Panimula sa Mga Linear Voltage Regulator: 8 Mga Hakbang

2024 May -akda: John Day | [email protected]. Huling binago: 2024-01-30 13:12

Limang taon na ang nakalilipas noong una akong nagsimula sa Arduino at Raspberry Pi hindi ko masyadong iniisip ang tungkol sa supply ng kuryente, sa oras na ito ang power adapter mula sa raspberry Pi at ang supply ng USB ng Arduino ay higit sa sapat.

Ngunit pagkatapos ng ilang oras ang aking pag-usisa ay nagtulak sa akin upang isaalang-alang ang iba pang mga pamamaraan ng supply ng kuryente, at pagkatapos lumikha ng mas maraming mga proyekto napilitan akong gumawa ng pagsasaalang-alang tungkol sa iba at kung posible na naaayos na mga mapagkukunan ng kuryente.

Lalo na kapag natapos mo ang iyong disenyo ay siguradong gugustuhin mong bumuo ng isang mas permanenteng bersyon ng iyong proyekto, at para doon kakailanganin mong isaalang-alang kung paano magmumula sa pagbibigay ng lakas dito.

Sa Tutorial na ito ipapaliwanag ko kung paano ka makakalikha ng iyong sariling linear power supply na may malawak na ginamit at abot-kayang boltahe na mga regulator IC (LM78XX, LM3XX, PSM-165 atbp.). Malalaman mo ang tungkol sa kanilang pag-andar at pagpapatupad para sa iyong sariling mga proyekto.

Hakbang 1: Mga Pagsasaalang-alang sa Disenyo

Mga Karaniwang Antas ng Boltahe

Mayroong maraming mga karaniwang antas ng boltahe na maaaring kailanganin ng iyong disenyo:

• 3.3 Volts DC - Ito ay isang pangkaraniwang boltahe na ginamit ng Raspberry PI at mga de-koryenteng digital na aparato.
• 5 Volts DC - Ito ang karaniwang boltahe ng TTL (Transistor Transistor Logic) na ginagamit ng mga digital na aparato.
• 12 Volts DC –ginagamit para sa DC, servo at stepper motors.
• 24/48 Volts DC - malawakang ginagamit sa mga proyekto sa CNC at 3D Print.

Dapat mong isaalang-alang sa iyong disenyo na ang mga lebel ng antas ng lohika ay kailangang maisaayos nang tumpak. Halimbawa

Sa kaibahan sa mga aparato sa antas ng lohika ang supply ng kuryente para sa mga motor, ang mga LED at iba pang mga elektronikong sangkap ay maaaring lumihis sa isang malawak na saklaw. Bilang karagdagan dapat mong isaalang-alang ang kasalukuyang mga kinakailangan ng proyekto. Lalo na ang mga motor ay maaaring maging sanhi ng kasalukuyang pagbunot ng pabagu-bago at kailangan mong idisenyo ang iyong supply ng kuryente upang mapaunlakan ang sitwasyon na "pinakamasamang kaso" kung saan pinapatakbo ang bawat motor sa buong kakayahan.

Kailangan mong gumamit ng magkakaibang diskarte para sa regulasyon ng boltahe para sa linya na pinapatakbo at mga disenyo na pinalakas ng baterya, dahil ang mga antas ng boltahe ng baterya ay magbabago habang naglalabas ang baterya.

Ang isa pang mahalagang aspeto ng disenyo ng voltage regulator ay ang kahusayan - lalo na sa mga proyekto na pinalakas ng baterya dapat mong bawasan ang pagkawala ng kuryente sa minimum.

Pansin: Sa karamihan ng mga bansa ang isang tao ay hindi maaaring gumana ng ligal sa mga voltages na higit sa 50V AC nang walang lisensya. Ang anumang pagkakamali na nagawa ng sinumang taong nagtatrabaho sa nakamamatay na boltahe ay maaaring humantong sa kanilang sariling kamatayan, o ng ibang tao. Para sa kadahilanang ito ay ipapaliwanag ko lamang ang DC power supply build na may antas ng boltahe sa ilalim ng 60 V DC.

