Introduzione ai regolatori di tensione lineari: 8 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:01

Cinque anni fa quando ho iniziato con Arduino e Raspberry Pi non pensavo troppo all'alimentazione, in questo momento l'adattatore di alimentazione di Raspberry Pi e l'alimentazione USB di Arduino erano più che sufficienti.

Ma dopo qualche tempo la mia curiosità mi ha spinto a prendere in considerazione altri metodi di alimentazione, e dopo aver creato più progetti sono stato costretto a fare considerazioni su fonti di alimentazione CC diverse e se possibile regolabili.

Soprattutto quando finisci il tuo progetto, vorrai sicuramente costruire una versione più permanente del tuo progetto, e per questo dovrai considerare come fare per fornirgli energia.

In questo tutorial spiegherò come è possibile creare il proprio alimentatore lineare con IC regolatori di tensione ampiamente utilizzati e convenienti (LM78XX, LM3XX, PSM-165 ecc.). Imparerai a conoscere la loro funzionalità e implementazione per i tuoi progetti.

Passaggio 1: considerazioni sulla progettazione

Livelli di tensione comuni

Esistono diversi livelli di tensione standard che il tuo progetto potrebbe richiedere:

• 3,3 Volt CC – Questa è una tensione comune utilizzata da Raspberry PI e dispositivi digitali a bassa potenza.
• 5 Volt CC – Questa è la tensione standard TTL (Transistor Transistor Logic) utilizzata dai dispositivi digitali.
• 12 Volt CC: utilizzato per motori CC, servo e passo-passo.
• 24/48 Volt DC – ampiamente utilizzato nei progetti di stampa CNC e 3D.

Dovresti considerare nel tuo progetto che le tensioni a livello logico devono essere regolate in modo molto preciso. Ad esempio per i dispositivi con tensione TTL la tensione di alimentazione deve essere compresa tra 4,75 e 5,25 volt, altrimenti qualsiasi deviazione di tensione farà sì che i componenti logici smettano di funzionare correttamente o addirittura distruggano i componenti.

A differenza dei dispositivi a livello logico, l'alimentazione di motori, LED e altri componenti elettronici può variare in un'ampia gamma. Inoltre è necessario considerare i requisiti attuali del progetto. Soprattutto i motori possono causare fluttuazioni dell'assorbimento di corrente ed è necessario progettare l'alimentatore per adattarsi alla situazione "peggiore" in cui ogni motore funziona a piena capacità.

È necessario utilizzare un approccio diverso per la regolazione della tensione per i modelli alimentati dalla linea e alimentati a batteria, poiché i livelli di tensione della batteria fluttuano quando la batteria si scarica.

Un altro aspetto importante della progettazione del regolatore di tensione è l'efficienza: soprattutto nei progetti alimentati a batteria è necessario ridurre al minimo le perdite di potenza.

ATTENZIONE: Nella maggior parte dei paesi una persona non può legalmente lavorare con tensioni superiori a 50 V AC senza una licenza. Qualsiasi errore commesso da qualsiasi persona che lavora con un voltaggio letale può portare alla morte propria o di un'altra persona. Per questo motivo spiegherò solo l'alimentatore CC costruito con un livello di tensione inferiore a 60 V CC.

Passaggio 2: tipi di regolatori di tensione

Esistono due tipi principali di regolatori di tensione:

• regolatori di tensione lineari più convenienti e semplici da usare
• regolatori di tensione a commutazione che sono più efficienti dei regolatori di tensione lineari, ma più costosi e richiedono una progettazione circuitale più complessa.

In questo tutorial lavoreremo con regolatori di tensione lineari.

Caratteristiche elettriche dei regolatori di tensione lineari

La caduta di tensione nel regolatore lineare è proporzionale alla potenza dissipata dell'IC, o in altre parole la potenza perde per effetto del riscaldamento.

Per la dissipazione di potenza nei regolatori lineari si può utilizzare la seguente equazione:

Potenza = (VInput – VOutput) x I

Il regolatore lineare L7805 deve dissipare almeno 2 watt se fornisce un carico di 1 A (2 V di caduta di tensione per 1 A).

