Uvod u linearne regulatore napona: 8 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:06

Prije pet godina, kada sam tek počeo s Arduinom i Raspberry Pi, nisam previše razmišljao o napajanju, u ovom trenutku adapter za napajanje iz maline Pi i USB napajanje Arduina bilo je više nego dovoljno.

No, nakon nekog vremena moja me znatiželja natjerala da razmislim o drugim metodama napajanja, a nakon stvaranja novih projekata bio sam prisiljen razmisliti o različitim i ako je moguće podesivim izvorima istosmjerne struje.

Pogotovo kada završite s dizajnom, definitivno ćete htjeti izgraditi trajniju verziju svog projekta, a za to ćete morati razmisliti kako da mu date snagu.

U ovom vodiču ću vam objasniti kako možete stvoriti vlastito linearno napajanje sa široko rasprostranjenim i pristupačnim regulatorima napona IC (LM78XX, LM3XX, PSM-165 itd.). Naučit ćete o njihovoj funkcionalnosti i implementaciji za vlastite projekte.

Korak 1: Razmatranja o dizajnu

Uobičajeni nivoi napona

Postoji nekoliko standardnih nivoa napona koje bi vaš dizajn mogao zahtijevati:

• 3.3 Volti DC-Ovo je uobičajeni napon koji koriste Raspberry PI i digitalni uređaji male snage.
• 5 Volti DC - Ovo je standardni TTL (Transistor Transistor Logic) napon koji koriste digitalni uređaji.
• 12 V DC - koristi se za istosmjerne, servo i koračne motore.
• 24/48 Volts DC - naširoko se koristi u projektima CNC i 3D ispisa.

U svom dizajnu trebali biste uzeti u obzir da se naponi logičkog nivoa moraju vrlo precizno regulirati. Na primjer, za uređaje s TTL naponom napon napajanja mora biti između 4,75 i 5,25 volti, inače će svako odstupanje napona uzrokovati da logičke komponente prestanu raditi ispravno ili čak uništiti vaše komponente.

Za razliku od uređaja s logičkim nivoom, napajanje motora, LED dioda i drugih elektroničkih komponenti može odstupati u širokom rasponu. Osim toga, morate uzeti u obzir trenutne zahtjeve projekta. Pogotovo motori mogu uzrokovati fluktuaciju struje i morate osmisliti svoje napajanje tako da se prilagodi „najgorem slučaju“u kojem svaki motor radi punim kapacitetom.

Morate koristiti drugačiji pristup za regulaciju napona za linijsko napajanje i baterijsko napajanje, jer će se naponski nivo baterije mijenjati kako se baterija prazni.

Drugi važan aspekt dizajna regulatora napona je efikasnost - posebno u projektima na baterije morate smanjiti gubitke energije na minimum.

PAŽNJA: U većini zemalja osoba ne može legalno raditi s naponima iznad 50V AC bez licence. Svaka greška koju učini bilo koja osoba koja radi sa smrtonosnim naponom može dovesti do njihove smrti ili smrti druge osobe. Iz tog razloga ću objasniti samo izgradnju istosmjernog napajanja sa naponskim nivoom ispod 60 V DC.

Korak 2: Vrste regulatora napona

Postoje dvije glavne vrste regulatora napona:

• linearni regulatori napona koji su najpristupačniji i jednostavni za upotrebu
• prekidački regulatori napona koji su učinkovitiji od linearnih regulatora napona, ali su skuplji i zahtijevaju složeniji dizajn kola.

U ovom vodiču ćemo raditi s linearnim regulatorima napona.

Električne karakteristike linearnih regulatora napona

Pad napona u linearnom regulatoru proporcionalan je rasipanoj snazi IC -a, odnosno drugim riječima, snaga gubi zbog efekta zagrijavanja.

Za rasipanje snage u linearnim regulatorima može se koristiti sljedeća jednadžba:

Snaga = (VI ulaz - izlazni izlaz) x I

Linearni regulator L7805 mora rasipati najmanje 2 vata ako bi isporučio opterećenje od 1 A (pad napona od 2 V puta 1 A).

