Uvod v linearne regulatorje napetosti: 8 korakov

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:04

Pred petimi leti, ko sem prvič začel z Arduinom in Raspberry Pi, nisem razmišljal preveč o napajanju, v tem času je bilo napajalnika iz maline Pi in USB napajanja Arduina več kot dovolj.

Toda čez nekaj časa me je radovednost spodbudila k razmisleku o drugih načinih oskrbe z električno energijo in po ustvarjanju več projektov sem bil prisiljen razmisliti o različnih in po možnosti nastavljivih enosmernih virih energije.

Še posebej, ko dokončate oblikovanje, boste zagotovo želeli zgraditi trajnejšo različico svojega projekta, zato boste morali razmisliti, kako mu zagotoviti moč.

V tem vodiču bom razložil, kako lahko ustvarite lasten linearni napajalnik s široko uporabljenimi in cenovno ugodnimi regulatorji napetosti IC (LM78XX, LM3XX, PSM-165 itd.). Spoznali boste njihovo funkcionalnost in izvajanje za lastne projekte.

1. korak: Oblikovanje

Skupne napetostne ravni

Vaša zasnova lahko zahteva več standardnih ravni napetosti:

• 3,3 V DC-To je običajna napetost, ki jo uporabljajo Raspberry PI in digitalne naprave z nizko porabo energije.
• 5 Volts DC - To je standardna TTL (Transistor Transistor Logic) napetost, ki jo uporabljajo digitalne naprave.
• 12 V DC - uporablja se za enosmerne, servo in koračne motorje.
• 24/48 voltov enosmerni tok - pogosto se uporablja v projektih CNC in 3D tiskanja.

Pri načrtovanju morate upoštevati, da je treba napetosti logične ravni zelo natančno regulirati. Na primer za naprave z napetostjo TTL mora biti napajalna napetost med 4,75 in 5,25 voltov, sicer bo vsako odstopanje napetosti povzročilo, da logične komponente prenehajo delovati pravilno ali celo uničijo vaše komponente.

V nasprotju z napravami logičnega nivoja lahko napajanje motorjev, LED in drugih elektronskih komponent v širokem razponu odstopa. Poleg tega morate upoštevati trenutne zahteve projekta. Zlasti motorji lahko povzročijo nihanje trenutne porabe, zato morate oskrbo z električno energijo prilagoditi "najhujšemu" primeru, ko vsak motor deluje s polno zmogljivostjo.

Za regulacijo napetosti pri modelih z linijskim in baterijskim napajanjem morate uporabiti drugačen pristop, ker se bodo napetosti akumulatorja spreminjale, ko se bo akumulator izpraznil.

Drug pomemben vidik zasnove regulatorja napetosti je učinkovitost - zlasti pri projektih na baterije morate izgube energije zmanjšati na minimum.

POZOR: V večini držav oseba ne more zakonito delati z napetostjo nad 50V AC brez licence. Vsaka napaka katere koli osebe, ki dela s smrtonosno napetostjo, lahko privede do njihove smrti ali smrti druge osebe. Zato bom razložil samo izdelavo enosmernega napajanja z napetostjo pod 60 V DC.

2. korak: Vrste regulatorjev napetosti

Obstajata dve glavni vrsti regulatorjev napetosti:

• linearni regulatorji napetosti, ki so najbolj dostopni in enostavni za uporabo
• preklopni regulatorji napetosti, ki so učinkovitejši od linearnih regulatorjev napetosti, vendar dražji in zahtevajo bolj zapleteno zasnovo vezja.

V tej vadnici bomo delali z linearnimi regulatorji napetosti.

Električne značilnosti linearnih regulatorjev napetosti

Padec napetosti v linearnem regulatorju je sorazmeren z razpršeno močjo IC ali z drugimi besedami moč izgubi zaradi učinka segrevanja.

Za odvajanje moči v linearnih regulatorjih lahko uporabimo naslednjo enačbo:

Moč = (VI vhod - V izhod) x I

Linearni regulator L7805 mora razpršiti najmanj 2 vata, če bi dal obremenitev 1 A (2 V padec napetosti 1 A).

