Тепловое проектирование для линейных стабилизаторов напряжения
Добавлено 12 октября 2019 в 21:39
Сохранить или поделиться
Будет ли ваш линейный стабилизатор работать правильно при всех возможных условиях эксплуатации? Чтобы это выяснить, нужно учитывать рассеиваемую мощность и тепловое сопротивление.
Вспомогательная информация
Разработчик, будь осторожен
На первый взгляд линейные стабилизаторы напряжения кажутся такими простыми. В техническом описании на деталь указаны максимальное входное напряжение, максимальный выходной ток и выходное напряжение (если выходной сигнал является фиксированным, а не переменным). Если ваши требования к проектированию немного выше, вы также можете проверить точность выходного напряжения, падение напряжения, выходной шум и диапазон рабочих температур окружающей среды. Если все эти характеристики выглядят хорошо, вы можете взять эту деталь, и всё будет хорошо, верно? Ну, в большинстве случаев, да, всё будет хорошо, но также возможно, что проект полностью провалится.
Ток против мощности
Первое, что нужно понять, это то, что максимальный выходной ток детали не является изолированным параметром. Выходной ток влияет на рассеиваемую мощность, а рассеиваемая мощность влияет на температуру PN переходов, и если температура PN переходов становится слишком высокой, деталь перестает работать как нужно. Возможно необратимое повреждение, хотя большинство (возможно, все) современных линейных стабилизаторов включают в себя схемы тепловой защиты, которые просто ограничивают выходной ток в попытке снизить внутреннюю температуру. В любом случае, ваш проект будет работать со сбоями; что еще хуже, это может привести к неисправностям, возникающим странным или прерывистым образом, что может привести к потенциально высоким уровням разочарований, вызванных устранением неисправностей. Лучшее лекарство, как обычно, это профилактика.
Две температуры
Подтверждая, что конкретный компонент совместим с температурными требованиями системы, мы обычно смотрим на диапазон рабочих температур окружающей среды, указанный в техническом описании детали. Это подходит для большинства ситуаций, но, тем не менее, довольно неточно. Строго говоря, температура окружающей среды не определяет, будет ли компонент работать правильно, точно так же, как температура воздуха на улице напрямую не определяет, удобно ли вам находиться в вашем доме. Что действительно важно, так это внутренняя температура, то есть температура, при которой находятся полупроводники – в конце концов, именно транзисторы регулируют напряжение, а не пластиковый корпус. Эта внутренняя температура называется температурой перехода (PN перехода).
Обычно мы можем рассматривать только диапазон температур окружающей среды потому, что температура PN перехода часто аналогична температуре окружающей среды. Если вы живете в продуваемой деревянной лачуге и готовите на открытом воздухе на открытом огне, температура внутри лачуги не будет сильно отличаться от температуры на улице. Это просто тепловое равновесие в действии. То же самое происходит со многими электронными компонентами, потому что многие электронные компоненты не рассеивают значительное количество энергии. Это критически важный момент. Датчики, преобразователи данных, микроконтроллеры, логические элементы и т. д. имеют склонность рассеивать небольшие количества энергии, и, следовательно, температура PN перехода не сильно отличается от температуры окружающей среды. Но линейные стабилизаторы напряжения это отдельная история. Представьте, что вы пекли хлеб в этой деревянной лачуге целый день. Это более или менее то, что делает стабилизатор напряжения, и в результате получается температура перехода, которая может значительно превышать температуру окружающей среды. Следовательно, одним из ключей к надежной конструкции линейного стабилизатора является обеспечение того, чтобы температура перехода оставалась в допустимом диапазоне даже при наихудших условиях эксплуатации.
Во-первых, рассчитаем мощность
Двумя факторами, определяющими разницу между температурой окружающей среды и температурой перехода, являются рассеиваемая мощность и тепловое сопротивление. Сначала давайте рассмотрим рассеивание мощности.
Рисунок 1 – Определение мощности, рассеиваемой линейным стабилизатором напряженияНа этой диаграмме показаны два пути протекания тока в линейном стабилизаторе; путь от входного вывода непосредственно к земле называется током на землю (IGND), а путь от входного вывода к земле через питаемую цепь – ток нагрузки (Iнагр). Внутреннее рассеивание мощности в результате протекания этих двух токов
\[P_{I_{GND}}\ \ =I_{GND}\times V_{вх}\]
\[P_{I_{нагр}}\ \ \ =I_{нагр}\times\left(V_{вх}-V_{вых}\right)\]
Таким образом, общая рассеиваемая мощность внутри стабилизатора будет равна:
\[P_{общ}=\left(I_{GND}\times V_{вх}\right)+\left(I_{нагр}\times\left(V_{вх}-V_{вых}\right)\right)\]
Ток на землю, то есть ток, потребляемый внутренней схемой регулятора в процессе генерации регулируемого выходного напряжения, обычно будет намного меньше, чем ток нагрузки. Поэтому, если вы не хотите проверять технические спецификации тока на землю, вы можете просто проигнорировать этот параметр, и результат всё равно будет довольно близок к реальности.
Тепловое сопротивление
Мощность, рассеиваемая внутри стабилизатора, приводит к постоянному различию между температурой перехода и температурой окружающей среды. Итак, мы знаем, что внутренняя схема стабилизатора всегда будет горячее окружающей среды; вопрос в том, насколько горячее? Здесь в игру вступает тепловое сопротивление. Как следует из названия, эта величина соответствует тому, насколько сильное сопротивление оказывается потоку тепла. В контексте конструкции стабилизатора более высокое тепловое сопротивление означает, что существует более высокое сопротивление к теплу, которое хочет перетекать из внутренней части стабилизатора в окружающую среду. Более высокое сопротивление означает меньший тепловой поток, а меньший тепловой поток означает бо́льшую разницу температур в установившемся режиме. Это соотношение отражено в следующей формуле, где тепловое сопротивление обозначено, как θ, и имеет единицы измерения °C/Вт.
\[\Delta T_{переход-окр.среда}=P_{общ}\times\theta_{переход-окр.среда}\]
Таким образом, если вам известны рассеиваемая мощность стабилизатор (Pобщ) и тепловое сопротивление от внутренней схемы к окружающей среде (θпереход-окр.среда), вы можете рассчитать разницу между температурой окружающей среды и температурой перехода (ΔTпереход-окр.среда). К сожалению, определить θпереход-окр.среда не совсем не так просто.
Первое, что нужно понять, это то, что θпереход-окр.среда не является фиксированной величиной. Оно зависит от вашего проекта печатной платы. На самом деле, это важный момент: вы не можете предполагать, что диапазон температуры окружающей среды, указанный в техническом описании стабилизатора, действителен для всех вариантов компоновки печатных плат. Другими словами, если вы подвергаете стабилизатор максимальному входному напряжению и максимальному выходному току, компоновка печатной платы с высоким тепловым сопротивлением может вызвать перегрев детали, даже если температура окружающей среды остается в допустимом диапазоне.
Тщательное тепловое проектирование может быть решающим моментом!
Давайте рассмотрим пример, чтобы продемонстрировать важность учета теплового сопротивления в ваших проектах со стабилизаторами напряжения. Этот пример использует стабилизатор напряжения ADP3338 с низким падением напряжения от Analog Devices. Его необходимые технические параметры приведены ниже:
| Максимальный ток нагрузки | 1000 мА |
| Максимальный ток на землю | 30 мА |
| Выходное напряжение | 3,3 В |
| Максимальное входное напряжение | 8 В |
| Максимальная температура перехода | 150°C |
| Максимальная температура окружающей среды | 85°C |
Итак, сначала нам нужно ответить на следующий вопрос: если устройство подвергается наихудшим условиям эксплуатации, насколько низким должно быть тепловое сопротивление? Мы можем изменить приведенную выше формулу следующим образом:
\[\theta_{переход-окр.{\circ}C}{Вт}\]
Всё идет нормально… кроме того, что такое низкое тепловое сопротивление невозможно обеспечить! Рассмотрим следующую диаграмму из технического описания ADP3338:
Рисунок 2 – Значения теплового сопротивления при различных вариантах компоновки печатной платыЭта диаграмма предназначена для того, чтобы дать вам представление о том, какое тепловое сопротивление следует ожидать от различных вариантов компоновки печатных плат. Так что, если вы просто припаяете этот регулятор к вашей плате, не предоставляя никакой дополнительной меди для рассеивания тепла, тепловое сопротивление будет выше примерно в десять раз. Даже самая правая схема, включающая в себя довольно большую медную площадку, дает всё еще намного большее тепловое сопротивление, чем 13,2°C/Вт, необходимые для работы в худшем случае. Вы можете дополнительно уменьшить тепловое сопротивление, расширив площадь медной площадки и используя многочисленные переходные отверстия, чтобы обеспечить теплу путь к другим слоям печатной платы, но даже в этом случае вы никогда не достигнете 13,2°C/Вт. Это связано с тем, что тепловое сопротивление «переход – окружающая среда» является суммой теплового сопротивления «корпус – окружающая среда» (зависит от компоновки) и теплового сопротивления «переход – корпус» (зависит только от корпуса микросхемы). Тепловое сопротивление «переход – корпус» у ADP3338 составляет 26,8°C/Вт – уже в два раза больше, чем общее тепловое сопротивление, необходимое для наихудших условий эксплуатации. Конечно, это крайний пример. На практике вы не доводите деталь до предела, подобного этому. Обычно требуемое тепловое сопротивление достижимо, но вам может потребоваться что-то, гораздо большее, чем минимальные медные площадки.
Заключение
Правильное тепловое проектирование линейных стабилизаторов легко упустить из виду, поскольку во многих случаях рабочие условия настолько далеки от наихудших, поэтому проект будет работать, даже если вы никогда не вспомните про тепловое сопротивление. Но процесс на самом деле довольно прост, и он может спасти вашу плату от печального выхода из строя при высокой температуре окружающей среды. Вы просто рассчитываете рассеивание мощности в худшем случае, а затем на основе информации из технического описания компонента (или аналога) оцениваете тепловое сопротивление. После этого вы можете рассчитать максимальную температуру окружающей среды, при которой температура перехода устройства будет ниже указанного максимума.
Оригинал статьи:
Теги
PCB (печатная плата)Линейный стабилизаторПроектирование печатных платСтабилизатор напряженияТемпература переходаТепловое сопротивлениеТермическое сопротивлениеСохранить или поделиться
Линейный преобразователь тока в напряжение
Изобретение относится к радиоэлектронной технике и может быть использовано при преобразовании сигнала входного электрического тока в выходной сигнал напряжения. Изобретение предполагается к использованию в составе схем радиоэлектронных устройств различного назначения, а также в составе функционального узла микросхем.
В современных электронных приборах все чаще для работы с аналоговыми сигналами активно применяется ЦОС (цифровая обработка сигналов). В свою очередь, применение ЦОС накладывает высокие требования к линейности на преобразователи АЦП (аналого-цифровой преобразователь) и ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь).
Современные микросхемы ЦАП, в основной своей массе, строятся по схеме коммутации источников тока (стр. 388-392 рис. 8.5 Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. 2-е издание. «Додэка» Москва 2007 г. Г.И. Волович), а результатом преобразования код-сигнала является выходной ток. Так как возникает необходимость иметь преобразованный сигнал в виде напряжения, то применяется электронная схема — узел ПТН (преобразователь ток в напряжение) как в составе микросхемы ЦАП, так и как внешняя схема для микросхемы ЦАП с токовым выходом. На узел ПТН накладываются очень жесткие требования по минимизации ошибок преобразования, поэтому вопрос совершенствования управляемых схем преобразователей электрического тока актуален.
Из известного уровня техники, управляемые источники и схемы преобразования полного сопротивления описаны в литературе достаточно подробно. В качестве преобразователя ток-напряжение широко применяется известная схема: источник напряжения, управляемый током (ИНУТ) описанная в различной литературе, к примеру, в опубликованном ранее источнике «Полупроводниковая схемотехника» (том 2, издание 12, изд. ДМК Москва, 2007, У. Титце, К. Шенк) Глава 12.2 стр. 72. Данная схема является наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату и выбрана за прототип.
Схема ПТН или ИНУТ (источника напряжения, управляемого током) показана на фиг. 1. Для схемы справедливы уравнения на низких частотах:
— — входное сопротивление схемы ПТН или ИНУТ (источника напряжения, управляемого током.
— — дифференциальный коэффициент усиления операционного усилителя А1.
— — выходное сопротивление операционного усилителя А1 (без ос).
— — входное сопротивление операционного усилителя А1.
— идеальная передаточная функция:
— входное сопротивление схемы при условии для оу А1 фиг. 1,
Данное техническое решение имеет ряд недостатков, которые не позволяют получить максимально возможную точность преобразования. Из уравнений для полного входного сопротивления очевидно, что при конечном A
Стоит отметить, что в случае ненулевого (недостаточно низкого) входного сопротивления схемы, появляются дополнительные ошибки, связанные с выходным сопротивлением источника тока, который подается на вход схемы ПТН, более подробно данная проблематика освещена в литературе, к примеру, в опубликованном ранее источнике Глава 12.2 стр. 72-73 «Полупроводниковая схемотехника» (том 2, издание 12, изд. ДМК Москва, 2007, У. Титце, К. Шенк).
Техническим результатом предлагаемого изобретения является достижение более низкого входного сопротивления по сравнению со схемой прототипом и, как следствие, уменьшение ошибок преобразования и повышение линейности преобразования.
Указанный технический результат достигается за счет примененной схемотехники, по которой построен линейный преобразователь тока, включающий элементы электрической цепи источник напряжения, операционный усилитель, неинвертирующий усилитель, соединенные между собой, отличающийся тем, что неинвертирующий усилитель выполнен в виде усиленного каскада радиоэлектронных компонентов из полупроводниковых материалов, вход которого подключен на выход операционного усилителя, а выход — с резистором и с инвертирующим входом операционного усилителя, и образует петлю отрицательной обратной связи по напряжению, ток для преобразования подается на выход н инвертирующего усилителя, а преобразованный сигнал напряжения снимается с резистора в цепи питания неинвертирующего усилителя.
