מבוא לוויסות מתח לינארי: 8 שלבים

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:14

לפני חמש שנים כשהתחלתי לראשונה עם ה- Arduino ו- Raspberry Pi לא חשבתי יותר מדי על אספקת חשמל, בשלב זה מתאם החשמל מפטל פי ואספקת ה- USB של Arduino היה יותר ממספיק.

אך לאחר זמן מה סקרנותי דחפה אותי לשקול שיטות אספקת חשמל אחרות, ולאחר יצירת פרויקטים נוספים נאלצתי לעשות שיקולים לגבי מקורות כוח DC שונים ואם אפשר להתאמה.

במיוחד כשתסיים את העיצוב שלך בהחלט תרצה לבנות גרסה קבועה יותר של הפרויקט שלך, ולשם כך תצטרך לשקול כיצד להמשיך לספק לו כוח.

במדריך זה אסביר כיצד תוכל ליצור ספק כוח ליניארי משלך באמצעות רגולטורי מתח נפוצים ובמחירים נוחים (LM78XX, LM3XX, PSM-165 וכו '). תלמד על הפונקציונליות והיישום שלהם לפרויקטים שלך.

שלב 1: שיקולי עיצוב

רמות מתח נפוצות

ישנן מספר רמות מתח סטנדרטיות שהעיצוב שלך עשוי לדרוש:

• 3.3 וולט DC-זהו מתח נפוץ המשמש את פטל PI והתקנים דיגיטליים בעלי הספק נמוך.
• 5 וולט DC - זהו המתח הסטנדרטי TTL (טרנזיסטור טרנזיסטור לוגיקה) המשמש מכשירים התקנים דיגיטליים.
• 12 וולט DC - משמש עבור מנועי DC, סרוו ומדרגות.
• 24/48 וולט DC - בשימוש נרחב בפרויקטים של CNC והדפסה תלת -ממדית.

עליך לשקול בעיצוב שלך כי יש לווסת את המתחים ברמת ההיגיון בצורה מדויקת ביותר. לדוגמה עבור מכשירים עם מתח TTL מתח האספקה צריך להיות בין 4.75 ל -5.25 וולט, אחרת כל סטיית מתח תגרום לרכיבי ההיגיון להפסיק לפעול כראוי או אפילו להרוס את הרכיבים שלך.

בניגוד למכשירי רמת ההיגיון אספקת החשמל של המנועים, הלדים ורכיבים אלקטרוניים אחרים יכולה לסטות בטווח רחב. בנוסף עליך להתחשב בדרישות הנוכחיות של הפרויקט. במיוחד מנועים עלולים לגרום לשינוי במתיחה הנוכחית ואתה צריך לעצב את ספק הכוח שלך כך שיתאים למצב ה"מקרה הגרוע ביותר "שבו כל מנוע מופעל בתפוקה מלאה.

עליך להשתמש בגישה אחרת לוויסות המתח עבור עיצובים הקווים והסוללה, מכיוון שרמות מתח הסוללה ישתנו ככל שהסוללה תתרוקן.

היבט חשוב נוסף בעיצוב וסת המתח הוא היעילות - במיוחד בפרויקטים המונעים על סוללות עליך להפחית את הפסדי החשמל למינימום.

שימו לב: ברוב המדינות אדם אינו יכול לעבוד באופן חוקי עם מתח מעל 50V AC ללא רישיון. כל טעות שעושה כל אדם שעובד עם מתח קטלני יכולה להוביל למוות שלו, או של אדם אחר. מסיבה זו אסביר רק לבנות ספק כוח DC ברמת מתח מתחת ל- 60 V DC.

שלב 2: סוגי רגולטורי מתח

ישנם שני סוגים עיקריים של וויסות מתח:

• וויסות מתח ליניאריות שהן הזולות והפשוטות ביותר לשימוש
• ויתורי מתח מיתוג שהם יעילים יותר מווסתים מתח לינארי, אך יקרים יותר והם דורשים עיצוב מעגל מורכב יותר.

במדריך זה נעבוד עם וויסות מתח לינאריות.

מאפיינים חשמליים של רגולטורי המתח הליניארי

ירידת המתח בווסת הליניארי פרופורציונלית לכוח המתפוגג של ה- IC, או במילים אחרות הכוח מאבד בגלל אפקט החימום.

לפיזור הכוח בווסתים הליניאריים ניתן להשתמש במשוואה הבאה:

כוח = (VInput - VOutput) x I

הרגולטור הליניארי L7805 צריך לפזר לפחות 2 וואט אם הוא יספק עומס של 1 A (ירידת מתח של 2 וולט 1 A).

