Конструкция источника питания 24 В переменного тока/5 В постоянного тока

Я планирую создать контроллер водяного клапана, используя микроконтроллер и набор электромагнитных клапанов. Соленоиды работают от 24 В переменного тока (пусковой ток 40 мА, удержание 20 мА).

MCU находится на плате, которая потребляет ~ 100 мА, и имеет встроенный регулятор, поэтому я могу подать на него либо 5 В напрямую (в обход регулятора), либо 6-12 В через встроенный регулятор. Я также хочу запустить некоторые другие 5-вольтовые периферийные устройства (например, датчики, дисплей, некоторые светодиоды и так далее), поэтому, скажем, мне понадобится 500 мА регулируемого постоянного тока 5 В.

Теоретически я мог бы взять выпрямленный / отфильтрованный выходной сигнал трансформатора 24 В переменного тока и отрегулировать его до ~ 12 В и использовать встроенный регулятор для дальнейшей регулировки до 5 В, но я бы рассеивал МНОГО мощности (сравнительно) в виде отработанного тепла. Мои регуляторы должны были бы иметь радиатор и, возможно, активно охлаждаться (все это должно было бы храниться в коробке в гараже, где оно регулярно достигало бы ~ 110F ...). Я также рассматривал возможность использования импульсного регулятора вместо линейного регулятора, но у меня НУЛЕВОЙ опыт работы с ними, и я не знаю, как собрать схему, чтобы сделать то, что я хочу, или насколько это теоретически реалистично. как идея линейного регулятора.

Я обдумывал идею использования трансформатора 24 В переменного тока с центральным отводом и выпрямления / регулирования 12 В от центрального ответвления до 5 В постоянного тока для запуска микроконтроллера и использования 24 В переменного тока на полном выходе для управления соленоидами.

Это подходящий дизайн? Можно ли использовать центральный кран таким образом?

Хорошо, давайте проигнорируем существующий трансформатор на 300 мА. Это не подходит независимо от конструкции блока питания.
Почему вы говорите, что 24 В переменного тока при 300 мА не подходит? Мне кажется, это можно заставить работать, как мы с Расселом объяснили в наших ответах. Коммутатор с эффективностью 80% будет потреблять всего около 100 мА. Этого тока достаточно для 9 ламп, при условии, что вы включаете только по одной за раз.
Я написал это до того, как прочитал ответ Рассела. Судя по всему, он действительно подходит, что является (счастливым) сюрпризом для меня (не по соображениям стоимости, все это мероприятие, конечно, не является мерой экономии). Это для полива лужайки, поэтому мне понадобится только один соленоид за раз.

Ответы (5)

Ваше решение начиналось как терпимое (5 В при 100 мА), но оказалось совершенно неприемлемым при 500 мА. Вы говорите, что ваша "настенная бородавка" рассчитана на 300 мА. Когда вы подаете напряжение с помощью линейного регулятора, входной ток такой же, как и выходной ток - регулятор снижает разницу в напряжении. Так что здесь, если вы потребляете 500 мА при 5 В, вы должны подать 500 мА при 12 В или 24 В. В любом случае трансформатор будет перегружен.

Если номиналы такие, как вы говорите, то потенциально приемлемым решением является использование импульсного стабилизатора (SR), работающего от 24 В в. 5 В × 500 м А знак равно 2,5 Вт .

24 В × 5 Вт знак равно   210 м А . Если SR имеет эффективность 80% (легко достижимая), она возрастает до 260 мА. Поскольку это может быть случайным требованием, общий ток при 24 В, вероятно, будет приемлемым с источником питания 300 мА - в зависимости от того, сколько соленоидов вы хотите поддерживать.

Если вы включаете только один соленоид одновременно, потребление тока при активированном N уменьшается. 20 × Н + 20 м А . Импульсный ток практически не имеет значения.

Если вам нужно более 3 или 4 соленоидов, то, возможно, потребуется ограничить потребление тока при напряжении 5 В.

например

  • 10 соленоидов на 20 мА = 200 м А
  • Баланс = 300 м А − 200 м А знак равно 100 м А
  • Доступный ток при 5 В при КПД 80 % = 100 м А × 24 5 × 0,8 знак равно 384 м А , сказать 400 м А .

