Sissejuhatus lineaarsetesse pingeregulaatoritesse: 8 sammu

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:47

Viis aastat tagasi, kui alustasin esimest korda Arduino ja Raspberry Pi -ga, ei mõelnud ma toiteallikale liiga palju, sel ajal oli vaarika Pi toiteadapter ja Arduino USB -toide enam kui piisav.

Kuid mõne aja pärast sundis mu uudishimu mind kaaluma teisi toiteallikaid ja pärast uute projektide loomist olin sunnitud kaaluma erinevaid ja võimaluse korral reguleeritavaid alalisvooluallikaid.

Eriti kui olete oma disaini lõpetanud, soovite kindlasti luua oma projektist püsivama versiooni ja selleks peate kaaluma, kuidas sellele energiat anda.

Selles õpetuses selgitan, kuidas saate luua oma lineaarse toiteallika laialdaselt kasutatavate ja taskukohaste pingeregulaatoritega IC (LM78XX, LM3XX, PSM-165 jne). Saate teada nende funktsionaalsusest ja rakendamisest oma projektide jaoks.

Samm: disaini kaalutlused

Tavalised pingetasemed

Teie disain võib nõuda mitut standardpingetaset:

• 3,3 volti alalisvoolu-see on tavaline pinge, mida kasutavad Raspberry PI ja väikese võimsusega digitaalsed seadmed.
• 5 volti alalisvoolu - see on standardne TTL (transistor Transistor Logic) pinge, mida kasutavad digitaalsed seadmed.
• 12 volti alalisvoolu - kasutatakse alalis-, servo- ja samm -mootorite jaoks.
• 24/48 volti alalisvool - kasutatakse laialdaselt CNC- ja 3D -printimisprojektides.

Peaksite oma projekteerimisel arvestama, et loogilise taseme pingeid tuleb reguleerida väga täpselt. Näiteks TTL -pingega seadmete puhul peab toitepinge olema vahemikus 4,75–5,25 volti, vastasel juhul põhjustab igasugune pinge kõrvalekalle loogikakomponentide korrektse töötamise või isegi hävitab teie komponendid.

Vastupidiselt loogikataseme seadmetele võib mootorite, valgusdioodide ja muude elektroonikakomponentide toiteallikas laias vahemikus kõrvale kalduda. Lisaks peate arvestama projekti praeguste nõuetega. Eelkõige võivad mootorid põhjustada vooluhulga kõikumist ja peate oma toiteallika kavandama nii, et see vastaks halvimale olukorrale, kus iga mootor töötab täisvõimsusel.

Liinitoitel ja patareidel töötavate konstruktsioonide pinge reguleerimiseks peate kasutama erinevat lähenemisviisi, kuna aku pingetase muutub aku tühjenedes.

Pingeregulaatori konstruktsiooni teine oluline aspekt on tõhusus - eriti akutoitel töötavate projektide puhul peate vähendama energiakadusid miinimumini.

TÄHELEPANU: Enamikus riikides ei saa inimene ilma litsentsita seaduslikult töötada pingega üle 50 V. Iga viga, mille on teinud surmava pingega töötav isik, võib viia tema enda või mõne teise inimese surmani. Sel põhjusel selgitan ainult alalisvoolu toiteallikat, mille pingetase on alla 60 V DC.

2. etapp: pingeregulaatorite tüübid

Pingeregulaatoreid on kahte tüüpi:

• lineaarsed pingeregulaatorid, mis on kõige taskukohasemad ja lihtsamini kasutatavad
• lülituspinge regulaatorid, mis on tõhusamad kui lineaarsed pingeregulaatorid, kuid kallimad ja vajavad keerukamat vooluahela konstruktsiooni.

Selles õpetuses töötame lineaarsete pingeregulaatoritega.

Lineaarsete pingeregulaatorite elektrilised omadused

Pingelangus lineaarses regulaatoris on proportsionaalne IC hajutatud võimsusega või teisisõnu kaotab võimsus kütteefekti tõttu.

Võimsuse hajumiseks lineaarsetes regulaatorites saab kasutada järgmist võrrandit:

Võimsus = (VInput - VOutput) x I

Lineaarne regulaator L7805 peab hajutama vähemalt 2 vatti, kui see annaks 1 A koormuse (2 V pingelanguse aeg 1 A).

