Ievads lineāro sprieguma regulatoros: 8 soļi

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:54

Pirms pieciem gadiem, kad es pirmo reizi sāku lietot Arduino un Raspberry Pi, es pārāk daudz nedomāju par barošanas avotu, šajā laikā aveņu Pi barošanas adapteris un Arduino USB padeve bija vairāk nekā pietiekami.

Bet pēc kāda laika mana zinātkāre lika man apsvērt citas barošanas metodes, un pēc vairāku projektu izveidošanas es biju spiests apsvērt dažādus un, ja iespējams, regulējamus līdzstrāvas avotus.

Jo īpaši, kad esat pabeidzis savu dizainu, jūs noteikti vēlēsities izveidot pastāvīgāku sava projekta versiju, un tāpēc jums būs jāapsver, kā to nodrošināt.

Šajā apmācībā es paskaidrošu, kā jūs varat izveidot savu lineāro barošanas avotu ar plaši izmantotiem un pieejamiem sprieguma regulatoriem IC (LM78XX, LM3XX, PSM-165 utt.). Jūs uzzināsit par to funkcionalitāti un ieviešanu saviem projektiem.

1. darbība: dizaina apsvērumi

Kopējie sprieguma līmeņi

Jūsu dizainam var būt nepieciešami vairāki standarta sprieguma līmeņi:

• 3.3 volti līdzstrāva-tas ir parasts spriegums, ko izmanto Raspberry PI un mazjaudas digitālās ierīces.
• 5 voltu līdzstrāva - tas ir standarta TTL (tranzistoru tranzistoru loģikas) spriegums, ko izmanto digitālās ierīces.
• 12 voltu līdzstrāva - izmanto līdzstrāvas, servo un pakāpju motoriem.
• 24/48 volti DC - plaši izmanto CNC un 3D drukas projektos.

Izstrādājot, jums jāņem vērā, ka loģiskā līmeņa spriegumi ir jāregulē ļoti precīzi. Piemēram, ierīcēm ar TTL spriegumu barošanas spriegumam jābūt no 4,75 līdz 5,25 voltiem, pretējā gadījumā jebkura sprieguma novirze izraisīs loģisko komponentu darbības pārtraukšanu vai pat komponentu iznīcināšanu.

Atšķirībā no loģikas līmeņa ierīcēm, motoru, gaismas diožu un citu elektronisko komponentu barošanas avots var atšķirties plašā diapazonā. Turklāt jums jāņem vērā pašreizējās projekta prasības. Īpaši motori var izraisīt pašreizējās plūsmas svārstības, un jums ir jāprojektē barošanas avots, lai tas atbilstu “sliktākajam gadījumam”, kad katrs motors darbojas ar pilnu jaudu.

Jums ir jāizmanto atšķirīga pieeja sprieguma regulēšanai līniju un akumulatoru darbināmiem modeļiem, jo akumulatora sprieguma līmenis svārstīsies, izlādējoties akumulatoram.

Vēl viens svarīgs sprieguma regulatora konstrukcijas aspekts ir efektivitāte - īpaši projektos ar akumulatoru jums jāsamazina jaudas zudumi līdz minimumam.

UZMANĪBU: Lielākajā daļā valstu persona bez licences nevar likumīgi strādāt ar spriegumu virs 50 V maiņstrāvas. Jebkura kļūda, ko pieļauj jebkura persona, kas strādā ar nāvējošu spriegumu, var izraisīt viņu pašu vai citas personas nāvi. Šī iemesla dēļ es paskaidrošu tikai līdzstrāvas barošanas bloku ar sprieguma līmeni zem 60 V DC.

2. solis: sprieguma regulatoru veidi

Ir divi galvenie sprieguma regulatoru veidi:

• lineārie sprieguma regulatori, kas ir vislētākie un vienkārši lietojami
• pārslēgšanas sprieguma regulatori, kas ir efektīvāki par lineārajiem sprieguma regulatoriem, bet ir dārgāki un tiem ir nepieciešama sarežģītāka shēmas konstrukcija.

Šajā apmācībā mēs strādāsim ar lineāriem sprieguma regulatoriem.

Lineāro sprieguma regulatoru elektriskās īpašības

Sprieguma kritums lineārajā regulatorā ir proporcionāls IC izkliedētajai jaudai vai, citiem vārdiem sakot, jauda samazinās sildīšanas efekta dēļ.

Jaudas izkliedēšanai lineārajos regulatoros var izmantot šādu vienādojumu:

Jauda = (VInput - VOutput) x I

Lineārajam regulatoram L7805 ir jāizkliedē vismaz 2 vati, ja tas nodrošina 1 A slodzi (2 V sprieguma krituma laiki 1 A).

