Въведение в линейните регулатори на напрежение: 8 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:51

Преди пет години, когато за пръв път започнах с Arduino и Raspberry Pi, не мислех много за захранването, по това време захранващият адаптер от малинов Pi и USB захранването на Arduino бяха повече от достатъчни.

Но след известно време любопитството ми ме подтикна да обмисля други методи за захранване и след като създадох още проекти, бях принуден да обмисля различни и по възможност регулируеми източници на постоянен ток.

Особено, когато завършите дизайна си, определено ще искате да изградите по -постоянна версия на вашия проект и за това ще трябва да помислите как да го осигурите.

В този урок ще обясня как можете да създадете свое собствено линейно захранване с широко използвани и достъпни регулатори на напрежение IC (LM78XX, LM3XX, PSM-165 и др.). Ще научите за тяхната функционалност и изпълнение за вашите собствени проекти.

Стъпка 1: Съображения за проектиране

Общи нива на напрежение

Има няколко стандартни нива на напрежение, които вашият дизайн може да изисква:

• 3.3 волта DC-Това е често срещано напрежение, използвано от Raspberry PI и цифрови устройства с ниска мощност.
• 5 Volts DC - Това е стандартното TTL (Transistor Transistor Logic) напрежение, използвано от цифровите устройства.
• 12 волта DC - използва се за DC, серво и стъпкови двигатели.
• 24/48 Volts DC - широко използван в проекти с CNC и 3D печат.

В своя дизайн трябва да имате предвид, че напреженията на логическото ниво трябва да се регулират много точно. Например за устройства с TTL напрежение захранващото напрежение трябва да бъде между 4,75 и 5,25 волта, в противен случай всяко отклонение на напрежението ще накара логическите компоненти да спрат да работят правилно или дори да унищожат вашите компоненти.

За разлика от устройствата с логическо ниво, захранването на двигателите, светодиодите и други електронни компоненти може да се отклонява в широк диапазон. Освен това трябва да вземете предвид настоящите изисквания на проекта. Особено двигателите могат да причинят колебания на текущото потребление и трябва да проектирате захранването си, за да се приспособите към „най -лошия случай“, когато всеки двигател работи с пълен капацитет.

Трябва да използвате различен подход за регулиране на напрежението за проекти с линейно захранване и батерии, тъй като нивата на напрежение на батерията ще се колебаят, когато батерията се разрежда.

Друг важен аспект от дизайна на регулатора на напрежението е ефективността - особено при проекти, захранвани от батерии, трябва да намалите до минимум загубите на мощност.

ВНИМАНИЕ: В повечето страни човек не може законно да работи с напрежение над 50V AC без лиценз. Всяка грешка, направена от всяко лице, работещо със смъртоносно напрежение, може да доведе до тяхна собствена смърт или смърт на друго лице. Поради тази причина ще обясня само изграждането на DC захранване с ниво на напрежение под 60 V DC.

Стъпка 2: Видове регулатори на напрежение

Има два основни типа регулатори на напрежение:

• линейни регулатори на напрежение, които са най -достъпни и лесни за използване
• превключващи регулатори на напрежение, които са по -ефективни от линейните регулатори на напрежение, но са по -скъпи и изискват по -сложна схема.

В този урок ще работим с линейни регулатори на напрежение.

Електрически характеристики на линейните регулатори на напрежение

Спадът на напрежението в линейния регулатор е пропорционален на разсейваната мощност на ИС или с други думи мощността се губи поради нагряващия ефект.

За разсейване на мощността в линейните регулатори може да се използва следното уравнение:

Мощност = (VI вход - V изход) x I

Линейният регулатор L7805 трябва да разсейва поне 2 вата, ако доставя 1 A товар (2 V спад на напрежението по 1 A).

