Įvadas į linijinius įtampos reguliatorius: 8 žingsniai

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:46

Prieš penkerius metus, kai pirmą kartą pradėjau naudotis „Arduino“ir „Raspberry Pi“, per daug negalvojau apie maitinimą, tuo metu maitinimo adapterio iš „Raspberry Pi“ir „Arduino“USB tiekimo buvo daugiau nei pakankamai.

Tačiau po kurio laiko smalsumas privertė mane apsvarstyti kitus maitinimo būdus, o sukūrus daugiau projektų buvau priverstas svarstyti apie skirtingus ir, jei įmanoma, reguliuojamus nuolatinės srovės šaltinius.

Ypač kai baigsite savo dizainą, tikrai norėsite sukurti pastovesnę savo projekto versiją, ir tam turėsite apsvarstyti, kaip jam suteikti energijos.

Šioje pamokoje paaiškinsiu, kaip galite sukurti savo linijinį maitinimo šaltinį su plačiai naudojamais ir prieinamais įtampos reguliatoriais IC (LM78XX, LM3XX, PSM-165 ir kt.). Sužinosite apie jų funkcionalumą ir įgyvendinimą savo projektams.

1 žingsnis: projektavimo aspektai

Įprasti įtampos lygiai

Jūsų dizainui gali prireikti kelių standartinių įtampos lygių:

• 3.3 voltų nuolatinė srovė-tai įprasta įtampa, naudojama „Raspberry PI“ir mažos galios skaitmeniniuose įrenginiuose.
• 5 voltų nuolatinė srovė - tai standartinė TTL (tranzistorių tranzistorių logika) įtampa, naudojama skaitmeniniuose įrenginiuose.
• 12 voltų nuolatinė srovė - naudojama nuolatiniams, servo ir žingsniniams varikliams.
• 24/48 voltų DC - plačiai naudojamas CNC ir 3D spausdinimo projektuose.

Projektuodami turėtumėte atsižvelgti į tai, kad loginio lygio įtampą reikia reguliuoti labai tiksliai. Pavyzdžiui, prietaisų, turinčių TTL įtampą, maitinimo įtampa turi būti nuo 4,75 iki 5,25 voltų, nes priešingu atveju dėl bet kokio įtampos nukrypimo loginiai komponentai nustos tinkamai veikti arba net sugadins jūsų komponentus.

Skirtingai nuo loginio lygio prietaisų, variklių, šviesos diodų ir kitų elektroninių komponentų maitinimo šaltinis gali labai skirtis. Be to, turite atsižvelgti į dabartinius projekto reikalavimus. Ypač varikliai gali sukelti srovės stiprio svyravimus, todėl turite suprojektuoti maitinimo šaltinį, kad jis atitiktų „blogiausią“situaciją, kai kiekvienas variklis veikia visu pajėgumu.

Įtampos reguliavimui linijiniais ir akumuliatoriniais modeliais turite naudoti skirtingus metodus, nes išsikrovus akumuliatoriui, įtampos lygis svyruos.

Kitas svarbus įtampos reguliatoriaus konstrukcijos aspektas yra efektyvumas - ypač projektuojant akumuliatorių, turite sumažinti energijos nuostolius iki minimumo.

DĖMESIO: Daugelyje šalių asmuo be licencijos negali legaliai dirbti, kai įtampa viršija 50 V. Bet kokia klaida, kurią daro bet kuris asmuo, dirbantis su mirtina įtampa, gali baigtis jų pačių ar kito asmens mirtimi. Dėl šios priežasties paaiškinsiu tik nuolatinės srovės maitinimo šaltinį, kurio įtampos lygis yra mažesnis nei 60 V DC.

2 žingsnis: Įtampos reguliatorių tipai

Yra du pagrindiniai įtampos reguliatorių tipai:

• linijiniai įtampos reguliatoriai, kurie yra labiausiai prieinami ir lengvai naudojami
• perjungimo įtampos reguliatorius, kurie yra efektyvesni už linijinius įtampos reguliatorius, tačiau yra brangesni ir reikalauja sudėtingesnės grandinės konstrukcijos.

Šioje pamokoje mes dirbsime su linijiniais įtampos reguliatoriais.

Linijinės įtampos reguliatorių elektrinės charakteristikos

Įtampos kritimas tiesiniame reguliatoriuje yra proporcingas išsklaidytai IC galiai arba, kitaip tariant, galia prarandama dėl kaitinimo efekto.

Galios išsklaidymui linijiniuose reguliatoriuose galima naudoti šią lygtį:

Galia = (VInput - VOutput) x I

Linijinis reguliatorius L7805 turi išsklaidyti bent 2 vatus, jei jis tiektų 1 A apkrovą (2 V įtampos kritimo laikas 1 A).