Обратите внимание, что при использовании импульсного стабилизатора использование более высокого входного напряжения приведет к меньшему потреблению входного тока. Следовательно, здесь лучше использовать полное питание 24 В.

Также обратите внимание, что если трансформатор представляет собой настоящий трансформатор на 24 В переменного тока, то выпрямленный постоянный ток будет примерно равен 24 В А С × 1,414 − 1,5 В − "немного"   знак равно 30 В Д С

Так как:

  • В Д С п е а к знак равно В А С р М С × 2   знак равно В А С × 1,414   знак равно 34 В .

  • Полномостовой выпрямитель падает примерно на 1,5 В.

  • 34 В постоянного тока является пиковым напряжением, а доступный постоянный ток будет немного ниже — в зависимости от нагрузки. Будут «немного» пульсации и потери в проводке, провисания трансформатора и…

При КПД 80% это дает усиление тока от 24 В переменного тока до 5 В постоянного тока. 30 5 × 0,8 знак равно 4,8 : 1

например

  • для 48 мА при 5В нужно 10 мА при 30В.
  • для 480 мА при 5В нужно 100 мА при 30В.

Таким образом, вы получите 10 соленоидов плюс почти 500 мА при 5 В постоянного тока :-)

Одно решение из многих:

Существует много микросхем SR и их конструкций. Здесь будет достаточно простого регулятора напряжения. Вы можете купить коммерческие единицы или «свернуть свои собственные». Существует много современных ИС, но если стоимость высока, вы можете взглянуть на старый MC34063. Самая дешевая микросхема импульсного стабилизатора, доступная и способная работать практически с любой топологией. Он справился бы с этой задачей без внешних полупроводников и с минимумом других компонентов.

MC34063. 0,62 доллара США от Digikey в единицах. Я плачу около 10 центов за 10 000 штук в Китае (примерно половина цены Digikey).

Рисунок 8 в приведенной ниже таблице данных «идеально соответствует» вашим требованиям. Здесь 25 В постоянного тока на входе, 5 В при 500 мА на выходе. Эффективность 83%. 3 х R, 3 х С, диод, индуктор. Он будет работать без переделки при 30 В постоянного тока в.

Даташит - http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/mc33063a.pdf

Цены - http://search.digikey.com/scripts/DkSearch/dksus.dll?Detail&name=296-17766-5-ND

  • Добавлен:

На рис. 8 в таблице данных LM34063 показаны значения ВСЕХ компонентов, кроме конструкции дросселя (дана только индуктивность). Мы можем заказать для вас катушку индуктивности в Digikey (см. ниже) или где-либо еще и/или помочь вам разработать ее. По сути, это индуктор на 200 мкГн, предназначенный для общего использования при переключении питания с током насыщения, скажем, 750 мА или более. Такие вещи, как резонансная частота, сопротивление и т. д., имеют значение, НО могут быть в порядке в любой части, которая соответствует основным характеристикам. ИЛИ вы можете намотать свой собственный за очень небольшие деньги, например, на сердечнике Micrometals. Программное обеспечение для дизайна на их сайте.

От Digikey $ 0,62 / 1. В наличии. Борнс (т.е. хороший).

Цена: http://search.digikey.com/scripts/DkSearch/dksus.dll?Detail&name=SDR1005-221KLCT-ND