С увеличаването на разликата в напрежението между входното и изходното напрежение - разсейването на мощността също се увеличава. Това означава, например, че 7 -волтов източник, регулиран до 5 волта, доставящ 1 усилвател, ще разсейва 2 вата през линейния регулатор, източник от 12 V DC, регулиран до 5 волта, доставящ същия ток, ще разсейва 5 вата, което прави регулатора само 50 % ефективни.

Следващият важен параметър е „Термичното съпротивление“в единици ° C/W (° C на ват).

Този параметър показва броя на градусите, които чипът ще нагрее над температурата на околния въздух, на всеки ват мощност, който трябва да разсее. Просто умножете изчисленото разсейване на мощността с термичното съпротивление и това ще ви каже колко този линеен регулатор ще се нагрее при това количество енергия:

Мощност x Термично съпротивление = температура над околната среда

Например регулатор 7805 има топлоустойчивост 50 ° C / Watt. Това означава, че ако вашият регулатор се разсейва:

• 1 ват, той ще се загрее до 50 ° C
• .2 вата ще загрее 100 ° C.

ЗАБЕЛЕЖКА: По време на фазата на планиране на проекта се опитайте да оцените необходимия ток и да намалите разликата в напрежението до минимум. Например линейният регулатор на напрежение 78XX има спад на напрежението от 2 V (минималното входно напрежение е Vin = 5 + 2 = 7 V DC), в резултат на което можете да използвате 7, 5 или 9 V DC захранване.

Изчисляване на ефективността

Като се има предвид, че изходният ток е равен на входния ток за линеен регулатор, тогава ще получим опростено уравнение:

Ефективност = Vout / Vin

Например, да предположим, че имате 12 V на входа и трябва да изведете 5 V при 1 A ток на натоварване, тогава ефективността за линеен регулатор ще бъде само (5 V / 12 V) x 100 % = 41 %. Това означава, че само 41 % от мощността от входа се прехвърля към изхода, а останалата мощност ще бъде загубена като топлина!

Стъпка 3: 78XX линейни регулатори

Регулаторите на напрежение 78XX са 3-пинови устройства, налични в редица различни пакети, от големи транзисторни пакети за мощност (T220) до малки устройства за повърхностно монтиране, това са регулатори с положително напрежение. Серията 79XX са еквивалентни регулатори на отрицателно напрежение.

Регулаторите от серията 78XX осигуряват фиксирани регулирани напрежения от 5 до 24 V. Последните две цифри от номера на частта на IC означават изходното напрежение на устройството. Това означава, например, 7805 е положителен 5 -волтов регулатор, 7812 е положителен 12 -волтов регулатор.

Тези регулатори на напрежението са направо напред - свържете L8705 и няколко електролитни кондензатора през входа и изхода и изграждате прост регулатор на напрежение за проекти с 5 V Arduino.

Важната стъпка е да проверите информационните листове за изводи и препоръки на производителя.

Регулаторите 78XX (положителни) използват следните изводи:

1. INPUT-нерегулиран DC вход Vin
2. РЕФЕРЕНЦИЯ (НАЗАД)
3. OUTPUT -регулиран DC изход Vout

Едно нещо, което трябва да се отбележи при версията на корпуса TO-220 на тези регулатори на напрежението, е, че корпусът е електрически свързан към централния щифт (щифт 2). В серията 78XX това означава, че случаят е заземен.

Този тип линеен регулатор има напрежение на отпадане 2 V, в резултат на което с 5V изход при 1A, трябва да имате поне 2.5 V DC напрежение на главата (т.е. 5V + 2.5V = 7.5V DC вход).

Препоръките на производителя за изглаждащите кондензатори са CInput = 0,33 µF и COutput = 0,1 µF, но общата практика е 100 µF кондензатор на входа и изхода. Това е добро решение за най-лошия сценарий и кондензаторите помагат да се справят с внезапни колебания и преходни процеси в предлагането.

В случай, че захранването падне под прага от 2 V- кондензаторите ще стабилизират захранването, за да гарантират, че това не се случва. Ако вашият проект няма такива преходни процеси, можете да стартирате с препоръките на производителя.

