Pengenalan kepada Pengatur Voltan Linear: 8 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:09

Lima tahun yang lalu ketika saya mula-mula menggunakan Arduino dan Raspberry Pi, saya tidak terlalu memikirkan bekalan kuasa, pada masa ini penyesuai kuasa dari raspberry Pi dan bekalan USB Arduino lebih daripada cukup.

Tetapi setelah beberapa lama rasa ingin tahu saya mendorong saya untuk mempertimbangkan kaedah bekalan kuasa yang lain, dan setelah membuat lebih banyak projek, saya terpaksa membuat pertimbangan mengenai sumber kuasa DC yang berbeza dan jika boleh disesuaikan.

Terutama apabila anda menyelesaikan reka bentuk anda, anda pasti ingin membina versi projek anda yang lebih kekal, dan untuk itu anda perlu mempertimbangkan bagaimana menyediakan tenaga untuk itu.

Dalam Tutorial ini saya akan menerangkan bagaimana anda boleh membuat bekalan kuasa linier anda sendiri dengan IC pengatur voltan yang banyak digunakan dan berpatutan (LM78XX, LM3XX, PSM-165 dll.). Anda akan mengetahui fungsi dan pelaksanaannya untuk projek anda sendiri.

Langkah 1: Pertimbangan Reka Bentuk

Tahap Voltan Biasa

Terdapat beberapa tahap voltan standard yang mungkin diperlukan oleh reka bentuk anda:

• 3.3 Volt DC - Ini adalah voltan biasa yang digunakan oleh Raspberry PI dan peranti digital berkuasa rendah.
• 5 Volt DC - Ini adalah voltan TTL (Transistor Transistor Logic) standard yang digunakan oleh peranti digital.
• 12 Volt DC - digunakan untuk motor DC, servo dan stepper.
• 24/48 Volt DC - digunakan secara meluas dalam projek Cetakan CNC dan 3D.

Anda harus mempertimbangkan dalam reka bentuk anda bahawa voltan tahap logik perlu diatur dengan tepat. Sebagai contoh untuk peranti dengan voltan TTL voltan bekalan perlu antara 4,75 dan 5,25 volt, jika tidak, sebarang penyimpangan voltan akan menyebabkan komponen logik berhenti berfungsi dengan betul atau bahkan merosakkan komponen anda.

Berbeza dengan peranti tahap logik, bekalan kuasa untuk motor, LED dan komponen elektronik lain dapat menyimpang dalam jarak yang luas. Selain itu anda mesti mempertimbangkan keperluan semasa projek. Terutama motor boleh menyebabkan tarikan arus berubah-ubah dan anda perlu merancang bekalan kuasa anda untuk menampung keadaan "keadaan terburuk" di mana setiap motor dikendalikan dengan kapasiti penuh.

Anda harus menggunakan pendekatan yang berbeza untuk peraturan voltan untuk reka bentuk bertenaga talian dan bertenaga bateri, kerana tahap voltan bateri akan berubah-ubah ketika bateri habis.

Aspek penting lain dalam reka bentuk pengatur voltan adalah kecekapan - terutama dalam projek berkuasa bateri, anda mesti mengurangkan kerugian kuasa minimum.

PERHATIAN: Di kebanyakan negara seseorang tidak boleh bekerja secara sah dengan voltan melebihi 50V AC tanpa lesen. Kesalahan yang dilakukan oleh mana-mana orang yang bekerja dengan voltan mematikan boleh menyebabkan kematian mereka sendiri, atau orang lain. Atas sebab ini saya hanya akan menerangkan binaan bekalan kuasa DC dengan tahap voltan di bawah 60 V DC.

Langkah 2: Jenis Pengatur Voltan

Terdapat dua jenis pengatur voltan utama:

• pengatur voltan linier yang paling berpatutan dan mudah digunakan
• pengatur voltan beralih yang lebih cekap daripada pengatur voltan linier, tetapi lebih mahal dan mereka memerlukan reka bentuk litar yang lebih kompleks.

Dalam tutorial ini kita akan bekerjasama dengan pengatur voltan linear.

Ciri elektrik pengatur voltan linier

Penurunan voltan dalam pengatur linier berkadar dengan daya IC yang hilang, atau dengan kata lain kuasa akan hilang kerana kesan pemanasan.

Untuk pelesapan daya dalam pengatur linier, persamaan berikut dapat digunakan:

Kuasa = (VInput - VOutput) x I

Pengatur linier L7805 harus menghilangkan sekurang-kurangnya 2 watt jika akan memberikan beban 1 A (2 V voltan turun 1 A).