S povečanjem razlike napetosti med vhodno in izhodno napetostjo se poveča tudi izguba moči. To pomeni, na primer, da bi 7 -voltni vir, reguliran na 5 voltov, ki oddaja 1 amp, razpršil 2 vata skozi linearni regulator, bi 12 -voltni vir, reguliran na 5 voltov, ki oddaja isti tok, razpršil 5 vatov, kar bi pomenilo, da je regulator le 50 % učinkovit.

Naslednji pomemben parameter je "toplotna odpornost" v enotah ° C/W (° C na vat).

Ta parameter označuje, koliko stopinj se bo čip segrel nad temperaturo zunanjega zraka, na vsak vat moči, ki ga mora razpršiti. Izračunano izgubo moči preprosto pomnožite s toplotno upornostjo in to vam bo povedalo, koliko se bo linearni regulator segreval pod to količino moči:

Moč x toplotna odpornost = temperatura nad okolico

Na primer, regulator 7805 ima toplotno odpornost 50 ° C / Watt. To pomeni, da se regulator razprši:

• 1 vat, segreje 50 ° C
• .2 vata segreje 100 ° C.

OPOMBA: V fazi načrtovanja projekta poskusite oceniti zahtevani tok in zmanjšati razliko napetosti na minimum. Na primer, linearni regulator napetosti 78XX ima padec napetosti 2 V (minimalna vhodna napetost je Vin = 5 + 2 = 7 V DC), zato lahko uporabite napajalnik 7, 5 ali 9 V DC.

Izračun učinkovitosti

Ob upoštevanju, da je izhodni tok enak vhodnemu toku za linearni regulator, bomo dobili poenostavljeno enačbo:

Učinkovitost = Vout / Vin

Na primer, recimo, da imate 12 V na vhodu in morate oddati 5 V pri 1 A toka obremenitve, potem bi bil izkoristek za linearni regulator le (5 V / 12 V) x 100 % = 41 %. To pomeni, da se le 41 % energije iz vhoda prenese na izhod, preostala moč pa se izgubi kot toplota!

Korak: Linearni regulatorji 78XX

Regulatorji napetosti 78XX so 3-polne naprave, ki so na voljo v številnih različnih paketih, od velikih paketov tranzistorjev za moč (T220) do drobnih naprav za površinsko montažo. To so regulatorji pozitivne napetosti. Serije 79XX so enakovredni regulatorji negativne napetosti.

Regulatorji serije 78XX zagotavljajo fiksne regulirane napetosti od 5 do 24 V. Zadnji dve števki številke dela IC označujeta izhodno napetost naprave. To na primer pomeni, da je 7805 pozitiven 5 -voltni regulator, 7812 je pozitiven 12 -voltni regulator.

Ti regulatorji napetosti so naravnost usmerjeni - povežite L8705 in nekaj elektrolitskih kondenzatorjev na vhodu in izhodu in zgradite preprost regulator napetosti za 5 V Arduino projekte.

Pomemben korak je, da v podatkovnih listih preverite, ali so na voljo pin-out in priporočila proizvajalca.

Regulatorji 78XX (pozitivni) uporabljajo naslednje pinouts:

1. Vhod-nereguliran enosmerni vhod Vin
2. REFERENCA (OSNOVNO)
3. OUTPUT -reguliran enosmerni izhod Vout

Pri različici ohišja TO-220 pri teh regulatorjih napetosti je treba opozoriti, da je ohišje električno povezano s sredinskim zatičem (nožica 2). Pri seriji 78XX to pomeni, da je ohišje ozemljeno.

Ta vrsta linearnega regulatorja ima 2 V izpadno napetost, zato morate pri 5V izhodu pri 1A imeti vsaj 2,5 V DC napetost (tj. 5V + 2,5V = 7,5 V DC vhod).

Priporočila proizvajalca za glajenje kondenzatorjev so CInput = 0,33 µF in COutput = 0,1 µF, splošna praksa pa je 100 µF kondenzator na vhodu in izhodu. To je dobra rešitev za najslabši scenarij in kondenzatorji pomagajo pri obvladovanju. nenadna nihanja in prehodi v ponudbi.

V primeru, da napajanje pade pod prag 2 V-, bodo kondenzatorji stabilizirali napajanje in tako zagotovili, da se to ne zgodi. Če vaš projekt nima takšnih prehodov, lahko začnete s priporočili proizvajalca.

