Introduksjon til lineære spenningsregulatorer: 8 trinn

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:22

For fem år siden da jeg først begynte med Arduino og Raspberry Pi tenkte jeg ikke så mye på strømforsyning, på dette tidspunktet var strømadapteren fra bringebær Pi og USB -forsyningen til Arduino mer enn nok.

Men etter en stund presset nysgjerrigheten meg til å vurdere andre strømforsyningsmetoder, og etter å ha opprettet flere prosjekter ble jeg tvunget til å vurdere om forskjellige og om mulig justerbare likestrømkilder.

Spesielt når du er ferdig med designet, vil du definitivt bygge en mer permanent versjon av prosjektet ditt, og for det må du vurdere hvordan du skal levere strøm til det.

I denne opplæringen vil jeg forklare hvordan du kan lage din egen lineære strømforsyning med mye brukte og rimelige spenningsregulatorer IC (LM78XX, LM3XX, PSM-165 etc.). Du vil lære om deres funksjonalitet og implementering for dine egne prosjekter.

Trinn 1: Designhensyn

Vanlige spenningsnivåer

Det er flere standard spenningsnivåer som designet ditt kan kreve:

• 3.3 Volt DC-Dette er en vanlig spenning som brukes av Raspberry PI og lavdrevne digitale enheter.
• 5 Volt DC - Dette er standard TTL (Transistor Transistor Logic) spenning som brukes av digitale enheter.
• 12 Volt DC - brukes til likestrøm-, servo- og trinnmotorer.
• 24/48 volt DC - mye brukt i CNC- og 3D -utskriftsprosjekter.

Du bør vurdere i designen din at logiske nivåspenninger må reguleres veldig presist. For eksempel for enheter med TTL -spenning må forsyningsspenningen være mellom 4,75 og 5,25 volt, ellers vil spenningsavvik føre til at de logiske komponentene slutter å fungere riktig eller til og med ødelegge komponentene dine.

I motsetning til enhetene på logisk nivå kan strømforsyningen til motorer, lysdioder og andre elektroniske komponenter avvike i et stort område. I tillegg må du vurdere gjeldende krav til prosjektet. Spesielt motorer kan føre til at den nåværende trekningen svinger, og du må designe strømforsyningen for å imøtekomme den "verst tenkelige" situasjonen der hver motor drives med full kapasitet.

Du må bruke en annen tilnærming for spenningsregulering for de line -powered og batteridrevne designene, fordi batterispenningsnivåene vil svinge når batteriet lades ut.

Et annet viktig aspekt ved spenningsregulatorens design er effektiviteten - spesielt i batteridrevne prosjekter må du redusere effekttap til et minimum.

OBS: I de fleste land kan en person ikke lovlig arbeide med spenninger over 50V AC uten lisens. Enhver feil som gjøres av en person som arbeider med dødelig spenning kan føre til deres egen død, eller en annen persons. Av denne grunn vil jeg bare forklare likestrømforsyning med spenningsnivå under 60 V DC.

Trinn 2: Typer spenningsregulatorer

Det er to hovedtyper spenningsregulatorer:

• lineære spenningsregulatorer som er rimeligste og enkleste å bruke
• bytte spenningsregulatorer som er mer effektive enn lineære spenningsregulatorer, men dyrere og krever en mer kompleks kretsdesign.

I denne opplæringen vil vi jobbe med lineære spenningsregulatorer.

Elektriske egenskaper til de lineære spenningsregulatorene

Spenningsfallet i den lineære regulatoren er proporsjonal med IC -spredningen, eller med andre ord mister strømmen på grunn av varmeeffekten.

For effekttap i de lineære regulatorene kan følgende ligning brukes:

Effekt = (VInput - VOutput) x I

Den lineære L7805 -regulatoren må avgi minst 2 watt hvis den gir 1 A belastning (2 V spenningsfall ganger 1 A).

