Bevezetés a lineáris feszültségszabályozókba: 8 lépés

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:41

Öt évvel ezelőtt, amikor először kezdtem az Arduino és a Raspberry Pi használatát, nem gondoltam túl sokat az áramellátásra, ekkor a málna Pi tápegysége és az Arduino USB -tápegysége több mint elég volt.

De egy idő után kíváncsiságom arra késztetett, hogy más áramellátási módszereket vegyek fontolóra, és több projekt létrehozása után kénytelen voltam megfontolni a különböző, és ha lehetséges, állítható egyenáramú áramforrásokat.

Különösen akkor, ha befejezi a tervezést, mindenképpen a projekt egy állandóbb változatát kell felépítenie, és ehhez meg kell fontolnia, hogyan kell energiát biztosítani a projekthez.

Ebben az oktatóanyagban elmagyarázom, hogyan hozhat létre saját lineáris tápegységet széles körben használt és megfizethető feszültségszabályozókkal (LM78XX, LM3XX, PSM-165 stb.). Megismerheti azok funkcionalitását és megvalósítását saját projektjeihez.

1. lépés: Tervezési szempontok

Közös feszültségszintek

A tervezéshez több szabványos feszültségszintre van szükség:

• 3.3 V DC-Ez a Raspberry PI és a kis teljesítményű digitális eszközök általánosan használt feszültsége.
• 5 V DC - Ez a szabványos TTL (Transistor Transistor Logic) feszültség, amelyet a digitális eszközök használnak.
• 12 V DC - DC, szervo és léptetőmotorokhoz használható.
• 24/48 V DC - széles körben használják CNC és 3D nyomtatási projektekben.

A tervezés során figyelembe kell vennie, hogy a logikai szintű feszültségeket nagyon pontosan kell szabályozni. Például a TTL feszültségű eszközöknél a tápfeszültségnek 4,75 és 5,25 volt között kell lennie, ellenkező esetben a feszültség eltérése miatt a logikai alkatrészek nem működnek megfelelően, vagy akár tönkreteszik az alkatrészeket.

A logikai szintű eszközökkel ellentétben a motorok, LED -ek és más elektronikus alkatrészek tápellátása széles tartományban eltérhet. Ezenkívül figyelembe kell vennie a projekt jelenlegi követelményeit. Különösen a motorok okozhatják az áramfelvétel ingadozását, és a tápegységet úgy kell megtervezni, hogy megfeleljen a „legrosszabb” helyzetnek, amikor minden motor teljes kapacitással működik.

Más módszert kell alkalmaznia a feszültségszabályozáshoz a hálózati és akkumulátoros modelleknél, mert az akkumulátor feszültségszintje ingadozni fog, amint az akkumulátor lemerül.

A feszültségszabályozó kialakításának másik fontos szempontja a hatékonyság - különösen akkumulátoros projektek esetén a minimálisra kell csökkenteni az energiaveszteséget.

FIGYELEM: A legtöbb országban egy személy nem jogosult engedély nélkül 50 V AC feletti feszültséggel dolgozni. Bármely hiba, amelyet halálos feszültséggel dolgozó személy követ el, saját, vagy más személy halálához vezethet. Ezért csak a 60 V DC alatti feszültségszintű egyenáramú tápegységet fogom kifejteni.

2. lépés: A feszültségszabályozók típusai

A feszültségszabályozóknak két fő típusa van:

• lineáris feszültségszabályozók, amelyek a legolcsóbbak és egyszerűen használhatók
• kapcsolási feszültségszabályozók, amelyek hatékonyabbak, mint a lineáris feszültségszabályozók, de drágábbak és összetettebb áramkör -kialakítást igényelnek.

Ebben az oktatóanyagban lineáris feszültségszabályozókkal fogunk dolgozni.

A lineáris feszültségszabályozók elektromos jellemzői

A feszültségcsökkenés a lineáris szabályozóban arányos az IC disszipált teljesítményével, vagy más szóval a fűtés hatására csökken a teljesítmény.

A lineáris szabályozók teljesítményeloszlásához a következő egyenletet lehet használni:

Teljesítmény = (VInput - VOutput) x I

Az L7805 lineáris szabályozónak legalább 2 wattot kell leadnia, ha 1 A terhelést biztosít (2 V feszültségcsökkenési idő 1 A).

A bemeneti és a kimeneti feszültség közötti feszültségkülönbség növekedésével a teljesítményeloszlás is növekszik. Ez azt jelenti például, hogy míg egy 7 voltos forrás 5 voltra szabályozva, 1 erősítőt leadva 2 wattot oszlatna el a lineáris szabályozón keresztül, addig egy 12 V -os egyenáramú forrás 5 voltra szabályozva ugyanazt az áramot szolgáltatná, 5 wattot, így a szabályozó csak 50 % hatékony.

