مقدمة لمنظمات الجهد الخطي: 8 خطوات

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:38

قبل خمس سنوات عندما بدأت مع Arduino و Raspberry Pi لم أفكر كثيرًا في مصدر الطاقة ، في هذا الوقت كان محول الطاقة من Raspberry Pi ومصدر USB لـ Arduino أكثر من كافٍ.

ولكن بعد مرور بعض الوقت ، دفعني فضولي إلى التفكير في طرق أخرى لإمداد الطاقة ، وبعد إنشاء المزيد من المشاريع ، اضطررت إلى التفكير في مصادر طاقة مختلفة ومتغيرة إن أمكن.

خاصة عندما تنتهي من تصميمك ، سترغب بالتأكيد في إنشاء نسخة أكثر ديمومة من مشروعك ، ولهذا ستحتاج إلى التفكير في كيفية المضي قدمًا في توفير الطاقة له.

سأشرح في هذا البرنامج التعليمي كيف يمكنك إنشاء مصدر الطاقة الخطي الخاص بك باستخدام منظمات الجهد على نطاق واسع وبأسعار معقولة IC (LM78XX ، LM3XX ، PSM-165 وما إلى ذلك). سوف تتعلم عن وظائفها وتنفيذها لمشاريعك الخاصة.

الخطوة 1: اعتبارات التصميم

مستويات الجهد المشتركة

هناك العديد من مستويات الجهد القياسية التي قد يتطلبها التصميم الخاص بك:

• 3.3 فولت تيار مستمر - هذا جهد شائع يستخدمه Raspberry PI والأجهزة الرقمية منخفضة الطاقة.
• 5 Volts DC - هذا هو الجهد القياسي TTL (Transistor Transistor Logic) الذي تستخدمه الأجهزة الرقمية.
• 12 فولت تيار مستمر - يستخدم لمحركات التيار المستمر والمؤازر والخطوي.
• 24/48 فولت تيار مستمر - يستخدم على نطاق واسع في مشاريع الطباعة باستخدام الحاسب الآلي والطباعة ثلاثية الأبعاد.

يجب أن تضع في اعتبارك في التصميم الخاص بك أن الفولتية على مستوى المنطق تحتاج إلى تنظيم دقيق للغاية. على سبيل المثال ، بالنسبة للأجهزة ذات الجهد الكهربائي TTL ، يجب أن يكون جهد الإمداد بين 4.75 و 5.25 فولت ، وإلا فإن أي انحراف في الجهد سيؤدي إلى توقف المكونات المنطقية عن العمل بشكل صحيح أو حتى تدمير المكونات الخاصة بك.

على عكس أجهزة المستوى المنطقي ، يمكن أن ينحرف مصدر الطاقة للمحركات ومصابيح LED والمكونات الإلكترونية الأخرى في نطاق واسع. بالإضافة إلى ذلك ، يجب عليك مراعاة المتطلبات الحالية للمشروع. يمكن للمحركات على وجه الخصوص أن تتسبب في تذبذب السحب الحالي وتحتاج إلى تصميم مصدر الطاقة الخاص بك لاستيعاب "أسوأ الحالات" حيث يتم تشغيل كل محرك بكامل طاقته.

يجب عليك استخدام نهج مختلف لتنظيم الجهد للتصميمات التي تعمل بالطاقة والبطارية ، لأن مستويات جهد البطارية ستتقلب مع تفريغ البطارية.

جانب آخر مهم لتصميم منظم الجهد هو الكفاءة - خاصة في المشاريع التي تعمل بالبطاريات ، يجب عليك تقليل فقد الطاقة إلى الحد الأدنى.

تنبيه: في معظم البلدان ، لا يمكن لأي شخص العمل بشكل قانوني بجهد أعلى من 50 فولت تيار متردد بدون ترخيص. أي خطأ يرتكبه أي شخص يعمل بجهد فتاك يمكن أن يؤدي إلى موته أو وفاة شخص آخر. لهذا السبب سأشرح فقط بناء مصدر طاقة التيار المستمر بمستوى جهد أقل من 60 فولت تيار مستمر.

