Anterior, în partea a doua a seriei noastre de tutoriale video pentru surse de alimentare pentru începători, am explicat cum să testați și să folosim sursele nereglate de alimentare și am arătat cum o sursă de alimentare nereglată are dificultăți în controlul ieșirii sale. Aici, în partea a treia a seriei noastre de tutorial video, ne vom uita la Surse de alimentare liniare și vom arăta cum regulatoarele serie și șunt sunt mult mai bune la controlul ieșirii lor.

Vizionați tutorialul video din partea 3 pentru a afla mai multe!

În urma transcrierii video tutorialului

Timp: 0: 00 Bună ziua Sunt Chris Richardson și sunt un inginer electronist concentrat pe surse de alimentare. Aceasta este a treia parte a unei serii de seminarii web pentru entuziaștii din domeniul alimentării cu energie electrică, care nu sunt instruiți în mod necesar ca ingineri de electronică de putere.

Până acum, în părțile unu și doi, am adunat echipamentele de bază pentru testarea surselor de alimentare fără a cheltui o avere și apoi am găsit și am testat unele surse de alimentare nereglate mai vechi. Acum este timpul de a evalua și testa cel mai vechi tip de sursă de alimentare reglată, cunoscut sub numele de Regulator Linear.

Regulatoare Zener și Șunt

Timp: 0: 27s Diagrama din stânga este un regulator liniar discret alcătuit dintr-o diodă Zener și un rezistor RS. Tot ceea ce face rezistorul este limitarea curentului. Dacă nu era acolo, sursa de intrare ar fi topit zenerul cu prea mult curent, fie sursa de intrare în sine ar intra în limitare de curent.

Un astfel de circuit este foarte, foarte ieftin, dar toleranța la tensiunea de ieșire depinde de tensiunea zener VZ și care depinde de curentul de sarcină, de temperatură și de distribuția naturală a VZ însuși de la o parte la alta. Pentru mine, este discutabil dacă acest tip de alimentare este sau nu reglat, dar este o introducere bună la circuitele adevărate reglate care vin mai târziu. Deoarece elementul activ este în paralel cu sarcina, spunem că acesta "șuntează sarcina", de aici și denumirea Regulator Șunt.

Circuitul de reglare șunt TL431

Timp: 1: 08s În dreapta este un circuit similar care utilizează un circuit integrat autentic pentru o precizie mai bună. TL431 și variantele sale sunt peste tot în lumea surselor de energie, dar nu sunt adesea folosite ca regulatoare șunt, așa cum vedem aici. TL431 este atât de similar în funcția sa cu o adevărată diodă zener, încât simbolul este adesea desenat ca un zener așa cum am arătat.

Rezistorul RS continuă să limiteze curentul și trebuie să fie în limita minimă și maximă, dar acum rezistoarele RTOP și RBOTTOM divid în jos o porțiune a VOUT și o trimit înapoi la pinul de referință. În TL431 sunt tranzistoare active, iar pinul Ref permite ca VOUT să varieze de la tensiunea de referință până la VIN minus aproximativ 1 volt. Că 1 volt este așa-numita tensiune drop-out și vom discuta acest lucru în detaliu în următoarele slide-uri din segmentele video.

Timp: 1: 53s Aici am arătat soluția de regulator șunt bazată pe TL431. Aici, pe această piesă de pe proto-bord (placă de prototip) am TL431 și rezistorul de limitare a curentului RS și pe partea din spate este un potențiometru de 50 kΩ, de precizie, cu zece ture, albastru.

Deci, aici sunt ambele, RTOP și RBOTTOM, sau RA și RB, așa că dacă aș învârti acest cadran aș regla tensiunea de ieșire. Am ajustat-o ​​la 5 volți, ceea ce ar fi tipic pentru ceva de genul unui Arduino.

Timp: 2: 33s Aceasta este sursa de alimentare nereglată a unui telefon pe care pisica mea a decis să o omoare, așa că dacă o pornesc, atunci putem vedea aici că avem puțin sub 10 volți de intrare și 5 volți aici la ieșire.

Citirea tensiunii cu multimetrul

Următorul test pe care îl voi face este să aplic o sarcină și să arăt că acest regulator menține încă tensiunea de ieșire sub sarcină.

