Einführung in lineare Spannungsregler - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:17

Als ich vor fünf Jahren mit dem Arduino und Raspberry Pi anfing, habe ich mir nicht allzu viele Gedanken über die Stromversorgung gemacht, zu dieser Zeit reichte das Netzteil von Raspberry Pi und die USB-Versorgung von Arduino mehr als aus.

Aber nach einiger Zeit drängte mich meine Neugier, andere Stromversorgungsmethoden in Betracht zu ziehen, und nachdem ich weitere Projekte erstellt hatte, war ich gezwungen, über andere und wenn möglich einstellbare Gleichstromquellen nachzudenken.

Vor allem, wenn Sie mit Ihrem Design fertig sind, möchten Sie auf jeden Fall eine dauerhaftere Version Ihres Projekts erstellen, und dafür müssen Sie überlegen, wie Sie es mit Strom versorgen können.

In diesem Tutorial erkläre ich Ihnen, wie Sie mit weit verbreiteten und kostengünstigen Spannungsreglern IC (LM78XX, LM3XX, PSM-165 etc.) Ihr eigenes lineares Netzteil erstellen können. Sie lernen deren Funktionsweise und Umsetzung für Ihre eigenen Projekte kennen.

Schritt 1: Designüberlegungen

Gemeinsame Spannungspegel

Es gibt mehrere Standardspannungspegel, die Ihr Design möglicherweise erfordert:

• 3,3 Volt DC – Dies ist eine übliche Spannung, die von Raspberry PI und digitalen Geräten mit geringer Leistung verwendet wird.
• 5 Volt DC – Dies ist die Standard-TTL-Spannung (Transistor-Transistor-Logik), die von digitalen Geräten verwendet wird.
• 12 Volt DC – wird für DC-, Servo- und Schrittmotoren verwendet.
• 24/48 Volt DC – weit verbreitet in CNC- und 3D-Druckprojekten.

Sie sollten bei Ihrem Design berücksichtigen, dass Spannungen auf Logikebene sehr genau geregelt werden müssen. Bei Geräten mit TTL-Spannung muss beispielsweise die Versorgungsspannung zwischen 4,75 und 5,25 Volt liegen, da sonst jede Spannungsabweichung dazu führt, dass die Logikkomponenten nicht mehr richtig funktionieren oder sogar Ihre Komponenten zerstören.

Im Gegensatz zu den Logikpegelgeräten kann die Stromversorgung der Motoren, LEDs und anderer elektronischer Komponenten in einem weiten Bereich abweichen. Zusätzlich müssen Sie die aktuellen Anforderungen des Projekts berücksichtigen. Insbesondere Motoren können zu Schwankungen in der Stromaufnahme führen und Sie müssen Ihre Stromversorgung so auslegen, dass sie den „Worst Case“-Situation Rechnung trägt, in der jeder Motor mit voller Leistung betrieben wird.

Sie müssen für die Spannungsregelung für netzbetriebene und batteriebetriebene Ausführungen unterschiedliche Ansätze verwenden, da die Batteriespannungspegel beim Entladen der Batterie schwanken.

Ein weiterer wichtiger Aspekt des Spannungsreglerdesigns ist die Effizienz – insbesondere bei batteriebetriebenen Projekten müssen Sie die Leistungsverluste auf ein Minimum reduzieren.

ACHTUNG: In den meisten Ländern darf eine Person ohne Lizenz nicht legal mit Spannungen über 50V AC arbeiten. Jeder Fehler einer Person, die mit lebensgefährlicher Spannung arbeitet, kann zum eigenen Tod oder zum Tod einer anderen Person führen. Aus diesem Grund werde ich nur DC-Netzteile mit Spannungspegel unter 60 V DC erklären.

Schritt 2: Arten von Spannungsreglern

Es gibt zwei Haupttypen von Spannungsreglern:

• lineare Spannungsregler, die am günstigsten und einfachsten zu verwenden sind
• Schaltspannungsregler, die effizienter als lineare Spannungsregler sind, aber teurer sind und ein komplexeres Schaltungsdesign erfordern.

In diesem Tutorial werden wir mit linearen Spannungsreglern arbeiten.

Elektrische Eigenschaften der linearen Spannungsregler

Der Spannungsabfall im Linearregler ist proportional zur Verlustleistung des ICs, d. h. durch die Erwärmung geht Leistung verloren.

Für die Verlustleistung in den Linearreglern kann folgende Gleichung verwendet werden:

Leistung = (VIEingabe – VAusgabe) x I

Der Linearregler L7805 muss mindestens 2 Watt abführen, wenn er 1 A Last liefern würde (2 V Spannungsabfall mal 1 A).

