Introduktion til lineære spændingsregulatorer: 8 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:27

For fem år siden da jeg først startede med Arduino og Raspberry Pi tænkte jeg ikke for meget over strømforsyning, på dette tidspunkt var strømadapteren fra hindbær Pi og USB -forsyningen af Arduino mere end nok.

Men efter et stykke tid fik min nysgerrighed mig til at overveje andre strømforsyningsmetoder, og efter at have oprettet flere projekter blev jeg tvunget til at overveje forskellige og om muligt justerbare jævnstrømskilder.

Især når du er færdig med dit design, vil du helt sikkert gerne bygge en mere permanent version af dit projekt, og for det skal du overveje, hvordan du skal levere strøm til det.

I denne vejledning vil jeg forklare, hvordan du kan oprette din egen lineære strømforsyning med meget anvendte og overkommelige spændingsregulatorer IC (LM78XX, LM3XX, PSM-165 osv.). Du lærer om deres funktionalitet og implementering til dine egne projekter.

Trin 1: Designovervejelser

Fælles spændingsniveauer

Der er flere standardspændingsniveauer, som dit design kan kræve:

• 3.3 Volt DC-Dette er en almindelig spænding, der bruges af Raspberry PI og lavdrevne digitale enheder.
• 5 Volt DC - Dette er standard TTL (Transistor Transistor Logic) spænding, der bruges af digitale enheder.
• 12 Volt DC - bruges til DC-, servo- og steppermotorer.
• 24/48 Volt DC - meget udbredt i CNC- og 3D Print -projekter.

Du bør i dit design overveje, at logiske niveauspændinger skal reguleres meget præcist. For eksempel for enheder med TTL -spænding skal forsyningsspændingen være mellem 4,75 og 5,25 volt, ellers vil enhver spændingsafvigelse få de logiske komponenter til at stoppe med at fungere korrekt eller endda ødelægge dine komponenter.

I modsætning til de logiske niveauer kan strømforsyningen til motorer, lysdioder og andre elektroniske komponenter afvige i en lang række. Derudover skal du overveje de aktuelle krav til projektet. Især motorer kan få strømstrømmen til at svinge, og du skal designe din strømforsyning til at rumme den "worst case" -situation, hvor hver motor drives med fuld kapacitet.

Du skal bruge en anden tilgang til spændingsreguleringen for de line -powered og batteridrevne designs, fordi batterispændingsniveauerne vil svinge, når batteriet aflades.

Et andet vigtigt aspekt af spændingsregulatorens design er effektiviteten - især i batteridrevne projekter skal du reducere effekttab til et minimum.

OBS: I de fleste lande kan en person ikke lovligt arbejde med spændinger over 50V AC uden licens. Enhver fejl begået af en person, der arbejder med dødelig spænding, kan føre til deres egen død eller en anden persons. Af denne grund vil jeg kun forklare DC -strømforsyning med spændingsniveau under 60 V DC.

Trin 2: Typer af spændingsregulatorer

Der er to hovedtyper af spændingsregulatorer:

• lineære spændingsregulatorer, som er mest overkommelige og enkle at bruge
• skifte spændingsregulatorer, der er mere effektive end lineære spændingsregulatorer, men dyrere, og de kræver et mere komplekst kredsløbsdesign.

I denne vejledning arbejder vi med lineære spændingsregulatorer.

Elektriske egenskaber ved de lineære spændingsregulatorer

Spændingsfaldet i den lineære regulator er proportional med IC's spredte effekt, eller med andre ord taber strømmen på grund af varmeeffekten.

For effekttab i de lineære regulatorer kan følgende ligning bruges:

Effekt = (VInput - VOutput) x I

Den lineære L7805 -regulator skal aflede mindst 2 watt, hvis den ville levere en 1 A belastning (2 V spændingsfald gange 1 A).

