Lineer Voltaj Regülatörlerine Giriş: 8 Adım

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:18

Beş yıl önce Arduino ve Raspberry Pi ile ilk başladığımda güç kaynağı hakkında çok fazla düşünmedim, bu sefer raspberry Pi'den gelen güç adaptörü ve Arduino'nun USB kaynağı fazlasıyla yeterliydi.

Ancak bir süre sonra merakım beni diğer güç kaynağı yöntemlerini düşünmeye itti ve daha fazla proje ürettikten sonra farklı ve mümkünse ayarlanabilir DC güç kaynakları hakkında değerlendirmeler yapmak zorunda kaldım.

Özellikle tasarımınızı bitirdiğinizde kesinlikle projenizin daha kalıcı bir versiyonunu oluşturmak isteyeceksiniz ve bunun için ona nasıl güç sağlayacağınızı düşünmeniz gerekecek.

Bu Eğitimde, yaygın olarak kullanılan ve uygun fiyatlı voltaj regülatörleri IC (LM78XX, LM3XX, PSM-165 vb.) ile kendi lineer güç kaynağınızı nasıl oluşturabileceğinizi açıklayacağım. Kendi projeleriniz için işlevleri ve uygulamaları hakkında bilgi edineceksiniz.

Adım 1: Tasarım Konuları

Ortak Gerilim Seviyeleri

Tasarımınızın gerektirebileceği birkaç standart voltaj seviyesi vardır:

• 3,3 Volt DC – Bu, Raspberry PI ve düşük güçlü dijital cihazlar tarafından kullanılan ortak bir voltajdır.
• 5 Volt DC – Bu, dijital cihazlar tarafından kullanılan standart TTL (Transistör Transistör Mantığı) voltajıdır.
• 12 Volt DC – DC, servo ve step motorlar için kullanılır.
• 24/48 Volt DC – CNC ve 3D Baskı projelerinde yaygın olarak kullanılır.

Mantıksal seviye voltajlarının çok hassas bir şekilde düzenlenmesi gerektiğini tasarımınızda göz önünde bulundurmalısınız. Örneğin, TTL voltajına sahip cihazlar için besleme voltajının 4,75 ile 5,25 volt arasında olması gerekir, aksi takdirde herhangi bir voltaj sapması, mantık bileşenlerinin düzgün çalışmamasına ve hatta bileşenlerinizin bozulmasına neden olur.

Lojik seviye cihazların aksine, motorlar, LED'ler ve diğer elektronik bileşenler için güç kaynağı geniş bir aralıkta sapma gösterebilir. Ek olarak, projenin mevcut gereksinimlerini de göz önünde bulundurmalısınız. Özellikle motorlar, akım çekişinin dalgalanmasına neden olabilir ve güç kaynağınızı, her motorun tam kapasitede çalıştırıldığı “en kötü durum” durumuna uyum sağlayacak şekilde tasarlamanız gerekir.

Şebekeden beslenen ve akülü tasarımlar için voltaj regülasyonu için farklı bir yaklaşım kullanmanız gerekir, çünkü akü boşaldıkça akü voltaj seviyeleri dalgalanacaktır.

Voltaj regülatör tasarımının bir diğer önemli yönü de verimliliktir – özellikle akülü projelerde güç kayıplarını minimuma indirmelisiniz.

DİKKAT: Çoğu ülkede, bir kişi lisanssız olarak 50V AC'nin üzerindeki voltajlarla yasal olarak çalışamaz. Ölümcül voltajla çalışan herhangi bir kişinin yaptığı herhangi bir hata, kendisinin veya başka birinin ölümüne yol açabilir. Bu nedenle sadece voltaj seviyesi 60 V DC'nin altında olan DC güç kaynağı yapımını anlatacağım.

Adım 2: Voltaj Regülatör Tipleri

İki ana voltaj regülatörü türü vardır:

• en uygun fiyatlı ve kullanımı basit lineer voltaj regülatörleri
• lineer voltaj regülatörlerinden daha verimli, ancak daha pahalı olan ve daha karmaşık bir devre tasarımı gerektiren anahtarlama voltaj regülatörleri.

Bu dersimizde lineer voltaj regülatörleri ile çalışacağız.

Lineer voltaj regülatörlerinin elektriksel özellikleri

Lineer regülatördeki voltaj düşüşü, IC'nin dağılan gücü ile orantılıdır veya diğer bir deyişle, ısıtma etkisi nedeniyle güç kayıpları.

Lineer regülatörlerdeki güç kaybı için aşağıdaki denklem kullanılabilir:

Güç = (VIGiriş – VÇıkış) x I

L7805 lineer regülatör, 1 A yük (2 V voltaj düşüşü çarpı 1 A) verecekse en az 2 watt dağıtmalıdır.