Простата линейна верига за регулатор на напрежение е само регулатор на напрежението L7805 и два кондензатора, но можем да надстроим тази схема, за да създадем по -модерно захранване с известно ниво на защита и визуална индикация.

Ако искате да разпространявате проекта си, определено ще предложа да добавите тези няколко допълнителни компонента, за да предотвратите бъдещи неудобства с клиентите.

Стъпка 4: Обновена схема 7805

Първо можете да използвате превключвателя, за да включите или изключите веригата.

Освен това можете да поставите диод (D1), свързан в обратна посока между изхода и входа на регулатора. Ако в товара има индуктори или дори кондензатори, загубата на вход може да причини обратно напрежение, което може да разруши регулатора. Диодът заобикаля всякакви такива токове.

Допълнителните кондензатори действат като вид финален филтър. Те трябва да са с номинално напрежение за изходното напрежение, но трябва да са достатъчно високи, за да отговарят на входа за малко граница на безопасност (напр. 16 25 V). Те наистина зависят от вида натоварване, което очаквате, и могат да бъдат пропуснати за чисто DC натоварване, но 100uF за C1 и C2 и 1uF за C4 (и C3) би било добро начало.

Освен това можете да добавите светодиода и подходящ резистор за ограничаване на тока, за да осигурите индикатор, който е много полезен за откриване на прекъсване на захранването; когато веригата се захранва, LED светлините са включени, в противен случай потърсете някои повреди във вашата верига.

Повечето регулатори на напрежение имат защитна схема, която предпазва чиповете от прегряване и ако стане твърде горещо, той изпуска изходното напрежение и следователно ограничава изходния ток, така че устройството да не бъде унищожено от топлината. Регулаторите на напрежение в опаковки TO-220 също имат монтажен отвор за закрепването на радиатора и аз ще предложа, че определено трябва да го използвате, за да прикрепите добър индустриален радиатор.

Стъпка 5: Повече мощност от 78XX

Повечето от 78XX регулаторите са ограничени до изходен ток от 1 - 1.5 A. Ако изходният ток на IC регулатор надвишава максимално допустимата граница, неговият вътрешен проходен транзистор ще разсее количество енергия повече, отколкото може да понесе, което ще доведе до до спиране.

За приложения, които изискват повече от максимално допустимата граница на ток на регулатор, може да се използва външен преминаващ транзистор за увеличаване на изходния ток. Фигура от FAIRCHILD Semiconductor илюстрира такава конфигурация. Тази верига има способността да произвежда по-висок ток (до 10 A) към товара, но все пак запазва термичното изключване и защитата от късо съединение на IC регулатора.

Мощният транзистор BD536 е предложен от производителя.

Стъпка 6: LDO регулатори на напрежение

L7805 е много просто устройство с относително високо напрежение на отпадане.

Някои линейни регулатори на напрежение, така наречените ниско отпадане (LDO), имат много по-малко напрежение на отпадане от 2V на 7805. Например LM2937 или LM2940CT-5.0 има отпадане от 0,5 V, в резултат на което вашата захранваща верига ще имат по -висока ефективност и можете да го използвате в проекти с захранване с батерии.

Минималният Vin-Vout диференциал, който може да работи с линеен регулатор, се нарича отпадащо напрежение. Ако разликата между Vin и Vout падне под напрежението на отпадане, тогава регулаторът е в режим на отпадане.

Регулаторите с ниско отпадане имат много ниска разлика между входното и изходното напрежение. Особено разликата в напрежението на линейните регулатори LM2940CT-5.0 може да достигне по-малко от 0,5 волта, преди устройствата да „отпаднат“. За нормална работа входното напрежение трябва да бъде 0,5 V по -високо от изходното.

