Introdução aos reguladores de tensão linear: 8 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:36

Há cinco anos, quando comecei com o Arduino e o Raspberry Pi, não pensava muito na fonte de alimentação, nessa época o adaptador de alimentação do raspberry Pi e a fonte USB do Arduino eram mais do que suficientes.

Mas depois de algum tempo minha curiosidade me levou a considerar outros métodos de fonte de alimentação, e depois de criar mais projetos, fui forçado a fazer considerações sobre fontes de alimentação CC diferentes e, se possível, ajustáveis.

Especialmente quando você terminar seu projeto, você definitivamente desejará construir uma versão mais permanente de seu projeto, e para isso você precisará considerar como proceder para fornecer energia a ele.

Neste tutorial, explicarei como você pode criar sua própria fonte de alimentação linear com reguladores de tensão amplamente usados e acessíveis IC (LM78XX, LM3XX, PSM-165 etc.). Você aprenderá sobre sua funcionalidade e implementação em seus próprios projetos.

Etapa 1: Considerações sobre o projeto

Níveis de tensão comuns

Existem vários níveis de tensão padrão que seu projeto pode exigir:

• 3,3 Volts DC - Esta é uma voltagem comum usada pelo Raspberry PI e dispositivos digitais de baixa potência.
• 5 Volts DC - Esta é a tensão TTL (Transistor Transistor Logic) padrão usada por dispositivos digitais.
• 12 Volts DC - usado para motores DC, servo e de passo.
• 24/48 Volts DC - amplamente utilizado em projetos de impressão CNC e 3D.

Você deve considerar em seu projeto que as tensões de nível lógico precisam ser reguladas com muita precisão. Por exemplo, para dispositivos com tensão TTL, a tensão de alimentação precisa estar entre 4,75 e 5,25 volts, caso contrário, qualquer desvio de tensão fará com que os componentes lógicos parem de funcionar corretamente ou mesmo destrua seus componentes.

Em contraste com os dispositivos de nível lógico, a alimentação dos motores, LEDs e outros componentes eletrônicos pode divergir em uma ampla faixa. Além disso, você deve considerar os requisitos atuais do projeto. Especialmente os motores podem fazer com que o consumo de corrente flutue e você precisa projetar sua fonte de alimentação para acomodar a situação de “pior caso”, onde cada motor é operado em plena capacidade.

Você tem que usar uma abordagem diferente para a regulação de tensão para os projetos alimentados por linha e bateria, porque os níveis de tensão da bateria irão flutuar conforme a bateria descarrega.

Outro aspecto importante do projeto do regulador de tensão é a eficiência - especialmente em projetos alimentados por bateria, você deve reduzir as perdas de energia ao mínimo.

ATENÇÃO: Na maioria dos países uma pessoa não pode trabalhar legalmente com tensões acima de 50 Vca sem uma licença. Qualquer erro cometido por qualquer pessoa que trabalhe com voltagem letal pode levar à morte dela ou de outra pessoa. Por esse motivo, explicarei apenas a construção da fonte de alimentação DC com nível de tensão abaixo de 60 V DC.

Etapa 2: Tipos de reguladores de tensão

Existem dois tipos principais de reguladores de tensão:

• reguladores de tensão linear que são mais acessíveis e simples de usar
• reguladores de tensão de comutação que são mais eficientes do que os reguladores de tensão linear, mas são mais caros e requerem um projeto de circuito mais complexo.

Neste tutorial vamos trabalhar com reguladores de tensão linear.

Características elétricas dos reguladores de tensão linear

A queda de tensão no regulador linear é proporcional à potência dissipada do IC ou, em outras palavras, a potência perde devido ao efeito de aquecimento.

Para a dissipação de energia nos reguladores lineares, pode-se usar a seguinte equação:

Potência = (VInput - VOutput) x I

O regulador linear L7805 tem que dissipar pelo menos 2 watts se for fornecer uma carga de 1 A (queda de tensão de 2 V vezes 1 A).