Hakbang 2: Mga uri ng Mga Regulator ng Boltahe

Mayroong dalawang pangunahing uri ng mga regulator ng boltahe:

• mga linear voltage regulator na kung saan ay pinaka-abot-kayang at simpleng gamitin
• lumilipat ng mga regulator ng boltahe na mas mahusay kaysa sa mga linear voltage regulator, ngunit mas mahal at nangangailangan sila ng isang mas kumplikadong disenyo ng circuit.

Sa tutorial na ito ay gagana kami sa mga linear voltage regulator.

Mga katangian ng kuryente ng mga linear regulator ng boltahe

Ang pagbagsak ng boltahe sa linear regulator ay proporsyonal sa nawala na lakas ng IC, o sa ibang salita nawawala ang lakas dahil sa epekto ng pag-init.

Para sa pagwawaldas ng kuryente sa mga linear regulator na sumusunod na equation ay maaaring gamitin:

Lakas = (VInput - VOutput) x I

Ang L7805 linear regulator ay dapat na mawala ang hindi bababa sa 2 watts kung maghatid ito ng isang 1 A load (2 V boltahe drop beses 1 A).

Sa pagtaas ng pagkakaiba-iba ng boltahe sa pagitan ng input at output boltahe - tumataas din ang pagwawaldas ng kuryente. Ang ibig sabihin, halimbawa, habang ang isang 7 volts na mapagkukunan na kinokontrol sa 5 volts na naghahatid ng 1 amp ay magwawaldas ng 2 watts sa pamamagitan ng linear regulator, isang mapagkukunang 12 V DC na kinokontrol sa 5 volts na naghahatid ng parehong kasalukuyang ay magpapawala ng 5 watts, na ginagawang 50% lamang ang regulator mahusay

Ang susunod na mahalagang parameter ay ang "Thermal Resistance" sa mga yunit ng ° C / W (° C bawat Watt).

Ipinapahiwatig ng parameter na ito ang bilang ng mga degree ang chip ay magpapainit sa itaas ng temperatura ng ambient air, bawat bawat watt ng lakas na dapat itong mawala. Paramihin lamang ang kinakalkula na paglabog ng kuryente sa pamamagitan ng Thermal Resistance at sasabihin sa iyo kung magkano ang linear regulator na magpapainit sa ilalim ng dami ng lakas na iyon:

Power x Thermal Resistance = Temperatura sa Itaas ng Ambient

Halimbawa ang isang 7805 regulator ay may Thermal Resistang 50 ° C / Watt. Nangangahulugan ito kung ang iyong regulator ay nawawala:

• 1 wat, magpapainit ito ng 50 ° C
• .2 watts magpapainit ito ng 100 ° C.

TANDAAN: Sa panahon ng yugto ng pagpaplano ng proyekto subukang tantyahin ang kinakailangang kasalukuyang at bawasan ang pagkakaiba ng boltahe sa isang minimum. Halimbawa 78XX linear voltage regulator ay may 2 V boltahe drop (min. Input boltahe ay Vin = 5 + 2 = 7 V DC), bilang isang resulta maaari mong gamitin ang 7, 5 o 9 V DC power supply.

Pagkalkula ng kahusayan

Sa ilalim ng pagsasaalang-alang na ang kasalukuyang output ay katumbas ng kasalukuyang pag-input para sa isang linear regulator pagkatapos ay makakakuha kami ng pinasimple na equation:

Kahusayan = Vout / Vin

Halimbawa, sabihin nating mayroon kang 12 V sa input at kailangang maglabas ng 5 V sa 1 A ng kasalukuyang pag-load, kung gayon ang kahusayan para sa isang linear regulator ay magiging (5 V / 12 V) x 100% = 41%. Nangangahulugan ito na 41% lamang ng lakas mula sa input ang inililipat sa output, at ang natitirang lakas ay mawawala bilang init!

Hakbang 3: 78XX Mga Linear Regulator

Ang mga regulator ng boltahe ng 78XX ay mga aparato na 3-pin na magagamit sa isang bilang ng iba't ibang mga pakete, mula sa malalaking mga pakete ng transistor ng kuryente (T220) hanggang sa maliliit na mga aparato ng mount mount na ito ay isang positibong mga regulator ng boltahe. Ang serye ng 79XX ay ang katumbas na mga negatibong regulator ng boltahe.

