Шугаман хүчдэлийн зохицуулагчийн танилцуулга: 8 алхам

2024 Зохиолч: John Day | [email protected]. Хамгийн сүүлд өөрчлөгдсөн: 2024-01-30 11:02

Таван жилийн өмнө би Arduino болон Raspberry Pi -ийг анх ашиглаж байхдаа цахилгаан хангамжийн талаар тийм ч их боддоггүй байсан бол энэ үед бөөрөлзгөнө Pi -ийн цахилгаан адаптер, Arduino -ийн USB хангамж хангалттай байсан.

Гэвч хэсэг хугацааны дараа миний сониуч зан намайг цахилгаан хангамжийн бусад аргуудыг авч үзэхэд хүргэж, илүү олон төсөл боловсруулсны дараа би өөр өөр, боломжтой бол тогтмол гүйдлийн тэжээлийн эх үүсвэрийн талаар бодох шаардлагатай болсон.

Ялангуяа дизайныг дуусгасны дараа та төслийнхөө илүү байнгын хувилбарыг бүтээхийг хүсч байгаа бөгөөд үүний тулд түүнийг хэрхэн эрчим хүчээр хангах талаар бодох хэрэгтэй болно.

Энэхүү гарын авлагад би IC (LM78XX, LM3XX, PSM-165 гэх мэт) хүчдэлийн тогтворжуулагчийг ашиглан өөрийн шугаман цахилгаан хангамжийг хэрхэн бий болгох талаар тайлбарлах болно. Та тэдний өөрийн төсөлд хэрэгжүүлэх боломж, хэрэгжилтийн талаар олж мэдэх болно.

Алхам 1: Дизайн анхаарах зүйлс

Нийтлэг хүчдэлийн түвшин

Таны дизайнд шаардагдах хэд хэдэн стандарт хүчдэлийн түвшин байдаг:

• 3.3 вольтын DC-Энэ нь Raspberry PI болон бага чадалтай дижитал төхөөрөмжүүдийн ашигладаг нийтлэг хүчдэл юм.
• 5 вольтын DC - Энэ бол дижитал төхөөрөмжид ашигладаг стандарт TTL (Transistor Transistor Logic) хүчдэл юм.
• 12 вольтын DC - DC, servo болон stepper моторуудад ашиглагддаг.
• 24/48 вольтын DC - CNC болон 3D хэвлэх төслүүдэд өргөн хэрэглэгддэг.

Логик түвшний хүчдэлийг маш нарийн зохицуулах шаардлагатай гэдгийг та дизайндаа анхаарч үзэх хэрэгтэй. Жишээлбэл, TTL хүчдэлтэй төхөөрөмжүүдийн хувьд тэжээлийн хүчдэл нь 4.75 -аас 5.25 вольтын хооронд байх ёстой, эс тэгвээс хүчдэлийн аливаа хазайлт нь логик бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг зөв ажиллахаа больж, бүр бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг тань устгахад хүргэдэг.

Логик түвшний төхөөрөмжүүдээс ялгаатай нь мотор, LED болон бусад электрон эд ангиудын цахилгаан хангамж нь өргөн хүрээнд хазайдаг. Үүнээс гадна та төслийн одоогийн шаардлагыг анхаарч үзэх хэрэгтэй. Ялангуяа мотор нь одоогийн таталтын хэлбэлзлийг өдөөж болох бөгөөд та мотор бүрийг бүрэн хүчин чадлаар нь ажиллуулах "хамгийн муу" нөхцөл байдалд тохируулан цахилгаан хангамжаа төлөвлөх хэрэгтэй.

Батерейг цэнэглэх үед батерейны хүчдэлийн түвшин өөрчлөгдөх тул шугамын болон батерейгаар ажилладаг дизайны хүчдэлийн зохицуулалтыг өөр өөр аргаар хийх шаардлагатай болно.

Хүчдэл зохицуулагчийн дизайны өөр нэг чухал тал бол үр ашиг юм - ялангуяа батерейгаар ажилладаг төслүүдэд та цахилгаан алдагдлыг хамгийн бага хэмжээнд хүртэл бууруулах ёстой.

