Сызықтық кернеу реттегіштеріне кіріспе: 8 қадам

2024 Автор: John Day | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-30 10:24

Бес жыл бұрын мен Arduino мен Raspberry Pi -ді алғаш бастаған кезде мен қуат көзі туралы көп ойламадым, бұл кезде таңқурай Pi -нің қуат адаптері мен Arduino -ның USB -қондырғысы жеткілікті болды.

Біраз уақыттан кейін менің қызығушылығым мені электрмен жабдықтаудың басқа әдістерін қарастыруға итермеледі, ал мен көп жобалар жасағаннан кейін әр түрлі және мүмкіндігінше реттелетін тұрақты ток көздері туралы ойлануға мәжбүр болдым.

Әсіресе, сіз дизайнды аяқтаған кезде, сіз міндетті түрде жобаңыздың тұрақты нұсқасын құрғыңыз келеді, және ол үшін оған қуат беруді қалай жалғастыру керектігін қарастыру қажет болады.

Бұл оқулықта мен кеңінен қолданылатын және қол жетімді IC кернеу реттегіштерімен (LM78XX, LM3XX, PSM-165 және т.б.) желілік қуат көзін қалай құруға болатынын түсіндіремін. Сіз олардың функционалдығы мен жеке жобаларыңыздың орындалуы туралы білетін боласыз.

1 -қадам: Дизайн туралы ойлар

Жалпы кернеудің деңгейлері

Сіздің дизайныңыз қажет болуы мүмкін бірнеше стандартты кернеу деңгейі бар:

• 3.3 вольт тұрақты ток-бұл Raspberry PI мен қуаты аз цифрлық құрылғыларда қолданылатын жалпы кернеу.
• 5 вольтты тұрақты ток - бұл цифрлық құрылғыларда қолданылатын стандартты TTL (Transistor Transistor Logic) кернеуі.
• 12 вольт тұрақты ток - тұрақты ток, серво және сатылы қозғалтқыштар үшін қолданылады.
• 24/48 Вольт тұрақты ток - CNC және 3D Print жобаларында кеңінен қолданылады.

Дизайнда логикалық деңгейдегі кернеулерді дәл реттеу қажет екенін ескеру қажет. Мысалы, TTL кернеуі бар құрылғылар үшін қоректену кернеуі 4,75 пен 5,25 вольт аралығында болуы керек, әйтпесе кернеудің кез келген ауытқуы логикалық компоненттердің дұрыс жұмыс істеуін тоқтатады немесе тіпті сіздің компоненттеріңізді бұзады.

Логикалық деңгей құрылғыларынан айырмашылығы, қозғалтқыштардың, жарық диодтардың және басқа электронды компоненттердің қоректенуі кең ауқымда ауытқуы мүмкін. Сонымен қатар, сіз жобаның қазіргі талаптарын ескеруіңіз керек. Әсіресе қозғалтқыштар ағымдағы тартылудың өзгеруіне әкелуі мүмкін, сондықтан сіз кез келген қозғалтқыш толық қуатында жұмыс істейтін «ең нашар» жағдайды ескере отырып, қуат көзін жобалауыңыз керек.

Батареямен жұмыс жасайтын конструкциялар үшін кернеуді реттеудің әр түрлі әдісін қолдануға тура келеді, себебі батареяның кернеу деңгейі батареяның заряды таусылғанда өзгеріп отырады.

Кернеу реттегішінің дизайнының тағы бір маңызды аспектісі - бұл тиімділік - әсіресе батареямен жұмыс жасайтын жобаларда қуат шығынын барынша азайту қажет.

НАЗАР АУДАРЫҢЫЗ: Елдердің көпшілігінде 50В айнымалы токтан жоғары кернеумен лицензиясыз адам заңды түрде жұмыс істей алмайды. Өлім кернеуімен жұмыс жасайтын кез келген адам жасаған қателік олардың немесе басқа адамның өліміне әкелуі мүмкін. Осы себепті мен кернеу деңгейі 60 В төмен болатын тұрақты ток көзінің құрылысын түсіндіремін.