Kui suureneb pinge erinevus sisend- ja väljundpinge vahel - suureneb ka võimsuse hajumine. See tähendab, et näiteks kui 7 -voldine allikas, mis on reguleeritud 5 -voldisele võimsusele, annab 1 amprit, hajutab lineaarse regulaatori kaudu 2 vatti, siis 12 -voldine alalisvooluallikas, mis on reguleeritud 5 -voldisele samale voolule, hajutab 5 vatti, muutes regulaatori ainult 50 % tõhus.

Järgmine oluline parameeter on termiline takistus ühikutes ° C/W (° C vati kohta).

See parameeter näitab, mitu kraadi kiip kuumeneb ümbritseva õhu temperatuurist kõrgemale, iga vatti kohta, mille see peab hajutama. Lihtsalt korrutage arvutatud võimsuse hajumine termilise takistusega ja see näitab teile, kui palju see lineaarne regulaator selle võimsuse all soojeneb:

Võimsus x soojustakistus = ümbritseva keskkonna temperatuur

Näiteks regulaatori 7805 soojustakistus on 50 ° C / vatt. See tähendab, et kui teie regulaator hajub:

• 1 vatti, see soojendab 50 ° C
• .2 vatti kuumeneb 100 ° C.

MÄRKUS: Projektide kavandamise etapis proovige hinnata vajalikku voolu ja vähendada pingeerinevust miinimumini. Näiteks 78XX lineaarsel pingeregulaatoril on 2 V pingelangus (min. Sisendpinge on Vin = 5 + 2 = 7 V DC), mille tulemusena saate kasutada 7, 5 või 9 V alalisvoolu toiteallikat.

Tõhususe arvutamine

Arvestades, et väljundvool on võrdne lineaarse regulaatori sisendvooluga, saame lihtsustatud võrrandi:

Tõhusus = Vout / Vin

Oletame näiteks, et teie sisendil on 12 V ja peate väljastama 5 V koormusvoolu 1 A juures, siis oleks lineaarse regulaatori kasutegur ainult (5 V / 12 V) x 100 % = 41 %. See tähendab, et ainult 41 % sisendvõimsusest kantakse väljundisse ja ülejäänud võimsus läheb soojusena kaduma!

Samm: 78XX lineaarsed regulaatorid

78XX pingeregulaatorid on 3-kontaktilised seadmed, mis on saadaval paljudes erinevates pakettides, alates võimsatest transistoripakettidest (T220) kuni väikeste pindpaigaldusseadmeteni-see on positiivse pinge regulaator. 79XX seeria on samaväärsed negatiivse pinge regulaatorid.

78XX seeria regulaatorid pakuvad fikseeritud reguleeritud pinget vahemikus 5 kuni 24 V. IC osa numbri kaks viimast numbrit tähistavad seadme väljundpinget. See tähendab, et näiteks 7805 on positiivne 5 -voldine regulaator, 7812 on positiivne 12 -voldine regulaator.

Need pingeregulaatorid on otse edasi - ühendage L8705 ja paar elektrolüütilist kondensaatorit kogu sisendi ja väljundiga ning ehitate lihtsa pingeregulaatori 5 V Arduino projektidele.

Oluline samm on kontrollida andmelehtedelt pistikute ja tootja soovituste kohta.

78XX (positiivsed) regulaatorid kasutavad järgmisi pistikuid:

1. INPUT-reguleerimata alalisvoolu sisend Vin
2. VÕRDLUS (PÕHJENDATUD)
3. OUTPUT -reguleeritud alalisvoolu väljund Vout

Üks asi, mida tuleb nende pingeregulaatorite TO-220 korpuse versiooni puhul tähele panna, on see, et korpus on elektriliselt ühendatud keskmise tihvtiga (tihvt 2). Seeria 78XX puhul tähendab see, et korpus on maandatud.

Seda tüüpi lineaarsel regulaatoril on 2 V väljalangemispinge, mistõttu 5 V väljundiga 1A juures peab teil olema vähemalt 2,5 V alalispinge (st 5V + 2,5V = 7,5 V alalisvoolu sisend).

Tootja soovitused silumiskondensaatorite jaoks on CInput = 0,33 µF ja COutput = 0,1 µF, kuid üldine tava on 100 µF kondensaator sisendil ja väljundil. See on hea lahendus halvimal juhul ja kondensaatorid aitavad sellega toime tulla pakkumise järsud kõikumised ja möödumised.

