicionales, por lo que es complicado.

      Se introdujeron tres reguladores de terminales como "reguladores integrados", no recuerdo cómo los llamó National. Pero solo necesitando uno o dos capacitores, puede colocar los reguladores cerca de circuitos específicos, en lugar de un regulador de masa en la fuente de alimentación. Distribuya la regulación, distribuya el calor si nada más.

      Fue un gran cambio para los aficionados. No más peleas con diodos genéricos y resistencias descendentes, no se fusionen en absoluto. Elija un voltaje y lo tendrá. Al principio pensé que era un regulador de 5V, seguro que escuché sobre el 309 al principio, pero pronto hubo una amplia gama de voltajes que aumentaron con el tiempo. Vi algunas tensiones extrañas, no estoy seguro de si eran "estándar" o personalizadas, pero en general, podía obtener lo que necesitaba. No se necesitan las piezas externas, para muchos usos como pasatiempos no se necesita más de 1A.

      El primer suministro regulado que construí usó 723 y no recuerdo por qué. Los tres reguladores de terminales tenían que estar fuera para entonces. Finalmente, ese 723 cambió a 7812.

      Miguel

      • BrilaBluJim dice:

        Sí, mi error. Fusioné el 723 con el LM317, que es el terminal de 3 del que creo que estás hablando. Sí, supongo que fue una gran mejora.

• Tim Williams dice:

  "Sus científicos han estado tan preocupados por saber si pueden o no pueden, no han dejado de pensar en si deberían hacerlo".

  Claro, puede hacer 723 o 317, oscilar y regular, pero eso no significa que sea una buena idea, ¡incluso el crujiente MC34063 al menos tiene una limitación de corriente!

  Si agrega transistores, puede hacerlo mejor con 555. No sé que nadie más haya creado un circuito 555 en modo actual, así que disfrute: https://www.seventransistorlabs.com/Images/555%20Boost .pdf

  Se podrían aplicar ideas similares aquí, por supuesto, pero luego terminas con algo que realmente no es mucho mejor que, por ejemplo, dar un paso atrás y hacer todo con transistores (lo que también hice, divertido para un proyecto, nada práctico). ), simplemente aburrido).

  • BrilaBluJim dice:

    O puede usar un microcontrolador para detectar el voltaje de salida y manejar el par favorito. Arduino FTW!

    • ALINOME el A dice:

      Necesita suficiente cabeza cero para hacer la parte de programación, la velocidad de reloj de 20MHz es extremadamente baja para que un bucle de retroalimentación estable se mantenga en cualquier frecuencia de conmutación aceptable ...

      • BrilaBluJim dice:

        Veamos: para un conmutador de 100 kHz y un reloj de 20 MHz, hay 200 relojes para un período de conmutación. Parece haber suficientes ciclos para decidir cuándo encender y apagar el interruptor. Si está usando AVR (porque mencioné Arduino), puede usar la salida PWM y la entrada ADC. El ancho de pulso se configura de acuerdo con un algoritmo PID básico, basado en la diferencia entre el voltaje medido y el voltaje objetivo. El condensador de salida se vuelve lo suficientemente grande como para que, en el peor de los casos (máximo y cero), el suministro no cambie más rápido de lo que el ADC puede rastrearlo.

        Esto no es muy diferente de cómo podría hacerlo con 555.

      • BrilaBluJim dice:

        Por cierto, bromeaba sobre la amada pareja. Obviamente, todo es mejor con los MOSFET.

  • Moryc dice:

    Una vez hice un convertidor 555 fly back con regulación de voltaje y limitador de corriente de conmutación. Estaba destinado a alimentar tubos nix a 80-150 V constantes, y me sorprendió mucho que funcionara ...

• pabellón dice:

  Es probable que la EMI surja del método de construcción, hay muchas inductancias y capacitancias debidas en todas estas pistas y conductores, así como un área de radio considerable. El diseño contemporáneo del interruptor se basa en gran medida en los componentes de montaje en superficie y el uso de aviones de cobre para reducir los efectos parásitos. La ondulación de salida puede deberse a prácticas de construcción, límite de salida ESR, DCR del inductor o una combinación. O simplemente usando algo de hace 40 años que, como señala Jenny, no fue diseñado exactamente para la aplicación. 😉

  • Mark Aitchison dice:

