Inleiding tot lineêre spanningsreguleerders: 8 stappe

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:25

Vyf jaar gelede toe ek die eerste keer met die Arduino en Raspberry Pi begin het, het ek nie te veel gedink aan die kragtoevoer nie; op hierdie tydstip was die kragadapter van framboos Pi en die USB -toevoer van Arduino meer as genoeg.

Maar na 'n geruime tyd het my nuuskierigheid my gedwing om ander kragtoevoermetodes te oorweeg, en nadat ek meer projekte geskep het, moes ek oorwegings oor verskillende en, indien moontlik, verstelbare GS -kragbronne oorweeg.

Veral as u klaar is met u ontwerp, sal u beslis 'n meer permanente weergawe van u projek wil bou, en daarvoor sal u moet oorweeg hoe u dit moet verskaf.

In hierdie handleiding sal ek verduidelik hoe u u eie lineêre kragtoevoer kan skep met wyd gebruikte en bekostigbare spanningsreguleerders IC (LM78XX, LM3XX, PSM-165, ens.). U leer meer oor die funksionaliteit en implementering daarvan vir u eie projekte.

Stap 1: Ontwerpoorwegings

Algemene spanningsvlakke

Daar is verskillende standaard spanningsvlakke wat u ontwerp benodig:

• 3.3 Volt DC-Dit is 'n algemene spanning wat gebruik word deur Framboos PI en digitale toestelle met 'n lae krag.
• 5 Volt DC - Dit is die standaard TTL (Transistor Transistor Logic) spanning wat deur digitale toestelle gebruik word.
• 12 Volt DC - gebruik vir DC-, servo- en stepper motors.
• 24/48 Volt DC - wyd gebruik in CNC en 3D Print projekte.

U moet in u ontwerp in ag neem dat logiese vlakspannings baie presies gereguleer moet word. Byvoorbeeld, vir toestelle met TTL -spanning moet die voedingspanning tussen 4,75 en 5,25 volt wees, anders veroorsaak enige spanningafwyking dat die logiese komponente nie meer korrek werk nie of selfs u komponente vernietig.

In teenstelling met die logiese vlak kan die kragtoevoer vir motors, LED's en ander elektroniese komponente in 'n wye reeks afwyk. U moet ook die huidige vereistes van die projek in ag neem. Veral motors kan veroorsaak dat die huidige trekking wissel, en u moet u kragtoevoer ontwerp om aan die situasie in die "ergste geval" te voldoen, waar elke motor op volle kapasiteit werk.

U moet 'n ander benadering gebruik vir die spanningsregulering vir die ontwerpe wat met lyn- en batterye aangedryf word, want die batterispanningsvlakke sal wissel namate die battery laai.

'N Ander belangrike aspek van die ontwerp van die spanningsreguleerder is die doeltreffendheid - veral in projekte met batterye moet u kragverliese tot die minimum beperk.

AANDAG: In die meeste lande kan 'n persoon nie wettiglik met spanning bo 50V AC werk sonder 'n lisensie nie. Elke fout wat gemaak word deur iemand wat met dodelike spanning werk, kan lei tot hul eie dood, of dié van 'n ander persoon. Om hierdie rede sal ek slegs die kragopwekking met 'n spanningsvlak van minder as 60 V DC verduidelik.

Stap 2: Tipes spanningsreguleerders

Daar is twee hooftipes spanningsreguleerders:

• lineêre spanningsreguleerders wat die goedkoopste en maklikste is om te gebruik
• skakelspanningsreguleerders wat doeltreffender is as lineêre spanningsreguleerders, maar duurder en vereis 'n meer komplekse stroombaanontwerp.

In hierdie handleiding werk ons met lineêre spanningsreguleerders.

Elektriese eienskappe van die lineêre spanningsreguleerders

Die spanningsval in die lineêre reguleerder is eweredig aan die verspreide krag van die IC, of met ander woorde krag verloor as gevolg van die verhittingseffek.

Vir die kragverlies in die lineêre reguleerders kan die volgende vergelyking gebruik word:

Krag = (VInput - VOutput) x I

Die L7805 lineêre reguleerder moet ten minste 2 watt versprei as dit 'n 1 A -las lewer (2 V spanningsval keer 1 A).

