آشنایی با تنظیم کننده های ولتاژ خطی: 8 مرحله

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:54

پنج سال پیش که برای اولین بار با Arduino و Raspberry Pi کار کردم ، زیاد به منبع تغذیه فکر نکردم ، در این زمان آداپتور برق رزبری پای و منبع USB آردوینو بیش از حد کافی بود.

اما بعد از مدتی کنجکاوی من مرا مجبور کرد تا روش های دیگر منبع تغذیه را در نظر بگیرم و پس از ایجاد پروژه های بیشتر مجبور شدم در مورد منابع مختلف و در صورت امکان قابل تنظیم منبع تغذیه DC ملاحظاتی انجام دهم.

به ویژه هنگامی که طراحی خود را به پایان می رسانید ، مطمئناً می خواهید نسخه دائمی تری از پروژه خود بسازید ، و برای این کار باید در نظر بگیرید که چگونه می توانید به آن نیرو دهید.

در این آموزش من توضیح خواهم داد که چگونه می توانید منبع تغذیه خطی خود را با تنظیم کننده های ولتاژ پرکاربرد و مقرون به صرفه (LM78XX ، LM3XX ، PSM-165 و غیره) ایجاد کنید. با عملکرد و نحوه اجرای آنها برای پروژه های خود آشنا خواهید شد.

مرحله 1: ملاحظات طراحی

سطوح مشترک ولتاژ

چندین سطح ولتاژ استاندارد وجود دارد که ممکن است طراحی شما به آنها نیاز داشته باشد:

• 3.3 ولت DC-این یک ولتاژ رایج است که توسط Raspberry PI و دستگاه های دیجیتال کم مصرف استفاده می شود.
• 5 ولت DC - این ولتاژ استاندارد TTL (Transistor Transistor Logic) است که توسط دستگاه های دیجیتال استفاده می شود.
• 12 ولت DC - برای موتورهای DC ، سروو و پله استفاده می شود.
• 24/48 ولت DC - به طور گسترده در پروژه های CNC و چاپ سه بعدی استفاده می شود.

شما باید در طراحی خود در نظر بگیرید که ولتاژهای سطح منطقی باید بسیار دقیق تنظیم شوند. به عنوان مثال برای دستگاه هایی با ولتاژ TTL ، ولتاژ منبع باید بین 4.75 تا 5.25 ولت باشد ، در غیر این صورت هرگونه انحراف ولتاژ باعث می شود که اجزای منطقی به درستی کار نکنند یا حتی اجزای شما را از بین ببرند.

بر خلاف دستگاه های سطح منطقی ، منبع تغذیه موتورها ، LED ها و سایر قطعات الکترونیکی می تواند در طیف وسیعی منحرف شود. علاوه بر این ، شما باید شرایط فعلی پروژه را در نظر بگیرید. به ویژه موتورها می توانند باعث ایجاد نوسان در جریان فعلی شوند و شما باید منبع تغذیه خود را طوری طراحی کنید تا در بدترین حالت که هر موتور با تمام توان کار می کند ، مناسب باشد.

شما باید از روش های متفاوتی برای تنظیم ولتاژ برای خطوط تغذیه شده و باتری استفاده کنید ، زیرا با تخلیه باتری سطح ولتاژ باتری متغیر است.

یکی دیگر از جنبه های مهم طراحی تنظیم کننده ولتاژ بهره وری است - به ویژه در پروژه های باتری ، باید تلفات توان را به حداقل برسانید.

توجه: در اکثر کشورها شخص بدون مجوز نمی تواند با ولتاژ بالای 50 ولت AC کار کند. هر اشتباهی که توسط هر فردی که با ولتاژ کشنده کار می کند انجام شود ، می تواند منجر به مرگ خود یا شخص دیگر شود. به همین دلیل من فقط منبع تغذیه DC را با سطح ولتاژ زیر 60 ولت DC توضیح خواهم داد.

مرحله 2: انواع تنظیم کننده های ولتاژ

دو نوع اصلی تنظیم کننده ولتاژ وجود دارد:

• تنظیم کننده های ولتاژ خطی که مقرون به صرفه ترین و ساده ترین استفاده هستند
• تنظیم کننده های ولتاژ سوئیچینگ که کارآمدتر از تنظیم کننده های ولتاژ خطی هستند ، اما گرانتر هستند و نیاز به طراحی مدار پیچیده تری دارند.