S povećanjem razlike napona između ulaznog i izlaznog napona - raste i disipacija snage. Znači, na primjer, dok bi izvor od 7 volti, reguliran na 5 volti, isporučujući 1 pojačalo, rasipao 2 vata kroz linearni regulator, izvor od 12 volti istosmjernog napona reguliran na 5 volti koji daje istu struju raspršio bi 5 vata, čineći regulator samo 50 % efikasan.

Sljedeći važan parametar je „Toplinska otpornost“u jedinicama ° C/W (° C po vatu).

Ovaj parametar označava broj stupnjeva koje će čip zagrijati iznad temperature okolnog zraka, po svakom vatu snage koji se mora raspršiti. Jednostavno pomnožite izračunati gubitak snage s toplinskim otporom i to će vam reći koliko će se linearni regulator zagrijati pod tom količinom energije:

Snaga x toplinska otpornost = temperatura iznad ambijenta

Na primjer, regulator 7805 ima toplinsku otpornost od 50 ° C / Watt. To znači da se vaš regulator raspršuje:

• 1 vat, zagrijat će se na 50 ° C
• .2 vata zagrijat će 100 ° C.

NAPOMENA: U fazi planiranja projekta pokušajte procijeniti potrebnu struju i smanjiti naponsku razliku na minimum. Na primjer, linearni regulator napona 78XX ima pad napona od 2 V (minimalni ulazni napon je Vin = 5 + 2 = 7 V DC), pa kao rezultat možete koristiti napajanje od 7, 5 ili 9 V DC.

Proračun efikasnosti

Uzimajući u obzir da je izlazna struja jednaka ulaznoj struji za linearni regulator, dobit ćemo pojednostavljenu jednadžbu:

Efikasnost = Vout / Vin

Na primjer, recimo da imate 12 V na ulazu i trebate izlaziti 5 V pri 1 A struje opterećenja, tada bi učinkovitost za linearni regulator bila samo (5 V / 12 V) x 100 % = 41 %. To znači da se samo 41 % snage s ulaza prenosi na izlaz, a preostala snaga će se izgubiti kao toplina!

Korak 3: 78XX linearni regulatori

Regulatori napona 78XX su 3-pinski uređaji dostupni u više različitih paketa, od velikih paketa tranzistora za napajanje (T220) do malih uređaja za površinsko montiranje, to su regulatori pozitivnog napona. Serije 79XX su ekvivalentni regulatori negativnog napona.

Serija regulatora 78XX daje fiksne regulirane napone od 5 do 24 V. Posljednje dvije znamenke IC broja označavaju izlazni napon uređaja. To znači, na primjer, da je 7805 pozitivni regulator od 5 V, 7812 je pozitivan regulator od 12 V.

Ovi regulatori napona su direktni - spojite L8705 i nekoliko elektrolitičkih kondenzatora preko ulaza i izlaza, a vi ćete izgraditi jednostavan regulator napona za 5 V Arduino projekte.

Važan korak je provjeriti ispise podataka i preporuke proizvođača.

Regulatori 78XX (pozitivni) koriste sljedeće pinouts:

1. INPUT-neregulirani istosmjerni ulaz Vin
2. REFERENCA (UZEMLJENJE)
3. OUTPUT -regulirani istosmjerni izlaz Vout

Jedna stvar koju treba primijetiti kod verzije kućišta TO-220 ovih regulatora napona je da je kućište električno spojeno na središnji pin (pin 2). Na seriji 78XX to znači da je kućište uzemljeno.

Ova vrsta linearnog regulatora ima ispadni napon od 2 V, pa kao rezultat s izlazom od 5 V na 1A morate imati najmanje 2,5 V DC napon glave (tj. 5V + 2,5V = 7,5 V istosmjerni ulaz).

Preporuke proizvođača za glatke kondenzatore su CInput = 0,33 µF i COutput = 0,1 µF, ali općenita praksa je 100 µF kondenzatora na ulazu i izlazu. To je dobro rješenje za najgori mogući scenarij, a kondenzatori pomažu u nošenju sa nagle fluktuacije i prijelazne promjene u ponudi.