Термин «каскад» означает схему взаимного расположения (варианты) полевых и биполярных транзисторов и резисторов.
Резистор — компонент электронной аппаратуры, с помощью которого осуществляется регулирование и распределение электрической энергии между цепями и элементами схемы.
Транзисторы — радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, позволяющий выходным сигналом управлять электрическим током в цепи.
Операционный усилитель — усилитель постоянного и переменного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющим высокий дифференциальный коэффициент усиления.
Неинвертирующий усилитель — вход «плюс».
ПТН — преобразователь тока в напряжение.
ЦАП — цифро-аналоговый преобразователь.
Сущность предлагаемого изобретения пояснена на фиг. 2 и фиг. 3, где на фиг. 2 показана принципиальная схема линейного преобразователя тока в напряжение, на фиг. 3 показана схема линейного преобразователя тока в напряжение с вариантом исполнения неинвертирующего усилителя. На фиг. 1 показана схема-аналог, принятая за прототип.
На фиг. 2 показана принципиальная схема предлагаемого изобретения. Основой схемы является операционный усилитель 1, выход которого подключен на вход неинвертирующего усилителя 2 (выполненного в виде каскада), при этом образуется петля отрицательной обратной связи по напряжению. Выход неинвертирующего усилителя 2 соединен с резистором 3 и со входом преобразователя 5 входного тока I
Обратная связь это процесс передачи некоторой части усиленного сигнала с выхода каскада обратно на вход. Этот процесс, как правило, осуществляется при помощи цепей обратной связи. Согласно формуле изобретения образуется петля отрицательной обратной связи. Напряжение, снимаемое с выхода усилительного каскада, подается на его вход противофазно его входному напряжению.
Фактически схему ПТН фиг. 2 можно рассматривать как обычный усилитель по напряжению охваченный общей отрицательной обратной связью, с некоторым коэффициентом передачи Кп, в данном случае, равным 1. А неинвертирующий усилитель (2), можно рассматривать как выходной каскад получившегося усилителя, с той разницей, что вход ПТН является выходом усилителя, а выходной сигнал снимается с резистора в цепи питания неинвертирующего усилителя (выходного каскада).
Режим работы неинвертирующего усилителя 2 на фиг. 2 и фиг. 3 (выполненного в виде каскада) задается сопротивлением R1, формируемым резистором 3, и напряжением стабилизации U3, которое подается на неинвертирующий вход 4 операционного усилителя 1. На входе преобразователем входного тока 5 поддерживается постоянное напряжение, численно равное значению U3. и при этом обеспечивается низкое входное сопротивление за счет действия отрицательной обратной связи вне зависимости от входного тока, пока не исчерпаются возможности усиления по петле обратной связи.
Формулой изобретения предусмотрен признак «неинвертирующий усилитель выполнен в виде усиленного каскада радиоэлектронных компонентов из полупроводниковых материалов». В данном случае предполагается использование разных вариантов соединений транзисторов (полевых, биполярных) и резисторов.
На фиг. 3 показана схема линейного преобразователя тока с вариантом исполнения неинвертирующего усилителя на транзисторах VT1 и VT2, где VT2 обозначен биполярный транзистор, VT1 — полевой транзистор, Rсм — резистор, использование Rсм необходимо для установки рабочей точки транзистора VT1. Применение полевого транзистора VT1 на входе каскада усиления позволяет получить очень высокое входное сопротивление неинвертирующего усилителя 2 на фиг. 2 и на фиг. 3. Такое включение полевого транзистора VT1 с биполярным транзистором VT2 позволяет получить каскад с высоким входным сопротивлением и высокой крутизной преобразования. Ничтожно малый ток затвора полевого транзистора позволяет минимизировать (исключить) влияние тока I
Для анализа предположим, что в неинвертирующем усилительном каскаде 2 фиг. 2 и фиг. 3 применяются полевые транзисторы на входе, при этом ток затвора полевого транзистора пренебрежительно мал, тогда ток питания неинвертирующего усилительного каскада I4 равен выходному току I3 неинвертирующего усилительного каскада 2 фиг. 2 фиг. 3. Следовательно, идеальная передаточная функция линейного преобразователя тока в напряжение, будет описана уравнением:
U2=R2I4,
где I4=I3=I1+I2,
U2=R2(I1+I2)
Коэффициент преобразования по напряжению линейного преобразователя тока в напряжение определяется по формуле:
Этот коэффициент линейно зависит от сопротивления резистора 7 (R2) и тока на входе преобразователя ток-напряжение I1.
При этом входное сопротивление схемы ПТН можно выразить следующим уравнением:
, где
— выходное сопротивление неинвертирующего усилителя 2 фиг. 2 при разомкнутой петле отрицательной обратной связи схемы ПТН.
AD — дифференциальный коэффициент усиления операционного усилителя 1;
— коэффициент усиления неинвертирующего усилительного каскада;
— общий коэффициент усиления;
Таким образом, подставив значения в формулу для определения входного сопротивления всей схемы, получим выражение:
При использовании схемы «классического» преобразования, показанной на фиг. 1 (прототип), Rвх определяется по формуле:
, где
AD — дифференциальный коэффициент усиления операционного усилителя;
— выходное сопротивление операционного усилителя при разомкнутой общей отрицательной обратной связи.
Сравнивания два полученных выражения можно сделать вывод о том, что при прочих равных, т.е. когда коэффициент усиления схем численно равны а также выходное сопротивление неинвертирующего усилителя схемы предлагаемого ПТН, и выходное сопротивление операционного усилителя в схеме ПТН прототипа, равны , очевидно, что входное сопротивление предлагаемой схемы будет ниже, чем прототипа, т.к. в числителе уравнения для входного сопротивления отсутствует из цепей обратной связи R как в схеме прототипа.
Также стоит отметить, что низкое выходное сопротивление неинвертирующего усилителя получить значительно проще по сравнению со схемой прототипа за счет применения дискретных компонентов, что и продемонстрировано в схеме ПТН, изображенной на фиг. 3. Неинвертируемый усилительный каскад 2, выполненный на транзисторах VT1 и VT2, обладает высокой крутизной преобразования, что непосредственно влияет на уменьшение выходного сопротивления каскада.
Следовательно, подтверждается возможность достижения заявленного технического результата.
Как указано выше, возможны варианты схем неинвертирующего усилительного каскада с использованием полевых и/или биполярных транзисторов. Использование биполярных транзисторов в схеме позволяют получить аналогичный эффект.
Как показала практика, использование предложенного изобретения позволяет снизить уровень нелинейных искажений, улучшить коррекцию частотной и фазовой характеристик, уменьшить входное сопротивление.
Использование каскадных усилителей, формирование обратной связи (как положительной, так и отрицательной) в уровне техники известно. Изобретательский уровень предлагаемого изобретения состоит в том, что используется отличная от классической схемы ПТН схемотехника. Для получения выходного сигнала в виде напряжения используется ток питания неинвертирующего усилительного каскада, в котором содержится ток входного сигнала, который подается на выход неинвертирующего усилительного каскада (вход ПТН). Нелинейности, вносимые неинвертирующим усилительным каскадом и операционным усилителем, устраняются за счет применения петли отрицательной обратной связи по напряжению, также за счет отрицательной обратной связи обеспечивается низкое входное сопротивление.
Признаки формулы изобретения являются существенными и позволяют обеспечить заявленный технический результат: достижение более низкого входного сопротивления по сравнению со схемой-прототипом и, как следствие, уменьшение ошибок преобразования и повышение линейности преобразования
Линейный преобразователь тока в напряжение, включающий элементы электрической цепи, источник напряжения, операционный усилитель, неинвертирующий усилитель, соединенные между собой, отличающийся тем, что неинвертирующий усилитель выполнен в виде усиленного каскада радиоэлектронных компонентов из полупроводниковых материалов, вход которого подключен на выход операционного усилителя, а выход соединен с резистором и инвертирующим входом операционного усилителя, и образует петлю отрицательной обратной связи по напряжению, ток для преобразования подается на выход неинвертирующего усилителя, а преобразованный сигнал напряжения снимается с резистора в цепи питания неинвертирующего усилителя.
Стабилизаторы с малым падением напряжения в SOT89-5
Линейные стабилизаторы напряжения в SOT89 на ток 100 мА
Линейный стабилизатор напряжения в TO-252 на ток 0.5А
Линейный стабилизатор с малым падением напряжения на ток 1А
ПараллельныЙ стабилизатор напряжения в SOT89
Понижающие импульсные DC/DC преобразователи
Типовая схама включения MIC5233BM5Схема регулируемого стабилизатора напряжения с ультранизким током потребления Типовые схемы включения MIC4685BRПреобразователь 1,8 В Преобразователь 5/3,3 В | Корзина Корзина пуста |
Простой преобразователь напряжение — частота
Если требуется схема простого преобразователя напряжение — частота, то можно воспользоваться оригинальным схемотехническим решением, используя интегральный таймер серии 555 (советский аналог — КР1006ВИ1) и операционный усилитель серии 741 (советский аналог — К140УД7).
В стандартной схеме включения 555-го таймера времязадающий конденсатор заряжается от источника питания через резистор, эта RC цепь является времязадающей. В этой же схеме (рис. 1.) вместо резистора применён источник тока, выполненный на операционном усилителе DA1, так что заряд конденсатора С1 происходит линейно, и при достижении на нём некоторого напряжения конденсатор разряжается. Поскольку источник тока управляется входным напряжением, то и величина тока имеет линейную зависимость от входного напряжения, поэтому и заряд конденсатора С1, а следовательно, и частота следования импульсов на выходе таймера DD1 будет так же линейно зависеть от входного напряжения. При этом погрешность преобразования будет не более 3%.
Рис. 1. Схема преобразователя напряжения на интегральном таймере серии 555
График зависимости частоты от напряжения показан на рисунке 2, с теми параметрами резисторов и конденсаторов, что указаны на схеме, частота на выходе таймера будет почти линейно изменяться в диапазоне от 1,8 кГц до 24 кГц при изменении входного напряжения 0,5 до 7 В. При этом крутизна преобразования будет составлять примерно 3,4 кГц/В. На выходе таймера будут присутствовать короткие импульсы отрицательной полярности.
Рис. 2. График частота — напряжение преобразователя.
Ось Х — входное напряжение, вольт; ось Y — частота на выходе преобразователя, кГц.
При входных напряжениях, лежащих ниже 0,5 вольт, линейность преобразователя нарушается, так что это несколько ограничивает диапазон минимальных рабочих напряжений. Верхний диапазон входных напряжений ограничен напряжениями питания (+/-12 В) и особенностями схемотехнических реализаций 555 таймера и составлят примерно 7 вольт.
Стоит отметить, что напряжение на конденсаторе С1 изменяется пилообразно, так что эту схему можно использовать в качестве генератора пилообразного напряжения.
Так же смотрите другую схему преобразователя напряжение — частота на таймере серии 555
BACK MAIN PAGE
Результат эволюции линейных систем – Altium Universe
Данная статья является первой из цикла публикаций о широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Здесь рассказывается о ее назначении в современных электронных устройствах и приведен пример использования в линейном стабилизаторе напряжения с расчетами с помощью имитатора Altium Mixed Simulation.
Отличные идеи и разумные решения
В мире технологий есть разные способы достижения целей, как конечных, так и промежуточных. Некоторые из этих способов настолько успешны, что используются с невероятно высокой эффективностью. Для электроники, это также не исключение. В этой области, вероятно, более чем в других, находят свое применение великие идеи и гениальные инженерные решения.
Ярким примером этого является использование сигналов (энергии) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), которые применяются в любом современном электронном устройстве, будь то автопилот, смартфон, планшет, ноутбук, светодиодный прожектор или даже электронная игрушка, и помогает эффективно и экономично решать следующие вопросы:
- Преобразование напряжения или тока для питания отдельных цепей, узлов и блоков электронного устройства (стабилизация питающего напряжения цепей, стабилизация тока светодиодных осветительных приборов).
- Высокоэффективное усиление диапазона мощности аудиосигнала (усилитель мощности звука класса D с КПД, близким к 100%).
- Управление исполнительными механизмами, такими как гидравлические или пневматические клапаны (приводы аэродинамических поверхностей крыльев, рулей самолетов и ракет, автоматические трансмиссии автомобилей, блоки управления двигателями внутреннего сгорания и турбинами, промышленная автоматизация в самом широком смысле).
- Преобразование цифрового кода в конкретное пропорциональное значение напряжения или тока (альтернатива многим ЦАП).
- Передача информации (включая команды управления) о положении рабочего устройства (например, управление БПЛА и рулевыми механизмами роботов).
Этот факт ставит ШИМ на первое место в списке на изучение и анализ в реальных приложениях. Чтобы применять ШИМ эффективно, необходимо понимать трудности, с которыми инженеры сталкивались в прошлом, а также мысли и идеи, которые впоследствии были объединены в эффективные и целостные решения для управления энергией с использованием ШИМ.
Инженерные трудности
Например, есть устройство, которое требует стабилизированного напряжения питания 5 В и потребляет ток 2 А. У нас есть блок питания с выходным напряжением от 10 до 36 В. Как мы можем использовать его для питания нашего устройства? Первая мысль – использовать линейный преобразователь, чтобы «рассеять» дополнительное входное напряжение свыше 5 В. Поэтому давайте создадим и смоделируем линейный преобразователь напряжения для нашего устройства и проанализируем его характеристики с помощью расширения Mixed Simulation в Altium Designer.
Примечание. Чтобы исключить проблему поиска компонентов с особыми характеристиками, схема будет создана с использованием электронных компонентов стандартной библиотеки Simulation Generic Components, интегрированной в Altium Designer.
В новом проекте мы создаем схему «Линейный преобразователь» на базе операционного усилителя.
Представленная схема в значительной степени идеализирована и состоит из компонентов, которые только отражают идею. Операционный усилитель сравнивает опорное напряжение V2(Ref) с напряжением на R1 и применяет управляющее воздействие на биполярный транзистор Q1, который играет роль регулирующего элемента. В нашем случае схема сохраняет выходное напряжение V (load) = 5 В равное опорному напряжению V2(Ref).