Con l'aumento della differenza di tensione tra la tensione di ingresso e quella di uscita, aumenta anche la dissipazione di potenza. Ciò significa che, ad esempio, mentre una sorgente da 7 volt regolata a 5 volt che eroga 1 amp dissiperebbe 2 watt attraverso il regolatore lineare, una sorgente da 12 V CC regolata a 5 volt che eroga la stessa corrente dissiperebbe 5 watt, rendendo il regolatore solo il 50 % efficiente.

Il successivo parametro importante è la “Resistenza Termica” in unità di °C/W (°C per Watt).

Questo parametro indica il numero di gradi in cui il chip si riscalderà al di sopra della temperatura dell'aria ambiente, per ogni watt di potenza che deve dissipare. Basta moltiplicare la dissipazione di potenza calcolata per Resistenza termica e questo ti dirà quanto quel regolatore lineare si riscalderà sotto quella quantità di potenza:

Potenza x Resistenza termica = Temperatura superiore a quella ambientale

Ad esempio un regolatore 7805 ha una Resistenza Termica di 50°C/Watt. Ciò significa che se il tuo regolatore si sta dissipando:

• 1 watt, si riscalderà a 50°C
• .2 watt si riscalderà a 100°C.

NOTA: Durante la fase di progettazione, cercare di stimare la corrente richiesta e ridurre al minimo la differenza di tensione. Ad esempio il regolatore di tensione lineare 78XX ha una caduta di tensione di 2 V (la tensione di ingresso minima è Vin = 5 + 2 = 7 V DC), di conseguenza è possibile utilizzare un'alimentazione a 7, 5 o 9 V DC.

Calcolo dell'efficienza

Considerando che la corrente di uscita è uguale alla corrente di ingresso per un regolatore lineare, otterremo un'equazione semplificata:

Efficienza = Vout / Vin

Ad esempio, supponiamo che tu abbia 12 V in ingresso e devi emettere 5 V a 1 A di corrente di carico, quindi l'efficienza per un regolatore lineare sarebbe solo (5 V / 12 V) x 100% = 41 %. Ciò significa che solo il 41% della potenza dall'ingresso viene trasferito all'uscita e la potenza rimanente verrà dispersa sotto forma di calore!

Passaggio 3: regolatori lineari 78XX

I regolatori di tensione 78XX sono dispositivi a 3 pin disponibili in una serie di pacchetti diversi, dai grandi pacchetti di transistor di potenza (T220) ai piccoli dispositivi a montaggio superficiale, si tratta di regolatori di tensione positivi. La serie 79XX sono i regolatori di tensione negativi equivalenti.

La serie di regolatori 78XX fornisce tensioni regolate fisse da 5 a 24 V. Le ultime due cifre del codice componente del circuito integrato indicano la tensione di uscita del dispositivo. Ciò significa, ad esempio, che un 7805 è un regolatore positivo a 5 volt, un 7812 è un regolatore positivo a 12 volt.

Questi regolatori di tensione sono semplici: collega L8705 e un paio di condensatori elettrolitici attraverso l'ingresso e l'uscita e costruisci un semplice regolatore di tensione per progetti Arduino a 5 V.

Il passo importante è controllare le schede tecniche per i pin-out e le raccomandazioni del produttore.

I regolatori 78XX (positivi) utilizzano i seguenti pinout:

1. INGRESSO Ingresso CC non regolato Vin
2. RIFERIMENTO (TERRA)
3. USCITA -uscita CC regolata Vout

Una cosa da notare sulla versione case TO-220 di questi regolatori di tensione è che la custodia è collegata elettricamente al pin centrale (pin 2). Sulla serie 78XX ciò significa che il case è a terra.

Questo tipo di regolatore lineare ha una tensione di dropout di 2 V, di conseguenza con un'uscita di 5 V a 1 A, è necessario avere una tensione di testa di almeno 2,5 V CC (cioè, 5 V + 2,5 V = ingresso 7,5 V CC).

Le raccomandazioni del produttore per i condensatori di livellamento sono CInput = 0,33 µF e COutput = 0,1 µF, ma la pratica generale è un condensatore da 100 µF sull'ingresso e sull'uscita È una buona soluzione per lo scenario peggiore e i condensatori aiutano a far fronte a fluttuazioni improvvise e transitori nella fornitura.