U slučaju da napajanje padne ispod praga od 2 V- kondenzatori će stabilizirati napajanje kako bi se osiguralo da se to ne dogodi. Ako vaš projekt nema takve prijelaze, možete pokrenuti s preporukama proizvođača.

Jednostavno linearno kolo regulatora napona je samo regulator napona L7805 i dva kondenzatora, ali možemo nadograditi ovaj krug kako bismo stvorili naprednije napajanje s određenom razinom zaštite i vizualne indikacije.

Ako želite distribuirati svoj projekt, svakako ću predložiti da dodate tih nekoliko dodatnih komponenti kako biste spriječili buduće neugodnosti s kupcima.

Korak 4: Nadograđeno kolo 7805

Prvo možete koristiti prekidač za uključivanje ili isključivanje kruga.

Dodatno možete postaviti diodu (D1), povezanu obrnutim pomakom između izlaza i ulaza regulatora. Ako u opterećenju postoje prigušnice, pa čak i kondenzatori, gubitak ulaza može uzrokovati obrnuti napon, što može uništiti regulator. Dioda zaobilazi sve takve struje.

Dodatni kondenzatori djeluju kao neka vrsta završnog filtera. Moraju biti nazivnog napona za izlazni napon, ali trebaju biti dovoljno visoki da odgovaraju ulazu radi male granice sigurnosti (npr. 16 25 V). Zaista ovise o vrsti opterećenja koje očekujete i mogu se izostaviti za čisto istosmjerno opterećenje, ali 100uF za C1 i C2 i 1uF za C4 (i C3) bio bi dobar početak.

Osim toga, možete dodati LED i odgovarajući otpornik za ograničavanje struje kako biste dobili svjetlosnu lampicu koja je vrlo korisna za otkrivanje kvara napajanja; kada je krug napajan LED svjetla su UKLJUČENA. U protivnom potražite greške u strujnom krugu.

Većina regulatora napona ima zaštitno kolo koje štiti čipove od pregrijavanja, a ako se previše zagrije, pada izlazni napon i stoga ograničava izlaznu struju tako da uređaj ne uništi toplina. Regulatori napona u paketima TO-220 također imaju otvor za montažu za pričvršćivanje hladnjaka, pa ću vam predložiti da ga svakako trebate koristiti za priključivanje dobrog industrijskog hladnjaka.

Korak 5: Više snage iz 78XX

Većina regulatora 78XX ograničena je na izlaznu struju od 1 - 1,5 A. Ako izlazna struja IC regulatora prelazi najveću dopuštenu granicu, njegov unutrašnji prolazni tranzistor će rasipati količinu energije više nego što može tolerirati, što će dovesti do do gašenja.

Za aplikacije koje zahtijevaju više od maksimalno dopuštene granice struje regulatora, vanjski prolazni tranzistor se može koristiti za povećanje izlazne struje. Slika iz FAIRCHILD Semiconductor -a prikazuje takvu konfiguraciju. Ovaj krug ima sposobnost stvaranja veće struje (do 10 A) na opterećenju, ali i dalje čuva termičko isključivanje i zaštitu od kratkog spoja IC regulatora.

Snažni tranzistor BD536 predlaže proizvođač.

Korak 6: LDO regulatori napona

L7805 je vrlo jednostavan uređaj s relativno visokim ispadnim naponom.

Neki linearni regulatori napona, takozvani niskoispušteni (LDO), imaju mnogo manji ispadni napon od 2V u 7805. Na primjer, LM2937 ili LM2940CT-5.0 ima ispadanje od 0,5 V, što će rezultirati da će vaš krug napajanja imaju veću efikasnost i možete ga koristiti u projektima sa napajanjem iz baterije.

Minimalni Vin-Vout diferencijal koji linearni regulator može raditi naziva se ispadni napon. Ako razlika između Vin i Vout padne ispod napona ispadanja, tada je regulator u načinu ispadanja.

Regulatori s malim ispuštanjem imaju vrlo malu razliku između ulaznog i izlaznog napona. Posebno razlika napona linearnih regulatora LM2940CT-5.0 može doseći manje od 0,5 volti prije nego što uređaji „ispadnu“. Za normalan rad ulazni napon bi trebao biti 0,5 V veći od izlaznog.

