Wprowadzenie do liniowych regulatorów napięcia: 8 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:29

Pięć lat temu, kiedy po raz pierwszy zaczynałem z Arduino i Raspberry Pi, nie myślałem zbytnio o zasilaniu, w tym czasie zasilacz z raspberry Pi i zasilanie USB Arduino w zupełności wystarczały.

Jednak po pewnym czasie moja ciekawość popchnęła mnie do rozważenia innych sposobów zasilania i po stworzeniu kolejnych projektów zmuszony byłem do przemyśleń na temat różnych i w miarę możliwości regulowanych źródeł prądu stałego.

Zwłaszcza po ukończeniu projektu na pewno będziesz chciał zbudować trwalszą wersję swojego projektu, a do tego będziesz musiał rozważyć, jak zapewnić mu zasilanie.

W tym samouczku wyjaśnię, w jaki sposób można stworzyć własny liniowy zasilacz z szeroko stosowanymi i niedrogimi regulatorami napięcia IC (LM78XX, LM3XX, PSM-165 itp.). Poznasz ich funkcjonalność i wdrożenie do własnych projektów.

Krok 1: Rozważania projektowe

Wspólne poziomy napięcia

Istnieje kilka standardowych poziomów napięcia, których może wymagać Twój projekt:

• 3,3 V DC – Jest to typowe napięcie używane przez Raspberry PI i urządzenia cyfrowe o niskim poborze mocy.
• 5 V DC – Jest to standardowe napięcie TTL (Transistor Transistor Logic) używane przez urządzenia cyfrowe.
• 12 V DC – stosowane do silników DC, serwo i krokowych.
• 24/48 V DC – szeroko stosowany w projektach CNC i druku 3D.

Powinieneś wziąć pod uwagę w swoim projekcie, że napięcia na poziomie logicznym muszą być bardzo precyzyjnie regulowane. Na przykład w przypadku urządzeń z napięciem TTL napięcie zasilania musi wynosić od 4,75 do 5,25 woltów, w przeciwnym razie każde odchylenie napięcia spowoduje, że elementy logiczne przestaną działać poprawnie, a nawet zniszczą elementy.

W przeciwieństwie do urządzeń poziomu logicznego zasilanie silników, diod LED i innych elementów elektronicznych może różnić się w szerokim zakresie. Dodatkowo musisz wziąć pod uwagę aktualne wymagania projektu. Zwłaszcza silniki mogą powodować wahania poboru prądu i musisz zaprojektować swój zasilacz tak, aby dostosować się do „najgorszego przypadku”, w którym każdy silnik pracuje z pełną wydajnością.

Musisz zastosować inne podejście do regulacji napięcia dla projektów zasilanych z sieci i zasilanych z baterii, ponieważ poziomy napięcia baterii będą się zmieniać w miarę rozładowywania baterii.

Kolejnym ważnym aspektem konstrukcji regulatora napięcia jest wydajność – szczególnie w projektach zasilanych bateryjnie należy ograniczyć straty mocy do minimum.

UWAGA: W większości krajów bez licencji osoba nie może legalnie pracować z napięciami powyżej 50V AC. Każdy błąd popełniony przez osobę pracującą ze śmiertelnym napięciem może prowadzić do śmierci własnej lub innej osoby. Z tego powodu wyjaśnię tylko budowę zasilacza DC o poziomie napięcia poniżej 60 V DC.

Krok 2: Rodzaje regulatorów napięcia

Istnieją dwa główne typy regulatorów napięcia:

• liniowe regulatory napięcia, które są najbardziej przystępne cenowo i proste w obsłudze
• przełączające regulatory napięcia, które są bardziej wydajne niż liniowe regulatory napięcia, ale droższe i wymagają bardziej złożonej konstrukcji obwodu.

W tym samouczku będziemy pracować z liniowymi regulatorami napięcia.

Charakterystyka elektryczna liniowych regulatorów napięcia

Spadek napięcia w regulatorze liniowym jest proporcjonalny do rozproszonej mocy układu scalonego lub innymi słowy straty mocy z powodu efektu nagrzewania.

Do rozproszenia mocy w regulatorach liniowych można wykorzystać równanie:

Moc = (VIwejście – VWyjście) x I

Regulator liniowy L7805 musi rozpraszać co najmniej 2 waty, jeśli dostarcza obciążenie 1 A (spadek napięcia 2 V razy 1 A).

