Pengantar Regulator Tegangan Linier: 8 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:55

Lima tahun yang lalu ketika saya pertama kali memulai dengan Arduino dan Raspberry Pi saya tidak terlalu memikirkan power supply, saat ini power adapter dari raspberry Pi dan USB supply Arduino sudah lebih dari cukup.

Tetapi setelah beberapa waktu, rasa ingin tahu saya mendorong saya untuk mempertimbangkan metode catu daya lainnya, dan setelah membuat lebih banyak proyek, saya terpaksa membuat pertimbangan tentang sumber daya DC yang berbeda dan jika mungkin dapat disesuaikan.

Terutama ketika Anda menyelesaikan desain Anda, Anda pasti ingin membangun versi proyek Anda yang lebih permanen, dan untuk itu Anda perlu mempertimbangkan bagaimana cara menyediakan kekuatan untuk itu.

Dalam Tutorial ini saya akan menjelaskan bagaimana Anda dapat membuat catu daya linier Anda sendiri dengan IC regulator tegangan yang banyak digunakan dan terjangkau (LM78XX, LM3XX, PSM-165 dll.). Anda akan belajar tentang fungsionalitas dan implementasinya untuk proyek Anda sendiri.

Langkah 1: Pertimbangan Desain

Tingkat Tegangan Umum

Ada beberapa level tegangan standar yang mungkin diperlukan desain Anda:

• 3.3 Volts DC – Ini adalah tegangan umum yang digunakan oleh Raspberry PI dan perangkat digital berdaya rendah.
• 5 Volts DC – Ini adalah tegangan standar TTL (Transistor Transistor Logic) yang digunakan oleh perangkat digital.
• 12 Volt DC – digunakan untuk motor DC, servo dan stepper.
• 24/48 Volts DC – banyak digunakan dalam proyek CNC dan 3D Print.

Anda harus mempertimbangkan dalam desain Anda bahwa tegangan level logika perlu diatur dengan sangat tepat. Misalnya untuk perangkat dengan tegangan TTL tegangan suplai harus antara 4,75 dan 5,25 volt, jika tidak setiap penyimpangan tegangan akan menyebabkan komponen logika berhenti bekerja dengan benar atau bahkan merusak komponen Anda.

Berbeda dengan perangkat level logika, catu daya untuk motor, LED, dan komponen elektronik lainnya dapat menyimpang dalam rentang yang luas. Selain itu, Anda harus mempertimbangkan persyaratan proyek saat ini. Terutama motor dapat menyebabkan penarikan arus berfluktuasi dan Anda perlu merancang catu daya Anda untuk mengakomodasi situasi "kasus terburuk" di mana setiap motor dioperasikan pada kapasitas penuh.

Anda harus menggunakan pendekatan yang berbeda untuk pengaturan tegangan untuk desain bertenaga saluran dan bertenaga baterai, karena tingkat tegangan baterai akan berfluktuasi saat baterai habis.

Aspek penting lainnya dari desain pengatur tegangan adalah efisiensi – terutama dalam proyek bertenaga baterai, Anda harus mengurangi kerugian daya seminimal mungkin.

PERHATIAN: Di sebagian besar negara, seseorang tidak dapat bekerja secara legal dengan tegangan di atas 50V AC tanpa izin. Kesalahan apa pun yang dilakukan oleh siapa pun yang bekerja dengan voltase mematikan dapat menyebabkan kematian mereka sendiri, atau kematian orang lain. Untuk alasan ini saya hanya akan menjelaskan power supply DC yang dibangun dengan level tegangan di bawah 60 V DC.

Langkah 2: Jenis Regulator Tegangan

Ada dua jenis utama regulator tegangan:

• regulator tegangan linier yang paling terjangkau dan mudah digunakan
• switching regulator tegangan yang lebih efisien daripada regulator tegangan linier, tetapi lebih mahal dan memerlukan desain sirkuit yang lebih kompleks.

Dalam tutorial ini kita akan bekerja dengan regulator tegangan linier.

Karakteristik listrik dari regulator tegangan linier

Penurunan tegangan pada regulator linier sebanding dengan daya yang hilang dari IC, atau dengan kata lain daya hilang karena efek pemanasan.

Untuk disipasi daya pada regulator linier persamaan berikut dapat digunakan:

Daya = (VInput – VOutput) x I

Regulator linier L7805 harus menghilangkan setidaknya 2 watt jika akan memberikan beban 1 A (jatuh tegangan 2 V kali 1 A).