در این آموزش ما با تنظیم کننده های ولتاژ خطی کار خواهیم کرد.

ویژگی های الکتریکی تنظیم کننده های ولتاژ خطی

افت ولتاژ در تنظیم کننده خطی متناسب با توان اتلاف شده IC است ، یا به عبارت دیگر قدرت به دلیل اثر گرمایش از بین می رود.

برای اتلاف توان در تنظیم کننده های خطی از معادله زیر می توان استفاده کرد:

قدرت = (VInput - VOutput) x I

در صورتی که بار 1 A (افت ولتاژ 2 V برابر 1 A) را تحمیل کند ، تنظیم کننده خطی L7805 باید حداقل 2 وات را از بین ببرد.

با افزایش اختلاف ولتاژ بین ولتاژ ورودی و خروجی - اتلاف توان نیز افزایش می یابد. به عنوان مثال ، در حالی که یک منبع 7 ولت تنظیم شده به 5 ولت با 1 آمپر ، 2 وات را از طریق تنظیم کننده خطی از بین می برد ، یک منبع تغذیه 12 ولت تنظیم شده با 5 ولت که جریان مشابهی را تولید می کند ، 5 وات را از بین می برد ، و تنظیم کننده تنها 50 است کارآمد.

پارامتر مهم بعدی "مقاومت حرارتی" در واحد ° C/W (° C در وات) است.

این پارامتر نشان می دهد که درجات حرارت چیپ بالاتر از دمای هوای محیط است ، به ازای هر وات توان که باید پخش شود. به سادگی اتلاف توان محاسبه شده را در مقاومت حرارتی ضرب کنید و به شما نشان می دهد که تنظیم کننده خطی تحت آن مقدار قدرت چقدر گرم می شود:

قدرت x مقاومت حرارتی = دمای بالای محیط

به عنوان مثال ، تنظیم کننده 7805 دارای مقاومت حرارتی 50 درجه سانتی گراد / وات است. این بدان معناست که تنظیم کننده شما در حال از بین رفتن است:

• 1 وات ، 50 درجه سانتی گراد گرم می شود
• .2 وات 100 درجه سانتیگراد گرم می شود.

توجه: در مرحله برنامه ریزی پروژه سعی کنید جریان مورد نیاز را تخمین زده و اختلاف ولتاژ را به حداقل برسانید. به عنوان مثال تنظیم کننده ولتاژ خطی 78XX دارای افت ولتاژ 2 ولت (حداقل ولتاژ ورودی Vin = 5 + 2 = 7 V DC) است ، در نتیجه می توانید از منبع تغذیه 7 ، 5 یا 9 ولت DC استفاده کنید.

محاسبه کارایی

با توجه به اینکه جریان خروجی برابر با جریان ورودی برای تنظیم کننده خطی است ، ما معادله ساده شده را بدست می آوریم:

کارایی = Vout / Vin

به عنوان مثال ، فرض کنید شما 12 ولت در ورودی دارید و نیاز به خروجی 5 ولت در 1 آمپر جریان بار دارید ، بنابراین بازده برای تنظیم کننده خطی فقط (5 ولت / 12 ولت) 100 100 = = 41 درصد خواهد بود. این بدان معناست که فقط 41 درصد از توان ورودی به خروجی منتقل می شود و قدرت باقی مانده به عنوان گرما از بین می رود!

مرحله 3: تنظیم کننده های خطی 78XX

تنظیم کننده های ولتاژ 78XX دستگاه های 3 پینی هستند که در تعدادی بسته مختلف موجود هستند ، از بسته های ترانزیستور قدرت بزرگ (T220) گرفته تا دستگاه های کوچک روی سطح که تنظیم کننده ولتاژ مثبت هستند. سری 79XX تنظیم کننده های ولتاژ منفی معادل هستند.

