Johdanto lineaarisiin jännitesäätimiin: 8 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:01

Viisi vuotta sitten, kun aloitin Arduinon ja Raspberry Pi: n käytön, en ajatellut liikaa virtalähdettä, tällä hetkellä vadelma Pi: n virtalähde ja Arduinon USB -syöttö olivat enemmän kuin tarpeeksi.

Mutta jonkin ajan kuluttua uteliaisuuteni pakotti minut harkitsemaan muita virtalähdemenetelmiä, ja uusien projektien luomisen jälkeen minun oli pakko pohtia eri ja mahdollisuuksien mukaan säädettäviä tasavirtalähteitä.

Varsinkin kun olet lopettanut suunnittelusi, haluat ehdottomasti rakentaa pysyvämmän version projektistasi, ja sitä varten sinun on harkittava, miten voit antaa sille virtaa.

Tässä opetusohjelmassa selitän, kuinka voit luoda oman lineaarisen virtalähteen laajalti käytetyillä ja edullisilla jännitesäätimillä IC (LM78XX, LM3XX, PSM-165 jne.). Opit niiden toimivuudesta ja toteutuksesta omissa projekteissasi.

Vaihe 1: Suunnittelunäkökohdat

Yleiset jännitetasot

Suunnittelu saattaa vaatia useita vakiojännitetasoja:

• 3.3 volttia tasavirta-Tämä on yleinen jännite, jota Raspberry PI ja pienitehoiset digitaaliset laitteet käyttävät.
• 5 volttia DC - Tämä on digitaalisten laitteiden käyttämä vakio TTL (Transistor Transistor Logic) -jännite.
• 12 volttia tasavirtaa - käytetään DC-, servo- ja askelmoottoreihin.
• 24/48 volttia DC - käytetään laajalti CNC- ja 3D -tulostusprojekteissa.

Suunnittelussa on otettava huomioon, että loogisen tason jännitteitä on säädettävä erittäin tarkasti. Esimerkiksi laitteissa, joissa on TTL -jännite, syöttöjännitteen on oltava 4,75 - 5,25 volttia, muuten jännitepoikkeamat aiheuttavat sen, että logiikkakomponentit lakkaavat toimimasta oikein tai jopa tuhoavat komponentit.

Toisin kuin logiikkatasoiset laitteet, moottoreiden, LEDien ja muiden elektronisten komponenttien virtalähde voi poiketa suuresti. Lisäksi sinun on otettava huomioon hankkeen nykyiset vaatimukset. Erityisesti moottorit voivat aiheuttaa virrankulutuksen vaihtelun, ja sinun on suunniteltava virtalähteesi "pahimmassa tapauksessa", jossa jokainen moottori toimii täydellä teholla.

Sinun on käytettävä eri lähestymistapaa jännitesäätöön linja- ja akkukäyttöisille malleille, koska akun jännitetasot vaihtelevat akun purkautuessa.

Toinen tärkeä osa jännitesäätimen suunnittelussa on tehokkuus - etenkin akkukäyttöisissä projekteissa sinun on vähennettävä tehohäviöt minimiin.

HUOMIO: Useimmissa maissa henkilö ei voi laillisesti työskennellä yli 50 V: n jännitteellä ilman lupaa. Jokainen tappavalla jännitteellä työskentelevän henkilön tekemä virhe voi johtaa hänen omaan tai toisen ihmisen kuolemaan. Tästä syystä selitän vain tasavirtalähteen rakenteen, jonka jännitetaso on alle 60 V DC.

Vaihe 2: Jännitesäätimien tyypit

Jännitesäätimiä on kahta päätyyppiä:

• lineaariset jännitesäätimet, jotka ovat edullisimmat ja helppokäyttöiset
• kytkentäjännitesäätimet, jotka ovat tehokkaampia kuin lineaariset jännitesäätimet, mutta kalliimpia ja vaativat monimutkaisemman piirisuunnittelun.

Tässä opetusohjelmassa työskentelemme lineaaristen jännitesäätimien kanssa.

Lineaaristen jännitesäätimien sähköiset ominaisuudet

Jännitehäviö lineaarisessa säätimessä on verrannollinen IC: n häviötehoon tai toisin sanoen teho häviää lämmitystehon vuoksi.

Lineaaristen säätimien tehonpoistoon voidaan käyttää seuraavaa yhtälöä:

Teho = (VInput - VOutput) x I

Lineaarisen L7805 -säätimen on poistettava vähintään 2 wattia, jos se tuottaa 1 A: n kuormituksen (2 V: n jännitehäviöajat 1 A).