Ang serye ng 78XX ng mga regulator ay nagbibigay ng nakapirming kinokontrol na voltages mula 5 hanggang 24 V. Ang huling dalawang digit ng numero ng bahagi ng IC ay nagpapahiwatig ng output boltahe ng aparato. Nangangahulugan ito, halimbawa, ang isang 7805 ay isang positibong 5 volt regulator, ang 7812 ay isang positibong 12 volt regulator.

Ang mga regulator ng boltahe na ito ay tuwid na pasulong - ikonekta ang L8705 at ilang mga electrolytic capacitor sa buong input at output, at bumuo ka ng simpleng boltahe na regulator para sa mga proyekto ng 5 V Arduino.

Ang mahalagang hakbang ay suriin ang mga sheet ng data para sa mga rekomendasyon ng mga pin-out at tagagawa.

Ang 78XX (positibo) na mga regulator ay gumagamit ng mga sumusunod na pinout:

1. INPUT-unregulated DC input Vin
2. SANGGUNIAN (GROUND)
3. OUTPUT -regulated DC output Vout

Ang isang bagay na dapat tandaan tungkol sa bersyon ng kaso ng TO-220 ng mga regulator ng boltahe na ito ay ang kaso ay nakakonekta sa kuryente sa gitnang pin (pin 2). Sa serye ng 78XX na nangangahulugang na-ground ang kaso.

Ang ganitong uri ng linear regulator ay may 2 V dropout voltage, bilang isang resulta sa isang 5V output sa 1A, kailangan mong magkaroon ng hindi bababa sa 2.5 V DC head voltage (ibig sabihin, 5V + 2.5V = 7.5V DC input).

Ang mga rekomendasyon ng tagagawa para sa mga smoothing capacitor ay CInput = 0.33 µF at COutput = 0.1 µF, ngunit ang pangkalahatang kasanayan ay 100 µF capacitor sa input at ang output Ito ay isang mahusay na solusyon para sa pinakapangit na sitwasyon, at makakatulong ang mga capacitor na makayanan biglaang pagbabagu-bago at paglipat sa suplay.

Kung sakaling ang suplay ay nahuhulog sa ibaba ng threshold ng 2 V- ang mga capacitor ay magpapatibay sa supply upang matiyak na hindi ito nangyari. Kung ang iyong proyekto ay walang naturang mga transient, maaari kang tumakbo kasama ang mga rekomendasyon ng tagagawa.

Ang simpleng linear voltage regulator circuit ay L7805 voltage regulator lamang at dalawang capacitor, ngunit maaari naming i-upgrade ang circuit na ito upang lumikha ng ilang mas advanced na power supply na may ilang antas ng proteksyon at visual indication.

Kung nais mong ipamahagi ang iyong proyekto kung gayon tiyak na imumungkahi kong idagdag ang ilang mga karagdagang sangkap upang maiwasan ang abala sa hinaharap sa mga customer.

Hakbang 4: Na-upgrade ang 7805 Circuit

Una maaari mong gamitin ang switch upang i-on o i-off ang circuit.

Bilang karagdagan maaari kang maglagay ng isang diode (D1), wired sa reverse bias sa pagitan ng output at input ng regulator. Kung may mga inductor sa pag-load, o kahit na mga capacitor, ang pagkawala ng input ay maaaring maging sanhi ng isang pabalik na boltahe, na maaaring sirain ang regulator. Ang diode ay dumadaan sa anumang naturang mga alon.

Ang mga karagdagang capacitor ay kumikilos bilang isang uri ng pangwakas na filter. Dapat silang ma-rate ang boltahe para sa boltahe ng output, ngunit dapat sapat na mataas upang umangkop sa input para sa isang maliit na margin ng kaligtasan (hal., 16 25 V). Nakasalalay talaga sila sa uri ng pag-load na inaasahan mo, at maaaring iwanang para sa isang purong DC load, ngunit ang 100uF para sa C1 at C2, at 1uF para sa C4 (at C3) ay isang magandang pagsisimula.

Bilang karagdagan maaari mong idagdag ang LED at naaangkop na kasalukuyang-naglilimita ng risistor upang magbigay ng isang ilaw na tagapagpahiwatig na lubhang kapaki-pakinabang para sa pagtuklas ng pagkabigo ng suplay ng kuryente; kapag ang circuit ay pinapatakbo LED lights ay ON kung hindi man maghanap para sa ilang mga pagkabigo sa iyong circuit.

