Introduktion till linjära spänningsregulatorer: 8 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:42

För fem år sedan när jag först började med Arduino och Raspberry Pi tänkte jag inte för mycket på strömförsörjning, vid denna tid var strömadaptern från hallon Pi och USB -tillförseln av Arduino mer än tillräckligt.

Men efter en tid fick min nyfikenhet mig att överväga andra strömförsörjningsmetoder, och efter att ha skapat fler projekt var jag tvungen att överväga olika och om möjligt justerbara likströmskällor.

Speciellt när du är klar med din design kommer du definitivt att vilja bygga en mer permanent version av ditt projekt, och för det måste du överväga hur du ska gå tillväga för att ge ström till det.

I denna handledning kommer jag att förklara hur du kan skapa din egen linjära strömförsörjning med allmänt använda och prisvärda spänningsregulatorer IC (LM78XX, LM3XX, PSM-165 etc.). Du lär dig om deras funktionalitet och implementering för dina egna projekt.

Steg 1: Designhänsyn

Gemensamma spänningsnivåer

Det finns flera standardspänningsnivåer som din design kan kräva:

• 3.3 Volt DC-Detta är en vanlig spänning som används av Raspberry PI och digitala enheter med låg effekt.
• 5 Volt DC - Detta är standard TTL (Transistor Transistor Logic) spänning som används av digitala enheter.
• 12 Volt DC - används för likström, servo och stegmotorer.
• 24/48 volt DC - används ofta i CNC- och 3D -utskriftsprojekt.

Du bör överväga i din design att logiska nivåspänningar måste regleras mycket exakt. Till exempel för enheter med TTL -spänning måste matningsspänningen vara mellan 4,75 och 5,25 volt, annars kommer varje spänningsavvikelse att få de logiska komponenterna att sluta fungera korrekt eller till och med förstöra dina komponenter.

Till skillnad från enheterna på logisk nivå kan strömförsörjningen för motorer, lysdioder och andra elektroniska komponenter avvika inom ett brett spektrum. Dessutom måste du överväga aktuella krav för projektet. Speciellt motorer kan orsaka att den nuvarande dragningen fluktuerar och du måste utforma din strömförsörjning för att klara den "värsta situationen" där varje motor drivs med full kapacitet.

Du måste använda ett annat tillvägagångssätt för spänningsregleringen för linjedrivna och batteridrivna konstruktioner, eftersom batterispänningsnivåerna kommer att fluktuera när batteriet laddas ur.

En annan viktig aspekt av spänningsregulatorns design är effektiviteten - särskilt i batteridrivna projekt måste du minska strömförlusterna till ett minimum.

OBS: I de flesta länder kan en person inte lagligt arbeta med spänningar över 50V AC utan licens. Varje misstag som görs av någon som arbetar med dödlig spänning kan leda till deras egen död, eller en annan persons. Av denna anledning kommer jag bara att förklara DC -strömförsörjning med spänningsnivå under 60 V DC.

Steg 2: Typer av spänningsregulatorer

Det finns två huvudtyper av spänningsregulatorer:

• linjära spänningsregulatorer som är mest prisvärda och enkla att använda
• växelspänningsregulatorer som är effektivare än linjära spänningsregulatorer, men dyrare och kräver en mer komplex kretsdesign.

I denna handledning kommer vi att arbeta med linjära spänningsregulatorer.

Elektriska egenskaper hos de linjära spänningsregulatorerna

Spänningsfallet i den linjära regulatorn är proportionellt mot IC: s spridda effekt, eller med andra ord förlorar effekten på grund av värmeeffekten.

För effektförlusten i de linjära regulatorerna kan följande ekvation användas:

Effekt = (VInput - VOutput) x I

Den linjära regulatorn L7805 måste släppa ut minst 2 watt om den skulle leverera en belastning på 1 A (2 V spänningsfall 1 A).