Med økningen av spenningsforskjellen mellom inngangs- og utgangsspenningen - øker også effekttapet. Betydning, for eksempel, mens en 7 volt kilde regulert til 5 volt som leverer 1 ampere ville spre 2 watt gjennom den lineære regulatoren, ville en 12 V DC kilde regulert til 5 volt levere den samme strømmen spre 5 watt, noe som gjør regulatoren bare 50 % effektiv.

Den neste viktige parameteren er “termisk motstand” i enheter på ° C/W (° C per watt).

Denne parameteren angir antall grader brikken vil varme opp over omgivelsestemperaturen, per hver watt effekt den må spre. Bare multipliser den beregnede effekttapet med termisk motstand, og det vil fortelle deg hvor mye den lineære regulatoren vil varme opp under den mengden strøm:

Effekt x termisk motstand = temperatur over omgivelsene

For eksempel har en 7805 regulator en termisk motstand på 50 ° C / Watt. Dette betyr at hvis regulatoren din forsvinner:

• 1 watt, vil den varme opp 50 ° C
• .2 watt det vil varme opp 100 ° C.

MERK: Under prosjektplanleggingsfasen, prøv å estimere nødvendig strøm og reduser spenningsforskjellen til et minimum. For eksempel har 78XX lineær spenningsregulator 2 V spenningsfall (min. Inngangsspenning er Vin = 5 + 2 = 7 V DC), som et resultat kan du bruke 7, 5 eller 9 V DC strømforsyning.

Effektivitetsberegning

Under vurdering at utgangsstrømmen er lik inngangsstrømmen for en lineær regulator, får vi en forenklet ligning:

Effektivitet = Vout / Vin

La oss for eksempel si at du har 12 V på inngangen og trenger å sende ut 5 V ved 1 A laststrøm, da vil effektiviteten for en lineær regulator bare være (5 V / 12 V) x 100 % = 41 %. Dette betyr at bare 41 % av strømmen fra inngangen overføres til utgangen, og den gjenværende effekten vil gå tapt som varme!

Trinn 3: 78XX lineære regulatorer

78XX spenningsregulatorer er 3-pinners enheter tilgjengelig i en rekke forskjellige pakker, fra store effekttransistorpakker (T220) til små overflatemonterte enheter, det er en positiv spenningsregulator. 79XX -serien er tilsvarende negative spenningsregulatorer.

78XX -serien med regulatorer gir faste regulerte spenninger fra 5 til 24 V. De to siste sifrene i IC -delenummeret angir enhetens utgangsspenning. Dette betyr for eksempel at en 7805 er en positiv 5 volt regulator, en 7812 er en positiv 12 volt regulator.

Disse spenningsregulatorene er rett frem - koble til L8705 og et par elektrolytiske kondensatorer på tvers av inngang og utgang, og du bygger en enkel spenningsregulator for 5 V Arduino -prosjekter.

Det viktige trinnet er å sjekke databladene for pin-outs og produsentens anbefalinger.

78XX (positive) regulatorene bruker følgende pinouts:

1. INPUT-uregulert DC-inngang Vin
2. REFERANSE (BAKGRUNN)
3. OUTPUT -regulert DC -utgang Vout

En ting å merke seg om TO-220-versjonen av disse spenningsregulatorene er at saken er elektrisk koblet til senterpinnen (pin 2). På 78XX -serien betyr det at saken er jordet.

Denne typen lineær regulator har en 2 V frafallsspenning, som et resultat med en 5V utgang på 1A må du ha minst 2,5 V DC hodespenning (dvs. 5V + 2,5V = 7,5V DC inngang).

Produsentens anbefalinger for utjevningskondensatorene er CInput = 0,33 µF og COutput = 0,1 µF, men generell praksis er 100 µF kondensator på inngang og utgang. Det er en god løsning for verste fall, og kondensatorene hjelper til med å takle plutselige svingninger og transienter i tilbudet.

I tilfelle forsyningen faller under terskelen til 2 V- vil kondensatorene stabilisere forsyningen for å sikre at dette ikke skjer. Hvis prosjektet ditt ikke har slike transienter, kan du kjøre med produsentens anbefalinger.

