Introducere în regulatoarele de tensiune liniară: 8 pași

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:43

Acum cinci ani, când am început cu Arduino și Raspberry Pi, nu mă gândeam prea mult la sursa de alimentare, în acest moment adaptorul de alimentare de la raspberry Pi și alimentarea USB a Arduino erau mai mult decât suficiente.

Dar, după un timp, curiozitatea mea m-a împins să iau în considerare alte metode de alimentare cu energie și, după ce am creat mai multe proiecte, am fost forțat să iau în considerare diferite surse de alimentare DC, dacă este posibil reglabile.

Mai ales atunci când vă terminați designul, veți dori cu siguranță să construiți o versiune mai permanentă a proiectului dvs. și pentru asta va trebui să vă gândiți cum să procedați pentru a-i oferi energie.

În acest tutorial voi explica modul în care vă puteți crea propria sursă de alimentare liniară cu regulatoare de tensiune utilizate la scară largă și la prețuri accesibile IC (LM78XX, LM3XX, PSM-165 etc.). Veți afla despre funcționalitatea și implementarea acestora pentru propriile dvs. proiecte.

Pasul 1: Considerații de proiectare

Niveluri comune de tensiune

Există mai multe niveluri de tensiune standard pe care proiectul dvs. le-ar putea necesita:

• 3.3 Volți DC - Aceasta este o tensiune obișnuită utilizată de Raspberry PI și de dispozitivele digitale cu putere redusă.
• 5 Volți DC - Aceasta este tensiunea standard TTL (Transistor Transistor Logic) utilizată de dispozitivele digitale.
• 12 Volți DC - utilizat pentru motoare DC, servo și pas cu pas.
• 24/48 Volți DC - utilizat pe scară largă în proiecte de imprimare CNC și 3D.

În proiectarea dvs. ar trebui să luați în considerare faptul că tensiunile de nivel logic trebuie reglate foarte precis. De exemplu, pentru dispozitivele cu tensiune TTL, tensiunea de alimentare trebuie să fie între 4,75 și 5,25 volți, altfel orice abatere de tensiune va determina componentele logice să nu mai funcționeze corect sau chiar să vă distrugă componentele.

Spre deosebire de dispozitivele de nivel logic, sursa de alimentare pentru motoare, LED-uri și alte componente electronice se poate abate într-o gamă largă. În plus, trebuie să luați în considerare cerințele actuale ale proiectului. Mai ales motoarele pot determina fluctuația consumului de curent și trebuie să vă proiectați sursa de alimentare pentru a se potrivi situației „cele mai grave” în care fiecare motor este acționat la capacitate maximă.

Trebuie să utilizați o abordare diferită pentru reglarea tensiunii pentru modelele alimentate de linie și cu baterie, deoarece nivelurile de tensiune ale bateriei vor fluctua pe măsură ce bateria se descarcă.

Un alt aspect important al designului regulatorului de tensiune este eficiența - mai ales în proiectele alimentate cu baterii, trebuie să reduceți la minimum pierderile de energie.

ATENȚIE: În majoritatea țărilor, o persoană nu poate lucra legal cu tensiuni peste 50V AC fără o licență. Orice greșeală făcută de orice persoană care lucrează cu tensiune letală poate duce la moartea lor sau a altei persoane. Din acest motiv, voi explica doar construirea sursei de curent continuu cu un nivel de tensiune sub 60 V DC.

Pasul 2: Tipuri de regulatoare de tensiune

Există două tipuri principale de regulatoare de tensiune:

• regulatoare de tensiune liniare care sunt cele mai accesibile și mai simple de utilizat
• regulatoare de tensiune de comutare care sunt mai eficiente decât regulatoarele de tensiune liniare, dar mai scumpe și necesită un design de circuit mai complex.

În acest tutorial vom lucra cu regulatoare de tensiune liniare.

Caracteristicile electrice ale regulatoarelor de tensiune liniare

Căderea de tensiune în regulatorul liniar este proporțională cu puterea disipată a CI sau, cu alte cuvinte, puterea se pierde din cauza efectului de încălzire.

Pentru disiparea puterii în regulatoarele liniare se poate utiliza următoarea ecuație:

Putere = (VInput - VOutput) x I

Regulatorul liniar L7805 trebuie să disipeze cel puțin 2 wați dacă ar furniza o sarcină de 1 A (2 V cădere de tensiune ori 1 A).

