Giới thiệu về bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính: 8 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:32

Năm năm trước, khi tôi mới bắt đầu với Arduino và Raspberry Pi, tôi không nghĩ nhiều về nguồn điện, lúc này bộ chuyển nguồn từ raspberry Pi và nguồn USB của Arduino là quá đủ.

Nhưng sau một thời gian, sự tò mò của tôi đã thúc đẩy tôi xem xét các phương pháp cung cấp điện khác, và sau khi tạo ra nhiều dự án hơn, tôi buộc phải cân nhắc về các nguồn điện DC khác nhau và nếu có thể có thể điều chỉnh được.

Đặc biệt là khi bạn hoàn thành thiết kế của mình, chắc chắn bạn sẽ muốn xây dựng một phiên bản lâu dài hơn cho dự án của mình, và vì vậy bạn sẽ cần phải xem xét cách tiếp tục cung cấp năng lượng cho nó.

Trong Hướng dẫn này, tôi sẽ giải thích cách bạn có thể tạo nguồn điện tuyến tính của riêng mình với IC điều chỉnh điện áp được sử dụng rộng rãi và giá cả phải chăng (LM78XX, LM3XX, PSM-165, v.v.). Bạn sẽ tìm hiểu về chức năng và cách triển khai của chúng cho các dự án của riêng bạn.

Bước 1: Cân nhắc thiết kế

Mức điện áp chung

Có một số mức điện áp tiêu chuẩn mà thiết kế của bạn có thể yêu cầu:

• 3.3 Volts DC - Đây là điện áp phổ biến được sử dụng bởi Raspberry PI và các thiết bị kỹ thuật số công suất thấp.
• 5 Volts DC - Đây là điện áp TTL (Transistor Logic) tiêu chuẩn được sử dụng bởi các thiết bị kỹ thuật số.
• 12 Volts DC – được sử dụng cho động cơ DC, servo và động cơ bước.
• 24/48 Volts DC - được sử dụng rộng rãi trong các dự án CNC và In 3D.

Bạn nên xem xét trong thiết kế của mình rằng điện áp mức logic cần được điều chỉnh rất chính xác. Ví dụ: đối với các thiết bị có điện áp TTL, điện áp cung cấp cần phải từ 4,75 đến 5,25 vôn, nếu không bất kỳ độ lệch điện áp nào sẽ khiến các thành phần logic ngừng hoạt động chính xác hoặc thậm chí phá hủy các thành phần của bạn.

Ngược lại với các thiết bị mức logic, nguồn điện cung cấp cho động cơ, đèn LED và các thành phần điện tử khác có thể sai lệch trong một phạm vi rộng. Ngoài ra, bạn phải xem xét các yêu cầu hiện tại của dự án. Đặc biệt là động cơ có thể làm cho dòng điện dao động và bạn cần thiết kế nguồn điện của mình để thích ứng với tình huống “xấu nhất” khi mọi động cơ hoạt động hết công suất.

Bạn phải sử dụng cách tiếp cận khác nhau để điều chỉnh điện áp cho các thiết kế đường dây cấp nguồn và cấp nguồn bằng pin, vì mức điện áp pin sẽ dao động khi pin phóng điện.

Một khía cạnh quan trọng khác của thiết kế bộ điều chỉnh điện áp là tính hiệu quả - đặc biệt là trong các dự án sử dụng pin, bạn phải giảm tổn thất điện năng đến mức thấp nhất.

LƯU Ý: Ở hầu hết các quốc gia, một người không thể làm việc hợp pháp với điện áp trên 50V AC mà không có giấy phép. Bất kỳ sai lầm nào của bất kỳ người nào làm việc với điện áp gây chết người đều có thể dẫn đến cái chết của chính họ hoặc của người khác. Vì lý do này, tôi sẽ chỉ giải thích cách xây dựng bộ nguồn DC với mức điện áp dưới 60 V DC.

Bước 2: Các loại bộ điều chỉnh điện áp

Có hai loại bộ điều chỉnh điện áp chính:

• bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính có giá cả phải chăng và dễ sử dụng nhất
• Bộ điều chỉnh điện áp chuyển mạch hiệu quả hơn bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính, nhưng đắt hơn và chúng yêu cầu thiết kế mạch phức tạp hơn.