سری تنظیم کننده های 78XX ولتاژهای تنظیم شده ثابت را از 5 تا 24 ولت فراهم می کند. دو رقم آخر شماره قسمت IC نشان دهنده ولتاژ خروجی دستگاه است. این بدان معناست که ، به عنوان مثال ، یک 7805 یک تنظیم کننده مثبت 5 ولت ، یک 7812 یک تنظیم کننده مثبت 12 ولت است.

این تنظیم کننده های ولتاژ مستقیماً رو به جلو هستند - L8705 و دو خازن الکترولیتی را در ورودی و خروجی متصل کرده و تنظیم کننده ساده ولتاژ را برای پروژه های 5 ولت آردوینو بسازید.

گام مهم این است که برگه های داده را برای پیین ها و توصیه های سازنده بررسی کنید.

تنظیم کننده های 78XX (مثبت) از پین های زیر استفاده می کنند:

1. ورودی DC غیرقابل تنظیم INPUT
2. رفرنس (زمین)
3. OUTPUT تنظیم خروجی DC Vout

نکته ای که در مورد مورد TO-220 این تنظیم کننده های ولتاژ باید به آن توجه کرد این است که کیس به صورت الکتریکی به پین مرکزی (پین 2) وصل شده است. در سری 78XX این بدان معناست که قاب دارای پایه است.

این نوع تنظیم کننده خطی دارای ولتاژ خروجی 2 ولت است ، در نتیجه با خروجی 5 ولت در 1 آمپر ، شما باید حداقل 2.5 ولتاژ سر DC DC (یعنی 5 ولت + 2.5 ولت = 7.5 ولت DC ورودی) داشته باشید.

توصیه های سازنده برای خازن های هموار CInput = 0.33 µF و COutput = 0.1 µF است ، اما در حالت کلی خازن 100 μF در ورودی و خروجی وجود دارد. این راه حل خوبی برای بدترین حالت است و خازن ها برای مقابله با نوسانات ناگهانی و گذرا در عرضه

در صورت پایین آمدن منبع تغذیه از آستانه 2 ولت ، خازن ها منبع را تثبیت می کنند تا اطمینان حاصل شود که این اتفاق نمی افتد. اگر پروژه شما چنین گذرا ندارد ، می توانید با توصیه های سازنده اجرا کنید.

مدار ساده تنظیم کننده ولتاژ خطی فقط تنظیم کننده ولتاژ L7805 و دو خازن است ، اما ما می توانیم این مدار را ارتقا دهیم تا منبع تغذیه پیشرفته تری با سطحی از حفاظت و نشانه های بصری ایجاد شود.

اگر می خواهید پروژه خود را توزیع کنید ، من قطعاً پیشنهاد می کنم آن چند جزء اضافی را اضافه کنید تا از ناراحتی های آینده مشتریان جلوگیری کنید.

مرحله 4: مدار 7805 را ارتقا دهید

ابتدا می توانید از کلید برای روشن یا خاموش کردن مدار استفاده کنید.

علاوه بر این ، می توانید یک دیود (D1) ، سیم کشی شده در جهت بایوس معکوس بین خروجی و ورودی تنظیم کننده قرار دهید. در صورت وجود سلف در بار یا حتی خازن ، از دست دادن ورودی می تواند باعث ایجاد ولتاژ معکوس شود که می تواند تنظیم کننده را از بین ببرد. دیود از چنین جریانهایی دور می زند.

خازن های اضافی به عنوان نوعی فیلتر نهایی عمل می کنند. آنها باید دارای ولتاژ برای ولتاژ خروجی باشند ، اما باید به اندازه ای بالا باشند که برای کمی حاشیه ایمنی (به عنوان مثال 16 25 ولت) مناسب ورودی باشد. آنها واقعاً به نوع بار مورد انتظار شما بستگی دارند و می توانند برای بار خالص DC کنار گذاشته شوند ، اما 100uF برای C1 و C2 و 1uF برای C4 (و C3) شروع خوبی خواهد بود.

علاوه بر این می توانید LED و مقاومت مناسب برای محدود کردن جریان را اضافه کنید تا یک چراغ نشانگر برای تشخیص خرابی منبع تغذیه بسیار مفید باشد. وقتی مدار تغذیه می شود چراغ های LED روشن هستند در غیر این صورت به دنبال خرابی در مدار خود باشید.