Giriş ve çıkış voltajı arasındaki voltaj farkının artmasıyla güç kaybı da artar. Yani, örneğin, 1 amper sağlayan 5 volta ayarlanan 7 voltluk bir kaynak lineer regülatör aracılığıyla 2 watt dağıtırken, aynı akımı sağlayan 5 volta ayarlanan bir 12 V DC kaynağı 5 watt dağıtarak regülatörü yalnızca %50 yapar verimli.

Bir sonraki önemli parametre, °C/W (°C/Watt) birimlerindeki “Termal Direnç”tir.

Bu parametre, dağıtması gereken her bir watt güç başına, çipin ortam hava sıcaklığının üzerinde kaç derece ısınacağını gösterir. Basitçe hesaplanan güç tüketimini Termal Direnç ile çarpın ve bu size lineer regülatörün bu güç miktarı altında ne kadar ısınacağını söyleyecektir:

Güç x Termal Direnç = Ortamın Üzerindeki Sıcaklık

Örneğin bir 7805 regülatör, 50°C / Watt'lık bir Termal Direnç'e sahiptir. Bunun anlamı, regülatörünüz dağılıyorsa:

• 1 watt, 50°C'ye kadar ısınır
• .2 watt 100°C'ye kadar ısınır.

NOT: Projelendirme aşamasında gerekli akımı tahmin etmeye ve gerilim farkını minimuma indirmeye çalışın. Örneğin 78XX lineer voltaj regülatörü 2 V voltaj düşüşüne sahiptir (min. giriş voltajı Vin = 5 + 2 = 7 V DC'dir), bunun sonucunda 7, 5 veya 9 V DC güç kaynağı kullanabilirsiniz.

Verimlilik hesaplaması

Doğrusal bir regülatör için çıkış akımının giriş akımına eşit olduğu göz önüne alındığında, basitleştirilmiş denklem elde edeceğiz:

Verimlilik = Vout / Vin

Örneğin, girişinizde 12 V olduğunu ve 1 A yük akımında 5 V çıkış vermeniz gerektiğini varsayalım, bu durumda doğrusal bir regülatörün verimliliği yalnızca (5 V / 12 V) x %100 = %41 olacaktır. Bu, girişten gelen gücün sadece %41'inin çıkışa aktarıldığı ve kalan gücün ısı olarak kaybolacağı anlamına gelir!

Adım 3: 78XX Lineer Regülatörler

78XX voltaj regülatörleri, büyük güç transistör paketlerinden (T220) küçük yüzeye monte cihazlara kadar bir dizi farklı pakette bulunan 3 pinli cihazlardır, pozitif voltaj regülatörleridir. 79XX serisi, eşdeğer negatif voltaj regülatörleridir.

78XX serisi regülatörler, 5 ila 24 V arasında sabit regüle edilmiş voltajlar sağlar. IC parça numarasının son iki hanesi cihazın çıkış voltajını gösterir. Bu, örneğin 7805'in pozitif 5 voltluk bir regülatör, 7812'nin ise pozitif 12 voltluk bir regülatör olduğu anlamına gelir.

Bu voltaj regülatörleri basittir - giriş ve çıkış arasında L8705 ve birkaç elektrolitik kapasitör bağlayın ve 5 V Arduino projeleri için basit voltaj regülatörü oluşturun.

Önemli adım, pin çıkışları ve üretici tavsiyeleri için veri sayfalarını kontrol etmektir.

78XX (pozitif) düzenleyiciler aşağıdaki pin çıkışlarını kullanır:

1. GİRİŞ-düzensiz DC girişi Vin
2. REFERANS (ZEMİN)
3. ÇIKIŞ ayarlı DC çıkış Vout

Bu voltaj regülatörlerinin TO-220 kasa versiyonu ile ilgili dikkat edilmesi gereken bir nokta, kasanın merkez pime (pim 2) elektriksel olarak bağlı olmasıdır. 78XX serisinde bu, kasanın topraklandığı anlamına gelir.

Bu tip lineer regülatör 2 V bırakma voltajına sahiptir, sonuç olarak 1A'da 5V çıkış olması durumunda en az 2.5 V DC kafa voltajına (yani 5V + 2.5V = 7.5V DC giriş) sahip olmanız gerekir.

Yumuşatma kapasitörleri için üretici önerileri CInput = 0.33 µF ve COOutput = 0.1 µF'dir, ancak genel uygulama giriş ve çıkışta 100 µF kapasitördür En kötü durum senaryosu için iyi bir çözümdür ve kapasitörler başa çıkmaya yardımcı olur arzdaki ani dalgalanmalar ve geçici durumlar.