Med ökningen av spänningsskillnaden mellan ingångs- och utgångsspänningen ökar också effektförlusten. Betydelse, till exempel, medan en 7 volt källa reglerad till 5 volt som levererar 1 amp skulle släppa ut 2 watt genom den linjära regulatorn, skulle en 12 V DC källa reglerad till 5 volt som levererar samma ström avge 5 watt, vilket gör regulatorn endast 50 % effektiv.

Nästa viktiga parameter är”termisk resistans” i enheter på ° C/W (° C per Watt).

Denna parameter indikerar antalet grader som chipet kommer att värmas upp över omgivningens lufttemperatur, per varje watt effekt det måste släppa ut. Multiplicera helt enkelt den beräknade effektförlusten med termiskt motstånd och det kommer att berätta hur mycket den linjära regulatorn kommer att värma upp under den mängden effekt:

Effekt x termisk resistans = temperatur över omgivningen

Till exempel har en 7805 -regulator en värmebeständighet på 50 ° C / Watt. Det betyder att om din regulator försvinner:

• 1 watt, det kommer att värma upp 50 ° C
• .2 watt det kommer att värma upp 100 ° C.

OBS: Under projektplaneringsfasen försök att uppskatta nödvändig ström och minska spänningsskillnaden till ett minimum. Till exempel har 78XX linjär spänningsregulator 2 V spänningsfall (min. Ingångsspänning är Vin = 5 + 2 = 7 V DC), som ett resultat kan du använda 7, 5 eller 9 V DC strömförsörjning.

Effektivitetsberäkning

Med tanke på att utströmmen är lika med ingångsströmmen för en linjär regulator får vi en förenklad ekvation:

Effektivitet = Vout / Vin

Låt oss till exempel säga att du har 12 V på ingången och behöver mata ut 5 V vid 1 A lastström, då skulle effektiviteten för en linjär regulator bara vara (5 V / 12 V) x 100 % = 41 %. Detta innebär att endast 41 % av effekten från ingången överförs till utgången, och den återstående effekten kommer att gå förlorad som värme!

Steg 3: 78XX Linjära regulatorer

Spänningsregulatorerna 78XX är 3-poliga enheter tillgängliga i ett antal olika paket, från stora effekttransistorpaket (T220) till små ytmonterade enheter, det är en positiv spänningsregulator. 79XX -serien är motsvarande negativa spänningsregulatorer.

78XX -serien av regulatorer tillhandahåller fasta reglerade spänningar från 5 till 24 V. De två sista siffrorna i IC -artikelnumret anger enhetens utspänning. Detta betyder till exempel att en 7805 är en positiv 5 volt regulator, en 7812 är en positiv 12 volt regulator.

Dessa spänningsregulatorer är raka fram - anslut L8705 och ett par elektrolytkondensatorer över ingången och utgången, och du bygger en enkel spänningsregulator för 5 V Arduino -projekt.

Det viktiga steget är att kontrollera datablad för pin-outs och tillverkarens rekommendationer.

78XX (positiva) regulatorer använder följande pinouts:

1. INPUT-oreglerad DC-ingång Vin
2. REFERENS (JORD)
3. OUTPUT -reglerad DC -utgång Vout

En sak att notera om TO-220-fallversionen av dessa spänningsregulatorer är att höljet är elektriskt anslutet till mittstiftet (stift 2). På 78XX -serien betyder det att fodralet är jordat.

Denna typ av linjär regulator har en 2 V utfallsspänning, som ett resultat med en 5V utgång vid 1A måste du ha minst 2,5 V DC huvudspänning (dvs. 5V + 2,5V = 7,5V DC ingång).

Tillverkarens rekommendationer för utjämningskondensatorerna är CInput = 0,33 µF och COutput = 0,1 µF, men allmän praxis är 100 µF kondensator på ingången och utgången. Det är en bra lösning för värsta fall och kondensatorerna hjälper till att hantera plötsliga fluktuationer och transienter i utbudet.