Wraz ze wzrostem różnicy napięć między napięciem wejściowym a wyjściowym wzrasta również rozproszenie mocy. Oznacza to, że na przykład, podczas gdy 7-woltowe źródło regulowane do 5 woltów dostarczających 1 A rozproszyłoby 2 waty przez regulator liniowy, źródło 12 V DC regulowane do 5 woltów dostarczających ten sam prąd rozproszyłoby 5 watów, czyniąc regulator tylko 50% wydajny.

Kolejnym ważnym parametrem jest „Odporność termiczna” w jednostkach °C/W (°C na wat).

Ten parametr wskazuje, o ile stopni chip będzie się nagrzewał powyżej temperatury otoczenia, na każdy wat mocy, którą musi rozproszyć. Po prostu pomnóż obliczone rozpraszanie mocy przez opór cieplny, a to powie Ci, jak bardzo regulator liniowy będzie się nagrzewał przy tej ilości mocy:

Moc x odporność termiczna = temperatura powyżej otoczenia

Na przykład regulator 7805 ma odporność termiczną 50°C / wat. Oznacza to, że jeśli twój regulator się rozprasza:

• 1 wat, nagrzewa się do 50°C
• 0,2 wata rozgrzeje się do 100°C.

UWAGA: W fazie planowania projektu spróbuj oszacować wymagany prąd i zredukować różnicę napięć do minimum. Np. liniowy regulator napięcia 78XX ma spadek napięcia 2 V (min. napięcie wejściowe Vin = 5 + 2 = 7 V DC), dzięki czemu można zastosować zasilacz 7, 5 lub 9 V DC.

Obliczanie wydajności

Biorąc pod uwagę, że prąd wyjściowy jest równy prądowi wejściowemu regulatora liniowego, otrzymamy uproszczone równanie:

Wydajność = Vout / Vin

Na przykład, powiedzmy, że masz na wejściu 12 V i musisz wyprowadzić 5 V przy 1 A prądu obciążenia, wtedy sprawność regulatora liniowego wynosiłaby tylko (5 V / 12 V) x 100% = 41%. Oznacza to, że tylko 41% mocy z wejścia jest przekazywane na wyjście, a pozostała moc zostanie utracona w postaci ciepła!

Krok 3: Regulatory liniowe 78XX

Regulatory napięcia 78XX to 3-pinowe urządzenia dostępne w wielu różnych pakietach, od dużych pakietów tranzystorów mocy (T220) po małe urządzenia do montażu powierzchniowego, są to regulatory napięcia dodatniego. Seria 79XX to równoważne regulatory napięcia ujemnego.

Seria regulatorów 78XX zapewnia stałe regulowane napięcia od 5 do 24 V. Ostatnie dwie cyfry numeru części układu scalonego oznaczają napięcie wyjściowe urządzenia. Oznacza to, że na przykład 7805 jest dodatnim regulatorem 5 woltów, a 7812 jest dodatnim regulatorem 12 woltów.

Te regulatory napięcia są proste – podłącz L8705 i kilka kondensatorów elektrolitycznych na wejściu i wyjściu, i zbuduj prosty regulator napięcia dla projektów Arduino 5 V.

Ważnym krokiem jest sprawdzenie arkuszy danych pod kątem wyprowadzeń i zaleceń producenta.

Regulatory 78XX (dodatnie) wykorzystują następujące wyprowadzenia:

1. WEJŚCIE nieregulowane wejście DC Vin
2. ODNIESIENIE (ZIEMIA)
3. WYJŚCIE -regulowane wyjście DC Vout

Jedną rzeczą, na którą należy zwrócić uwagę w przypadku wersji TO-220 tych regulatorów napięcia, jest to, że obudowa jest elektrycznie podłączona do środkowego pinu (pin 2). W serii 78XX oznacza to, że obudowa jest uziemiona.

Ten typ regulatora liniowego ma napięcie zaniku 2 V, w wyniku czego przy wyjściu 5 V przy 1 A trzeba mieć napięcie głowicy co najmniej 2,5 V DC (tj. wejście 5 V + 2,5 V = 7,5 V DC).

Zalecenia producenta dla kondensatorów wygładzających to CInput = 0,33 µF i COOutput = 0,1 µF, ale ogólna praktyka to kondensator 100 µF na wejściu i wyjściu Jest to dobre rozwiązanie na najgorszy scenariusz, a kondensatory pomagają sobie z nim poradzić. nagłe wahania i nieustalone stany podaży.

W przypadku, gdy zasilanie spadnie poniżej progu 2 V - kondensatory ustabilizują zasilanie, aby zapewnić, że tak się nie stanie. Jeśli Twój projekt nie zawiera takich transjentów, możesz uruchomić zgodnie z zaleceniami producenta.