Nel caso in cui l'alimentazione scenda al di sotto della soglia di 2 V- i condensatori stabilizzeranno l'alimentazione per garantire che ciò non accada. Se il tuo progetto non ha tali transitori, puoi eseguire con i consigli del produttore.

Il semplice circuito regolatore di tensione lineare è solo un regolatore di tensione L7805 e due condensatori, ma possiamo aggiornare questo circuito per creare un alimentatore più avanzato con un certo livello di protezione e indicazione visiva.

Se desideri distribuire il tuo progetto, ti suggerirò sicuramente di aggiungere quei pochi componenti aggiuntivi per evitare disagi futuri con i clienti.

Passaggio 4: circuito 7805 aggiornato

Innanzitutto è possibile utilizzare l'interruttore per accendere o spegnere il circuito.

Inoltre è possibile posizionare un diodo (D1), cablato in polarizzazione inversa tra l'uscita e l'ingresso del regolatore. Se ci sono induttori nel carico, o anche condensatori, una perdita di ingresso può causare una tensione inversa, che può distruggere il regolatore. Il diodo bypassa tali correnti.

Condensatori aggiuntivi agiscono come una sorta di filtro finale. Devono avere una tensione nominale per la tensione di uscita, ma dovrebbero essere sufficientemente alte da adattarsi all'ingresso per un piccolo margine di sicurezza (ad es. 16 25 V). Dipendono davvero dal tipo di carico che ti aspetti e possono essere esclusi per un carico CC puro, ma 100uF per C1 e C2 e 1uF per C4 (e C3) sarebbero un buon inizio.

Inoltre è possibile aggiungere il LED e l'opportuno resistore limitatore di corrente per fornire una spia luminosa molto utile per il rilevamento di guasti all'alimentazione; quando il circuito è alimentato le luci a LED sono accese altrimenti cerca alcuni guasti nel tuo circuito.

La maggior parte dei regolatori di tensione ha un circuito di protezione che protegge i chip dal surriscaldamento e se diventa troppo caldo, riduce la tensione di uscita e quindi limita la corrente di uscita in modo che il dispositivo non venga distrutto dal calore. I regolatori di tensione nei contenitori TO-220 hanno anche un foro di montaggio per l'attacco del dissipatore di calore e suggerirò che dovresti assolutamente usarlo per collegare un buon dissipatore di calore industriale.

Passaggio 5: più potenza da 78XX

La maggior parte dei regolatori 78XX è limitata a una corrente di uscita di 1 - 1,5 A. Se la corrente di uscita di un regolatore IC supera il limite massimo consentito, il suo pass transistor interno dissiperà una quantità di energia superiore a quella che può tollerare, il che porterà allo spegnimento.

Per le applicazioni che richiedono più del limite di corrente massimo consentito di un regolatore, è possibile utilizzare un pass transistor esterno per aumentare la corrente di uscita. La figura di FAIRCHILD Semiconductor illustra tale configurazione. Questo circuito ha la capacità di produrre una corrente più elevata (fino a 10 A) al carico, pur conservando l'arresto termico e la protezione da cortocircuito del regolatore IC.

Il transistor di potenza BD536 è suggerito dal produttore.

Passaggio 6: regolatori di tensione LDO

L'L7805 è un dispositivo molto semplice con una tensione di dropout relativamente alta.

Alcuni regolatori di tensione lineari, i cosiddetti low dropout (LDO), hanno una tensione di dropout molto più piccola dei 2V del 7805. Ad esempio l'LM2937 o LM2940CT-5.0 ha un dropout di 0,5V, di conseguenza il circuito di alimentazione hanno una maggiore efficienza, ed è possibile utilizzarlo in progetti con alimentazione a batteria.

Il minimo differenziale Vin-Vout che un regolatore lineare può operare è chiamato tensione di dropout. Se la differenza tra Vin e Vout scende al di sotto della tensione di caduta, il regolatore è in modalità di caduta.

I regolatori a bassa caduta hanno una differenza molto bassa tra la tensione di ingresso e quella di uscita. In particolare, la differenza di tensione dei regolatori lineari LM2940CT-5.0 può raggiungere meno di 0,5 volt prima che i dispositivi "si spengano". Per il normale funzionamento, la tensione di ingresso dovrebbe essere 0,5 V superiore all'uscita.

