रैखिक वोल्टेज नियामकों का परिचय: 8 कदम

2024 लेखक: John Day | [email protected]. अंतिम बार संशोधित: 2024-01-30 09:20

पांच साल पहले जब मैंने पहली बार Arduino और रास्पबेरी पाई के साथ शुरुआत की थी, तो मैंने बिजली की आपूर्ति के बारे में बहुत ज्यादा नहीं सोचा था, इस समय रास्पबेरी पाई से पावर एडाप्टर और Arduino की यूएसबी आपूर्ति पर्याप्त से अधिक थी।

लेकिन कुछ समय बाद मेरी जिज्ञासा ने मुझे अन्य बिजली आपूर्ति विधियों पर विचार करने के लिए प्रेरित किया, और अधिक परियोजनाएं बनाने के बाद मुझे अलग-अलग और यदि संभव हो तो समायोज्य डीसी बिजली स्रोतों के बारे में विचार करने के लिए मजबूर होना पड़ा।

विशेष रूप से जब आप अपना डिज़ाइन पूरा करते हैं तो आप निश्चित रूप से अपनी परियोजना का एक अधिक स्थायी संस्करण बनाना चाहेंगे, और इसके लिए आपको यह विचार करना होगा कि इसे शक्ति प्रदान करने के बारे में कैसे जाना है।

इस ट्यूटोरियल में मैं समझाऊंगा कि आप व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले और किफायती वोल्टेज नियामकों IC (LM78XX, LM3XX, PSM-165 आदि) के साथ अपनी खुद की रैखिक बिजली आपूर्ति कैसे बना सकते हैं। आप अपनी परियोजनाओं के लिए उनकी कार्यक्षमता और कार्यान्वयन के बारे में जानेंगे।

चरण 1: डिजाइन विचार

सामान्य वोल्टेज स्तर

कई मानक वोल्टेज स्तर हैं जिनकी आपके डिज़ाइन की आवश्यकता हो सकती है:

• 3.3 वोल्ट डीसी - यह रास्पबेरी पीआई और कम शक्ति वाले डिजिटल उपकरणों द्वारा उपयोग किया जाने वाला एक सामान्य वोल्टेज है।
• 5 वोल्ट डीसी - यह डिजिटल उपकरणों द्वारा उपयोग किया जाने वाला मानक टीटीएल (ट्रांजिस्टर ट्रांजिस्टर लॉजिक) वोल्टेज है।
• 12 वोल्ट डीसी - डीसी, सर्वो और स्टेपर मोटर्स के लिए उपयोग किया जाता है।
• 24/48 वोल्ट डीसी - व्यापक रूप से सीएनसी और 3 डी प्रिंट परियोजनाओं में उपयोग किया जाता है।

आपको अपने डिजाइन में विचार करना चाहिए कि तर्क स्तर के वोल्टेज को बहुत सटीक रूप से विनियमित करने की आवश्यकता है। उदाहरण के लिए टीटीएल वोल्टेज वाले उपकरणों के लिए आपूर्ति वोल्टेज 4.75 और 5.25 वोल्ट के बीच होना चाहिए, अन्यथा कोई भी वोल्टेज विचलन तर्क घटकों को सही ढंग से काम करना बंद कर देगा या आपके घटकों को भी नष्ट कर देगा।

तर्क स्तर के उपकरणों के विपरीत मोटर्स, एल ई डी और अन्य इलेक्ट्रॉनिक घटकों के लिए बिजली की आपूर्ति एक विस्तृत श्रृंखला में विचलित हो सकती है। इसके अतिरिक्त आपको परियोजना की वर्तमान आवश्यकताओं पर विचार करना चाहिए। विशेष रूप से मोटर्स वर्तमान ड्रा में उतार-चढ़ाव का कारण बन सकते हैं और आपको "सबसे खराब स्थिति" स्थिति को समायोजित करने के लिए अपनी बिजली आपूर्ति को डिजाइन करने की आवश्यकता है जहां प्रत्येक मोटर पूरी क्षमता से संचालित होती है।

आपको लाइन चालित और बैटरी चालित डिज़ाइनों के लिए वोल्टेज विनियमन के लिए अलग-अलग दृष्टिकोण का उपयोग करना होगा, क्योंकि बैटरी के डिस्चार्ज होने पर बैटरी वोल्टेज स्तर में उतार-चढ़ाव होगा।