Спецификация: http://www.bourns.com/data/global/pdfs/SDR1005.pdf

Чуть лучше характеристики

ваш ответ очень полезен. Трансформатор на 300 мА на самом деле не важен, могу заменить на что-нибудь помощнее, если надо, но, похоже, и в этом нет необходимости. Мое единственное сомнение состоит в том, что, хотя я уже собирал линейные регулируемые источники питания, это будет мой первый набег на мир SMPS. Я понятия не имею, как выбрать внешние компоненты.
@Mark: Это всегда будет вашим первым набегом на переключатели, пока вы не сядете и не сделаете это. Это не странно, не опасно и не должно быть сверхэффективным. Это примерно такое же хорошее место для начала, как и любое другое.
Я только что использовал инструменты National для сборки SMPS с использованием LM22675. Блин, инструменты, доступные в наши дни, делают это СЛИШКОМ простым!
См. дополнение в конце ответа о наличии индуктора.
Ладно, признаю, я слабак. Возможно ли, что я могу выбрать легкий путь с чем-то вроде этого ?
Я в недоумении. Рис. 8 в техпаспорте представляет собой полное решение, за исключением спецификации катушки индуктивности, и в конце перечислены несколько подходящих катушек индуктивности. «Полная конструкция», недорогая ИС, указанная катушка индуктивности — трудно превзойти. Или некоторые другие микросхемы импульсных регуляторов были предложены другими, и вы можете использовать, например, Digikey для выбора дешевых доступных подходящих катушек индуктивности. Рекомендации по компоновке были предложены другими. но у схемы есть разумный шанс «просто работать», если что-то близкое к разумной компоновке идентифицировано.
Мне интересно, что кто-то проголосовал за этот ответ. Мне было бы интересно узнать, почему, и услышать, что они говорят о превосходных решениях, и что не так с этим.
@Russell - я вижу 2 голоса "за" и ноль "против".
@stevenvh: где это можно увидеть?
@Russell: На данный момент у вас 2 голоса «за» и 0 голосов «против». Как только вы превысите лимит повторений (2000?), вы можете нажать на общее количество голосов, чтобы увидеть разбивку. Кто-то, возможно, проголосовал против, а затем отменил до того, как Стивенвх и я получили возможность посмотреть. В любом случае, я согласен, что отрицательный голос неуместен. Я даже собираюсь добавить голос, чтобы подчеркнуть.
@Olin - Я тоже так думал, но голоса IIRC (против) не отменяются, пока ответ не будет отредактирован. Последнее редактирование датировано 14 часов назад, а комментарию всего 2 часа.
@stevenvh: Вы можете отменить свои голоса за или против. Наведите указатель мыши на стрелку вверх или вниз любого сообщения, и появится надпись «Нажмите еще раз, чтобы отменить». Тот, кто поставил минус, вероятно, понял, что это была ошибка, и отменил ее.
@ Марк Да и да. (Вы слабак, и эта штука выглядит так, как будто она хорошо подходит для того, что вам нужно. Я не смотрел техническое описание, но краткие параметры, которые показывает DigiKey, выглядят хорошо.) На самом деле это может быть действительно хороший ответ в этом дело. Это единичный экземпляр, поэтому покупка детали за несколько долларов имеет смысл. Вы слабаки, пытаетесь заняться коммутаторами, но в качестве инженерного решения я не могу спорить с тем, чтобы просто купить готовую деталь с полки.
@ Олин: Действительно. Если я когда-нибудь встречу тебя в реальном мире, я куплю тебе пива или того, что ты пьешь. Спасибо за помощь.

Даже если вы используете решение с центральным краном , вам понадобится импульсный регулятор; линейный стабилизатор все равно рассеивал бы 5Вт, а оно того не стоит. Я вернусь к коммутатору через минуту.
Если вы будете использовать трансформатор с центральным отводом, вы должны помнить о двух вещах:

  1. Вы не можете управлять соленоидами напрямую через неизолированные симисторы , потому что заземление вашего источника питания находится на половине напряжения переменного тока. Но, глядя на этот вопрос , я думаю, вы хотите использовать SSR , так что все в порядке. Подойдет и электромеханическое реле.
  2. Трансформатор с центральным отводом + двухполупериодный выпрямитель не очень эффективен в отношении трансформатора, поскольку в любой момент времени он использует только половину трансформатора . Так что вам понадобится более крупный (и, следовательно, более дорогой) трансформатор.

Принцип работы переключателей немного сложнее, чем у линейного регулятора, но не очень сложен. Благодаря их преимуществу, заключающемуся в высокой эффективности , в наши дни они используются повсеместно, и существует множество доступных регуляторов . Олин упомянул Linear Technology , они являются одним из лидеров в этой области. Они не самые дешевые, но если вам нужен только 1, это не такая большая проблема, как, например, 100 тысяч в год. Их веб-сайт предлагает параметрический поиск, который с моими параметрами выдал что-то вроде 16 частей , так что выбор есть. Я выбрал фиксированное выходное напряжение LT1076-5 (без учета стоимости):

LT1076-5

Как видите, это едва ли сложнее линейного регулятора, так в чем же проблема?