Анхаарна уу: Ихэнх улс оронд 50В -оос дээш хүчдэлтэй хүн лицензгүйгээр ажиллах эрхгүй байдаг. Үхлийн хүчдэлтэй ажилладаг аливаа хүний хийсэн алдаа нь өөрөө эсвэл өөр хүний үхэлд хүргэж болзошгүй юм. Энэ шалтгааны улмаас би зөвхөн 60 В тогтмол гүйдлийн хүчдэлийн түвшинтэй DC цахилгаан хангамжийн бүтцийг тайлбарлах болно.

Алхам 2: Хүчдэл зохицуулагчийн төрөл

Хүчдэл зохицуулагч хоёр үндсэн төрөл байдаг.

• Хамгийн хямд бөгөөд ашиглахад хялбар шугаман хүчдэлийн зохицуулагч
• Шугаман хүчдэлийн зохицуулагчаас илүү үр ашигтай боловч илүү үнэтэй бөгөөд илүү нарийн хэлхээний дизайн шаарддаг.

Энэхүү гарын авлагад бид шугаман хүчдэлийн зохицуулагчтай ажиллах болно.

Шугаман хүчдэлийн зохицуулагчийн цахилгаан шинж чанар

Шугаман зохицуулагч дахь хүчдэлийн уналт нь IC -ийн сарнисан хүчдэлтэй пропорциональ буюу өөрөөр хэлбэл халаалтын нөлөөнөөс болж хүч алддаг.

Шугаман зохицуулагч дахь эрчим хүчний алдагдлын хувьд дараахь тэгшитгэлийг ашиглаж болно.

Хүч = (VInput - VOutput) x I

L7805 шугаман зохицуулагч нь 1 А ачаалал (2 В хүчдэлийн уналт 1 А) хүргэх тохиолдолд дор хаяж 2 ватт зарцуулах ёстой.

Оролт ба гаралтын хүчдэлийн хоорондох хүчдэлийн зөрүү нэмэгдэхийн хэрээр цахилгаан алдагдал нэмэгддэг. Жишээлбэл, 1 вольт өгдөг 5 вольтоор зохицуулагдсан 7 вольтын эх үүсвэр нь шугаман зохицуулагчаар 2 ватт сарнидаг бол ижил гүйдэл дамжуулдаг 5 вольтоор зохицуулагдсан 12 вольтын тогтмол гүйдлийн эх үүсвэр нь 5 ваттыг тарааж, зохицуулагчийг зөвхөн 50 % болгодог. үр ашигтай.

Дараагийн чухал параметр бол ° C/W (ватт тутамд ° C) нэгжээр "Дулааны эсэргүүцэл" юм.

Энэ параметр нь чип нь орчны агаарын температураас дээш халах градусын тоог харуулдаг бөгөөд нэг ватт хүч тутамд сарниж байх ёстой. Тооцоолсон цахилгаан зарцуулалтыг дулааны эсэргүүцлээр үржүүлэхэд л шугаман зохицуулагч ийм хэмжээний хүчийг хэр их халаахыг хэлж өгнө.

Эрчим хүч x Дулааны эсэргүүцэл = Орчны температураас дээш температур

Жишээлбэл, 7805 зохицуулагч нь 50 ° C / ваттын дулааны эсэргүүцэлтэй байдаг. Энэ нь хэрэв таны зохицуулагч тархаж байгаа бол:

• 1 ватт, 50 хэм хүртэл халаана
• .2 ватт 100 ° С хүртэл халаана.

ТАЙЛБАР: Төслийн төлөвлөлтийн үе шатанд шаардлагатай гүйдлийг тооцоолж, хүчдэлийн зөрүүг хамгийн бага хэмжээнд хүртэл бууруулахыг хичээ. Жишээлбэл, 78XX шугаман хүчдэлийн зохицуулагч нь 2 В хүчдэлийн уналттай (оролтын хүчдэл нь Vin = 5 + 2 = 7 V DC) бөгөөд үүний үр дүнд та 7, 5 эсвэл 9 В тогтмол гүйдлийн тэжээлийн хангамжийг ашиглаж болно.

