Úvod do lineárnych regulátorov napätia: 8 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:57

Pred piatimi rokmi, keď som prvýkrát začínal s Arduino a Raspberry Pi, som príliš nemyslel na napájanie, v tejto dobe bol napájací adaptér z malinového Pi a USB napájanie Arduina viac než dosť.

Ale po nejakom čase ma moja zvedavosť prinútila zvážiť iné spôsoby napájania a po vytvorení ďalších projektov som bol nútený uvažovať o rôznych a pokiaľ možno nastaviteľných zdrojoch jednosmerného prúdu.

Zvlášť, keď dokončíte svoj návrh, budete určite chcieť vytvoriť trvalejšiu verziu svojho projektu, a preto budete musieť zvážiť, ako ho dodať.

V tomto návode vám vysvetlím, ako si môžete vytvoriť vlastný lineárny napájací zdroj s široko používanými a cenovo dostupnými regulátormi napätia IC (LM78XX, LM3XX, PSM-165 atď.). Dozviete sa o ich funkčnosti a implementácii pre vlastné projekty.

Krok 1: Úvahy o dizajne

Spoločné úrovne napätia

Váš návrh môže vyžadovať niekoľko štandardných úrovní napätia:

• 3,3 voltov DC-Toto je bežné napätie, ktoré používa Raspberry PI a nízkoenergetické digitálne zariadenia.
• 5 voltov DC - Toto je štandardné napätie TTL (tranzistorová tranzistorová logika) používané digitálnymi zariadeniami.
• 12 V DC - používa sa pre jednosmerné, servo a krokové motory.
• 24/48 voltov DC - široko používané v projektoch CNC a 3D tlače.

Pri návrhu by ste mali zvážiť, že napätia na logickej úrovni je potrebné veľmi presne regulovať. Napríklad pre zariadenia s napätím TTL musí byť napájacie napätie medzi 4,75 a 5,25 voltov, inak akákoľvek odchýlka napätia spôsobí, že logické komponenty prestanú správne fungovať alebo dokonca zničia vaše súčasti.

Na rozdiel od zariadení s logickou úrovňou sa napájanie motorov, diód LED a ďalších elektronických komponentov môže v širokom rozsahu líšiť. Okrem toho musíte zvážiť aktuálne požiadavky projektu. Zvlášť motory môžu spôsobiť kolísanie odberu prúdu a musíte navrhnúť napájací zdroj tak, aby vyhovoval situácii „najhoršieho prípadu“, kedy je každý motor prevádzkovaný na plný výkon.

Pri konštrukciách napájaných zo siete a napájaných z batérie musíte použiť iný prístup k regulácii napätia, pretože úrovne napätia batérie budú pri vybíjaní batérie kolísať.

Ďalším dôležitým aspektom konštrukcie regulátora napätia je účinnosť - najmä v projektoch napájaných batériami musíte znížiť straty energie na minimum.

POZOR: Vo väčšine krajín nemôže osoba legálne pracovať s napätím nad 50 V AC bez licencie. Akákoľvek chyba, ktorej sa dopustí ktorákoľvek osoba pracujúca so smrtiacim napätím, môže viesť k smrti vlastnej alebo inej osoby. Z tohto dôvodu vysvetlím iba budovanie zdroja jednosmerného prúdu s napätím pod 60 V DC.

Krok 2: Typy regulátorov napätia

Existujú dva hlavné typy regulátorov napätia:

• lineárne regulátory napätia, ktoré sú cenovo najdostupnejšie a najľahšie sa používajú
• spínacie regulátory napätia, ktoré sú účinnejšie ako lineárne regulátory napätia, ale sú drahšie a vyžadujú zložitejšiu konštrukciu obvodu.

V tomto návode budeme pracovať s lineárnymi regulátormi napätia.

Elektrické charakteristiky lineárnych regulátorov napätia

Pokles napätia v lineárnom regulátore je úmerný rozptýlenému výkonu integrovaného obvodu, alebo inými slovami, výkon klesá v dôsledku účinku zahrievania.

Na rozptýlenie výkonu v lineárnych regulátoroch je možné použiť nasledujúcu rovnicu:

Výkon = (VInput - VOutput) x I

Lineárny regulátor L7805 musí rozptýliť najmenej 2 watty, ak by dodával záťaž 1 A (pokles napätia 2 V krát 1 A).

