Введение в линейные регуляторы напряжения: 8 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:51

Пять лет назад, когда я впервые начал работать с Arduino и Raspberry Pi, я не особо задумывался об источнике питания, в то время адаптера питания от Raspberry Pi и USB-источника питания Arduino было более чем достаточно.

Но через некоторое время мое любопытство подтолкнуло меня к рассмотрению других методов питания, и после создания большего количества проектов я был вынужден задуматься о различных и, если возможно, регулируемых источниках питания постоянного тока.

Когда вы закончите свой дизайн, вы определенно захотите создать более постоянную версию своего проекта, и для этого вам нужно будет подумать о том, как обеспечить ему мощность.

В этом руководстве я объясню, как вы можете создать свой собственный линейный источник питания с широко распространенными и доступными по цене микросхемами стабилизаторов напряжения (LM78XX, LM3XX, PSM-165 и т. Д.). Вы узнаете об их функционале и реализации в собственных проектах.

Шаг 1. Рекомендации по проектированию

Общие уровни напряжения

Существует несколько стандартных уровней напряжения, которые могут потребоваться для вашей конструкции:

• 3,3 В постоянного тока - это стандартное напряжение, используемое Raspberry PI и маломощными цифровыми устройствами.
• 5 В постоянного тока - это стандартное напряжение TTL (транзисторной транзисторной логики), используемое цифровыми устройствами.
• 12 В постоянного тока - используется для двигателей постоянного тока, сервоприводов и шаговых двигателей.
• 24/48 В постоянного тока - широко используется в проектах с ЧПУ и 3D-печатью.

При проектировании следует учитывать, что напряжения логического уровня должны регулироваться очень точно. Например, для устройств с напряжением TTL напряжение питания должно быть от 4,75 до 5,25 вольт, в противном случае любое отклонение напряжения приведет к прекращению правильной работы логических компонентов или даже к разрушению ваших компонентов.

В отличие от устройств логического уровня, питание двигателей, светодиодов и других электронных компонентов может отличаться в широком диапазоне. Дополнительно необходимо учитывать текущие требования проекта. В частности, двигатели могут вызывать колебания потребляемого тока, и вам необходимо спроектировать источник питания с учетом «наихудшего случая», когда каждый двигатель работает на полную мощность.

Вы должны использовать другой подход для регулирования напряжения для конструкций с питанием от сети и от батареи, потому что уровни напряжения батареи будут колебаться по мере разряда батареи.

Еще одним важным аспектом конструкции регулятора напряжения является эффективность - особенно в проектах с батарейным питанием вы должны сводить потери мощности к минимуму.

ВНИМАНИЕ: В большинстве стран человек не может законно работать с напряжением выше 50 В переменного тока без лицензии. Любая ошибка, допущенная любым человеком, работающим со смертельным напряжением, может привести к его собственной смерти или смерти другого человека. По этой причине я буду объяснять только построение блока питания постоянного тока с уровнем напряжения ниже 60 В постоянного тока.

Шаг 2: Типы регуляторов напряжения

Существует два основных типа регуляторов напряжения:

• линейные регуляторы напряжения, которые наиболее доступны и просты в использовании
• импульсные регуляторы напряжения, которые более эффективны, чем линейные регуляторы напряжения, но более дороги и требуют более сложной схемы.

В этом уроке мы будем работать с линейными регуляторами напряжения.

Электрические характеристики линейных регуляторов напряжения

Падение напряжения в линейном регуляторе пропорционально рассеиваемой мощности ИС, или, другими словами, потеря мощности из-за эффекта нагрева.

Для рассеивания мощности в линейных регуляторах можно использовать следующее уравнение:

Мощность = (VInput - VOutput) x I

Линейный стабилизатор L7805 должен рассеивать не менее 2 Вт, если он будет обеспечивать нагрузку 1 А (падение напряжения 2 В, умноженное на 1 А).