Mit zunehmender Spannungsdifferenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung steigt auch die Verlustleistung. Das heißt zum Beispiel, während eine 7-Volt-Quelle, die auf 5 Volt geregelt ist und 1 Ampere liefert, 2 Watt über den Linearregler verbrauchen würde, würde eine auf 5 Volt geregelte 12-V-DC-Quelle, die den gleichen Strom liefert, 5 Watt verbrauchen, wodurch der Regler nur 50 % effizient.

Der nächste wichtige Parameter ist der „Thermische Widerstand“in der Einheit °C/W (°C pro Watt).

Dieser Parameter gibt an, um wie viel Grad sich der Chip über die Umgebungstemperatur erwärmt, pro Watt Leistung, die er abführen muss. Multiplizieren Sie einfach die berechnete Verlustleistung mit dem thermischen Widerstand und das wird Ihnen sagen, wie stark sich dieser Linearregler unter dieser Leistung erwärmt:

Leistung x Wärmewiderstand = Temperatur über Umgebungstemperatur

Zum Beispiel hat ein 7805-Regler einen Wärmewiderstand von 50°C / Watt. Dies bedeutet, wenn Ihr Regler dissipiert:

• 1 Watt, es wird 50°C heiß
• 0,2 Watt erwärmt es sich auf 100 °C.

HINWEIS: Versuchen Sie während der Projektplanungsphase, den erforderlichen Strom abzuschätzen und die Spannungsdifferenz auf ein Minimum zu reduzieren. Zum Beispiel hat der lineare Spannungsregler 78XX einen Spannungsabfall von 2 V (min. Eingangsspannung ist Vin = 5 + 2 = 7 V DC), daher können Sie eine 7, 5 oder 9 V DC Stromversorgung verwenden.

Effizienzberechnung

Unter Berücksichtigung, dass der Ausgangsstrom bei einem Linearregler gleich dem Eingangsstrom ist, erhalten wir eine vereinfachte Gleichung:

Effizienz = Vout / Vin

Angenommen, Sie haben 12 V am Eingang und müssen 5 V bei 1 A Laststrom ausgeben, dann beträgt der Wirkungsgrad für einen Linearregler nur (5 V / 12 V) x 100 % = 41 %. Dies bedeutet, dass nur 41 % der Leistung vom Eingang auf den Ausgang übertragen wird und die restliche Leistung als Wärme verloren geht!

Schritt 3: 78XX Linearregler

Die 78XX-Spannungsregler sind 3-polige Geräte, die in einer Reihe von verschiedenen Gehäusen erhältlich sind, von großen Leistungstransistorgehäusen (T220) bis hin zu winzigen SMD-Geräten. Es handelt sich um positive Spannungsregler. Die 79XX-Serie sind die entsprechenden negativen Spannungsregler.

Die Regler der Serie 78XX bieten feste geregelte Spannungen von 5 bis 24 V. Die letzten beiden Ziffern der IC-Teilenummer bezeichnen die Ausgangsspannung des Geräts. Das heißt zum Beispiel, ein 7805 ist ein positiver 5-Volt-Regler, ein 7812 ein positiver 12-Volt-Regler.

Diese Spannungsregler sind unkompliziert – verbinden Sie L8705 und ein paar Elektrolytkondensatoren über den Eingang und Ausgang, und Sie bauen einen einfachen Spannungsregler für 5-V-Arduino-Projekte.

Der wichtige Schritt ist, die Datenblätter auf die Pinbelegung und Herstellerempfehlungen zu überprüfen.

Die Regler 78XX (positiv) verwenden die folgenden Pinbelegungen:

1. INPUT-ungeregelter DC-Eingang Vin
2. REFERENZ (ERDE)
3. OUTPUT -geregelter DC-Ausgang Vout

Bei der TO-220-Gehäuseversion dieser Spannungsregler ist zu beachten, dass das Gehäuse elektrisch mit dem mittleren Pin (Pin 2) verbunden ist. Bei der 78XX-Serie bedeutet dies, dass das Gehäuse geerdet ist.

Diese Art von Linearregler hat eine Dropout-Spannung von 2 V, daher benötigen Sie bei einem 5 V-Ausgang bei 1 A mindestens 2,5 V DC-Kopfspannung (d. h. 5 V + 2,5 V = 7,5 V DC-Eingang).

Die Herstellerempfehlungen für die Glättungskondensatoren sind CInput = 0,33 µF und COutput = 0,1 µF, aber die allgemeine Praxis ist 100 µF Kondensator am Eingang und am Ausgang Es ist eine gute Lösung für den schlimmsten Fall, und die Kondensatoren helfen, damit umzugehen plötzliche Schwankungen und Transienten in der Versorgung.

Falls die Versorgung unter die Schwelle von 2 V- fällt, stabilisieren die Kondensatoren die Versorgung, um sicherzustellen, dass dies nicht passiert. Wenn Ihr Projekt solche Transienten nicht hat, können Sie mit den Herstellerempfehlungen arbeiten.