اکثر تنظیم کننده های ولتاژ دارای مدار محافظتی هستند که تراشه ها را از گرمای بیش از حد محافظت می کند و در صورت داغ شدن بیش از حد ، ولتاژ خروجی را کاهش می دهد و بنابراین جریان خروجی را محدود می کند تا دستگاه در اثر حرارت خراب نشود. تنظیم کننده های ولتاژ در بسته های TO-220 همچنین دارای سوراخ نصب برای اتصال هیت سینک هستند و من پیشنهاد می کنم که حتماً از آن برای اتصال یک هیت سینک صنعتی خوب استفاده کنید.

مرحله 5: قدرت بیشتر از 78XX

اکثر تنظیم کننده های 78XX به جریان خروجی 1 - 1.5 A. محدود می شوند اگر جریان خروجی یک تنظیم کننده IC بیش از حد مجاز خود باشد ، ترانزیستور عبور داخلی آن مقدار بیشتری از انرژی را تحمل می کند ، که منجر به به تعطیلی

برای برنامه هایی که بیش از حداکثر حد مجاز مجاز یک تنظیم کننده نیاز دارند ، می توان از یک ترانزیستور عبور خارجی برای افزایش جریان خروجی استفاده کرد. شکل FAIRCHILD Semiconductor چنین پیکربندی را نشان می دهد. این مدار این قابلیت را دارد که جریان بیشتری (تا 10 A) در بار ایجاد کند ، اما همچنان خاموش شدن حرارتی و حفاظت از اتصال کوتاه تنظیم کننده IC را حفظ می کند.

ترانزیستور قدرت BD536 توسط سازنده پیشنهاد شده است.

مرحله 6: تنظیم کننده های ولتاژ LDO

L7805 یک دستگاه بسیار ساده با ولتاژ خروج نسبی بالا است.

برخی از تنظیم کننده های ولتاژ خطی ، به اصطلاح کم افت (LDO) ، ولتاژ خروجی بسیار کوچکتری نسبت به 2V 7805 دارند. به عنوان مثال ، LM2937 یا LM2940CT-5.0 دارای افت 0.5V است ، در نتیجه مدار منبع تغذیه شما کارایی بالاتری دارند و می توانید از آن در پروژه هایی با منبع تغذیه باتری استفاده کنید.

حداقل دیفرانسیل Vin-Vout که یک تنظیم کننده خطی می تواند کار کند ولتاژ خروج نامیده می شود. اگر تفاوت بین Vin و Vout کمتر از ولتاژ خروج باشد ، تنظیم کننده در حالت ترک تحصیل است.

رگولاتورهای خروجی پایین بین ولتاژ ورودی و خروجی تفاوت بسیار کمی دارند. به خصوص تفاوت ولتاژ رگولاتورهای خطی LM2940CT-5.0 می تواند قبل از "افتادن" دستگاه ها به کمتر از 0.5 ولت برسد. برای عملکرد عادی ، ولتاژ ورودی باید 0.5 ولت بیشتر از خروجی باشد.

این تنظیم کننده های ولتاژ دارای فرم T220 مشابه L7805 با طرح مشابه هستند - ورودی در سمت چپ ، زمین در وسط و خروجی در سمت راست (هنگامی که از جلو مشاهده می شوید). در نتیجه می توانید از همان مدار استفاده کنید. توصیه های تولیدی برای خازن ها عبارتند از CInput = 0.47 µF و COutput = 22 µF.

یکی از اشکالات عمده این است که تنظیم کننده های "ترک تحصیل" گرانتر (حتی تا ده برابر) در مقایسه با سری 7805 هستند.

مرحله 7: منبع تغذیه LM317 تنظیم شده

LM317 یک تنظیم کننده ولتاژ خطی مثبت با خروجی متغیر است ، قادر به تأمین جریان خروجی بیش از 1.5 A در محدوده ولتاژ خروجی 1.2-37 ولت است.

به دو حرف اول نشان دهنده ترجیحات سازنده ، مانند "LM" ، مخفف "یکپارچه خطی" است. این یک تنظیم کننده ولتاژ با خروجی متغیر است و بنابراین در شرایطی که به ولتاژ غیر استاندارد نیاز دارید بسیار مفید است. فرمت 78xx یک تنظیم کننده ولتاژ مثبت است ، یا 79xx تنظیم کننده ولتاژ منفی هستند ، جایی که "xx" نشان دهنده ولتاژ دستگاه ها است.