वोल्टेज नियामक डिजाइन का एक अन्य महत्वपूर्ण पहलू दक्षता है - विशेष रूप से बैटरी चालित परियोजनाओं में आपको बिजली के नुकसान को कम से कम करना चाहिए।

ध्यान दें: अधिकांश देशों में एक व्यक्ति बिना लाइसेंस के 50V AC से अधिक वोल्टेज के साथ कानूनी रूप से काम नहीं कर सकता है। घातक वोल्टेज के साथ काम करने वाले किसी भी व्यक्ति द्वारा की गई कोई भी गलती उनकी या किसी अन्य व्यक्ति की मौत का कारण बन सकती है। इस कारण से मैं केवल 60 वी डीसी के तहत वोल्टेज स्तर के साथ डीसी बिजली आपूर्ति निर्माण की व्याख्या करूंगा।

चरण 2: वोल्टेज नियामकों के प्रकार

दो मुख्य प्रकार के वोल्टेज नियामक हैं:

• रैखिक वोल्टेज नियामक जो सबसे सस्ती और उपयोग में आसान हैं
• स्विचिंग वोल्टेज नियामक जो रैखिक वोल्टेज नियामकों की तुलना में अधिक कुशल हैं, लेकिन अधिक महंगे हैं और उन्हें अधिक जटिल सर्किट डिजाइन की आवश्यकता होती है।

इस ट्यूटोरियल में हम लीनियर वोल्टेज रेगुलेटर के साथ काम करेंगे।

रैखिक वोल्टेज नियामकों की विद्युत विशेषताएं

रैखिक नियामक में वोल्टेज ड्रॉप आईसी की विलुप्त शक्ति के समानुपाती होता है, या दूसरे शब्दों में ताप प्रभाव के कारण बिजली खो जाती है।

रैखिक नियामकों में बिजली अपव्यय के लिए निम्नलिखित समीकरण का उपयोग किया जा सकता है:

शक्ति = (VInput - VOutput) x I

L7805 रैखिक नियामक को कम से कम 2 वाट का प्रसार करना होगा यदि यह 1 ए लोड (2 वी वोल्टेज ड्रॉप बार 1 ए) वितरित करेगा।

इनपुट और आउटपुट वोल्टेज के बीच वोल्टेज अंतर में वृद्धि के साथ-साथ बिजली अपव्यय भी बढ़ता है। उदाहरण के लिए, उदाहरण के लिए, जबकि एक ७ वोल्ट स्रोत ५ वोल्ट के लिए विनियमित १ amp डिलीवर करता है, लीनियर रेगुलेटर के माध्यम से २ वॉट्स को नष्ट कर देता है, एक १२ वी डीसी स्रोत ५ वोल्ट तक रेगुलेटेड होता है जो समान करंट डिलीवर करता है, ५ वॉट्स को नष्ट कर देगा, जिससे रेगुलेटर केवल ५०% हो जाएगा। कुशल।

अगला महत्वपूर्ण पैरामीटर °C/W (°C प्रति वाट) की इकाइयों में "थर्मल प्रतिरोध" है।

यह पैरामीटर इंगित करता है कि चिप परिवेशी वायु तापमान से ऊपर कितनी डिग्री गर्म होगी, प्रत्येक वाट की शक्ति के अनुसार इसे नष्ट करना होगा। थर्मल प्रतिरोध द्वारा गणना की गई बिजली अपव्यय को बस गुणा करें और यह आपको बताएगा कि उस मात्रा में बिजली के तहत रैखिक नियामक कितना गर्म हो जाएगा:

पावर x थर्मल प्रतिरोध = परिवेश से ऊपर का तापमान

उदाहरण के लिए ७८०५ रेगुलेटर का ऊष्मीय प्रतिरोध 50°C/वाट है। इसका मतलब है कि यदि आपका नियामक समाप्त हो रहा है:

• 1 वाट, यह 50°C. तक गर्म हो जाएगा
• .2 वाट यह 100 डिग्री सेल्सियस तक गर्म हो जाएगा।