Com o aumento da diferença de tensão entre a tensão de entrada e saída - a dissipação de energia também aumenta. Ou seja, por exemplo, enquanto uma fonte de 7 volts regulada para 5 volts fornecendo 1 ampere dissiparia 2 watts através do regulador linear, uma fonte de 12 V DC regulada para 5 volts fornecendo a mesma corrente dissiparia 5 watts, tornando o regulador apenas 50% eficiente.

O próximo parâmetro importante é a “Resistência térmica” em unidades de ° C / W (° C por Watt).

Este parâmetro indica o número de graus que o chip vai aquecer acima da temperatura do ar ambiente, por cada watt de potência que deve dissipar. Simplesmente multiplique a dissipação de potência calculada pela Resistência Térmica e isso dirá quanto o regulador linear aquecerá sob essa quantidade de potência:

Potência x Resistência térmica = Temperatura acima do ambiente

Por exemplo, um regulador 7805 tem uma resistência térmica de 50 ° C / Watt. Isso significa que se o seu regulador está se dissipando:

• 1 watt, vai aquecer 50 ° C
• 0,2 watts ele vai aquecer 100 ° C.

NOTA: Durante a fase de planejamento do projeto, tente estimar a corrente necessária e reduzir a diferença de tensão ao mínimo. Por exemplo, o regulador de tensão linear 78XX tem queda de tensão de 2 V (a tensão de entrada mínima é Vin = 5 + 2 = 7 V DC), como resultado, você pode usar uma fonte de alimentação de 7, 5 ou 9 V DC.

Cálculo de eficiência

Considerando que a corrente de saída é igual à corrente de entrada para um regulador linear, obteremos a equação simplificada:

Eficiência = Vout / Vin

Por exemplo, digamos que você tenha 12 V na entrada e precise produzir 5 V a 1 A de corrente de carga, então a eficiência de um regulador linear seria apenas (5 V / 12 V) x 100% = 41%. Isso significa que apenas 41% da energia de entrada é transferida para a saída e a energia restante será perdida na forma de calor!

Etapa 3: reguladores lineares 78XX

Os reguladores de tensão 78XX são dispositivos de 3 pinos disponíveis em vários pacotes diferentes, desde pacotes grandes de transistores de potência (T220) até pequenos dispositivos de montagem em superfície - é um regulador de tensão positivo. A série 79XX são os reguladores de tensão negativa equivalentes.

A série 78XX de reguladores fornece tensões reguladas fixas de 5 a 24 V. Os últimos dois dígitos do número de peça do IC indicam a tensão de saída do dispositivo. Isso significa, por exemplo, um 7805 é um regulador positivo de 5 volts, um 7812 é um regulador positivo de 12 volts.

Esses reguladores de tensão são diretos - conecte o L8705 e alguns capacitores eletrolíticos na entrada e na saída e você construirá um regulador de tensão simples para projetos de 5 V Arduino.

O passo importante é verificar as fichas de dados das pinagens e as recomendações do fabricante.

Os reguladores 78XX (positivos) usam as seguintes pinagens:

1. Vin de entrada DC não regulada por INPUT
2. REFERÊNCIA (TERRENO)
3. SAÍDA - saída CC regulada Vout

Uma coisa a se notar sobre a versão do gabinete TO-220 desses reguladores de tensão é que o gabinete é conectado eletricamente ao pino central (pino 2). Na série 78XX, isso significa que a caixa é aterrada.

Este tipo de regulador linear tem uma queda de tensão de 2 V, como resultado, com uma saída de 5 V em 1 A, você precisa ter pelo menos 2,5 V CC de tensão principal (ou seja, 5 V + 2,5 V = 7,5 V CC de entrada).

As recomendações do fabricante para os capacitores de suavização são CInput = 0,33 µF e COutput = 0,1 µF, mas a prática geral é capacitor de 100 µF na entrada e na saída. É uma boa solução para o pior cenário, e os capacitores ajudam a lidar com flutuações repentinas e transitórios no fornecimento.