עם הגדלת הפרש המתח בין מתח הכניסה והיציאה - גם פיזור הכוח גדל. כלומר, בעוד מקור של 7 וולט המווסת ל -5 וולט המספק אמפר אחד יפזר 2 וואט דרך הרגולטור הליניארי, מקור 12 וולט DC המווסת ל -5 וולט המספק את אותו הזרם יפזר 5 וואט, מה שהופך את הרגולטור ל -50 % בלבד יָעִיל.

הפרמטר החשוב הבא הוא "ההתנגדות התרמית" ביחידות של ° C/W (° C לוואט).

פרמטר זה מציין את מספר המעלות שהשבב יתחמם מעל טמפרטורת האוויר הסביבתית, לכל וואט כוח שהוא חייב לפזר. כל שעליך לעשות הוא להכפיל את פיזור הכוח המחושב בהתנגדות תרמית וזה יגיד לך כמה אותו הרגולטור הליניארי יתחמם תחת כמות ההספק הזו:

כוח x התנגדות תרמית = טמפרטורה מעל הסביבה

לדוגמה ווסת 7805 בעל עמידות תרמית של 50 ° C / וואט. המשמעות היא שאם הרגולטור שלך מתפוגג:

• 1 וואט, הוא יתחמם 50 מעלות צלזיוס
• .2 וואט זה יחמם 100 מעלות צלזיוס.

הערה: במהלך תכנון הפרויקט נסה לאמוד את הזרם הנדרש ולהקטין את הפרש המתח למינימום. לדוגמה ווסת המתח הלינארי 78XX בעל ירידת מתח 2 V (מינימום מתח הכניסה Vin = 5 + 2 = 7 V DC), כתוצאה מכך ניתן להשתמש באספקת חשמל של 7, 5 או 9 V DC.

חישוב יעילות

בהתחשב בכך שזרם הפלט שווה לזרם הקלט של וסת לינארי, נקבל משוואה פשוטה:

יעילות = Vout / Vin

לדוגמה, נניח שיש לך 12 V בכניסה ואתה צריך להוציא 5 V ב 1 A של זרם העומס, אז היעילות של וסת לינארי תהיה רק (5 V / 12 V) x 100 % = 41 %. המשמעות היא שרק 41 % מהכוח מהכניסה מועבר ליציאה, והכוח שנותר יאבד כחום!

שלב 3: רגולטורים ליניאריים 78XX

רגולטורי המתח 78XX הם התקנים של 3 פינים הזמינים במספר חבילות שונות, החל מחבילות טרנזיסטור כוח גדולות (T220) ועד התקנים זעירים על פני השטח, זהו ווסת מתח חיובי. סדרת 79XX הם ווסת המתח השלילי המקביל.

סדרת הרגולטורים של 78XX מספקת מתח מוסדר קבוע מ -5 עד 24 V. שתי הספרות האחרונות של מספר החלק IC מציינות את מתח המוצא של המכשיר. זה אומר, למשל, 7805 הוא ווסת חיובי של 5 וולט, 7812 הוא ווסת חיובי של 12 וולט.

רגולטורי המתח האלה הם פשוט קדימה - חבר L8705 וכמה קבלים אלקטרוליטיים על פני הכניסה והיציאה, ואתה בונה ווסת מתח פשוט לפרויקטים של Arduino 5 V.

השלב החשוב הוא לבדוק את גליונות הנתונים לגבי הסיכות והמלצות היצרן.

הרגולטורים 78XX (חיוביים) משתמשים בסימפטומים הבאים:

1. קלט DC בלתי מוסדר INPUT Vin
2. הפניה (קרקע)
3. פלט DC OUTPUT מוסדר Vout

דבר אחד שצריך לשים לב לגרסת מארזי TO-220 של וסתות המתח הללו הוא שהמקרה מחובר חשמלית לסיכה המרכזית (סיכה 2). בסדרת 78XX המשמעות היא שהארז מקורקע.

לסוג זה של וסת לינארי יש מתח נשירה של 2 וולט, וכתוצאה מכך עם פלט של 5 וולט ב 1A, עליך להיות בעל מתח ראש של לפחות 2.5 וולט DC (כלומר, 5 V + 2.5 V = 7.5 V DC קלט).

המלצות היצרן עבור קבלים ההחלקה הם CInput = 0.33 µF ו- COutput = 0.1 µF, אך פרקטיקה כללית היא קבל 100 µF על הכניסה והיציאה זהו פתרון טוב לתרחיש הגרוע ביותר, והקבלים עוזרים להתמודד עם תנודות פתאומיות וחולפות באספקה.