Med stigningen i spændingsforskellen mellem indgangs- og udgangsspændingen - øges også effekttab. Betydning, for eksempel, mens en 7 volt kilde reguleret til 5 volt og 1 ampere ville aflede 2 watt gennem den lineære regulator, ville en 12 V DC kilde reguleret til 5 volt levere den samme strøm forsvinde 5 watt, hvilket gør regulatoren kun 50 % effektiv.

Den næste vigtige parameter er “termisk modstand” i enheder på ° C/W (° C pr. Watt).

Denne parameter angiver det antal grader, chippen vil varme op over den omgivende lufttemperatur, pr. Watt effekt, den skal aflede. Du skal blot multiplicere den beregnede effekttab med termisk modstand, og det vil fortælle dig, hvor meget den lineære regulator vil varme op under den mængde strøm:

Effekt x termisk modstand = temperatur over omgivende temperatur

For eksempel har en 7805 -regulator en termisk modstand på 50 ° C / Watt. Det betyder, at hvis din regulator forsvinder:

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

BEMÆRK: Under projektplanlægningsfasen skal du prøve at estimere den nødvendige strøm og reducere spændingsforskellen til et minimum. For eksempel har 78XX lineær spændingsregulator 2 V spændingsfald (min. Indgangsspænding er Vin = 5 + 2 = 7 V DC), som følge heraf kan du bruge 7, 5 eller 9 V DC strømforsyning.

Effektivitetsberegning

Under overvejelse om, at udgangsstrømmen er lig indgangsstrømmen for en lineær regulator, får vi en forenklet ligning:

Effektivitet = Vout / Vin

Lad os f.eks. Sige, at du har 12 V på indgangen og skal sende 5 V ved 1 A belastningsstrøm, så ville effektiviteten for en lineær regulator kun være (5 V / 12 V) x 100 % = 41 %. Det betyder, at kun 41 % af strømmen fra indgangen overføres til udgangen, og den resterende effekt går tabt som varme!

Trin 3: 78XX lineære regulatorer

78XX spændingsregulatorer er 3-bens enheder tilgængelige i en række forskellige pakker, fra store effekttransistorpakker (T220) til bittesmå overflademonteringsenheder, det er en positiv spændingsregulator. 79XX -serien er de tilsvarende negative spændingsregulatorer.

78XX -serien af regulatorer giver faste regulerede spændinger fra 5 til 24 V. De sidste to cifre i IC -varenummeret angiver enhedens udgangsspænding. Dette betyder for eksempel, at en 7805 er en positiv 5 volt regulator, en 7812 er en positiv 12 volt regulator.

Disse spændingsregulatorer er lige fremad - tilslut L8705 og et par elektrolytiske kondensatorer på tværs af input og output, og du bygger en simpel spændingsregulator til 5 V Arduino -projekter.

Det vigtige trin er at kontrollere databladene for pin-outs og producentens anbefalinger.

78XX (positive) regulatorer bruger følgende pinouts:

1. INPUT-ureguleret DC-indgang Vin
2. REFERENCE (GRUND)
3. OUTPUT -reguleret DC -udgang Vout

En ting at bemærke om TO-220-kasseversionen af disse spændingsregulatorer er, at kabinettet er elektrisk forbundet til centerstiften (pin 2). På 78XX -serien betyder det, at sagen er jordet.

Denne type lineær regulator har en 2 V frafaldsspænding, som følge heraf med en 5V udgang ved 1A skal du have mindst 2,5 V DC hovedspænding (dvs. 5V + 2,5V = 7,5V DC input).

Producentens anbefalinger til udjævningskondensatorerne er CInput = 0,33 µF og COutput = 0,1 µF, men generel praksis er 100 µF kondensator på input og output Det er en god løsning til det værste tilfælde, og kondensatorerne hjælper med at klare pludselige udsving og transienter i forsyningen.

I tilfælde af at forsyningen falder under tærsklen på 2 V- vil kondensatorerne stabilisere forsyningen for at sikre, at dette ikke sker. Hvis dit projekt ikke har sådanne transienter, kan du køre med producentens anbefalinger.