Regulator șunt liniar sub sarcină

Timp: 2: 55s Aici este același circuit, dar acum este încărcat de 75 Ω, două rezistoare de putere de 150 Ω plasate în paralel. Puteți vedea că tensiunea de intrare a scăzut puțin, dar tensiunea de ieșire este încă menținută.

Încă o dată, regulatorul șunt bazat pe TL431 este conectat la sarcina sa de 66 mA sau 75 Ω și ceea ce vreau să arăt aici pe ecran este ripplu în galben, adică tensiunea de intrare, și cât de frumoasă și de netedă este tensiunea de ieșire (aceiași volți pe diviziune). Deci, asta e ceea ce face regulatorul șunt pentru noi.

Tensiune regulatorului șunt TL 431

Un alt exemplu ar fi dacă utilizați o sursă de alimentare Arduino, atunci aceasta ar putea curăța o tensiune care este prea mare și are prea mult ripplu, încât să fie frumoasă și netedă și să dea cei 5 volți pe care Arduino le-ar dori.

Timp: 3: 43s Iată ultimul test pentru regulatorul șunt și este o explicație bună a motivelor pentru care regulatoarele de șunt nu sunt folosite, cu excepția situațiilor de putere foarte scăzute. Așa că am schimbat lucrurile, acum acest multimetru măsoară curentul de intrare. Deci, sursa de alimentare nereglată vine aici, se măsoară, deoarece îl folosim acum ca ampermetru, și se întoarce în circuit.

Chiar acum am sarcina conectată și putem vedea consumul ei de șaizeci de miliamperi (60 mA). Ceea ce am de gând să fac acum este deconectarea sarcinii și puteți vedea că există o tranziție, dar apoi curentul merge direct înapoi la normal. Tensiunea superioară rămâne aceeași, dar datorită acestui rezistor aici, regulatorul șunt întotdeauna absoarbe curent de sarcină. Deci, dacă circuitul dvs. funcționează fără sarcină, utilizați în continuare energie și unii ar putea spune că se irosește puterea.

Regulatoare lineare serie

Timp: 4:33sAceste surse de alimentare liniare mai sofisticate sunt cunoscute sub denumirea de "regulatoare serie". După cum sugerează și numele, un tranzistor, care operează în regiunea sa activă liniară, merge în serie cu sarcina. Rezistorul de limitare curent RS nu este necesar aici și economisește ceva putere.

Timp: 4: 48s Circuitul din stânga este similar cu regulatorul șunt zener, deoarece produce o singură valoare de tensiune de ieșire. Totuși, în 7809 există regulatoare serie cu tensiuni de ieșire fixate de o pereche de rezistoare de divizare a tensiunii de feedback ca R1 și R2 în circuitul din dreapta.

În ambele tipuri, circuitul de feedback ajustează tensiunea pe terminalele active ale tranzistorului. Acest tranzistor este adesea numit element de trecere deoarece trece curentul de la intrare la ieșire. Tensiunea activă este reglată în mod continuu pentru a menține tensiunea de ieșire dorită, iar un astfel de circuit este denumit și divizor de tensiune sau de potențial.

Un alt mod de a ne gândi la acest lucru este să ne imaginăm un divizor rezistiv cu rezistorul de sus RTOP ajustat în mod activ si rezistorul inferiorî, RBOTTOM este sarcina.

Regulatorul de tensiune liniară din seria LM317

Timp: 5: 30s Aici am prezentat regulatorul de tensiune liniar din seria LM317. Este aceeași placă cu dispozitivul în sine. Aceasta are un rezistor de sarcină minimă, deoarece acest dispozitiv are nevoie de doi până la trei miliamperi pentru a regla corect, dar asta este mult mai mic decât cei 60 mA pe care i-am consumat cu regulatorul șunt și, din nou, aici este potențiometrul cu 10 ture pentru reglarea tensiunii de ieșire. Am ajustat-o ​​pentru a da 5 volți la ieșire.