Tulo- ja lähtöjännitteen välisen jännite -eron kasvaessa myös tehonpoisto kasvaa. Tämä tarkoittaa esimerkiksi sitä, että vaikka 7 voltin lähde, joka on säädetty 5 volttiin, tuottaa 1 ampeerin, haihduttaisi 2 wattia lineaarisen säätimen kautta, 12 V: n tasavirtalähde, joka on säädetty 5 volttiin ja toimittaisi saman virran, haihduttaisi 5 wattia, jolloin säädin olisi vain 50 % tehokas.

Seuraava tärkeä parametri on “Lämmönkestävyys” yksiköissä ° C/W (° C/W).

Tämä parametri ilmaisee, kuinka monta astetta siru lämpenee ympäristön lämpötilan yläpuolelle kutakin tehon wattia kohti. Kerro yksinkertaisesti laskettu tehonhäviö lämpöresistanssilla ja se kertoo kuinka paljon lineaarinen säädin lämpenee tuolla tehomäärällä:

Teho x lämmönkestävyys = Ympäristön yläpuolella oleva lämpötila

Esimerkiksi 7805 -säätimen lämmönkestävyys on 50 ° C / Watt. Tämä tarkoittaa, että jos säätimesi haihtuu:

• 1 wattia, se lämmittää 50 ° C
• 0,2 wattia se lämmittää 100 ° C.

HUOMAUTUS: Yritä projektin suunnitteluvaiheessa arvioida tarvittava virta ja pienentää jännite -ero minimiin. Esimerkiksi lineaarisessa 78XX -jännitesäätimessä on 2 V: n jännitehäviö (min. Tulojännite on Vin = 5 + 2 = 7 V DC), minkä seurauksena voit käyttää 7, 5 tai 9 V DC -virtalähdettä.

Tehokkuuslaskenta

Ottaen huomioon, että lähtövirta on yhtä suuri kuin lineaarisen säätimen tulovirta, saadaan yksinkertaistettu yhtälö:

Tehokkuus = Vout / Vin

Oletetaan esimerkiksi, että tulossa on 12 V ja sinun on annettava 5 V 1 A: n kuormitusvirralla, jolloin lineaarisen säätimen hyötysuhde olisi vain (5 V / 12 V) x 100 % = 41 %. Tämä tarkoittaa, että vain 41 % tulon tehosta siirretään lähtöön ja jäljellä oleva teho häviää lämmönä!

Vaihe 3: 78XX -lineaariset säätimet

78XX-jännitesäätimet ovat 3-nastaisia laitteita, joita on saatavana useissa eri paketeissa, suurista tehotransistoripaketeista (T220) pieniin pinta-asennuslaitteisiin, ja ne ovat positiivisia jännitesäätimiä. 79XX -sarjat ovat vastaavia negatiivisen jännitteen säätimiä.

78XX -sarjan säätimet tarjoavat kiinteän säädetyn jännitteen välillä 5 - 24 V. IC -osanumeron kaksi viimeistä numeroa tarkoittavat laitteen lähtöjännitettä. Tämä tarkoittaa esimerkiksi sitä, että 7805 on positiivinen 5 voltin säädin ja 7812 positiivinen 12 voltin säädin.

Nämä jännitesäätimet ovat suoraan eteenpäin - yhdistä L8705 ja pari elektrolyyttikondensaattoria tulon ja lähdön poikki, ja rakennat yksinkertaisen jännitesäätimen 5 V: n Arduino -projekteihin.

Tärkeä askel on tarkistaa datasivuilta nastat ja valmistajan suositukset.

78XX (positiiviset) säätimet käyttävät seuraavia pinoutteja:

1. INPUT-sääntelemätön DC-tulo Vin
2. VIITTAUS (POHJOITETTU)
3. OUTPUT -säädetty tasavirtalähtö Vout

Yksi huomioitava asia näiden jännitesäädinten TO-220-koteloversiossa on, että kotelo on sähköisesti kytketty keskitappiin (nasta 2). 78XX -sarjassa kotelo on maadoitettu.

Tämäntyyppisellä lineaarisella säätimellä on 2 V: n katkaisujännite, joten 5 V: n ulostulolla 1 A: ssa on oltava vähintään 2,5 V: n DC -pääjännite (eli 5 V + 2,5 V = 7,5 V DC -tulo).

Valmistajan suositukset tasoituskondensaattoreille ovat CInput = 0,33 µF ja COutput = 0,1 µF, mutta yleinen käytäntö on 100 µF kondensaattori tulossa ja ulostulossa. Se on hyvä ratkaisu pahimmassa tapauksessa, ja kondensaattorit auttavat selviytymään äkilliset vaihtelut ja ohimenevät tarjonta.