الخطوة الثانية: أنواع منظمات الجهد

هناك نوعان رئيسيان من منظمات الجهد:

• منظمات الجهد الخطي الأكثر تكلفة وسهولة في الاستخدام
• تبديل منظمات الجهد التي تكون أكثر كفاءة من منظمات الجهد الخطي ، ولكنها أكثر تكلفة وتتطلب تصميم دائرة أكثر تعقيدًا.

سنعمل في هذا البرنامج التعليمي مع منظمات الجهد الخطي.

الخصائص الكهربائية لمنظمات الجهد الخطي

يتناسب انخفاض الجهد في المنظم الخطي مع الطاقة المشتتة للدائرة المتكاملة ، أو بعبارة أخرى تفقد الطاقة بسبب تأثير التسخين.

لتبديد الطاقة في المنظمين الخطيين ، يمكن استخدام المعادلة التالية:

الطاقة = (VInput - VOutput) × I

يجب أن يبدد المنظم الخطي L7805 2 واط على الأقل إذا كان سيوفر حمولة 1 أمبير (انخفاض الجهد 2 فولت مرات 1 أمبير).

مع زيادة فرق الجهد بين جهد الدخل والخرج - يزداد تبديد الطاقة أيضًا. بمعنى ، على سبيل المثال ، في حين أن مصدر 7 فولت منظم إلى 5 فولت يوفر 1 أمبير من شأنه أن يبدد 2 واط من خلال المنظم الخطي ، فإن مصدر 12 فولت تيار مستمر منظم إلى 5 فولت يوفر نفس التيار سوف يبدد 5 واط ، مما يجعل المنظم 50٪ فقط فعالة.

المعلمة المهمة التالية هي "المقاومة الحرارية" بوحدات درجة مئوية / واط (درجة مئوية لكل واط).

تشير هذه المعلمة إلى عدد درجات تسخين الرقاقة فوق درجة حرارة الهواء المحيط ، لكل واط من الطاقة يجب أن تتبدد. ما عليك سوى مضاعفة تبديد الطاقة المحسوب بواسطة المقاومة الحرارية ، وهذا سيخبرك بمقدار تسخين هذا المنظم الخطي تحت هذا المقدار من الطاقة:

القوة × المقاومة الحرارية = درجة الحرارة فوق المحيط

على سبيل المثال ، يتمتع المنظم 7805 بمقاومة حرارية تبلغ 50 درجة مئوية / واط. هذا يعني أنه إذا كان المنظم الخاص بك يتبدد:

• 1 واط تسخن 50 درجة مئوية
• .2 واط ستسخن حتى 100 درجة مئوية.

ملاحظة: أثناء مرحلة تخطيط المشروع ، حاول تقدير التيار المطلوب وتقليل فرق الجهد إلى الحد الأدنى. على سبيل المثال ، يحتوي منظم الجهد الخطي 78XX على انخفاض في الجهد بمقدار 2 فولت (الحد الأدنى لجهد الدخل هو Vin = 5 + 2 = 7 فولت تيار مستمر) ، ونتيجة لذلك يمكنك استخدام مصدر طاقة تيار مستمر 7 أو 5 أو 9 فولت.

حساب الكفاءة

مع الأخذ في الاعتبار أن تيار الخرج يساوي تيار الإدخال لمنظم خطي ، فسنحصل على معادلة مبسطة:

الكفاءة = Vout / Vin

على سبيل المثال ، لنفترض أن لديك 12 فولت على الإدخال وتحتاج إلى إخراج 5 فولت عند 1 أ من تيار الحمل ، فإن كفاءة المنظم الخطي ستكون فقط (5 فولت / 12 فولت) × 100٪ = 41٪. هذا يعني أنه يتم نقل 41٪ فقط من الطاقة من المدخلات إلى المخرجات ، وستفقد الطاقة المتبقية كحرارة!

الخطوة 3: 78XX المنظمين الخطيين

منظمات الجهد 78XX عبارة عن أجهزة ذات 3 سنون متوفرة في عدد من الحزم المختلفة ، بدءًا من حزم ترانزستور الطاقة الكبيرة (T220) إلى الأجهزة الصغيرة المثبتة على السطح ، فهي عبارة عن منظمات جهد موجب. سلسلة 79XX هي منظمات الجهد السالب المكافئة.