नोट: प्रोजेक्ट प्लानिंग चरण के दौरान आवश्यक करंट का अनुमान लगाने की कोशिश करें और वोल्टेज अंतर को कम से कम करें। उदाहरण के लिए 78XX रैखिक वोल्टेज नियामक में 2 वी वोल्टेज ड्रॉप (न्यूनतम इनपुट वोल्टेज विन = 5 + 2 = 7 वी डीसी है), परिणामस्वरूप आप 7, 5 या 9 वी डीसी बिजली की आपूर्ति का उपयोग कर सकते हैं।

दक्षता गणना

यह ध्यान में रखते हुए कि आउटपुट करंट एक लीनियर रेगुलेटर के लिए इनपुट करंट के बराबर है तो हमें सरलीकृत समीकरण मिलेगा:

दक्षता = वाउट / विनो

उदाहरण के लिए, मान लें कि आपके पास इनपुट पर 12 वी है और लोड करंट के 1 ए पर 5 वी आउटपुट करने की आवश्यकता है, तो एक रैखिक नियामक के लिए दक्षता केवल (5 वी / 12 वी) x 100% = 41% होगी। इसका मतलब है कि इनपुट से केवल 41% बिजली आउटपुट में स्थानांतरित की जाती है, और शेष बिजली गर्मी के रूप में खो जाएगी!

चरण 3: 78XX रैखिक नियामक

78XX वोल्टेज रेगुलेटर 3-पिन डिवाइस हैं जो कई अलग-अलग पैकेजों में उपलब्ध हैं, बड़े पावर ट्रांजिस्टर पैकेज (T220) से लेकर छोटे सरफेस माउंट डिवाइस तक यह एक पॉजिटिव वोल्टेज रेगुलेटर है। 79XX श्रृंखला समतुल्य नकारात्मक वोल्टेज नियामक हैं।

नियामकों की 78XX श्रृंखला 5 से 24 वी तक निश्चित विनियमित वोल्टेज प्रदान करती है। आईसी भाग संख्या के अंतिम दो अंक डिवाइस के आउटपुट वोल्टेज को दर्शाते हैं। इसका मतलब है, उदाहरण के लिए, एक 7805 एक सकारात्मक 5 वोल्ट नियामक है, एक 7812 एक सकारात्मक 12 वोल्ट नियामक है।

ये वोल्टेज नियामक सीधे आगे हैं - इनपुट और आउटपुट में एल 8705 और कुछ इलेक्ट्रोलाइटिक कैपेसिटर्स को कनेक्ट करें, और आप 5 वी Arduino परियोजनाओं के लिए सरल वोल्टेज नियामक बनाते हैं।

पिन-आउट और निर्माता अनुशंसाओं के लिए डेटा शीट की जांच करना महत्वपूर्ण कदम है।

78XX (सकारात्मक) नियामक निम्नलिखित पिनआउट का उपयोग करते हैं:

1. INPUT-अनियमित DC इनपुट Vin
2. संदर्भ (जमीन)
3. आउटपुट-विनियमित डीसी आउटपुट वाउट

इन वोल्टेज नियामकों के TO-220 केस संस्करण के बारे में एक बात ध्यान देने योग्य है कि मामला विद्युत रूप से केंद्र पिन (पिन 2) से जुड़ा है। 78XX श्रृंखला पर इसका मतलब है कि मामला जमीन पर है।

इस प्रकार के रैखिक नियामक में 2 वी ड्रॉपआउट वोल्टेज होता है, परिणामस्वरूप 1 ए पर 5 वी आउटपुट के साथ, आपको कम से कम 2.5 वी डीसी हेड वोल्टेज (यानी, 5 वी + 2.5 वी = 7.5 वी डीसी इनपुट) की आवश्यकता होती है।

स्मूथिंग कैपेसिटर के लिए निर्माता की सिफारिशें CInput = 0.33 µF और COutput = 0.1 µF हैं, लेकिन सामान्य अभ्यास इनपुट और आउटपुट पर 100 µF कैपेसिटर है यह सबसे खराब स्थिति के लिए एक अच्छा समाधान है, और कैपेसिटर इससे निपटने में मदद करते हैं आपूर्ति में अचानक उतार-चढ़ाव और परिवर्तन।

यदि आपूर्ति 2 वी की दहलीज से नीचे आती है- कैपेसिटर आपूर्ति को स्थिर कर देगा ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि ऐसा नहीं होता है। यदि आपकी परियोजना में ऐसे ग्राहक नहीं हैं, तो आप निर्माता की सिफारिशों के साथ चल सकते हैं।