Ti regulatori napona imaju isti faktor oblika T220 kao i L7805 sa istim rasporedom - ulaz s lijeve strane, uzemljenje u sredini i izlaz s desne strane (gledano sprijeda). Kao rezultat toga, možete koristiti isti krug. Preporuke za proizvodnju kondenzatora su CInput = 0,47 µF i COutput = 22 µF.

Jedan veliki nedostatak je to što su regulatori sa niskim osipanjem skuplji (čak i do deset puta) u odnosu na seriju 7805.

Korak 7: Regulirano napajanje LM317

LM317 je pozitivni linearni regulator napona s promjenjivim izlazom, sposoban je opskrbiti izlaznu struju veću od 1,5 A u rasponu izlaznog napona od 1,2–37 V.

. Prva dva slova označavaju preferencije proizvođača, poput "LM", što znači "linearni monolitni". To je regulator napona s promjenjivim izlazom pa je vrlo koristan u situacijama kada vam je potreban nestandardni napon. Format 78xx je regulator pozitivnog napona, ili 79xx su regulatori negativnog napona, gdje “xx” predstavlja napon uređaja.

Raspon izlaznog napona je između 1,2 V i 37 V i može se koristiti za napajanje vašeg Raspberry Pi, Arduino ili DC Motors Shield -a. LM3XX ima istu razliku ulaznog/izlaznog napona kao 78XX - ulaz mora biti najmanje 2,5 V iznad izlaznog napona.

Kao i kod regulatora serije 78XX, LM317 je tropolni uređaj. No ožičenje je malo drugačije.

Ono što treba napomenuti kod povezivanja LM317 su dva otpornika R1 i R2 koji regulatoru daju referentni napon; ovaj referentni napon određuje izlazni napon. Ove vrijednosti otpornika možete izračunati na sljedeći način:

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

IAdj je tipično 50 µA i zanemariv u većini aplikacija, a VREF je 1,25 V - minimalni izlazni napon.

Ako zanemarimo IAdj tada se naša jednadžba može pojednostaviti na

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

Ako ćemo koristiti R1 240 Ω i R2 s 1 kΩ tada ćemo dobiti izlazni napon Vout = 1,25 (1+0/240) = 1,25 V.

Kad okrenemo gumb potenciometra do kraja u drugom smjeru, dobit ćemo Vout = 1,25 (1+2000/240) = 11,6 V kao izlazni napon.

Ako vam je potreban veći izlazni napon, zamijenite R1 sa 100 Ω otpornikom.

Objašnjeno kolo:

• R1 i R2 su potrebni za podešavanje izlaznog napona. CAdj se preporučuje za poboljšanje odbijanja talasa. Sprečava pojačavanje talasa kako se izlazni napon povećava.
• Preporučuje se C1, posebno ako regulator nije u neposrednoj blizini kondenzatora filtera za napajanje. Keramički ili tantal kondenzator od 0,1 µF ili 1 µF pruža dovoljno zaobilaženja za većinu aplikacija, posebno kada se koriste podešavajući i izlazni kondenzatori.
• C2 poboljšava prolazni odziv, ali nije potreban za stabilnost.
• Zaštitna dioda D2 preporučuje se ako se koristi CAdj. Dioda osigurava pražnjenje s niskom impedansom kako bi spriječila pražnjenje kondenzatora u izlaz regulatora.
• Zaštitna dioda D1 preporučuje se ako se koristi C2. Dioda osigurava pražnjenje s niskom impedansom kako bi spriječila pražnjenje kondenzatora u izlaz regulatora.

Korak 8: Sažetak

Linearni regulatori su korisni ako:

• Razlika ulaznog i izlaznog napona je mala
• Imate nisku struju opterećenja
• Potreban vam je izuzetno čist izlazni napon
• Dizajn morate održavati što jednostavnijim i jeftinijim.

Stoga, ne samo da su linearni regulatori lakši za upotrebu, već pružaju mnogo čistiji izlazni napon u odnosu na prekidače, bez talasa, šiljaka ili šuma bilo koje vrste. Ukratko, osim ako je rasipanje snage previsoko ili vam je potreban pojačavač, linearni regulator bit će vaša najbolja opcija.