Die einfache lineare Spannungsreglerschaltung besteht nur aus einem L7805-Spannungsregler und zwei Kondensatoren, aber wir können diese Schaltung aufrüsten, um eine fortschrittlichere Stromversorgung mit einem gewissen Schutzniveau und einer visuellen Anzeige zu schaffen.

Wenn Sie Ihr Projekt verteilen möchten, empfehle ich Ihnen auf jeden Fall, diese wenigen zusätzlichen Komponenten hinzuzufügen, um zukünftige Unannehmlichkeiten mit Kunden zu vermeiden.

Schritt 4: Aktualisierte 7805-Schaltung

Zuerst können Sie den Schalter verwenden, um den Stromkreis ein- oder auszuschalten.

Zusätzlich können Sie eine Diode (D1), die in Sperrrichtung verdrahtet ist, zwischen Ausgang und Eingang des Reglers platzieren. Bei Induktivitäten in der Last oder sogar Kondensatoren kann ein Verlust des Eingangs zu einer Rückspannung führen, die den Regler zerstören kann. Die Diode umgeht solche Ströme.

Zusätzliche Kondensatoren fungieren als eine Art Endfilter. Sie müssen für die Ausgangsspannung ausgelegt sein, sollten jedoch hoch genug sein, um dem Eingang für einen kleinen Sicherheitsspielraum zu entsprechen (z. B. 16 25 V). Sie hängen wirklich von der Art der erwarteten Last ab und können für eine reine DC-Last weggelassen werden, aber 100uF für C1 und C2 und 1uF für C4 (und C3) wären ein guter Anfang.

Zusätzlich können Sie die LED und einen geeigneten Strombegrenzungswiderstand hinzufügen, um eine Anzeigeleuchte bereitzustellen, die sehr nützlich für die Erkennung von Netzteilfehlern ist; Wenn der Stromkreis mit Strom versorgt wird, leuchten die LED-Leuchten. Andernfalls suchen Sie nach Fehlern in Ihrem Stromkreis.

Die meisten Spannungsregler verfügen über eine Schutzschaltung, die Chips vor Überhitzung schützt und bei zu starker Erwärmung die Ausgangsspannung absenkt und somit den Ausgangsstrom begrenzt, damit das Gerät nicht durch die Hitze zerstört wird. Spannungsregler in TO-220-Gehäusen haben auch ein Befestigungsloch für die Kühlkörperbefestigung, und ich werde vorschlagen, dass Sie es unbedingt verwenden sollten, um einen guten Industriekühlkörper zu befestigen.

Schritt 5: Mehr Leistung von 78XX

Die meisten der 78XX-Regler sind auf einen Ausgangsstrom von 1 - 1,5 A begrenzt. Wenn der Ausgangsstrom eines IC-Reglers seine maximal zulässige Grenze überschreitet, wird sein interner Durchgangstransistor mehr Energie abführen, als er tolerieren kann, was zu zur Abschaltung.

Für Anwendungen, die mehr als die maximal zulässige Stromgrenze eines Reglers erfordern, kann ein externer Durchgangstransistor verwendet werden, um den Ausgangsstrom zu erhöhen. Abbildung von FAIRCHILD Semiconductor veranschaulicht eine solche Konfiguration. Diese Schaltung kann einen höheren Strom (bis zu 10 A) an die Last liefern, aber dennoch die thermische Abschaltung und den Kurzschlussschutz des IC-Reglers beibehalten.

Der Leistungstransistor BD536 wird vom Hersteller empfohlen.

Schritt 6: LDO-Spannungsregler

Der L7805 ist ein sehr einfaches Gerät mit einer relativ hohen Dropout-Spannung.

Einige lineare Spannungsregler, sogenannte Low-Dropout (LDO), haben eine viel kleinere Dropout-Spannung als die 2V des 7805. Zum Beispiel hat der LM2937 oder LM2940CT-5.0 einen Dropout von 0,5V, daher wird Ihre Stromversorgungsschaltung haben eine höhere Effizienz und können in Projekten mit Batteriestromversorgung verwendet werden.

Die minimale Vin-Vout-Differenz, die ein Linearregler betreiben kann, wird als Dropout-Spannung bezeichnet. Sinkt die Differenz zwischen Vin und Vout unter die Dropout-Spannung, befindet sich der Regler im Dropout-Modus.

Low-Dropout-Regler haben eine sehr geringe Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung. Insbesondere die Spannungsdifferenz des Linearreglers LM2940CT-5.0 kann weniger als 0,5 Volt erreichen, bevor die Geräte „ausfallen“. Für den Normalbetrieb sollte die Eingangsspannung 0,5 V höher sein als die Ausgangsspannung.