Үр ашгийн тооцоо

Шугаман зохицуулагчийн гаралтын гүйдэл нь оролтын гүйдэлтэй тэнцүү байгааг харгалзан бид хялбаршуулсан тэгшитгэлийг авах болно.

Үр ашиг = Vout / Vin

Жишээлбэл, танд 12 В оролт байгаа бөгөөд 1 А ачааллын гүйдэлд 5 В -ыг гаргах шаардлагатай гэж үзье, тэгвэл шугаман зохицуулагчийн үр ашиг нь зөвхөн (5 V / 12 V) x 100 % = 41 % байх болно. Энэ нь оролтоос авсан эрчим хүчний зөвхөн 41 % -ийг гаралт руу шилжүүлж, үлдсэн хүчийг дулаан болгон алдах болно гэсэн үг юм!

Алхам 3: 78XX шугаман зохицуулагч

78XX хүчдэлийн зохицуулагч нь 3-зүү төхөөрөмж бөгөөд том хүчдэлийн транзисторын багцаас (T220) жижиг гадаргуу дээр холбох төхөөрөмж хүртэл эерэг хүчдэлийн зохицуулагч юм. 79XX цуврал нь эквивалент сөрөг хүчдэлийн зохицуулагч юм.

78XX цуврал зохицуулагч нь 5 -аас 24 В хүртэл тогтмол зохицуулалттай хүчдэлээр хангадаг. IC хэсгийн дугаарын сүүлийн хоёр орон нь төхөөрөмжийн гаралтын хүчдэлийг илэрхийлнэ. Энэ нь жишээлбэл, 7805 нь 5 вольтын эерэг, 7812 нь эерэг 12 вольтын зохицуулагч гэсэн үг юм.

Эдгээр хүчдэлийн зохицуулагчууд шууд урагшаа гардаг - L8705 ба хос электролитийн конденсаторыг оролт, гаралт дээр холбосноор та 5 Вт Arduino төслүүдэд хүчдэлийн зохицуулагчийг энгийнээр бүтээдэг.

Чухал алхам бол өгөгдлийн хуудсыг шалгах, үйлдвэрлэгчийн зөвлөмжийг шалгах явдал юм.

78XX (эерэг) зохицуулагчид дараахь цэгүүдийг ашигладаг.

1. INPUT зохицуулалтгүй DC оролт Vin
2. АШИГЛАЛ (ГАЗР)
3. OUTPUT -зохицуулалттай DC гаралт Vout

Эдгээр хүчдэлийн зохицуулагчийн TO-220 кейсийн хувилбарт анхаарах нэг зүйл бол уг хайрцаг нь төвийн зүү (зүү 2) -тэй цахилгаанаар холбогдсон явдал юм. 78XX цувралд энэ нь үндэслэлтэй гэсэн үг юм.

Энэ төрлийн шугаман зохицуулагч нь 2 В -ийн уналтын хүчдэлтэй тул 1А -д 5V гаралттай бол дор хаяж 2.5 В тогтмол гүйдлийн толгойн хүчдэлтэй байх шаардлагатай (өөрөөр хэлбэл 5V + 2.5V = 7.5V DC оролт).

Конденсаторыг тэгшлэх үйлдвэрлэгчийн зөвлөмж нь CInput = 0.33 µF ба COutput = 0.1 µF боловч ерөнхий практик нь оролт ба гаралтын хувьд 100 µF конденсатор юм. нийлүүлэлтийн гэнэтийн хэлбэлзэл, түр зуурын.

Хэрэв нийлүүлэлт нь 2 В-ийн босго хэмжээнээс доогуур байвал конденсаторууд үүнийг хийхгүйн тулд хангамжийг тогтворжуулна. Хэрэв таны төсөлд ийм түр зуурын шинж чанар байхгүй бол та үйлдвэрлэгчийн зөвлөмжийг дагаж ажиллах боломжтой.