Met die toename van die spanningsverskil tussen die ingangs- en uitgangsspanning - neem die kragverlies ook toe. Dit beteken byvoorbeeld dat terwyl 'n 7 volt bron wat gereguleer is tot 5 volt wat 1 amp lewer, 2 watt deur die lineêre reguleerder sou versprei, sou 'n 12 V DC bron wat gereguleer is tot 5 volt wat dieselfde stroom lewer, 5 watt versprei, wat die reguleerder slegs 50 % sou maak doeltreffend.

Die volgende belangrike parameter is die "termiese weerstand" in eenhede van ° C/W (° C per Watt).

Hierdie parameter dui die aantal grade aan wat die skyf bo die temperatuur van die lug sal opwarm, per elke watt krag wat dit moet versprei. Vermenigvuldig eenvoudig die berekende kragverlies met termiese weerstand, en dit sal u vertel hoeveel die lineêre reguleerder onder die hoeveelheid krag sal opwarm:

Krag x termiese weerstand = temperatuur bo die omgewing

'N 7805 -reguleerder het byvoorbeeld 'n termiese weerstand van 50 ° C / Watt. Dit beteken dat as u regulator verdwyn:

• 1 watt, sal dit 50 ° C verhit
• .2 watt sal dit 100 ° C verhit.

LET WEL: Probeer tydens die beplanningsfase die vereiste stroom skat en verminder die spanningsverskil tot 'n minimum. Byvoorbeeld, 78XX lineêre spanningsreguleerder het 'n 2 V spanningsval (min. Ingangsspanning is Vin = 5 + 2 = 7 V DC), gevolglik kan u 7, 5 of 9 V DC kragtoevoer gebruik.

Doeltreffendheidsberekening

Onder oorweging dat die uitsetstroom gelyk is aan die insetstroom vir 'n lineêre reguleerder, kry ons 'n vereenvoudigde vergelyking:

Doeltreffendheid = Vout / Vin

Gestel u het byvoorbeeld 12 V op die ingang en moet 5 V by 1 A laestroom uitvoer, dan is die doeltreffendheid van 'n lineêre reguleerder slegs (5 V / 12 V) x 100 % = 41 %. Dit beteken dat slegs 41 % van die krag van die ingang na die uitset oorgedra word, en die oorblywende krag sal as hitte verlore gaan!

Stap 3: 78XX Lineêre Reguleerders

Die 78XX spanningsreguleerders is 3-pins toestelle beskikbaar in 'n aantal verskillende pakkette, van groot kragtransistorpakkies (T220) tot klein toestelle op die oppervlak, dit is 'n positiewe spanningsreguleerder. Die 79XX -reeks is die ekwivalente negatiewe spanningsreguleerders.

Die 78XX -reeks reguleerders bied vaste gereguleerde spannings van 5 tot 24 V. Die laaste twee syfers van die IC -onderdeelnommer dui die uitgangsspanning van die toestel aan. Dit beteken byvoorbeeld dat 'n 7805 'n positiewe 5 volt -reguleerder is, 'n 7812 'n positiewe 12 volt -reguleerder.

Hierdie spanningsreguleerders is reguit vorentoe - verbind L8705 en 'n paar elektrolitiese kapasitors oor die ingang en uitgang, en u bou 'n eenvoudige spanningsreguleerder vir 5 V Arduino -projekte.

Die belangrike stap is om die gegewensblaaie na te gaan vir die pin-outs en aanbevelings van die vervaardiger.

Die 78XX (positiewe) reguleerders gebruik die volgende pinouts:

1. INPUT-ongereguleerde DC-inset Vin
2. VERWYSING (GROND)
3. OUTPUT -gereguleerde DC -uitgang Vout

Een ding om op te let oor die TO-220-weergawe van hierdie spanningsreguleerders, is dat die omhulsel elektries aan die middelste pen (pen 2) gekoppel is. In die 78XX -reeks beteken dit dat die saak gegrond is.

Hierdie tipe lineêre reguleerder het 'n uitvalspanning van 2 V, gevolglik moet u met 'n 5V -uitset by 1A 'n kopspanning van ten minste 2,5 V DC hê (dws 5V + 2,5V = 7,5V DC -ingang).

Die vervaardiger se aanbevelings vir die gladkapasitors is CInput = 0.33 µF en COutput = 0.1 µF, maar algemene praktyk is 100 µF kondensator op die ingang en die uitset. Dit is 'n goeie oplossing vir die ergste scenario, en die kapasitors help om skielike skommelinge en oorgange in die aanbod.

