Introducció als reguladors de tensió lineal: 8 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:13

Fa cinc anys, quan vaig començar amb l'Arduino i el Raspberry Pi, no pensava massa en la font d'alimentació, en aquest moment l'adaptador de corrent del raspberry Pi i el subministrament USB d'Arduino eren més que suficients.

Però al cap d’un temps la meva curiositat em va empènyer a considerar altres mètodes d’alimentació i, després de crear més projectes, em vaig veure obligat a plantejar-me diferents fonts d’alimentació de CC, si és possible, ajustables.

Especialment quan acabi el disseny, definitivament voldrà crear una versió més permanent del seu projecte i, per a això, haureu de plantejar-vos com provar-li de proporcionar energia.

En aquest tutorial explicaré com podeu crear la vostra pròpia font d'alimentació lineal amb reguladors de voltatge IC àmpliament utilitzats i assequibles (LM78XX, LM3XX, PSM-165, etc.). Coneixeràs la seva funcionalitat i implementació per als teus propis projectes.

Pas 1: consideracions de disseny

Nivells de tensió comuns

Hi ha diversos nivells de tensió estàndard que pot requerir el vostre disseny:

• 3,3 volts de CC: aquest és un voltatge comú que fan servir Raspberry PI i els dispositius digitals de baixa potència.
• 5 volts de CC: aquest és el voltatge estàndard TTL (Transistor Transistor Logic) utilitzat pels dispositius digitals.
• 12 volts de CC: s’utilitza per a motors de corrent continu, servo i pas a pas.
• 24/48 volts de CC: àmpliament utilitzat en projectes d’impressió CNC i 3D.

Heu de tenir en compte en el vostre disseny que cal regular les tensions del nivell lògic amb molta precisió. Per exemple, per a dispositius amb tensió TTL, la tensió d'alimentació ha de ser d'entre 4,75 i 5,25 volts, en cas contrari, qualsevol desviació de tensió farà que els components lògics deixin de funcionar correctament o fins i tot destrueixin els components.

A diferència dels dispositius de nivell lògic, la font d'alimentació dels motors, LEDs i altres components electrònics pot desviar-se en un ampli rang. A més, haureu de tenir en compte els requisits actuals del projecte. Especialment els motors poden provocar fluctuacions del corrent de corrent i cal dissenyar la font d'alimentació per adaptar-se al "pitjor dels casos" en què cada motor funciona a plena capacitat.

Heu d’utilitzar un enfocament diferent per a la regulació de la tensió per als dissenys alimentats per línia i per bateria, perquè els nivells de tensió de la bateria fluctuaran a mesura que es descarregui la bateria.

Un altre aspecte important del disseny del regulador de tensió és l’eficiència, sobretot en projectes amb bateria, heu de reduir al mínim les pèrdues d’energia.

ATENCIÓ: a la majoria dels països, una persona no pot treballar legalment amb tensions superiors a 50V CA sense llicència. Qualsevol error comès per qualsevol persona que treballi amb tensió letal pot provocar la seva pròpia mort o la d’una altra persona. Per aquest motiu, només explicaré la font d'alimentació de CC amb un nivell de tensió inferior a 60 V DC.

Pas 2: tipus de reguladors de tensió

Hi ha dos tipus principals de reguladors de tensió:

• reguladors de tensió lineals més assequibles i senzills d’utilitzar
• reguladors de tensió de commutació més eficients que els reguladors de tensió lineals, però més cars i que requereixen un disseny de circuits més complexos.

En aquest tutorial treballarem amb reguladors de tensió lineals.

Característiques elèctriques dels reguladors de tensió lineals

La caiguda de tensió del regulador lineal és proporcional a la potència dissipada del CI o, amb altres paraules, la pèrdua de potència a causa de l'efecte de calefacció.

Per a la dissipació de potència en els reguladors lineals es pot utilitzar la següent equació:

Potència = (VInput - VOutput) x I

El regulador lineal L7805 ha de dissipar almenys 2 watts si lliuraria una càrrega d'1 A (caiguda de tensió de 2 V per 1 A).