Jos syöttö putoaa alle 2 V: n kynnyksen, kondensaattorit vakauttavat syötön, jotta näin ei tapahdu. Jos projektillasi ei ole tällaisia transienteja, voit käyttää valmistajan suosituksia.

Yksinkertainen lineaarinen jännitesäädinpiiri on vain L7805 -jännitesäädin ja kaksi kondensaattoria, mutta voimme päivittää tämän piirin luomaan kehittyneemmän virtalähteen, jossa on jonkinlainen suoja ja visuaalinen ilmaisu.

Jos haluat jakaa projektisi, suosittelen ehdottomasti lisäämään nämä muut lisäkomponentit, jotta vältytään tulevilta haitoilta asiakkaille.

Vaihe 4: Päivitetty 7805 -piiri

Ensin voit kytkeä virran päälle tai pois päältä kytkimellä.

Lisäksi voit asettaa diodin (D1), joka on kytketty käänteisellä esijännitteellä säätimen lähdön ja tulon väliin. Jos kuormassa on kuristimia tai jopa kondensaattoreita, tulon menetys voi aiheuttaa käänteisen jännitteen, joka voi tuhota säätimen. Diodi ohittaa kaikki tällaiset virrat.

Lisäkondensaattorit toimivat eräänlaisena lopullisena suodattimena. Niiden on oltava lähtöjännitteelle mitoitettuja jännitteitä, mutta niiden on oltava riittävän korkeita, jotta ne sopivat tuloon pientä turvamarginaalia varten (esim. 16 25 V). Ne riippuvat todella odotetusta kuormitustyypistä, ja ne voidaan jättää pois puhtaalta tasavirtakuormalta, mutta 100uF C1 ja C2 ja 1uF C4 (ja C3) olisivat hyvä alku.

Lisäksi voit lisätä LED-valon ja sopivan virranrajoitusvastuksen ilmaisimen tuottamiseksi, mikä on erittäin hyödyllistä virtalähteen vian havaitsemisessa; kun piiriin on kytketty virta, LED -valot palavat, muuten etsi piirissäsi vikoja.

Useimmissa jännitesäätimissä on suojapiiri, joka suojaa siruja ylikuumenemiselta ja jos se kuumenee liikaa, se laskee lähtöjännitteen ja rajoittaa siten lähtövirtaa niin, että laite ei tuhoa lämpöä. TO-220-pakkausten jännitesäätimissä on myös kiinnitysreikä jäähdytyselementin kiinnitystä varten, ja ehdotan, että käytät sitä ehdottomasti hyvän teollisen jäähdytyselementin kiinnittämiseen.

Vaihe 5: Lisää virtaa 78XX: ltä

Suurin osa 78XX -säätimistä on rajoitettu lähtövirtaan 1-1,5 A. sammutukseen.

Sovelluksissa, jotka vaativat enemmän kuin säätimen suurin sallittu virtaraja, ulostulovirtaa voidaan käyttää ulkoisen pass -transistorin avulla. FAIRCHILD Semiconductorin kuva havainnollistaa tällaista kokoonpanoa. Tämä piiri pystyy tuottamaan suuremman virran (jopa 10 A) kuormalle, mutta silti säilyttämään IC-säätimen lämpösulku ja oikosulkusuoja.

Valmistaja ehdottaa BD536 -tehotransistoria.

Vaihe 6: LDO -jännitesäätimet

L7805 on hyvin yksinkertainen laite, jonka katkaisujännite on suhteellisen korkea.

Joillakin lineaarisilla jännitteensäätimillä, niin kutsutulla LDO: lla, on katkaisujännite paljon pienempi kuin 7805: n 2 V: lla. Esimerkiksi LM2937- tai LM2940CT-5.0-virrankatkaisu on 0,5 V, minkä seurauksena virtalähteesi on tehokkaampi ja voit käyttää sitä projekteissa, joissa on akkuvirtalähde.

Pienintä Vin-Vout-eroa, jota lineaarinen säädin voi käyttää, kutsutaan katkaisujännitteeksi. Jos ero Vinin ja Voutin välillä laskee katkaisujännitteen alle, säädin on katkaisutilassa.

Alhaisen pudotuksen säätimillä on hyvin pieni ero tulo- ja lähtöjännitteen välillä. Erityisesti LM2940CT-5.0 lineaaristen säätimien jännite-ero voi olla alle 0,5 volttia ennen kuin laitteet "putoavat". Normaalikäytössä tulojännitteen tulee olla 0,5 V korkeampi kuin lähtö.