As die toevoer onder die drempel van 2 V val, sal die kapasitors die toevoer stabiliseer om te verseker dat dit nie gebeur nie. As u projek nie sulke oorgange het nie, kan u die aanbevelings van die vervaardiger uitvoer.

Eenvoudige lineêre spanningsreguleerderkring is net 'n L7805 -spanningsreguleerder en twee kapasitors, maar ons kan hierdie stroombaan opgradeer om 'n meer gevorderde kragtoevoer te skep met 'n mate van beskerming en visuele aanduiding.

As u u projek wil versprei, sal ek beslis aanbeveel om die paar ekstra komponente by te voeg om toekomstige ongerief met kliënte te voorkom.

Stap 4: Opgradeerde 7805 -stroombaan

Eerstens kan u die skakelaar gebruik om die stroombaan aan of af te skakel.

Boonop kan u 'n diode (D1) plaas wat in omgekeerde voorspanning bedraad is tussen die uitset en ingang van die reguleerder. As daar induktors in die las is, of selfs kapasitors, kan 'n verlies aan insette 'n omgekeerde spanning veroorsaak, wat die reguleerder kan vernietig. Die diode omseil sulke strome.

Bykomende kapasitors dien as 'n soort finale filter. Hulle moet 'n spanning vir die uitgangsspanning hê, maar moet hoog genoeg wees om by die ingang te pas vir 'n klein veiligheidsmarge (bv. 16 25 V). Hulle hang regtig af van die tipe las wat u verwag, en kan weggelaat word vir 'n suiwer DC -las, maar 100uF vir C1 en C2, en 1uF vir C4 (en C3) sou 'n goeie begin wees.

Boonop kan u die LED en die toepaslike stroombeperkende weerstand byvoeg om 'n aanwyserlig te gee wat baie handig is vir die opsporing van kragonderbrekings; As die stroombaan aangeskakel is, is LED -ligte aan, anders soek u foute in u kring.

Die meeste spanningsreguleerders het beskermingskringe wat skyfies teen oorverhitting beskerm, en as dit te warm word, verlaag dit die uitsetspanning en beperk dit die uitsetstroom sodat die toestel nie deur hitte vernietig word nie. Spanningsreguleerders in TO-220-pakkette het ook 'n bevestigingsgat vir die heatsink-beslag, en ek stel voor dat u dit beslis moet gebruik om 'n goeie industriële heatsink aan te bring.

Stap 5: Meer krag vanaf 78XX

Die meeste van die 78XX -reguleerders is beperk tot 'n uitsetstroom van 1 - 1,5 A. As die uitsetstroom van 'n IC -reguleerder sy maksimum toelaatbare limiet oorskry, sal die interne deurlaat -transistor 'n hoeveelheid energie meer afvoer as wat dit kan verdra, wat sal lei tot die sluiting.

Vir toepassings wat meer as die maksimum toelaatbare stroomlimiet van 'n reguleerder benodig, kan 'n eksterne deurgangstransistor gebruik word om die uitsetstroom te verhoog. Figuur van FAIRCHILD Semiconductor illustreer so 'n opset. Hierdie stroombaan het die vermoë om hoër stroom (tot 10 A) tot die las te produseer, maar behou steeds die termiese afskakeling en kortsluitingsbeskerming van die IC-reguleerder.

BD536 kragtransistor word deur die vervaardiger voorgestel.

Stap 6: LDO -spanningsreguleerders

Die L7805 is 'n baie eenvoudige toestel met 'n relatiewe hoë uitvalspanning.

Sommige lineêre spanningsreguleerders, sogenaamde lae-uitval (LDO), het 'n baie kleiner uitvalspanning as die 2V van die 7805. Byvoorbeeld, die LM2937 of LM2940CT-5.0 het 'n uitval van 0.5V, gevolglik sal u kragtoevoerstroombaan het 'n hoër doeltreffendheid, en u kan dit gebruik in projekte met batterykrag.

Die minimum Vin-Vout-differensiaal wat 'n lineêre reguleerder kan gebruik, word die uitvalspanning genoem. As die verskil tussen Vin en Vout onder die uitvalspanning val, is die reguleerder in die afvalmodus.

Reguleerders met 'n lae uitval het 'n baie lae verskil tussen die ingang en die uitgangsspanning. Veral die LM2940CT-5.0 lineêre reguleerders se spanningsverskil kan minder as 0,5 volt bereik voordat die toestelle "uitval". Vir normale werking moet die ingangsspanning 0,5 V hoër wees as die uitset.