Amb l’augment de la diferència de tensió entre la tensió d’entrada i sortida, també augmenta la dissipació de potència. És a dir, per exemple, mentre una font de 7 volts regulada a 5 volts que subministri 1 amper dissiparia 2 watts a través del regulador lineal, una font de 12 V CC regulada a 5 volts que lliurés el mateix corrent dissiparia 5 watts, fent que el regulador només sigui del 50% eficient.

El següent paràmetre important és la "Resistència tèrmica" en unitats de ° C / W (° C per watt).

Aquest paràmetre indica el nombre de graus que el xip escalfarà per sobre de la temperatura de l’ambient, per cada watt de potència que ha de dissipar. Simplement multipliqueu la dissipació de potència calculada per resistència tèrmica i això us indicarà quant escalfarà aquest regulador lineal sota aquesta quantitat de potència:

Potència x Resistència tèrmica = Temperatura superior a l’ambient

Per exemple, un regulador 7805 té una resistència tèrmica de 50 ° C / watt. Això significa que si el vostre regulador està dissipant:

• 1 watt, escalfarà 50 ° C
• .2 watts escalfarà 100 ° C.

NOTA: Durant la fase de planificació del projecte, intenteu estimar el corrent requerit i reduir la diferència de tensió al mínim. Per exemple, el regulador de tensió lineal 78XX té una caiguda de tensió de 2 V (la tensió d'entrada mínima és Vin = 5 + 2 = 7 V CC), com a resultat podeu utilitzar una font d'alimentació de 7, 5 o 9 V CC.

Càlcul d’eficiència

Tenint en compte que el corrent de sortida és igual al corrent d’entrada d’un regulador lineal, obtindrem una equació simplificada:

Eficiència = Vout / Vin

Per exemple, suposem que teniu 12 V a l’entrada i heu de generar 5 V a 1 A de corrent de càrrega, aleshores l’eficiència d’un regulador lineal només seria (5 V / 12 V) x 100% = 41%. Això significa que només el 41% de la potència de l'entrada es transfereix a la sortida, i la resta de la potència es perdrà com a calor.

Pas 3: Reguladors lineals 78XX

Els reguladors de tensió 78XX són dispositius de 3 pins disponibles en diversos paquets diferents, des de paquets de transistors de gran potència (T220) fins a petits dispositius de muntatge superficial, és un regulador de tensió positiu. Les sèries 79XX són els reguladors de tensió negatius equivalents.

La sèrie de reguladors 78XX proporciona tensions regulades fixes de 5 a 24 V. Els dos darrers dígits del número de peça IC indiquen la tensió de sortida del dispositiu. Això significa, per exemple, que un 7805 és un regulador positiu de 5 volts, un 7812 és un regulador positiu de 12 volts.

Aquests reguladors de tensió són directes: connecteu L8705 i un parell de condensadors electrolítics a l’entrada i a la sortida i construireu un regulador de tensió simple per a projectes Arduino de 5 V.

El pas important és comprovar els fulls de dades per obtenir els pin-outs i les recomanacions del fabricant.

Els reguladors 78XX (positius) utilitzen els pinouts següents:

1. Entrada DC no regulada INPUT Vin
2. REFERÈNCIA (TERRA)
3. Sortida Vout regulada de sortida de CC

Una cosa a tenir en compte sobre la versió de la caixa TO-220 d’aquests reguladors de tensió és que la caixa està connectada elèctricament al pin central (pin 2). A la sèrie 78XX, això significa que la caixa està connectada a terra.

Aquest tipus de regulador lineal té una tensió de sortida de 2 V, com a resultat amb una sortida de 5 V a 1 A, heu de tenir almenys una tensió de capçal de 2,5 V CC (és a dir, entrada de 5 V + 2,5 V = 7,5 V CC).

Les recomanacions del fabricant per als condensadors de suavitzat són CInput = 0,33 µF i COutput = 0,1 µF, però la pràctica general és un condensador de 100 µF a l’entrada i a la sortida. És una bona solució per al pitjor dels casos, i els condensadors ajuden a fer front a fluctuacions sobtades i transitoris en l'oferta.