توفر سلسلة المنظمين 78XX جهدًا ثابتًا منظمًا من 5 إلى 24 فولت. يشير الرقمان الأخيران من رقم جزء IC إلى جهد الخرج للجهاز. هذا يعني ، على سبيل المثال ، أن 7805 هو منظم موجب 5 فولت ، و 7812 هو منظم موجب 12 فولت.

منظمات الجهد هذه مباشرة للأمام - قم بتوصيل L8705 واثنين من المكثفات الإلكتروليتية عبر الإدخال والإخراج ، ويمكنك بناء منظم جهد بسيط لمشاريع Arduino ذات 5 فولت.

تتمثل الخطوة المهمة في التحقق من أوراق البيانات بحثًا عن نقاط التثبيت وتوصيات الشركة المصنعة.

يستخدم المنظمون 78XX (الإيجابي) الدبابيس التالية:

1. INPUT- إدخال DC غير منظم Vin
2. المرجع (الأرضي)
3. مخرج تيار مستمر منظم Vout

شيء واحد يجب ملاحظته حول إصدار علبة TO-220 لمنظمات الجهد هذه هو أن العلبة متصلة كهربائيًا بالدبوس المركزي (الدبوس 2). في سلسلة 78XX ، هذا يعني أن القضية مؤرضة.

يحتوي هذا النوع من المنظم الخطي على جهد تسرب 2 فولت ، ونتيجة لذلك مع خرج 5 فولت عند 1 أمبير ، يجب أن يكون لديك جهد رأسي 2.5 فولت على الأقل (أي 5 فولت + 2.5 فولت = 7.5 فولت مدخلات تيار مستمر).

توصيات الشركة المصنعة لمكثفات التنعيم هي CInput = 0.33 µF و COutput = 0.1 µF ، لكن الممارسة العامة هي 100 µF مكثف على المدخلات والمخرجات وهو حل جيد لسيناريو الحالة الأسوأ ، وتساعد المكثفات في التعامل مع تقلبات وعابرات مفاجئة في العرض.

في حالة انخفاض العرض إلى ما دون عتبة 2 فولت- ستثبت المكثفات العرض لضمان عدم حدوث ذلك. إذا كان مشروعك لا يحتوي على مثل هذه العابرين ، فيمكنك تشغيله مع توصيات الشركة المصنعة.

دائرة منظم الجهد الخطي البسيط هي فقط منظم الجهد L7805 ومكثفتان ، ولكن يمكننا ترقية هذه الدائرة لإنشاء مصدر طاقة أكثر تقدمًا مع مستوى معين من الحماية والإشارة المرئية.

إذا كنت ترغب في توزيع مشروعك ، فسأقترح بالتأكيد إضافة هذه المكونات الإضافية القليلة لمنع أي إزعاج مستقبلي مع العملاء.

الخطوة 4: ترقية 7805 الدائرة

أولاً ، يمكنك استخدام المفتاح لتشغيل الدائرة أو إيقاف تشغيلها.

بالإضافة إلى ذلك ، يمكنك وضع ديود (D1) ، سلكيًا في انحياز عكسي بين خرج وإدخال المنظم. إذا كان هناك محاثات في الحمل ، أو حتى مكثفات ، فقد يؤدي فقدان المدخلات إلى جهد عكسي ، مما قد يؤدي إلى تدمير المنظم. الصمام الثنائي يتجاوز أي تيارات من هذا القبيل.

تعمل المكثفات الإضافية كنوع من المرشح النهائي. يجب أن تكون ذات جهد مُقدر لجهد الخرج ، ولكن يجب أن تكون عالية بما يكفي لتناسب المدخلات بهامش أمان ضئيل (على سبيل المثال ، 16 25 فولت). إنها تعتمد حقًا على نوع الحمل الذي تتوقعه ، ويمكن تركها خارجًا لحمل DC خالص ، لكن 100 فائق التوهج لـ C1 و C2 و 1 فائق التوهج لـ C4 (و C3) ستكون بداية جيدة.