Dengan peningkatan perbezaan voltan antara voltan input dan output - pelesapan daya juga meningkat. Maksudnya, misalnya, sementara sumber 7 volt diatur ke 5 volt memberikan 1 amp akan menghilangkan 2 watt melalui pengatur linier, sumber 12 V DC yang diatur ke 5 volt memberikan arus yang sama akan menghilangkan 5 watt, menjadikan pengatur hanya 50% cekap.

Parameter penting seterusnya adalah "Rintangan Termal" dalam unit ° C / W (° C per Watt).

Parameter ini menunjukkan bilangan darjah yang akan dipanaskan oleh cip di atas suhu udara ambien, setiap watt kuasa yang mesti hilang. Gandakan pelesapan kuasa yang dikira dengan Rintangan Termal dan ini akan memberitahu anda berapa banyak pengatur linier yang akan menjadi panas di bawah jumlah kuasa itu:

Daya x Rintangan Termal = Suhu Di Atas Lingkungan

Contohnya pengatur 7805 mempunyai Rintangan Termal 50 ° C / Watt. Ini bermaksud jika pengawal selia anda menghilang:

• 1 watt, ia akan memanaskan 50 ° C
• .2 watt ia akan memanaskan 100 ° C.

CATATAN: Semasa fasa perancangan projek cuba mengira arus yang diperlukan dan mengurangkan perbezaan voltan ke tahap minimum. Sebagai contoh, pengatur voltan linier 78XX mempunyai penurunan voltan 2 V (min. Voltan masukan adalah Vin = 5 + 2 = 7 V DC), akibatnya anda dapat menggunakan bekalan kuasa 7, 5 atau 9 V DC.

Pengiraan kecekapan

Dengan pertimbangan bahawa arus keluaran sama dengan arus input untuk pengatur linier maka kita akan mendapat persamaan yang dipermudahkan:

Kecekapan = Vout / Vin

Sebagai contoh, katakan anda mempunyai 12 V pada input dan perlu mengeluarkan 5 V pada arus beban 1 A, maka kecekapan untuk pengatur linier hanya (5 V / 12 V) x 100% = 41%. Ini bermaksud bahawa hanya 41% kuasa dari input dipindahkan ke output, dan baki kuasa akan hilang sebagai haba!

Langkah 3: Pengatur Linear 78XX

Pengatur voltan 78XX adalah peranti 3-pin yang terdapat dalam sejumlah pakej yang berbeza, dari pakej transistor kuasa besar (T220) hingga peranti pemasangan permukaan kecil, ini adalah pengatur voltan positif. Siri 79XX adalah pengatur voltan negatif yang setara.

Seri pengatur 78XX memberikan voltan terkawal tetap dari 5 hingga 24 V. Dua digit terakhir nombor bahagian IC menunjukkan voltan keluaran peranti. Ini bermaksud, sebagai contoh, 7805 adalah pengatur positif 5 volt, 7812 adalah pengatur positif 12 volt.

Pengatur voltan ini lurus ke hadapan - sambungkan L8705 dan beberapa kapasitor elektrolitik di seluruh input dan output, dan anda membina pengatur voltan sederhana untuk projek Arduino 5 V.

Langkah penting adalah memeriksa lembaran data untuk mengetahui cadangan dan cadangan pengeluar.

Pengatur 78XX (positif) menggunakan pinout berikut:

1. Input DC yang tidak dikawal selia Vin
2. RUJUKAN (GROUND)
3. Vout keluaran DC yang diatur OUTPUT

Satu perkara yang perlu diperhatikan mengenai versi kes TO-220 dari pengatur voltan ini adalah bahawa casing itu disambungkan secara elektrik ke pin tengah (pin 2). Pada siri 78XX itu bermaksud sarungnya dibumikan.

Jenis pengatur linier ini mempunyai voltan putus 2 V, sebagai hasilnya dengan output 5V pada 1A, anda perlu mempunyai sekurang-kurangnya 2.5 V voltan kepala DC (iaitu, input 5V + 2.5V = 7.5V DC).

Cadangan pengeluar untuk kapasitor pelicin adalah CInput = 0.33 µF dan COutput = 0.1 µF, tetapi praktik umum adalah kapasitor 100 µF pada input dan output. Ini adalah penyelesaian yang baik untuk senario terburuk, dan kapasitor membantu mengatasi turun naik secara tiba-tiba dan peralihan bekalan.

Sekiranya bekalan jatuh di bawah ambang 2 V- kapasitor akan menstabilkan bekalan untuk memastikan bahawa ini tidak berlaku. Sekiranya dos projek anda tidak sementara, maka anda boleh menjalankan dengan cadangan pengeluar.