במקרה שהאספקה יורדת מתחת לסף של 2 V- הקבלים ייצבו את האספקה כדי להבטיח שזה לא יקרה. אם לפרויקט שלך אין ארעים כאלה, תוכל לרוץ בהתאם להמלצות היצרן.

מעגל ווסת מתח ליניארי פשוט הוא רק ווסת מתח L7805 ושני קבלים, אך אנו יכולים לשדרג מעגל זה ליצירת ספק כוח מתקדם יותר עם רמת הגנה מסוימת ואינדיקציה חזותית.

אם תרצה להפיץ את הפרויקט שלך אז בהחלט אציע להוסיף אותם כמה רכיבים נוספים על מנת למנוע אי נוחות עתידית עם הלקוחות.

שלב 4: מעגל 7805 משודרג

ראשית תוכל להשתמש במתג להפעלה או כיבוי של המעגל.

בנוסף ניתן למקם דיודה (D1) המחוברת בהטיה הפוכה בין הפלט והכניסה של הרגולטור. אם ישנם משרנים בעומס, או אפילו קבלים, אובדן קלט יכול לגרום למתח הפוך, מה שעלול להרוס את הרגולטור. הדיודה עוקפת זרמים כאלה.

קבלים נוספים משמשים מעין מסנן סופי. הם חייבים להיות מדורגים על מתח המתח, אך הם צריכים להיות גבוהים מספיק כדי להתאים לקלט למרווח בטיחות קטן (למשל, 16 25 וולט). הם תלויים באמת בסוג העומס שאתה מצפה, וניתן להשאיר אותם מחוץ לעומס DC טהור, אך 100uF עבור C1 ו- C2, ו- 1uF עבור C4 (ו- C3) תהיה התחלה טובה.

בנוסף תוכל להוסיף את ה LED ואת הנגד המתאים להגבלת הזרם כדי לספק נורת חיווי שהיא שימושית מאוד לאיתור כשל באספקת החשמל; כאשר המעגל מופעל נורות LED דולקות אחרת חפש כמה כשלים במעגל שלך.

לרוב רגולטורי המתח יש מעגלי הגנה המגינים על שבבים מפני התחממות יתר ואם הוא מתחמם מדי, הוא מוריד את מתח המוצא ולכן מגביל את זרם הפלט כך שהמכשיר לא ייהרס מהחום. לווסחי המתח באריזות TO-220 יש גם חור הרכבה לחיבור גוף הקירור, ואני מציע בהחלט להשתמש בו לחיבור גוף קירור תעשייתי טוב.

שלב 5: יותר כוח מ- 78XX

רוב הרגולטורים של 78XX מוגבלים לזרם פלט של 1 - 1.5 A. אם זרם הפלט של הרגולטור IC חורג מהגבול המרבי המותר שלו, טרנזיסטור המעבר הפנימי שלו יפזר כמות אנרגיה יותר ממה שהוא יכול לסבול, מה שיוביל לכיבוי.

ליישומים הדורשים יותר ממגבלת הזרם המרבית המותרת של הרגולטור, ניתן להשתמש בטרנזיסטור מעבר חיצוני כדי להגדיל את זרם הפלט. איור מ- FAIRCHILD Semiconductor ממחיש תצורה כזו. למעגל זה יש יכולת לייצר זרם גבוה יותר (עד 10 A) לעומס אך עדיין לשמר את הכיבוי התרמי והגנת הקצר של הרגולטור IC.

טרנזיסטור כוח BD536 מוצע על ידי היצרן.

שלב 6: רגולטורי מתח LDO

ה- L7805 הוא מכשיר פשוט מאוד עם מתח נשירה גבוה יחסית.

לחלק מווסחי המתח הליניארי, מה שנקרא נשירה נמוכה (LDO), יש נשירה קטנה בהרבה מזה של 2V של 7805. לדוגמה LM2937 או LM2940CT-5.0 יש נשירה של 0.5V, כתוצאה מכך מעגל אספקת החשמל שלך בעלי יעילות גבוהה יותר, ותוכל להשתמש בה בפרויקטים עם אספקת חשמל לסוללה.

ההפרש המינימלי של Vin-Vout שמווסת ליניארי יכול להפעיל נקרא מתח הנשירה. אם ההבדל בין Vin לבין Vout נופל מתחת למתח הנשירה, אז הרגולטור נמצא במצב נשירה.

לרגולטורים לנשירה נמוכה יש הבדל נמוך מאוד בין הכניסה למתח היציאה. במיוחד הפרש המתח הליניארי LM2940CT-5.0 יכול להגיע לפחות מ- 0.5 וולט לפני שהמכשירים "ייפלו". לפעולה רגילה מתח הכניסה צריך להיות גבוה ב -0.5 V מהפלט.