Prosty liniowy obwód regulatora napięcia to tylko regulator napięcia L7805 i dwa kondensatory, ale możemy ulepszyć ten obwód, aby stworzyć bardziej zaawansowany zasilacz z pewnym poziomem ochrony i sygnalizacją wizualną.

Jeśli chciałbyś dystrybuować swój projekt, zdecydowanie zasugeruję dodanie tych kilku dodatkowych komponentów, aby zapobiec przyszłym niedogodnościom dla klientów.

Krok 4: Ulepszony obwód 7805

Najpierw możesz użyć przełącznika, aby włączyć lub wyłączyć obwód.

Dodatkowo można umieścić diodę (D1) podłączoną w odwrotnej polaryzacji pomiędzy wyjściem a wejściem regulatora. Jeśli w obciążeniu znajdują się cewki indukcyjne, a nawet kondensatory, utrata sygnału wejściowego może spowodować napięcie wsteczne, które może zniszczyć regulator. Dioda omija takie prądy.

Dodatkowe kondensatory działają jak rodzaj filtra końcowego. Muszą mieć napięcie znamionowe dla napięcia wyjściowego, ale powinny być wystarczająco wysokie, aby pasowały do wejścia z niewielkim marginesem bezpieczeństwa (np. 16 25 V). Zależą one naprawdę od oczekiwanego typu obciążenia i można je pominąć dla czystego obciążenia DC, ale 100uF dla C1 i C2 oraz 1uF dla C4 (i C3) byłoby dobrym początkiem.

Dodatkowo można dodać diodę LED i odpowiedni rezystor ograniczający prąd, aby zapewnić lampkę kontrolną, która jest bardzo przydatna do wykrywania awarii zasilania; gdy obwód jest zasilany, diody LED są włączone, w przeciwnym razie poszukaj awarii w obwodzie.

Większość regulatorów napięcia ma obwody zabezpieczające, które chronią chipy przed przegrzaniem, a jeśli robi się zbyt gorąco, spada napięcie wyjściowe, a tym samym ogranicza prąd wyjściowy, aby urządzenie nie zostało zniszczone przez ciepło. Regulatory napięcia w pakietach TO-220 posiadają również otwór montażowy do mocowania radiatora i sugeruję, że zdecydowanie należy go wykorzystać do zamocowania dobrego radiatora przemysłowego.

Krok 5: Więcej mocy z 78XX

Większość regulatorów 78XX jest ograniczona do prądu wyjściowego 1 - 1,5 A. Jeśli prąd wyjściowy regulatora IC przekroczy maksymalny dopuszczalny limit, jego wewnętrzny tranzystor przepustowy rozproszy ilość energii większą niż jest w stanie tolerować, co spowoduje do zamknięcia.

W aplikacjach, które wymagają więcej niż maksymalna dopuszczalna granica prądu regulatora, do zwiększenia prądu wyjściowego można użyć zewnętrznego tranzystora przepustowego. Rysunek z FAIRCHILD Semiconductor ilustruje taką konfigurację. Obwód ten ma zdolność wytwarzania większego prądu (do 10 A) do obciążenia, zachowując jednocześnie wyłączenie termiczne i ochronę przed zwarciem regulatora IC.

Tranzystor mocy BD536 jest sugerowany przez producenta.

Krok 6: Regulatory napięcia LDO

L7805 to bardzo proste urządzenie ze stosunkowo wysokim napięciem zaniku.

Niektóre liniowe regulatory napięcia, tak zwane low-dropout (LDO), mają znacznie mniejsze napięcie spadku niż 2V w 7805. Na przykład LM2937 lub LM2940CT-5.0 ma spadek napięcia 0,5V, w wyniku czego obwód zasilania mają wyższą wydajność i można go używać w projektach z zasilaniem bateryjnym.

Minimalna różnica Vin-Vout, jaką może działać regulator liniowy, nazywana jest napięciem zaniku. Jeżeli różnica między Vin i Vout spadnie poniżej napięcia zaniku, to regulator jest w trybie zaniku.

Regulatory o niskim spadku mają bardzo małą różnicę między napięciem wejściowym a wyjściowym. Zwłaszcza różnica napięć regulatorów liniowych LM2940CT-5.0 może osiągnąć mniej niż 0,5 wolta, zanim urządzenia „odpadną”. W przypadku normalnej pracy napięcie wejściowe powinno być o 0,5 V wyższe niż wyjściowe.

Te stabilizatory napięcia mają ten sam współczynnik kształtu T220 co L7805 z takim samym układem - wejście po lewej stronie, masa pośrodku i wyjście po prawej (patrząc od przodu). W rezultacie możesz użyć tego samego obwodu. Zalecenia produkcyjne dla kondensatorów to CInput = 0,47 µF i COOutput = 22 µF.