Om försörjningen faller under tröskeln för 2 V- kommer kondensatorerna att stabilisera matningen för att säkerställa att detta inte händer. Om ditt projekt inte har sådana transienter kan du köra med tillverkarens rekommendationer.

Enkel linjär spänningsregulatorkrets är bara L7805 spänningsregulator och två kondensatorer, men vi kan uppgradera denna krets för att skapa lite mer avancerad strömförsörjning med viss skyddsnivå och visuell indikation.

Om du vill distribuera ditt projekt kommer jag definitivt att föreslå att du lägger till några få ytterligare komponenter för att förhindra framtida besvär med kunder.

Steg 4: Uppgraderad 7805 -krets

Först kan du använda omkopplaren för att slå på eller stänga av kretsen.

Dessutom kan du placera en diod (D1), ansluten i omvänd förspänning mellan regulatorns utgång och ingång. Om det finns induktorer i lasten, eller till och med kondensatorer, kan en förlust av ingång orsaka en omvänd spänning, vilket kan förstöra regulatorn. Dioden kringgår alla sådana strömmar.

Ytterligare kondensatorer fungerar som ett slags slutfilter. De måste vara spänningsklassade för utspänningen, men bör vara tillräckligt höga för att passa ingången för en liten säkerhetsmarginal (t.ex. 16 25 V). De beror verkligen på vilken typ av belastning du förväntar dig och kan utelämnas för en ren DC -belastning, men 100uF för C1 och C2 och 1uF för C4 (och C3) skulle vara en bra början.

Dessutom kan du lägga till lysdioden och lämpligt strömbegränsande motstånd för att ge en indikatorlampa som är mycket användbar för detektering av strömförsörjning. när kretsen är påslagen lyser LED -lampor annars leta efter några fel i din krets.

De flesta spänningsregulatorer har skyddskretsar som skyddar chips från överhettning och om det blir för varmt tappar det utspänningen och begränsar därför utströmmen så att enheten inte förstörs av värmen. Spänningsregulatorer i TO-220-paket har också ett monteringshål för kylflänsfästet, och jag föreslår att du definitivt ska använda den för att fästa en bra industriell kylfläns.

Steg 5: Mer kraft från 78XX

De flesta av 78XX -regulatorerna är begränsade till en utström på 1 - 1,5 A. Om utgångsströmmen för en IC -regulator överskrider den högsta tillåtna gränsen, kommer dess interna pass -transistor att avleda en mängd energi mer än den kan tolerera, vilket leder till till avstängningen.

För applikationer som kräver mer än den högsta tillåtna strömgränsen för en regulator kan en extern passstransistor användas för att öka utströmmen. Figur från FAIRCHILD Semiconductor illustrerar en sådan konfiguration. Denna krets har förmågan att producera högre ström (upp till 10 A) till lasten men ändå bevara den termiska avstängningen och kortslutningsskyddet för IC-regulatorn.

BD536 effekttransistor föreslås av tillverkaren.

Steg 6: LDO -spänningsregulatorer

L7805 är en mycket enkel enhet med en relativ hög avbrottsspänning.

Vissa linjära spänningsregulatorer, så kallade low-dropout (LDO), har en mycket mindre avbrottsspänning än 2V i 7805. Till exempel har LM2937 eller LM2940CT-5.0 ett avbrott på 0,5V, vilket gör att din strömförsörjningskrets har en högre effektivitet, och du kan använda den i projekt med batteriström.

Den minsta Vin-Vout-differens som en linjär regulator kan använda kallas utfallsspänningen. Om skillnaden mellan Vin och Vout faller under utfallsspänningen är regulatorn i avbrottsläge.

Reglerare med lågt utfall har en mycket liten skillnad mellan ingång och utspänning. Speciellt LM2940CT-5.0 linjära regulators spänningsskillnad kan nå mindre än 0,5 volt innan enheterna "faller ut". För normal drift bör ingångsspänningen vara 0,5 V högre än utgången.