2 -қадам: кернеу реттегіштерінің түрлері

Кернеу реттегіштерінің екі негізгі түрі бар:

• сызықтық кернеу реттегіштері ең қолжетімді және қарапайым
• желілік кернеу реттегіштеріне қарағанда тиімдірек коммутаторлық кернеу реттегіштері, бірақ олар қымбатырақ және олар схеманың күрделі дизайнын қажет етеді.

Бұл оқулықта біз желілік кернеу реттегіштерімен жұмыс жасаймыз.

Сызықтық кернеу реттегіштерінің электрлік сипаттамасы

Сызықтық реттегіштегі кернеудің төмендеуі ИК -нің таралу қуатына пропорционалды немесе басқаша айтқанда қыздыру әсерінен қуат жоғалады.

Сызықтық реттегіштерде электр энергиясын тарату үшін келесі теңдеуді қолдануға болады:

Қуат = (VInput - VOutput) x I

L7805 желілік реттегіші 1 А жүктемені (2 В кернеудің төмендеуі 1 А) жеткізетін болса, кем дегенде 2 ватт таратуы керек.

Кіріс пен шығыс кернеуінің арасындағы кернеудің айырмашылығының жоғарылауымен - энергияның таралуы да артады. Мысалы, 1 вольтты беретін 5 вольтке реттелетін 7 вольт көзі 2 ватт желілік реттегіш арқылы таралатын болса, 5 вольтке реттелетін 12 вольтты тұрақты ток көзі 5 ваттты таратады, бұл реттеуші тек 50 % құрайды. нәтижелі.

Келесі маңызды параметр - ° C/Вт бірліктеріндегі «Жылуға төзімділік» (Ватт үшін ° C).

Бұл параметр чиптің қоршаған ауа температурасынан жоғары болатын қызу дәрежесін көрсетеді, ол әрбір ватт қуатқа бөлінуі керек. Жылу кедергісіне есептелген қуаттың таралуын көбейтіңіз, сонда бұл сызықтық реттегіш қуаттың қанша мөлшерінде қызатынын айтады:

Қуат x Жылуға төзімділік = Қоршаған ортадан жоғары температура

Мысалы, 7805 реттегішінің 50 ° C / Вт жылу төзімділігі бар. Бұл сіздің реттегішіңіз жойылып кетсе:

• 1 ватт, ол 50 ° C дейін қызады
• .2 ватт 100 ° C дейін қызады.

ЕСКЕРТПЕ: Жобаны жоспарлау кезеңінде қажетті токты есептеп көріңіз және кернеудің айырмасын минимумға дейін төмендетіңіз. Мысалы, 78XX желілік кернеу реттегішінде кернеудің 2 В төмендеуі бар (мин. Кіріс кернеуі Vin = 5 + 2 = 7 В тұрақты ток), нәтижесінде 7, 5 немесе 9 В тұрақты ток көзін пайдалануға болады.

Тиімділікті есептеу

Шығу тогы сызықтық реттегіштің кіріс токына тең екенін ескере отырып, біз жеңілдетілген теңдеуді аламыз:

Тиімділік = Vout / Vin

Мысалы, сізде 12 В кіріс бар және жүктеме тогының 1 А кезінде 5 В шығуы керек делік, онда сызықтық реттегіштің тиімділігі тек (5 В / 12 В) х 100 % = 41 % болады. Бұл кірістен келетін қуаттың 41 % ғана шығысқа беріледі, ал қалған қуат жылу ретінде жоғалады!

3 -қадам: 78XX сызықтық реттегіштер

78XX кернеу реттегіштері-бұл әр түрлі пакеттерде бар 3 істікшелі құрылғылар, үлкен қуатты транзисторлық пакеттерден (T220) кіші беттік монтаждау қондырғыларына дейін-бұл оң кернеу реттегіштері. 79XX сериясы баламалы теріс кернеу реттегіштері болып табылады.