Näillä jännitesäätimillä on sama T220 -muoto kuin L7805, ja niiden asettelu on sama - tulo vasemmalla, maa keskellä ja lähtö oikealla (edestä katsottuna). Tämän seurauksena voit käyttää samaa piiriä. Kondensaattoreiden valmistussuositukset ovat CInput = 0,47 µF ja COutput = 22 µF.

Yksi merkittävä haittapuoli on se, että "matalan keskeytyksen" säätimet ovat kalliimpia (jopa kymmenen kertaa) verrattuna 7805-sarjaan.

Vaihe 7: Säädetty LM317 -virtalähde

LM317 on positiivinen lineaarinen jännitesäädin, jolla on muuttuva lähtö, ja se voi syöttää yli 1,5 A: n lähtövirran 1,2-37 V: n lähtöjännitealueella.

. Kaksi ensimmäistä kirjainta kuvaavat valmistajan mieltymyksiä, kuten "LM", joka tarkoittaa "lineaarista monoliittista". Se on jännitesäädin, jolla on muuttuva lähtö, joten se on erittäin hyödyllinen tilanteissa, joissa tarvitset epätyypillistä jännitettä. Muoto 78xx on positiivinen jännitesäädin tai 79xx on negatiivinen jännitesäädin, jossa "xx" edustaa laitteiden jännitettä.

Lähtöjännitealue on 1,2–37 V, ja sitä voidaan käyttää Raspberry Pi-, Arduino- tai DC Motors Shield -laitteen virransyöttöön. LM3XX: llä on sama tulo-/lähtöjänniteero kuin 78XX: tulon on oltava vähintään 2,5 V lähtöjännitteen yläpuolella.

Kuten 78XX -sarjan säätimissä, LM317 on kolminapainen laite. Mutta johdotus on hieman erilainen.

Tärkeintä huomata LM317 -kytkennässä on kaksi vastusta R1 ja R2, jotka tarjoavat vertailujännitteen säätimelle; tämä vertailujännite määrittää lähtöjännitteen. Voit laskea nämä vastuksen arvot seuraavasti:

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

IAdj on tyypillisesti 50 µA ja merkityksetön useimmissa sovelluksissa, ja VREF on 1,25 V - minimilähtöjännite.

Jos laiminlyömme IAdj: n, yhtälö voidaan yksinkertaistaa

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

Jos käytämme R1 240 Ω ja R2 1 kΩ: lla, saamme lähtöjännitteen Vout = 1,25 (1+0/240) = 1,25 V.

Kun kierrämme potentiometrin nupin kokonaan toiseen suuntaan, saamme lähtöjännitteeksi Vout = 1,25 (1+2000/240) = 11,6 V.

Jos tarvitset suurempaa lähtöjännitettä, sinun tulee korvata R1 100 Ω: n vastuksella.

Piiri selitti:

• Lähtöjännitteen asettamiseen tarvitaan R1 ja R2. CAdj: tä suositellaan aaltoilun hylkäämisen parantamiseksi. Se estää värinän vahvistumisen, kun lähtöjännite säädetään korkeammaksi.
• C1 on suositeltavaa, varsinkin jos säädin ei ole lähellä virtalähteen suodatinkondensaattoreita. 0,1 µF tai 1 µF keraaminen tai tantaalikondensaattori tarjoaa riittävän ohituksen useimmissa sovelluksissa, erityisesti silloin, kun käytetään säätö- ja lähtökondensaattoreita.
• C2 parantaa ohimenevää vastetta, mutta sitä ei tarvita vakauden kannalta.
• Suojadiodia D2 suositellaan, jos käytetään CAdj: tä. Diodi tarjoaa matalan impedanssin purkausreitin estämään kondensaattorin purkautumisen säätimen ulostuloon.
• Suojadiodia D1 suositellaan käytettäessä C2. Diodi tarjoaa matalan impedanssin purkausreitin, joka estää kondensaattorin purkautumisen säätimen ulostuloon.

Vaihe 8: Yhteenveto

Lineaariset säätimet ovat hyödyllisiä, jos:

• Lähtöjännite -ero on pieni
• Sinulla on alhainen kuormitusvirta
• Tarvitset erittäin puhtaan lähtöjännitteen
• Suunnittelusta on pidettävä mahdollisimman yksinkertainen ja halpa.

Siksi lineaarisia säätimiä ei ole vain helpompi käyttää, vaan ne tarjoavat paljon puhtaamman lähtöjännitteen kuin kytkentäsäätimet, ilman minkäänlaista aaltoilua, piikkejä tai melua. Yhteenvetona voidaan todeta, että lineaarinen säädin on paras vaihtoehto, ellei tehohäviö ole liian suuri tai et tarvitse lisäsäädintä.