Questi regolatori di tensione hanno lo stesso fattore di forma T220 di L7805 con lo stesso layout: ingresso a sinistra, massa al centro e uscita a destra (se visti dal davanti). Di conseguenza puoi usare lo stesso circuito. Le raccomandazioni di fabbricazione per i condensatori sono CInput = 0,47 µF e COutput = 22 µF.

Uno dei principali svantaggi è che i regolatori a "basso dropout" sono più costosi (anche fino a dieci volte) rispetto alla serie 7805.

Passaggio 7: alimentatore LM317 regolamentato

L'LM317 è un regolatore di tensione lineare positivo con un'uscita variabile, è in grado di fornire una corrente di uscita superiore a 1,5 A su un intervallo di tensione di uscita di 1,2–37 V.

. Le prime due lettere indicano le preferenze del produttore, come "LM", che sta per "monolitico lineare". È un regolatore di tensione con uscita variabile e quindi è molto utile in situazioni in cui è necessaria una tensione non standard. Il formato 78xx è un regolatore di tensione positivo, o 79xx sono regolatori di tensione negativo, dove "xx" rappresenta la tensione dei dispositivi.

L'intervallo di tensione di uscita è compreso tra 1,2 V e 37 V e può essere utilizzato per alimentare Raspberry Pi, Arduino o DC Motors Shield. L'LM3XX ha la stessa differenza di tensione di ingresso/uscita del 78XX: l'ingresso deve essere almeno 2,5 V sopra la tensione di uscita.

Come con la serie di regolatori 78XX, l'LM317 è un dispositivo a tre pin. Ma il cablaggio è leggermente diverso.

La cosa principale da notare sul collegamento LM317 sono i due resistori R1 e R2 che forniscono una tensione di riferimento al regolatore; questa tensione di riferimento determina la tensione di uscita. Puoi calcolare questi valori di resistenza come segue:

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

IAdj è tipicamente 50 µA e trascurabile nella maggior parte delle applicazioni e VREF è 1,25 V - tensione di uscita minima.

Se trascuriamo IAdj allora la nostra equazione può essere semplificata in

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

Se useremo R1 240 Ω e R2 con 1 kΩ, otterremo una tensione di uscita di Vout = 1,25(1+0/240) = 1,25 V.

Quando ruoteremo completamente la manopola del potenziometro in un'altra direzione, otterremo Vout = 1,25 (1 + 2000/240) = 11,6 V come tensione di uscita.

Se hai bisogno di una tensione di uscita più alta, allora dovresti sostituire R1 con un resistore da 100.

Circuito spiegato:

• R1 e R2 sono necessari per impostare la tensione di uscita. CAdj è consigliato per migliorare il rifiuto dell'ondulazione. Impedisce l'amplificazione dell'ondulazione poiché la tensione di uscita viene regolata più in alto.
• C1 è consigliato, in particolare se il regolatore non è nelle immediate vicinanze dei condensatori di filtro dell'alimentazione. Un condensatore ceramico o al tantalio da 0,1 µF o 1 µF fornisce un bypass sufficiente per la maggior parte delle applicazioni, specialmente quando si utilizzano condensatori di regolazione e di uscita.
• C2 migliora la risposta transitoria, ma non è necessaria per la stabilità.
• Se si utilizza CAdj è consigliato il diodo di protezione D2. Il diodo fornisce un percorso di scarica a bassa impedenza per impedire che il condensatore si scarichi nell'uscita del regolatore.
• Se si utilizza C2 è consigliato il diodo di protezione D1. Il diodo fornisce un percorso di scarica a bassa impedenza per impedire che il condensatore si scarichi nell'uscita del regolatore.

Passaggio 8: riepilogo

I regolatori lineari sono utili se:

• Il differenziale di tensione tra ingresso e uscita è piccolo
• Hai una corrente di carico bassa
• Hai bisogno di una tensione di uscita estremamente pulita
• Devi mantenere il design il più semplice ed economico possibile.

Pertanto, non solo i regolatori lineari sono più facili da usare, ma forniscono una tensione di uscita molto più pulita rispetto ai regolatori a commutazione, senza ripple, picchi o rumore di alcun tipo. In sintesi, a meno che la dissipazione di potenza non sia troppo elevata o non sia necessario un regolatore step-up, un regolatore lineare sarà la scelta migliore.