So zvyšovaním rozdielu napätia medzi vstupným a výstupným napätím sa zvyšuje aj stratový výkon. Znamená to napríklad, že zatiaľ čo 7 voltový zdroj regulovaný na 5 voltov dodávajúci 1 zosilňovač by rozptýlil 2 watty lineárnym regulátorom, zdroj 12 V DC regulovaný na 5 voltov dodávajúci rovnaký prúd by rozptýlil 5 wattov, čím by regulátor dosiahol iba 50 %. efektívne.

Ďalším dôležitým parametrom je „tepelný odpor“v jednotkách ° C/W (° C na Watt).

Tento parameter udáva počet stupňov, v ktorých sa čip zahreje nad teplotu okolitého vzduchu, na každý watt energie, ktorý musí rozptýliť. Jednoducho vypočítaný stratový výkon vynásobte tepelným odporom a ten vám povie, ako veľmi sa tento lineárny regulátor zahreje pri takom množstve energie:

Výkon x tepelný odpor = teplota vyššia ako okolitá teplota

Napríklad regulátor 7805 má tepelný odpor 50 ° C / Watt. To znamená, že ak váš regulátor rozptýli:

• 1 watt, zahreje sa na 50 ° C
• , 2 watty sa zahreje na 100 ° C.

POZNÁMKA: Počas fázy plánovania projektu sa pokúste odhadnúť požadovaný prúd a znížiť rozdiel napätia na minimum. Napríklad lineárny regulátor napätia 78XX má pokles napätia 2 V (min. Vstupné napätie je Vin = 5 + 2 = 7 V DC), v dôsledku čoho môžete použiť napájanie 7, 5 alebo 9 V DC.

Výpočet účinnosti

Ak vezmeme do úvahy, že výstupný prúd sa rovná vstupnému prúdu pre lineárny regulátor, dostaneme zjednodušenú rovnicu:

Účinnosť = Vout / Vin

Povedzme napríklad, že máte na vstupe 12 V a potrebujete vydávať 5 V pri 1 A zaťažovacieho prúdu, potom by účinnosť lineárneho regulátora bola iba (5 V / 12 V) x 100 % = 41 %. To znamená, že iba 41 % energie zo vstupu sa prenesie na výstup a zvyšný výkon sa stratí ako teplo!

Krok 3: Lineárne regulátory 78XX

Regulátory napätia 78XX sú 3-kolíkové zariadenia dostupné v mnohých rôznych balíkoch, od veľkých výkonových tranzistorových balíkov (T220) po malé zariadenia pre povrchovú montáž je to pozitívny regulátor napätia. Série 79XX sú ekvivalentné regulátory záporného napätia.

Séria regulátorov 78XX poskytuje pevné regulované napätie od 5 do 24 V. Posledné dve číslice čísla dielu IC označujú výstupné napätie zariadenia. To znamená, že napríklad 7805 je kladný 5 voltový regulátor, 7812 je kladný 12 voltový regulátor.

Tieto regulátory napätia sú priame - pripojte L8705 a niekoľko elektrolytických kondenzátorov k vstupu a výstupu a postavíte jednoduchý regulátor napätia pre 5 V projekty Arduino.

Dôležitým krokom je skontrolovať v údajových listoch výstupy a odporúčania výrobcu.

Regulátory 78XX (pozitívne) používajú nasledujúce vývody:

1. VSTUP-neregulovaný vstup DC Vin
2. REFERENCIA (ZEMNÁ)
3. VÝSTUP -regulovaný DC výstup Vout

Jedna vec, ktorú je potrebné poznamenať o verzii týchto regulátorov napätia TO-220, je, že puzdro je elektricky spojené so stredovým kolíkom (kolík 2). Na sérii 78XX to znamená, že prípad je uzemnený.

Tento typ lineárneho regulátora má výpadok napätia 2 V, v dôsledku čoho pri výstupe 5 V pri 1 A musíte mať napätie hlavy najmenej 2,5 V (t.j. vstup 5 V + 2,5 V = 7,5 V DC).

Odporúčania výrobcu pre vyhladzovacie kondenzátory sú CInput = 0,33 µF a COutput = 0,1 µF, ale bežnou praxou je kondenzátor 100 µF na vstupe a výstupe. Je to dobré riešenie pre najhorší scenár a kondenzátory pomáhajú vyrovnať sa s náhle výkyvy a prechodné stavy v ponuke.

V prípade, že napájanie klesne pod prahovú hodnotu 2 V, kondenzátory stabilizujú napájanie, aby sa tak nestalo. Ak váš projekt nemá také prechodné obdobia, môžete bežať podľa odporúčaní výrobcu.