С увеличением разницы между входным и выходным напряжением увеличивается и рассеиваемая мощность. Это означает, например, что в то время как источник 7 В, регулируемый до 5 В, дающий 1 А, будет рассеивать 2 Вт через линейный регулятор, источник 12 В постоянного тока, регулируемый до 5 В, обеспечивающий такой же ток, будет рассеивать 5 Вт, делая регулятор только 50%. эффективный.

Следующим важным параметром является «Термическое сопротивление» в единицах ° C / Вт (° C на ватт).

Этот параметр указывает на количество градусов, на которое микросхема будет нагреваться выше температуры окружающего воздуха, на каждый ватт мощности, которую он должен рассеять. Просто умножьте рассчитанную рассеиваемую мощность на тепловое сопротивление, и вы узнаете, насколько сильно линейный регулятор будет нагреваться при такой мощности:

Мощность x термическое сопротивление = температура выше окружающей среды

Например, регулятор 7805 имеет тепловое сопротивление 50 ° C / Вт. Это означает, что если ваш регулятор рассеивает:

• 1 ватт, он нагреется до 50 ° C
• .2 Вт он нагреется до 100 ° C.

ПРИМЕЧАНИЕ. На этапе планирования проекта постарайтесь оценить требуемый ток и уменьшить разницу напряжений до минимума. Например, линейный стабилизатор напряжения 78XX имеет падение напряжения 2 В (минимальное входное напряжение Vin = 5 + 2 = 7 В постоянного тока), в результате вы можете использовать источник питания 7, 5 или 9 В постоянного тока.

Расчет эффективности

Учитывая, что выходной ток равен входному току для линейного регулятора, мы получим упрощенное уравнение:

Эффективность = Vout / Vin

Например, предположим, что у вас есть 12 В на входе и вам нужно вывести 5 В при токе нагрузки 1 А, тогда эффективность линейного регулятора будет только (5 В / 12 В) x 100% = 41%. Это означает, что только 41% мощности от входа передается на выход, а оставшаяся мощность будет потеряна в виде тепла!

Шаг 3: линейные регуляторы 78XX

Стабилизаторы напряжения 78XX представляют собой 3-контактные устройства, доступные в различных корпусах, от больших корпусов силовых транзисторов (T220) до крошечных устройств для поверхностного монтажа, то есть регуляторов положительного напряжения. Серии 79XX являются эквивалентными регуляторами отрицательного напряжения.

Стабилизаторы серии 78XX обеспечивают фиксированное регулируемое напряжение от 5 до 24 В. Последние две цифры номера детали IC обозначают выходное напряжение устройства. Это означает, например, что 7805 - положительный регулятор на 5 вольт, 7812 - положительный регулятор на 12 вольт.

Эти регуляторы напряжения просты - подключите L8705 и пару электролитических конденсаторов на входе и выходе, и вы создадите простой регулятор напряжения для проектов Arduino на 5 В.

Важный шаг - проверить спецификации на распиновку и рекомендации производителя.

Регуляторы 78XX (положительные) используют следующие распиновки:

1. INPUT - нерегулируемый вход постоянного тока Vin
2. СПРАВОЧНИК (ЗЕМЛЯ)
3. OUTPUT - регулируемый выход постоянного тока Vout

Одна вещь, которую следует отметить в версии этих регуляторов напряжения с корпусом TO-220, заключается в том, что корпус электрически подключен к центральному контакту (контакт 2). В серии 78XX это означает, что корпус заземлен.

Этот тип линейного регулятора имеет падение напряжения 2 В, поэтому при выходе 5 В при 1 А необходимо иметь как минимум 2,5 В постоянного напряжения на головке (т.е. 5 В + 2,5 В = 7,5 В на входе постоянного тока).

Рекомендации производителя для сглаживающих конденсаторов: CInput = 0,33 мкФ и COutput = 0,1 мкФ, но общая практика - конденсатор 100 мкФ на входе и выходе. Это хорошее решение для наихудшего сценария, и конденсаторы помогают справиться с этим. внезапные колебания и переходные процессы в электроснабжении.