Jedną z głównych wad jest to, że regulatory „low-dropout” są droższe (nawet do dziesięciu razy) w porównaniu z serią 7805.

Krok 7: Regulowany zasilacz LM317

LM317 to dodatni liniowy regulator napięcia ze zmienną mocą wyjściową, który jest w stanie dostarczyć prąd wyjściowy większy niż 1,5 A w zakresie napięcia wyjściowego 1,2–37 V.

. Pierwsze dwie litery oznaczają preferencje producenta, np. „LM” oznacza „monolit liniowy”. Jest to regulator napięcia ze zmiennym wyjściem, dlatego jest bardzo przydatny w sytuacjach, gdy potrzebne jest niestandardowe napięcie. Format 78xx to regulatory napięcia dodatniego, a 79xx to regulatory napięcia ujemnego, gdzie „xx” reprezentuje napięcie urządzeń.

Zakres napięcia wyjściowego wynosi od 1,2 V do 37 V i może być używany do zasilania Raspberry Pi, Arduino lub DC Motors Shield. LM3XX ma taką samą różnicę napięć wejściowych/wyjściowych jak 78XX – napięcie wejściowe musi być co najmniej 2,5 V wyższe od napięcia wyjściowego.

Podobnie jak w przypadku regulatorów serii 78XX, LM317 jest urządzeniem trzypinowym. Ale okablowanie jest nieco inne.

Najważniejszą rzeczą, na którą należy zwrócić uwagę przy podłączaniu LM317, są dwa rezystory R1 i R2, które dostarczają napięcie odniesienia do regulatora; to napięcie odniesienia określa napięcie wyjściowe. Możesz obliczyć te wartości rezystorów w następujący sposób:

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

IAdj wynosi zwykle 50 µA i jest zaniedbywalne w większości zastosowań, a VREF wynosi 1,25 V – minimalne napięcie wyjściowe.

Jeśli pominiemy IAdj, to nasze równanie można uprościć do

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

Jeśli użyjemy R1 240 Ω i R2 z 1 kΩ to otrzymamy napięcie wyjściowe Vout = 1,25 (1+0/240) = 1,25 V.

Gdy obrócimy całkowicie pokrętło potencjometru w innym kierunku, otrzymamy Vout = 1,25 (1+2000/240) = 11,6 V jako napięcie wyjściowe.

Jeśli potrzebujesz wyższego napięcia wyjściowego, powinieneś zastąpić R1 rezystorem 100 Ω.

Wyjaśnienie obwodu:

• R1 i R2 są wymagane do ustawienia napięcia wyjściowego. Zaleca się CAdj, aby poprawić odrzucanie ripple. Zapobiega wzmacnianiu tętnień, ponieważ napięcie wyjściowe jest regulowane wyżej.
• C1 jest zalecane, szczególnie jeśli regulator nie znajduje się w pobliżu kondensatorów filtrujących zasilacz. Ceramiczny lub tantalowy kondensator 0,1 µF lub 1 µF zapewnia wystarczające obejście w większości zastosowań, zwłaszcza gdy stosowane są kondensatory regulacyjne i wyjściowe.
• C2 poprawia odpowiedź przejściową, ale nie jest potrzebny do stabilności.
• Dioda zabezpieczająca D2 jest zalecana, jeśli używany jest CAdj. Dioda zapewnia ścieżkę rozładowania o niskiej impedancji, aby zapobiec rozładowaniu kondensatora na wyjściu regulatora.
• Dioda zabezpieczająca D1 jest zalecana, jeśli używany jest C2. Dioda zapewnia ścieżkę rozładowania o niskiej impedancji, aby zapobiec rozładowaniu kondensatora na wyjściu regulatora.

Krok 8: Podsumowanie

Regulatory liniowe są przydatne, gdy:

• Różnica napięcia wejściowego do wyjściowego jest niewielka
• Masz niski prąd obciążenia
• Potrzebujesz wyjątkowo czystego napięcia wyjściowego
• Musisz zachować projekt tak prosty i tani, jak to tylko możliwe.

Dlatego też regulatory liniowe są nie tylko łatwiejsze w użyciu, ale zapewniają znacznie czystsze napięcie wyjściowe w porównaniu z regulatorami przełączającymi, bez tętnień, skoków lub szumów jakiegokolwiek rodzaju. Podsumowując, o ile rozpraszanie mocy nie jest zbyt wysokie lub nie potrzebujesz regulatora step-up, najlepszym rozwiązaniem będzie regulator liniowy.