En cas que el subministrament caigui per sota del llindar de 2 V, els condensadors estabilitzaran el subministrament per garantir que això no passi. Si el vostre projecte no té aquests transitoris, podeu executar-lo amb les recomanacions del fabricant.

El circuit regulador de tensió lineal simple és només un regulador de tensió L7805 i dos condensadors, però podem actualitzar aquest circuit per crear una font d’alimentació més avançada amb algun nivell de protecció i indicació visual.

Si voleu distribuir el vostre projecte, sens dubte us suggeriré afegir aquests components addicionals per evitar futures molèsties amb els clients.

Pas 4: actualització del circuit 7805

Primer podeu utilitzar l’interruptor per encendre o apagar el circuit.

A més, podeu col·locar un díode (D1), cablejat en polarització inversa entre la sortida i l'entrada del regulador. Si hi ha inductors a la càrrega, o fins i tot condensadors, una pèrdua d’entrada pot provocar un voltatge invers, que pot destruir el regulador. El díode ignora aquests corrents.

Els condensadors addicionals actuen com una mena de filtre final. Han de tenir una tensió nominal per al voltatge de sortida, però han de ser prou elevades per adaptar-se a l’entrada per obtenir un marge de seguretat petit (per exemple, 16 25 V). Realment depenen del tipus de càrrega que espereu i es poden deixar de banda per a una càrrega de CC pura, però 100uF per a C1 i C2 i 1uF per a C4 (i C3) serien un bon començament.

A més, podeu afegir el LED i la resistència adequada per limitar el corrent per proporcionar un llum indicador molt útil per a la detecció de fallades de subministrament elèctric; quan el circuit està alimentat, els llums LED estan encesos; en cas contrari, busqueu algunes fallades al vostre circuit.

La majoria dels reguladors de tensió tenen circuits de protecció que protegeixen els xips del sobreescalfament i, si fa massa calor, baixa la tensió de sortida i, per tant, limita el corrent de sortida perquè el dispositiu no sigui destruït per la calor. Els reguladors de tensió dels paquets TO-220 també tenen un forat de muntatge per a l'accessori del dissipador de calor, i us suggeriré que el feu servir definitivament per connectar un bon dissipador de calor industrial.

Pas 5: més potència des del 78XX

La majoria dels reguladors 78XX es limiten a un corrent de sortida d’1 a 1,5 A. Si el corrent de sortida d’un regulador IC supera el límit màxim permès, el seu transistor de pas intern dissiparà una quantitat d’energia més de la que pot tolerar, cosa que conduirà fins a l’aturada.

Per a aplicacions que requereixen més del límit màxim de corrent permès d’un regulador, es pot utilitzar un transistor de pas extern per augmentar el corrent de sortida. La figura de FAIRCHILD Semiconductor il·lustra aquesta configuració. Aquest circuit té la capacitat de produir un corrent més elevat (fins a 10 A) a la càrrega, però encara conserva l’aturada tèrmica i la protecció contra el curtcircuit del regulador IC.

El transistor de potència BD536 és suggerit pel fabricant.

Pas 6: Reguladors de tensió LDO

El L7805 és un dispositiu molt senzill amb una tensió d’abandonament relativa alta.

Alguns reguladors de tensió lineals, anomenats low-dropout (LDO), tenen un voltatge d’abandonament molt menor que el 2V del 7805. Per exemple, el LM2937 o LM2940CT-5.0 té un abandó de 0,5V, com a resultat tenen una eficiència superior i el podeu utilitzar en projectes amb alimentació de bateria.

El diferencial mínim de Vin-Vout que pot funcionar un regulador lineal s’anomena tensió d’abandonament. Si la diferència entre Vin i Vout cau per sota del voltatge d’abandonament, el regulador es troba en mode d’abandonament.

Els reguladors d’abandonament baix tenen una diferència molt baixa entre la tensió d’entrada i la sortida. Especialment, la diferència de tensió dels reguladors lineals LM2940CT-5.0 pot arribar a ser inferior a 0,5 volts abans que els dispositius "caiguin". Per al funcionament normal, la tensió d'entrada ha de ser 0,5 V superior a la sortida.