A következő fontos paraméter a „Hőellenállás” ° C/W egységben (° C per Watt).

Ez a paraméter azt jelzi, hogy a forgács milyen fokon fog felmelegedni a környezeti levegő hőmérséklete felett, minden egyes watt teljesítmény után. Egyszerűen szorozza meg a számított teljesítményveszteséget a termikus ellenállással, és ez megmondja, hogy a lineáris szabályozó mennyit fog felmelegedni ennyi teljesítmény alatt:

Teljesítmény x termikus ellenállás = környezeti hőmérséklet felett

Például a 7805 szabályozó hőállósága 50 ° C / Watt. Ez azt jelenti, hogy ha a szabályozó eloszlik:

• 1 watt, felmelegszik 50 ° C -ra
• .2 Watt felmelegszik 100 ° C -ra.

MEGJEGYZÉS: A projekttervezés fázisában próbálja megbecsülni a szükséges áramot, és csökkentse minimálisra a feszültségkülönbséget. Például a 78XX lineáris feszültségszabályozó 2 V feszültségcsökkenéssel rendelkezik (min. Bemeneti feszültség Vin = 5 + 2 = 7 V DC), így 7, 5 vagy 9 V egyenáramú tápegységet használhat.

Hatékonyság számítás

Figyelembe véve, hogy a kimeneti áram egyenlő a lineáris szabályozó bemeneti áramával, akkor egyszerűsített egyenletet kapunk:

Hatékonyság = Vout / Vin

Tegyük fel például, hogy 12 V van a bemeneten, és 5 V -ot kell kimenni 1 A terhelési áram mellett, akkor a lineáris szabályozó hatásfoka csak (5 V / 12 V) x 100 % = 41 % lenne. Ez azt jelenti, hogy a bemenetből származó energia csak 41 % -a kerül a kimenetre, és a fennmaradó teljesítmény hőként veszik el!

3. lépés: 78XX lineáris szabályozók

A 78XX feszültségszabályozók 3 tűs eszközök, amelyek számos különböző csomagban kaphatók, a nagy teljesítményű tranzisztoros csomagoktól (T220) az apró felszíni szerelvényekig, pozitív feszültségszabályozók. A 79XX sorozat egyenértékű negatív feszültségszabályozók.

A 78XX sorozatú szabályozók rögzített szabályozott feszültséget biztosítanak 5 és 24 V között. Az IC cikkszám utolsó két számjegye az eszköz kimeneti feszültségét jelöli. Ez azt jelenti, hogy például a 7805 pozitív 5 voltos szabályozó, a 7812 pozitív 12 voltos szabályozó.

Ezek a feszültségszabályozók egyenesen haladnak - csatlakoztassa az L8705 -öt és néhány elektrolit kondenzátort a bemenetre és a kimenetre, és egyszerű feszültségszabályozót épít az 5 V -os Arduino projektekhez.

A fontos lépés az adatlapok ellenőrzése, hogy vannak-e kihelyezések és a gyártó ajánlásai.

A 78XX (pozitív) szabályozók a következő érintkezőket használják:

1. INPUT-szabályozatlan DC bemenet Vin
2. REFERENCIA (FÖLD)
3. OUTPUT -szabályozott egyenáramú kimenet Vout

Egy dolog, amit meg kell jegyezni a feszültségszabályozók TO-220 tokváltozatával kapcsolatban, hogy a ház elektromosan csatlakozik a középső csaphoz (2. tű). A 78XX sorozatnál ez azt jelenti, hogy a ház földelt.

Ez a típusú lineáris szabályozó 2 V -os kiesési feszültséggel rendelkezik, ennek eredményeként 5 V -os kimenettel 1 A -nál legalább 2,5 V DC fejfeszültséggel kell rendelkeznie (azaz 5 V + 2,5 V = 7,5 V DC bemenet).

A simító kondenzátorokra vonatkozó gyártói ajánlások: CInput = 0,33 µF és COutput = 0,1 µF, de az általános gyakorlat szerint 100 µF kondenzátor van a bemeneten és a kimeneten. Ez jó megoldás a legrosszabb esetben, és a kondenzátorok segítenek megbirkózni ezzel hirtelen ingadozások és átmenetek a kínálatban.

Abban az esetben, ha a tápellátás a 2 V küszöb alá esik, a kondenzátorok stabilizálják az ellátást annak biztosítására, hogy ez ne történjen meg. Ha a projekt nem rendelkezik ilyen tranziensekkel, akkor a gyártó ajánlásaival futtathatja.