Trong hướng dẫn này, chúng tôi sẽ làm việc với bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính.

Đặc tính điện của bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính

Sự sụt giảm điện áp trong bộ điều chỉnh tuyến tính tỷ lệ với công suất tiêu tán của vi mạch, hay nói cách khác là mất điện do hiệu ứng nhiệt.

Đối với sự tiêu tán công suất trong bộ điều chỉnh tuyến tính có thể sử dụng phương trình sau:

Công suất = (Đầu vào - VOutput) x I

Bộ điều chỉnh tuyến tính L7805 phải tiêu tán ít nhất 2 watt nếu nó cung cấp tải 1 A (điện áp 2 V lần sụt giảm 1 A).

Với sự gia tăng của sự chênh lệch điện áp giữa điện áp đầu vào và đầu ra - sự tiêu tán công suất cũng tăng theo. Có nghĩa là, ví dụ, trong khi nguồn 7 vôn được điều chỉnh thành 5 vôn phân phối 1 amp sẽ tiêu hao 2 watt thông qua bộ điều chỉnh tuyến tính, thì nguồn 12 V DC được điều chỉnh thành 5 vôn cung cấp cùng một dòng điện sẽ tiêu hao 5 watt, khiến bộ điều chỉnh chỉ còn 50%. Có hiệu quả.

Thông số quan trọng tiếp theo là “Nhiệt trở” tính bằng đơn vị ° C / W (° C trên Watt).

Thông số này cho biết số độ chip sẽ nóng lên trên nhiệt độ không khí xung quanh, trên mỗi watt điện mà nó phải tiêu tán. Chỉ cần nhân công suất tiêu tán được tính toán với Điện trở nhiệt và điều đó sẽ cho bạn biết bộ điều chỉnh tuyến tính đó sẽ nóng lên bao nhiêu dưới lượng công suất đó:

Công suất x Điện trở nhiệt = Nhiệt độ trên môi trường xung quanh

Ví dụ, một bộ điều chỉnh 7805 có Điện trở nhiệt là 50 ° C / Watt. Điều này có nghĩa là nếu bộ điều chỉnh của bạn đang tiêu hao:

• 1 watt, nó sẽ nóng lên 50 ° C
• .2 watt nó sẽ nóng lên 100 ° C.

LƯU Ý: Trong giai đoạn lập kế hoạch dự án, hãy cố gắng ước tính dòng điện cần thiết và giảm sự chênh lệch điện áp xuống mức tối thiểu. Ví dụ bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính 78XX có sụt áp 2 V (điện áp đầu vào tối thiểu là Vin = 5 + 2 = 7 V DC), kết quả là bạn có thể sử dụng nguồn điện 7, 5 hoặc 9 V DC.

Tính toán hiệu quả

Khi xem xét rằng dòng điện đầu ra bằng dòng điện đầu vào cho bộ điều chỉnh tuyến tính thì chúng ta sẽ nhận được phương trình đơn giản hóa:

Hiệu quả = Vout / Vin

Ví dụ: giả sử bạn có 12 V trên đầu vào và cần đầu ra 5 V ở 1 A của dòng tải, khi đó hiệu suất cho bộ điều chỉnh tuyến tính sẽ chỉ là (5 V / 12 V) x 100% = 41%. Điều này có nghĩa là chỉ có 41% điện năng từ đầu vào được chuyển đến đầu ra, và phần điện năng còn lại sẽ bị mất dưới dạng nhiệt!

Bước 3: Bộ điều chỉnh tuyến tính 78XX

Bộ điều chỉnh điện áp 78XX là thiết bị 3 chân có sẵn trong một số gói khác nhau, từ gói bóng bán dẫn công suất lớn (T220) đến các thiết bị gắn trên bề mặt nhỏ, nó là bộ điều chỉnh điện áp dương. Dòng 79XX là bộ điều chỉnh điện áp âm tương đương.