    Sí, esperaría que la EMI sea una función de una disposición de construcción (y tipo de inducción), más la radiación de los conductores de la fuente de alimentación (tenga en cuenta que no hay condensador de usted a tierra, por lo que esos conductores a la batería / fuente de alimentación deben ser más cortos ). La elección de 100kHz puede cambiar, pero básicamente: los principales factores que determinan la ondulación, la eficiencia y la radiación no provienen del circuito 723 - proporciona un PWM de onda cuadrada bastante estándar, como cualquier regulador - moderno o no - debería. Fari; Depende de esos componentes alrededor del chip: los transistores PNP (o P-Ch MOSFET o lo que sea que pueda usar) más el inductor, el capacitor y el diseño de la placa ... Sospecho que los chips modernos con solo esos componentes externos estarían bien, así que malo (excepto en la caída de voltaje, tal vez, pero eso es principalmente porque el 723 quiere un suministro significativamente más alto que su circuito de suministro de referencia de salida de 7.1V ... una versión de salida de 12V funcionaría mejor, y un cambio del circuito PNP de Darlington a un Un solo PNP moderno., o MOSFET podría hacerlo aún mejor, aunque reemplazar MOSFET implicaría cambios en el circuito alrededor de CL / CS / VOUT y quizás algo de fantasía en el circuito de la puerta para acelerar los tiempos de conmutación sin forzar a R5 a ser demasiado bajo).

    En general, creo que el 723 sigue siendo un buen chip para todo tipo de proyectos modernos, siempre que el suministro de voltaje no sea inferior a 9v, incluso para los modos de conmutación ... pero este circuito de conmutación en particular no es bueno, en parte porque no funciona use buenos componentes que no estaban disponibles entonces, pero también porque parece haber sido diseñado para manejar una amplia gama de altos voltajes de entrada (es decir, el suministro de corriente constante en la base de T1, más la configuración Darlington para reducir la potencia disipación en el IC). podría ocurrir solo cuando el suministro es alto; el transistor de salida del 723 podría conducir directamente a T2 de lo contrario). En general, si intenta flexionar un circuito (por ejemplo, voltaje de entrada, por ejemplo) obtiene un rendimiento que es ligeramente peor que el diseñado específicamente para un rango más estrecho de condiciones.

• jb dice:

  En la década de 1970, DEC utilizó el 723 como el principal elemento de control de las fuentes de alimentación conmutadas. Sin embargo, se usó en un circuito mucho más complejo que el circuito de ejemplo.

  • PuceBabuino dice:

    También Datos Generales. Se usó en algunas fuentes de alimentación bastante pesadas y se usó para confundir al diablo de la gente cuando veían el número en la parte superior del chip.

• Asa Wilson dice:

  Solo curiosidad: ¿probaste el circuito como se muestra en la hoja de datos de TI? ¿La sección de Darlington 2N5455 / 2N5153 reemplazada por 2N5005 y las reacciones por una carretera 2N5153 separada?

  • Mark Aitchison dice:

    TENGA EN CUENTA que la hoja de datos de TI de julio de 1999, página 9, Figura 9: tiene un ERROR en lo que parece una "reacción separada" ... el colector 2N5153 debe estar conectado al colector 2N5005 y la parte superior si el inductor; el circuito de Fairchild original fue diseñado con algo que no me gusta - cruce de líneas de 4 vías - faltaba la mancha / punto de las personas que diseñaron la versión de TI (como puede suceder, siempre recomiendo dibujar dos conjuntos de 3 - conexiones de carreteras , de lo contrario puede parecer que 2 cables se cruzan sin estar conectados).

• InfinitoAmarilloParcelas dice:

  > Claramente, es necesario hacer algo para corregir esta situación.

  Oye. Bela.

  (Bueno, probablemente no fue intencional, porque no hay ningún ajuste aquí, pero cuando hablo de administración de energía, bueno, me reí de todos modos)

  • Mystick dice:

    Demonios, me pegaste ...

• acmefixer dice:

  Estoy de acuerdo con Ward. Creo que la evaluación del autor del 723 fue demasiado dura. No creo que sea justo culpar al chip por todas las deficiencias del circuito.

  Veo trazos delgados de alta inductancia en la placa de la computadora, deben ser mucho más pesados. Los altos flujos de intercambio provocan corrientes de tierra que lo impiden. Inserte alrededor de 10 uF MLCC de ESR bajo en la entrada y salida. Y la peor parte es usar un par de Darlington para cambiar. Utilice solo el MPS751.

• Greenaum dice:

  ¿El 723 suele ser un regulador lineal? En ese caso, ¿se usa aquí para algo más que, digamos, el trabajo de un transistor? Para un chip cuyo propósito no oscila ni varía su salida en absoluto, es bastante inteligente hacer un cambio.

  Dicho esto, un tablero calificará como "arte". En el sentido de que es una falta masiva de función, aparentemente sin sentido, y hecha solo para eso. ¿Hay alguna razón por la que es ... así?

• Antron Argaiv dice:

  Si quieres divertirte, intenta piratear una tienda AT / ATX. Muchos de ellos se basan en el TL494 y hay patrones allí. Una vez convertí uno en un suministro de 250W 13.8V para receptor de teléfono móvil. Parecen ser bastante versátiles y bastante fáciles de encontrar en un buen suministro de banco, ya que termina eliminando muchos de los componentes a medida que pasa de un suministro de varios productos a uno de un solo producto.

  Y las materias primas (existencias antiguas) son casi gratuitas.