Hyrje në Rregullatorët Linear të Tensionit: 8 Hapa

2024 Autor: John Day | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-30 12:17

Pesë vjet më parë kur fillova me Arduino dhe Raspberry Pi nuk mendova shumë për furnizimin me energji elektrike, në këtë kohë përshtatësi i energjisë nga mjedra Pi dhe furnizimi me USB i Arduino ishte më se i mjaftueshëm.

Por pas njëfarë kohe kurioziteti im më shtyu të merrja parasysh metoda të tjera të furnizimit me energji, dhe pasi krijova më shumë projekte u detyrova të bëja konsiderata për burime të ndryshme dhe nëse është e mundur të rregullueshme të energjisë DC.

Sidomos kur të përfundoni modelin tuaj ju patjetër që do të dëshironi të ndërtoni një version më të përhershëm të projektit tuaj, dhe për këtë ju do të duhet të merrni parasysh se si të veproni për të siguruar energji për të.

Në këtë Tutorial do të shpjegoj se si mund të krijoni furnizimin tuaj linear të energjisë me rregullatorët e tensionit të përdorur gjerësisht dhe të përballueshëm IC (LM78XX, LM3XX, PSM-165 etj.). Do të mësoni për funksionalitetin dhe zbatimin e tyre për projektet tuaja.

Hapi 1: Konsideratat e Dizajnit

Nivelet e Përbashkëta të Tensionit

Ekzistojnë disa nivele standarde të tensionit që dizajni juaj mund të kërkojë:

• 3.3 Volt DC-Ky është një tension i zakonshëm i përdorur nga Raspberry PI dhe pajisje dixhitale me fuqi të ulët.
• 5 Volt DC - Ky është tensioni standard TTL (Transistor Transistor Logic) i përdorur nga pajisjet dixhitale.
• 12 volt DC - përdoret për motorët DC, servo dhe stepper.
• 24/48 Volt DC - përdoret gjerësisht në projektet CNC dhe 3D Print.

Duhet të keni parasysh në modelin tuaj se tensionet e nivelit logjik duhet të rregullohen me shumë saktësi. Për shembull, për pajisjet me tension TTL, tensioni i furnizimit duhet të jetë midis 4.75 dhe 5.25 volt, përndryshe çdo devijim i tensionit do të bëjë që komponentët logjikë të ndalojnë së punuari apo edhe të shkatërrojnë përbërësit tuaj.

Në kontrast me pajisjet e nivelit logjik, furnizimi me energji për motorët, LED dhe komponentët e tjerë elektronikë mund të devijojë në një gamë të gjerë. Përveç kësaj ju duhet të merrni parasysh kërkesat aktuale të projektit. Sidomos motorët mund të shkaktojnë luhatje të rrymës aktuale dhe ju duhet të krijoni furnizimin me energji elektrike për të përshtatur situatën "më të keqe" ku çdo motor operohet me kapacitet të plotë.

Ju duhet të përdorni qasje të ndryshme për rregullimin e tensionit për modelet e linjës dhe baterisë, sepse nivelet e tensionit të baterisë do të luhaten ndërsa bateria shkarkohet.

Një aspekt tjetër i rëndësishëm i dizajnit të rregullatorit të tensionit është efikasiteti - veçanërisht në projektet me bateri ju duhet të zvogëloni humbjet e energjisë në minimum.

KUJDES: Në shumicën e vendeve një person nuk mund të punojë ligjërisht me tensione mbi 50V AC pa licencë. Çdo gabim i bërë nga çdo person që punon me tension vdekjeprurës mund të çojë në vdekjen e tyre, ose të një personi tjetër. Për këtë arsye unë do të shpjegoj vetëm ndërtimin e furnizimit me energji DC me nivel tensioni nën 60 V DC.

Hapi 2: Llojet e Rregullatorëve të Tensionit

Ekzistojnë dy lloje kryesore të rregullatorëve të tensionit:

• rregullatorët linearë të tensionit të cilët janë më të përballueshëm dhe të thjeshtë për t'u përdorur
• ndërrimi i rregullatorëve të tensionit të cilët janë më efikas se rregullatorët linearë të tensionit, por më të shtrenjtë dhe kërkojnë një dizajn më kompleks të qarkut.