Litar pengatur voltan linier sederhana hanyalah pengatur voltan L7805 dan dua kapasitor, tetapi kami dapat menaik taraf litar ini untuk membuat beberapa bekalan kuasa yang lebih maju dengan beberapa tahap perlindungan dan petunjuk visual.

Sekiranya anda ingin mengedarkan projek anda maka saya pasti akan mencadangkan untuk menambahkan beberapa komponen tambahan tersebut untuk mengelakkan kesulitan pada masa hadapan dengan pelanggan.

Langkah 4: Litar 7805 Dinaik taraf

Mula-mula anda boleh menggunakan suis untuk menghidupkan atau mematikan litar.

Selain itu anda boleh meletakkan diod (D1), yang disambungkan secara bias terbalik antara output dan input pengatur. Sekiranya terdapat induktor dalam beban, atau bahkan kapasitor, kehilangan input dapat menyebabkan voltan terbalik, yang dapat menghancurkan pengatur. Diod memintas arus sedemikian.

Kapasitor tambahan bertindak sebagai sejenis penapis akhir. Mereka mesti diberi nilai voltan untuk voltan keluaran, tetapi harus cukup tinggi agar sesuai dengan input untuk sedikit keselamatan (mis., 16 25 V). Mereka sangat bergantung pada jenis beban yang anda harapkan, dan boleh ditinggalkan untuk beban DC tulen, tetapi 100uF untuk C1 dan C2, dan 1uF untuk C4 (dan C3) akan menjadi permulaan yang baik.

Selain itu anda boleh menambahkan LED dan perintang penghad arus yang sesuai untuk memberikan lampu penunjuk yang sangat berguna untuk pengesanan kegagalan bekalan kuasa; semasa litar dihidupkan lampu LED menyala jika tidak, cari beberapa kegagalan dalam litar anda.

Sebilangan besar pengatur voltan mempunyai litar perlindungan yang melindungi cip daripada terlalu panas dan jika terlalu panas, ia menurunkan voltan keluaran dan oleh itu menghadkan arus keluaran sehingga peranti tidak hancur oleh panas. Pengatur voltan dalam paket TO-220 juga mempunyai lubang pemasangan untuk pemasangan heatsink, dan saya akan mencadangkan agar anda pasti menggunakannya untuk memasang heatsink industri yang baik.

Langkah 5: Lebih Banyak Kuasa Dari 78XX

Sebilangan besar pengatur 78XX terhad pada arus keluaran 1 - 1.5 A. Sekiranya arus keluaran pengatur IC melebihi had maksimum yang dibenarkan, transistor lulus dalamannya akan membuang sejumlah tenaga lebih banyak daripada yang boleh ditoleransi, yang akan menyebabkan untuk penutupan.

Untuk aplikasi yang memerlukan lebih dari had maksimum arus pengatur yang dibenarkan, transistor pas luaran dapat digunakan untuk meningkatkan arus keluaran. Gambar dari FAIRCHILD Semiconductor menggambarkan konfigurasi sedemikian. Litar ini mempunyai keupayaan untuk menghasilkan arus yang lebih tinggi (hingga 10 A) ke beban tetapi masih mengekalkan pemadaman terma dan perlindungan litar pintas pengatur IC.

Transistor kuasa BD536 dicadangkan oleh pengeluar.

Langkah 6: Pengatur Voltan LDO

L7805 adalah peranti yang sangat mudah dengan voltan putus yang relatif tinggi.

Beberapa pengatur voltan linier, yang disebut low-dropout (LDO), mempunyai voltan putus yang jauh lebih kecil daripada 2V dari 7805. Contohnya LM2937 atau LM2940CT-5.0 mempunyai penurunan 0.5V, akibatnya litar bekalan kuasa anda akan mempunyai kecekapan yang lebih tinggi, dan anda boleh menggunakannya dalam projek dengan bekalan kuasa bateri.

Pembezaan minimum Vin-Vout yang dapat dikendalikan oleh pengatur linier disebut voltan putus. Sekiranya perbezaan antara Vin dan Vout jatuh di bawah voltan putus, maka pengatur berada dalam mod putus.

Pengatur penurunan rendah mempunyai perbezaan yang sangat rendah antara input dan voltan keluaran. Terutama perbezaan voltan pengatur linier LM2940CT-5.0 dapat mencapai kurang dari 0.5 volt sebelum peranti "putus". Untuk operasi normal voltan input mestilah 0.5 V lebih tinggi daripada output.