Karamihan sa mga regulator ng boltahe ay may proteksyon na circuitry na pinoprotektahan ang mga chips mula sa sobrang pag-init at kung masyadong mainit, ibinabagsak nito ang output boltahe at samakatuwid ay nililimitahan ang kasalukuyang output upang ang aparato ay hindi masira ng init. Ang mga regulator ng boltahe sa mga TO-220 na pakete ay mayroon ding isang mounting hole para sa attachment ng heatsink, at imumungkahi ko na talagang dapat mo itong gamitin upang maglakip ng isang mahusay na heatsink sa industriya.

Hakbang 5: Higit Pang Lakas Mula sa 78XX

Karamihan sa mga regulator ng 78XX ay limitado sa isang kasalukuyang output ng 1 - 1.5 A. Kung ang kasalukuyang output ng isang IC regulator ay lumampas sa maximum na pinahihintulutang limitasyon, ang panloob na pass transistor na ito ay mawawalan ng isang dami ng enerhiya na higit sa maaari nitong tiisin, na hahantong sa pagsasara.

Para sa mga application na nangangailangan ng higit sa maximum na pinapayagang kasalukuyang limitasyon ng isang regulator, maaaring magamit ang isang panlabas na trans transistor upang madagdagan ang kasalukuyang output. Ang larawan mula sa FAIRCHILD Semiconductor ay naglalarawan ng tulad ng isang pagsasaayos. Ang circuit na ito ay may kakayahang gumawa ng mas mataas na kasalukuyang (hanggang sa 10 A) sa pag-load ngunit pinapanatili pa rin ang thermal shutdown at proteksyon ng short-circuit ng IC regulator.

Ang BD536 power transistor ay iminungkahi ng gumawa.

Hakbang 6: Mga regulator ng Boltahe ng LDO

Ang L7805 ay isang napaka-simpleng aparato na may isang kamag-anak mataas na boltahe ng dropout.

Ang ilang mga linear voltage regulator, tinawag na low-dropout (LDO), ay may mas maliit na boltahe ng dropout kaysa sa 2V ng 7805. Halimbawa ang LM2937 o LM2940CT-5.0 ay may dropout na 0.5V, bilang isang resulta ang iyong power supply circuit ay magkaroon ng isang mas mataas na kahusayan, at maaari mo itong gamitin sa mga proyekto na may power supply ng baterya.

Ang minimum na kaugalian ng Vin-Vout na maaaring mapatakbo ng isang linear regulator ay tinatawag na boltahe ng dropout. Kung ang pagkakaiba sa pagitan ng Vin at Vout ay nahuhulog sa ibaba ng boltahe ng dropout, pagkatapos ang regulator ay nasa mode na dropout.

Ang mga mababang-dropout na regulator ay may napakababang pagkakaiba sa pagitan ng pag-input at ng boltahe ng output. Lalo na ang pagkakaiba-iba ng boltahe ng mga regulator ng LM2940CT-5.0 ay maaaring umabot ng mas mababa sa 0.5 volt bago ang mga aparato ay "drop out". Para sa normal na operasyon ang input boltahe ay dapat na 0.5 V mas mataas kaysa sa output.

Ang mga voltage regulator ay may parehong T220 form factor tulad ng L7805 na may parehong layout - input sa kaliwa, lupa sa gitna, at output sa kanan (kapag tiningnan mula sa harap). Bilang isang resulta maaari mong gamitin ang parehong circuit. Ang mga rekomendasyon sa paggawa para sa mga capacitor ay CInput = 0.47 µF at COutput = 22 µF.

Ang isang pangunahing sagabal ay ang mga "mababang-dropout" na regulator ay mas mahal (kahit na hanggang sampung beses) sa paghahambing sa 7805 serye.

Hakbang 7: Naayos ang LM317 Power Supply

Ang LM317 ay isang positibong linear voltage regulator na may variable na output, na may kakayahang magbigay ng kasalukuyang output na higit sa 1.5 A sa isang saklaw ng boltahe ng output na 1.2-37 V.