Në këtë tutorial ne do të punojmë me rregullatorët linearë të tensionit.

Karakteristikat elektrike të rregullatorëve të tensionit linear

Rënia e tensionit në rregullatorin linear është proporcionale me fuqinë e shpërndarë të IC, ose me fjalë të tjera fuqia humbet për shkak të efektit të ngrohjes.

Për shpërndarjen e energjisë në rregullatorët linearë, ekuacioni i mëposhtëm mund të përdoret:

Fuqia = (VInput - VOutput) x I

Rregullatori linear L7805 duhet të shpërndajë të paktën 2 vat nëse do të jepte një ngarkesë 1 A (rënie tensioni 2 V herë 1 A).

Me rritjen e ndryshimit të tensionit midis tensionit hyrës dhe dalës - shpërndarja e fuqisë gjithashtu rritet. Do të thotë, për shembull, ndërsa një burim 7 volt i rregulluar në 5 volt duke dhënë 1 amp do të shpërndajë 2 vat përmes rregullatorit linear, një burim 12 V DC i rregulluar në 5 volt që jep të njëjtën rrymë do të shpërndajë 5 vat, duke e bërë rregullatorin vetëm 50 % efikas.

Parametri tjetër i rëndësishëm është "Rezistenca Termike" në njësi prej ° C/W (° C për Watt).

Ky parametër tregon numrin e gradave që çipi do të nxehet mbi temperaturën e ajrit të ambientit, për çdo vat energji që duhet të shpërndajë. Thjesht shumëzoni shpërndarjen e fuqisë së llogaritur me Rezistencën Termike dhe kjo do t'ju tregojë se sa do të nxehet ai rregullator linear nën atë sasi fuqie:

Fuqia x Rezistenca Termike = Temperatura Mbi Ambientin

Për shembull, një rregullator 7805 ka një Rezistencë Termike prej 50 ° C / Watt. Kjo do të thotë nëse rregullatori juaj po shpërndahet:

• 1 vat, do të nxehet 50 ° C
• .2 vat do të nxehet 100 ° C.

SH NOTNIM: Gjatë fazës së planifikimit të projektit përpiquni të vlerësoni rrymën e kërkuar dhe zvogëloni diferencën e tensionit në minimum. Për shembull, rregullatori i tensionit linear 78XX ka rënie të tensionit 2 V (min. Tensioni i hyrjes është Vin = 5 + 2 = 7 V DC), si rezultat mund të përdorni furnizimin me energji elektrike 7, 5 ose 9 V DC.

Llogaritja e efikasitetit

Duke marrë parasysh që rryma e daljes është e barabartë me rrymën hyrëse për një rregullator linear, atëherë do të marrim ekuacionin e thjeshtuar:

Efikasiteti = Vout / Vin

Për shembull, le të themi që keni 12 V në hyrje dhe duhet të dilni 5 V në 1 A të rrymës së ngarkesës, atëherë efikasiteti për një rregullator linear do të ishte vetëm (5 V / 12 V) x 100 % = 41 %. Kjo do të thotë që vetëm 41 % e fuqisë nga hyrja transferohet në dalje, dhe fuqia e mbetur do të humbet si nxehtësi!

Hapi 3: Rregullatorët linearë 78XX

Rregullatorët e tensionit 78XX janë pajisje me 3 kunja të disponueshme në një numër paketash të ndryshme, nga paketat e mëdha të tranzistorit të fuqisë (T220) deri te pajisjet e vogla të montimit në sipërfaqe, është një rregullator pozitiv i tensionit. Seritë 79XX janë rregullatorë ekuivalentë të tensionit negativ.