Обратите внимание на значение R1. Имитатор позволяет вводить в качестве значений не только строгие значения, но и математические формулы и выражения. В нашем случае, это формула закона Ома: 5 В / 2 А, т.е. 2,5 Ом, и, конечно же, вместо дроби можно просто написать 2,5 и результат будет тот же.
Чтобы отобразить напряжения в узлах схемы, запустите расчет рабочих точек, затем выберите отображение требуемых физических величин: напряжение, мощность, токи.
Начальное условие следующее: источник выдает напряжения в диапазоне 10–36В, поэтому нам важно увидеть, как схема ведет себя в этих условиях, т.е. нам нужно построить функцию V(load)(V(V1)). Это позволяет настроить следующий тип анализа DC Sweep.
- В DC Sweep выберите параметр V1, который мы будем изменять, затем укажите его диапазон 10–36 В с шагом 0,1 В.
- В диалоговом окне «Add Output Expression» укажите / добавьте (+ Add) значение, которое мы хотим видеть на графике 1.
- В результате у нас есть функция V(Load)(V(V1)), настроенная для отображения на графике.
- Запустите расчет, щелкнув Run в поле DC Sweep; имитатор сразу отображает ситуацию на Графике 1.
График 1
- Ось абсцисс – входное напряжение V(V1).
- Ось ординат – напряжение нагрузки V(Нагрузка), равное 5 В.
Видно, что схема корректно работает во всем диапазоне входных напряжений.
Оценим эффективность этого решения. Нам нужно сравнить полную мощность схемы, которая равна выходной мощности источника V1, с эффективной мощностью в нагрузке R1. Для этого мы добавляем (+ Add) в диалоговом окне Add Output Expression в DC Sweep новые функции для входного напряжения V(V1) на требуемых компонентах, таких как P(R1), (V(V1)) и P(V1)(V(V1)) и отображаем их на Графике 2.
Запустите DC Sweep и просмотрите графики.
Когда входное напряжение составляет 10 В, мощность нагрузки составляет половину мощности от источника питания, то есть КПД схемы составляет 50%. При напряжении 36 В, можно оценить значение с помощью калькулятора. Однако имитатор может сделать это более точно. Для расчета эффективности схемы необходимо добавить (+ Add) в диалоговом окне Add Output Expression в той же функции DC Sweep. Введите «P(R1)/P(V1)) от V(V1)*100 в качестве выражения и результат отобразится на Графике 3.
Запустите DC Sweep и просмотрите графики.
Результат неутешительный. На графике 3 хорошо видно, как напряжение питания схемы увеличивается, а ее КПД линейно уменьшается с 50% до 14%. Если мы создадим такую схему, стоимость радиатора будет в несколько раз выше, чем общая стоимость электронной части этой схемы, без учета низкой эффективности использования энергии. Этот сценарий заставляет искать решения, которые смогут повысить эффективность преобразования энергии.-1:
Давайте посмотрим на весь список построенных нами графиков.
Запустите DC Sweep и просмотрите графики.
Нижний график – это изменение эквивалентного сопротивления Rq1 транзистора Q1. При увеличении КПД, значение Rq1 уменьшается, т.е. чем меньше сопротивление регулирующего элемента, тем выше КПД. Давайте изучим, что будет, если сопротивление регулирующего элемента станет равным нулю, и проверим, где и какая мощность будет генерироваться. Заменим транзистор Q1 на резистор R2 и посмотрим, как его сопротивление влияет на баланс мощности на схеме (нас не интересует напряжение на нагрузке R1). Для этого мы добавляем резистор в схему и скрываем электронные компоненты, которые не используются с помощью маски компиляции.
На этот раз мы отключаем (не удаляем) ранее вычисленные ненужные зависимости в DC Sweep, сняв соответствующие флажки.
Выберем параметр R2 в DC Sweep (который мы хотим изменить), затем мы указываем диапазон от 0 до 100 Ом с шагом 0,1 Ом и добавляем (+Add) новые функции в диалоговом окне Add Output Expression: P(R2) и P(R1) на R2.
Запустим DC Sweep. Будет много ошибок, которые отображаются в нижней части панели сообщений под графиками.
Вы все сделали правильно, но при работе с имитатором есть некоторые ограничения, которые необходимо знать, чтобы пользоваться им. Дело в том, что имитатор – это математическая машина, которая работает в «цифровом организме», ограниченная в своей способности представлять сверхмалые и сверхбольшие числа, из-за чего иногда (но не всегда!) терпит неудачу. В нашей ситуации имитатор явно делил что-то на ноль при расчетах. Имитатор не любит нулей и бесконечности сопротивлений и проводимостей.
В этой задаче имитатор отказал при нулевом значении сопротивления R2. Эту проблему легко решить. Вместо 0 Ом необходимо ввести небольшое ненулевое значение, например 1 мОм, которое не влияет на качество результата. Имитатор теперь легко справится с этой задачей.
Запустите DC Sweep и просмотрите графики.
Посмотрим внимательно, и мы увидим… Но нет! Возможно, смотреть тоже неправильно. Имитатор – это не только математическая машина, но телескоп и микроскоп одновременно. Он позволяет вам удобно видеть как маленькие, так и большие значения в одном окне, путем логарифмического искажения области отображения, то есть расширения малого и сжатия большого. Откройте диалоговое окно «Chart options», дважды щелкнув горизонтальную ось абсцисс графика.
Включите логарифмическую опцию и нажмите OK. Результаты показаны ниже.
Горизонтальная ось разделена на равные участки и их пределы различаются не на 10 Ом (как на предыдущем графике), а в 10 раз. Теперь вы можете в одном масштабе увидеть, что происходит в диапазонах и 0,1-1 Ом, 1-10 Ом и 10-100 Ом.
При взгляде на результат, кажется, что существует возможность расширить диапазон измерения вправо, поэтому давайте увеличим верхний диапазон в DC Sweep для параметра R2 в 100 раз, то есть до 10 кОм.
Чтобы оценить разницу в интерпретации,следует независимо оценить информативность графиков в линейном и логарифмическом масштабе, включив соответствующие параметры в диалоговом окне «Chart options». Имейте в виду, что все не так, как кажется, и то, что вы видите в линейной и логарифмической шкалах, — одно и то же. Это магия логарифма.
Вернемся к анализу графиков. Красный график – это мощность, передаваемая нагрузке, т.е. R1, а синий график – мощность, рассеиваемая на регулируемом элементе, т.е. R2. Как видите, если вы изменяете сопротивление управляемого элемента периодически (т.е. как можно быстрее) от 0 до бесконечности и обратно, вы можете подавать энергию от источника к нагрузке порциями без потери энергии на управляемом элементе! Этот режим регулируемого элемента известен как ключевой режим, а регулируемый элемент, работающий в этом режиме, часто называют ключевым. Отсутствие потерь энергии на ключе при крайних значениях его сопротивления очень интересно для практического применения. Ключевой режим является основой работы ШИМ-питания и позволяет с высокой эффективностью решать задачу его преобразования.
А глубже понять принципы ШИМ и её анатомию, вы сможете из второй части этой статьи, под названием: «Как продеть нитку в иголку?» в контексте изменения энергии.
Сравнение импульсных регуляторов постоянного тока и линейных регуляторов
Электронным системам часто требуется несколько напряжений для питания различных внутренних цепей. Неизолированные регуляторы — это распространенный и простой способ преобразовать одно напряжение в другое. Регуляторы обычно делятся на две категории в зависимости от метода преобразования: линейные или переключающиеся. Линейные регуляторы существуют уже давно, они дешевы и просты в использовании. Однако простота достигается за счет низкой эффективности.С другой стороны, импульсные регуляторы более дороги и немного сложнее внутренне, но значительно более эффективны и способны проводить большие токи без тех же тепловых проблем, что и линейный регулятор. В этом блоге мы исследуем, почему эффективность этих двух регуляторов так различается, и какое влияние это может оказать на конечный дизайн.
| Простая конструкция | Комплексное проектирование |
| Рассеивает избыточную мощность | Сохраняет избыточную мощность |
| Низкий КПД | Повышенная эффективность |
| Повышенное тепловое напряжение | Пониженное тепловое напряжение |
Линейные регуляторы
Чтобы объяснить, как работает линейный регулятор и почему он так неэффективен, мы начнем с примера приложения (рисунок 1).В этом случае у нас есть вход 24 В, который преобразуется в выход 6 В с нагрузкой 1 А.
Рисунок 1: Упрощенная схема линейного регулятораГлядя на рисунок 1, вы можете видеть, что все, что у нас есть между входом и выходом, — это транзистор (Q1), который также называется проходным элементом. Это означает, что напряжение на транзисторе (Q1) является разницей между входом и выходом.
Мы можем переписать это, чтобы найти выходное напряжение.
Из этого мы видим, что Vout регулируется путем управления напряжением на этом транзисторе.Управление Q1 осуществляется с помощью операционного усилителя, U1 и отрицательной обратной связи. U1 определяет Vout и сравнивает его с эталоном. Если Vout больше эталонного, то Q1 управляется меньше, и напряжение на нем увеличивается. Это приводит к уменьшению Vout. Если бы Vout был слишком низким, Q1 был бы более активным, чтобы снизить падение напряжения на Q1, что привело бы к увеличению Vout.
КПД линейного регулятора
Чтобы понять, почему линейные регуляторы настолько неэффективны, нам нужно взглянуть на путь тока нагрузки.Поскольку операционный усилитель U1 имеет входы с высоким импедансом и управляет только базой транзистора, мы предполагаем, что в него не поступает и не выходит ток. После удаления операционного усилителя все, что осталось, — это прямой путь от входа к выходу, что означает, что входной ток равен выходному току.
Теперь мы можем использовать эту информацию для расчета КПД и мощности, рассеиваемой линейным регулятором. Входная мощность равна Vin, умноженному на Iin.
Выходная мощность равна Vout, умноженной на Iout.
А КПД равен Pout, деленному на Pin.
Это приводит к рассеиваемой мощности, равной входной мощности за вычетом выходной мощности.
При нагрузке всего 6 Вт линейный регулятор рассеивает 18 Вт мощности. Это большая мощность, которую можно рассеять в таком маленьком корпусе без каких-либо радиаторов или воздушного потока. Типичное тепловое сопротивление 20 ° C / Вт линейного регулятора в корпусе TO-220 привело бы к повышению температуры на 360 ° C от перехода к окружающей среде, если бы не применялось терморегулирование.
Это явно не сработает, если не будут приняты меры для уменьшения теплового сопротивления, такие как радиатор или воздушный поток. Добавление радиатора и воздушного потока увеличивает размер, стоимость и сложность системы, что сводит на нет многие преимущества использования линейного регулятора (то есть стоимость и сложность). В данном примере в дополнение к воздушному потоку может потребоваться радиатор.
Последний интересный эффект от того, что входной ток равен выходному току, заключается в том, что расчет КПД можно упростить до Vout, деленного на Vin.
Из этого видно, что чем больше разница между входом и выходом, тем ниже КПД (рис. 2) и тем больше мощности будет рассеиваться в регуляторе. Изготовление линейных регуляторов нежелательно в случаях с большими отношениями входного напряжения к выходному напряжению.
Рисунок 2: КПД линейного регулятора в зависимости от входного напряжения для выхода 6 ВИмпульсные регуляторы
Импульсные регуляторы работают иначе, чем линейные регуляторы. Основное отличие связано с управлением транзистором.На рисунке 3 показан упрощенный понижающий стабилизатор, который представляет собой импульсный стабилизатор, который вырабатывает выходное напряжение ниже входного, и выполняет ту же функцию, что и линейный стабилизатор в нашем предыдущем примере.
Рисунок 3: Принципиальная схема понижающего импульсного стабилизатораСхема во многом аналогична линейному стабилизатору. Основное физическое отличие — это диод и LC-фильтр на выходе. Как и линейный регулятор, импульсный стабилизатор использует операционный усилитель и отрицательную обратную связь для управления транзистором.
Первое существенное отличие и причина того, что он называется импульсным стабилизатором, заключается в том, что транзистор приводится в действие таким образом, что он либо полностью включен (в идеале — короткое замыкание), либо полностью выключен (в идеале — разомкнутая цепь). Это сравнивается с линейным регулятором, в котором транзистор управляется линейно между полностью включенным и выключенным состояниями. Этот транзистор включается и выключается с высокой частотой и создает прямоугольную волну в узле, соединяющем Q1, D1 и L1, который мы называем узлом переключения (рисунок 4).
Рис. 4: Форма сигнала напряжения коммутирующего узлаВыходное напряжение регулируется путем управления средним значением напряжения коммутационного узла. Для работы с фиксированной частотой среднее значение равно времени включения переключателя, деленному на период, умноженный на входное напряжение.
Отношение продолжительности включения к периоду известно как коэффициент заполнения и в понижающем стабилизаторе равно отношению выходного напряжения к входному. В нашем примере это приводит к коэффициенту заполнения 25% для преобразования входного напряжения 24 В в выходное напряжение 6 В.
Эта прямоугольная волна на коммутационном узле подается в сеть L-C между коммутационным узлом и выходом. Сеть L-C представляет собой фильтр нижних частот и пропускает на выход только среднее значение или значение постоянного тока коммутационного узла. Таким образом, управляя продолжительностью включения и, следовательно, средним напряжением в коммутационном узле, переключающий преобразователь может управлять выходным напряжением. Этот процесс известен как широтно-импульсная модуляция (ШИМ).
КПД регулятора переключения
Чтобы понять, почему эта схема более эффективна, чем линейная, мы можем взглянуть на импульсный стабилизатор как во включенном, так и в выключенном состоянии при тех же условиях, что и в примере, который мы имели для линейного регулятора.