Pengatur voltan tersebut mempunyai faktor bentuk T220 yang sama dengan L7805 dengan susun atur yang sama - masukan di sebelah kiri, tanah di tengah, dan output di sebelah kanan (jika dilihat dari depan). Hasilnya anda boleh menggunakan litar yang sama. Cadangan pembuatan untuk kapasitor adalah CInput = 0.47 µF dan COutput = 22 µF.

Satu kelemahan utama ialah pengatur "dropout rendah" lebih mahal (bahkan hingga sepuluh kali ganda) berbanding dengan siri 7805.

Langkah 7: Bekalan Kuasa LM317 yang dikawal selia

LM317 adalah pengatur voltan linier positif dengan output yang berubah-ubah, mampu membekalkan arus output lebih dari 1.5 A di atas julat voltan keluaran 1.2-37 V.

. Dua huruf pertama menunjukkan pilihan pengeluar, seperti "LM", yang bermaksud "monolitik linear". Ia adalah pengatur voltan dengan output yang berubah-ubah dan sangat berguna dalam situasi di mana anda memerlukan voltan yang tidak standard. Format 78xx adalah pengatur voltan positif, atau 79xx adalah pengatur voltan negatif, di mana "xx" mewakili voltan peranti.

Julat voltan keluaran adalah antara 1.2 V dan 37 V, dan dapat digunakan untuk menghidupkan Raspberry Pi, Arduino atau DC Motors Shield anda. LM3XX mempunyai perbezaan voltan input / output yang sama dengan 78XX - input mestilah sekurang-kurangnya 2.5 V di atas voltan output.

Seperti siri pengatur 78XX, LM317 adalah peranti tiga pin. Tetapi pendawaiannya sedikit berbeza.

Perkara utama yang perlu diperhatikan mengenai penyambungan LM317 adalah dua perintang R1 dan R2 yang memberikan voltan rujukan kepada pengatur; voltan rujukan ini menentukan voltan keluaran. Anda boleh mengira nilai perintang seperti berikut:

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

IAdj biasanya 50 µA dan boleh diabaikan dalam kebanyakan aplikasi, dan VREF adalah 1,25 V - voltan keluaran minimum.

Sekiranya kita mengabaikan IAdj maka persamaan kita dapat dipermudah

Vout = 1.25 x (1 + R2 / R1)

Sekiranya kita akan menggunakan R1 240 Ω dan R2 dengan 1 kΩ maka kita akan mendapat voltan keluaran Vout = 1.25 (1 + 0/240) = 1.25 V.

Apabila kita akan memutar tombol potensiometer sepenuhnya ke arah lain maka kita akan mendapat Vout = 1.25 (1 + 2000/240) = 11.6 V sebagai voltan keluaran.

Sekiranya anda memerlukan voltan keluaran yang lebih tinggi, maka anda harus mengganti R1 dengan perintang 100 Ω.

Litar menjelaskan:

• R1 dan R2 diperlukan untuk menetapkan voltan keluaran. CAdj disyorkan untuk meningkatkan penolakan riak. Ini menghalang penguatan riak kerana voltan output diselaraskan lebih tinggi.
• C1 dianjurkan, terutamanya jika pengatur tidak dekat dengan kapasitor penapis bekalan kuasa. Kapasitor seramik atau tantalum 0.1-µF atau 1-µF menyediakan pemintas yang mencukupi untuk kebanyakan aplikasi, terutamanya ketika kapasitor penyesuaian dan output digunakan.
• C2 meningkatkan tindak balas sementara, tetapi tidak diperlukan untuk kestabilan.
• Diod perlindungan D2 disyorkan jika CAdj digunakan. Dioda menyediakan jalur pelepasan impedans rendah untuk mengelakkan kapasitor melepaskan ke output pengatur.
• Diod perlindungan D1 disyorkan jika C2 digunakan. Dioda menyediakan jalan pelepasan impedans rendah untuk mengelakkan kapasitor melepaskan ke output pengatur.

Langkah 8: Ringkasan

Pengatur linier berguna jika:

• Pembezaan input ke output voltan kecil
• Anda mempunyai arus beban rendah
• Anda memerlukan voltan keluaran yang sangat bersih
• Anda perlu memastikan reka bentuknya sesederhana dan semurah mungkin.

Oleh itu, bukan sahaja pengatur linier lebih mudah digunakan, tetapi juga memberikan voltan keluaran yang jauh lebih bersih daripada pengatur beralih, tanpa riak, lonjakan, atau kebisingan jenis apa pun. Ringkasnya, melainkan jika pengesahan daya terlalu tinggi atau anda memerlukan pengatur kenaikan, pengatur linier akan menjadi pilihan terbaik anda.