. Ang unang dalawang titik ay nagpapahiwatig ng mga kagustuhan ng gumawa, tulad ng "LM", na nakatayo para sa "linear monolithic". Ito ay isang regulator ng boltahe na may isang variable na output at sa gayon ito ay napaka kapaki-pakinabang sa mga sitwasyon kung saan kailangan mo ng isang hindi pamantayan na boltahe. Ang format na 78xx ay isang positibong boltahe na regulator, o 79xx ay negatibong boltahe na mga regulator, kung saan ang "xx" ay kumakatawan sa boltahe ng mga aparato.

Ang saklaw ng boltahe ng output ay nasa pagitan ng 1.2 V at 37 V, at maaaring magamit upang mapalakas ang iyong Raspberry Pi, Arduino o DC Motors Shield. Ang LM3XX ay may parehong input / output boltahe pagkakaiba bilang 78XX - ang input ay dapat na hindi bababa sa 2.5 V sa itaas ng output boltahe.

Tulad ng sa serye ng 78XX ng mga regulator ang LM317 ay isang tatlong pin na aparato. Ngunit ang mga kable ay medyo naiiba.

Ang pangunahing bagay na dapat tandaan tungkol sa LM317 hookup ay ang dalawang resistors R1 at R2 na nagbibigay ng isang boltahe ng sanggunian sa regulator; tinutukoy ng boltahe ng sangguniang ito ang output boltahe. Maaari mong kalkulahin ang mga halagang resistor na ito tulad ng sumusunod:

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

Ang IAdj ay karaniwang 50 µA at bale-wala sa karamihan ng mga application, at ang VREF ay 1.25 V - minimum na boltahe ng output.

Kung napapabayaan natin ang IAdj kung gayon ang aming equation ay maaaring gawing simple

Vout = 1.25 x (1 + R2 / R1)

Kung gagamitin namin ang R1 240 Ω at R2 na may 1 kΩ pagkatapos makakakuha kami ng boltahe ng output ng Vout = 1.25 (1 + 0/240) = 1.25 V.

Kapag paikutin namin ang potentiometer knob ganap sa iba pang direksyon pagkatapos makakakuha kami ng Vout = 1.25 (1 + 2000/240) = 11.6 V bilang output voltage.

Kung kailangan mo ng mas mataas na boltahe ng output pagkatapos ay dapat mong palitan ang R1 ng 100 Ω risistor.

Ipinaliwanag ng Circuit:

• Kinakailangan ang R1 at R2 upang maitakda ang boltahe ng output. Inirerekumenda ang CAdj upang mapabuti ang pagtanggi ng ripple. Pinipigilan nito ang paglaki ng ripple habang ang boltahe ng output ay nababagay nang mas mataas.
• Inirerekumenda ang C1, lalo na kung ang regulator ay hindi malapit sa mga capacitor ng filter ng power-supply. Ang isang 0.1-µF o 1-µF ceramic o tantalum capacitor ay nagbibigay ng sapat na bypassing para sa karamihan ng mga application, lalo na kapag ginamit ang pag-aayos at output capacitors.
• Pinapabuti ng C2 ang pansamantalang tugon, ngunit hindi kinakailangan para sa katatagan.
• Inirerekomenda ang proteksyon diode D2 kung ginagamit ang CAdj. Ang diode ay nagbibigay ng isang low-impedance debit path upang maiwasan ang capacitor mula sa paglabas sa output ng regulator.
• Inirerekomenda ang proteksyon diode D1 kung ginagamit ang C2. Ang diode ay nagbibigay ng isang low-impedance debit path upang maiwasan ang capacitor mula sa paglabas sa output ng regulator.

Hakbang 8: Buod

Ang mga linear regulator ay kapaki-pakinabang kung:

• Ang input sa pagkakaiba-iba ng boltahe ng output ay maliit
• Mayroon kang isang mababang kasalukuyang pag-load
• Kailangan mo ng isang malinis na boltahe ng output
• Kailangan mong panatilihin ang disenyo nang simple at murang hangga't maaari.

Samakatuwid, hindi lamang mas madaling gamitin ang mga linear regulator, ngunit nagbibigay sila ng isang mas malinis na boltahe ng output kumpara sa mga switching regulator, na walang ripple, spike, o ingay ng anumang uri. Sa buod, maliban kung ang pagwawaldas ng kuryente ay masyadong mataas o kailangan mo ng isang step-up na regulator, isang linear regulator ang magiging iyong pinakamahusay na pagpipilian.