Jednoduchý lineárny obvod regulátora napätia je iba regulátor napätia L7805 a dva kondenzátory, ale tento obvod môžeme upgradovať, aby sme vytvorili pokročilejšie napájanie s určitou úrovňou ochrany a vizuálnej indikácie.

Ak by ste chceli distribuovať svoj projekt, určite navrhnem pridať týchto niekoľko ďalších komponentov, aby sa predišlo budúcim nepríjemnostiam so zákazníkmi.

Krok 4: Aktualizovaný obvod 7805

Spínač môžete najskôr použiť na zapnutie alebo vypnutie obvodu.

Okrem toho môžete medzi výstup a vstup regulátora umiestniť diódu (D1) zapojenú v opačnom smere. Ak sú v záťaži induktory alebo dokonca kondenzátory, strata vstupu môže spôsobiť spätné napätie, ktoré môže zničiť regulátor. Dióda obchádza všetky takéto prúdy.

Dodatočné kondenzátory fungujú ako druh konečného filtra. Musia byť dimenzované na výstupné napätie, ale mali by byť dostatočne vysoké, aby vyhovovali vstupu s malým bezpečnostným rozpätím (napr. 16 25 V). Skutočne závisia od typu zaťaženia, ktoré očakávate, a môžu byť vynechané pre čisté jednosmerné zaťaženie, ale 100 uF pre C1 a C2 a 1 uF pre C4 (a C3) by bolo dobrým začiatkom.

Okrem toho môžete pridať diódu LED a príslušný odpor obmedzujúci prúd a vytvoriť tak kontrolku, ktorá je veľmi užitočná pri detekcii zlyhania napájania; keď je obvod napájaný, LED diódy sú ZAPNUTÉ, inak hľadajte nejaké poruchy vo vašom obvode.

Väčšina regulátorov napätia má ochranný obvod, ktorý chráni čipy pred prehriatím a ak sa príliš zahreje, zníži výstupné napätie, a preto obmedzí výstupný prúd, aby sa zariadenie nezničilo teplom. Regulátory napätia v puzdrách TO-220 majú tiež montážny otvor na uchytenie chladiča a navrhnem, aby ste ho rozhodne použili na pripevnenie dobrého priemyselného chladiča.

Krok 5: Väčší výkon od 78XX

Väčšina regulátorov 78XX je obmedzená na výstupný prúd 1 - 1,5 A. Ak výstupný prúd regulátora IC prekročí maximálnu povolenú hranicu, jeho tranzistor s vnútorným priechodom rozptýli množstvo energie viac, ako môže tolerovať, čo povedie k do odstávky.

V aplikáciách, ktoré vyžadujú viac ako maximálny povolený prúdový limit regulátora, je možné na zvýšenie výstupného prúdu použiť externý priechodný tranzistor. Takúto konfiguráciu ukazuje obrázok z FAIRCHILD Semiconductor. Tento obvod má schopnosť produkovať vyšší prúd (až 10 A) pre záťaž, ale stále zachováva tepelné vypnutie a ochranu proti skratu IC regulátora.

Výkonový tranzistor BD536 navrhuje výrobca.

Krok 6: Regulátory napätia LDO

L7805 je veľmi jednoduché zariadenie s relatívne vysokým výpadkom napätia.

Niektoré lineárne regulátory napätia, takzvané low-dropout (LDO), majú oveľa menšie výpadkové napätie ako 2V na 7805. Napríklad LM2937 alebo LM2940CT-5.0 má výpadok 0,5V, v dôsledku čoho bude váš napájací obvod majú vyššiu účinnosť a môžete ho použiť v projektoch s napájaním z batérie.

Minimálny diferenciál Vin-Vout, ktorý môže lineárny regulátor ovládať, sa nazýva výpadok napätia. Ak rozdiel medzi Vin a Vout klesne pod výpadkové napätie, potom je regulátor v režime prerušenia.

Regulátory s nízkym výpadkom majú veľmi nízky rozdiel medzi vstupným a výstupným napätím. Zvlášť rozdiel v napätí lineárnych regulátorov LM2940CT-5.0 môže dosiahnuť menej ako 0,5 V predtým, ako zariadenia „vypadnú“. Pre normálnu prevádzku by malo byť vstupné napätie o 0,5 V vyššie ako výstup.