Odată cu creșterea diferenței de tensiune între tensiunea de intrare și ieșire - crește și disiparea puterii. Adică, de exemplu, în timp ce o sursă de 7 volți reglată la 5 volți care livrează 1 amp ar disipa 2 wați prin regulatorul liniar, o sursă de 12 V DC reglată la 5 volți care furnizează același curent ar disipa 5 wați, făcând regulatorul doar 50% eficient.

Următorul parametru important este „Rezistența termică” în unități de ° C / W (° C per Watt).

Acest parametru indică numărul de grade pe care cipul le va încălzi peste temperatura aerului ambiant, pe fiecare watt de putere pe care trebuie să îl disipeze. Pur și simplu înmulțiți disiparea puterii calculate cu rezistența termică și asta vă va spune cât de mult se va încălzi regulatorul liniar sub acea cantitate de putere:

Puterea x Rezistența termică = Temperatura peste mediul ambiant

De exemplu, un regulator 7805 are o rezistență termică de 50 ° C / Watt. Aceasta înseamnă că dacă autoritatea de reglementare disipează:

• 1 watt, se va încălzi la 50 ° C
• .2 wați se va încălzi la 100 ° C.

NOTĂ: În timpul fazei de planificare a proiectului încercați să estimați curentul necesar și să reduceți diferența de tensiune la minimum. De exemplu, regulatorul de tensiune liniar 78XX are o cădere de tensiune de 2 V (tensiunea minimă de intrare este Vin = 5 + 2 = 7 V DC), drept urmare puteți utiliza o sursă de alimentare de 7, 5 sau 9 V DC.

Calculul eficienței

Având în vedere că curentul de ieșire este egal cu curentul de intrare pentru un regulator liniar, atunci vom obține ecuația simplificată:

Eficiență = Vout / Vin

De exemplu, să presupunem că aveți 12 V la intrare și trebuie să scoateți 5 V la 1 A curent de sarcină, atunci eficiența unui regulator liniar ar fi doar (5 V / 12 V) x 100% = 41%. Aceasta înseamnă că doar 41% din puterea de la intrare este transferată la ieșire, iar puterea rămasă se va pierde ca căldură!

Pasul 3: Regulatoare liniare 78XX

Regulatoarele de tensiune 78XX sunt dispozitive cu 3 pini disponibile în mai multe pachete diferite, de la pachete cu tranzistoare de mare putere (T220) la dispozitive de montare pe suprafață mici, este un regulator de tensiune pozitiv. Seriile 79XX sunt regulatoare de tensiune negative echivalente.

Seria de regulatoare 78XX furnizează tensiuni reglate fixe de la 5 la 24 V. Ultimele două cifre ale numărului de piesă IC denotă tensiunea de ieșire a dispozitivului. Aceasta înseamnă, de exemplu, un 7805 este un regulator pozitiv de 5 volți, un 7812 este un regulator pozitiv de 12 volți.

Aceste regulatoare de tensiune sunt directe - conectați L8705 și câteva condensatoare electrolitice la intrare și ieșire și construiți regulator de tensiune simplu pentru proiecte Arduino de 5 V.

Pasul important este să verificați fișele tehnice pentru identificări și recomandări ale producătorului.

Regulatoarele 78XX (pozitive) folosesc următoarele pinouts:

1. Intrare DC neregulată INPUT Vin
2. REFERINȚĂ (TEREN)
3. IEȘIRE reglată ieșire DC Vout

Un lucru de remarcat despre versiunea carcasei TO-220 a acestor regulatoare de tensiune este că carcasa este conectată electric la pinul central (pinul 2). Pe seria 78XX înseamnă că carcasa este împământată.

Acest tip de regulator liniar are o tensiune de ieșire de 2 V, ca urmare, cu o ieșire de 5V la 1A, trebuie să aveți tensiune de cap de cel puțin 2,5 V DC (adică 5V + 2,5V = 7,5V intrare DC).

Recomandările producătorului pentru condensatorii de netezire sunt CInput = 0,33 µF și COutput = 0,1 µF, dar practica generală este 100 µF condensator la intrare și ieșire Este o soluție bună pentru scenariul cel mai rău caz, iar condensatorii ajută să facă față fluctuații bruște și tranzitorii în aprovizionare.

În cazul în care alimentarea scade sub pragul de 2 V - condensatoarele vor stabiliza alimentarea pentru a se asigura că acest lucru nu se întâmplă. Dacă proiectul dvs. nu are astfel de tranzitori, atunci puteți rula împreună cu recomandările producătorului.