Энгийн шугаман хүчдэлийн зохицуулагч хэлхээ нь ердөө L7805 хүчдэлийн зохицуулагч ба хоёр конденсатор боловч бид энэ хэлхээг сайжруулж, зарим түвшний хамгаалалт, харааны заалттай илүү дэвшилтэт цахилгаан хангамжийг бий болгож чадна.

Хэрэв та төслөө түгээхийг хүсч байвал ирээдүйд үйлчлүүлэгчдэд төвөг учруулахгүйн тулд цөөн хэдэн нэмэлт бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг нэмж оруулахыг санал болгож байна.

Алхам 4: 7805 хэлхээг сайжруулсан

Эхлээд та шилжүүлэгчийг ашиглан хэлхээг асаах эсвэл унтраах боломжтой.

Нэмж дурдахад та зохицуулагчийн гаралт ба оролтын хооронд урвуу утгатай диод (D1) байрлуулж болно. Хэрэв ачаалалд ороомог, тэр ч байтугай конденсатор байгаа бол оролтын алдагдал нь урвуу хүчдэл үүсгэж, зохицуулагчийг устгаж болзошгүй юм. Диод нь ийм урсгалыг алгасдаг.

Нэмэлт конденсаторууд нь эцсийн шүүлтүүрийн үүрэг гүйцэтгэдэг. Тэдгээр нь гаралтын хүчдэлд зориулагдсан хүчдэлтэй байх ёстой, гэхдээ бага зэрэг аюулгүй байдлыг хангах үүднээс оролтод тохирсон өндөр байх ёстой (жишээлбэл, 16 25 В). Эдгээр нь таны хүлээж буй ачааллын төрлөөс шууд хамаардаг бөгөөд цэвэр DC ачааллын хувьд орхих боломжтой боловч C1 ба C2 -ийн хувьд 100uF, C4 (ба C3) хувьд 1uF нь сайн эхлэл байх болно.

Цаашилбал, та цахилгаан хангамжийн эвдрэлийг илрүүлэхэд маш хэрэгтэй заагч гэрлээр хангахын тулд LED болон тохирох гүйдэл хязгаарлах резисторыг нэмж болно. хэлхээг асаах үед LED гэрэл асаалттай байна, эс тэгвээс таны хэлхээний эвдрэлийг хайх хэрэгтэй.

Ихэнх хүчдэлийн зохицуулагчид чипийг хэт халалтаас хамгаалдаг хамгаалалтын хэлхээтэй бөгөөд хэрэв хэт халах юм бол гаралтын хүчдэл буурч, гаралтын гүйдэл хязгаарлагддаг тул төхөөрөмжийг халуунд эвдэхгүй. TO-220 багц дахь хүчдэлийн зохицуулагч нь халаагуурыг бэхлэх зориулалттай нүхтэй байдаг бөгөөд үүнийг сайн үйлдвэрлэлийн халаагуурыг залгахад ашиглах нь зүйтэй юм.

Алхам 5: 78XX -ээс илүү их хүч

78XX зохицуулагчийн ихэнх нь 1 - 1.5 А гаралтын гүйдэлээр хязгаарлагддаг. Хэрэв IC зохицуулагчийн гаралтын гүйдэл зөвшөөрөгдөх дээд хэмжээнээс хэтэрсэн бол түүний дотоод дамжуулах транзистор нь тэсвэрлэх чадвараасаа илүү их энерги ялгаруулж, улмаар хүргэж өгнө. унтрах хүртэл.

Зохицуулагчийн зөвшөөрөгдөх хамгийн их гүйдлийн хязгаараас илүү шаардлагатай програмуудын хувьд гаралтын гүйдлийг нэмэгдүүлэхийн тулд гадны нэвтрүүлэх транзисторыг ашиглаж болно. FAIRCHILD Semiconductor -ийн зураг ийм тохиргоог харуулж байна. Энэ хэлхээ нь ачаалалд илүү өндөр гүйдэл (10 А хүртэл) үйлдвэрлэх чадвартай боловч IC зохицуулагчийн дулааны унтраалт, богино залгааны хамгаалалтыг хадгалсаар байна.

