Inleiding tot lineaire spanningsregelaars: 8 stappen

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:16

Vijf jaar geleden toen ik voor het eerst begon met de Arduino en Raspberry Pi dacht ik niet al te veel na over voeding, op dit moment was de voedingsadapter van Raspberry Pi en de USB-voeding van Arduino meer dan voldoende.

Maar na enige tijd dwong mijn nieuwsgierigheid me om andere voedingsmethoden te overwegen, en na het creëren van meer projecten werd ik gedwongen om overwegingen te maken over verschillende en indien mogelijk instelbare DC-stroombronnen.

Vooral wanneer u klaar bent met uw ontwerp, wilt u zeker een meer permanente versie van uw project bouwen, en daarvoor moet u overwegen hoe u het van stroom kunt voorzien.

In deze Tutorial leg ik uit hoe je met veelgebruikte en betaalbare spanningsregelaars IC (LM78XX, LM3XX, PSM-165 etc.) je eigen lineaire voeding kunt maken. U leert over hun functionaliteit en implementatie voor uw eigen projecten.

Stap 1: Ontwerpoverwegingen

Gemeenschappelijke spanningsniveaus

Er zijn verschillende standaard spanningsniveaus die uw ontwerp mogelijk nodig heeft:

• 3,3 volt DC - Dit is een veel voorkomende spanning die wordt gebruikt door Raspberry PI en digitale apparaten met een laag vermogen.
• 5 Volt DC – Dit is de standaard TTL-spanning (Transistor Transistor Logic) die wordt gebruikt door digitale apparaten.
• 12 Volt DC – gebruikt voor DC-, servo- en stappenmotoren.
• 24/48 Volt DC – veel gebruikt in CNC- en 3D-printprojecten.

In uw ontwerp moet u er rekening mee houden dat spanningen op logisch niveau zeer nauwkeurig moeten worden geregeld. Voor apparaten met TTL-spanning moet de voedingsspanning bijvoorbeeld tussen 4,75 en 5,25 volt zijn, anders zal elke spanningsafwijking ervoor zorgen dat de logische componenten niet meer correct werken of zelfs uw componenten vernietigen.

In tegenstelling tot de logische niveau-apparaten kan de voeding voor de motoren, LED's en andere elektronische componenten in een groot bereik afwijken. Bovendien moet u rekening houden met de huidige vereisten van het project. Vooral motoren kunnen ervoor zorgen dat het stroomverbruik fluctueert en u moet uw voeding zo ontwerpen dat deze geschikt is voor de 'worst case'-situatie waarin elke motor op volle capaciteit draait.

U moet een andere benadering gebruiken voor de spanningsregeling voor de ontwerpen met lijnvoeding en batterijvoeding, omdat de batterijspanningsniveaus zullen fluctueren naarmate de batterij ontlaadt.

Een ander belangrijk aspect van het ontwerp van de spanningsregelaar is de efficiëntie - vooral bij projecten op batterijen moet u vermogensverliezen tot een minimum beperken.

LET OP: In de meeste landen mag een persoon zonder vergunning niet legaal werken met spanningen boven 50V AC. Elke fout gemaakt door een persoon die met dodelijke spanning werkt, kan leiden tot hun eigen dood, of die van een andere persoon. Om deze reden zal ik alleen een DC-voeding uitleggen die is gebouwd met een spanningsniveau onder 60 V DC.

Stap 2: Soorten spanningsregelaars

Er zijn twee hoofdtypen spanningsregelaars:

• lineaire spanningsregelaars die het meest betaalbaar en gebruiksvriendelijk zijn
• schakelende spanningsregelaars die efficiënter zijn dan lineaire spanningsregelaars, maar duurder zijn en een complexer circuitontwerp vereisen.

In deze tutorial gaan we werken met lineaire spanningsregelaars.

Elektrische kenmerken van de lineaire spanningsregelaars

De spanningsval in de lineaire regelaar is evenredig met het gedissipeerde vermogen van het IC, oftewel vermogensverlies door het verhittingseffect.

Voor de vermogensdissipatie in de lineaire regelaars kan de volgende vergelijking worden gebruikt:

Vermogen = (V-ingang – V-uitgang) x I

De lineaire regelaar L7805 moet minimaal 2 watt dissiperen als hij een belasting van 1 A zou leveren (2 V spanningsverlies maal 1 A).