Beslemenin 2 V eşiğinin altına düşmesi durumunda, kapasitörler bunun olmamasını sağlamak için beslemeyi dengeleyecektir. Projenizde böyle bir geçiş yoksa üretici tavsiyeleri ile çalıştırabilirsiniz.

Basit lineer voltaj regülatör devresi sadece L7805 voltaj regülatörü ve iki kapasitördür, ancak bir miktar koruma ve görsel gösterge ile biraz daha gelişmiş güç kaynağı oluşturmak için bu devreyi yükseltebiliriz.

Projenizi dağıtmak istiyorsanız, gelecekte müşterilerinizi rahatsız etmemek için bu birkaç ek bileşeni eklemenizi kesinlikle önereceğim.

Adım 4: Yükseltilmiş 7805 Devresi

İlk önce devreyi açmak veya kapatmak için anahtarı kullanabilirsiniz.

Ek olarak, regülatörün çıkışı ve girişi arasına ters öngerilimli kablolanmış bir diyot (D1) yerleştirebilirsiniz. Yükte indüktörler veya hatta kapasitörler varsa, giriş kaybı, regülatörü tahrip edebilecek ters voltaja neden olabilir. Diyot, bu tür akımları atlar.

Ek kapasitörler bir tür son filtre görevi görür. Çıkış voltajı için voltaj değeri olmalıdırlar, ancak küçük bir güvenlik payı için (örneğin 16 25 V) girişe uyacak kadar yüksek olmalıdırlar. Gerçekten beklediğiniz yük türüne bağlıdırlar ve saf DC yükü için dışarıda bırakılabilirler, ancak C1 ve C2 için 100uF ve C4 (ve C3) için 1uF iyi bir başlangıç olacaktır.

Ek olarak, güç kaynağı arızası tespiti için çok yararlı olan bir gösterge ışığı sağlamak için LED ve uygun akım sınırlayıcı direnç ekleyebilirsiniz; devreye güç verildiğinde LED ışıkları AÇIK, aksi takdirde devrenizde bazı arızalar olup olmadığına bakın.

Çoğu voltaj regülatörü, yongaları aşırı ısınmadan koruyan koruma devresine sahiptir ve çok ısınırsa, çıkış voltajını düşürür ve bu nedenle çıkış akımını, cihazın ısı tarafından tahrip edilmemesi için sınırlar. TO-220 paketlerinde bulunan voltaj regülatörlerinde ayrıca soğutucu eklentisi için bir montaj deliği bulunur, iyi bir endüstriyel soğutucu takmak için mutlaka kullanmanızı tavsiye edeceğim.

Adım 5: 78XX'ten Daha Fazla Güç

78XX regülatörlerinin çoğu 1 - 1.5 A çıkış akımı ile sınırlıdır. Bir IC regülatörünün çıkış akımı izin verilen maksimum limiti aşarsa, dahili geçiş transistörü tolere edebileceğinden daha fazla enerji harcar ve bu da kapatmaya.

Bir regülatörün izin verilen maksimum akım sınırından fazlasını gerektiren uygulamalar için, çıkış akımını artırmak için harici bir geçiş transistörü kullanılabilir. FAIRCHILD Semiconductor'dan alınan şekil, böyle bir konfigürasyonu göstermektedir. Bu devre, yüke daha yüksek akım (10 A'ya kadar) üretme yeteneğine sahiptir, ancak yine de IC regülatörünün termal kapatmasını ve kısa devre korumasını korur.

BD536 güç transistörü üretici tarafından önerilmektedir.

Adım 6: LDO Voltaj Regülatörleri

L7805, göreceli olarak yüksek bırakma voltajına sahip çok basit bir cihazdır.

Low-dropout (LDO) olarak adlandırılan bazı lineer voltaj regülatörleri, 7805'in 2V değerinden çok daha küçük bir bırakma voltajına sahiptir. Örneğin, LM2937 veya LM2940CT-5.0, 0,5V'luk bir düşüşe sahiptir, bunun sonucunda güç kaynağı devreniz verimi daha yüksektir ve pil güç kaynağı olan projelerde kullanabilirsiniz.

Doğrusal bir regülatörün çalıştırabileceği minimum Vin-Vout diferansiyeline bırakma voltajı denir. Vin ve Vout arasındaki fark, bırakma voltajının altına düşerse, regülatör bırakma modundadır.

Düşük bırakmalı regülatörler, giriş ve çıkış voltajı arasında çok düşük bir farka sahiptir. Özellikle LM2940CT-5.0 lineer regülatörlerin voltaj farkı, cihazlar "düşmeden" önce 0,5 voltun altına düşebilir. Normal çalışma için giriş voltajı çıkıştan 0,5 V daha yüksek olmalıdır.