Dengan meningkatnya perbedaan tegangan antara tegangan input dan output - disipasi daya juga meningkat. Artinya, misalnya, sementara sumber 7 volt diatur ke 5 volt memberikan 1 amp akan menghilangkan 2 watt melalui regulator linier, sumber DC 12 V diatur ke 5 volt memberikan arus yang sama akan menghilangkan 5 watt, membuat regulator hanya 50% efisien.

Parameter penting berikutnya adalah “Resistensi Termal” dalam satuan °C/W (°C per Watt).

Parameter ini menunjukkan jumlah derajat chip akan memanas di atas suhu udara sekitar, per watt daya yang harus dihamburkan. Cukup kalikan disipasi daya yang dihitung dengan Resistansi Termal dan itu akan memberi tahu Anda berapa banyak regulator linier akan memanas di bawah jumlah daya itu:

Daya x Tahanan Panas = Suhu Di Atas Ambient

Misalnya regulator 7805 memiliki Resistansi Termal 50°C/Watt. Ini berarti jika regulator Anda menghilang:

• 1 watt, itu akan memanaskan 50 ° C
• .2 watt itu akan memanas 100 ° C.

CATATAN: Selama fase perencanaan proyek, coba perkirakan arus yang dibutuhkan dan kurangi perbedaan tegangan seminimal mungkin. Misalnya regulator tegangan linier 78XX memiliki penurunan tegangan 2 V (tegangan input minimum adalah Vin = 5 + 2 = 7 V DC), sebagai hasilnya Anda dapat menggunakan catu daya 7, 5 atau 9 V DC.

Perhitungan efisiensi

Dengan pertimbangan bahwa arus keluaran sama dengan arus masukan untuk regulator linier maka kita akan mendapatkan persamaan yang disederhanakan:

Efisiensi = Vout / Vin

Sebagai contoh, katakanlah Anda memiliki 12 V pada input dan perlu mengeluarkan 5 V pada arus beban 1 A, maka efisiensi untuk regulator linier hanya akan menjadi (5 V / 12 V) x 100% = 41%. Ini berarti bahwa hanya 41% daya dari input yang ditransfer ke output, dan daya yang tersisa akan hilang sebagai panas!

Langkah 3: Regulator Linier 78XX

Regulator tegangan 78XX adalah perangkat 3-pin yang tersedia dalam sejumlah paket yang berbeda, dari paket transistor daya besar (T220) hingga perangkat pemasangan permukaan kecil yang merupakan regulator tegangan positif. Seri 79XX adalah regulator tegangan negatif yang setara.

Rangkaian regulator 78XX memberikan tegangan yang diatur tetap dari 5 hingga 24 V. Dua digit terakhir dari nomor bagian IC menunjukkan tegangan output perangkat. Ini berarti, misalnya, 7805 adalah regulator 5 volt positif, 7812 adalah regulator 12 volt positif.

Regulator tegangan ini lurus ke depan - sambungkan L8705 dan beberapa kapasitor elektrolitik di input dan output, dan Anda membuat regulator tegangan sederhana untuk proyek Arduino 5 V.

Langkah penting adalah memeriksa lembar data untuk pin-out dan rekomendasi pabrikan.

Regulator 78XX (positif) menggunakan pinout berikut:

1. Input DC yang tidak diatur INPUT Vin
2. REFERENSI (DASAR)
3. OUTPUT -output DC yang diatur Vout

Satu hal yang perlu diperhatikan tentang versi case TO-220 dari regulator tegangan ini adalah bahwa case terhubung secara elektrik ke pin tengah (pin 2). Pada seri 78XX itu berarti kasingnya diarde.

Jenis regulator linier ini memiliki tegangan putus 2 V, akibatnya dengan output 5V pada 1A, Anda harus memiliki setidaknya tegangan kepala 2,5 V DC (yaitu, 5V + 2.5V = 7.5V DC input).

Rekomendasi pabrikan untuk kapasitor smoothing adalah CInput = 0,33 F dan COoutput = 0,1 F, tetapi praktik umum adalah kapasitor 100 F pada input dan output Ini adalah solusi yang baik untuk skenario terburuk, dan kapasitor membantu untuk mengatasi fluktuasi tiba-tiba dan transien dalam pasokan.

Jika suplai turun di bawah ambang batas 2 V- kapasitor akan menstabilkan suplai untuk memastikan hal ini tidak terjadi. Jika proyek Anda tidak memiliki transien seperti itu, maka Anda dapat menjalankannya dengan rekomendasi pabrikan.