В открытом состоянии транзистор полностью открыт, поэтому он представляет собой короткое замыкание. В этом случае ток будет течь от входа к выходу, но потери в транзисторе равны 0 Вт, потому что при протекании тока напряжение на нем равно нулю. Все остальные элементы на пути тока (катушка индуктивности, конденсатор и диод) в идеале работают без потерь, и поэтому во время работы в идеале мощность не будет рассеиваться.
Рисунок 5: Понижающий стабилизатор во включенном состоянииВ выключенном состоянии транзистор полностью выключен и представляет собой разомкнутую цепь.В этом случае напряжение на транзисторе равно входному напряжению, но через него не течет ток, потому что это разомкнутая цепь. Мощность, рассеиваемая транзистором в этом состоянии, также равна 0 Вт. И снова, другие компоненты предполагаются без потерь.
Рисунок 6: Понижающий регулятор во время отключенияЭто показывает, что как во включенном, так и в выключенном состоянии импульсный регулятор в идеале не рассеивает мощность. Это означает, что верхний предел КПД равен 100%, тогда как линейный регулятор имеет верхний предел, равный Vout / Vin.
Другой способ взглянуть на это состоит в том, что входная мощность во время включения равна входному напряжению, умноженному на выходной ток, точно так же, как у линейного регулятора. Однако во время простоя ток не течет из входа, поэтому входная мощность равна 0 Вт. Среднее количество мощности, подаваемой в регулятор за один цикл переключения, равно входной мощности во время включения, умноженной на среднее значение. времени, в течение которого переключатель находится во включенном состоянии, что является продолжительностью включения. И поскольку в случае с понижающим коэффициентом заполнения коэффициент заполнения равен отношению выходного напряжения к входному напряжению, следующее уравнение показывает, что входная мощность в конечном итоге равна выходной мощности, что означает, что эффективность составляет 100%.
В действительности, катушка индуктивности, конденсатор и диод в понижающем стабилизаторе не идеальны и все будут нести потери, снижающие эффективность. Транзистор также не будет идеальным и будет иметь потери из-за сопротивления в открытом состоянии наряду с потерями из-за переключения. Следовательно, эффективность импульсного регулятора зависит от выбранных компонентов и условий эксплуатации. С другой стороны, эффективность линейного регулятора не зависит от выбранных компонентов и зависит только от условий входного и выходного напряжения.
Практические последствия низкой эффективности
Как упоминалось ранее, одной из основных причин того, что линейные регуляторы остаются настолько популярными, несмотря на их низкую эффективность, является их стоимость, простота и привычность. Однако, как обсуждалось выше, низкая эффективность и связанные с этим тепловые проблемы могут потребовать использования радиатора и воздушного потока, что противоречит этим преимуществам. Импульсные регуляторы являются эффективной альтернативой, и, хотя они могут быть более дорогими и сложными с самого начала, они могут снизить стоимость и сложность системы за счет уменьшения потребности в дорогих и громоздких устройствах управления температурой.Чтобы понять, сколько терморегулятора требуется для условий примера, на рисунке 6 показано параллельное сравнение линейного регулятора с радиатором, который с принудительным воздушным охлаждением допускает тот же диапазон рабочих температур, что и с выключенным CUI. полочный регулятор переключения.
Рисунок 7: Сравнение размеров с радиатором, включенным в линейный регуляторЧтобы упростить внедрение импульсных регуляторов в приложениях, которые традиционно использовали бы линейные регуляторы, CUI предлагает несколько серий импульсных регуляторов, совместимых по выводам и посадочным местам с классическим линейным регулятором серии 7800 в пакет ТО-220.Эти регуляторы обеспечивают КПД до 94% и могут работать при напряжении до 36 В с выходным напряжением до 3,3 В без необходимости какого-либо управления температурой при температуре окружающей среды выше 65 ° C (149 ° F).
Рисунок 8: КПД импульсного регулятора P78E15-1000 в зависимости от выходного токаДемонстрация видео
Посмотрите наш видеоролик CUI in the Lab для сравнения импульсных и линейных регуляторов.
Заключение
Линейные регуляторы— это испытанное и надежное решение для неизолированного преобразования напряжения.Однако их изначально низкая эффективность может стать серьезной проблемой, если они проводят большие токи или работают с большими отношениями входа к выходу. Импульсные регуляторы предлагают высокоэффективную альтернативу. Хотя импульсные регуляторы более сложны внутри и могут напугать тех, кто с ними не знаком, CUI Inc предлагает широкий ассортимент импульсных регуляторов с различными номинальными токами и пакетами, которые так же просты в использовании, как классический линейный регулятор.
Категории: Основы , Выбор продукта
Вам также может понравиться
У вас есть комментарии к этому сообщению или темам, которые вы хотели бы, чтобы мы освещали в будущем?
Отправьте нам письмо по адресу powerblog @ cui.ком
Когда LDO более эффективен, чем импульсный преобразователь мощности?
Питание: когда LDO более эффективен, чем импульсный преобразователь мощности?
Когда у вас есть одно напряжение (например, 5 В от USB-соединения), и вам нужно запитать компонент с меньшим напряжением (например, 3,3 В для микроконтроллера), у вас есть выбор: используете ли вы импульсный преобразователь или линейный регулятор для генерации меньшего напряжения? Одним из критериев, который следует учитывать при принятии этого решения, является эффективность.
Импульсные источники питания часто являются наиболее эффективным выбором. Импульсный источник питания, например понижающий преобразователь, использует широтно-импульсную модуляцию для генерации выходного напряжения постоянного тока. Когда разница между входным и выходным напряжением относительно велика, а выходной ток относительно высок, переключающие преобразователи, вероятно, являются наиболее эффективным выбором. Когда выходное напряжение должно быть изолированным, инвертированным или превышающим входное напряжение, вероятно, единственным выбором будут импульсные преобразователи.
Линейные регуляторы обычно меньше, дешевле, тише и проще в реализации по сравнению с импульсными преобразователями. Эти особенности делают линейные регуляторы предпочтительными в определенных приложениях. Они считаются неэффективными по сравнению с импульсными преобразователями. Это верно во многих, но не во всех случаях. Фактически, есть определенные случаи, когда линейный регулятор столь же эффективен (или более эффективен!), Чем понижающий преобразователь. Линейные регуляторы являются эффективным выбором при относительно низком токе или при относительно небольшом падении напряжения.
Малый ток нагрузки (состояние небольшой нагрузки)
Импульсные источники питания — хороший выбор, когда выходная мощность намного превышает мощность, рассеиваемую схемой переключения (которая зависит от частоты коммутации, рабочего тока для активного оборудования, RDSON переключателей, время нарастания и спада коммутационного узла, сопротивление постоянному току силового дросселя, пути тока коммутации, паразитная емкость и т. Д.). Для справки: здесь находится отличный источник для расчета потерь понижения.Эти потери определяют эффективность понижающего преобразователя.
Понижающий преобразователь становится менее эффективным, когда выходная мощность примерно такая же, как мощность, необходимая для управления и работы схемы; на некоторые активные потери в цепи снижение выходного тока не влияет. В современных микросхемах импульсных регуляторов реализована функция малой нагрузки или пропуска цикла для повышения эффективности при малых нагрузках. Обратной стороной этого режима является увеличение пульсаций напряжения; пропуск циклов приводит к более низкой эффективной частоте переключения, что вызывает более низкие пульсации выходного напряжения и требует фильтрации выходного сигнала с меньшей полосой пропускания (компоненты пассивной фильтрации с большим значением).
Сравните графики ниже, чтобы увидеть разницу между линейным стабилизатором (Micrel MIC5365-3.3) и понижающим преобразователем (Texas Instruments LM3670), используемым для регулирования 3,3 В от источника питания 5 В. Если нагрузка потребляет ток 100 мкА, обе цепи работают с КПД около 60%. При меньших токах нагрузки КПД примерно такой же.
Обратите внимание, что рассеивание мощности в линейном регуляторе или импульсном источнике питания вызывает повышение температуры перехода внутри интегральных схем.Очень важно поддерживать температуру перехода в пределах опубликованных рабочих характеристик; для этого может потребоваться радиатор или другое охлаждающее устройство. Выполняя важные расчеты во время проектирования электрооборудования, можно отказаться от радиатора или указать его заранее, чтобы упростить процесс проектирования изделия.
Малая разница напряжения между VIN и VLOAD
Линейный регулятор действует как резистор с регулируемым током, понижая любое напряжение, необходимое для получения «правильного» выходного напряжения для любого тока, необходимого для нагрузки (в пределах указанного диапазона ).Рассеиваемая мощность в линейном регуляторе определяется этим «резистором с регулируемым током». Когда напряжение источника питания почти соответствует напряжению нагрузки, рассеиваемая мощность относительно мала.
Посмотрите на график ниже, чтобы увидеть разницу между линейным стабилизатором (Micrel MIC5365-3.3) и понижающим преобразователем (Texas Instruments LM3670), используемым для регулирования 3,3 В от источника питания 3,5 В. В этом случае малое падение напряжения линейного регулятора означает, что он более эффективен при всех токах нагрузки.Это возможно только при использовании линейного регулятора с малым падением напряжения вблизи его напряжения падения.
Посмотрите на график ниже, чтобы увидеть влияние падения напряжения на эффективность для того же тока нагрузки (для тех же силовых цепей, рассмотренных выше). По мере увеличения падения напряжения на линейном регуляторе КПД линейно уменьшается, как и ожидалось. Существует предел, при котором понижающий преобразователь и линейный регулятор имеют одинаковый КПД; этот предел зависит от конкретного расчета потерь в понижающем преобразователе и технических характеристик линейного регулятора.
Понижающий преобразователь является более эффективным и универсальным выбором, когда разница между входным и выходным напряжением относительно велика или выходной ток относительно высок. В условиях небольшой нагрузки или при использовании функции низкого падения напряжения линейный регулятор может обеспечить аналогичную (или лучшую!) Эффективность в более простом, дешевом и физически меньшем корпусе, чем импульсный источник питания.
NK Labs, LLC — инженерная фирма по разработке продуктов в Кембридже, Массачусетс.У нас большой опыт в разработке бытовой электроники, робототехники и других инновационных продуктов. Пожалуйста, рассмотрите нас для вашего следующего инженерного проекта!
#LDO #switchingpowersupply #switchingpowerconverter #buckconverter #efficiency
Что такое импульсный регулятор?
Что такое импульсный регулятор? 1. Основная роль Импульсный регулятор (преобразователь DC-DC) — регулятор (стабилизированный источник питания).Импульсный регулятор может преобразовывать входное напряжение постоянного тока (DC) в желаемое напряжение постоянного тока (DC).
В электронном или другом устройстве импульсный стабилизатор выполняет роль преобразования напряжения от батареи или другого источника питания в напряжения, необходимые для последующих систем.
Как показано на рисунке ниже, импульсный стабилизатор может создавать выходное напряжение (V OUT ), которое выше (повышающее, повышающее), более низкое (понижающее, понижающее) или имеющее полярность, отличную от входной. напряжение (В IN ).
2. Типы регуляторов переключенияИмпульсный регулятор — это регулятор (стабилизированный источник питания), и существуют следующие типы импульсных регуляторов.
| Регулятор (стабилизированный источник питания) | Импульсный регулятор (DC-DC преобразователь) | Изолированный импульсный регулятор | ||
| Неизолированный импульсный регулятор | ||||
| Линейный регулятор | Шунтирующий регулятор | |||
| Регулятор LDO | ||||
В этой статье дается подробное объяснение функций и работы «неизолированных импульсных регуляторов».”
В неизолированных импульсных регуляторахтакже используются следующие системы и режимы работы.
Щелкните термин, чтобы узнать больше.
3. Характеристики регулятора переключенияНиже приводится описание характеристик неизолированного импульсного регулятора.
Высокая эффективностьПосредством включения и выключения переключающего элемента импульсный регулятор обеспечивает высокоэффективное преобразование электроэнергии, поскольку он подает необходимое количество электроэнергии только тогда, когда это необходимо.
Линейный регулятор — это другой тип регулятора (стабилизированный источник питания), но поскольку он рассеивает любые излишки тепла в процессе преобразования напряжения между V IN и V OUT , он не так эффективен, как импульсный стабилизатор.
Самый простой способ объяснить, как импульсный стабилизатор может эффективно преобразовывать напряжение, — это сравнить его с линейным стабилизатором.
Например, если входное напряжение (V IN ) составляет 5,0 В, выходное напряжение (V OUT ) равно 2.5 В и ток нагрузки (I OUT ) 0,1 А,
В линейном регуляторе
Входная мощность = Входное напряжение × ток нагрузки
= 5,0 В × 0,1 А
= 0,5 Вт
Выходная мощность = Выходное напряжение × ток нагрузки
= 2,5 В × 0,1 А
= 0,25 Вт
Поскольку эффективность = Выход мощность ÷ Входная мощность, КПД линейного регулятора 50%.
Импульсный стабилизатор, однако, управляет периодом подачи входного напряжения путем включения и выключения переключающего элемента, так что V OUT становится равным 2.5В. Этот период времени, когда подается входное напряжение, составляет
.В ВЫХ В ВХОД = 2,5 В 5,0 В = 1 2
Отсюда видно, что напряжение подается на полпериода. Точно так же, если вы попытаетесь получить эффективность от входной и выходной мощности, мы получим следующее:
Входная мощность = Входное напряжение × ток нагрузки × 1 2
= 5,0 В × 0,1 А × 1 2
= 0,25 Вт
Входная мощность = Выходное напряжение × ток нагрузки
= 2.5 В × 0,1 А
= 0,25 Вт
Рассчитывая КПД по приведенному выше уравнению: КПД = Выходная мощность ÷ Входная мощность, мы получаем значение 100%. Вот почему импульсный стабилизатор обеспечивает высокий КПД.
* Поскольку есть реальные потери, истинная цифра составляет около 90%.
Операции включения / выключения переключающего элемента в импульсном стабилизаторе вызывают внезапные изменения напряжения и тока, а также паразитные компоненты, которые вызывают звон, все из которых вносят шум в выходное напряжение.