Enostavno vezje linearnega regulatorja napetosti je samo regulator napetosti L7805 in dva kondenzatorja, vendar lahko to vezje nadgradimo, da ustvarimo naprednejše napajanje z določeno stopnjo zaščite in vizualne indikacije.

Če želite svoj projekt razširiti, vam bom vsekakor predlagal, da dodate teh nekaj dodatnih komponent, da preprečite prihodnje neprijetnosti s strankami.

4. korak: Nadgrajeno vezje 7805

Najprej lahko s stikalom vklopite ali izklopite vezje.

Poleg tega lahko med izhodom in vhodom regulatorja postavite diodo (D1), ožičeno v obratni smeri. Če so v obremenitvi induktorji ali celo kondenzatorji, lahko izguba vhoda povzroči povratno napetost, ki lahko uniči regulator. Dioda zaobide vse tokove.

Dodatni kondenzatorji delujejo kot nekakšen končni filter. Imeti morajo nazivno napetost za izhodno napetost, vendar morajo biti dovolj visoke, da ustrezajo vhodu za malo meje varnosti (npr. 16 25 V). Resnično so odvisni od vrste obremenitve, ki jo pričakujete, in jih lahko izpustite pri čisti obremenitvi z enosmernim tokom, toda 100uF za C1 in C2 ter 1uF za C4 (in C3) bi bil dober začetek.

Poleg tega lahko dodate LED in ustrezen upor za omejevanje toka, da zagotovite lučko, ki je zelo uporabna za odkrivanje izpada napajanja; ko je vezje napajano, LED lučke svetijo, sicer poiščite napake v svojem vezju.

Večina regulatorjev napetosti ima zaščitno vezje, ki ščiti čipe pred pregrevanjem, in če se preveč segreje, pade izhodna napetost in zato omeji izhodni tok, da naprava ne uniči toplote. Regulatorji napetosti v paketih TO-220 imajo tudi montažno luknjo za pritrditev hladilnika, zato vam bom predlagal, da ga vsekakor uporabite za pritrditev dobrega industrijskega hladilnika.

5. korak: Več energije iz 78XX

Večina regulatorjev 78XX je omejena na izhodni tok 1 - 1,5 A. Če izhodni tok regulatorja IC preseže največjo dovoljeno mejo, bo njegov notranji prehodni tranzistor razpršil količino energije več, kot lahko prenese, kar bo vodilo do zaustavitve.

Za aplikacije, ki zahtevajo več kot največjo dovoljeno mejo toka regulatorja, lahko za povečanje izhodnega toka uporabite zunanji prehodni tranzistor. Slika iz FAIRCHILD Semiconductor prikazuje takšno konfiguracijo. To vezje lahko proizvaja večji tok (do 10 A) na obremenitvi, vendar še vedno ohranja toplotno zaustavitev in zaščito pred kratkim stikom regulatorja IC.

Močnostni tranzistor BD536 predlaga proizvajalec.

6. korak: LDO regulatorji napetosti

L7805 je zelo preprosta naprava z relativno visoko izpadno napetostjo.

Nekateri linearni regulatorji napetosti, tako imenovani low-dropout (LDO), imajo veliko manjšo izpadno napetost kot 2V pri 7805. Na primer, LM2937 ali LM2940CT-5.0 ima izpad 0,5V, zato bo vaše napajalno vezje imajo večji izkoristek in ga lahko uporabite pri projektih z napajanjem iz baterije.

Najmanjši Vin-Vout diferencial, ki ga lahko deluje linearni regulator, se imenuje izpadna napetost. Če razlika med Vin in Vout pade pod izpadno napetost, je regulator v načinu izpadanja.

Regulatorji z majhnim osipom imajo zelo majhno razliko med vhodno in izhodno napetostjo. Zlasti napetostna razlika linearnih regulatorjev LM2940CT-5.0 lahko doseže manj kot 0,5 volta, preden naprave izpadejo. Za normalno delovanje mora biti vhodna napetost 0,5 V višja od izhodne.