सरल रैखिक वोल्टेज नियामक सर्किट सिर्फ L7805 वोल्टेज नियामक और दो कैपेसिटर है, लेकिन हम कुछ स्तर की सुरक्षा और दृश्य संकेत के साथ कुछ और उन्नत बिजली आपूर्ति बनाने के लिए इस सर्किट को अपग्रेड कर सकते हैं।

यदि आप अपनी परियोजना को वितरित करना चाहते हैं तो मैं निश्चित रूप से उन कुछ अतिरिक्त घटकों को जोड़ने का सुझाव दूंगा ताकि ग्राहकों के साथ भविष्य में होने वाली असुविधा को रोका जा सके।

चरण 4: उन्नत 7805 सर्किट

पहले आप सर्किट को चालू या बंद करने के लिए स्विच का उपयोग कर सकते हैं।

इसके अतिरिक्त आप एक डायोड (D1) लगा सकते हैं, जो रेगुलेटर के आउटपुट और इनपुट के बीच रिवर्स बायस में वायर्ड होता है। यदि लोड में इंडक्टर्स हैं, या कैपेसिटर भी हैं, तो इनपुट का नुकसान एक रिवर्स वोल्टेज का कारण बन सकता है, जो नियामक को नष्ट कर सकता है। डायोड ऐसी किसी भी धारा को बायपास करता है।

अतिरिक्त कैपेसिटर एक प्रकार के अंतिम फिल्टर के रूप में कार्य करते हैं। उन्हें आउटपुट वोल्टेज के लिए वोल्टेज रेटेड होना चाहिए, लेकिन सुरक्षा के एक छोटे से मार्जिन के लिए इनपुट के अनुरूप पर्याप्त होना चाहिए (उदाहरण के लिए, 16 25 वी)। वे वास्तव में आपके द्वारा अपेक्षित लोड के प्रकार पर निर्भर करते हैं, और शुद्ध डीसी लोड के लिए छोड़ा जा सकता है, लेकिन सी 1 और सी 2 के लिए 100uF और सी 4 (और सी 3) के लिए 1uF एक अच्छी शुरुआत होगी।

इसके अतिरिक्त आप एक संकेतक प्रकाश प्रदान करने के लिए एलईडी और उपयुक्त वर्तमान-सीमित अवरोधक जोड़ सकते हैं जो बिजली आपूर्ति विफलता का पता लगाने के लिए बहुत उपयोगी है; जब सर्किट संचालित होता है तो एलईडी लाइटें चालू होती हैं अन्यथा अपने सर्किट में कुछ विफलताओं की तलाश करें।

अधिकांश वोल्टेज नियामकों में सुरक्षा सर्किटरी होती है जो चिप्स को अत्यधिक गर्म होने से बचाती है और यदि यह बहुत गर्म हो जाती है, तो यह आउटपुट वोल्टेज को गिरा देती है और इसलिए आउटपुट करंट को सीमित कर देती है ताकि डिवाइस गर्मी से नष्ट न हो। TO-220 पैकेज में वोल्टेज नियामकों में हीटसिंक अटैचमेंट के लिए एक माउंटिंग होल भी होता है, और मैं सुझाव दूंगा कि आपको एक अच्छा औद्योगिक हीटसिंक संलग्न करने के लिए निश्चित रूप से इसका उपयोग करना चाहिए।

चरण 5: 78XX. से अधिक शक्ति

अधिकांश 78XX रेगुलेटर 1 - 1.5 A के आउटपुट करंट तक सीमित हैं। यदि IC रेगुलेटर का आउटपुट करंट इसकी अधिकतम स्वीकार्य सीमा से अधिक हो जाता है, तो इसका आंतरिक पास ट्रांजिस्टर जितना सहन कर सकता है, उससे अधिक ऊर्जा का प्रसार करेगा, जो नेतृत्व करेगा बंद करने के लिए।