Использование соответствующей разводки платы эффективно снижает уровень шума. Например, оптимизация размещения конденсатора и катушки индуктивности и / или проводки. Для получения дополнительной информации о механизме генерации шума (звонка) и о том, как им управлять, обратитесь к примечанию по применению «Меры противодействия шумам понижающего регулятора».
Сравнение характеристик импульсного регулятора и линейного регулятора| Регулятор переключения | Линейный регулятор | |
| Система преобразования выходного напряжения | Понижение, повышение, повышение / понижение, инверсия | Только понижающий; V OUT должен быть меньше V IN |
| КПД | Высокое (незначительное тепловыделение) | Сравнительно низкое (сильное тепловыделение) Низкое, когда разница между входным и выходным напряжением велика |
| Выходной ток | Большой (высокий КПД означает большой ток) | Малый |
| Шум | Большой | Малый |
| Пульсации на выходе | Настоящее время | Нет |
| Необходимые внешние компоненты | Многие C IN , C OUT , L, (SBD) | Несколько C ВХОД , C ВЫХОД |
Регулировка напряжения — линейные и импульсные регуляторы • Wolles Elektronikkiste
Об этом сообщении
В этой статье я хотел бы представить различные варианты регулирования напряжения.Прежде всего, речь идет о том, как вы можете обеспечить заданное напряжение с заданными источниками электропитания. Подробно остановлюсь на следующих темах:
Напряжение питания от плат или через них
Любой, кто войдет в мир микроконтроллеров через платы Arduino, будет использовать их существующую удобную инфраструктуру, особенно вначале. Питание платы осуществляется через интерфейс USB. Для питания других элементов, таких как датчики или светодиоды, имеется выход 3,3 и 5 вольт.Последнее, по крайней мере, относится к платам Arduino на базе AVR.
Регуляторы напряжения, используемые на платах, также позволяют работать с напряжением питания от 7 до 12 вольт. Для этого используется пин «VIN» или, например, на Arduino UNO, розетка питания.
Arduino Nano: входной контакт для питающего напряжения и преобразователя напряженияПока так удобно. Однако самое позднее, если вы
- хотите использовать чистый микроконтроллер (как в этой статье про ATmega328P или в этой про ATtinys), или
- вам нужно больше мощности, чем может предоставить плата (мы скоро узнаем, сколько это есть),
нужно еще раз подумать о подходящем блоке питания.
Напряжение питания с линейными регуляторами напряжения
Линейные регуляторы напряжения (сокращенно: линейные регуляторы) — это преобразователи постоянного / постоянного тока, которые обычно выдают напряжение от 3 до 24 вольт. Линейный регулятор сравнивает выходное напряжение с эталонным значением. Если выходное напряжение отклоняется, оно соответственно усиливается. Различают фиксированные линейные регуляторы, которые выдают фиксированное значение напряжения, и регулируемые линейные регуляторы.
Для большинства линейных регуляторов входное напряжение должно быть на 2–3 В выше желаемого выходного напряжения.
КПД линейных регуляторов напряжения
В линейном регуляторе входной ток I равен выходному току. Меняется только напряжение U. Для производительности P это означает:
P_ {in} = U_ {in} \ cdot I \; \; \; \ text {and} \; \; \; P_ {out} = U_ {out} \ cdot I P_ {рассеивание} = P_ {in} - P_ {out} = (U_ {In} -U_ {Out}) \ cdot I Для КПД η:
\ eta = \ frac {U_ {out}} {U_ {in}} \ cdot100 \% Другими словами, чем больше разница напряжений, тем хуже КПД.А поскольку рассеиваемая мощность преобразуется в тепло, может потребоваться снабдить регулятор напряжения радиатором.
С трансформатором все по-другому. Там ток также меняется, так что произведение U и I остается постоянным. По крайней мере, это касается идеального трансформатора.
Какую мощность могут подавать Arduino UNO, Nano и Pro Mini на выводе 5 В?
Вопрос все еще оставался открытым. При питании от USB предел составляет около 500 миллиампер, что связано с интерфейсом USB, а не с Arduino.При питании от VIN или розетки, рассеиваемая мощность преобразователя напряжения на плате является ограничивающим фактором. Превышение 1 ватта не допускается. Это означает, например, при питании от сети 9 вольт:
1000 \, [\ text {mW}] = (9 \, [\ text {V}] - 5 \, [\ text {V}]) \ cdot I_ {max} \, [\ text {mA}] I_ {max} = \ frac {1000} {4} = 250 \, [\ text {mA}] Блок питания с серией L78xx
L7805Серия L78xx, вероятно, самая известная серия фиксированных линейных регуляторов.Вы также можете иногда найти их под названием LM78xx, MC78xx или аналогичным. «Xx» обозначает выходное напряжение, которое обычно составляет 5, 6, 8, 9, 12, 15, 18 или 24 вольта. Таким образом, L7805 обеспечивает 5 вольт, L7824 обеспечивает 24 вольт.
Представители серии L78xx обычно выдают от 1 до 1,5 ампер. Серия L78 S xx выдает ток до 2 ампер. Кроме того, есть серия L78 M xx для токов до 500 мА и серия L78 L xx до 100 мА.
Стабилизаторы напряженияL78xx доступны в различных исполнениях, например, модель TO-220, показанная здесь. Контакт 1 — это вход, контакт 2 — GND, а контакт 3 — выходной. Вы можете найти техническое описание серии L78xx здесь.
Подключение регуляторов напряжения L78xx
Подключить регуляторы напряжения L78xx просто. Вам понадобится всего несколько конденсаторов. В зависимости от типа источника напряжения и нагрузки рекомендуются разные размеры. Очень часто вы встретите комбинацию 330 нФ и 100 нФ.
Пример: напряжение питания 5 В от 9 В для L7805Чтобы сделать схему еще более устойчивой к колебаниям, вы можете добавить конденсаторы большего размера:
Блок питания с L7805 с конденсаторами большего размераСимметричный блок питания с L78xx и L79xx
Для некоторых приложений, например для определенных схем операционных усилителей, требуется симметричный источник питания. Для обеспечения отрицательного напряжения вы можете выбрать серию L79xx. Например, чтобы генерировать +/- 5 вольт, вы можете использовать следующую схему (для ясности я пропустил конденсаторы!):
Симметричный блок питания с L7805 и L7905Регуляторы напряжения фиксированные линейные фиксированные прочие
Серия L78xx, безусловно, самая популярная, но существует множество других стабилизаторов напряжения.Arduino Nano, показанный выше, использует AMS1117-5.0 (лист данных здесь), который, как следует из названия, выдает 5 вольт. В этих полезных макетных адаптерах используется комбинация AMS1117-5.0 и AMS1117-3.3:
Блок питания с макетным адаптером на базе AMS1117Если для вас проблема, что входное напряжение большинства линейных регуляторов должно быть примерно на 2,5 В выше, чем выходное напряжение, вы можете прибегнуть к регуляторам с малым падением напряжения (LDO). Для них минимальная разница напряжений составляет один вольт или меньше.Между прочим, AMS1117 также является LDO и поэтому хорошо подходит, если вам нужно подавать на отдельные компоненты 3,3 вольта в 5-вольтовом проекте.
Если 2 ампера серии L78Sxx недостаточно, вы можете переключиться на более мощные типы, такие как серия LT108x. LT1083, например, может обеспечить до 7,5 ампер.
Однако, чем особенных пожеланий, тем быстрее растет цена. Если L7805 все еще доступен по цене от 20 до 30 центов, вам придется заплатить невероятную сумму от 10 до 20 евро за LT1083CP.
Блок питания с LM317
LM317Классическим регулируемым линейным стабилизатором напряжения является LM317. С его помощью вы можете генерировать напряжение от 1,25 до 37 вольт. Входное напряжение должно быть как минимум на три вольта выше выходного напряжения. Максимальный ток указан как минимум 1,5 ампера (см. Лист данных).
LM317 имеет три контакта Adjust (1), Output (2) и Input (3).
Здесь показана конструкция TO-220, но LM317 также доступен как SMD.
Электропроводка LM317
Выходное напряжение LM317 регулируется двумя резисторами. Вот, например, схема, вырабатывающая 5 вольт:
Пример схемы: Источник питания с LM317LM317 устанавливает фиксированное напряжение 1,25 В между OUT и ADJ, которое падает на R1. Резисторы R1 и R2 служат делителем напряжения, на котором падает выходное напряжение U out . Следовательно:
\ frac {U_ {out}} {R_1 + R_2} = \ frac {1,25} {R_1} U_ {out} = 1.25 \ cdot \ frac {R_1 + R_2} {R_1} = 1,25 \ cdot \ left (1+ \ frac {R_2} {R_1} \ right) Для R1 рекомендуется значение сопротивления 240 Ом.
Если вы используете регулируемый резистор в качестве R2, вы можете гибко настраивать выходное напряжение. Однако убедитесь, что вы ничего не повредите только потому, что сопротивление могло быть просто неблагоприятным. Лучше измерять выходное напряжение перед тем, как что-либо подключать.
Конденсаторы, выбранные на принципиальной схеме, соответствуют рекомендациям паспорта.
LM317 как ограничитель тока
Я не хочу делать эту статью слишком длинной. Таким образом, здесь есть только подсказка без дополнительных пояснений, что вы также можете использовать LM317 в качестве ограничителя тока. Если вы перейдете по этой ссылке, то получите компактное описание, в том числе онлайн-калькулятор.
Ток покоя линейных регуляторов напряжения
К сожалению, регуляторы напряжения потребляют ток, даже если ток не поступает с выходной стороны. Для L7805 я измерил 3 мА при входном напряжении 9 В, для LM317 было даже 5 мА.Это может быть убийственным критерием для проектов, основанных на батареях.
Блок питания с импульсными регуляторами
Основным недостатком линейных регуляторов напряжения является потенциально большая рассеиваемая мощность. И последнее, но не менее важное: это привело к разработке импульсных регуляторов, которые работают намного более эффективно по сравнению, особенно с большими различиями между входным и выходным напряжением.
Технология импульсного регулирования позволяет не только уменьшить, но и увеличить выходное напряжение по сравнению с входным.Модули, уменьшающие входное напряжение, называются понижающими преобразователями («Tiefsetzsteller» на немецком языке). Неудивительно, что модули, повышающие входное напряжение, называются повышающими преобразователями («Hochsetzsteller»).
Понижающий преобразователь
Принцип
Постараюсь кратко описать своими словами принцип работы понижающего преобразователя (надеюсь, это как-то понятно на моем английском). Вот схема:
Понижающий преобразователь: принципиальная схемаMOSFET — управляющая часть в этой схеме.Он открывается и закрывается с высокой частотой. Управляющим параметром является ширина импульса. Если МОП-транзистор является проводящим (разомкнутым), диод блокируется, и ток течет в катушку индуктивности. Возникает магнитное поле, которое противодействует току. Следовательно, ток и напряжение увеличиваются медленнее. Если MOSFET заблокирован, магнитное поле в катушке индуктивности ухудшается, вызывая ток (здесь можно найти красивую анимацию). Электричество хочет, так сказать, продолжать течь. Катушка индуктивности потребляет ток, и в этом направлении диод является проводящим, так что цепь формируется через диод, катушку индуктивности и нагрузку на выходе.При взаимодействии катушки индуктивности и конденсатора ток или напряжение сглаживаются.
Катушка индуктивности — это своего рода накопитель энергии, который заполняется ровно настолько, насколько это необходимо на выходной стороне. Также важно, чтобы MOSFET переключался на высокой частоте. Если бы он переключался медленно, на выходной стороне возникло бы треугольное напряжение, которое в промежутке снова упало бы до нуля. Благодаря высокой частоте и контролируемой ширине импульса напряжение поддерживается на регулируемом уровне. Тем не менее, осциллограф по-прежнему показывает определенную степень напряжения треугольника (пульсации).Вы увидите это ниже на примере.
Если вы хотите услышать, как это снова объясняется другими словами, не подвергаясь бомбардировке формулами, я рекомендую это видео на YouTube.
А как насчет P = U x I?
В отличие от линейных регуляторов напряжения, выходной ток больше входного, так как ток продолжает течь, даже если МОП-транзистор заблокирован.
Напряжение U уменьшается, но увеличивается ток I, и, таким образом, мощность P остается постоянной.Но, конечно, и здесь есть потери, но они намного меньше, чем у линейных регуляторов.
Пример, LM2596
Ниже вы видите понижающий модуль LM2596 с потенциометром для регулировки выходного напряжения. Если вы не хотите заниматься расчетом компонентов (катушка индуктивности, конденсатор), такой модуль — хорошее решение.
Фактический LM2596 — это ИС с 5 контактами. Он доступен как версия для фиксированного напряжения 3,3, 5 или 12 В (LM2596xx) или регулируемого, как показано здесь.(LM2596-ADJ).
Модуль на базе LM2596-ADJПо заявлению поставщика, эта модель может обеспечивать напряжение от 4 до 34 вольт и может работать без радиаторов до 1 ампера. Для эффективной работы LM2596 входное напряжение должно быть как минимум на 2 В выше, чем выходное напряжение. По заявлению поставщика убыток составляет максимум 8%.
Сама микросхема LM2596 соответствует МОП-транзистору с его управлением на схеме, показанной выше. Используя вывод «обратной связи», он проверяет выходное напряжение и соответствующим образом регулирует сигнал ШИМ.Тактовая частота LM2596 составляет 150 кГц, что соответствует периоду 6,66 микросекунд.
Несколько измерений на модуле LM2596
Я установил на LM2596 выход 5 вольт и запустил небольшую нагрузку (некоторые светодиоды). Затем я использовал осциллограф, чтобы посмотреть сигнал напряжения. Характерное колебание («пульсация») составляло немногим более 60 мВ. Однако, к моему удивлению, период (от пика до пика) был довольно близок к 20 мкс вместо ожидаемых 6,6 мкс, что соответствует частоте 50 кГц.Был ли здесь установлен оригинальный LM2596?