Daardie spanningsreguleerders het dieselfde T220 -vormfaktor as L7805 met dieselfde uitleg - ingang links, grond in die middel en uitset regs (van voor gesien). As gevolg hiervan kan u dieselfde stroombaan gebruik. Vervaardigingsaanbevelings vir die kapasitors is CInput = 0.47 µF en COutput = 22 µF.

'N Groot nadeel is dat reguleerders met 'n lae uitval duurder is (selfs tot tien keer) in vergelyking met die 7805-reeks.

Stap 7: Gereguleerde LM317 -kragtoevoer

Die LM317 is 'n positiewe lineêre spanningsreguleerder met 'n veranderlike uitset, wat in staat is om 'n uitsetstroom van meer as 1,5 A oor 'n uitsetspanningsbereik van 1,2–37 V.

. Die eerste twee letters dui die vervaardiger se voorkeure aan, soos "LM", wat staan vir "lineêre monolitiese". Dit is 'n spanningsreguleerder met 'n veranderlike uitset, en dit is dus baie handig in situasies waarin u 'n nie-standaard spanning benodig. Die formaat 78xx is 'n positiewe spanningsreguleerder, of 79xx is negatiewe spanningsreguleerders, waar 'xx' die spanning van die toestelle voorstel.

Die uitgangsspanningsreeks is tussen 1,2 V en 37 V en kan gebruik word om u Raspberry Pi, Arduino of DC Motors Shield aan te dryf. Die LM3XX het dieselfde ingang/uitsetverskil as 78XX - die ingang moet minstens 2,5 V bo die uitsetspanning wees.

Soos met die 78XX -reeks reguleerders, is die LM317 'n driespeldapparaat. Maar die bedrading is effens anders.

Die belangrikste ding om op te let oor die LM317 -aansluiting is die twee weerstande R1 en R2 wat 'n verwysingsspanning aan die reguleerder verskaf; hierdie verwysingspanning bepaal die uitsetspanning. U kan hierdie weerstandswaardes soos volg bereken:

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

IAdj is tipies 50 µA en in die meeste toepassings weglaatbaar, en VREF is 1,25 V - minimum uitgangsspanning.

As ons IAdj verwaarloos, kan ons vergelyking vereenvoudig word tot

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

As ons R1 240 Ω en R2 met 1 kΩ gebruik, kry ons die uitgangsspanning van Vout = 1,25 (1+0/240) = 1,25 V.

As ons die potensiometerknop volledig in die ander rigting draai, dan kry ons Vout = 1,25 (1+2000/240) = 11,6 V as uitsetspanning.

As u 'n hoër uitgangsspanning benodig, moet u R1 vervang met 'n weerstand van 100 Ω.

Kring verduidelik:

• R1 en R2 word benodig om die uitsetspanning in te stel. CAdj word aanbeveel om rimpelverwerping te verbeter. Dit verhoed versterking van die rimpel, aangesien die uitsetspanning hoër aangepas word.
• C1 word aanbeveel, veral as die reguleerder nie naby die kragtoevoerfilterkapasitors is nie. 'N Keramiek- of tantaalkondensator van 0,1 µF of 1 µF bied voldoende omseil vir die meeste toepassings, veral wanneer verstel- en uitsetkapasitors gebruik word.
• C2 verbeter die verbygaande reaksie, maar is nie nodig vir stabiliteit nie.
• Beskermingsdiode D2 word aanbeveel as CAdj gebruik word. Die diode bied 'n lae-impedansie-ontladingspad om te verhoed dat die kondensator in die uitset van die reguleerder stroom.
• Beskermingsdiode D1 word aanbeveel as C2 gebruik word. Die diode bied 'n lae-impedansie-ontladingspad om te verhoed dat die kondensator in die uitset van die reguleerder stroom.

Stap 8: Opsomming

Lineêre reguleerders is handig as:

• Die ingang na die uitgangsspanningsverskil is klein
• U het 'n lae lasstroom
• U benodig 'n uiters skoon uitgangsspanning
• U moet die ontwerp so eenvoudig en goedkoop moontlik hou.

Daarom is lineêre reguleerders nie net makliker om te gebruik nie, maar dit bied ook 'n baie skoner uitsetspanning in vergelyking met skakelreguleerders, sonder rimpeling, spykers of geraas van enige aard. Samevattend, is 'n lineêre reguleerder die beste opsie, tensy die kragverlies te hoog is of u 'n opstapreguleerder benodig.