78XX реттегіштер сериясы 5 -тен 24 В -қа дейін тұрақты реттелетін кернеуді қамтамасыз етеді, IC бөлік нөмірінің соңғы екі цифры құрылғының шығыс кернеуін білдіреді. Бұл дегеніміз, мысалы, 7805 - оң 5 вольтты реттегіш, 7812 - оң 12 вольтты реттегіш.

Бұл кернеу реттегіштері тікелей алға - L8705 пен бірнеше электролиттік конденсаторларды кіріс пен шығысқа қосады, және сіз 5 В Arduino жобалары үшін қарапайым кернеу реттегішін жасайсыз.

Маңызды қадам-өндірушілердің ұсыныстары мен ұсыныстары үшін ақпараттық парақтарды тексеру.

78XX (оң) реттеушілер келесі түйіндерді қолданады:

1. INPUT-реттелмейтін тұрақты ток кірісі Vin
2. СІЛТЕМЕ (GROUND)
3. OUTPUT -реттелген тұрақты ток шығысы Vout

Бұл кернеу реттегіштерінің TO-220 корпусының нұсқасы туралы айта кететін бір жайт, корпус орталық түйреуішке (2-штырь) электрмен қосылған. 78XX сериясында бұл істің негізі бар екенін білдіреді.

Сызықтық реттегіштің бұл түрі 2 В ажырату кернеуіне ие, нәтижесінде 1А -да 5 В шығысымен сізде кемінде 2,5 В тұрақты ток кернеуі болуы керек (яғни 5В + 2,5В = 7,5В тұрақты ток кірісі).

Тегістеу конденсаторлары бойынша өндірушінің ұсыныстары CInput = 0.33 µF және COutput = 0.1 µF, бірақ жалпы тәжірибе кіріс пен шығыс бойынша 100 мкФ конденсатор болып табылады, бұл ең нашар сценарий үшін жақсы шешім, ал конденсаторлар оны жеңуге көмектеседі ұсыныстың кенеттен ауытқуы мен өтпелі кезеңі.

Егер жеткізу 2 В шегінен төмен түссе- конденсаторлар бұл жағдайдың болмауын қамтамасыз ету үшін тұрақтандырады. Егер сіздің жобаңызда мұндай өтпелі кезеңдер болмаса, онда сіз өндірушінің ұсыныстарымен жұмыс жасай аласыз.

Қарапайым желілік кернеу реттегішінің тізбегі - бұл тек L7805 кернеу реттегіші және екі конденсатор, бірақ біз қорғаныстың кейбір деңгейімен және көрнекі көрсеткіштермен жетілдірілген қуат көзін құру үшін осы схеманы жаңарта аламыз.

Егер сіз өз жобаңызды таратқыңыз келсе, мен клиенттерге келешекте қолайсыздық туғызбауы үшін міндетті түрде бірнеше қосымша компоненттерді қосуды ұсынамын.

4 -қадам: 7805 схемасы жаңартылды

Алдымен тізбекті қосу немесе өшіру үшін қосқышты қолдануға болады.

Сонымен қатар, сіз реттегіштің шығысы мен кірісі арасында кері бұрмаланған диодты (D1) орналастыра аласыз. Егер жүктемеде индукторлар немесе тіпті конденсаторлар болса, кірістің жоғалуы кері кернеуді тудыруы мүмкін, бұл реттегішті бұзуы мүмкін. Диод кез келген осындай токтарды айналып өтеді.

Қосымша конденсаторлар соңғы сүзгі ретінде әрекет етеді. Олар кернеу шығыс кернеуіне есептелуі керек, бірақ қауіпсіздіктің шамалы шегіне (мысалы, 16 25 В) кіруге сәйкес келетін жоғары болуы керек. Олар шын мәнінде сіз күтетін жүктеме түріне байланысты және оны тұрақты ток жүктемесіне қалдыруға болады, бірақ C1 және C2 үшін 100uF, ал C4 (және C3) үшін 1uF жақсы бастама болар еді.