Ti regulatorji napetosti imajo enak faktor faktorja T220 kot L7805 z enako postavitvijo - vhod na levi, ozemljitev na sredini in izhod na desni (če gledamo od spredaj). Posledično lahko uporabite isto vezje. Priporočila za izdelavo kondenzatorjev so CInput = 0,47 µF in COutput = 22 µF.

Ena velika pomanjkljivost je, da so regulatorji z nizkim osipom dražji (tudi do desetkrat) v primerjavi s serijo 7805.

7. korak: Regulirano napajanje LM317

LM317 je pozitivni linearni regulator napetosti s spremenljivo izhodno močjo, ki lahko napaja izhodni tok več kot 1,5 A v območju izhodne napetosti 1,2–37 V.

. Prvi dve črki označujeta nastavitve proizvajalca, na primer "LM", kar pomeni "linearno monolitno". Je regulator napetosti s spremenljivo močjo, zato je zelo uporaben v situacijah, ko potrebujete nestandardno napetost. Oblika 78xx je regulatorji pozitivne napetosti ali 79xx so regulatorji negativne napetosti, kjer "xx" predstavlja napetost naprav.

Razpon izhodne napetosti je med 1,2 V in 37 V in se lahko uporablja za napajanje vašega Raspberry Pi, Arduino ali DC Motors Shield. LM3XX ima enako razliko vhodne/izhodne napetosti kot 78XX - vhod mora biti vsaj 2,5 V nad izhodno napetostjo.

Tako kot pri regulatorjih serije 78XX je tudi LM317 tripolna naprava. Toda ožičenje je nekoliko drugačno.

Pri priključitvi LM317 je treba omeniti dva upora R1 in R2, ki regulatorju zagotavljata referenčno napetost; ta referenčna napetost določa izhodno napetost. Te vrednosti upora lahko izračunate na naslednji način:

Vout = VREF x (R2/R1) + IAdj x R2

IAdj je običajno 50 µA in je v večini aplikacij zanemarljiv, VREF pa 1,25 V - minimalna izhodna napetost.

Če zanemarimo IAdj, lahko našo enačbo poenostavimo na

Vout = 1,25 x (1 + R2/R1)

Če bomo uporabili R1 240 Ω in R2 z 1 kΩ, bomo dobili izhodno napetost Vout = 1,25 (1+0/240) = 1,25 V.

Ko gumb potenciometra zavrtimo do konca v drugo smer, dobimo kot izhodno napetost Vout = 1,25 (1+2000/240) = 11,6 V.

Če potrebujete višjo izhodno napetost, zamenjajte R1 z uporom 100 Ω.

Razloženo vezje:

• R1 in R2 sta potrebna za nastavitev izhodne napetosti. CAdj se priporoča za izboljšanje zavrnitve valovitosti. Preprečuje povečanje valovanja, ko je izhodna napetost nastavljena višje.
• Priporoča se C1, še posebej, če regulator ni v neposredni bližini kondenzatorjev filtra za napajanje. Keramični ali tantalov kondenzator 0,1 µF ali 1 µF zagotavlja zadosten bypass za večino aplikacij, zlasti pri uporabi nastavitvenih in izhodnih kondenzatorjev.
• C2 izboljša prehodni odziv, vendar ni potreben za stabilnost.
• Pri uporabi CAdj je priporočljiva zaščitna dioda D2. Dioda zagotavlja izpustno pot z nizko impedanco, ki preprečuje praznjenje kondenzatorja v izhod regulatorja.
• Pri uporabi C2 je priporočljiva zaščitna dioda D1. Dioda zagotavlja izpustno pot z nizko impedanco, ki preprečuje praznjenje kondenzatorja v izhod regulatorja.

8. korak: Povzetek

Linearni regulatorji so uporabni, če:

• Razlika med vhodno in izhodno napetostjo je majhna
• Imate nizek tok obremenitve
• Potrebujete izredno čisto izhodno napetost
• Oblikovanje mora biti čim bolj preprosto in poceni.

Zato niso le enostavnejši za uporabo linearni regulatorji, ampak zagotavljajo veliko čistejšo izhodno napetost v primerjavi s stikalnimi regulatorji, brez kakršnih koli valov, konic ali hrupa. Če povzamemo, razen če je izguba energije previsoka ali če potrebujete povečevalni regulator, bo vaša najboljša možnost linearni regulator.