Circuitul regulator de tensiune liniar simplu este doar regulatorul de tensiune L7805 și doi condensatori, dar putem actualiza acest circuit pentru a crea o sursă de alimentare mai avansată, cu un anumit nivel de protecție și indicație vizuală.

Dacă doriți să distribuiți proiectul dvs., vă voi sugera cu siguranță să adăugați câteva componente suplimentare pentru a preveni neplăcerile viitoare cu clienții.

Pasul 4: Circuitul 7805 actualizat

Mai întâi puteți utiliza comutatorul pentru a porni sau opri circuitul.

În plus, puteți plasa o diodă (D1), conectată în polarizare inversă între ieșirea și intrarea regulatorului. Dacă există inductori în sarcină sau chiar condensatori, o pierdere de intrare poate provoca o tensiune inversă, care poate distruge regulatorul. Dioda ocolește astfel de curenți.

Condensatorii suplimentari acționează ca un fel de filtru final. Acestea trebuie să aibă tensiunea nominală pentru tensiunea de ieșire, dar trebuie să fie suficient de ridicate pentru a se potrivi intrării pentru o mică marjă de siguranță (de exemplu, 16 25 V). Acestea depind într-adevăr de tipul de sarcină pe care îl așteptați și pot fi lăsate în afara unei încărcări DC pure, dar 100uF pentru C1 și C2 și 1uF pentru C4 (și C3) ar fi un început bun.

În plus, puteți adăuga LED-ul și rezistența adecvată de limitare a curentului pentru a oferi o lumină indicatoare care este foarte utilă pentru detectarea defecțiunilor sursei de alimentare; când circuitul este alimentat, luminile LED sunt aprinse, altfel, căutați unele defecțiuni în circuitul dvs.

Majoritatea regulatoarelor de tensiune au circuite de protecție care protejează cipurile de supraîncălzire și, dacă se încălzește prea mult, scade tensiunea de ieșire și, prin urmare, limitează curentul de ieșire, astfel încât dispozitivul să nu fie distrus de căldură. Regulatoarele de tensiune din pachetele TO-220 au, de asemenea, un orificiu de montare pentru atașamentul radiatorului și vă voi sugera să îl utilizați cu siguranță pentru a atașa un radiator industrial bun.

Pasul 5: Putere mai mare de la 78XX

Majoritatea regulatoarelor 78XX sunt limitate la un curent de ieșire de 1 - 1,5 A. Dacă curentul de ieșire al unui regulator IC depășește limita maximă admisibilă, tranzistorul său de trecere intern va disipa o cantitate de energie mai mult decât poate tolera, ceea ce va conduce la oprire.

Pentru aplicații care necesită mai mult decât limita maximă de curent admisibilă a unui regulator, un tranzistor de trecere extern poate fi utilizat pentru a crește curentul de ieșire. Figura din FAIRCHILD Semiconductor ilustrează o astfel de configurație. Acest circuit are capacitatea de a produce curent mai mare (până la 10 A) la sarcină, dar păstrând totuși oprirea termică și protecția la scurtcircuit a regulatorului IC.

Tranzistorul de putere BD536 este sugerat de producător.

Pasul 6: Regulatoare de tensiune LDO

L7805 este un dispozitiv foarte simplu, cu o tensiune relativ scăzută.

Unele regulatoare de tensiune liniare, așa-numitele low-dropout (LDO), au o tensiune de scădere mult mai mică decât 2V a 7805. De exemplu, LM2937 sau LM2940CT-5.0 are o scădere de 0,5V, ca urmare circuitul de alimentare au o eficiență mai mare și îl puteți folosi în proiecte cu alimentare cu baterie.

Diferențialul minim Vin-Vout pe care îl poate funcționa un regulator liniar se numește tensiune de cădere. Dacă diferența dintre Vin și Vout scade sub tensiunea de abandon, atunci regulatorul este în modul de abandon.

Regulatoarele de scădere redusă au o diferență foarte mică între tensiunea de intrare și de ieșire. În special, diferența de tensiune a regulatoarelor liniare LM2940CT-5.0 poate ajunge la mai puțin de 0,5 volți înainte ca dispozitivele să „cadă”. Pentru funcționarea normală, tensiunea de intrare trebuie să fie cu 0,5 V mai mare decât ieșirea.

Aceste regulatoare de tensiune au același factor de formă T220 ca și L7805 cu același aspect - intrare în stânga, masă în mijloc și ieșire în dreapta (atunci când sunt privite din față). Ca urmare, puteți utiliza același circuit. Recomandările de fabricație pentru condensatori sunt CInput = 0,47 µF și COutput = 22 µF.