Dòng bộ điều chỉnh 78XX cung cấp điện áp quy định cố định từ 5 đến 24 V. Hai chữ số cuối của số bộ phận IC biểu thị điện áp đầu ra của thiết bị. Điều này có nghĩa là, ví dụ, một 7805 là một bộ điều chỉnh 5 volt tích cực, một 7812 là một bộ điều chỉnh 12 volt tích cực.

Các bộ điều chỉnh điện áp này là thẳng về phía trước - kết nối L8705 và một vài tụ điện qua đầu vào và đầu ra, và bạn xây dựng bộ điều chỉnh điện áp đơn giản cho các dự án Arduino 5 V.

Bước quan trọng là kiểm tra các bảng dữ liệu để biết các đầu ra và khuyến nghị của nhà sản xuất.

Bộ điều chỉnh 78XX (tích cực) sử dụng các sơ đồ chân sau:

1. Đầu vào DC không được kiểm soát INPUT Vin
2. THAM KHẢO (TỔNG KẾT)
3. Đầu ra DC được điều chỉnh OUTPUT Vout

Một điều cần lưu ý về phiên bản trường hợp TO-220 của các bộ điều chỉnh điện áp này là trường hợp được kết nối điện với chân trung tâm (chân 2). Trên dòng 78XX có nghĩa là trường hợp được nối đất.

Loại bộ điều chỉnh tuyến tính này có điện áp thả 2 V, do đó với đầu ra 5V ở 1A, bạn cần có điện áp đầu ít nhất 2,5 V DC (tức là đầu vào 5V + 2,5V = 7,5V DC).

Các khuyến nghị của nhà sản xuất cho các tụ điện làm mịn là CInput = 0,33 µF và COutput = 0,1 µF, nhưng thông lệ chung là tụ điện 100 µF trên đầu vào và đầu ra. Đó là một giải pháp tốt cho trường hợp xấu nhất và các tụ điện giúp đối phó với sự biến động đột ngột và quá độ trong nguồn cung cấp.

Trong trường hợp nguồn cung cấp giảm xuống dưới ngưỡng 2 V- các tụ điện sẽ ổn định nguồn cung cấp để đảm bảo rằng điều này không xảy ra. Nếu các dos dự án của bạn không có quá độ như vậy, thì bạn có thể chạy với các đề xuất của nhà sản xuất.

Mạch điều chỉnh điện áp tuyến tính đơn giản chỉ là bộ điều chỉnh điện áp L7805 và hai tụ điện, nhưng chúng ta có thể nâng cấp mạch này để tạo ra một số bộ nguồn cao cấp hơn với một số cấp độ bảo vệ và chỉ dẫn trực quan.

Nếu bạn muốn phân phối dự án của mình thì tôi chắc chắn sẽ đề xuất thêm một vài thành phần bổ sung đó để tránh sự bất tiện trong tương lai với khách hàng.

Bước 4: Mạch 7805 được nâng cấp

Đầu tiên, bạn có thể sử dụng công tắc để bật hoặc tắt nguồn mạch.

Ngoài ra, bạn có thể đặt một diode (D1), có dây phân cực ngược giữa đầu ra và đầu vào của bộ điều chỉnh. Nếu có các cuộn cảm trong tải, hoặc thậm chí các tụ điện, mất mát đầu vào có thể gây ra điện áp ngược, có thể phá hủy bộ điều chỉnh. Diode bỏ qua bất kỳ dòng điện nào như vậy.

Các tụ điện bổ sung hoạt động như một loại bộ lọc cuối cùng. Chúng phải được đánh giá điện áp cho điện áp đầu ra, nhưng phải đủ cao để phù hợp với đầu vào để có một biên độ an toàn nhỏ (ví dụ: 16 25 V). Chúng thực sự phụ thuộc vào loại tải bạn mong đợi và có thể được bỏ qua cho tải một chiều thuần túy, nhưng 100uF cho C1 và C2, và 1uF cho C4 (và C3) sẽ là một khởi đầu tốt.

Ngoài ra, bạn có thể thêm đèn LED và điện trở hạn chế dòng điện thích hợp để cung cấp đèn báo rất hữu ích để phát hiện sự cố nguồn điện; khi mạch được cấp nguồn, đèn LED BẬT nếu không, hãy tìm một số lỗi trong mạch của bạn.