BD536 цахилгаан транзисторыг үйлдвэрлэгчээс санал болгодог.

Алхам 6: LDO хүчдэлийн зохицуулагч

L7805 бол харьцангуй өндөр уналтын хүчдэлтэй маш энгийн төхөөрөмж юм.

Бага уналт (LDO) гэж нэрлэгддэг зарим шугаман хүчдэлийн зохицуулагч нь 7805-ийн 2V-ээс хамаагүй бага уналтын хүчдэлтэй байдаг. Жишээлбэл LM2937 эсвэл LM2940CT-5.0 нь 0.5 В-ийн уналттай байдаг тул таны тэжээлийн хэлхээ тасрах болно. илүү өндөр үр ашигтай бөгөөд та үүнийг батерейны цахилгаан хангамж бүхий төслүүдэд ашиглаж болно.

Шугаман зохицуулагчийн ажиллах боломжтой хамгийн бага Vin-Vout дифференциалыг уналтын хүчдэл гэж нэрлэдэг. Хэрэв Вин ба Воут хоёрын ялгаа уналтын хүчдэлээс доогуур байвал зохицуулагч нь уналтын горимд байна.

Бага уналт зохицуулагчид оролт ба гаралтын хүчдэлийн хооронд маш бага ялгаа байдаг. Ялангуяа LM2940CT-5.0 шугаман зохицуулагчийн хүчдэлийн зөрүү нь төхөөрөмжүүдийг унтрахаас өмнө 0.5 вольтоос бага байж болно. Хэвийн ажиллагааны хувьд оролтын хүчдэл нь гаралтаас 0.5 В өндөр байх ёстой.

Эдгээр хүчдэлийн зохицуулагчид нь L7805 -тай ижил хэлбэртэй T220 хэлбэрийн хүчин зүйлтэй байдаг - зүүн талд оролт, дунд хэсэгт газардуулга, баруун талд гаралт (урдаас харахад). Үүний үр дүнд та ижил хэлхээг ашиглаж болно. Конденсаторын үйлдвэрлэлийн зөвлөмж нь CInput = 0.47 µF ба COutput = 22 µF байна.

Нэг том сул тал бол "сургууль завсардалт багатай" зохицуулагч нь 7805 цувралтай харьцуулахад илүү үнэтэй (бүр арав дахин их) юм.

Алхам 7: Зохицуулалттай LM317 цахилгаан хангамж

LM317 нь хувьсах гаралттай эерэг шугаман хүчдэлийн зохицуулагч бөгөөд 1.2-37 В -ийн гаралтын хүчдэлийн хязгаарт 1.5 А -аас дээш гаралтын гүйдлийг нийлүүлэх чадвартай.

. Эхний хоёр үсэг нь "шугаман цул" гэсэн утгатай "LM" гэх мэт үйлдвэрлэгчийн сонголтыг илэрхийлдэг. Энэ нь хувьсах гаралттай хүчдэлийн зохицуулагч тул стандарт бус хүчдэл шаардлагатай тохиолдолд маш хэрэгтэй байдаг. 78xx формат нь эерэг хүчдэлийн зохицуулагч эсвэл 79xx нь сөрөг хүчдэлийн зохицуулагч бөгөөд "xx" нь төхөөрөмжийн хүчдэлийг илэрхийлдэг.

Гаралтын хүчдэлийн хүрээ нь 1.2 В -оос 37 В -ийн хооронд бөгөөд Raspberry Pi, Arduino эсвэл DC Motors Shield -ийг тэжээхэд ашиглаж болно. LM3XX нь 78XX -тэй ижил оролт/гаралтын хүчдэлийн зөрүүтэй байдаг - оролт нь гаралтын хүчдэлээс дор хаяж 2.5 В байх ёстой.

78XX цуврал зохицуулагчийн нэгэн адил LM317 бол гурван зүү бүхий төхөөрөмж юм. Гэхдээ утас нь арай өөр юм.