Palielinoties sprieguma starpībai starp ieejas un izejas spriegumu, palielinās arī jaudas izkliede. Tas nozīmē, ka, piemēram, lai gan 7 voltu avots, kas noregulēts līdz 5 voltiem, nodrošina 1 amp, 2 lineārus izkliedē caur lineāro regulatoru, 12 V līdzstrāvas avots, kas noregulēts līdz 5 voltiem, piegādā to pašu strāvu, izkliedē 5 vatus, padarot regulatoru tikai par 50 % efektīvs.

Nākamais svarīgais parametrs ir “termiskā pretestība” vienībās ° C/W (° C uz vatu).

Šis parametrs norāda, cik grādu mikroshēma uzsilst virs apkārtējā gaisa temperatūras uz katru jaudas vatu, kas tai jāizkliedē. Vienkārši reiziniet aprēķināto jaudas izkliedi ar termisko pretestību, un tas jums pateiks, cik daudz šis lineārais regulators uzsilst saskaņā ar šo jaudas daudzumu:

Jauda x termiskā pretestība = temperatūra virs apkārtējās vides

Piemēram, regulatora 7805 termiskā pretestība ir 50 ° C / vati. Tas nozīmē, ka, ja jūsu regulators izkliedējas:

• 1 vats, tas uzsildīs 50 ° C
• .2 vati tas uzsildīs 100 ° C.

PIEZĪME: Projekta plānošanas posmā mēģiniet novērtēt nepieciešamo strāvu un samazināt sprieguma starpību līdz minimumam. Piemēram, 78XX lineārajam sprieguma regulatoram ir 2 V sprieguma kritums (min. Ieejas spriegums ir Vin = 5 + 2 = 7 V DC), kā rezultātā jūs varat izmantot 7, 5 vai 9 V līdzstrāvas padevi.

Efektivitātes aprēķins

Ņemot vērā, ka izejas strāva ir vienāda ar lineārā regulatora ieejas strāvu, mēs iegūsim vienkāršotu vienādojumu:

Efektivitāte = Vout / Vin

Piemēram, pieņemsim, ka jums ir 12 V ieejas un jums ir jāizvada 5 V pie 1 A slodzes strāvas, tad lineārā regulatora efektivitāte būtu tikai (5 V / 12 V) x 100 % = 41 %. Tas nozīmē, ka tikai 41 % no ieejas jaudas tiek nodota izejai, un atlikušā jauda tiks zaudēta kā siltums!

3. solis: 78XX lineārie regulatori

Sprieguma regulatori 78XX ir 3 kontaktu ierīces, kas pieejamas vairākos iepakojumos, sākot no lieljaudas tranzistoru komplektiem (T220) līdz sīkām virsmas montāžas ierīcēm, un tie ir pozitīva sprieguma regulatori. 79XX sērija ir līdzvērtīgi negatīvā sprieguma regulatori.

Regulatoru sērija 78XX nodrošina fiksētu regulējamu spriegumu no 5 līdz 24 V. Pēdējie divi IC daļas numura cipari apzīmē ierīces izejas spriegumu. Tas nozīmē, ka, piemēram, 7805 ir pozitīvs 5 voltu regulators, 7812 ir pozitīvs 12 voltu regulators.

Šie sprieguma regulatori ir taisni uz priekšu - pievienojiet L8705 un pāris elektrolītiskos kondensatorus ieejai un izejai, un jūs izveidojat vienkāršu sprieguma regulatoru 5 V Arduino projektiem.

Svarīgs solis ir pārbaudīt datu lapas, lai atrastu kontaktus un ražotāja ieteikumus.

78XX (pozitīvie) regulatori izmanto šādus kontaktus:

1. INPUT neregulēta līdzstrāvas ieeja Vin
2. ATSAUCE (ZEMĒTA)
3. OUTPUT -regulēta līdzstrāvas izeja Vout

Viena lieta, kas jāņem vērā par šo sprieguma regulatoru TO-220 korpusa versiju, ir tā, ka korpuss ir elektriski savienots ar centrālo tapu (2. tapa). Sērijā 78XX tas nozīmē, ka korpuss ir iezemēts.

Šim lineārā regulatora tipam ir 2 V pārtraukšanas spriegums, kā rezultātā ar 5 V izeju pie 1 A jums ir jābūt vismaz 2,5 V līdzstrāvas galvas spriegumam (t.i., 5 V + 2,5 V = 7,5 V līdzstrāvas ieeja).

Ražotāja ieteikumi izlīdzināšanas kondensatoriem ir CInput = 0,33 µF un COutput = 0,1 µF, bet vispārējā prakse ir 100 µF kondensators ieejai un izejai. Tas ir labs risinājums sliktākajā gadījumā, un kondensatori palīdz tikt galā ar pēkšņas piedāvājuma svārstības un pārejas.