В случае, если напряжение питания упадет ниже порогового значения 2 В, конденсаторы стабилизируют питание, чтобы этого не произошло. Если в вашем проекте нет таких переходных процессов, вы можете запустить его в соответствии с рекомендациями производителя.

Простая схема линейного регулятора напряжения - это всего лишь регулятор напряжения L7805 и два конденсатора, но мы можем модернизировать эту схему, чтобы создать более совершенный источник питания с некоторым уровнем защиты и визуальной индикацией.

Если вы хотите распространять свой проект, я обязательно предложу добавить эти несколько дополнительных компонентов, чтобы предотвратить неудобства для клиентов в будущем.

Шаг 4: Модернизированная схема 7805

Сначала вы можете использовать переключатель для включения или выключения цепи.

Дополнительно вы можете разместить диод (D1) с обратным смещением между выходом и входом регулятора. Если в нагрузке есть катушки индуктивности или даже конденсаторы, потеря входа может вызвать обратное напряжение, которое может вывести из строя регулятор. Диод блокирует такие токи.

Дополнительные конденсаторы действуют как своего рода финальный фильтр. Они должны иметь номинальное напряжение для выходного напряжения, но должны быть достаточно высокими, чтобы соответствовать входному напряжению для небольшого запаса прочности (например, 16 25 В). Они действительно зависят от типа нагрузки, которую вы ожидаете, и могут быть исключены для чистой нагрузки постоянного тока, но 100 мкФ для C1 и C2 и 1 мкФ для C4 (и C3) будут хорошим началом.

Кроме того, вы можете добавить светодиод и соответствующий токоограничивающий резистор, чтобы получить световой индикатор, который очень полезен для обнаружения сбоя источника питания; когда цепь запитана, светодиоды горят, в противном случае ищите неисправности в вашей цепи.

Большинство регуляторов напряжения имеют схему защиты, которая защищает микросхемы от перегрева, и если она становится слишком горячей, она понижает выходное напряжение и, следовательно, ограничивает выходной ток, чтобы устройство не было разрушено из-за тепла. Стабилизаторы напряжения в корпусах ТО-220 также имеют монтажное отверстие для крепления радиатора, и я предлагаю вам обязательно использовать его для установки хорошего промышленного радиатора.

Шаг 5: больше мощности от 78XX

Большинство регуляторов 78XX ограничены выходным током 1-1,5 А. Если выходной ток регулятора IC превышает максимально допустимый предел, его внутренний проходной транзистор будет рассеивать количество энергии больше, чем он может выдержать, что приведет к к отключению.

Для приложений, которые требуют больше, чем максимально допустимый предел тока регулятора, можно использовать внешний проходной транзистор для увеличения выходного тока. Рисунок от FAIRCHILD Semiconductor иллюстрирует такую конфигурацию. Эта схема способна выдавать более высокий ток (до 10 А) на нагрузку, но при этом сохранять тепловое отключение и защиту от короткого замыкания регулятора IC.

Силовой транзистор BD536 рекомендован производителем.

Шаг 6: регуляторы напряжения LDO

L7805 - очень простое устройство с относительно высоким падением напряжения.

Некоторые линейные регуляторы напряжения, так называемые малые падения напряжения (LDO), имеют гораздо меньшее падение напряжения, чем 2 В у 7805. Например, у LM2937 или LM2940CT-5.0 есть падение напряжения 0,5 В, в результате ваша цепь питания будет имеют более высокий КПД, и вы можете использовать его в проектах с аккумуляторным питанием.

Минимальный дифференциал Vin-Vout, с которым может работать линейный регулятор, называется падением напряжения. Если разница между Vin и Vout падает ниже напряжения отключения, то регулятор находится в режиме отключения.

Стабилизаторы с малым падением напряжения имеют очень небольшую разницу между входным и выходным напряжением. В частности, у линейных регуляторов LM2940CT-5.0 разница напряжений может достигать менее 0,5 В до того, как устройства «отключатся». Для нормальной работы входное напряжение должно быть на 0,5 В выше выходного.