Met de toename van het spanningsverschil tussen de ingangs- en uitgangsspanning - neemt ook de vermogensdissipatie toe. Dit betekent bijvoorbeeld dat, terwijl een 7 volt-bron die wordt geregeld op 5 volt en 1 ampère levert, 2 watt wordt afgevoerd via de lineaire regelaar, een 12 V DC-bron die wordt geregeld op 5 volt en dezelfde stroom levert, 5 watt dissipeert, waardoor de regelaar slechts 50% efficiënt.

De volgende belangrijke parameter is de “Thermische Weerstand” in eenheden van °C/W (°C per Watt).

Deze parameter geeft het aantal graden aan dat de chip boven de omgevingstemperatuur zal opwarmen, per watt vermogen dat hij moet afvoeren. Vermenigvuldig eenvoudig de berekende vermogensdissipatie met thermische weerstand en dat zal u vertellen hoeveel die lineaire regelaar onder die hoeveelheid vermogen zal opwarmen:

Vermogen x thermische weerstand = temperatuur boven omgevingstemperatuur

Een 7805-regelaar heeft bijvoorbeeld een thermische weerstand van 50°C / Watt. Dit betekent dat als uw regelaar aan het verdwijnen is:

• 1 watt, het wordt 50°C
• .2 watt zal het tot 100°C opwarmen.

OPMERKING: Probeer tijdens de projectplanningsfase de benodigde stroom in te schatten en het spanningsverschil tot een minimum te beperken. De lineaire spanningsregelaar 78XX heeft bijvoorbeeld een spanningsval van 2 V (min. ingangsspanning is Vin = 5 + 2 = 7 V DC), waardoor u een voeding van 7, 5 of 9 V DC kunt gebruiken.

Efficiëntieberekening

In overweging nemend dat de uitgangsstroom gelijk is aan de ingangsstroom voor een lineaire regelaar, krijgen we een vereenvoudigde vergelijking:

Efficiëntie = Vout / Vin

Laten we bijvoorbeeld zeggen dat u 12 V op de ingang hebt en 5 V moet uitvoeren bij 1 A belastingsstroom, dan zou het rendement voor een lineaire regelaar slechts (5 V / 12 V) x 100% = 41% zijn. Dit betekent dat slechts 41% van het vermogen van de ingang wordt overgedragen aan de uitgang en het resterende vermogen als warmte verloren gaat!

Stap 3: 78XX lineaire regelaars

De 78XX-spanningsregelaars zijn 3-pins apparaten die verkrijgbaar zijn in een aantal verschillende pakketten, van grote vermogenstransistorpakketten (T220) tot kleine apparaten voor oppervlaktemontage, het is een positieve spanningsregelaar. De 79XX-serie zijn de equivalente negatieve spanningsregelaars.

De 78XX-reeks regelaars biedt vaste gereguleerde spanningen van 5 tot 24 V. De laatste twee cijfers van het IC-onderdeelnummer geven de uitgangsspanning van het apparaat aan. Dit betekent dat bijvoorbeeld een 7805 een positieve 5 volt regelaar is, een 7812 een positieve 12 volt regelaar.

Deze spanningsregelaars zijn eenvoudig - sluit L8705 en een paar elektrolytische condensatoren aan op de ingang en uitgang, en je bouwt een eenvoudige spanningsregelaar voor Arduino-projecten van 5 V.

De belangrijkste stap is om de gegevensbladen te controleren op de pin-outs en aanbevelingen van de fabrikant.

De 78XX (positieve) regelaars gebruiken de volgende pinouts:

1. INPUT-ongereguleerde DC-ingang Vin
2. REFERENTIE (GROND)
3. OUTPUT-gereguleerde DC-uitgang Vout

Een ding om op te merken over de TO-220-behuizingsversie van deze spanningsregelaars is dat de behuizing elektrisch is verbonden met de middelste pin (pin 2). Op de 78XX-serie betekent dit dat de behuizing geaard is.

Dit type lineaire regelaar heeft een uitvalspanning van 2 V, met als resultaat dat u bij een 5V-uitgang bij 1A minimaal 2,5 V DC-kopspanning moet hebben (d.w.z. 5V + 2,5V = 7,5V DC-ingang).

De aanbevelingen van de fabrikant voor de afvlakcondensatoren zijn CInput = 0,33 F en COoutput = 0,1 F, maar de algemene praktijk is 100 µF condensator op de ingang en de uitgang. Het is een goede oplossing voor het worstcasescenario en de condensatoren helpen om te gaan met plotselinge schommelingen en transiënten in het aanbod.