Seria e rregullatorëve 78XX siguron tensione të rregulluara fikse nga 5 në 24 V. Dy shifrat e fundit të numrit të pjesës IC tregojnë tensionin dalës të pajisjes. Kjo do të thotë, për shembull, një 7805 është një rregullator pozitiv 5 volt, një 7812 është një rregullator pozitiv 12 volt.

Këta rregullatorë të tensionit janë drejtpërdrejt përpara - lidhni L8705 dhe disa kondensatorë elektrolitikë në hyrje dhe dalje, dhe ju ndërtoni një rregullator të thjeshtë të tensionit për projektet Arduino 5 V.

Hapi i rëndësishëm është të kontrolloni fletët e të dhënave për përfundimet dhe rekomandimet e prodhuesit.

Rregullatorët 78XX (pozitivë) përdorin pinoutet e mëposhtëm:

1. INPUT-input i parregulluar DC Vin
2. REFERENC (GROUND)
3. OUTPUT -dalje DC e rregulluar Vout

Një gjë për të vënë në dukje në lidhje me versionin e rastit TO-220 të këtyre rregullatorëve të tensionit është se kutia është e lidhur elektrikisht me kunjin qendror (kunja 2). Në serinë 78XX kjo do të thotë se çështja është e bazuar.

Ky lloj rregullatori linear ka një tension të braktisjes 2 V, si rezultat me një dalje 5V në 1A, ju duhet të keni të paktën 2.5 V tension të kokës DC (domethënë, 5V + 2.5V = 7.5V hyrje DC).

Rekomandimet e prodhuesit për kondensatorët zbutës janë CInput = 0.33 µF dhe COutput = 0.1 µF, por praktika e përgjithshme është 100 µF kondensator në hyrje dhe dalje. Isshtë një zgjidhje e mirë për skenarin më të keq, dhe kondensatorët ndihmojnë për të përballuar luhatje të papritura dhe kalimtare në furnizim.

Në rast se furnizimi bie nën pragun prej 2 V- kondensatorët do të stabilizojnë furnizimin për të siguruar që kjo të mos ndodhë. Nëse projekti juaj nuk ka kalimtare të tilla, atëherë mund të ekzekutoni me rekomandimet e prodhuesit.

Qarku i thjeshtë rregullator i tensionit linear është vetëm rregullatori i tensionit L7805 dhe dy kondensatorë, por ne mund ta përmirësojmë këtë qark për të krijuar një furnizim më të avancuar të energjisë me një nivel mbrojtjeje dhe tregues vizual.

Nëse dëshironi të shpërndani projektin tuaj, atëherë patjetër që do të sugjeroj të shtoni ato pak përbërës shtesë në mënyrë që të parandaloni shqetësimet e ardhshme me klientët.

Hapi 4: Qarku i azhurnuar 7805

Së pari mund të përdorni ndërprerësin për të ndezur ose fikur qarkun.

Për më tepër, mund të vendosni një diodë (D1), të lidhur në anën e kundërt midis daljes dhe hyrjes së rregullatorit. Nëse ka induktorë në ngarkesë, apo edhe kondensatorë, një humbje e hyrjes mund të shkaktojë një tension të kundërt, i cili mund të shkatërrojë rregullatorin. Dioda anashkalon çdo rrymë të tillë.

Kondensatorët shtesë veprojnë si një lloj filtri përfundimtar. Ato duhet të jenë të vlerësuara me tension për tensionin dalës, por duhet të jenë mjaft të larta për t'iu përshtatur hyrjes për një diferencë të vogël sigurie (p.sh., 16 25 V). Ato vërtet varen nga lloji i ngarkesës që prisni dhe mund të lihen jashtë për një ngarkesë të pastër DC, por 100uF për C1 dhe C2 dhe 1uF për C4 (dhe C3) do të ishte një fillim i mirë.

Për më tepër, mund të shtoni LED dhe rezistencën e duhur për kufizimin e rrymës për të siguruar një dritë treguese e cila është shumë e dobishme për zbulimin e dështimit të furnizimit me energji elektrike; kur qarku është i ndezur dritat LED janë të ndezura, përndryshe kërkoni disa dështime në qarkun tuaj.