לאותם רגולטורי מתח יש אותו גורם צורה T220 כמו L7805 עם אותה פריסה - קלט משמאל, קרקע באמצע ופלט מימין (במבט מהחזית). כתוצאה מכך אתה יכול להשתמש באותו מעגל. המלצות הייצור של הקבלים הם CInput = 0.47 µF ו- COutput = 22 µF.

חסרון אחד גדול הוא שהווסתים של "נשירה נמוכה" יקרים יותר (אפילו עד פי עשרה) בהשוואה לסדרת 7805.

שלב 7: ספק כוח LM317 מוסדר

LM317 הוא ווסת מתח ליניארי חיובי עם פלט משתנה, מסוגל לספק זרם פלט של יותר מ -1.5 A בטווח מתח יציאה של 1.2–37 V.

. שתי האותיות הראשונות מציינות את העדפות היצרן, כגון "LM", העומדות על "מונוליטי ליניארי". זהו ווסת מתח עם יציאה משתנה ולכן הוא מאוד שימושי במצבים בהם אתה צריך מתח לא סטנדרטי. פורמט 78xx הוא ווסת מתח חיובי, או 79xx הם וויסות מתח שלילי, כאשר "xx" מייצג את המתח של המכשירים.

טווח מתח המוצא נע בין 1.2 V ל 37 V, וניתן להשתמש בו כדי להפעיל את מגן ה- Raspberry Pi, Arduino או DC Motors. ל- LM3XX יש אותו הפרש מתח כניסה/יציאה כמו 78XX - הקלט חייב להיות לפחות 2.5 וולט מעל מתח היציאה.

כמו בסדרת הרגולטורים 78XX, LM317 הוא מכשיר בעל שלושה פינים. אבל החיווט מעט שונה.

הדבר העיקרי שיש לשים לב לגבי חיבור LM317 הוא שני הנגדים R1 ו- R2 המספקים מתח התייחסות לווסת; מתח ייחוס זה קובע את מתח המוצא. תוכל לחשב את ערכי הנגד האלה כדלקמן:

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

IAdj הוא בדרך כלל 50 µA וזניח ברוב היישומים, ו- VREF הוא 1.25 V - מתח יציאה מינימלי.

אם נזניח את IAdj אז ניתן לפשט את המשוואה שלנו

Vout = 1.25 x (1 + R2/R1)

אם נשתמש ב- R1 240 Ω ו- R2 עם 1 kΩ אז נקבל מתח יציאה של Vout = 1.25 (1+0/240) = 1.25 V.

כאשר נסובב את כפתור הפוטנציומטרים במלואו לכיוון אחר, נקבל Vout = 1.25 (1+2000/240) = 11.6 V כמתח המוצא.

אם אתה צריך מתח יציאה גבוה יותר, עליך להחליף R1 בנגד 100 Ω.

המעגל הסביר:

• R1 ו- R2 נדרשים כדי להגדיר את מתח המוצא. CAdj מומלץ לשיפור דחיית אדוות. הוא מונע הגברה של האדוות מכיוון שמתח המוצא מותאם גבוה יותר.
• C1 מומלץ, במיוחד אם הרגולטור אינו נמצא בקרבת קבלים מסנני אספקת החשמל. קבל קרמיקה או טנטלום של 0.1 µF או 1 µF מספק עקיפה מספקת עבור רוב היישומים, במיוחד כאשר משתמשים בקבלים התאמה ופלט.
• C2 משפר את התגובה החולפת, אך אינו נחוץ ליציבות.
• דיודת הגנה D2 מומלצת אם משתמשים ב- CAdj. הדיודה מספקת נתיב פריקה בעל עכבה נמוכה למניעת פריקה של הקבל לפלט הרגולטור.
• דיודת הגנה D1 מומלצת אם משתמשים ב- C2. הדיודה מספקת נתיב פריקה בעל עכבה נמוכה למניעת פריקה של הקבל לפלט הרגולטור.

שלב 8: סיכום

רגולטורים ליניאריים שימושיים אם:

• הפרש מתח הכניסה ליציאה קטן
• יש לך זרם עומס נמוך
• אתה דורש מתח יציאה נקי במיוחד
• עליך לשמור על העיצוב פשוט וזול ככל האפשר.

לכן לא רק שהרגולטורים הלינאריים קלים יותר לשימוש, אלא הם מספקים מתח יציאה נקי בהרבה בהשוואה לווסתי מיתוג, ללא אדוות, קוצים או רעש מכל סוג שהוא. לסיכום, אלא אם כן פיזור הכוח גבוה מדי או שתדרש ווסת עלייה, ווסת לינארי יהיה האפשרות הטובה ביותר שלך.