Gadījumā, ja padeve nokrītas zem 2 V sliekšņa, kondensatori stabilizē piegādi, lai tas nenotiktu. Ja jūsu projektam nav šādu pāreju, varat izmantot ražotāja ieteikumus.

Vienkārša lineārā sprieguma regulatora ķēde ir tikai L7805 sprieguma regulators un divi kondensatori, taču mēs varam uzlabot šo ķēdi, lai izveidotu modernāku barošanas avotu ar zināmu aizsardzības līmeni un vizuālu norādi.

Ja vēlaties izplatīt savu projektu, es noteikti ieteikšu pievienot šīs dažas papildu sastāvdaļas, lai nākotnē neradītu neērtības klientiem.

4. solis: jaunināta ķēde 7805

Vispirms varat izmantot slēdzi, lai ieslēgtu vai izslēgtu ķēdi.

Turklāt starp regulatora izeju un ieeju var ievietot diodi (D1), kas ir savienota ar pretēju novirzi. Ja slodzē ir induktori vai pat kondensatori, ievades zudums var izraisīt pretēju spriegumu, kas var iznīcināt regulatoru. Diodes apiet visas šādas strāvas.

Papildu kondensatori darbojas kā sava veida gala filtrs. Tiem jābūt ar spriegumu, kas atbilst izejas spriegumam, bet tiem jābūt pietiekami augstiem, lai tie atbilstu ieejai, lai nodrošinātu nelielu drošības rezervi (piemēram, 16 25 V). Tie patiešām ir atkarīgi no paredzamās slodzes veida, un tos var izlaist tīrai līdzstrāvas slodzei, bet 100uF C1 un C2 un 1uF C4 (un C3) būtu labs sākums.

Turklāt jūs varat pievienot gaismas diodi un atbilstošu strāvas ierobežošanas rezistoru, lai nodrošinātu indikatora gaismu, kas ir ļoti noderīga barošanas avota atteices noteikšanai; kad ķēde ir darbināta, LED gaismas ir ieslēgtas, pretējā gadījumā meklējiet ķēdes kļūmes.

Lielākajai daļai sprieguma regulatoru ir aizsardzības shēmas, kas aizsargā mikroshēmas no pārkaršanas, un, ja tas kļūst pārāk karsts, tas pazemina izejas spriegumu un tāpēc ierobežo izejas strāvu, lai ierīce netiktu iznīcināta siltuma dēļ. Sprieguma regulatoriem TO-220 iepakojumos ir arī montāžas atvere radiatora stiprinājumam, un es ieteikšu to noteikti izmantot, lai piestiprinātu labu rūpniecisko radiatoru.

5. solis: vairāk jaudas no 78XX

Lielākā daļa no 78XX regulatoriem ir ierobežota ar izejas strāvu 1 - 1,5 A. Ja IC regulatora izejas strāva pārsniedz maksimālo pieļaujamo robežu, tā iekšējais caurlaidības tranzistors izkliedēs enerģijas daudzumu vairāk, nekā tas var paciest, kā rezultātā uz izslēgšanu.

Lietojumiem, kuriem nepieciešams vairāk nekā regulatora maksimālā pieļaujamā strāvas robeža, izejas strāvas palielināšanai var izmantot ārēju caurlaidības tranzistoru. FAIRCHILD pusvadītāju attēls ilustrē šādu konfigurāciju. Šī ķēde spēj radīt lielāku strāvu (līdz 10 A) slodzei, bet tomēr saglabā IC regulatora termisko izslēgšanos un aizsardzību pret īssavienojumu.

Ražotājs iesaka jaudas tranzistoru BD536.

6. solis: LDO sprieguma regulatori

L7805 ir ļoti vienkārša ierīce ar relatīvi augstu pārtraukšanas spriegumu.

Dažiem lineāriem sprieguma regulatoriem, tā sauktajiem zema izkrišanas (LDO), pārtraukšanas spriegums ir daudz mazāks nekā 2 V no 7805. Piemēram, LM2937 vai LM2940CT-5.0 ir 0,5 V pārtraukums, kā rezultātā jūsu barošanas ķēde ir augstāka efektivitāte, un jūs varat to izmantot projektos ar akumulatora barošanu.

Minimālo Vin-Vout diferenciāli, ko var darbināt lineārais regulators, sauc par pārtraukšanas spriegumu. Ja atšķirība starp Vin un Vout nokrīt zem izslēgšanas sprieguma, tad regulators ir izslēgšanas režīmā.

Zema izlaišanas regulatoriem ir ļoti maza atšķirība starp ieejas un izejas spriegumu. Jo īpaši lineāro regulatoru LM2940CT-5.0 sprieguma starpība var sasniegt mazāk nekā 0,5 voltus, pirms ierīces “izkrīt”. Normālai darbībai ieejas spriegumam jābūt par 0,5 V augstākam par izeju.