Выходное напряжение на модуле LM2596 при низкой нагрузке Кривая напряжения при более высокой нагрузкеПри более высокой нагрузке интересно посмотреть, как увеличивается рабочий цикл сигнала ШИМ, то есть отношение «включен» или «высокий» к периоду. Пульсации тоже возрастают, здесь почти до 100 мВ. Однако для большинства целей это не проблема.
Понижающий преобразователь на большие токи
Если вам нужны действительно большие токи, напримерОт 5 до 10 ампер, то даже относительно низкие потери понижающих преобразователей приведут к значительному тепловыделению. В этих случаях вы можете использовать таких «монстров», как показано ниже. Кстати, вы можете найти все на Amazon или в других интернет-магазинах, если выполните поиск по запросу «понижающий преобразователь».
Понижающий преобразователь для больших токов Понижающий преобразователь с ограничителем токаКстати, преобразователь справа вверху интересен еще и тем, что вы можете установить выходной ток в дополнение к выходному напряжению.Затем это можно использовать, например, для управления светодиодами питания.
Понижающий преобразователь с ограничителем тока Индикатор питанияБолее компактные импульсные регуляторы
Необязательно покупать коммутационные контроллеры в виде модуля. Они также доступны в очень компактной конструкции для различных напряжений и токов.
Компактные импульсные регуляторыОднако такие детали не совсем дешевы. До 500 мА они по-прежнему доступны менее чем за 5 евро, для 1,5 или 2 ампер — от 10 до 20 евро.В этом отношении у Конрада есть хорошо структурированный диапазон. Найдите DC преобразователи постоянного тока.
Потребление тока покоя понижающих преобразователей
Понижающие преобразователи, как и линейные регуляторы напряжения, также имеют значительное потребление тока покоя. Для модуля LM2596 я измерил ток покоя 7 мА при входном напряжении 9 вольт и выходном напряжении 5 вольт.
На голой микросхеме LM2596 есть контакт включения / выключения. В выключенном состоянии потребляемая мощность находится в диапазоне микроампер.К сожалению, контакт on / pff на модуле не используется.
Повышающий преобразователь
Повышающий преобразователь состоит из тех же частей, что и понижающий преобразователь, только устройство отличается. И это может быть немного труднее понять. Здесь снова схема:
Повышающий преобразователь: принципиальная схемаЕсли МОП-транзистор разомкнут (токопроводящий), U I полностью падает на катушку индуктивности. Магнитное поле, которое накапливается и противодействует току, заряжает индуктор как своего рода накопитель энергии.Если МОП закрыт, индуктор высвобождает свою энергию. Теперь ток протекает через диод и потребителя на выходной стороне. Конечно, индуктор заряжается, даже когда МОП-транзистор заблокирован. Важно отметить, что индуктор может накапливать больше энергии, когда Mosfet открыт, чем когда он заблокирован, поскольку в последнем случае только часть U I попадает на катушку индуктивности.
Примеры
Я испытал два модуля повышающих преобразователя. Один основан на ИС «E50D».Другой основан на микросхеме MT3608. Я нашел только техпаспорт на микросхему MT3608 (здесь ссылка).
Модули повышающего преобразователяМодуль на базе E50D выдает фиксированное напряжение 5 вольт. Например, он хорошо подходит для обеспечения напряжения 5 вольт от литиевой батареи (3,7 вольт).
Модуль MT3608 обеспечивает регулируемое выходное напряжение до 28 вольт при входном напряжении от 2 до 24 вольт. Максимальный ток составляет 2 ампера. Я не пробовал, но смею сомневаться, что на самом деле возможно подтянуть источник питания 2 В до 28 В и потреблять 2 А одновременно с этим модулем.Здесь вам непременно нужно будет проверить, как далеко вы действительно можете зайти. По заявлению поставщика КПД составляет 93%.
С помощью осциллографа я снова смог увидеть типичную пульсацию (здесь, на модуле E50D):
Питание 5 В с модулем E50DПрименение: Управление микроконтроллером с паровым двигателем
По-прежнему заинтересованы? Немного я еще должен доложить. Чтобы поднять настроение, давайте продолжим работу с приложением, которое не совсем серьезное. Я одолжил паровой двигатель своего сына и использовал ATtiny85, который, в свою очередь, мигал двумя светодиодами.
Генератор парового двигателя выдает довольно непостоянное постоянное напряжение, которое также зависит от скорости. Я мог достичь максимум около 4 вольт. С помощью конденсаторов я сгладил напряжение, а затем повысил его до 5 вольт с помощью повышающего преобразователя. Вот видео:
Сила esbit! Старшие помнят пахнущее рыбой сухое топливо. Кстати: уже знали, что означает Itbit? «Бреннстофф Эриха Шумма в Таблетке» — это был бы хороший вопрос для викторины (по крайней мере, для немцев). Но теперь я раскрыл его…
Блок питания с импульсными блоками питания
Напоследок несколько слов об импульсных блоках питания.Они преобразуют переменный ток 230 В в постоянный ток низкого напряжения. Благодаря технологии переключения вам не нужны большие трансформаторы, потому что требуемый ток преобразуется, так сказать, небольшими порциями. Схематично это выглядит:
Импульсный источник питания: принципиальная схемаЯ нашел здесь хорошее объяснение импульсных источников питания. Краткая версия:
- Выпрямитель преобразует переменное напряжение в «горбатое» постоянное напряжение.
- Катушка индуктивности и конденсатор сглаживают напряжение
- Переключатель (эл.грамм. Mosfet) преобразует постоянное напряжение в импульсное напряжение.
- Трансформатор преобразует уровень импульсов напряжения.
- Катушка индуктивности и конденсатор сглаживают импульсное напряжение
Вы можете купить импульсные блоки питания, которые вы сами подключаете к сети 230 В. Лично я не хочу работать с напряжением 230 В и настоятельно рекомендую не делать этого тем, кто не знает, что именно они делают! Я все равно пробовал:
Импульсные блоки питания для установкиЕсли вы хотите работать от электросети и вам нужно 5 вольт, то я бы рекомендовал такие блоки питания с выходом USB.С небольшой переходной платой за <1 евро напряжение можно удобно использовать на макетной плате.
Импульсный источник питания USB с перемычкойПодтверждение
Я нашел изображение поста на Pixabay. Благодарю фотографа Йонаса Манске.
Обеспечение ваших электронных проектов | Мастерская DroneBot
Введение
Если вы хоть немного работали с Arduinos и другими электронными устройствами, вы, вероятно, придумали способ их включения на своем рабочем месте.Блоки питания USB и настольные блоки питания отлично справятся со своей задачей. С Arduino вы можете просто подключить устройство к USB-порту компьютера. Получить электричество еще никогда не было так просто!
Но после того, как вы закончите свой дизайн, вам часто захочется создать более постоянную версию своего проекта, и для этого вам нужно будет подумать, как обеспечить ему мощность.
Электронным устройствам, таким как Arduino, для работы требуется напряжение «логического уровня». Эти напряжения «логического уровня» бывают двух видов — традиционные 5 В постоянного тока, также известные как напряжение «уровня TTL», и энергосберегающие 3.Источник постоянного тока 3 В, который используется во многих маломощных устройствах. В обоих случаях необходимо достаточно точно регулировать напряжения, чтобы не повредить компоненты.
Блок питания USB может быть простым решением во многих случаях. Он обеспечивает регулируемое питание 5 В постоянного тока, которое подходит для большинства электронных устройств, а его полностью закрытая конструкция защищает вас от любой опасности поражения электрическим током.
А что, если вы хотите питать свое устройство от батареек? Получение точных и последовательных 5 или 3.3 вольта от батареи — это проблема, тем более что батарея разряжается.
Сегодня мы рассмотрим несколько недорогих вариантов обеспечения регулируемой мощности для ваших электронных устройств.
Общие требования к напряжению
Существует несколько стандартных уровней напряжения, которые могут потребоваться для вашей конструкции, для некоторых конструкций потребуется более одного из них. Вот некоторые из них:
- 3,3 В постоянного тока — это обычное напряжение, используемое в маломощных цифровых устройствах.
- 5 В постоянного тока — это стандартное напряжение TTL (транзисторная транзисторная логика), используемое цифровыми устройствами.
- 6 В постоянного тока — Часто используется для двигателей постоянного тока и серводвигателей.
- 12 В постоянного тока — Также используется с двигателями постоянного тока, а также со многими шаговыми двигателями.
- 48 В постоянного тока — Используется в профессиональной аудиотехнике в качестве «фантомного источника» для микрофонов.
Все вышеперечисленные уровни напряжения положительны относительно земли. Некоторые старые конструкции также требовали отрицательного напряжения, например, -12 В постоянного тока использовалось в последовательном соединении RS-232, которое раньше было стандартом для всех компьютеров и модемов.Для аудиоусилителей часто требуются как положительные, так и отрицательные источники питания.
Регулировка напряжения
Напряжение логического уровня требует очень точного регулирования. Например, для правильной работы логики TTL напряжение питания должно быть между 4,75 и 5,25 вольт, любое более низкое значение приведет к прекращению правильной работы логических компонентов, а более высокое может буквально их разрушить.
Некоторые требования к напряжению питания менее строгие. Мощность, подаваемую на двигатели, светодиоды и другие дисплеи и электромеханические компоненты, не нужно регулировать так же строго, как для логических напряжений питания.Эти источники питания часто не регулируются для экономии на окончательной конструкции.
Регулировка напряжения для устройств с сетевым питанием не так уж и сложна, так как входное напряжение схемы регулятора довольно постоянное. Однако конструкции с батарейным питанием представляют собой гораздо более сложную задачу, поскольку уровни напряжения батареи будут колебаться по мере разряда батареи.
Устройства, которые могут питаться как от сетевого напряжения, так и от батарей, часто имеют дополнительную схему для зарядки батарей, когда устройство работает от сети.В зависимости от технологии батареи, используемой в конструкции, она может варьироваться от простой до очень сложной схемы зарядки.
Текущие требования
Уровень напряжения источника питания — не единственная спецификация, которую необходимо учитывать при разработке источника питания для вашего проекта. Не менее важно определить текущие требования проекта.
В отличие от требований к напряжению ток, потребляемый проектом, не всегда является статическим значением. Двигатели, светодиоды и другие дисплеи, динамики и другие преобразователи могут вызывать колебания потребляемого тока, и вам необходимо спроектировать источник питания так, чтобы он соответствовал «наихудшей» ситуации, когда каждый двигатель, индикатор и звуковой сигнализатор работают на полную мощность.
И снова современные требования могут стать проблемой при проектировании с батарейным питанием. Когда батарея разряжается, ее текущие возможности уменьшаются, попытка превысить эти текущие возможности может привести к быстрой разрядке батареи.
КПД
Еще одним важным аспектом конструкции регулятора напряжения является эффективность. Сам регулятор или преобразователь напряжения потребляет электричество, которое в противном случае могло бы быть использовано для питания вашего проекта.
Эффективность идет рука об руку с производством тепла, неэффективная конструкция регулятора будет рассеивать его избыточную энергию в виде тепла.Если вы намеренно не пытаетесь нагреть свою схему, это нехорошо! Тепло — один из величайших врагов электронных компонентов, и если ваш регулятор выделяет много тепла, вам придется потренировать вентиляцию и, возможно, отвести тепло в вашу конструкцию.
Ни одна конструкция не обеспечивает 100% -ную эффективность, поэтому следует ожидать некоторого тепловыделения. Переоценив компоненты вашего дизайна, вы можете свести это к минимуму.
Основы питания
Функция источника питания, конечно же, заключается в подаче энергии с правильными уровнями напряжения и тока, соответствующими требованиям вашего проекта.Энергия для работы источника питания может поступать из ряда источников — батарей, солнечных элементов, переменного тока и других.
Напряжение, необходимое для наших маленьких электронных устройств, обычно составляет постоянный или постоянный ток. Батареи также производят постоянный ток, но линейные напряжения бывают переменным или переменным током. Таким образом, помимо обеспечения правильного напряжения (ей), источник питания переменного тока также должен преобразовывать входной переменный ток в выход постоянного тока.
AC DC
Если приведенный выше подзаголовок заставляет вас думать об австралийских рокерах в коротких штанах, значит, вы читаете не ту статью!
В ваш дом всегда подается переменный ток.Переменный ток можно передавать на очень большие расстояния, а также повышать и понижать с помощью трансформаторов.
Частота переменного тока зависит от вашего местоположения. В Северной Америке мы используем 60 Гц, тогда как Европа, Австралия, Новая Зеландия и многие азиатские и африканские страны используют 50 Гц. Уровни напряжения также разные: в домах в Северной Америке линейное напряжение составляет около 110–120 вольт переменного тока, в то время как в других местах в мире используется более высокое напряжение переменного тока 220–240 вольт.
Если вы собираете или покупаете блок питания для устройства, которое планируете экспортировать на коммерческой основе, вам необходимо учитывать различные сетевые напряжения и частоты по всему миру.Также существуют разные стандарты для типов разъемов или вилок, используемых в разных странах.
Поскольку нашим электронным устройствам требуется постоянный ток при гораздо более низком напряжении, вам необходимо сделать две вещи, прежде чем вы сможете использовать питание от сетевой розетки:
- Уменьшите напряжение до более низкого уровня.
- Преобразуйте его из переменного тока в постоянный.
Интересно, что описанное выше может быть выполнено в любом порядке.
В обычном линейном источнике питания переменное напряжение сначала пропускается через трансформатор, который существенно снижает его, а затем преобразуется в постоянное.
В современном импульсном источнике питания (например, в вашем настольном компьютере) переменное напряжение напрямую преобразуется в высоковольтное постоянное, и оно используется для управления высокочастотным генератором. Высокочастотный переменный ток, создаваемый этим генератором, затем пропускается через небольшой трансформатор, и выходное низкое напряжение преобразуется в постоянный ток.
В любом случае в какой-то момент нам нужно преобразовать переменный ток в постоянный. На самом деле это довольно просто.
Выпрямители и мосты
Термин «выпрямитель» восходит к временам электронных ламп, на самом деле это просто еще одно название сильноточного диода.Диод, как я уверен, вы уже знаете, — это базовый электронный компонент, который позволяет току проходить только в одном направлении.