Az egyszerű lineáris feszültségszabályozó áramkör csak L7805 feszültségszabályozó és két kondenzátor, de frissíthetjük ezt az áramkört, hogy fejlettebb tápegységet hozzunk létre, bizonyos szintű védelemmel és vizuális jelzéssel.

Ha el szeretné terjeszteni projektjét, akkor feltétlenül javaslom, hogy adja hozzá ezt a néhány kiegészítő összetevőt, hogy megelőzze a jövőbeni kellemetlenségeket az ügyfelekkel.

4. lépés: Frissített 7805 áramkör

Először a kapcsolóval kapcsolhatja be vagy ki az áramkört.

Ezenkívül diódát (D1) is elhelyezhet fordított előfeszítéssel a szabályozó kimenete és bemenete között. Ha a terhelésben vannak induktivitások vagy akár kondenzátorok, a bemenet elvesztése fordított feszültséget okozhat, ami tönkreteheti a szabályozót. A dióda megkerül minden ilyen áramot.

A további kondenzátorok egyfajta végső szűrőként működnek. A kimeneti feszültségnek megfelelő feszültségűnek kell lenniük, de elég magasnak kell lenniük ahhoz, hogy megfeleljen a bemenetnek egy kis biztonság érdekében (pl. 16 25 V). Valójában az elvárt terhelés típusától függenek, és tiszta DC terhelésnél kihagyhatók, de Cu és C2 esetén 100uF, C4 (és C3) esetén jó.

Ezenkívül hozzáadhatja a LED-et és a megfelelő áramkorlátozó ellenállást, hogy olyan jelzőfényt biztosítson, amely nagyon hasznos az áramellátás meghibásodásának észlelésében; Ha az áramkör be van kapcsolva, a LED -ek világítanak, különben keressenek hibákat az áramkörben.

A legtöbb feszültségszabályozó védelmi áramkörrel rendelkezik, amely megvédi a forgácsokat a túlmelegedéstől, és ha túl meleg lesz, leesik a kimeneti feszültség, és ezért korlátozza a kimeneti áramot, hogy a készülék ne sérüljön meg a hő hatására. A TO-220 csomagok feszültségszabályozóiban is van egy rögzítőnyílás a hűtőborda rögzítéséhez, és javaslom, hogy feltétlenül használja ezt egy jó ipari hűtőborda rögzítésére.

5. lépés: Nagyobb teljesítmény 78XX -től

A 78XX szabályozók többsége 1-1,5 A kimeneti áramra van korlátozva. Ha egy IC -szabályozó kimeneti árama meghaladja a megengedett maximális határértéket, a belső átmeneti tranzisztor több energiát oszlat el, mint amennyit el tud viselni, ami a leállításhoz.

Azokban az alkalmazásokban, ahol a szabályozó megengedett legnagyobb áramerősségénél nagyobb szükség van, külső kimeneti tranzisztor használható a kimeneti áram növelésére. A FAIRCHILD Semiconductor ábrája egy ilyen konfigurációt szemléltet. Ez az áramkör képes nagyobb (akár 10 A) áramot termelni a terhelésre, de megőrzi az IC szabályozó termikus leállását és rövidzárlatvédelmét.

A BD536 teljesítménytranzisztor a gyártó által javasolt.

6. lépés: LDO feszültségszabályozók

Az L7805 egy nagyon egyszerű eszköz, viszonylag magas kiesési feszültséggel.

Néhány lineáris feszültségszabályozó, az úgynevezett alacsony kiesésű (LDO), sokkal kisebb kiesési feszültségű, mint a 7805-ös 2V. Például az LM2937 vagy az LM2940CT-5.0 0,5 V-os kieséssel rendelkezik, ennek következtében a tápáramkör nagyobb hatékonysággal rendelkezik, és akkumulátoros tápellátású projektekben is használhatja.

A lineáris szabályozó által működtethető minimális Vin-Vout differenciálművet kiesési feszültségnek nevezzük. Ha a Vin és a Vout közötti különbség a kiesési feszültség alá csökken, akkor a szabályozó kiesési módban van.

Az alacsony kiesésű szabályozók nagyon kis különbséget mutatnak a bemeneti és a kimeneti feszültség között. Különösen az LM2940CT-5.0 lineáris szabályozók feszültségkülönbsége érheti el a 0,5 voltot, mielőtt az eszközök „kiesnek”. Normál működéshez a bemeneti feszültségnek 0,5 V -tal magasabbnak kell lennie, mint a kimenet.