Šiem sprieguma regulatoriem ir tāds pats T220 formas koeficients kā L7805 ar tādu pašu izkārtojumu - ievade pa kreisi, zeme vidū un izeja labajā pusē (skatoties no priekšpuses). Tā rezultātā jūs varat izmantot to pašu ķēdi. Ražošanas ieteikumi kondensatoriem ir CInput = 0,47 µF un COutput = 22 µF.

Viens būtisks trūkums ir tas, ka “zema izlaišanas” regulatori ir dārgāki (pat līdz desmit reizēm) salīdzinājumā ar 7805 sēriju.

7. darbība: regulēts LM317 barošanas avots

LM317 ir pozitīvs lineāra sprieguma regulators ar mainīgu jaudu, kas spēj piegādāt izejas strāvu, kas lielāka par 1,5 A, izejas sprieguma diapazonā no 1,2 līdz 37 V.

. Pirmie divi burti apzīmē ražotāja vēlmes, piemēram, “LM”, kas apzīmē “lineāru monolītu”. Tas ir sprieguma regulators ar mainīgu izeju, tāpēc tas ir ļoti noderīgs situācijās, kad nepieciešams nestandarta spriegums. Formāts 78xx ir pozitīvs sprieguma regulators vai 79xx ir negatīvs sprieguma regulators, kur “xx” apzīmē ierīču spriegumu.

Izejas sprieguma diapazons ir no 1,2 V līdz 37 V, un to var izmantot, lai darbinātu Raspberry Pi, Arduino vai DC Motors Shield. LM3XX ir tāda pati ieejas/izejas sprieguma atšķirība kā 78XX - ieejai jābūt vismaz 2,5 V virs izejas sprieguma.

Tāpat kā 78XX regulatoru sērijā, LM317 ir trīs kontaktu ierīce. Bet elektroinstalācija ir nedaudz atšķirīga.

Galvenais, kas jāpievērš uzmanība LM317 savienojumam, ir divi rezistori R1 un R2, kas regulatoram nodrošina atsauces spriegumu; šis atsauces spriegums nosaka izejas spriegumu. Šīs rezistoru vērtības var aprēķināt šādi:

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

IAdj parasti ir 50 µA un lielākajā daļā lietojumu ir niecīgs, un VREF ir 1,25 V - minimālais izejas spriegums.

Ja mēs ignorējam IAdj, mūsu vienādojumu var vienkāršot līdz

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

Ja mēs izmantosim R1 240 Ω un R2 ar 1 kΩ, tad mēs iegūsim izejas spriegumu Vout = 1,25 (1+0/240) = 1,25 V.

Kad potenciometra pogu pilnībā pagriezīsim citā virzienā, mēs saņemsim Vout = 1,25 (1+2000/240) = 11,6 V kā izejas spriegumu.

Ja jums ir nepieciešams lielāks izejas spriegums, R1 jāaizstāj ar 100 Ω rezistoru.

Ķēde paskaidroja:

• R1 un R2 ir nepieciešami, lai iestatītu izejas spriegumu. Lai uzlabotu pulsācijas noraidīšanu, ieteicams izmantot CAdj. Tas novērš pulsācijas pastiprināšanos, jo izejas spriegums ir noregulēts augstāk.
• Ieteicams izmantot C1, īpaši, ja regulators neatrodas strāvas padeves filtra kondensatoru tuvumā. 0,1 µF vai 1 µF keramikas vai tantala kondensators nodrošina pietiekamu apiešanu lielākajai daļai lietojumu, it īpaši, ja tiek izmantoti regulēšanas un izejas kondensatori.
• C2 uzlabo pārejošu reakciju, bet nav vajadzīgs stabilitātei.
• Aizsardzības diode D2 ir ieteicama, ja tiek izmantots CAdj. Diods nodrošina zemas pretestības izlādes ceļu, lai novērstu kondensatora izlādi regulatora izejā.
• Aizsardzības diode D1 ir ieteicama, ja tiek izmantota C2. Diods nodrošina zemas pretestības izlādes ceļu, lai novērstu kondensatora izlādi regulatora izejā.

8. darbība. Kopsavilkums

Lineārie regulatori ir noderīgi, ja:

• Ieejas un izejas sprieguma starpība ir maza
• Jums ir zema slodzes strāva
• Jums ir nepieciešams ļoti tīrs izejas spriegums
• Jums ir jāsaglabā dizains pēc iespējas vienkāršāk un lētāk.

Tāpēc lineāros regulatorus ir ne tikai vieglāk izmantot, bet tie nodrošina daudz tīrāku izejas spriegumu salīdzinājumā ar pārslēgšanas regulatoriem, bez pulsācijas, tapām vai jebkāda veida trokšņa. Rezumējot, ja vien jaudas izkliede nav pārāk liela vai jums nav nepieciešams pastiprinātājs, jūsu labākais risinājums būs lineārais regulators.