Dessa spänningsregulatorer har samma T220 -formfaktor som L7805 med samma layout - ingång till vänster, mark i mitten och utgång till höger (sett framifrån). Som ett resultat kan du använda samma krets. Tillverkningsrekommendationer för kondensatorerna är CInput = 0,47 µF och COutput = 22 µF.

En stor nackdel är att regulatorer med lågt utfall är dyrare (till och med upp till tio gånger) jämfört med 7805-serien.

Steg 7: Reglerad LM317 -strömförsörjning

LM317 är en positiv linjär spänningsregulator med variabel utgång, kan leverera en utström på mer än 1,5 A över ett utspänningsområde på 1,2–37 V.

. De två första bokstäverna anger tillverkarens preferenser, till exempel "LM", som står för "linjär monolitisk". Det är en spänningsregulator med variabel utgång och det är därför mycket användbart i situationer där du behöver en icke-standardiserad spänning. Formatet 78xx är en positiv spänningsregulator, eller 79xx är en negativ spänningsregulator, där "xx" representerar enhetens spänning.

Utgångsspänningsområdet ligger mellan 1,2 V och 37 V och kan användas för att driva din Raspberry Pi, Arduino eller DC Motors Shield. LM3XX har samma in-/utspänningsskillnad som 78XX - ingången måste vara minst 2,5 V över utspänningen.

Som med 78XX -serien av regulatorer är LM317 en tre -stifts enhet. Men kablarna är lite annorlunda.

Det viktigaste att notera om LM317 -anslutningen är de två motstånden R1 och R2 som ger en referensspänning till regulatorn; denna referensspänning bestämmer utspänningen. Du kan beräkna dessa motståndsvärden enligt följande:

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

IAdj är vanligtvis 50 µA och försumbar i de flesta applikationer, och VREF är 1,25 V - minsta utspänning.

Om vi försummar IAdj kan vår ekvation förenklas till

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

Om vi använder R1 240 Ω och R2 med 1 kΩ får vi utspänningen Vout = 1,25 (1+0/240) = 1,25 V.

När vi kommer att rotera potentiometervredet helt i annan riktning får vi Vout = 1,25 (1+2000/240) = 11,6 V som utspänning.

Om du behöver högre utspänning bör du ersätta R1 med 100 Ω motstånd.

Kretsen förklarade:

• R1 och R2 krävs för att ställa in utspänningen. CAdj rekommenderas för att förbättra avslag på krusning. Det förhindrar förstärkning av krusningen när utspänningen justeras högre.
• C1 rekommenderas, särskilt om regulatorn inte är i närheten av nätaggregatets filterkondensatorer. En 0,1-µF eller 1-µF keramik- eller tantalkondensator ger tillräcklig förbikoppling för de flesta applikationer, särskilt när justerings- och utmatningskondensatorer används.
• C2 förbättrar övergående respons, men behövs inte för stabilitet.
• Skyddsdiod D2 rekommenderas om CAdj används. Dioden tillhandahåller en urladdningsväg med låg impedans för att förhindra att kondensatorn urladdas till regulatorns utgång.
• Skyddsdiod D1 rekommenderas om C2 används. Dioden tillhandahåller en urladdningsväg med låg impedans för att förhindra att kondensatorn urladdas till regulatorns utgång.

Steg 8: Sammanfattning

Linjära regulatorer är användbara om:

• Ingången till utgångsspänningsdifferensen är liten
• Du har en låg belastningsström
• Du behöver en extremt ren utspänning
• Du måste hålla designen så enkel och billig som möjligt.

Därför är inte bara linjära regulatorer lättare att använda, utan de ger en mycket renare utspänning jämfört med omkopplingsregulatorer, utan krusning, spikar eller brus av någon typ. Sammanfattningsvis, såvida inte effektförlusten är för hög eller du behöver en stegregulator, är en linjär regulator ditt bästa alternativ.