In het geval dat de voeding onder de drempel van 2 V komt, zullen de condensatoren de voeding stabiliseren om ervoor te zorgen dat dit niet gebeurt. Als uw project dergelijke transiënten niet heeft, kunt u werken met de aanbevelingen van de fabrikant.

Een eenvoudig lineair spanningsregelaarcircuit is slechts een L7805-spanningsregelaar en twee condensatoren, maar we kunnen dit circuit upgraden om een meer geavanceerde voeding te creëren met een bepaald niveau van bescherming en visuele indicatie.

Als u uw project wilt distribueren, raad ik u zeker aan om die paar extra componenten toe te voegen om toekomstige ongemakken met klanten te voorkomen.

Stap 4: Opgewaardeerd 7805-circuit

Eerst kunt u de schakelaar gebruiken om het circuit aan of uit te zetten.

Bovendien kunt u een diode (D1) plaatsen, in omgekeerde voorspanning geschakeld tussen de uitgang en ingang van de regelaar. Als er spoelen in de belasting zijn, of zelfs condensatoren, kan een verlies van ingang een sperspanning veroorzaken, die de regelaar kan vernietigen. De diode omzeilt dergelijke stromen.

Extra condensatoren fungeren als een soort eindfilter. Ze moeten een nominale spanning hebben voor de uitgangsspanning, maar ze moeten hoog genoeg zijn om bij de ingang te passen voor een kleine veiligheidsmarge (bijv. 16 25 V). Ze zijn echt afhankelijk van het type belasting dat u verwacht en kunnen worden weggelaten voor een pure DC-belasting, maar 100 uF voor C1 en C2 en 1 uF voor C4 (en C3) zou een goed begin zijn.

Bovendien kunt u de LED en de juiste stroombeperkende weerstand toevoegen om een indicatielampje te geven dat erg handig is voor het detecteren van stroomstoringen; wanneer het circuit wordt gevoed, zijn de LED-lampjes AAN, zoek anders naar fouten in uw circuit.

De meeste spanningsregelaars hebben een beveiligingscircuit dat chips beschermt tegen oververhitting en als het te heet wordt, verlaagt het de uitgangsspanning en beperkt daardoor de uitgangsstroom zodat het apparaat niet wordt vernietigd door de hitte. Spanningsregelaars in TO-220-pakketten hebben ook een montagegat voor de bevestiging van het koellichaam, en ik zal u aanraden dit zeker te gebruiken om een goed industrieel koellichaam te bevestigen.

Stap 5: Meer kracht van 78XX

De meeste 78XX-regelaars zijn beperkt tot een uitgangsstroom van 1 - 1,5 A. Als de uitgangsstroom van een IC-regelaar de maximaal toegestane limiet overschrijdt, zal de interne doorlaattransistor een hoeveelheid energie meer dissiperen dan hij kan verdragen, wat zal leiden tot naar de sluiting.

Voor toepassingen die meer dan de maximaal toegestane stroomlimiet van een regelaar vereisen, kan een externe doorlaattransistor worden gebruikt om de uitgangsstroom te verhogen. Figuur van FAIRCHILD Semiconductor illustreert een dergelijke configuratie. Dit circuit kan een hogere stroom (tot 10 A) naar de belasting produceren, maar behoudt nog steeds de thermische uitschakeling en kortsluitbeveiliging van de IC-regelaar.

BD536 vermogenstransistor wordt aanbevolen door de fabrikant.

Stap 6: LDO-spanningsregelaars

De L7805 is een zeer eenvoudig apparaat met een relatief hoge uitvalspanning.

Sommige lineaire spanningsregelaars, de zogenaamde low-dropout (LDO), hebben een veel kleinere dropout-spanning dan de 2V van de 7805. De LM2937 of LM2940CT-5.0 heeft bijvoorbeeld een dropout van 0,5V, hierdoor zal je voedingscircuit hebben een hoger rendement en u kunt het gebruiken in projecten met batterijvoeding.

Het minimale Vin-Vout-verschil dat een lineaire regelaar kan bedienen, wordt de uitvalspanning genoemd. Als het verschil tussen Vin en Vout onder de uitvalspanning komt, staat de regelaar in de uitvalmodus.

Low-dropout regelaars hebben een zeer klein verschil tussen de ingangs- en uitgangsspanning. Vooral het spanningsverschil van de LM2940CT-5.0 lineaire regelaars kan minder dan 0,5 volt bereiken voordat de apparaten "uitvallen". Bij normaal bedrijf moet de ingangsspanning 0,5 V hoger zijn dan de uitgang.