Didėjant įtampos skirtumui tarp įėjimo ir išėjimo įtampos - taip pat padidėja galios išsklaidymas. Pavyzdžiui, kai 7 voltų šaltinis, reguliuojamas iki 5 voltų, tiekiantis 1 amperą, išsklaidys 2 vatus per linijinį reguliatorių, 12 V nuolatinės srovės šaltinis, reguliuojamas iki 5 voltų, tiekiantis tą pačią srovę, išsklaidys 5 vatus, todėl reguliatorius bus tik 50 % efektyvus.

Kitas svarbus parametras yra „Šiluminė varža“, išreikšta ° C/W (° C vienam vatui) vienetais.

Šis parametras nurodo, kiek laipsnių mikroschema įkaista virš aplinkos oro temperatūros už kiekvieną vatą, kurį jis turi išsklaidyti. Tiesiog padauginkite apskaičiuotą galios išsklaidymą iš šiluminės varžos ir tai jums parodys, kiek tas linijinis reguliatorius įkaista esant tokiai galiai:

Galia x šiluminė varža = aukštesnė nei aplinkos temperatūra

Pavyzdžiui, 7805 reguliatoriaus šiluminė varža yra 50 ° C / vatas. Tai reiškia, kad jei jūsų reguliatorius išsisklaido:

• 1 vatas, jis įkais iki 50 ° C
• .2 vatai įkaitins 100 ° C.

PASTABA: Projekto planavimo etape pabandykite įvertinti reikiamą srovę ir iki minimumo sumažinti įtampos skirtumą. Pavyzdžiui, 78XX linijinės įtampos reguliatorius turi 2 V įtampos kritimą (min. Įėjimo įtampa yra Vin = 5 + 2 = 7 V DC), todėl galite naudoti 7, 5 arba 9 V nuolatinės srovės maitinimo šaltinį.

Efektyvumo apskaičiavimas

Atsižvelgiant į tai, kad išėjimo srovė yra lygi linijinio reguliatoriaus įėjimo srovei, gausime supaprastintą lygtį:

Efektyvumas = Vout / Vin

Pvz., Tarkime, kad įėjime yra 12 V įtampos ir reikia išvesti 5 V esant 1 A apkrovos srovei, tada linijinio reguliatoriaus efektyvumas būtų tik (5 V / 12 V) x 100 % = 41 %. Tai reiškia, kad tik 41 % įvesties galios perduodama išėjimui, o likusi galia bus prarasta kaip šiluma!

3 žingsnis: 78XX linijiniai reguliatoriai

Įtampos reguliatoriai 78XX yra trijų kontaktų įtaisai, kuriuos galima įsigyti įvairiose pakuotėse-nuo didelių galios tranzistorių paketų (T220) iki mažų ant paviršiaus montuojamų prietaisų-tai teigiami įtampos reguliatoriai. 79XX serijos yra lygiaverčiai neigiamos įtampos reguliatoriai.

78XX serijos reguliatoriai užtikrina fiksuotą reguliuojamą įtampą nuo 5 iki 24 V. Paskutiniai du IC dalies numerio skaitmenys žymi prietaiso išėjimo įtampą. Tai reiškia, kad, pavyzdžiui, 7805 yra teigiamas 5 voltų reguliatorius, 7812 - teigiamas 12 voltų reguliatorius.

Šie įtampos reguliatoriai yra tiesiai į priekį - prijunkite L8705 ir keletą elektrolitinių kondensatorių prie įvesties ir išvesties ir sukurkite paprastą įtampos reguliatorių 5 V „Arduino“projektams.

Svarbus žingsnis yra patikrinti duomenų lapus, ar nėra kištukų ir gamintojo rekomendacijų.

78XX (teigiami) reguliatoriai naudoja šiuos kontaktus:

1. INPUT nereguliuojamas nuolatinės srovės įėjimas Vin
2. NUORODA (PAGRINDAS)
3. OUTPUT reguliuojamas nuolatinės srovės išėjimas Vout

Vienas dalykas, kurį reikia atkreipti dėmesį į šių įtampos reguliatorių TO-220 korpuso versiją, yra tas, kad korpusas yra elektriškai prijungtas prie centrinio kaiščio (2 kaištis). „78XX“serijoje tai reiškia, kad korpusas yra įžemintas.

Šio tipo linijinis reguliatorius turi 2 V išėjimo įtampą, todėl esant 5 V išėjimui esant 1A, turite turėti bent 2,5 V nuolatinės srovės įtampą (ty 5V + 2,5V = 7,5 V nuolatinės srovės įvestis).

Gamintojo rekomendacijos išlyginamiesiems kondensatoriams yra CInput = 0,33 µF ir COutput = 0,1 µF, tačiau įprasta praktika yra 100 µF kondensatorius įėjime ir išėjime. Tai geras sprendimas blogiausiam atvejui, o kondensatoriai padeda susidoroti su staigūs pasiūlos svyravimai ir pereinamieji laikai.