Тези регулатори на напрежение имат същия форм -фактор T220 като L7805 със същото оформление - вход отляво, маса в средата и изход отдясно (когато се гледа отпред). В резултат на това можете да използвате същата схема. Препоръките за производство на кондензаторите са CInput = 0.47 µF и COutput = 22 µF.

Един голям недостатък е, че регулаторите с „ниско отпадане“са по-скъпи (дори до десет пъти) в сравнение със серията 7805.

Стъпка 7: Регулирано захранване LM317

LM317 е положителен линеен регулатор на напрежение с променлив изход, способен да подава изходен ток над 1,5 A в диапазон на изходното напрежение 1,2–37 V.

. Първите две букви означават предпочитанията на производителя, като например „LM“, което означава „линейно монолитно“. Това е регулатор на напрежение с променлив изход и затова е много полезен в ситуации, когато имате нужда от нестандартно напрежение. Форматът 78xx е регулатори с положително напрежение, или 79xx са регулатори с отрицателно напрежение, където „xx“представлява напрежението на устройствата.

Обхватът на изходното напрежение е между 1,2 V и 37 V и може да се използва за захранване на вашия Raspberry Pi, Arduino или DC Motors Shield. LM3XX има същата разлика на входно/изходно напрежение като 78XX - входът трябва да бъде най -малко 2,5 V над изходното напрежение.

Както и при регулаторите от серията 78XX, LM317 е устройство с три пина. Но окабеляването е малко по -различно.

Основното, което трябва да се отбележи при свързването на LM317, са двата резистора R1 и R2, които осигуряват референтно напрежение към регулатора; това референтно напрежение определя изходното напрежение. Можете да изчислите тези стойности на резистора, както следва:

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

IAdj обикновено е 50 µA и е незначителен в повечето приложения, а VREF е 1,25 V - минимално изходно напрежение.

Ако пренебрегнем IAdj, тогава нашето уравнение може да бъде опростено до

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

Ако ще използваме R1 240 Ω и R2 с 1 kΩ, тогава ще получим изходно напрежение Vout = 1,25 (1+0/240) = 1,25 V.

Когато завъртим копчето на потенциометъра напълно в друга посока, тогава ще получим Vout = 1,25 (1+2000/240) = 11,6 V като изходно напрежение.

Ако имате нужда от по -високо изходно напрежение, трябва да замените R1 със 100 Ω резистор.

Обяснение на веригата:

• R1 и R2 са необходими за настройка на изходното напрежение. CAdj се препоръчва за подобряване на отхвърлянето на вълнички. Той предотвратява усилването на вълната, тъй като изходното напрежение се регулира по -високо.
• Препоръчва се C1, особено ако регулаторът не е в непосредствена близост до кондензаторите на филтъра за захранване. Керамичен или танталов кондензатор от 0,1 µF или 1 µF осигурява достатъчен байпас за повечето приложения, особено когато се използват регулиращи и изходни кондензатори.
• C2 подобрява преходната реакция, но не е необходима за стабилност.
• Защитен диод D2 се препоръчва, ако се използва CAdj. Диодът осигурява изпускателен път с нисък импеданс, за да предотврати разреждането на кондензатора в изхода на регулатора.
• Защитен диод D1 се препоръчва, ако се използва C2. Диодът осигурява път на разреждане с нисък импеданс, за да предотврати разреждането на кондензатора в изхода на регулатора.

Стъпка 8: Обобщение

Линейните регулатори са полезни, ако:

• Диференциалът на входното и изходното напрежение е малък
• Имате слаб ток на натоварване
• Изисквате изключително чисто изходно напрежение
• Трябва да поддържате дизайна възможно най -прост и евтин.

Следователно, не само, че линейните регулатори са по -лесни за използване, но те осигуряват много по -чисто изходно напрежение в сравнение с превключващите регулатори, без пулсации, шипове или шум от всякакъв тип. В обобщение, освен ако разсейването на мощността не е твърде високо или не ви е необходим регулатор, линейният регулатор ще бъде най-добрият ви вариант.