Сонымен қатар, жарықдиодты және кернеуді шектейтін резисторды қосуға болады, ол индикатор шамымен қамтамасыз етіледі, ол электрмен жабдықтау ақауларын анықтау үшін өте пайдалы; тізбек қосылған кезде жарық диодты шамдар қосулы, әйтпесе тізбектегі кейбір ақауларды іздеңіз.

Кернеу реттегіштерінің көпшілігінде чиптерді қызып кетуден қорғайтын қорғаныс схемасы бар, егер ол қатты қызып кетсе, ол шығыс кернеуін төмендетеді, сондықтан құрылғы жылу әсерінен жойылмауы үшін шығыс токын шектейді. TO-220 пакеттеріндегі кернеу реттегіштерінде де салқындатқышты бекітуге арналған тесік бар, мен оны жақсы өндірістік радиаторды бекіту үшін міндетті түрде қолдануды ұсынамын.

5 -қадам: 78XX -тен көбірек қуат

78XX реттегіштерінің көпшілігі 1 - 1,5 А шығыс токпен шектеледі. Егер IC реттегішінің шығысы рұқсат етілген шекті мәннен асып кетсе, оның ішкі өту транзисторы шыдамдылықтан көп энергияны бөледі, бұл әкеледі. өшіруге.

Реттегіштің рұқсат етілген максималды ток шегінен асатын қосымшалар үшін шығыс ток күшейту үшін сыртқы өту транзисторын қолдануға болады. FAIRCHILD жартылай өткізгіштен алынған сурет осындай конфигурацияны көрсетеді. Бұл тізбек жүктемеге жоғары ток (10 А дейін) шығара алады, бірақ сонымен қатар IC реттегішінің термиялық өшуін және қысқа тұйықталудан қорғауды сақтайды.

Өндіруші BD536 қуат транзисторын ұсынады.

6 -қадам: LDO кернеу реттегіштері

L7805 - бұл салыстырмалы жоғары шығыс кернеуі бар өте қарапайым құрылғы.

Кейбір желілік кернеу реттегіштері төмен түсу (LDO) деп аталады, 7805-тің 2В-қа қарағанда әлдеқайда аз түсу кернеуі бар. Мысалы, LM2937 немесе LM2940CT-5.0 0,5 В-қа дейін төмендейді, нәтижесінде сіздің қоректену тізбегі болады. жоғары тиімділікке ие және сіз оны батареямен жабдықталған жобаларда қолдана аласыз.

Сызықтық реттегіш жұмыс істей алатын минималды Vin-Vout дифференциалын кернеу деп атайды. Егер Вин мен Воут арасындағы айырмашылық өшіру кернеуінен төмен болса, онда реттегіш өшіру режимінде болады.

Төмен түсетін реттегіштер кіріс пен шығыс кернеуі арасында өте төмен айырмашылыққа ие. Әсіресе LM2940CT-5.0 желілік реттегіштерінің кернеу айырмашылығы құрылғылар «сөніп» қалмас бұрын 0,5 вольтке жетуі мүмкін. Қалыпты жұмыс үшін кіріс кернеуі шығудан 0,5 В жоғары болуы керек.

Бұл кернеу реттегіштерінде L7805 формасы бірдей T220 формалық коэффициенті бар - сол жақта кіріс, ортасында жер және оң жақта (алдыңғы жағынан қараған кезде). Нәтижесінде сіз бірдей схеманы қолдана аласыз. Конденсаторлар бойынша өндіріс бойынша ұсыныстар CInput = 0.47 µF және COutput = 22 µF.

Негізгі кемшіліктердің бірі-«төмен оқитын» реттегіштер 7805 сериясымен салыстырғанда қымбат (тіпті он есеге дейін).

7 -қадам: реттелетін LM317 қуат көзі

LM317 - айнымалы шығысы бар оң сызықтық кернеу реттегіші, 1,2-37 В шығыс кернеу диапазонында 1,5 А артық шығыс тогын беруге қабілетті.