Jei maitinimas nukris žemiau 2 V ribos, kondensatoriai stabilizuos tiekimą, kad taip neatsitiktų. Jei jūsų projekte nėra tokių pereinamųjų laikotarpių, galite paleisti pagal gamintojo rekomendacijas.

Paprasta linijinė įtampos reguliatoriaus grandinė yra tik L7805 įtampos reguliatorius ir du kondensatoriai, tačiau mes galime atnaujinti šią grandinę, kad sukurtume pažangesnį maitinimo šaltinį su tam tikru apsaugos lygiu ir vizualine indikacija.

Jei norite platinti savo projektą, tikrai siūlau pridėti tuos kelis papildomus komponentus, kad ateityje nekiltų nepatogumų klientams.

4 žingsnis: atnaujinta 7805 grandinė

Pirmiausia jungikliu galite įjungti arba išjungti grandinę.

Be to, galite įdėti diodą (D1), prijungtą atvirkštiniu poslinkiu tarp reguliatoriaus išėjimo ir įvesties. Jei apkrovoje yra induktorių arba net kondensatorių, įvesties praradimas gali sukelti atvirkštinę įtampą, kuri gali sugadinti reguliatorių. Diodas apeina bet kokias tokias sroves.

Papildomi kondensatoriai veikia kaip galutinis filtras. Jie turi atitikti išėjimo įtampą, tačiau turi būti pakankamai aukšti, kad tiktų įėjimui, kad būtų užtikrinta nedidelė saugumo riba (pvz., 16 25 V). Jie tikrai priklauso nuo jūsų tikėtinos apkrovos tipo ir gali būti palikti be nuolatinės srovės apkrovos, tačiau 100uF C1 ir C2 ir 1uF C4 (ir C3) būtų gera pradžia.

Be to, galite pridėti šviesos diodą ir atitinkamą srovę ribojantį rezistorių, kad gautumėte indikatoriaus lemputę, kuri yra labai naudinga nustatant maitinimo šaltinio gedimą; kai grandinė maitinama, šviesos diodai šviečia, kitaip ieškokite grandinės gedimų.

Dauguma įtampos reguliatorių turi apsaugines grandines, apsaugančias mikroschemas nuo perkaitimo, o jei per daug įkaista, ji sumažina išėjimo įtampą ir todėl riboja išėjimo srovę, kad prietaisas nebūtų sunaikintas karščio. Įtampos reguliatoriai TO-220 pakuotėse taip pat turi tvirtinimo angą radiatoriaus tvirtinimui, ir aš siūlau, kad jūs tikrai turėtumėte ją naudoti norėdami pritvirtinti gerą pramoninį radiatorių.

5 veiksmas: daugiau galios nuo 78XX

Dauguma 78XX reguliatorių turi tik 1 - 1,5 A. į išjungimą.

Taikant programas, kurioms reikia daugiau nei maksimali leistina reguliatoriaus srovės riba, išėjimo srovei padidinti gali būti naudojamas išorinis praėjimo tranzistorius. Paveikslėlis iš „FAIRCHILD Semiconductor“iliustruoja tokią konfigūraciją. Ši grandinė gali gaminti didesnę srovę (iki 10 A) apkrovai, tačiau vis tiek išsaugo IC reguliatoriaus šiluminį išjungimą ir apsaugą nuo trumpojo jungimo.

Gamintojas siūlo BD536 galios tranzistorių.

6 žingsnis: LDO įtampos reguliatoriai

„L7805“yra labai paprastas prietaisas, turintis santykinai didelę išėjimo įtampą.

Kai kurių linijinių įtampos reguliatorių, vadinamųjų mažo iškritimo (LDO), iškritimo įtampa yra daug mažesnė nei 2 V iš 7805. Pavyzdžiui, LM2937 arba LM2940CT-5.0 išjungimas yra 0,5 V, todėl jūsų maitinimo grandinė turi didesnį efektyvumą ir galite jį naudoti projektuose, kuriuose yra akumuliatoriaus maitinimo šaltinis.

Minimalus „Vin-Vout“skirtumas, kurį gali valdyti linijinis reguliatorius, vadinamas iškritimo įtampa. Jei skirtumas tarp „Vin“ir „Vout“nukrenta žemiau iškritimo įtampos, tada reguliatorius veikia nutraukimo režimu.

Žemo iškritimo reguliatoriai turi labai mažą įėjimo ir išėjimo įtampos skirtumą. Ypač linijinių reguliatorių LM2940CT-5.0 įtampos skirtumas gali pasiekti mažiau nei 0,5 volto, kol prietaisai „iškris“. Normaliam veikimui įėjimo įtampa turi būti 0,5 V didesnė nei išvestis.