उन अनुप्रयोगों के लिए जिन्हें एक नियामक की अधिकतम स्वीकार्य वर्तमान सीमा से अधिक की आवश्यकता होती है, आउटपुट करंट को बढ़ाने के लिए एक बाहरी पास ट्रांजिस्टर का उपयोग किया जा सकता है। FAIRCHILD सेमीकंडक्टर का चित्र इस तरह के कॉन्फ़िगरेशन को दिखाता है। इस सर्किट में लोड के लिए उच्च धारा (10 ए तक) का उत्पादन करने की क्षमता है लेकिन फिर भी आईसी नियामक के थर्मल शटडाउन और शॉर्ट-सर्किट संरक्षण को संरक्षित करना है।

BD536 पावर ट्रांजिस्टर निर्माता द्वारा सुझाया गया है।

चरण 6: एलडीओ वोल्टेज नियामक

L7805 एक सापेक्ष उच्च ड्रॉपआउट वोल्टेज वाला एक बहुत ही सरल उपकरण है।

कुछ लीनियर वोल्टेज रेगुलेटर, जिन्हें लो-ड्रॉपआउट (एलडीओ) कहा जाता है, में 7805 के 2V की तुलना में बहुत कम ड्रॉपआउट वोल्टेज होता है। उदाहरण के लिए LM2937 या LM2940CT-5.0 में 0.5V का ड्रॉपआउट होता है, जिसके परिणामस्वरूप आपका पावर सप्लाई सर्किट होगा एक उच्च दक्षता है, और आप इसे बैटरी बिजली की आपूर्ति के साथ परियोजनाओं में उपयोग कर सकते हैं।

न्यूनतम विन-वाउट अंतर जो एक रैखिक नियामक संचालित कर सकता है उसे ड्रॉपआउट वोल्टेज कहा जाता है। यदि विन और वाउट के बीच का अंतर ड्रॉपआउट वोल्टेज से नीचे आता है, तो नियामक ड्रॉपआउट मोड में है।

कम-ड्रॉपआउट नियामकों में इनपुट और आउटपुट वोल्टेज के बीच बहुत कम अंतर होता है। विशेष रूप से LM2940CT-5.0 रैखिक नियामक वोल्टेज अंतर डिवाइस "ड्रॉप आउट" से पहले 0.5 वोल्ट से कम तक पहुंच सकता है। सामान्य ऑपरेशन के लिए इनपुट वोल्टेज आउटपुट से 0.5 V अधिक होना चाहिए।

उन वोल्टेज नियामकों में समान लेआउट के साथ L7805 के समान T220 फॉर्म फैक्टर होता है - बाईं ओर इनपुट, बीच में जमीन, और दाईं ओर आउटपुट (जब सामने से देखा जाता है)। नतीजतन आप एक ही सर्किट का उपयोग कर सकते हैं। कैपेसिटर के लिए निर्माण सिफारिशें हैं CInput = 0.47 µF और COutput = 22 µF।

एक बड़ी कमी यह है कि 7805 श्रृंखला की तुलना में "कम-छोड़ने वाले" नियामक अधिक महंगे (यहां तक कि दस गुना तक) हैं।

चरण 7: विनियमित LM317 विद्युत आपूर्ति

LM317 एक चर आउटपुट के साथ एक सकारात्मक रैखिक वोल्टेज नियामक है, जो 1.2-37 V के आउटपुट वोल्टेज रेंज पर 1.5 A से अधिक के आउटपुट करंट की आपूर्ति करने में सक्षम है।

. पहले दो अक्षर निर्माता की प्राथमिकताओं को दर्शाते हैं, जैसे "LM", "रैखिक अखंड" के लिए खड़ा है। यह एक चर आउटपुट के साथ एक वोल्टेज नियामक है और इसलिए यह उन स्थितियों में बहुत उपयोगी है जहां आपको एक गैर-मानक वोल्टेज की आवश्यकता होती है। प्रारूप 78xx एक सकारात्मक वोल्टेज नियामक है, या 79xx नकारात्मक वोल्टेज नियामक हैं, जहां "xx" उपकरणों के वोल्टेज का प्रतिनिधित्व करता है।

आउटपुट वोल्टेज रेंज 1.2 V और 37 V के बीच है, और इसका उपयोग आपके Raspberry Pi, Arduino या DC Motors Shield को पावर देने के लिए किया जा सकता है। LM3XX में 78XX के समान इनपुट/आउटपुट वोल्टेज अंतर है - इनपुट आउटपुट वोल्टेज से कम से कम 2.5 V ऊपर होना चाहिए।