. Алғашқы екі әріп өндірушінің қалауын білдіреді, мысалы «LM», «сызықтық монолитті» білдіреді. Бұл айнымалы шығысы бар кернеу реттегіші, сондықтан сізге стандартты емес кернеу қажет болған жағдайда өте пайдалы. 78xx форматы - оң кернеу реттегіші, немесе 79xx - теріс кернеу реттегіштері, мұнда «xx» құрылғылардың кернеуін білдіреді.

Шығу кернеуінің диапазоны 1,2 В пен 37 В аралығында болады және оны сіздің Raspberry Pi, Arduino немесе DC Motors Shield қоректендіру үшін пайдалануға болады. LM3XX 78XX сияқты кіріс/шығыс кернеуінің айырмашылығына ие - кіріс шығыс кернеуінен кемінде 2,5 В жоғары болуы керек.

78XX сериялы реттегіштер сияқты, LM317 - үш істікшелі құрылғы. Бірақ сымдар сәл өзгеше.

LM317 қосылуында назар аударатын негізгі нәрсе - реттегішке тірек кернеуін беретін екі R1 және R2 резисторлары; бұл эталондық кернеу шығыс кернеуін анықтайды. Сіз резистордың мәндерін келесідей есептей аласыз:

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

IAdj әдетте 50 мкА құрайды және көптеген қосымшаларда елеусіз, ал VREF - 1,25 В - минималды шығыс кернеуі.

Егер біз IAdj -ті елемейтін болсақ, онда біздің теңдеуді жеңілдетуге болады

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

Егер біз R1 240 Ω және R2 -ді 1 кОм -мен қолданатын болсақ, онда Vout = 1,25 (1+0/240) = 1,25 В шығыс кернеуін аламыз.

Біз потенциометрдің тұтқасын басқа бағытта толық айналдырған кезде шығыс кернеуі ретінде Vout = 1.25 (1+2000/240) = 11.6 В аламыз.

Егер сізге жоғары шығыс кернеуі қажет болса, R1 -ді 100 Ом резисторға ауыстыру керек.

Цикл түсіндірді:

• Шығу кернеуін орнату үшін R1 және R2 қажет. CAdj толқынды бас тартуды жақсарту үшін ұсынылады. Бұл толқынның күшеюіне жол бермейді, себебі шығыс кернеуі жоғары реттеледі.
• C1 ұсынылады, әсіресе егер реттегіш қоректену сүзгісінің конденсаторларына жақын болмаса. 0,1-мкФ немесе 1-мкФ керамикалық немесе танталдық конденсатор көптеген қосымшалар үшін жеткілікті айналып өтуді қамтамасыз етеді, әсіресе реттеу және шығару конденсаторлары қолданылғанда.
• С2 өтпелі жауапты жақсартады, бірақ тұрақтылық үшін қажет емес.
• Егер CAdj қолданылса, D2 қорғау диоды ұсынылады. Диод конденсатордың реттегіштің шығысына кетуіне жол бермеу үшін төмен импедансты разряд жолын ұсынады.
• Егер C2 қолданылса, D1 қорғау диоды ұсынылады. Диод конденсатордың реттегіштің шығысына кетуіне жол бермеу үшін төмен импедансты разряд жолын ұсынады.

8 -қадам: Қорытынды

Сызықтық реттегіштер пайдалы болады, егер:

• Шығу кернеуінің дифференциалына кіріс аз
• Сізде жүктеме тогы төмен
• Сізге өте таза шығыс кернеуі қажет
• Сіз дизайнды мүмкіндігінше қарапайым және арзан ұстауыңыз керек.

Сондықтан, сызықтық реттегіштерді қолдану оңай ғана емес, олар ауысу реттегіштерімен салыстырғанда әлдеқайда таза шығыс кернеуін қамтамасыз етеді, ешқандай толқулар, ұштар немесе шу жоқ. Қысқаша айтқанда, егер электр энергиясының шығыны тым жоғары болмаса немесе сізге реттегіш қажет болмаса, сызықтық реттегіш сіздің ең жақсы нұсқаңыз болады.