بالإضافة إلى ذلك ، يمكنك إضافة LED والمقاوم المناسب للحد من التيار لتوفير مؤشر ضوئي مفيد للغاية لاكتشاف انقطاع التيار الكهربائي ؛ عند تشغيل الدائرة ، تكون مصابيح LED قيد التشغيل ، وإلا فابحث عن بعض الأعطال في دائرتك.

تحتوي معظم منظمات الجهد على دوائر حماية تحمي الرقائق من السخونة الزائدة ، وإذا أصبحت ساخنة جدًا ، فإنها تنخفض جهد الخرج ، وبالتالي تحد من تيار الخرج بحيث لا يتلف الجهاز بفعل الحرارة. تحتوي منظمات الجهد في عبوات TO-220 أيضًا على فتحة تثبيت لمرفق غرفة التبريد ، وسأقترح عليك بالتأكيد استخدامها لإرفاق غرفة تبريد صناعية جيدة.

الخطوة 5: المزيد من القوة من 78XX

تقتصر معظم منظمات 78XX على تيار إخراج يبلغ 1 - 1.5 أ. إذا تجاوز تيار الخرج لمنظم IC يتجاوز الحد الأقصى المسموح به ، فإن ترانزستور المرور الداخلي الخاص به سوف يبدد كمية من الطاقة أكثر مما يمكن أن يتحمله ، مما سيؤدي إلى الى الاغلاق.

بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب أكثر من الحد الأقصى المسموح به للتيار المنظم ، يمكن استخدام ترانزستور مرور خارجي لزيادة تيار الخرج. يوضح الشكل من FAIRCHILD أشباه الموصلات مثل هذا التكوين. هذه الدائرة لديها القدرة على إنتاج تيار أعلى (حتى 10 أ) للحمل ولكن لا تزال تحافظ على الإغلاق الحراري وحماية الدائرة القصيرة لمنظم IC.

اقترحت الشركة المصنعة ترانزستور الطاقة BD536.

الخطوة 6: منظمات الجهد LDO

L7805 هو جهاز بسيط للغاية بجهد تسرب مرتفع نسبيًا.

بعض منظمات الجهد الخطي ، التي تسمى منخفضة التسرب (LDO) ، لديها جهد تسرب أقل بكثير من 2V من 7805. على سبيل المثال LM2937 أو LM2940CT-5.0 بها تسرب 0.5 فولت ، ونتيجة لذلك فإن دائرة إمداد الطاقة الخاصة بك سوف تتمتع بكفاءة أعلى ، ويمكنك استخدامها في المشاريع المزودة بمصدر طاقة بطارية.

يسمى الحد الأدنى من فرق Vin-Vout الذي يمكن أن يعمله المنظم الخطي بجهد التسرب. إذا كان الفرق بين Vin و Vout أقل من جهد التسرب ، فإن المنظم في وضع التسرب.

المنظمين منخفضي التسرب لديهم فرق منخفض للغاية بين المدخلات والجهد الناتج. خاصة أن فرق الجهد المنظم الخطي LM2940CT-5.0 يمكن أن يصل إلى أقل من 0.5 فولت قبل أن "تنقطع" الأجهزة. للتشغيل العادي ، يجب أن يكون جهد الدخل أعلى بمقدار 0.5 فولت من الناتج.

منظمات الجهد هذه لها نفس عامل الشكل T220 مثل L7805 بنفس التخطيط - الإدخال على اليسار ، والأرض في المنتصف ، والإخراج على اليمين (عند النظر إليه من الأمام). نتيجة لذلك يمكنك استخدام نفس الدائرة. توصيات التصنيع للمكثفات CInput = 0.47 µF و COutput = 22 µF.

يتمثل أحد العوائق الرئيسية في أن الهيئات التنظيمية "منخفضة التسرب" أغلى ثمناً (حتى عشر مرات) مقارنة بالسلسلة 7805.

الخطوة 7: مصدر طاقة منظم LM317

LM317 عبارة عن منظم جهد خطي موجب بإخراج متغير ، وهو قادر على توفير تيار خرج يزيد عن 1.5 أمبير على مدى جهد خرج يتراوح بين 1.2 و 37 فولت.