नियामकों की 78XX श्रृंखला की तरह LM317 एक तीन पिन वाला उपकरण है। लेकिन वायरिंग थोड़ी अलग है।

LM317 हुकअप के बारे में ध्यान देने वाली मुख्य बात दो प्रतिरोधक R1 और R2 हैं जो नियामक को एक संदर्भ वोल्टेज प्रदान करते हैं; यह संदर्भ वोल्टेज आउटपुट वोल्टेज को निर्धारित करता है। आप इन प्रतिरोधक मानों की गणना निम्नानुसार कर सकते हैं:

वाउट = VREF x (R2/R1) + IAdj x R2

IAdj आमतौर पर 50 µA है और अधिकांश अनुप्रयोगों में नगण्य है, और VREF 1.25 V है - न्यूनतम आउटपुट वोल्टेज।

यदि हम IAdj की उपेक्षा करते हैं तो हमारे समीकरण को सरल बनाया जा सकता है

वाउट = 1.25 x (1 + R2/R1)

यदि हम 1 kΩ के साथ R1 240 और R2 का उपयोग करेंगे तो हमें Vout = 1.25(1+0/240) = 1.25 V का आउटपुट वोल्टेज मिलेगा।

जब हम पोटेंशियोमीटर नॉब को पूरी तरह से दूसरी दिशा में घुमाएंगे तो हमें आउटपुट वोल्टेज के रूप में Vout = 1.25(1+2000/240) = 11.6 V मिलेगा।

यदि आपको उच्च आउटपुट वोल्टेज की आवश्यकता है तो आपको R1 को 100 रेसिस्टर से बदलना चाहिए।

सर्किट समझाया:

• आउटपुट वोल्टेज सेट करने के लिए R1 और R2 की आवश्यकता होती है। रिपल रिजेक्शन को बेहतर बनाने के लिए CAdj की सिफारिश की जाती है। यह तरंग के प्रवर्धन को रोकता है क्योंकि आउटपुट वोल्टेज को उच्च समायोजित किया जाता है।
• C1 की सिफारिश की जाती है, खासकर अगर नियामक बिजली आपूर्ति फिल्टर कैपेसिटर के करीब नहीं है। एक 0.1-μF या 1-μF सिरेमिक या टैंटलम कैपेसिटर अधिकांश अनुप्रयोगों के लिए पर्याप्त बाईपास प्रदान करता है, खासकर जब समायोजन और आउटपुट कैपेसिटर का उपयोग किया जाता है।
• C2 क्षणिक प्रतिक्रिया में सुधार करता है, लेकिन स्थिरता के लिए आवश्यक नहीं है।
• यदि CAdj का उपयोग किया जाता है तो सुरक्षा डायोड D2 की अनुशंसा की जाती है। डायोड संधारित्र को नियामक के आउटपुट में निर्वहन से रोकने के लिए कम-प्रतिबाधा निर्वहन पथ प्रदान करता है।
• यदि C2 का उपयोग किया जाता है तो सुरक्षा डायोड D1 की सिफारिश की जाती है। डायोड संधारित्र को नियामक के आउटपुट में निर्वहन से रोकने के लिए कम-प्रतिबाधा निर्वहन पथ प्रदान करता है।

चरण 8: सारांश

रैखिक नियामक उपयोगी होते हैं यदि:

• आउटपुट वोल्टेज अंतर का इनपुट छोटा है
• आपके पास कम लोड करंट है
• आपको एक अत्यंत स्वच्छ आउटपुट वोल्टेज की आवश्यकता होती है
• आपको डिज़ाइन को यथासंभव सरल और सस्ता रखने की आवश्यकता है।

इसलिए, न केवल रैखिक नियामकों का उपयोग करना आसान होता है, बल्कि वे स्विचिंग नियामकों की तुलना में बहुत अधिक क्लीनर आउटपुट वोल्टेज प्रदान करते हैं, जिसमें कोई तरंग, स्पाइक्स या किसी भी प्रकार का शोर नहीं होता है। संक्षेप में, जब तक कि बिजली का अपव्यय बहुत अधिक न हो या आपको स्टेप-अप रेगुलेटर की आवश्यकता न हो, एक लीनियर रेगुलेटर आपका सबसे अच्छा विकल्प होगा।