محدوده ولتاژ خروجی بین 1.2 و 37 ولت است و می تواند برای تغذیه رزبری پای ، آردوینو یا DC Motors Shield شما استفاده شود. LM3XX دارای تفاوت ولتاژ ورودی/خروجی 78XX است - ورودی باید حداقل 2.5 ولت بالاتر از ولتاژ خروجی باشد.

مانند سری تنظیمات 78XX ، LM317 یک دستگاه سه پین است. اما سیم کشی کمی متفاوت است.

نکته اصلی در مورد اتصال LM317 دو مقاومت R1 و R2 است که ولتاژ مرجع را به تنظیم کننده ارائه می دهند. این ولتاژ مرجع ولتاژ خروجی را تعیین می کند. شما می توانید این مقادیر مقاومت را به صورت زیر محاسبه کنید:

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

IAdj معمولاً 50 میکرو آمپر است و در اکثر برنامه ها قابل اغماض است و VREF 1.25 ولت است - حداقل ولتاژ خروجی.

اگر از IAdj غافل شویم ، معادله ما می تواند ساده شود

Vout = 1.25 x (1 + R2/R1)

اگر از R1 240 Ω و R2 با 1 کیلو وات استفاده کنیم ، ولتاژ خروجی Vout = 1.25 (1+0/240) = 1.25 ولت دریافت می کنیم.

وقتی ما دکمه پتانسیومتر را بطور کامل در جهت دیگر بچرخانیم ، Vout = 1.25 (1+2000/240) = 11.6 ولت را به عنوان ولتاژ خروجی دریافت می کنیم.

اگر به ولتاژ خروجی بیشتری نیاز دارید ، باید R1 را با مقاومت 100 Ω جایگزین کنید.

مدار توضیح داد:

• R1 و R2 برای تنظیم ولتاژ خروجی مورد نیاز است. CAdj برای بهبود رد موج توصیه می شود. با ولتاژ خروجی بیشتر تنظیم می شود از تقویت موج جلوگیری می کند.
• C1 توصیه می شود ، به ویژه اگر تنظیم کننده در نزدیکی خازن های فیلتر منبع تغذیه نباشد. یک خازن سرامیکی یا تانتالیومی 0.1 µF یا 1 µF برای اکثر کاربردها ، به ویژه هنگامی که از خازن های تنظیم و خروجی استفاده می شود ، دور زدن کافی را فراهم می کند.
• C2 پاسخ گذرا را بهبود می بخشد ، اما برای ثبات مورد نیاز نیست.
• در صورت استفاده از CAdj دیود حفاظتی D2 توصیه می شود. دیود یک مسیر تخلیه کم امپدانس را برای جلوگیری از تخلیه خازن به خروجی تنظیم کننده فراهم می کند.
• در صورت استفاده از C2 دیود حفاظتی D1 توصیه می شود. دیود یک مسیر تخلیه امپدانس کم را برای جلوگیری از تخلیه خازن به خروجی تنظیم کننده فراهم می کند.

مرحله 8: خلاصه

تنظیم کننده های خطی در موارد زیر مفید هستند:

• ورودی دیفرانسیل ولتاژ خروجی کوچک است
• جریان کم بار دارید
• شما به ولتاژ خروجی بسیار تمیز نیاز دارید
• شما باید طرح را تا حد ممکن ساده و ارزان نگه دارید.

بنابراین ، نه تنها استفاده از تنظیم کننده های خطی آسان تر است ، بلکه ولتاژ خروجی بسیار تمیزتری در مقایسه با تنظیم کننده های سوئیچینگ ، بدون هیچ گونه امواج ، نوسانات و سر و صدا از هر نوع ارائه می دهد. به طور خلاصه ، مگر اینکه اتلاف توان بسیار زیاد باشد یا به تنظیم کننده تقویت کننده احتیاج نداشته باشید ، تنظیم کننده خطی بهترین گزینه شما خواهد بود.