Если вы вставите выпрямитель или диод последовательно с источником переменного напряжения, вы предотвратите прохождение как положительных, так и отрицательных частей сигнала переменного тока, в зависимости от того, в каком направлении вы ориентируете диод.
Это этап создания постоянного напряжения из переменного тока, но результирующий выходной сигнал не совсем гладкий, как показано ниже.
На выходе можно использовать электролитический конденсатор, чтобы попытаться сгладить напряжение и создать достаточно стабильное напряжение постоянного тока.Это простой способ преобразования переменного тока в постоянный с несколькими недостатками.
- Выходное напряжение будет уменьшено. Это будет входное напряжение переменного тока, умноженное на 0,7072.
- По сути, вы «тратите» половину каждого цикла переменного тока, так что это не очень эффективно.
Лучшим методом является использование четырех диодов для создания так называемого «мостового выпрямителя». Вы можете увидеть результаты на следующей диаграмме. Мы снова будем использовать электролитический конденсатор, чтобы сгладить результирующее напряжение постоянного тока.
Этот метод имеет несколько преимуществ перед методом с одним диодом:
- Выходное напряжение больше. Это будет входное напряжение переменного тока, умноженное на 1,414.
- Вы используете как положительную, так и отрицательную части цикла переменного тока, что намного эффективнее.
Вы можете построить эту схему с четырьмя отдельными диодами или купить мостовой выпрямитель со встроенной разводкой.
Между прочим, указанные мной ранее выходные напряжения не совсем точны, вам также необходимо учитывать падение напряжения на диоде (диодах).Обычно это около 0,7 вольт.
Эти схемы преобразуют переменное напряжение в постоянное, однако они не делают ничего для регулирования напряжения. Если напряжение переменного тока должно возрасти или упасть, то соответствующее выходное напряжение постоянного тока изменится на ту же величину.
Регуляторы и преобразователи
Независимо от того, получено ли напряжение постоянного тока от переменного тока или от батареи, скорее всего, это напряжение не будет подходящим для вашего приложения. Вам нужно будет изменить напряжение до желаемого уровня (т.е.е. 5 вольт), и вам необходимо убедиться, что он остается на этом уровне, даже если входное напряжение изменяется.
Мы можем сделать это несколькими способами, используя либо регуляторы, либо преобразователи.
Линейные регуляторы напряжения
Линейный регулятор напряжения принимает входное напряжение постоянного тока и выдает регулируемый выходной сигнал при более низком напряжении.
Отличный пример используемого стабилизатора напряжения — на плате Arduino Uno. Arduino Uno имеет 5-вольтовый линейный стабилизатор напряжения на печатной плате, что позволяет использовать его коаксиальный разъем питания для подключения источника питания от 8 до 20 вольт постоянного тока.Регулятор снижает его до уровня 5 В постоянного тока, который использует Arduino.
Линейные регуляторы напряжения доступны с середины 1970-х годов и по сей день являются ценными компонентами. Они очень просты в использовании и доступны с разными номинальными токами. Обычно они имеют тот же форм-фактор, что и транзисторы и силовые транзисторы.
Линейным регуляторам напряжения обычно требуется входное напряжение, по крайней мере, на 2,2 В выше, чем желаемое выходное напряжение.Хотя они, как правило, могут выдерживать широкий диапазон входных напряжений, вам необходимо знать, что чем выше входное напряжение, тем больше энергии потребуется регулятору для рассеивания в виде тепла.
Линейные регуляторы напряжения недороги и идеально подходят для устройств с питанием от сети. Они также используются в звуковом оборудовании, поскольку не создают электрических помех, которые создают преобразователи напряжения. Хотя вы, безусловно, можете использовать их с конструкциями с батарейным питанием, они, как правило, не лучший выбор для этого приложения, поскольку в конечном итоге вы потратите много энергии в виде тепла.Однако это не всегда так, поскольку сейчас существует новое поколение регуляторов с низким падением напряжения, мы рассмотрим некоторые из них чуть позже.
Лучшим способом регулирования напряжения в устройствах с батарейным питанием является использование преобразователя напряжения.
Преобразователи напряжения
На самом деле существует три типа преобразователей напряжения, которые вы можете использовать в своих проектах:
- Понижающие преобразователи
- Повышающие преобразователи
- Преобразователи Buck Boost
Давайте быстро посмотрим, в чем разница между ними.
Понижающий преобразователь
Понижающие преобразователиработают по так называемой «цепи маховика». Во время работы транзистор включается и выключается, и его выход подается через индуктивность (катушку), а затем на конденсатор. Когда транзистор включается и выключается, конденсатор заряжается и разряжает энергию, которая хранится в катушке. Период или частота, при которой происходит переключение, определяет выходное напряжение.
Как и линейный регулятор, понижающий преобразователь используется в ситуациях, когда желаемое выходное напряжение ниже входного.
Повышающий преобразователь
Повышающий преобразователь работает аналогично понижающему преобразователю, разница заключается в расположении катушки, диода и конденсатора, которые образуют цепь маховика. Повышающие преобразователи также называют «импульсными источниками питания».
Судя по названию, выходное напряжение повышающего преобразователя на самом деле выше входного.
Повышающий преобразователь понижающего напряжения
Практически лучшее из обоих миров, повышающий преобразователь Buck использует пару транзисторных цепей обратного хода для повышения или понижения входящего напряжения.
Этот тип преобразователя напряжения особенно полезен для устройств с батарейным питанием. Например, возьмем схему, которая требует 5 В и с которой мы хотим использовать батарею на 7,2 В. Когда аккумулятор полностью заряжен, преобразователь действует как понижающий преобразователь, снижая выходное напряжение до 5 вольт. Когда батарея разряжается ниже уровня 5 вольт, схема действует как повышающий преобразователь, повышая выходное напряжение до 5 вольт.
Мы рассмотрим все три типа преобразователей.
Популярные регуляторы и преобразователи
Теперь, когда мы обсудили источники питания, регуляторы и преобразователи, пора применить полученные знания на практике.
Я собрал несколько примеров этих устройств, чтобы показать вам. Все это простые и недорогие методы обеспечения напряжением вашего проекта.
Линейный регулятор— серии 78XX и 79XX
Наш первый линейный регулятор — это компонент, который существует уже более 40 лет.Фактически, это семейство компонентов, члены которого имеют разное выходное напряжение и ток.
Стабилизаторы напряжения 78XX представляют собой 3-контактные устройства, доступные в различных корпусах, от больших корпусов силовых транзисторов (T220) до миниатюрных устройств для поверхностного монтажа. Это регуляторы положительного напряжения, наиболее распространенный тип. Серии 79XX являются эквивалентными регуляторами отрицательного напряжения.
Система нумерации этих компонентов довольно проста, XX в номере детали обозначает выходное напряжение.Так, например, 7805 — положительный регулятор на 5 вольт, 7812 — положительный регулятор на 12 вольт, а 7915 — отрицательный регулятор на 15 вольт. И положительная, и отрицательная серии доступны с несколькими общими напряжениями.
Эти регуляторы напряжения довольно просты в использовании. Помимо самого регулятора, единственные дополнительные компоненты, которые вам потребуются, — это пара электролитических конденсаторов на входе и выходе. Значения не являются критическими, обычно на входе можно использовать конденсатор 2,2 мкФ или больше, а на выходе — конденсатор 100 мкФ или больше.
Обратите внимание, что хотя вы используете и положительный, и отрицательный стабилизаторы одинаково, распиновка различается:
Регуляторы 78XX (положительные) имеют следующую распиновку:
- ВХОД
- ССЫЛКА (ЗЕМЛЯ)
- ВЫХОД
Регуляторы 79XX (отрицательные) имеют следующую распиновку:
- ССЫЛКА (ЗЕМЛЯ)
- ВХОД
- ВЫХОД
Одна вещь, которую следует отметить в версии этих регуляторов напряжения с корпусом TO-220, заключается в том, что корпус электрически подключен к центральному контакту (контакт 2).В серии 78XX это означает, что корпус заземлен, но обратите внимание, что в серии 79XX (отрицательный регулятор) контакт 2 является входом, а не заземлением. Это означает, что вам нужно соблюдать осторожность при подключении радиатора к устройству, что вам нужно будет сделать, если вы планируете потреблять большой ток. При необходимости вы можете использовать слюдяной изолятор на радиаторе, чтобы он не контактировал с контактом 2.
Несмотря на свой возраст, эти регуляторы все еще широко используются сегодня и подходят для схем с питанием от сети.Однако они не так эффективны, как современные регуляторы, поэтому для устройств с батарейным питанием вам стоит взглянуть на другие представленные здесь решения.
Линейный регулятор — Регулируемый регулятор LM317
LM317 — положительный линейный стабилизатор напряжения с регулируемым выходом. Это также классический электронный компонент, и его регулируемый выход делает его очень полезным в ситуациях, когда вам нужно «нестандартное» напряжение. Он также был популярен среди любителей для использования в простых регулируемых источниках питания для верстаков.
Как и серия 78XX или регуляторы, LM317 представляет собой трехконтактное устройство. Однако схема подключения немного отличается, как показано здесь.
Главное, на что следует обратить внимание при подключении LM317, — это два резистора, которые обеспечивают опорное напряжение для регулятора, это опорное напряжение определяет выходное напряжение. Вы можете рассчитать эти значения резисторов следующим образом:
Рекомендуемое значение для R1 — 240 Ом, но на самом деле это может быть любое значение от 100 до 1000 Ом.
Конечно, вы также можете заменить два резистора потенциометром, чтобы получить переменный линейный регулятор напряжения. Вы, вероятно, захотите подключить резистор 100 Ом последовательно с потенциометром, чтобы быть уверенным, что сопротивление R1 никогда не опускается до нуля.
Как и серия регуляторов 78XX, LM317 все еще используется сегодня, но, опять же, теперь доступны более эффективные регуляторы. Тем не менее, это был бы хороший выбор для источника питания с питанием от сети, которому требуется нестандартное напряжение.
Линейный стабилизатор — Линейный понижающий стабилизатор с 12 на 3,3 В PSM-165
PSM-165 — это небольшая коммутационная плата, содержащая стабилизатор на 3,3 В. Эта крошечная плата принимает входное напряжение от 4,5 до 12 вольт и преобразует его в 3,3 вольта для маломощной логической схемы.
Микросхема, используемая в PSM-165, такая же, как и на большинстве плат Arduino Uno, для подачи выходного напряжения 3,3 В. Он имеет максимальный ток 800 мА.
Плата интересна тем, что имеет несколько соединений для ввода и вывода, что обеспечивает большую гибкость при разработке печатной платы, которая использует этот модуль в качестве «дочерней платы».
Как видите, подключить этот модуль очень просто, никаких внешних компонентов не требуется.
Линейный регулятор — Модуль линейного регулятора 5 В AMS1117-5
Трехконтактные стабилизаторы напряжения серии AMS1117 во многом работают так же, как серия 78XX. Они доступны для нескольких различных напряжений и совместимы по выводам с серией 78XX.
Это более современные устройства, чем серия 78XX, и они отличаются меньшим падением напряжения, что делает их полезными как для источников питания с питанием от сети, так и с питанием от батарей.
AMS1117-5 — регулятор на 5 В. Он доступен отдельно или на популярной коммутационной доске. Коммутационная плата позволяет очень просто включить ее в ваш проект.
Как и в случае с PSM-165, подключение модуля AMS1117-5 очень просто. На коммутационной плате установлены фильтрующие конденсаторы, поэтому внешние компоненты не требуются. Просто подключите входное напряжение и возьмите выходную мощность — это так просто!
Линейный регулятор — L4931CZ33-AP 3.3 В регулятор с очень низким падением напряжения
Последний линейный стабилизатор напряжения, который мы рассмотрим сегодня, — это L4931CZ33-AP.Как и в случае с PSM-165, этот регулятор обеспечивает 3,3 В для питания маломощных логических схем.
Этот регулятор имеет чрезвычайно низкое падение напряжения, точнее всего 0,4 вольт. Это делает его идеальным регулятором для использования в слаботочных устройствах с батарейным питанием. Он также чрезвычайно крошечный, доступен в корпусе транзистора TO-92, а также в нескольких корпусах для поверхностного монтажа.
L4931CZ33-AP на самом деле является членом семейства стабилизаторов падения напряжения, есть также модели на 3,5, 5 и 12 В с аналогичными характеристиками.Единственный дополнительный компонент, необходимый для использования этого устройства, — это небольшой электролитический конденсатор 2,2 мкФ.
Подключение L4931CZ33-AP во многом похоже на подключение серии 78XX. Упомянутый мною конденсатор 2.2 мкФ используется на выходе, вы также можете разместить дополнительный керамический конденсатор на входе.
Понижающий преобразователь— Понижающий понижающий преобразователь постоянного тока MINI-360
Теперь давайте посмотрим на понижающий преобразователь. MINI-360 — это крошечный, сверхэффективный понижающий преобразователь, который может принимать входное напряжение до 23 вольт и обеспечивать выходной сигнал, который можно регулировать от 1 до 17 вольт.
Устройство находится на крошечной коммутационной плате с потенциометром для установки выходного напряжения. При КПД около 95% очень мало энергии расходуется в виде тепла, что делает это устройство идеальным выбором для устройств с батарейным питанием.
Как показано на схеме, подключить MINI-360 очень просто, просто подключите входное напряжение, и он готов к работе. Было бы неплохо отрегулировать потенциометр и установить выходной уровень перед подключением к нему какой-либо нагрузки, особенно если вы планируете использовать его для низкого напряжения.
Повышающий преобразователь — PSM-205 Повышающий преобразователь постоянного тока в постоянный, USB, 5 В
Первый повышающий преобразователь, который мы рассмотрим, является уникальным устройством, поскольку в него встроен разъем USB на коммутационной плате. Это очень удобно при сборке блока питания для устройства с питанием от USB.