Shumica e rregullatorëve të tensionit kanë qark mbrojtës që mbron patate të skuqura nga mbinxehja dhe nëse nxehet shumë, bie tensionin e daljes dhe për këtë arsye kufizon rrymën e daljes në mënyrë që pajisja të mos shkatërrohet nga nxehtësia. Rregullatorët e tensionit në paketat TO-220 gjithashtu kanë një vrimë montimi për lidhësin e ngrohësit, dhe unë do të sugjeroj që ju patjetër duhet ta përdorni për të bashkuar një ngrohës të mirë industrial.

Hapi 5: Më shumë energji nga 78XX

Shumica e rregullatorëve 78XX janë të kufizuar në një rrymë dalëse prej 1 - 1.5 A. Nëse rryma dalëse e një rregullatori IC tejkalon kufirin e tij maksimal të lejuar, transistori i tij i brendshëm i kalimit do të shpërndajë një sasi energjie më shumë sesa mund të tolerojë, gjë që do të çojë deri te mbyllja.

Për aplikacionet që kërkojnë më shumë se kufiri maksimal i lejuar i një rregullatori, një tranzistor i jashtëm kalues mund të përdoret për të rritur rrymën e daljes. Figura nga FAIRCHILD Semiconductor ilustron një konfigurim të tillë. Ky qark ka aftësinë për të prodhuar rrymë më të lartë (deri në 10 A) në ngarkesë, por ende ruan mbylljen termike dhe mbrojtjen nga qarku i shkurtër i rregullatorit IC.

Transistori i fuqisë BD536 sugjerohet nga prodhuesi.

Hapi 6: Rregullatorët e Tensionit LDO

L7805 është një pajisje shumë e thjeshtë me një tension relativisht të lartë të braktisjes.

Disa rregullatorë linearë të tensionit, të ashtuquajturit braktisje të ulët (LDO), kanë një tension shumë më të vogël të braktisjes sesa 2V e 7805. Për shembull, LM2937 ose LM2940CT-5.0 ka një braktisje prej 0.5V, si rezultat qarku juaj i furnizimit me energji elektrike do të kanë një efikasitet më të lartë dhe mund ta përdorni në projekte me furnizim me energji të baterisë.

Diferenciali minimal Vin-Vout që mund të veprojë një rregullator linear quhet tension i braktisjes. Nëse ndryshimi midis Vin dhe Vout bie nën tensionin e braktisjes, atëherë rregullatori është në modalitetin e braktisjes.

Rregullatorët me braktisje të ulët kanë një ndryshim shumë të ulët midis tensionit të hyrjes dhe daljes. Sidomos diferenca e tensionit të rregullatorëve linearë LM2940CT-5.0 mund të arrijë më pak se 0.5 volt para se pajisjet të "bien". Për funksionimin normal tensioni i hyrjes duhet të jetë 0.5 V më i lartë se dalja.

Këta rregullatorë të tensionit kanë të njëjtin faktor të formës T220 si L7805 me të njëjtën paraqitje - hyrje në të majtë, tokë në mes dhe dalje në të djathtë (kur shihet nga përpara). Si rezultat, mund të përdorni të njëjtin qark. Rekomandimet e prodhimit për kondensatorët janë CInput = 0.47 µF dhe COutput = 22 µF.

Një pengesë e madhe është se rregullatorët "me braktisje të ulët" janë më të shtrenjtë (madje deri në dhjetë herë) në krahasim me serinë 7805.

Hapi 7: Furnizimi me energji i rregulluar LM317

LM317 është një rregullator pozitiv i tensionit linear me një dalje të ndryshueshme, është i aftë të furnizojë një rrymë dalëse prej më shumë se 1.5 A mbi një gamë të tensionit të daljes prej 1.2-37 V.