Ezeknek a feszültségszabályozóknak ugyanaz a T220 formatervezési tényezője, mint az L7805 -nek, azonos elrendezéssel - bemenet a bal oldalon, a földelés középen, a kimenet pedig a jobb oldalon (elölről nézve). Ennek eredményeként ugyanazt az áramkört használhatja. A kondenzátorok gyártási javaslatai a következők: CInput = 0,47 µF és COutput = 22 µF.

Az egyik fő hátrány az, hogy az „alacsony kiesésű” szabályozók drágábbak (akár tízszeresek is) a 7805-ös sorozathoz képest.

7. lépés: Szabályozott LM317 tápegység

Az LM317 egy pozitív lineáris feszültségszabályozó, változtatható kimenettel, és képes 1,5 A -nál nagyobb kimeneti áramot szolgáltatni 1,2-37 V kimeneti feszültségtartományban.

. Az első két betű a gyártó preferenciáit jelöli, mint például az „LM”, amely „lineáris monolitikus”. Változtatható kimenetű feszültségszabályozó, ezért nagyon hasznos olyan helyzetekben, amikor nem szabványos feszültségre van szüksége. A 78xx formátum pozitív feszültségszabályozó, vagy 79xx negatív feszültségszabályozó, ahol az „xx” az eszközök feszültségét jelenti.

A kimeneti feszültségtartomány 1,2 V és 37 V között van, és a Raspberry Pi, Arduino vagy DC Motors Shield tápellátására használható. Az LM3XX bemeneti/kimeneti feszültségkülönbsége megegyezik a 78XX feszültségével - a bemenetnek legalább 2,5 V -tal a kimeneti feszültség felett kell lennie.

A 78XX szabályozókhoz hasonlóan az LM317 egy három tűs eszköz. De a kábelezés egy kicsit más.

A legfontosabb dolog az LM317 bekötése kapcsán a két R1 és R2 ellenállás, amelyek referenciafeszültséget biztosítanak a szabályozónak; ez a referenciafeszültség határozza meg a kimeneti feszültséget. Ezeket az ellenállásértékeket a következőképpen számíthatja ki:

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

Az IAdj jellemzően 50 µA, és a legtöbb alkalmazásban elhanyagolható, a VREF pedig 1,25 V - minimális kimeneti feszültség.

Ha elhanyagoljuk az IAdj -t, akkor az egyenletünk egyszerűsíthető

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

Ha R1 240 Ω -ot és R2 -t használunk 1 kΩ -al, akkor Vout = 1,25 (1+0/240) = 1,25 V kimeneti feszültséget kapunk.

Amikor teljesen elforgatjuk a potenciométer gombot más irányba, akkor Vout = 1,25 (1+2000/240) = 11,6 V kimeneti feszültséget kapunk.

Ha nagyobb kimeneti feszültségre van szüksége, akkor az R1 -et 100 Ω -os ellenállásra kell cserélnie.

Circuit magyarázta:

• A kimeneti feszültség beállításához R1 és R2 szükséges. A CAdj ajánlott a hullámzás elutasításának javítására. Megakadályozza a hullámzás erősítését, mivel a kimeneti feszültség magasabbra van állítva.
• A C1 ajánlott, különösen akkor, ha a szabályozó nincs a tápegység szűrő kondenzátorainak közvetlen közelében. Egy 0,1 µF vagy 1 µF kerámia vagy tantál kondenzátor elegendő kiiktatást biztosít a legtöbb alkalmazáshoz, különösen akkor, ha beállító és kimeneti kondenzátorokat használnak.
• A C2 javítja az átmeneti választ, de nem szükséges a stabilitáshoz.
• CAdj használata esetén D2 védő dióda ajánlott. A dióda kis impedanciájú kisülési utat biztosít, hogy megakadályozza a kondenzátor kisülését a szabályozó kimenetébe.
• C2 használata esetén a D1 védő dióda ajánlott. A dióda kis impedanciájú kisülési utat biztosít, hogy megakadályozza a kondenzátor kisülését a szabályozó kimenetébe.

8. lépés: Összefoglalás

A lineáris szabályozók akkor hasznosak, ha:

• A kimeneti feszültségkülönbség bemenete kicsi
• Alacsony terhelési árammal rendelkezik
• Rendkívül tiszta kimeneti feszültségre van szüksége
• A tervezést a lehető legegyszerűbbé és olcsóbbá kell tennie.

Ezért nem csak a lineáris szabályozók könnyebben használhatók, hanem sokkal tisztább kimeneti feszültséget biztosítanak a kapcsolószabályozókhoz képest, semmilyen hullámzás, tüskék vagy zaj nélkül. Összefoglalva, hacsak nem túl nagy a teljesítményveszteség, vagy nincs szükség fokozó szabályozóra, a lineáris szabályozó lesz a legjobb megoldás.