Этот недорогой модуль повышает напряжение с 0,9 В до 5 В при токе до 600 мА. Очевидно, это идеально подходит для проектов с питанием от батареек, теперь один элемент AA или AAA может использоваться для питания ваших логических устройств на 5 вольт.
Опять же, модуль упрощает подключение: вы буквально подключаете источник от 0,9 до 5 вольт ко входу и подключаете устройство с питанием от USB к разъему USB.
Как вы уже догадались, этот повышающий преобразователь часто используется в USB-банках питания.
Повышающий преобразователь — MT3608 Повышающий преобразователь постоянного тока в постоянный
Еще один крошечный повышающий преобразователь, MT3608, может принимать входное напряжение от 2 вольт и повышать его до 28 вольт. Он включает в себя блокировку пониженного напряжения, тепловое ограничение и защиту от перегрузки по току.
MT3608 упакован на крошечной коммутационной плате с подстроечным резистором для установки уровней напряжения. Хотя это устройство может показаться крошечным, оно может обеспечивать впечатляющий ток в 2 ампера. MT3608 имеет рейтинг эффективности 93%.
Благодаря наличию всего четырех четко обозначенных контактов MT3608 очень прост в использовании. Поскольку он способен выдавать выходное напряжение до 28 вольт, рекомендуется использовать подстроечный резистор для установки выходного напряжения перед подключением устройства к вашей цепи.
Понижающий повышающий преобразователь — Повышающий / понижающий регулятор S9V11F5
Теперь мы переходим к устройству, которое мне больше всего нравится в устройствах с батарейным питанием — Step Up / Step Down регулятору S9V11F5.
Сделанное Pololu это маленькое чудо может вырабатывать 5 вольт при входном напряжении от 2 до 16 вольт. Следует отметить, что для запуска преобразователя напряжение должно составлять не менее 3 вольт, но как только он заработает, входное напряжение может упасть до 2 вольт, прежде чем он перестанет работать.
Эта плата очень мала и имеет всего три разъема. Он снабжен как прямыми, так и прямоугольными штекерами, что позволяет использовать его в том же месте, что и традиционный 3-контактный линейный регулятор.
S9V11F5 является членом семейства коммутационных плат, некоторые из которых имеют фиксированное выходное напряжение, а некоторые — переменное.
Для работы S9V11F5 не требуются внешние конденсаторы или другие компоненты. Его сверхмалый размер и относительно высокий выходной ток делают его идеальным для многих конструкций.
Однако следует помнить, что S9V11F5 может сильно нагреваться, особенно при использовании на полную мощность. Помните об этом, кладя печатную плату и не касаясь преобразователя во время его использования, вы можете обжечься!
Блок питания макетной платы
Прежде чем мы закончим, я хочу упомянуть еще об одном способе активизации ваших проектов.
Блок питания макетной платы — это распространенный компонент, который, как вы уже догадались, предназначен для питания беспаечных макетов. Эти недорогие устройства имеют два встроенных линейных регулятора, обеспечивающих стабильное напряжение 5 и / или 3,3 вольт при входном напряжении 9–15 вольт постоянного тока. Они предназначены для вставки в шины питания стандартной макетной платы без пайки. Устройство также имеет коаксиальный вход питания 2,1 мм, светодиодные индикаторы питания, выход питания USB и переключатель включения / выключения.
Хотя эти устройства, очевидно, предназначены для использования на рабочем месте с беспаечными макетами, они также могут служить прекрасным источником питания для постоянного проекта.Они используют линейные регуляторы, они, вероятно, больше подходят для схем с питанием от сети, хотя они могут питаться от 9-вольтовой батареи.
Я бы порекомендовал иметь несколько таких возле вашей мастерской, хотя бы для экспериментов.
В заключение
Обеспечение хорошего источника питания — важная часть проектирования электронных устройств. Как вы видели, существует множество методов, которые можно использовать для обеспечения источника энергии для ваших проектов в области электроники.
Если вы собираетесь использовать питание от сети (переменного тока) для обеспечения электроэнергией вашего устройства, убедитесь, что вы приняли надлежащие меры предосторожности, чтобы предотвратить вероятность поражения электрическим током.Лучший способ сделать это — использовать имеющийся в продаже адаптер переменного тока или «настенную бородавку», чтобы обеспечить безопасный источник постоянного тока, который затем при необходимости можно регулировать с помощью одного из описанных выше методов. Использование коммерческого адаптера, сертифицированного для использования в вашей стране (например, одобрения UL, CAS и т. Д.), Также будет соответствовать требованиям страхования, что является очень важным фактором, особенно если вы собираетесь серийно производить свою конструкцию.
Для конструкций с батарейным питанием использование эффективного преобразователя напряжения может продлить время работы вашего проекта, выжимая из ваших батарей до последней капли энергии, прежде чем потребуется подзарядка или замена.
Независимо от ваших требований, вы обязательно найдете преобразователь или регулятор, который вам подходит.
А теперь давайте включим!
СвязанныеСводка
Название статьи
Энергия ваших электронных проектов — регуляторы и преобразователи напряжения
Описание
Научитесь обеспечивать стабильный источник электроэнергии для ваших электронных проектов. В этой статье мы обсудим подключение нескольких популярных регуляторов и преобразователей напряжения.
Автор
Мастерская DroneBot
Имя издателя
Мастерская DroneBot
Логотип издателя
Преобразователь напряжения, делитель напряжения, линейный стабилизатор — что выбрать?
Каждое электронное устройство требует подходящего источника питания. В большинстве случаев мы просто вставляем вилку в розетку.Однако стоит отметить, что очень мало устройств с переменным напряжением 230 В, которое доступно от розетки, в то время как гораздо чаще требуется постоянное напряжение с гораздо более низким электрическим потенциалом. Для подачи такого напряжения производители проектируют соответствующие, часто очень обширные секции источника питания или оборудуют свои устройства портом, к которому можно подключить разъем стандартного подключаемого источника питания. Также может случиться так, что для правильной работы устройства требуется несколько напряжений с разными значениями.В этом случае разработчикам приходится соответственно понижать, а иногда и увеличивать входное напряжение.
Три способа питания: преобразователь напряжения, делитель напряжения, линейный стабилизатор
Существует три основных способа подачи питания: блок питания может быть основан на делителе напряжения, линейном стабилизаторе или преобразователе напряжения. Каждый из этих методов может применяться для понижения напряжения, но только преобразователи позволяют увеличивать напряжение.
Делитель напряжения
Первый способ реализации блока питания, с которым вы можете столкнуться, основан на делителе напряжения.Работа такой схемы основана на законе Ома и напряжении, приложенном к отдельным резисторам. Манипулируя их значением, вы можете получить на выходе любое значение напряжения, но оно будет ниже входного. Однако такой способ питания устройства имеет ряд недостатков. Первый из них — это выход по току — делитель напряжения сделан из резисторов, мощность которых обычно очень мала. Любой более высокий ток приведет к очень быстрому сгоранию резисторов. Конечно, можно использовать более мощные резисторы, но это значительно повысит стоимость такой схемы.Еще один серьезный недостаток заключается в том, что делитель всегда рассчитан на конкретное входное напряжение. Если его увеличить или уменьшить, выходное напряжение также изменится.
Voltage_divider Схема простого делителя напряжения.
Стабилизаторы линейные
Линейные стабилизаторы — еще одно решение для снижения входного напряжения. Выпускаются в основном в виде компонентов на трех ножках, они довольно распространены в бытовой электронике. Их задача очень проста — поддерживать постоянное значение напряжения на выходе вне зависимости от входного напряжения.Конечно, следует помнить, что входное напряжение должно быть выше выходного. Компоненты этого типа отличаются невысокой ценой, но имеют проблему отвода тепла. Любой линейный стабилизатор должен преобразовывать разницу между входным напряжением и желаемым выходным напряжением в тепловую энергию. Это приводит к тому, что даже при малых токах компонент очень быстро нагревается, из-за чего необходимо использовать дополнительные радиаторы, что, конечно, приводит к более высоким затратам.
L7805ACV Линейный стабилизатор: L7805ACV
Преобразователи напряжения
Третья возможность реализации системы электропитания состоит в том, чтобы базировать ее на преобразователе напряжения. Он состоит из нескольких основных компонентов: катушки, переключающего транзистора, конденсаторов, резисторов и кремниевого диода. Как видите, преобразователь напряжения — устройство гораздо более сложное, по сравнению с ранее представленными решениями. Они бывают нескольких вариантов и могут как увеличивать, так и уменьшать выходное напряжение по отношению к входному напряжению.
OKY3497-5 Преобразователь напряжения: OKY3497-5
Почему стоит выбрать преобразователь напряжения?
Преобразователи напряженияхарактеризуются одной особенностью, которая полезна в процессе проектирования электронных устройств, а именно эффективностью. Как вы уже знаете, потери мощности — довольно большой недостаток линейных стабилизаторов. В этом плане преобразователи намного экономичнее. Каждый преобразователь напряжения имеет параметр, определяемый как КПД, который выражается в процентах и относится к отношению выходной мощности к мощности, потребляемой от источника.Другими словами, если устройство имеет уровень эффективности 80%, это означает, что 20% мощности теряется в виде тепла, рассеиваемого в основном транзистором и катушкой. Однако важно знать, что КПД не является постоянной величиной и зависит от условий эксплуатации преобразователя, в основном от напряжения питания, выходного напряжения и тока нагрузки.
Преобразователи напряжения, помимо преимуществ, имеют недостаток — помехи. Из-за их конструкции и принципа действия выходное напряжение инвертора не является абсолютно постоянным.Это может быть проблемой, если нам нужно запитать схему, которая требует идеально постоянного напряжения. В этом случае на выходе преобразователя необходимо установить RC-фильтр.
Благодаря компактным размерам и высокому КПД преобразователи напряжения могут использоваться практически везде. При проектировании любого устройства стоит выбрать именно этот тип компонента.
Преобразователь напряжения— как это работает?
Преобразователь напряжения — это импульсный элемент, который, говоря простым языком, снижает напряжение путем его включения (попеременного включения и выключения).Этот процесс настолько быстр, что не мешает работе подключенного устройства или системы. Элементом, управляющим переключением в преобразователях постоянного тока в постоянный, обычно является полевой МОП-транзистор. Однако для появления постоянного напряжения на выходе устройства необходимы такие дополнительные элементы, как конденсаторы и дроссель (дроссель). В то время как конденсаторы здесь играют только роль фильтров, индуктивный элемент должен накапливать энергию во время работы устройства, чтобы позже вернуть ее. Кроме того, в схему преобразователя необходимо поместить кремниевый диод, контролирующий направление протекающего тока.
Преобразователь напряжения: типы
На рынке доступно несколько типов преобразователей напряжения, наиболее популярными из которых являются:
· понижающий преобразователь — понижает напряжение,
· повышающий преобразователь — повышающий напряжение,
· повышающий / понижающий преобразователь (SEPIC) — снижает или увеличивает выходное напряжение.
OKY3497-4 Преобразователь напряжения: OKY3497-4
Кроме того, есть и другие конструкции, наиболее интересные из которых включают:
· прямой преобразователь — разновидность преобразователя постоянного тока в постоянный на основе трансформатора.Это элемент с одним переключателем — энергия, полученная от источника, передается на выход в реальном времени. Благодаря использованию трансформатора прямой преобразователь позволяет входной и выходной сигнал равняться
.с гальванической развязкой. Прямые преобразователи используются в импульсных источниках питания с выходной мощностью менее нескольких сотен ватт и в инверторных сварочных аппаратах.
· Обратный преобразователь — это тип преобразователя постоянного / постоянного тока, в котором также используется гальваническая развязка входа и выхода. Это устройство с двумя переключателями, в первой фазе энергия накапливается в магнитном поле катушки и возвращается во второй фазе.Системы этого типа используются в основном в импульсных источниках питания малой мощности.
Преобразователь напряжения: что нужно учитывать при выборе?
Выбор подходящего преобразователя в основном зависит от того, какое устройство вы разрабатываете. Если вы хотите сконструировать небольшое портативное устройство, стоит подумать о миниатюрных преобразователях. Для более крупного оборудования вы можете использовать преобразователи большего размера со встроенным радиатором для облегчения отвода тепла. Дополнительно необходимо указать необходимый тип преобразователя — повышающий, понижающий или повышающий / понижающий.
Если вы хотите минимизировать потери энергии, стоит снабдить себя преобразователями напряжения максимально возможного КПД. Стандартный КПД таких устройств находится в пределах 80-95%. Дополнительно стоит помнить об основных параметрах преобразователя, таких как: максимальный выходной ток, диапазон выходного напряжения и диапазон входного напряжения.
Текст подготовлен Transfer Multisort Elektronik Sp. z o.o.
Первоисточник текста: https: // www.tme.com/in/en/news/library-articles/page/42978/dc-voltage-converter-how-to-choose-the-right-one/
Линейные преобразователи тока в напряжение и напряжение в ток
ПОКАЗ 1-8 ИЗ 8 ССЫЛКИ
Конструкция линейных трансимпедансных усилителей
- Chunyan Wang, Jiqiang Wang
- Engineering
- ASICON 2001. 4-я Международная конференция 2001 г. on ASIC Proceedings (Cat. No. 01TH8549)
- 2001
Преобразователи тока в напряжение являются важными строительными блоками в схемах обработки аналогово-смешанных сигналов.В этой статье представлены две очень простые схемы трансимпедансного усилителя, используемые для реализации линейного… Развернуть
- Посмотреть 1 отрывок, ссылки на методы
A КМОП-триодный преобразователь
Представлен новый универсальный КМОП преобразователь напряжения в ток. Преобразовательные транзисторы работают в триодной области. Высокая линейность (общий коэффициент гармонических искажений <0,4% для 6 В / sub pp / вход… Expand
Новый линейный перестраиваемый МОП-преобразователь
- Ko-Chi Kuo, A.Leuciuc
- Mathematics
- Труды 43-го симпозиума IEEE Midwest по схемам и системам (каталожный номер Ch47144)
- 2000
В этой статье представлена новая конфигурация линейных МОП-преобразователей напряжения в ток (трансформаторов).