Rangkaian pengatur tegangan linier sederhana hanyalah pengatur tegangan L7805 dan dua kapasitor, tetapi kita dapat meningkatkan rangkaian ini untuk membuat catu daya yang lebih maju dengan beberapa tingkat perlindungan dan indikasi visual.

Jika Anda ingin mendistribusikan proyek Anda, saya pasti akan menyarankan untuk menambahkan beberapa komponen tambahan tersebut untuk mencegah ketidaknyamanan pelanggan di masa mendatang.

Langkah 4: Sirkuit 7805 yang Ditingkatkan

Pertama, Anda dapat menggunakan sakelar untuk menghidupkan atau mematikan sirkuit.

Selain itu Anda dapat menempatkan dioda (D1), kabel dalam bias terbalik antara output dan input dari regulator. Jika ada induktor di beban, atau bahkan kapasitor, kehilangan input dapat menyebabkan tegangan balik, yang dapat merusak regulator. Dioda melewati arus seperti itu.

Kapasitor tambahan bertindak sebagai semacam filter akhir. Mereka harus diberi nilai tegangan untuk tegangan keluaran, tetapi harus cukup tinggi agar sesuai dengan masukan untuk sedikit margin keamanan (misalnya, 16 25 V). Mereka benar-benar bergantung pada jenis beban yang Anda harapkan, dan dapat diabaikan untuk beban DC murni, tetapi 100uF untuk C1 dan C2, dan 1uF untuk C4 (dan C3) akan menjadi awal yang baik.

Selain itu Anda dapat menambahkan LED dan resistor pembatas arus yang sesuai untuk memberikan lampu indikator yang sangat berguna untuk deteksi kegagalan catu daya; ketika rangkaian dinyalakan, lampu LED menyala jika tidak, cari beberapa kegagalan di sirkuit Anda.

Sebagian besar pengatur tegangan memiliki sirkuit perlindungan yang melindungi chip dari panas berlebih dan jika terlalu panas, tegangan keluaran akan turun dan oleh karena itu membatasi arus keluaran sehingga perangkat tidak rusak oleh panas. Regulator tegangan dalam paket TO-220 juga memiliki lubang pemasangan untuk lampiran heatsink, dan saya akan menyarankan bahwa Anda harus menggunakannya untuk memasang heatsink industri yang baik.

Langkah 5: Lebih Banyak Kekuatan Dari 78XX

Sebagian besar regulator 78XX dibatasi pada arus keluaran 1 - 1,5 A. Jika arus keluaran regulator IC melebihi batas maksimum yang diizinkan, transistor pass internalnya akan mengeluarkan sejumlah energi lebih dari yang dapat ditoleransi, yang akan menyebabkan ke penutupan.

Untuk aplikasi yang membutuhkan lebih dari batas arus maksimum yang diizinkan dari regulator, transistor lulus eksternal dapat digunakan untuk meningkatkan arus keluaran. Gambar dari FAIRCHILD Semiconductor menggambarkan konfigurasi seperti itu. Sirkuit ini memiliki kemampuan menghasilkan arus yang lebih tinggi (hingga 10 A) ke beban tetapi tetap mempertahankan pemutusan termal dan perlindungan hubung singkat dari regulator IC.

Transistor daya BD536 disarankan oleh pabrikan.

Langkah 6: Regulator Tegangan LDO

L7805 adalah perangkat yang sangat sederhana dengan tegangan putus sekolah yang relatif tinggi.

Beberapa regulator tegangan linier, yang disebut low-dropout (LDO), memiliki tegangan dropout yang jauh lebih kecil daripada 2V dari 7805. Misalnya LM2937 atau LM2940CT-5.0 memiliki dropout 0,5V, akibatnya rangkaian catu daya Anda akan memiliki efisiensi yang lebih tinggi, dan Anda dapat menggunakannya dalam proyek dengan catu daya baterai.

Diferensial Vin-Vout minimum yang dapat dioperasikan oleh regulator linier disebut tegangan putus. Jika perbedaan antara Vin dan Vout turun di bawah tegangan putus, maka regulator dalam mode putus.

Regulator low-dropout memiliki perbedaan yang sangat rendah antara tegangan input dan output. Terutama perbedaan tegangan regulator linier LM2940CT-5.0 dapat mencapai kurang dari 0,5 volt sebelum perangkat "putus". Untuk operasi normal tegangan input harus 0,5 V lebih tinggi dari output.