. يشير الحرفان الأولان إلى تفضيلات الشركة المصنعة ، مثل "LM" ، التي تعني "خطي متجانسة". إنه منظم جهد ذو خرج متغير ولذا فهو مفيد جدًا في المواقف التي تحتاج فيها إلى جهد غير قياسي. الشكل 78xx عبارة عن منظمات جهد موجب ، أو 79xx عبارة عن منظمات جهد سالب ، حيث يمثل "xx" جهد الأجهزة.

يتراوح نطاق جهد الخرج بين 1.2 فولت و 37 فولت ، ويمكن استخدامه لتشغيل Raspberry Pi أو Arduino أو DC Motors Shield. يحتوي LM3XX على نفس فرق جهد الإدخال / الإخراج مثل 78XX - يجب أن يكون الإدخال على الأقل 2.5 فولت فوق جهد الخرج.

كما هو الحال مع سلسلة 78XX من المنظمين ، فإن LM317 عبارة عن جهاز ثلاثي المسامير. لكن الأسلاك مختلفة قليلاً.

الشيء الرئيسي الذي يجب ملاحظته حول وصلة LM317 هو المقاومات R1 و R2 التي توفر جهدًا مرجعيًا للمنظم ؛ يحدد هذا الجهد المرجعي جهد الخرج. يمكنك حساب قيم المقاوم هذه على النحو التالي:

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

عادةً ما يكون IAdj 50 µA ولا يكاد يذكر في معظم التطبيقات ، و VREF هو 1.25 فولت - الحد الأدنى لجهد الخرج.

إذا أهملنا IAdj ، فيمكن تبسيط المعادلة إلى

صوت = 1.25 × (1 + R2 / R1)

إذا كنا سنستخدم R1240 Ω و R2 مع 1 kΩ ، فسنحصل على جهد خرج Vout = 1.25 (1 + 0/240) = 1.25 V.

عندما نقوم بتدوير مقبض مقياس الجهد بالكامل في اتجاه آخر ، سنحصل على Vout = 1.25 (1 + 2000/240) = 11.6 فولت كجهد خرج.

إذا كنت بحاجة إلى جهد خرج أعلى ، فعليك استبدال R1 بمقاوم 100.

أوضحت الدائرة:

• مطلوب R1 و R2 لضبط جهد الخرج. يوصى باستخدام CAdj لتحسين رفض التموج. يمنع تضخيم التموج حيث يتم ضبط جهد الخرج أعلى.
• يوصى باستخدام C1 ، خاصةً إذا لم يكن المنظم قريبًا من مكثفات مرشح مزود الطاقة. يوفر مكثف السيراميك أو التنتالوم 0.1-µF أو 1-F تجاوزًا كافيًا لمعظم التطبيقات ، خاصةً عند استخدام مكثفات الضبط والإخراج.
• يحسن C2 الاستجابة العابرة ، ولكنه ليس ضروريًا للاستقرار.
• يوصى باستخدام صمام ثنائي الحماية D2 في حالة استخدام CAdj. يوفر الصمام الثنائي مسار تفريغ بمقاومة منخفضة لمنع المكثف من التفريغ في خرج المنظم.
• يوصى باستخدام صمام ثنائي الحماية D1 في حالة استخدام C2. يوفر الصمام الثنائي مسار تفريغ بمقاومة منخفضة لمنع المكثف من التفريغ في خرج المنظم.

الخطوة 8: الملخص

تكون المُنظِّمات الخطية مفيدة إذا:

• المدخلات إلى فرق الجهد الناتج صغيرة
• لديك تيار تحميل منخفض
• أنت تحتاج إلى جهد إخراج نظيف للغاية
• تحتاج إلى الحفاظ على التصميم بسيطًا ورخيصًا قدر الإمكان.

لذلك ، ليس فقط المنظمين الخطيين أسهل في الاستخدام ، ولكنهم يوفرون جهد إخراج أنظف بكثير مقارنةً بتبديل المنظمين ، بدون تموج أو طفرات أو ضوضاء من أي نوع. باختصار ، ما لم يكن تبديد الطاقة مرتفعًا جدًا أو كنت بحاجة إلى منظم تصاعدي ، سيكون المنظم الخطي هو خيارك الأفضل.