LM317 холболтын талаар анхаарах ёстой гол зүйл бол зохицуулагч руу чиглүүлэгч хүчдэл өгдөг R1 ба R2 гэсэн хоёр эсэргүүцэл юм; Энэ жишиг хүчдэл нь гаралтын хүчдэлийг тодорхойлдог. Та эдгээр эсэргүүцлийн утгыг дараах байдлаар тооцоолж болно.

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

IAdj нь ихэвчлэн 50 мкА бөгөөд ихэнх програмуудад үл тоомсорлодог бөгөөд VREF нь 1.25 В - хамгийн бага гаралтын хүчдэл юм.

Хэрэв бид IAdj -ийг үл тоомсорловол бидний тэгшитгэлийг хялбарчилж болно

Vout = 1.25 x (1 + R2/R1)

Хэрэв бид R1 240 Ω ба R2 -ийг 1 кОм -оор ашиглах юм бол Vout = 1.25 (1+0/240) = 1.25 В -ийн гаралтын хүчдэлийг авна.

Потенциометрийн бариулыг өөр чиглэлд бүрэн эргүүлэх үед гаралтын хүчдэл болох Vout = 1.25 (1+2000/240) = 11.6 В болно.

Хэрэв танд өндөр гаралтын хүчдэл хэрэгтэй бол R1 -ийг 100 Ω эсэргүүцэлээр солих хэрэгтэй.

Тойрог тайлбарлав:

• Гаралтын хүчдэлийг тохируулахын тулд R1 ба R2 шаардлагатай. CAdj нь долгионы татгалзалтыг сайжруулахыг зөвлөж байна. Энэ нь гаралтын хүчдэлийг илүү өндөр түвшинд тохируулдаг тул долгионыг олшруулахаас сэргийлдэг.
• Ялангуяа зохицуулагч нь тэжээлийн шүүлтүүрийн конденсатортой ойролцоо биш бол C1-ийг ашиглахыг зөвлөж байна. 0.1-µF эсвэл 1-µF керамик эсвэл тантал конденсатор нь ихэнх хэрэглээнд, ялангуяа тохируулга ба гаралтын конденсаторыг ашиглахад хангалттай тойрч гарах боломжийг олгодог.
• С2 нь түр зуурын хариу урвалыг сайжруулдаг боловч тогтвортой байдалд шаардлагатай биш юм.
• CAdj ашиглаж байгаа тохиолдолд хамгаалах диод D2 -ийг ашиглахыг зөвлөж байна. Диод нь конденсаторыг зохицуулагчийн гаралт руу оруулахаас сэргийлэхийн тулд бага эсэргүүцэл бүхий цэнэглэх замыг өгдөг.
• С2 -ийг ашиглаж байгаа тохиолдолд хамгаалалтын диод D1 -ийг ашиглахыг зөвлөж байна. Диод нь конденсаторыг зохицуулагчийн гаралт руу оруулахаас сэргийлэхийн тулд бага эсэргүүцэл бүхий цэнэглэх замыг өгдөг.

Алхам 8: Дүгнэлт

Шугаман зохицуулагч нь дараахь тохиолдолд ашигтай байдаг.

• Гаралтын хүчдэлийн дифференциалын оролт бага байна
• Танд бага ачаалалтай гүйдэл байна
• Танд маш цэвэр гаралтын хүчдэл хэрэгтэй
• Та дизайныг аль болох энгийн, хямд байлгах хэрэгтэй.

Тиймээс шугаман зохицуулагчийг ашиглахад илүү хялбар төдийгүй, ямар ч төрлийн долгион, үсрэлт, чимээ шуугиангүй, шилжүүлэгч зохицуулагчтай харьцуулахад илүү цэвэр гаралтын хүчдэл өгдөг. Дүгнэж хэлэхэд, эрчим хүчний алдагдал хэт өндөр эсвэл танд нэмэлт зохицуулагч шаардагдахгүй бол шугаман зохицуулагч нь таны хамгийн сайн сонголт байх болно.