În cele din urmă este timpul să folosim în mod efectiv sursa de alimentarea ATX pe care am transformat-o într-o sursă de alimentare la banc. Așa că am de gând să folosesc intrarea de 12 volți aici și există un ventilator foarte zgomotos, astfel încât să puteți spune că îl folosesc de fapt, iar aici există 12 volți la intrare și 5 volți la ieșire.

Timp: 6: 23s Încă o dată, regulatorul liniar din seria LM317 va fi conectat aici la cei patru ohmi ai rezistoarelor de putere și dacă privim ecranul osciloscopului, din nou în galben, aceasta este tensiunea de intrare, deci, acum ieșirea unui regulator în comutație.

Observați că diviziunea de timp este mult mai strictă deoarece aceasta nu este ripplu de 100Hz, este probabil ripplu de 100kHz și o parte din zgomot ajunge la ieșire, dar albastrul, care este ieșirea, este mult mai neted.

Tensiunea regulatorului liniar din seria LM317

Timp: 6: 51s Un regulator serie este în general capabil de mult mai curent decât un regulator șunt și un LM317 este capabil de mai mult de 1 A. Am schimbat lucrurile aici și acum multimetrul portocaliu măsoară tensiunea de ieșire, în timp ce multimetrul albastru măsoară curentul de ieșire.

Aici am aceste două rezistoare de putere 8 Ω în paralel pentru a da o sarcină de aproximativ 4 Ω. Deci, când le conectez, circuitul începe să tragă peste un amper, iar acum controlul aici este ok, dar rețineți că nu există condensatori de ieșire aici și nu facem detectare kelvin (detectarea terminalului-4) a sarcinii.

Timp: 7: 28s Voi avea de făcut acest experiment repede, deoarece regulatorul meu liniar se supraîncălzește rapid, așa că aici este cu sarcina și putem vedea mai clar cât de mult ripplu a avut sursa în comutație și asta datorită supraîncalzirii circuitului.

Regulator linear serie Low Drop Out

Timp: 7: 40s Regulatoarele LM317 și din seria 780x și sunt deseori numite "regulatoare NPN", deoarece elementele lor de trecere sunt tranzistoare npn bipolare cu joncțiune. Ele sunt părți deosebite, iar unele dintre schemele lor au peste 40 de ani și încă sunt puternice.

Dar cel mai mare dezavantaj este tensiunea lor mare de cădere (drop out) pe regulator. Aceasta este diferența minimă necesară între tensiunea de intrare și tensiunea de ieșire pentru a menține corect reglarea circuitelor și este aproximativ 2,5 volți pentru regulatoarele NPN. Un LDO, care reprezintă "regulator low drop out", utilizează tranzistoare PNP sau mai frecvent MOSFET-uri pentru a permite tensiunii maxime de ieșire să se apropie foarte mult de tensiunea minimă de intrare. Unele componente se apropie de 100 mV sau mai puțin.

Acest lucru este perfect pentru circuitele moderne în cazul în care ați putea dori să cadă de la 1,8 volți până la 1,5 volți. Un exemplu este circuitul din stânga cu diagrama bloc simplificată a interiorului LTC3025 prezentat în partea dreaptă. Teoretic, acest circuit poate regla în jos până la o tensiune drop out care este chiar deasupra curentului de sarcină înmulțit cu rezistența ON a MOSFET, M1 (V = ILOAD*RON).

Timp: 8: 43s Acum arăt un adevărat regulator de tensiune low drop out construit cu LT1575 și acest lucru nu este atât de comun, deoarece are cip de control aici și are de fapt un tranzistor de putere discret și apoi un MOSFET. Puteți vedea acest radiator gigant atunci când fac experimentul de căldură și vom compara acest lucru cu LM317 care nu a avut radiator.

Chiar acum nu există nici o sarcină și am toate cele patru rezistoare de putere de 8 Ω în paralel pentru a da o sarcină de 2Ω. Tensiunea de intrare este nominală de 3,3 volți provenind de la sursa de alimentare ATX din banc, și eu utilizez 12 volți pentru a actualiza putere secțiunii de control și deci este modul în care acest cip este de fapt capabil să dea o astfel de tensiune low drop out ca fiind tensiunea mai mare care de fapt are puterea și conduce poarta acelui nMOSFET.