Caso a alimentação caia abaixo do limite de 2 V- os capacitores irão estabilizar a alimentação para garantir que isso não aconteça. Se o seu projeto não tiver esses transientes, você pode executar com as recomendações do fabricante.

O circuito regulador de tensão linear simples é apenas o regulador de tensão L7805 e dois capacitores, mas podemos atualizar este circuito para criar uma fonte de alimentação mais avançada com algum nível de proteção e indicação visual.

Se você gostaria de distribuir seu projeto, definitivamente sugerirei adicionar alguns componentes adicionais para evitar transtornos futuros com os clientes.

Etapa 4: Circuito 7805 atualizado

Primeiro você pode usar o interruptor para ligar ou desligar o circuito.

Além disso, você pode colocar um diodo (D1), ligado em polarização reversa entre a saída e a entrada do regulador. Se houver indutores na carga, ou mesmo capacitores, uma perda de entrada pode causar uma tensão reversa, o que pode destruir o regulador. O diodo ignora qualquer uma dessas correntes.

Capacitores adicionais atuam como uma espécie de filtro final. Eles devem ser de tensão nominal para a tensão de saída, mas devem ser altos o suficiente para se adequar à entrada para uma pequena margem de segurança (por exemplo, 16 25 V). Eles realmente dependem do tipo de carga que você espera e podem ser deixados de fora para uma carga DC pura, mas 100uF para C1 e C2 e 1uF para C4 (e C3) seria um bom começo.

Além disso, você pode adicionar o LED e o resistor limitador de corrente apropriado para fornecer uma luz indicadora que é muito útil para detecção de falha na fonte de alimentação; quando o circuito é alimentado, as luzes LED estão LIGADAS, caso contrário, procure algumas falhas em seu circuito.

A maioria dos reguladores de tensão tem um circuito de proteção que protege os chips de superaquecimento e, se ficar muito quente, diminui a tensão de saída e, portanto, limita a corrente de saída para que o dispositivo não seja destruído pelo calor. Os reguladores de tensão em pacotes TO-220 também têm um orifício de montagem para o anexo do dissipador de calor, e vou sugerir que você deve definitivamente usá-lo para prender um bom dissipador de calor industrial.

Etapa 5: mais potência do 78XX

A maioria dos reguladores 78XX são limitados a uma corrente de saída de 1 - 1,5 A. Se a corrente de saída de um regulador IC exceder seu limite máximo permitido, seu transistor de passagem interno dissipará uma quantidade de energia maior do que pode tolerar, o que levará para o desligamento.

Para aplicações que exigem mais do que o limite de corrente máximo permitido de um regulador, um transistor de passagem externa pode ser usado para aumentar a corrente de saída. A figura da FAIRCHILD Semiconductor ilustra essa configuração. Este circuito tem a capacidade de produzir corrente mais alta (até 10 A) para a carga, mas ainda preservando o desligamento térmico e a proteção contra curto-circuito do regulador IC.

O transistor de potência BD536 é sugerido pelo fabricante.

Etapa 6: reguladores de tensão LDO

O L7805 é um dispositivo muito simples com uma tensão de queda relativamente alta.

Alguns reguladores de tensão linear, chamados de baixa queda (LDO), têm uma queda de tensão muito menor do que os 2V do 7805. Por exemplo, o LM2937 ou LM2940CT-5.0 tem uma queda de 0,5 V, como resultado, seu circuito de alimentação irá têm uma eficiência maior, podendo ser usados em projetos com alimentação por bateria.

O diferencial mínimo de Vin-Vout que um regulador linear pode operar é chamado de queda de tensão. Se a diferença entre Vin e Vout cair abaixo da tensão de queda, o regulador está no modo de queda.

Os reguladores de baixa queda têm uma diferença muito baixa entre a tensão de entrada e a de saída. Especialmente a diferença de tensão dos reguladores lineares LM2940CT-5.0 pode chegar a menos de 0,5 volt antes que os dispositivos “caiam”. Para operação normal, a tensão de entrada deve ser 0,5 V mais alta do que a saída.