Hầu hết các bộ điều chỉnh điện áp đều có mạch bảo vệ giúp bảo vệ chip khỏi quá nhiệt và nếu nó quá nóng, nó sẽ giảm điện áp đầu ra và do đó hạn chế dòng ra để thiết bị không bị phá hủy bởi nhiệt. Bộ điều chỉnh điện áp trong gói TO-220 cũng có một lỗ gắn kết cho phần đính kèm của bộ tản nhiệt, và tôi sẽ đề nghị rằng bạn chắc chắn nên sử dụng nó để gắn một bộ tản nhiệt công nghiệp tốt.

Bước 5: Thêm sức mạnh từ 78XX

Hầu hết các bộ điều chỉnh 78XX được giới hạn ở dòng điện đầu ra 1 - 1,5 A. Nếu dòng điện đầu ra của bộ điều chỉnh IC vượt quá giới hạn cho phép tối đa của nó, bóng bán dẫn thông qua bên trong của nó sẽ tiêu tán một lượng năng lượng lớn hơn mức nó có thể chịu đựng, điều này sẽ dẫn để tắt máy.

Đối với các ứng dụng yêu cầu nhiều hơn giới hạn dòng điện tối đa cho phép của bộ điều chỉnh, có thể sử dụng bóng bán dẫn thông qua bên ngoài để tăng dòng điện đầu ra. Hình từ FAIRCHILD Semiconductor minh họa một cấu hình như vậy. Mạch này có khả năng tạo ra dòng điện cao hơn (lên đến 10 A) cho tải nhưng vẫn bảo toàn tính năng ngắt nhiệt và bảo vệ ngắn mạch của IC điều chỉnh.

Bóng bán dẫn công suất BD536 được đề xuất bởi nhà sản xuất.

Bước 6: Bộ điều chỉnh điện áp LDO

L7805 là một thiết bị rất đơn giản với điện áp tương đối cao.

Một số bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính, còn được gọi là điện áp thả lỏng thấp (LDO), có điện áp thả lỏng nhỏ hơn nhiều so với 2V của 7805. Ví dụ: LM2937 hoặc LM2940CT-5.0 có điện áp thả 0,5V, do đó mạch cung cấp điện của bạn sẽ có hiệu suất cao hơn và bạn có thể sử dụng nó trong các dự án có nguồn cung cấp năng lượng từ pin.

Vi sai Vin-Vout tối thiểu mà một bộ điều chỉnh tuyến tính có thể hoạt động được gọi là điện áp rời. Nếu sự khác biệt giữa Vin và Vout giảm xuống dưới điện áp bỏ qua, thì bộ điều chỉnh đang ở chế độ bỏ qua.

Bộ điều chỉnh độ trễ thấp có sự khác biệt rất thấp giữa điện áp đầu vào và đầu ra. Đặc biệt là sự chênh lệch điện áp của bộ điều chỉnh tuyến tính LM2940CT-5.0 có thể đạt dưới 0,5 volt trước khi thiết bị "rớt mạng". Để hoạt động bình thường, điện áp đầu vào phải cao hơn đầu ra 0,5 V.

Những bộ điều chỉnh điện áp đó có cùng hệ số hình thức T220 như L7805 với cùng cách bố trí - đầu vào ở bên trái, nối đất ở giữa và đầu ra ở bên phải (khi nhìn từ phía trước). Kết quả là bạn có thể sử dụng cùng một mạch. Khuyến nghị của nhà sản xuất cho các tụ điện là CInput = 0,47 µF và COutput = 22 µF.

Một nhược điểm lớn là các bộ điều chỉnh “ít bỏ học” đắt hơn (thậm chí lên đến mười lần) so với dòng 7805.

Bước 7: Nguồn cung cấp LM317 được điều chỉnh

LM317 là bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính tích cực có đầu ra thay đổi, có khả năng cung cấp dòng điện đầu ra lớn hơn 1,5 A trên dải điện áp đầu ra 1,2–37 V.