Tieto regulátory napätia majú rovnaký tvarový faktor T220 ako L7805 s rovnakým rozložením - vstup vľavo, zem v strede a výstup vpravo (pri pohľade spredu). V dôsledku toho môžete použiť rovnaký obvod. Výrobné odporúčania pre kondenzátory sú CInput = 0,47 µF a COutput = 22 µF.

Jednou z veľkých nevýhod je, že regulátory s „nízkym výpadkom“sú v porovnaní so sériou 7805 drahšie (dokonca až desaťkrát).

Krok 7: Regulovaný zdroj LM317

LM317 je pozitívny lineárny regulátor napätia s premenlivým výstupom a je schopný dodávať výstupný prúd viac ako 1,5 A v rozsahu výstupného napätia 1,2–37 V.

. Prvé dve písmená označujú preferencie výrobcu, ako napríklad „LM“, čo znamená „lineárny monolitický“. Je to regulátor napätia s premenlivým výstupom, a preto je veľmi užitočný v situáciách, keď potrebujete neštandardné napätie. Formát 78xx je kladný regulátor napätia alebo 79xx regulátor záporného napätia, kde „xx“predstavuje napätie zariadení.

Rozsah výstupného napätia je medzi 1,2 V a 37 V a je možné ho použiť na napájanie štítu Raspberry Pi, Arduino alebo DC Motors Shield. LM3XX má rovnaký rozdiel vstupného/výstupného napätia ako 78XX - vstup musí byť najmenej 2,5 V nad výstupným napätím.

Rovnako ako pre rad regulátorov 78XX je LM317 trojpólové zariadenie. Elektroinštalácia je však trochu odlišná.

Hlavnú vec, ktorú je potrebné poznamenať o pripojení LM317, sú dva odpory R1 a R2, ktoré poskytujú referenčné napätie regulátoru; toto referenčné napätie určuje výstupné napätie. Tieto hodnoty odporu môžete vypočítať nasledovne:

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

IAdj je typicky 50 µA a vo väčšine aplikácií je zanedbateľné a VREF je 1,25 V - minimálne výstupné napätie.

Ak zanedbáme IAdj, potom môže byť naša rovnica zjednodušená na

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

Ak použijeme R1 240 Ω a R2 s 1 kΩ, potom dostaneme výstupné napätie Vout = 1,25 (1+0/240) = 1,25 V.

Keď otočíme gombík potenciometra úplne v inom smere, dostaneme Vout = 1,25 (1+2000/240) = 11,6 V ako výstupné napätie.

Ak potrebujete vyššie výstupné napätie, mali by ste nahradiť R1 odporom 100 Ω.

Okruh vysvetlil:

• Na nastavenie výstupného napätia sú potrebné R1 a R2. Na zlepšenie odmietnutia zvlnenia sa odporúča použiť CAdj. Zabraňuje zosilneniu zvlnenia, pretože výstupné napätie je nastavené vyššie.
• Odporúča sa C1, najmä ak regulátor nie je v tesnej blízkosti filtračných kondenzátorov napájacieho zdroja. Keramický alebo tantalový kondenzátor 0,1 µF alebo 1 µF poskytuje dostatočné obchádzanie pre väčšinu aplikácií, najmä ak sa používajú nastavovacie a výstupné kondenzátory.
• C2 zlepšuje prechodnú odozvu, ale nie je potrebný na stabilitu.
• Ak sa používa CAdj, odporúča sa ochranná dióda D2. Dióda poskytuje vybíjaciu cestu s nízkou impedanciou, aby sa zabránilo vybíjaniu kondenzátora do výstupu regulátora.
• Ak sa používa C2, odporúča sa ochranná dióda D1. Dióda poskytuje vybíjaciu cestu s nízkou impedanciou, aby sa zabránilo vybíjaniu kondenzátora do výstupu regulátora.

Krok 8: Zhrnutie

Lineárne regulátory sú užitočné, ak:

• Rozdiel vstupného a výstupného napätia je malý
• Máte nízky zaťažovací prúd
• Potrebujete extrémne čisté výstupné napätie
• Je potrebné, aby bol dizajn čo najjednoduchší a najlacnejší.

Lineárne regulátory sa preto nielenže jednoduchšie používajú, ale poskytujú oveľa čistejšie výstupné napätie v porovnaní so spínacími regulátormi bez zvlnenia, hrotov alebo šumu akéhokoľvek druhu. Stručne povedané, pokiaľ nie je stratový výkon príliš vysoký alebo nepotrebujete posilňovací regulátor, bude vašou najlepšou voľbou lineárny regulátor.