Un dezavantaj major este că regulatoarele „cu scădere redusă” sunt mai scumpe (chiar și de până la zece ori) în comparație cu seria 7805.

Pasul 7: Alimentare LM317 reglementată

LM317 este un regulator pozitiv de tensiune liniară cu o ieșire variabilă, este capabil să furnizeze un curent de ieșire mai mare de 1,5 A într-un interval de tensiune de ieșire de 1,2-37 V.

. Primele două litere denotă preferințele producătorului, cum ar fi „LM”, care înseamnă „monolit liniar”. Este un regulator de tensiune cu o ieșire variabilă și, prin urmare, este foarte util în situațiile în care aveți nevoie de o tensiune non-standard. Formatul 78xx este un regulator de tensiune pozitiv sau 79xx sunt regulatori de tensiune negativi, unde „xx” reprezintă tensiunea dispozitivelor.

Gama de tensiune de ieșire este cuprinsă între 1,2 V și 37 V și poate fi utilizată pentru alimentarea Raspberry Pi, Arduino sau DC Motors Shield. LM3XX are aceeași diferență de tensiune de intrare / ieșire ca 78XX - intrarea trebuie să fie cu cel puțin 2,5 V peste tensiunea de ieșire.

La fel ca în seria de regulatoare 78XX, LM317 este un dispozitiv cu trei pini. Dar cablajul este puțin diferit.

Principalul lucru de remarcat despre conectarea LM317 sunt cele două rezistențe R1 și R2 care asigură o tensiune de referință a regulatorului; această tensiune de referință determină tensiunea de ieșire. Puteți calcula aceste valori ale rezistorului după cum urmează:

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

IAdj este de obicei 50 µA și neglijabil în majoritatea aplicațiilor, iar VREF este 1,25 V - tensiune minimă de ieșire.

Dacă neglijăm IAdj, atunci ecuația noastră poate fi simplificată la

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

Dacă vom folosi R1 240 Ω și R2 cu 1 kΩ, atunci vom obține tensiunea de ieșire Vout = 1,25 (1 + 0/240) = 1,25 V.

Când vom roti butonul potențiometrului complet în altă direcție, vom obține Vout = 1,25 (1 + 2000/240) = 11,6 V ca tensiune de ieșire.

Dacă aveți nevoie de tensiune de ieșire mai mare, atunci ar trebui să înlocuiți R1 cu rezistor de 100 Ω.

Circuitul a explicat:

• R1 și R2 sunt necesare pentru a seta tensiunea de ieșire. CAdj este recomandat pentru a îmbunătăți respingerea ondulării. Previne amplificarea ondulației, deoarece tensiunea de ieșire este ajustată mai mare.
• Se recomandă C1, mai ales dacă regulatorul nu se află în imediata apropiere a condensatoarelor cu filtru de alimentare. Un condensator de ceramică sau tantal de 0,1-µF sau 1-µF asigură o ocolire suficientă pentru majoritatea aplicațiilor, mai ales atunci când sunt utilizate condensatoare de reglare și ieșire.
• C2 îmbunătățește răspunsul tranzitoriu, dar nu este necesar pentru stabilitate.
• Dioda de protecție D2 este recomandată dacă se utilizează CAdj. Dioda oferă o cale de descărcare cu impedanță redusă pentru a preveni descărcarea condensatorului în ieșirea regulatorului.
• Dioda de protecție D1 este recomandată dacă se utilizează C2. Dioda oferă o cale de descărcare cu impedanță redusă pentru a preveni descărcarea condensatorului în ieșirea regulatorului.

Pasul 8: Rezumat

Regulatoarele liniare sunt utile dacă:

• Diferențialul de tensiune de intrare la ieșire este mic
• Aveți un curent de încărcare redus
• Aveți nevoie de o tensiune de ieșire extrem de curată
• Trebuie să păstrați designul cât mai simplu și ieftin posibil.

Prin urmare, nu numai că regulatoarele liniare sunt mai ușor de utilizat, dar oferă o tensiune de ieșire mult mai curată în comparație cu regulatoarele de comutare, fără ondulații, vârfuri sau zgomot de orice tip. În rezumat, cu excepția cazului în care puterea de disipare este prea mare sau dacă aveți nevoie de un regulator step-up, un regulator liniar va fi cea mai bună opțiune.