Esses reguladores de tensão têm o mesmo fator de forma T220 que o L7805 com o mesmo layout - entrada à esquerda, aterramento no meio e saída à direita (quando visto de frente). Como resultado, você pode usar o mesmo circuito. As recomendações de fabricação para os capacitores são CInput = 0,47 µF e COutput = 22 µF.

Uma grande desvantagem é que os reguladores de “baixa queda” são mais caros (até dez vezes) em comparação com a série 7805.

Etapa 7: Fonte de alimentação LM317 regulada

O LM317 é um regulador de tensão linear positivo com saída variável, capaz de fornecer uma corrente de saída de mais de 1,5 A em uma faixa de tensão de saída de 1,2–37 V.

. As duas primeiras letras denotam as preferências do fabricante, como "LM", que significa "monolítico linear". É um regulador de tensão com saída variável e por isso é muito útil em situações onde é necessária uma tensão fora do padrão. O formato 78xx é um regulador de voltagem positivo, ou 79xx são reguladores de voltagem negativos, onde “xx” representa a voltagem dos dispositivos.

A faixa de tensão de saída está entre 1,2 V e 37 V e pode ser usada para alimentar seu Raspberry Pi, Arduino ou Escudo de Motores DC. O LM3XX tem a mesma diferença de tensão de entrada / saída que o 78XX - a entrada deve ser pelo menos 2,5 V acima da tensão de saída.

Tal como acontece com a série 78XX de reguladores, o LM317 é um dispositivo de três pinos. Mas a fiação é um pouco diferente.

A principal coisa a se notar sobre a conexão do LM317 são os dois resistores R1 e R2 que fornecem uma tensão de referência para o regulador; esta tensão de referência determina a tensão de saída. Você pode calcular esses valores de resistor da seguinte forma:

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

IAdj é tipicamente 50 µA e insignificante na maioria das aplicações, e VREF é 1,25 V - tensão de saída mínima.

Se negligenciarmos IAdj, então nossa equação pode ser simplificada para

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

Se usarmos R1 240 Ω e R2 com 1 kΩ, obteremos tensão de saída de Vout = 1,25 (1 + 0/240) = 1,25 V.

Quando girarmos o botão do potenciômetro totalmente na outra direção, obteremos Vout = 1,25 (1 + 2000/240) = 11,6 V como tensão de saída.

Se você precisar de uma tensão de saída mais alta, deverá substituir R1 por um resistor de 100 Ω.

Circuito explicado:

• R1 e R2 são necessários para definir a tensão de saída. CAdj é recomendado para melhorar a rejeição de ondulação. Impede a amplificação da ondulação quando a tensão de saída é ajustada para um nível mais alto.
• C1 é recomendado, principalmente se o regulador não estiver próximo aos capacitores do filtro da fonte de alimentação. Um capacitor de cerâmica ou tântalo de 0,1 µF ou 1 µF fornece desvio suficiente para a maioria das aplicações, especialmente quando os capacitores de ajuste e saída são usados.
• C2 melhora a resposta transitória, mas não é necessário para estabilidade.
• O diodo de proteção D2 é recomendado se CAdj for usado. O diodo fornece um caminho de descarga de baixa impedância para evitar que o capacitor descarregue na saída do regulador.
• O diodo de proteção D1 é recomendado se C2 for usado. O diodo fornece um caminho de descarga de baixa impedância para evitar que o capacitor descarregue na saída do regulador.

Etapa 8: Resumo

Reguladores lineares são úteis se:

• O diferencial de tensão de entrada para saída é pequeno
• Você tem uma baixa corrente de carga
• Você precisa de uma tensão de saída extremamente limpa
• Você precisa manter o design o mais simples e barato possível.

Portanto, os reguladores lineares não são apenas mais fáceis de usar, mas fornecem uma tensão de saída muito mais limpa em comparação com os reguladores de chaveamento, sem ondulação, picos ou ruído de qualquer tipo. Em resumo, a menos que a dissipação de energia seja muito alta ou você precise de um regulador elevador, um regulador linear será sua melhor opção.