Die spanningsregelaars hebben dezelfde T220-vormfactor als L7805 met dezelfde lay-out - ingang aan de linkerkant, aarde in het midden en uitgang aan de rechterkant (van voren gezien). Hierdoor kun je dezelfde schakeling gebruiken. Aanbevelingen voor de fabricage van de condensatoren zijn CInput = 0,47 µF en COoutput = 22 µF.

Een groot nadeel is dat 'low-dropout'-regelaars duurder zijn (zelfs tot tien keer) in vergelijking met de 7805-serie.

Stap 7: Gereguleerde LM317-voeding

De LM317 is een positieve lineaire spanningsregelaar met een variabele uitgang, die een uitgangsstroom van meer dan 1,5 A kan leveren over een uitgangsspanningsbereik van 1,2-37 V.

. De eerste twee letters geven de voorkeuren van de fabrikant aan, zoals "LM", wat staat voor "lineair monolithisch". Het is een spanningsregelaar met een variabele output en dus erg handig in situaties waar je een afwijkende spanning nodig hebt. Het formaat 78xx is een positieve spanningsregelaar, of 79xx is een negatieve spanningsregelaar, waarbij "xx" de spanning van de apparaten vertegenwoordigt.

Het uitgangsspanningsbereik ligt tussen 1,2 V en 37 V en kan worden gebruikt om uw Raspberry Pi, Arduino of DC Motors Shield van stroom te voorzien. De LM3XX heeft hetzelfde ingangs-/uitgangsspanningsverschil als de 78XX - de ingang moet minimaal 2,5 V boven de uitgangsspanning zijn.

Net als bij de 78XX-reeks regelaars is de LM317 een driepolig apparaat. Maar de bedrading is iets anders.

Het belangrijkste om op te merken over de LM317-aansluiting zijn de twee weerstanden R1 en R2 die een referentiespanning aan de regelaar leveren; deze referentiespanning bepaalt de uitgangsspanning. U kunt deze weerstandswaarden als volgt berekenen:

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

IAdj is typisch 50 µA en verwaarloosbaar in de meeste toepassingen, en VREF is 1,25 V – minimale uitgangsspanning.

Als we IAdj verwaarlozen, kan onze vergelijking worden vereenvoudigd tot

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

Als we R1 240 Ω en R2 met 1 kΩ gebruiken, krijgen we een uitgangsspanning van Vout = 1,25 (1+0/240) = 1,25 V.

Wanneer we de potentiometerknop volledig in de andere richting draaien, krijgen we Vout = 1,25 (1+2000/240) = 11,6 V als uitgangsspanning.

Als u een hogere uitgangsspanning nodig heeft, moet u R1 vervangen door een weerstand van 100.

Circuit uitgelegd:

• R1 en R2 zijn nodig om de uitgangsspanning in te stellen. CAdj wordt aanbevolen om de afwijzing van rimpels te verbeteren. Het voorkomt versterking van de rimpel naarmate de uitgangsspanning hoger wordt ingesteld.
• C1 wordt aanbevolen, vooral als de regelaar zich niet in de buurt van de voedingsfiltercondensatoren bevindt. Een keramische of tantaalcondensator van 0,1 F of 1 F biedt voldoende bypass voor de meeste toepassingen, vooral wanneer afstel- en uitgangscondensatoren worden gebruikt.
• C2 verbetert de voorbijgaande respons, maar is niet nodig voor stabiliteit.
• Beveiligingsdiode D2 wordt aanbevolen als CAdj wordt gebruikt. De diode zorgt voor een ontladingspad met lage impedantie om te voorkomen dat de condensator zich ontlaadt in de uitgang van de regelaar.
• Beveiligingsdiode D1 wordt aanbevolen als C2 wordt gebruikt. De diode zorgt voor een ontladingspad met lage impedantie om te voorkomen dat de condensator zich ontlaadt in de uitgang van de regelaar.

Stap 8: Samenvatting

Lineaire regelaars zijn handig als:

• Het ingangs- naar uitgangsspanningsverschil is klein;
• Je hebt een lage belastingsstroom
• U hebt een extreem schone uitgangsspanning nodig
• U moet het ontwerp zo eenvoudig en goedkoop mogelijk houden.

Daarom zijn lineaire regelaars niet alleen gemakkelijker te gebruiken, maar bieden ze ook een veel schonere uitgangsspanning in vergelijking met schakelende regelaars, zonder rimpels, pieken of ruis van welk type dan ook. Samenvattend, tenzij de vermogensdissipatie te hoog is of u een step-up regelaar nodig hebt, is een lineaire regelaar uw beste optie.