. Hai chữ cái đầu tiên biểu thị sở thích của nhà sản xuất, chẳng hạn như "LM", viết tắt của "nguyên khối tuyến tính". Nó là một bộ điều chỉnh điện áp với một đầu ra thay đổi và vì vậy nó rất hữu ích trong những trường hợp bạn cần một điện áp không chuẩn. Định dạng 78xx là bộ điều chỉnh điện áp dương, hoặc 79xx là bộ điều chỉnh điện áp âm, trong đó “xx” đại diện cho điện áp của các thiết bị.

Phạm vi điện áp đầu ra là từ 1,2 V đến 37 V và có thể được sử dụng để cấp nguồn cho Raspberry Pi, Arduino hoặc DC Motors Shield của bạn. LM3XX có cùng chênh lệch điện áp đầu vào / đầu ra như 78XX - đầu vào phải cao hơn điện áp đầu ra ít nhất 2,5 V.

Như với loạt bộ điều chỉnh 78XX, LM317 là một thiết bị ba chân. Nhưng hệ thống dây hơi khác một chút.

Điều chính cần lưu ý về hookup LM317 là hai điện trở R1 và R2 cung cấp điện áp tham chiếu cho bộ điều chỉnh; điện áp tham chiếu này xác định điện áp đầu ra. Bạn có thể tính toán các giá trị điện trở này như sau:

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

IAdj thường là 50 µA và không đáng kể trong hầu hết các ứng dụng, và VREF là 1,25 V - điện áp đầu ra tối thiểu.

Nếu chúng ta bỏ qua IAdj thì phương trình của chúng ta có thể được đơn giản hóa thành

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

Nếu chúng ta sử dụng R1 240 Ω và R2 với 1 kΩ thì chúng ta sẽ nhận được điện áp đầu ra là Vout = 1,25 (1 + 0/240) = 1,25 V.

Khi chúng ta xoay núm chiết áp hoàn toàn theo hướng khác thì chúng ta sẽ nhận được Vout = 1,25 (1 + 2000/240) = 11,6 V làm điện áp đầu ra.

Nếu bạn cần điện áp đầu ra cao hơn thì bạn nên thay R1 bằng điện trở 100 Ω.

Mạch giải thích:

• R1 và R2 được yêu cầu để đặt điện áp đầu ra. CAdj được khuyến nghị để cải thiện việc từ chối gợn sóng. Nó ngăn cản sự khuếch đại của gợn sóng khi điện áp đầu ra được điều chỉnh cao hơn.
• C1 được khuyến nghị, đặc biệt nếu bộ điều chỉnh không ở gần tụ lọc nguồn cung cấp điện. Tụ điện bằng gốm hoặc tantali 0,1 µF hoặc 1 µF cung cấp khả năng bỏ qua đủ cho hầu hết các ứng dụng, đặc biệt khi sử dụng tụ điện điều chỉnh và đầu ra.
• C2 cải thiện phản ứng nhất thời, nhưng không cần thiết để ổn định.
• Diode bảo vệ D2 được khuyến nghị nếu sử dụng CAdj. Diode cung cấp một đường phóng điện trở kháng thấp để ngăn tụ điện phóng điện vào đầu ra của bộ điều chỉnh.
• Diode bảo vệ D1 được khuyến nghị nếu sử dụng C2. Diode cung cấp một đường phóng điện trở kháng thấp để ngăn tụ điện phóng điện vào đầu ra của bộ điều chỉnh.

Bước 8: Tóm tắt

Bộ điều chỉnh tuyến tính rất hữu ích nếu:

• Sự khác biệt điện áp đầu vào đầu ra là nhỏ
• Bạn có dòng tải thấp
• Bạn yêu cầu một điện áp đầu ra cực kỳ sạch sẽ
• Bạn cần giữ thiết kế đơn giản và rẻ nhất có thể.

Do đó, bộ điều chỉnh tuyến tính không chỉ dễ sử dụng hơn mà còn cung cấp điện áp đầu ra sạch hơn nhiều so với bộ điều chỉnh chuyển mạch, không có gợn sóng, đột biến hoặc nhiễu ở bất kỳ loại nào. Tóm lại, trừ khi công suất tiêu tán quá cao hoặc bạn yêu cầu bộ điều chỉnh bậc thang, bộ điều chỉnh tuyến tính sẽ là lựa chọn tốt nhất của bạn.