Kui toide langeb alla 2 V läve, stabiliseerivad kondensaatorid toite, et seda ei juhtuks. Kui teie projektil pole selliseid siirdeid, saate kasutada tootja soovitusi.

Lihtne lineaarne pingeregulaatori ahel on lihtsalt pingeregulaator L7805 ja kaks kondensaatorit, kuid me saame seda vooluahelat täiendada, et luua mõni täiustatud toiteallikas, millel on teatud kaitsetase ja visuaalne näit.

Kui soovite oma projekti levitada, soovitan kindlasti need mõned lisakomponendid lisada, et vältida klientidega tulevikus ebamugavusi.

4. samm: täiendatud 7805 vooluahel

Kõigepealt saate lülitit vooluahela sisse- või väljalülitamiseks kasutada.

Lisaks saate regulaatori väljundi ja sisendi vahele asetada vastupidise nihkega juhtmega dioodi (D1). Kui koormuses on induktiivpoolid või isegi kondensaatorid, võib sisendi kaotus põhjustada vastupidise pinge, mis võib regulaatori hävitada. Diood möödub sellistest vooludest.

Täiendavad kondensaatorid toimivad omamoodi lõppfiltrina. Need peavad olema väljundpingele määratud pingega, kuid need peaksid olema piisavalt kõrged, et need sobiksid sisendiga, et tagada väike ohutus (nt 16 25 V). Need sõltuvad tõesti teie oodatava koormuse tüübist ja neid võib alalisvoolukoormuse korral välja jätta, kuid 100uF C1 ja C2 ning 1uF C4 (ja C3) jaoks oleks hea algus.

Lisaks saate lisada LED-i ja sobivat voolu piiravat takistit, et saada indikaatortuli, mis on toiteallika rikke tuvastamisel väga kasulik; kui vooluahel on toitega, põlevad LED -tuled, muidu otsige oma ahelas mõningaid tõrkeid.

Enamikul pingeregulaatoritel on kaitseskeem, mis kaitseb kiipe ülekuumenemise eest ja kui see liiga kuumaks läheb, langeb see väljundpinge ja piirab seetõttu väljundvoolu, nii et seade ei hävine kuumuse tõttu. TO-220 pakendite pingeregulaatoritel on ka jahutusradiaatori kinnitamiseks kinnitusava ja ma soovitan teil seda kindlasti kasutada hea tööstusliku jahutusradiaatori kinnitamiseks.

Samm: rohkem energiat alates 78XX

Enamik 78XX regulaatoreid on piiratud väljundvooluga 1–1,5 A. Kui IC regulaatori väljundvool ületab selle maksimaalse lubatud piiri, hajutab selle sisemine transistor energia hulga rohkem, kui talub, mis viib sulgemisele.

Rakenduste puhul, mis vajavad rohkem kui regulaatori maksimaalne lubatud voolupiir, saab väljundvoolu suurendamiseks kasutada välist läbivat transistorit. FAIRCHILD Semiconductori joonis illustreerib sellist konfiguratsiooni. See vooluahel suudab toota koormusele suuremat voolu (kuni 10 A), kuid säilitab siiski IC regulaatori termilise väljalülituse ja lühisekaitse.

Tootja soovitab BD536 võimsustransistorit.

6. samm: LDO pingeregulaatorid

L7805 on väga lihtne seade, millel on suhteliselt kõrge väljalangemispinge.

Mõnel lineaarsel pingeregulaatoril, nn madala väljalangemisega (LDO), on väljalangemispinge palju väiksem kui 2V väärtusel 7805. Näiteks LM2937 või LM2940CT-5.0 katkestus on 0,5 V, mille tagajärjel muutub teie toiteahel on kõrgema kasuteguriga ja saate seda kasutada patareitoitega projektides.

Minimaalset Vin-Vouti diferentsiaali, mida lineaarne regulaator saab kasutada, nimetatakse väljalangemispingeks. Kui erinevus Vin ja Vout vahel langeb väljalangemispingest allapoole, on regulaator väljalülitusrežiimis.

Madala väljalangemisega regulaatoritel on sisend- ja väljundpinge vahe väga väike. Eriti lineaarsete regulaatorite LM2940CT-5.0 pingeerinevus võib enne seadmete väljalangemist ulatuda alla 0,5 voldi. Normaalseks tööks peaks sisendpinge olema 0,5 V kõrgem kui väljund.