Эти регуляторы напряжения имеют тот же форм-фактор T220, что и L7805, с той же компоновкой - вход слева, земля посередине и выход справа (если смотреть спереди). В результате вы можете использовать ту же схему. Рекомендации производителя для конденсаторов: CInput = 0,47 мкФ и COutput = 22 мкФ.

Одним из основных недостатков является то, что регуляторы с малым падением напряжения более дороги (даже в десять раз) по сравнению с серией 7805.

Шаг 7: Регулируемый источник питания LM317

LM317 - это положительный линейный стабилизатор напряжения с регулируемым выходом, способный выдавать выходной ток более 1,5 А в диапазоне выходного напряжения 1,2–37 В.

. Первые две буквы обозначают предпочтения производителя, например «LM», что означает «линейный монолитный». Это регулятор напряжения с регулируемым выходом, поэтому он очень полезен в ситуациях, когда вам нужно нестандартное напряжение. Формат 78xx - это регуляторы положительного напряжения, или 79xx - регуляторы отрицательного напряжения, где «xx» представляет напряжение устройств.

Диапазон выходного напряжения составляет от 1,2 В до 37 В и может использоваться для питания Raspberry Pi, Arduino или DC Motors Shield. LM3XX имеет ту же разницу входного / выходного напряжения, что и 78XX - входное напряжение должно быть как минимум на 2,5 В выше выходного напряжения.

Как и регуляторы серии 78XX, LM317 представляет собой трехконтактное устройство. Но разводка немного другая.

Главное, на что следует обратить внимание при подключении LM317, - это два резистора R1 и R2, которые обеспечивают опорное напряжение для регулятора; это опорное напряжение определяет выходное напряжение. Вы можете рассчитать эти значения резисторов следующим образом:

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

IAdj обычно составляет 50 мкА и незначительно в большинстве приложений, а VREF составляет 1,25 В - минимальное выходное напряжение.

Если пренебречь IAdj, то наше уравнение можно упростить до

Vвых = 1,25 х (1 + R2 / R1)

Если мы будем использовать R1 240 Ом и R2 с 1 кОм, то мы получим выходное напряжение Vout = 1,25 (1 + 0/240) = 1,25 В.

Когда мы полностью повернем ручку потенциометра в другом направлении, мы получим выходное напряжение Vout = 1,25 (1 + 2000/240) = 11,6 В.

Если вам нужно более высокое выходное напряжение, вам следует заменить R1 резистором 100 Ом.

Схема объяснила:

• R1 и R2 необходимы для установки выходного напряжения. CAdj рекомендуется для улучшения подавления пульсаций. Это предотвращает усиление пульсаций при повышении выходного напряжения.
• Рекомендуется использовать C1, особенно если регулятор не находится в непосредственной близости от конденсаторов фильтра источника питания. Керамический или танталовый конденсатор емкостью 0,1 мкФ или 1 мкФ обеспечивает достаточное шунтирование для большинства приложений, особенно при использовании регулировочных и выходных конденсаторов.
• C2 улучшает переходную характеристику, но не требуется для стабильности.
• При использовании CAdj рекомендуется защитный диод D2. Диод обеспечивает путь разряда с низким сопротивлением, чтобы предотвратить разряд конденсатора на выходе регулятора.
• При использовании C2 рекомендуется защитный диод D1. Диод обеспечивает путь разряда с низким сопротивлением, чтобы предотвратить разряд конденсатора на выходе регулятора.

Шаг 8: Резюме

Линейные регуляторы полезны, если:

• Разница между входным и выходным напряжением мала.
• У вас низкий ток нагрузки
• Вам требуется исключительно чистое выходное напряжение
• Вам нужно сделать дизайн максимально простым и дешевым.

Таким образом, линейные регуляторы не только проще в использовании, но и обеспечивают гораздо более чистое выходное напряжение по сравнению с импульсными регуляторами, без пульсаций, всплесков или шума любого типа. Таким образом, если рассеиваемая мощность не слишком велика или вам не требуется повышающий регулятор, линейный регулятор будет вашим лучшим вариантом.