Enkel lineær spenningsregulator krets er bare L7805 spenningsregulator og to kondensatorer, men vi kan oppgradere denne kretsen for å skape litt mer avansert strømforsyning med et visst beskyttelsesnivå og visuell indikasjon.

Hvis du ønsker å distribuere prosjektet ditt, vil jeg definitivt foreslå å legge til noen få ekstra komponenter for å forhindre fremtidig ulempe for kundene.

Trinn 4: Oppgradert 7805 krets

Først kan du bruke bryteren til å slå kretsen på eller av.

I tillegg kan du plassere en diode (D1), koblet i omvendt forspenning mellom utgang og inngang til regulatoren. Hvis det er induktorer i lasten, eller til og med kondensatorer, kan tap av inngang forårsake omvendt spenning, noe som kan ødelegge regulatoren. Dioden omgår alle slike strømmer.

Ekstra kondensatorer fungerer som et slags sluttfilter. De må være spenningsvurdert for utgangsspenningen, men bør være høy nok til å passe til inngangen for en liten sikkerhetsmargin (f.eks. 16 25 V). De er virkelig avhengig av hvilken type last du forventer, og kan utelates for en ren DC -belastning, men 100uF for C1 og C2, og 1uF for C4 (og C3) ville være en god start.

I tillegg kan du legge til LED og passende strømbegrensende motstand for å gi et indikatorlys som er veldig nyttig for deteksjon av strømforsyning; Når kretsen er slått på, er LED -lysene PÅ, ellers ser du etter noen feil i kretsen din.

De fleste spenningsregulatorer har beskyttelseskretser som beskytter chips mot overoppheting, og hvis det blir for varmt, faller det utgangsspenningen og begrenser derfor utgangsstrømmen slik at enheten ikke blir ødelagt av varmen. Spenningsregulatorer i TO-220 pakker har også et monteringshull for kjøleribben, og jeg vil foreslå at du definitivt bør bruke den til å feste en god industriell kjøleribbe.

Trinn 5: Mer kraft fra 78XX

De fleste av 78XX -regulatorene er begrenset til en utgangsstrøm på 1 - 1,5 A. Hvis utgangsstrømmen til en IC -regulator overskrider den maksimalt tillatte grensen, vil dens interne pass -transistor spre en mengde energi mer enn den tåler, noe som vil føre til nedleggelsen.

For applikasjoner som krever mer enn maksimal tillatt strømgrense for en regulator, kan en ekstern pass -transistor brukes til å øke utgangsstrømmen. Figur fra FAIRCHILD Semiconductor illustrerer en slik konfigurasjon. Denne kretsen har evnen til å produsere høyere strøm (opptil 10 A) til lasten, men likevel bevare den termiske avstengningen og kortslutningsbeskyttelsen til IC-regulatoren.

BD536 effekttransistor er foreslått av produsenten.

Trinn 6: LDO spenningsregulatorer

L7805 er en veldig enkel enhet med en relativ høy frafallsspenning.

Noen lineære spenningsregulatorer, såkalt low-dropout (LDO), har en mye mindre frafallsspenning enn 2V på 7805. For eksempel har LM2937 eller LM2940CT-5.0 et frafall på 0,5V, som et resultat vil strømforsyningskretsen din har en høyere effektivitet, og du kan bruke den i prosjekter med batteristrøm.

Minste Vin-Vout-differensial som en lineær regulator kan betjene kalles frafallsspenningen. Hvis forskjellen mellom Vin og Vout faller under frafallsspenningen, er regulatoren i frafallsmodus.

Lavt frafall regulatorer har en veldig lav forskjell mellom inngang og utgangsspenning. Spesielt LM2940CT-5.0 lineære regulatorers spenningsforskjell kan nå mindre enn 0,5 volt før enhetene "faller ut". Ved normal drift bør inngangsspenningen være 0,5 V høyere enn utgangen.