Šie įtampos reguliatoriai turi tą patį T220 formos koeficientą kaip ir L7805 su tuo pačiu išdėstymu - įvestis kairėje, įžeminimas viduryje ir išėjimas dešinėje (žiūrint iš priekio). Dėl to galite naudoti tą pačią grandinę. Kondensatorių gamybos rekomendacijos yra CInput = 0,47 µF ir COutput = 22 µF.

Vienas esminis trūkumas yra tas, kad „mažo iškritimo“reguliatoriai, palyginti su 7805 serija, yra brangesni (net iki dešimties kartų).

7 žingsnis: reguliuojamas LM317 maitinimo šaltinis

LM317 yra teigiamas linijinis įtampos reguliatorius su kintamu išėjimu, galintis tiekti didesnę nei 1,5 A išėjimo srovę esant 1,2–37 V išėjimo įtampos diapazonui.

. Pirmosios dvi raidės žymi gamintojo pageidavimus, pvz., „LM“, reiškiantį „linijinį monolitą“. Tai yra kintamo išėjimo įtampos reguliatorius, todėl jis yra labai naudingas situacijose, kai jums reikia nestandartinės įtampos. Formatas 78xx yra teigiamas įtampos reguliatorius arba 79xx yra neigiamos įtampos reguliatorius, kur „xx“reiškia įrenginių įtampą.

Išėjimo įtampos diapazonas yra nuo 1,2 V iki 37 V ir gali būti naudojamas „Raspberry Pi“, „Arduino“arba „DC Motors Shield“maitinti. LM3XX įėjimo/išėjimo įtampos skirtumas yra toks pat kaip 78XX - įėjimas turi būti bent 2,5 V didesnis už išėjimo įtampą.

Kaip ir 78XX serijos reguliatoriai, LM317 yra trijų kontaktų įtaisas. Tačiau laidai šiek tiek skiriasi.

Pagrindinis dalykas, kurį reikia atkreipti dėmesį į „LM317“prijungimą, yra du rezistoriai R1 ir R2, kurie reguliuoja įtampą reguliatoriui; ši etaloninė įtampa lemia išėjimo įtampą. Šias rezistorių vertes galite apskaičiuoti taip:

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

IAdj paprastai yra 50 µA ir nereikšmingas daugelyje programų, o VREF yra 1,25 V - minimali išėjimo įtampa.

Jei nepaisysime IAdj, mūsų lygtis gali būti supaprastinta

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

Jei naudosime R1 240 Ω ir R2 su 1 kΩ, gausime išėjimo įtampą Vout = 1,25 (1+0/240) = 1,25 V.

Kai potenciometro rankenėlę pasuksime visiškai kita kryptimi, gausime Vout = 1,25 (1+2000/240) = 11,6 V kaip išėjimo įtampą.

Jei jums reikia didesnės išėjimo įtampos, R1 turėtumėte pakeisti 100 Ω rezistoriumi.

Grandinė paaiškino:

• R1 ir R2 reikalingi išėjimo įtampai nustatyti. CAdj rekomenduojama pagerinti pulsacijos atmetimą. Tai apsaugo nuo pulsavimo padidėjimo, nes išėjimo įtampa yra sureguliuota didesnė.
• Rekomenduojama naudoti C1, ypač jei reguliatorius nėra šalia maitinimo filtro kondensatorių. 0,1 µF arba 1 µF keramikos arba tantalo kondensatorius yra pakankamas aplenkimas daugeliui programų, ypač kai naudojami reguliavimo ir išėjimo kondensatoriai.
• C2 pagerina trumpalaikį atsaką, bet nėra reikalingas stabilumui.
• Jei naudojamas CAdj, rekomenduojama naudoti apsauginį diodą D2. Diodas užtikrina mažos varžos iškrovos kelią, neleidžiantį kondensatoriui išsikrauti į reguliatoriaus išėjimą.
• Jei naudojamas C2, rekomenduojama naudoti apsauginį diodą D1. Diodas užtikrina mažos varžos iškrovos kelią, neleidžiantį kondensatoriui išsikrauti į reguliatoriaus išėjimą.

8 žingsnis: Santrauka

Linijiniai reguliatoriai yra naudingi, jei:

• Įėjimo į išėjimo įtampą skirtumas yra mažas
• Turite mažą apkrovos srovę
• Jums reikia ypač švarios išėjimo įtampos
• Dizainas turi būti kuo paprastesnis ir pigesnis.

Todėl linijinius reguliatorius ne tik lengviau naudoti, bet jie suteikia daug švaresnę išėjimo įtampą, palyginti su perjungimo reguliatoriais, be jokio pulsavimo, šuolių ar bet kokio tipo triukšmo. Apibendrinant galima pasakyti, kad nebent galios išsklaidymas yra per didelis arba jums nereikia papildomo reguliatoriaus, geriausias pasirinkimas bus linijinis reguliatorius.