Nendel pingeregulaatoritel on sama paigutusega T220 kui L7805 - sisend vasakul, maandus keskel ja väljund paremal (eestvaates). Selle tulemusena saate kasutada sama vooluringi. Kondensaatorite tootmise soovitused on CInput = 0,47 µF ja COutput = 22 µF.

Üks suur puudus on see, et madala väljalangemisega regulaatorid on 7805-seeriaga võrreldes kallimad (isegi kuni kümme korda).

Samm: reguleeritud LM317 toiteallikas

LM317 on muutuva väljundiga positiivne lineaarne pingeregulaator, mis on võimeline väljastama üle 1,5 A väljundvoolu väljundpinge vahemikus 1,2–37 V.

. Kaks esimest tähte tähistavad tootja eelistusi, näiteks “LM”, mis tähistab “lineaarset monoliitset”. See on muutuva väljundiga pingeregulaator ja seega on see väga kasulik olukordades, kus vajate mittestandardset pinget. Vorming 78xx on positiivne pingeregulaator või 79xx on negatiivne pingeregulaator, kus “xx” tähistab seadmete pinget.

Väljundpinge on vahemikus 1,2 V kuni 37 V ja seda saab kasutada Raspberry Pi, Arduino või DC Motors Shieldi toiteks. LM3XX -l on sama sisend-/väljundpinge erinevus kui 78XX -l - sisend peab olema vähemalt 2,5 V kõrgem kui väljundpinge.

Nagu 78XX seeria regulaatorite puhul, on ka LM317 kolme kontaktiga seade. Kuid juhtmestik on veidi erinev.

Peamine asi, mida LM317 ühendamise puhul märkida, on kaks takistit R1 ja R2, mis annavad regulaatorile võrdluspinge; see võrdluspinge määrab väljundpinge. Neid takisti väärtusi saate arvutada järgmiselt.

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

IAdj on tavaliselt 50 µA ja enamikus rakendustes tühine ning VREF on 1,25 V - minimaalne väljundpinge.

Kui jätame IAdj tähelepanuta, saab meie võrrandit lihtsustada

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

Kui kasutame R1 240 Ω ja R2 1 kΩ, saame väljundpinge Vout = 1,25 (1+0/240) = 1,25 V.

Kui pöörame potentsiomeetri nuppu täielikult teises suunas, saame väljundpingeks Vout = 1,25 (1+2000/240) = 11,6 V.

Kui vajate suuremat väljundpinget, asendage R1 100 Ω takistiga.

Vooluring selgitas:

• R1 ja R2 on vajalikud väljundpinge seadistamiseks. Ripple tagasilükkamise parandamiseks on soovitatav kasutada CAdj. See hoiab ära pulsatsiooni võimendamise, kuna väljundpinge on kõrgemale reguleeritud.
• Soovitav on C1, eriti kui regulaator ei ole toitefiltri kondensaatorite vahetus läheduses. 0,1-µF või 1 µF keraamiline või tantaalkondensaator tagab enamiku rakenduste jaoks piisava ümbersõidu, eriti reguleerimis- ja väljundkondensaatorite kasutamisel.
• C2 parandab mööduvat reageerimist, kuid pole stabiilsuse jaoks vajalik.
• CAdj kasutamisel on soovitatav kasutada kaitsedioodi D2. Diood tagab madala takistusega tühjendustee, et vältida kondensaatori tühjenemist regulaatori väljundisse.
• C2 kasutamisel on soovitatav kasutada kaitsedioodi D1. Diood tagab madala takistusega tühjendustee, et vältida kondensaatori tühjenemist regulaatori väljundisse.

8. samm: kokkuvõte

Lineaarsed regulaatorid on kasulikud, kui:

• Väljundpinge erinevus on väike
• Teil on madal koormusvool
• Te vajate äärmiselt puhast väljundpinget
• Peate hoidma disaini võimalikult lihtsana ja odavalt.

Seetõttu ei ole mitte ainult lineaarseid regulaatoreid lihtsam kasutada, vaid need pakuvad lülitusregulaatoritega võrreldes palju puhtamat väljundpinget, ilma igasuguse pulsatsiooni, naelu ja mürata. Kokkuvõtteks võib öelda, et kui võimsuse hajumine pole liiga suur või kui vajate täiendavat regulaatorit, on teie parim valik lineaarne regulaator.