Aquests reguladors de tensió tenen el mateix factor de forma T220 que L7805 amb el mateix disseny: entrada a l'esquerra, terra al mig i sortida a la dreta (quan es veu des de la part frontal). Com a resultat, podeu utilitzar el mateix circuit. Les recomanacions de fabricació per als condensadors són CInput = 0,47 µF i COutput = 22 µF.

Un dels principals inconvenients és que els reguladors de baix nivell d’abandonament són més cars (fins i tot fins a deu vegades) en comparació amb la sèrie 7805.

Pas 7: font d'alimentació LM317 regulada

El LM317 és un regulador de tensió lineal positiu amb una sortida variable, capaç de subministrar un corrent de sortida superior a 1,5 A en un rang de tensió de sortida d’1,2–37 V.

. Les dues primeres lletres denoten les preferències del fabricant, com ara "LM", que significa "monolític lineal". És un regulador de tensió amb una sortida variable i, per tant, és molt útil en situacions en què necessiteu una tensió no estàndard. El format 78xx és un regulador de tensió positiu, o el 79xx són reguladors de tensió negatius, on “xx” representa la tensió dels dispositius.

L’interval de tensió de sortida oscil·la entre 1,2 V i 37 V i es pot utilitzar per alimentar el vostre Raspberry Pi, Arduino o DC Motors Shield. El LM3XX té la mateixa diferència de voltatge d’entrada / sortida que el 78XX: l’entrada ha d’estar com a mínim 2,5 V per sobre del voltatge de sortida.

Igual que amb la sèrie de reguladors 78XX, el LM317 és un dispositiu de tres pins. Però el cablejat és una mica diferent.

El més important a tenir en compte sobre la connexió LM317 són les dues resistències R1 i R2 que proporcionen una tensió de referència al regulador; aquesta tensió de referència determina la tensió de sortida. Podeu calcular aquests valors de resistència de la següent manera:

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

IAdj sol ser de 50 µA i és insignificant en la majoria de les aplicacions, i el VREF és d’1,25 V - tensió de sortida mínima.

Si descuidem IAdj, la nostra equació es pot simplificar a

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

Si utilitzarem R1 240 Ω i R2 amb 1 kΩ, obtindrem una tensió de sortida de Vout = 1,25 (1 + 0/240) = 1,25 V.

Quan girem el comandament del potenciòmetre completament en una altra direcció, obtindrem Vout = 1,25 (1 + 2000/240) = 11,6 V com a tensió de sortida.

Si necessiteu una tensió de sortida més alta, hauríeu de substituir R1 per resistència de 100 Ω.

Circuit explicat:

• Es requereixen R1 i R2 per configurar la tensió de sortida. Es recomana CAdj per millorar el rebuig de les ondulacions. Evita l'amplificació de l'ondulació ja que el voltatge de sortida s'ajusta més alt.
• Es recomana C1, sobretot si el regulador no es troba molt a prop dels condensadors del filtre d'alimentació. Un condensador de ceràmica o de tàntal de 0,1 µF o 1 µF proporciona una derivació suficient per a la majoria d’aplicacions, especialment quan s’utilitzen condensadors d’ajust i sortida.
• C2 millora la resposta transitòria, però no és necessària per a l'estabilitat.
• Es recomana el díode de protecció D2 si s’utilitza CAdj. El díode proporciona un camí de descàrrega de baixa impedància per evitar que el condensador es descarregui a la sortida del regulador.
• Es recomana el díode de protecció D1 si s’utilitza C2. El díode proporciona un camí de descàrrega de baixa impedància per evitar que el condensador es descarregui a la sortida del regulador.

Pas 8: resum

Els reguladors lineals són útils si:

• El diferencial de tensió d’entrada a sortida és petit
• Teniu un corrent de càrrega baix
• Necessiteu una tensió de sortida molt neta
• Cal que el disseny sigui el més senzill i econòmic possible.

Per tant, els reguladors lineals no només són més fàcils d’utilitzar, sinó que proporcionen una tensió de sortida molt més neta en comparació amb els reguladors de commutació, sense onades, pics ni sorolls de cap tipus. En resum, tret que la dissipació de potència sigui massa elevada o si necessiteu un regulador intensiu, un regulador lineal serà la vostra millor opció.