Enkel lineær spændingsregulator kredsløb er bare L7805 spændingsregulator og to kondensatorer, men vi kan opgradere dette kredsløb for at skabe en mere avanceret strømforsyning med et vist beskyttelsesniveau og visuel indikation.

Hvis du gerne vil distribuere dit projekt, vil jeg helt sikkert foreslå at tilføje de få ekstra komponenter for at forhindre fremtidig gener for kunderne.

Trin 4: Opgraderet 7805 kredsløb

Først kan du bruge kontakten til at tænde eller slukke for kredsløbet.

Derudover kan du placere en diode (D1), der er koblet i omvendt bias mellem output og input fra regulatoren. Hvis der er induktorer i belastningen eller endda kondensatorer, kan et tab af input forårsage en omvendt spænding, som kan ødelægge regulatoren. Dioden omgår alle sådanne strømme.

Yderligere kondensatorer fungerer som en slags slutfilter. De skal være spændingsværdier for udgangsspændingen, men skal være høje nok til at passe til indgangen for en lille sikkerhedsmargin (f.eks. 16 25 V). De afhænger virkelig af den type belastning, du forventer, og kan udelades for en ren DC -belastning, men 100uF for C1 og C2 og 1uF for C4 (og C3) ville være en god start.

Derudover kan du tilføje LED og passende strømbegrænsende modstand for at give et indikatorlys, der er meget nyttigt til detektering af fejl i strømforsyningen; når kredsløbet er tændt, lyser LED -lysene ellers skal du se efter nogle fejl i dit kredsløb.

De fleste spændingsregulatorer har beskyttelseskredsløb, der beskytter chips mod overophedning, og hvis det bliver for varmt, sænker det udgangsspændingen og begrænser derfor udgangsstrømmen, så enheden ikke ødelægges af varmen. Spændingsregulatorer i TO-220 pakker har også et monteringshul til kølelegemet, og jeg vil foreslå, at du helt sikkert bør bruge den til at fastgøre en god industriel kølelegeme.

Trin 5: Mere strøm fra 78XX

De fleste af 78XX -regulatorerne er begrænset til en udgangsstrøm på 1 - 1,5 A. Hvis udgangsstrømmen for en IC -regulator overskrider den maksimalt tilladte grænse, vil dens interne pass -transistor aflede en mængde energi mere, end den kan tåle, hvilket vil føre til lukningen.

Til applikationer, der kræver mere end den maksimalt tilladte strømgrænse for en regulator, kan en ekstern pass -transistor bruges til at øge udgangsstrømmen. Figur fra FAIRCHILD Semiconductor illustrerer en sådan konfiguration. Dette kredsløb har evnen til at producere højere strøm (op til 10 A) til belastningen, men bevarer stadig den termiske nedlukning og kortslutningsbeskyttelse af IC-regulatoren.

BD536 effekttransistor foreslås af producenten.

Trin 6: LDO -spændingsregulatorer

L7805 er en meget enkel enhed med en relativ høj frafaldsspænding.

Nogle lineære spændingsregulatorer, såkaldt low-dropout (LDO), har en meget mindre frafaldsspænding end 2V i 7805. LM2937 eller LM2940CT-5.0 har for eksempel et frafald på 0,5V, som følge heraf vil dit strømforsyningskredsløb har en højere effektivitet, og du kan bruge den i projekter med batteristrøm.

Den mindste Vin-Vout-differential, som en lineær regulator kan betjene, kaldes frafaldsspændingen. Hvis forskellen mellem Vin og Vout falder under frafaldsspændingen, er regulatoren i frafaldstilstand.

Lavt frafaldsregulatorer har en meget lav forskel mellem indgangs- og udgangsspændingen. Især LM2940CT-5.0 lineære regulators spændingsforskel kan nå mindre end 0,5 volt, før enhederne "falder ud". Ved normal drift skal indgangsspændingen være 0,5 V højere end udgangen.