Me Dy shkronjat e para tregojnë preferencat e prodhuesit, të tilla si "LM", që do të thotë "monolit linear". Shtë një rregullator i tensionit me një dalje të ndryshueshme dhe kështu është shumë i dobishëm në situatat kur keni nevojë për një tension jo standard. Formati 78xx është një rregullator pozitiv i tensionit, ose 79xx janë rregullatorë të tensionit negativ, ku "xx" përfaqëson tensionin e pajisjeve.

Gama e tensionit të daljes është midis 1.2 V dhe 37 V dhe mund të përdoret për të fuqizuar Raspberry Pi, Arduino ose DC Motors Shield tuaj. LM3XX ka të njëjtin ndryshim të tensionit hyrës/dalës si 78XX - hyrja duhet të jetë së paku 2.5 V mbi tensionin dalës.

Ashtu si me serinë e rregullatorëve 78XX, LM317 është një pajisje me tre kunja. Por instalimet elektrike janë pak më ndryshe.

Gjëja kryesore që duhet të theksohet në lidhje me lidhjen LM317 janë dy rezistorët R1 dhe R2 që sigurojnë një tension reference për rregullatorin; ky tension referues përcakton tensionin dalës. Ju mund t'i llogaritni këto vlera të rezistencës si më poshtë:

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

IAdj është zakonisht 50 µA dhe i papërfillshëm në shumicën e aplikacioneve, dhe VREF është 1.25 V - voltazhi minimal i daljes.

Nëse e neglizhojmë IAdj atëherë ekuacioni ynë mund të thjeshtohet në

Vout = 1.25 x (1 + R2/R1)

Nëse do të përdorim R1 240 Ω dhe R2 me 1 kΩ atëherë do të marrim tension dalës të Vout = 1.25 (1+0/240) = 1.25 V.

Kur do ta rrotullojmë çelësin e potenciometrit plotësisht në drejtim tjetër atëherë do të marrim Vout = 1.25 (1+2000/240) = 11.6 V si tension dalës.

Nëse keni nevojë për tension më të lartë të daljes atëherë duhet të zëvendësoni R1 me rezistencë 100 Ω.

Qarku shpjegoi:

• R1 dhe R2 kërkohen për të vendosur tensionin e daljes. CAdj rekomandohet për të përmirësuar refuzimin e valëzimit. Ai parandalon amplifikimin e valëzimit pasi tensioni i daljes rregullohet më i lartë.
• Rekomandohet C1, veçanërisht nëse rregullatori nuk është në afërsi të kondensatorëve të filtrit të furnizimit me energji elektrike. Një kondensator qeramike ose tantali prej 0.1 µF ose 1 µF siguron anashkalim të mjaftueshëm për shumicën e aplikimeve, veçanërisht kur përdoren kondensatorë rregullues dhe dalës.
• C2 përmirëson përgjigjen kalimtare, por nuk është e nevojshme për stabilitet.
• Dioda mbrojtëse D2 rekomandohet nëse përdoret CAdj. Dioda siguron një rrugë shkarkimi me rezistencë të ulët për të parandaluar shkarkimin e kondensatorit në daljen e rregullatorit.
• Dioda mbrojtëse D1 rekomandohet nëse përdoret C2. Dioda siguron një rrugë shkarkimi me rezistencë të ulët për të parandaluar shkarkimin e kondensatorit në daljen e rregullatorit.

Hapi 8: Përmbledhje

Rregullatorët linearë janë të dobishëm nëse:

• Hyrja në diferencialin e tensionit të daljes është e vogël
• Ju keni një rrymë të ulët ngarkese
• Ju keni nevojë për një tension dalës jashtëzakonisht të pastër
• Duhet ta mbani dizajnin sa më të thjeshtë dhe të lirë.

Prandaj, jo vetëm që rregullatorët linearë janë më të lehtë për t'u përdorur, por ato sigurojnë një tension dalës shumë më të pastër në krahasim me rregullatorët e ndërrimit, pa valëzime, thumba ose zhurmë të çdo lloji. Si përmbledhje, nëse shpërndarja e energjisë nuk është shumë e lartë ose nuk keni nevojë për një rregullator të rritjes, një rregullator linear do të jetë opsioni juaj më i mirë.