Diese Spannungsregler haben den gleichen T220-Formfaktor wie L7805 mit dem gleichen Layout - Eingang links, Masse in der Mitte und Ausgang rechts (von vorne gesehen). Als Ergebnis können Sie die gleiche Schaltung verwenden. Herstellungsempfehlungen für die Kondensatoren sind CInput = 0,47 µF und COutput = 22 µF.

Ein großer Nachteil ist, dass „Low-Dropout“-Regler im Vergleich zur 7805-Serie teurer sind (sogar bis zu zehnmal).

Schritt 7: Geregeltes LM317 Netzteil

Der LM317 ist ein positiver linearer Spannungsregler mit variablem Ausgang, der einen Ausgangsstrom von mehr als 1,5 A über einen Ausgangsspannungsbereich von 1,2–37 V liefern kann.

. Die ersten beiden Buchstaben kennzeichnen die Präferenzen des Herstellers, etwa „LM“, was für „linear monolithisch“steht. Es ist ein Spannungsregler mit variablem Ausgang und daher sehr nützlich in Situationen, in denen Sie eine nicht standardmäßige Spannung benötigen. Das Format 78xx ist ein positiver Spannungsregler oder 79xx sind negative Spannungsregler, wobei „xx“die Spannung der Geräte darstellt.

Der Ausgangsspannungsbereich liegt zwischen 1,2 V und 37 V und kann zur Stromversorgung Ihres Raspberry Pi, Arduino oder DC Motors Shield verwendet werden. Der LM3XX hat die gleiche Eingangs-/Ausgangsspannungsdifferenz wie der 78XX – der Eingang muss mindestens 2,5 V über der Ausgangsspannung liegen.

Wie bei der 78XX-Serie von Reglern ist der LM317 ein dreipoliges Gerät. Aber die Verkabelung ist etwas anders.

Das Wichtigste beim Anschluss des LM317 sind die beiden Widerstände R1 und R2, die dem Regler eine Referenzspannung liefern; diese Referenzspannung bestimmt die Ausgangsspannung. Sie können diese Widerstandswerte wie folgt berechnen:

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

IAdj beträgt typischerweise 50 µA und ist in den meisten Anwendungen vernachlässigbar, und VREF beträgt 1,25 V – minimale Ausgangsspannung.

Wenn wir IAdj vernachlässigen, kann unsere Gleichung vereinfacht werden zu

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

Wenn wir R1 240 Ω und R2 mit 1 kΩ verwenden, erhalten wir eine Ausgangsspannung von Vout = 1,25(1+0/240) = 1,25 V.

Wenn wir den Potentiometerknopf vollständig in eine andere Richtung drehen, erhalten wir Vout = 1,25 (1 + 2000/240) = 11,6 V als Ausgangsspannung.

Wenn Sie eine höhere Ausgangsspannung benötigen, sollten Sie R1 durch einen 100--Widerstand ersetzen.

Schaltung erklärt:

• R1 und R2 werden benötigt, um die Ausgangsspannung einzustellen. CAdj wird empfohlen, um die Welligkeitsunterdrückung zu verbessern. Es verhindert eine Verstärkung der Welligkeit, wenn die Ausgangsspannung höher eingestellt wird.
• C1 wird empfohlen, insbesondere wenn sich der Regler nicht in unmittelbarer Nähe der Netzfilterkondensatoren befindet. Ein 0,1-µF- oder 1-µF-Keramik- oder Tantal-Kondensator bietet für die meisten Anwendungen ausreichend Bypass, insbesondere wenn Abgleich- und Ausgangskondensatoren verwendet werden.
• C2 verbessert das Einschwingverhalten, wird aber nicht für die Stabilität benötigt.
• Bei Verwendung von CAdj wird die Schutzdiode D2 empfohlen. Die Diode bietet einen Entladungspfad mit niedriger Impedanz, um zu verhindern, dass sich der Kondensator in den Ausgang des Reglers entlädt.
• Bei Verwendung von C2 wird die Schutzdiode D1 empfohlen. Die Diode bietet einen Entladungspfad mit niedriger Impedanz, um zu verhindern, dass sich der Kondensator in den Ausgang des Reglers entlädt.

Schritt 8: Zusammenfassung

Linearregler sind nützlich, wenn:

• Der Spannungsunterschied zwischen Eingang und Ausgang ist klein
• Sie haben einen geringen Laststrom
• Sie benötigen eine extrem saubere Ausgangsspannung
• Sie müssen das Design so einfach und billig wie möglich halten.

Daher sind Linearregler nicht nur einfacher zu verwenden, sondern bieten im Vergleich zu Schaltreglern auch eine viel sauberere Ausgangsspannung ohne Welligkeit, Spitzen oder Rauschen jeglicher Art. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein Linearregler die beste Option ist, es sei denn, die Verlustleistung ist zu hoch oder Sie benötigen einen Aufwärtsregler.