Bu voltaj regülatörleri, aynı yerleşim düzenine sahip L7805 ile aynı T220 form faktörüne sahiptir - giriş solda, zemin ortada ve çıkış sağda (önden bakıldığında). Sonuç olarak aynı devreyi kullanabilirsiniz. Kondansatörler için üretim önerileri CInput = 0.47 µF ve COOutput = 22 µF'dir.

En büyük dezavantajlardan biri, "düşük bırakmalı" düzenleyicilerin 7805 serisine kıyasla daha pahalı (hatta on kata kadar) olmasıdır.

Adım 7: Düzenlenmiş LM317 Güç Kaynağı

LM317, değişken çıkışlı pozitif bir lineer voltaj regülatörüdür ve 1,2–37 V çıkış voltajı aralığında 1,5 A'den fazla çıkış akımı sağlama kapasitesine sahiptir.

. İlk iki harf, üreticinin tercihlerini belirtir, örneğin "Lineer monolitik" anlamına gelen "LM". Değişken çıkışlı bir voltaj regülatörüdür ve bu nedenle standart dışı bir voltaja ihtiyaç duyduğunuz durumlarda çok kullanışlıdır. 78xx formatı pozitif voltaj regülatörleridir veya 79xx negatif voltaj regülatörleridir, burada "xx" cihazların voltajını temsil eder.

Çıkış voltajı aralığı 1,2 V ile 37 V arasındadır ve Raspberry Pi, Arduino veya DC Motors Shield'inize güç sağlamak için kullanılabilir. LM3XX, 78XX ile aynı giriş/çıkış voltajı farkına sahiptir – giriş, çıkış voltajının en az 2,5 V üzerinde olmalıdır.

78XX serisi regülatörlerde olduğu gibi LM317 de üç pinli bir cihazdır. Ancak kablolama biraz farklı.

LM317 bağlantısı hakkında dikkat edilmesi gereken en önemli şey, regülatöre referans voltajı sağlayan iki direnç R1 ve R2'dir; bu referans voltajı çıkış voltajını belirler. Bu direnç değerlerini aşağıdaki gibi hesaplayabilirsiniz:

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

IAdj tipik olarak 50 µA'dır ve çoğu uygulamada ihmal edilebilir ve VREF 1,25 V - minimum çıkış voltajıdır.

IAdj'yi ihmal edersek, denklemimiz şu şekilde basitleştirilebilir:

Vout = 1.25 x (1 + R2/R1)

R1 240 Ω ve R2'yi 1 kΩ ile kullanırsak, Vout = 1.25(1+0/240) = 1.25 V çıkış voltajı elde ederiz.

Potansiyometre düğmesini tam olarak diğer yöne çevirdiğimizde, çıkış voltajı olarak Vout = 1.25(1+2000/240) = 11,6 V elde edeceğiz.

Daha yüksek çıkış voltajına ihtiyacınız varsa, R1'i 100 Ω dirençle değiştirmelisiniz.

Devre açıkladı:

• Çıkış voltajını ayarlamak için R1 ve R2 gereklidir. Dalgalanma reddini iyileştirmek için CAdj önerilir. Çıkış voltajı daha yüksek ayarlandığından dalgalanmanın amplifikasyonunu önler.
• Özellikle regülatör güç kaynağı filtre kapasitörlerine yakın değilse C1 önerilir. 0.1-µF veya 1-µF seramik veya tantal kapasitör, özellikle ayarlama ve çıkış kapasitörleri kullanıldığında çoğu uygulama için yeterli bypass sağlar.
• C2, geçici yanıtı iyileştirir, ancak kararlılık için gerekli değildir.
• CAdj kullanılıyorsa koruma diyotu D2 önerilir. Diyot, kapasitörün regülatörün çıkışına boşalmasını önlemek için düşük empedanslı bir deşarj yolu sağlar.
• C2 kullanılıyorsa koruma diyotu D1 önerilir. Diyot, kapasitörün regülatörün çıkışına boşalmasını önlemek için düşük empedanslı bir deşarj yolu sağlar.

8. Adım: Özet

Doğrusal düzenleyiciler aşağıdaki durumlarda yararlıdır:

• Çıkış voltajı diferansiyeline giriş küçük
• Düşük yük akımınız var
• Son derece temiz bir çıkış voltajına ihtiyacınız var
• Tasarımı olabildiğince basit ve ucuz tutmalısınız.

Bu nedenle, lineer regülatörlerin kullanımı sadece daha kolay olmakla kalmaz, aynı zamanda herhangi bir dalgalanma, ani yükselme veya herhangi bir gürültü olmaksızın anahtarlamalı regülatörlere kıyasla çok daha temiz bir çıkış voltajı sağlarlar. Özetle, güç kaybı çok yüksek değilse veya bir yükseltici regülatöre ihtiyacınız yoksa, lineer bir regülatör en iyi seçeneğiniz olacaktır.