Disse spændingsregulatorer har samme T220 -formfaktor som L7805 med samme layout - input til venstre, jord i midten og output til højre (set forfra). Som et resultat kan du bruge det samme kredsløb. Fremstillingsanbefalinger for kondensatorerne er CInput = 0,47 µF og COutput = 22 µF.

En stor ulempe er, at regulatorer med "lavt frafald" er dyrere (endda op til ti gange) i forhold til 7805-serien.

Trin 7: Reguleret LM317 strømforsyning

LM317 er en positiv lineær spændingsregulator med variabel udgang og kan levere en udgangsstrøm på mere end 1,5 A over et udgangsspændingsområde på 1,2–37 V.

. De to første bogstaver angiver producentens præferencer, såsom "LM", der står for "lineær monolitisk". Det er en spændingsregulator med variabel udgang, og det er derfor meget nyttigt i situationer, hvor du har brug for en ikke-standardspænding. Formatet 78xx er en positiv spændingsregulator, eller 79xx er negative spændingsregulatorer, hvor "xx" repræsenterer enhedens spænding.

Udgangsspændingsområdet er mellem 1,2 V og 37 V og kan bruges til at drive din Raspberry Pi, Arduino eller DC Motors Shield. LM3XX har den samme indgang/udgangsspændingsforskel som 78XX - indgangen skal være mindst 2,5 V over udgangsspændingen.

Som med 78XX -serien af regulatorer er LM317 en tre -polet enhed. Men ledningerne er en smule anderledes.

Det vigtigste at bemærke om LM317 -tilslutningen er de to modstande R1 og R2, der giver en referencespænding til regulatoren; denne referencespænding bestemmer udgangsspændingen. Du kan beregne disse modstandsværdier som følger:

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

IAdj er typisk 50 µA og ubetydelig i de fleste applikationer, og VREF er 1,25 V - minimum udgangsspænding.

Hvis vi forsømmer IAdj, kan vores ligning forenkles til

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

Hvis vi vil bruge R1 240 Ω og R2 med 1 kΩ, får vi udgangsspændingen Vout = 1,25 (1+0/240) = 1,25 V.

Når vi vil dreje potentiometerknappen helt i anden retning, får vi Vout = 1,25 (1+2000/240) = 11,6 V som udgangsspænding.

Hvis du har brug for højere udgangsspænding, skal du erstatte R1 med 100 Ω modstand.

Kredsløbet forklarede:

• R1 og R2 kræves for at indstille udgangsspændingen. CAdj anbefales for at forbedre afstødning af krusninger. Det forhindrer forstærkning af krusningen, da udgangsspændingen justeres højere.
• C1 anbefales, især hvis regulatoren ikke er i nærheden af strømforsyningens filterkondensatorer. En 0,1 µF eller 1 µF keramisk eller tantal kondensator giver tilstrækkelig bypass til de fleste applikationer, især når der bruges justerings- og outputkondensatorer.
• C2 forbedrer forbigående respons, men er ikke nødvendig for stabilitet.
• Beskyttelsesdiode D2 anbefales, hvis der bruges CAdj. Dioden tilvejebringer en udladningsvej med lav impedans for at forhindre kondensatoren i at aflade til regulatorens output.
• Beskyttelsesdiode D1 anbefales, hvis der bruges C2. Dioden tilvejebringer en udladningsvej med lav impedans for at forhindre kondensatoren i at aflade til regulatorens output.

Trin 8: Resumé

Lineære regulatorer er nyttige, hvis:

• Indgang til udgangsspændingsdifferentiale er lille
• Du har en lav belastningsstrøm
• Du har brug for en ekstremt ren udgangsspænding
• Du skal holde designet så enkelt og billigt som muligt.

Derfor er ikke kun lineære regulatorer lettere at bruge, men de giver en meget renere udgangsspænding sammenlignet med switchregulatorer uden krusninger, pigge eller støj af nogen art. Kort sagt, medmindre strømafbrydelsen er for høj, eller du har brug for en trin-up-regulator, vil en lineær regulator være din bedste løsning.