Regulator tegangan tersebut memiliki faktor bentuk T220 yang sama dengan L7805 dengan tata letak yang sama - input di sebelah kiri, ground di tengah, dan output di sebelah kanan (bila dilihat dari depan). Akibatnya Anda dapat menggunakan sirkuit yang sama. Rekomendasi pembuatan kapasitor adalah CInput = 0,47 F dan COoutput = 22 F.

Salah satu kelemahan utama adalah bahwa regulator "low-dropout" lebih mahal (bahkan hingga sepuluh kali lipat) dibandingkan dengan seri 7805.

Langkah 7: Catu Daya LM317 yang Diatur

LM317 adalah regulator tegangan linier positif dengan keluaran variabel, mampu memasok arus keluaran lebih dari 1,5 A pada rentang tegangan keluaran 1,2–37 V.

. Dua huruf pertama menunjukkan preferensi pabrikan, seperti "LM", singkatan dari "linier monolitik". Ini adalah regulator tegangan dengan output variabel dan sangat berguna dalam situasi di mana Anda membutuhkan tegangan non-standar. Format 78xx adalah regulator tegangan positif, atau 79xx adalah regulator tegangan negatif, di mana "xx" mewakili tegangan perangkat.

Rentang tegangan output antara 1,2 V dan 37 V, dan dapat digunakan untuk memberi daya pada Raspberry Pi, Arduino, atau Perisai Motor DC Anda. LM3XX memiliki perbedaan tegangan input/output yang sama dengan 78XX – input harus setidaknya 2,5 V di atas tegangan output.

Seperti regulator seri 78XX, LM317 adalah perangkat tiga pin. Tapi kabelnya sedikit berbeda.

Hal utama yang perlu diperhatikan tentang hookup LM317 adalah dua resistor R1 dan R2 yang memberikan tegangan referensi ke regulator; tegangan referensi ini menentukan tegangan output. Anda dapat menghitung nilai resistor ini sebagai berikut:

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

IAdj biasanya 50 A dan diabaikan di sebagian besar aplikasi, dan VREF adalah 1,25 V – tegangan output minimum.

Jika kita mengabaikan IAdj maka persamaan kita dapat disederhanakan menjadi

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

Jika kita akan menggunakan R1 240 dan R2 dengan 1 kΩ maka kita akan mendapatkan tegangan keluaran Vout = 1,25(1+0/240) = 1,25 V.

Ketika kita akan memutar kenop potensiometer sepenuhnya ke arah lain maka kita akan mendapatkan Vout = 1,25 (1+2000/240) = 11,6 V sebagai tegangan output.

Jika Anda membutuhkan tegangan output yang lebih tinggi maka Anda harus mengganti R1 dengan resistor 100.

Sirkuit menjelaskan:

• R1 dan R2 diperlukan untuk mengatur tegangan output. CAdj direkomendasikan untuk meningkatkan penolakan riak. Ini mencegah amplifikasi riak karena tegangan output disesuaikan lebih tinggi.
• C1 direkomendasikan, terutama jika regulator tidak dekat dengan kapasitor filter catu daya. Kapasitor keramik atau tantalum 0,1-µF atau 1-µF menyediakan bypass yang cukup untuk sebagian besar aplikasi, terutama bila kapasitor penyetelan dan keluaran digunakan.
• C2 meningkatkan respons transien, tetapi tidak diperlukan untuk stabilitas.
• Dioda proteksi D2 direkomendasikan jika CAdj digunakan. Dioda menyediakan jalur pelepasan impedansi rendah untuk mencegah kapasitor dari pengosongan ke output regulator.
• Dioda proteksi D1 direkomendasikan jika C2 digunakan. Dioda menyediakan jalur pelepasan impedansi rendah untuk mencegah kapasitor dari pengosongan ke output regulator.

Langkah 8: Ringkasan

Regulator linier berguna jika:

• Diferensial tegangan input ke output kecil
• Anda memiliki arus beban rendah
• Anda memerlukan tegangan keluaran yang sangat bersih
• Anda perlu menjaga desain sesederhana dan semurah mungkin.

Oleh karena itu, regulator linier tidak hanya lebih mudah digunakan, tetapi juga memberikan tegangan keluaran yang jauh lebih bersih dibandingkan dengan regulator switching, tanpa riak, paku, atau kebisingan jenis apa pun. Singkatnya, kecuali disipasi daya terlalu tinggi atau Anda memerlukan regulator step-up, regulator linier akan menjadi pilihan terbaik Anda.