Disse spenningsregulatorene har samme T220 -formfaktor som L7805 med samme layout - inngang til venstre, bakken i midten og utgang til høyre (sett forfra). Som et resultat kan du bruke den samme kretsen. Produksjonsanbefalinger for kondensatorene er CInput = 0,47 µF og COutput = 22 µF.

En stor ulempe er at regulatorer med lavt frafall er dyrere (til og med ti ganger) i forhold til 7805-serien.

Trinn 7: Regulert LM317 strømforsyning

LM317 er en positiv lineær spenningsregulator med variabel utgang, kan levere en utgangsstrøm på mer enn 1,5 A over et utgangsspenningsområde på 1,2–37 V.

. De to første bokstavene angir produsentens preferanser, for eksempel "LM", som står for "lineær monolitisk". Det er en spenningsregulator med variabel utgang, og det er derfor veldig nyttig i situasjoner der du trenger en ikke-standard spenning. Formatet 78xx er en positiv spenningsregulator, eller 79xx er en negativ spenningsregulator, der "xx" representerer spenningen til enhetene.

Utgangsspenningsområdet er mellom 1,2 V og 37 V, og kan brukes til å drive Raspberry Pi, Arduino eller DC Motors Shield. LM3XX har samme inngang/utgangsspenningsforskjell som 78XX - inngangen må være minst 2,5 V over utgangsspenningen.

Som med 78XX -serien av regulatorer er LM317 en trepinners enhet. Men ledningene er litt annerledes.

Det viktigste å merke seg om LM317 -tilkoblingen er de to motstandene R1 og R2 som gir en referansespenning til regulatoren; denne referansespenningen bestemmer utgangsspenningen. Du kan beregne disse motstandsverdiene som følger:

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

IAdj er vanligvis 50 µA og ubetydelig i de fleste applikasjoner, og VREF er 1,25 V - minimum utgangsspenning.

Hvis vi forsømmer IAdj, kan ligningen vår forenkles til

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

Hvis vi bruker R1 240 Ω og R2 med 1 kΩ, får vi utgangsspenning på Vout = 1,25 (1+0/240) = 1,25 V.

Når vi vil rotere potensiometerknappen helt i annen retning, får vi Vout = 1,25 (1+2000/240) = 11,6 V som utgangsspenning.

Hvis du trenger høyere utgangsspenning, bør du erstatte R1 med 100 Ω motstand.

Kretsen forklarte:

• R1 og R2 kreves for å angi utgangsspenningen. CAdj anbefales for å forbedre avslag på ringvirkninger. Det forhindrer forsterkning av krusningen ettersom utgangsspenningen justeres høyere.
• C1 anbefales, spesielt hvis regulatoren ikke er i nærheten av strømforsyningens filterkondensatorer. En 0,1-µF eller 1-µF keramisk eller tantalkondensator gir tilstrekkelig bypass for de fleste applikasjoner, spesielt når justerings- og utgangskondensatorer brukes.
• C2 forbedrer forbigående respons, men er ikke nødvendig for stabilitet.
• Beskyttelsesdiode D2 anbefales hvis CAdj brukes. Dioden gir en utladningsbane med lav impedans for å forhindre at kondensatoren slipper ut i regulatorens utgang.
• Beskyttelsesdiode D1 anbefales hvis C2 brukes. Dioden gir en utladningsbane med lav impedans for å forhindre at kondensatoren slipper ut i regulatorens utgang.

Trinn 8: Oppsummering

Lineære regulatorer er nyttige hvis:

• Inngang til utgangsspenningsdifferensial er liten
• Du har en lav belastningsstrøm
• Du trenger en ekstremt ren utgangsspenning
• Du må beholde designet så enkelt og billig som mulig.

Derfor er ikke bare lineære regulatorer enklere å bruke, men de gir en mye renere utgangsspenning sammenlignet med koblingsregulatorer, uten krusninger, pigger eller støy av noe slag. Oppsummert, med mindre strømspredningen er for høy eller du trenger en oppjusteringsregulator, vil en lineær regulator være det beste alternativet.