Ce se întâmplă atunci când am conectat de fapt sarcina, (2Ω)? Putem vedea că tensiunea de intrare se prăbușește. Acum, nu pentru că sursa de alimentare ATX nu este capabilă să ofere tot curentul, problema este căderea de tensiune în toate aceste fire subțiri lungi.

Ceea ce vreau să observați este că tensiunea de ieșire scade doar la 2,1 volți. Se presupune că este de 2,8 volți, așa cum este fără sarcină, dar cu o sarcină putem vedea cum căderea este de aproximativ 100 mV sau cam așa ceva.

Timpul: 10: 09s Am setat regulatorul meu low drop out din nou pentru a arăta că curentul de intrare și curentul de ieșire sunt legați aproape direct într-un regulator liniar. Multimetrul galben este curentul de intrare iar multimetrul albastru este curentul de ieșire și acest dispozitiv este un LM317 utilizat ca sursă de curent constant.

Puteți vedea că nu există aproape nici un curent consumat la ieșire, intrarea consumă aproximativ 150 mA și acesta se datorează rezistorului de sarcină minimă aici. Totuși, pe măsură ce încep să măresc sarcina pe ieșire, observați că curentul de intrare este egal cu curentul de ieșire plus 150 mA, sau cam asa ceva. Pe măsură ce o întorc până la capăt, puteți vedea că ei urmăresc.

Căldura - Cât de mult este acceptabilă

Timp: 10: 50s În partea a doua, am văzut că transformatoarele de rețea voluminoase ale surselor de alimentare ne-reglate abia au încălzit chiar la sarcinile lor maxime. Cu regulatoare liniare, căldura este o preocupare mai imediată. Disiparea puterii este ușor de prezis, ca fiind egală cu VIN minus VOUT înmulțită cu curentul de sarcină (VIN -Vout*IL).

Inginerii iau în considerare cel mai rău caz, tensiunea maximă de intrare VIN(max) și curentul maxim de sarcină IL(max). Ca regulă generală, pachetele de semiconductori pot avea nevoie de aproximativ 1 watt înainte ca acestea să devină prea fierbinți. Mai mult de 1 watt, este nevoie de un radiator sau de un flux forțat de aer (ventilator).

Dar cât de cald este prea fierbinte, acest lucru depinde de mulți factori, cum ar fi temperatura ambiantă, fluxul de aer, prezența componentelor sensibile din apropiere, cum ar fi condensatoare electrolitice din aluminiu, dar și ceva mai fundamental, cât de mult poate rezista sursa de alimentarea.

Testul de căldură al regulatorului Low Drop Out

Timp: 11: 38s Am făcut un test de căldură și de disipare a puterii pe regulatorul meu discret LDO, așa că mă întorc la sarcina mea de 2 Ω și acum folosesc un 5 V de la sursa mea ATX la intrare. Am 2,8 volți out și curentul sarcinii de ieșire este 1,32 A. Termocuplul este pus în interiorul clemei acestui radiator mare și citește numai 35oC.

Îl voi scoate și îl voi lipi pe tab-ul care este cea mai caldă parte a MOSFET-ului pentru a vedea ce temperatură există. Acum se încălzește mult mai repede. Tab-ul se apropie, probabil, undeva în jurul valorii de 40oC sau așa, iar pentru mine, este bine atâta timp cât nu ajunge la peste 50oC, atunci cred că este perfect sigur.

Timp: 12: 39s Asta încheie partea a treia a surselor de alimentare pentru non-EE. Rămâi acordat pentru partea a patra în care ne vom uita la surse de alimentare în comutație care este de departe cel mai interesant subiect.

În numele meu și al lui Electronics-Tutorials.ws, mulțumesc pentru vizualizare și hai să vedem partea a patra.

Sfârșit de transcriere video tutorial.

Puteți găsi mai multe informații și un tutorial minunat despre sursele de alimentare liniare urmând acest link: Sursă de alimentare liniar variabilă.

În partea a 4-a din tutorialul nostru despre sursele de alimentare pentru începători, vom analiza utilizarea surselor de alimentare în comutație și vom vedea cum convertoarele Buck și Boost pot crește (mări) sau pot scădea (buck) tensiunea de ieșire.