  1. Коммутаторы иногда переключаются на довольно высоких частотах (диапазон МГц), что вызывает электромагнитные помехи . Этот работает на более низкой частоте 100 кГц, меньше электромагнитных помех, но катушка немного больше. Не так уж и важно.
  2. Вы можете добиться очень высокой эффективности с помощью коммутаторов, но чтобы получить этот последний процент от него, вам нужно очень тщательно выбирать компоненты и уделять много внимания разводке печатной платы . Если вы еще не имеете опыта в проектировании SMPS, у вас может быть КПД всего 85% вместо максимальных 90%. Опять же, ничего страшного.

Важнейшими компонентами являются катушка, диод и C1. Они также являются частями, которые требуют внимания при компоновке: петля L1-C1-D1 должна быть как можно короче, а также соединение между ИС и катушкой. Используйте широкие следы, потому что они будут нести большие токи.

Если подумать, это не идеальное техническое описание. На самом деле это довольно краткое описание для LT. В нем нет ни одного графика, а во многих других таблицах данных содержится много информации о выборе компонентов. Проверьте другие части , если хотите узнать больше. ( обновление: техническое описание LT1076-5 кажется скорее дополнением к LT1076 , которое является более обширным )
. расчеты и разводка платы. Читайте их и учитесь! :-)

Хорошо, это было о LT. Да, я фанат (тоже очень хорошая поддержка, по крайней мере, для профессионалов), но есть и другие, конечно. У компании National есть серия простых переключателей и конструктор Webench, который дает вам схемы с полной спецификацией. Гораздо дешевле, чем LT тоже.

Похоже, у вас уже есть то, что вам нужно, в настенной бородавке 24 В переменного тока 300 мА.

Требование 500 мА вашей 5-вольтовой системы достаточно велико, поэтому для этого действительно требуется коммутатор. Вы все еще можете запустить соленоиды от 24 В переменного тока, как предполагалось, но также исправить это, а затем снизить его до 5 В, чтобы запустить процессор. Пики синуса 24 В переменного тока будут 34 В, поэтому вы должны спроектировать систему для работы с напряжением до 40 В.

Должно быть много готовых чипов, которые могут потреблять до 40 В и выдавать 500 мА при 5 В. Эти вещи, как правило, удивительно дороги (несколько долларов каждая), но, вероятно, малы по сравнению со стоимостью одного клапана. Бороться с жарой иначе тоже не бесплатно. Можно создать собственный преобразователь долларов и сэкономить пару долларов, но это займет больше времени и, вероятно, не очень хорошая идея, если вам нужно задавать здесь основные вопросы.

Трансформатор с центральным отводом - не лучшая идея. 12 В переменного тока будет 17 В пиковым, с 15,5 после двухполупериодного моста. Даже если это, скажем, всего 13 В в среднем после падения сопротивления и снижения импеданса, это все еще 4 Вт тепла, с которыми приходится иметь дело. Это также на 4 Вт меньше для соленоидов.

Большое спасибо за информацию о трансформаторе CT. У вас есть предложения по поиску импульсного регулятора? Я нашел такие детали, как LM22674-5.0, но разработка источника питания, похоже, требует некоторых практических знаний теории импульсных регуляторов.
@Mark: Рассел упомянул конкретную модель. Поскольку это единичный экземпляр, а стоимость переключателя в любом случае невелика по сравнению с лампами, я бы не стал слишком беспокоиться о цене. Если вам не нравится язык Рассела, поищите на веб-сайтах Linear Technologies или On Semiconductor. Ваши требования к коммутатору не являются чем-то необычным. Все эти таблицы данных коммутатора поставляются с предлагаемыми схемами, и, вероятно, есть отдельные примечания к приложениям. Если вы не знаете переключателей, изучите их, а не пытайтесь их избегать.
отличный совет. Есть ли у вас какие-либо предложения о том, где я могу изучить коммутаторы? Я, конечно, не эксперт по электронике, моему образованию ~ 15 лет, и с самого начала я не был обширным.
@Mark: я не узнал о переключателях ни в одном, ни даже в небольшом количестве мест. Впервые я услышал об этой концепции в конце 1970-х в колледже во время экскурсии по исследовательским лабораториям GE Schenectady. Много интересных вещей, в том числе бактерии, питающиеся нефтью, и, возможно, первый аппаратный Z-буфер. Так или иначе, Linear Technologies является ведущим производителем чипов для видеомикшеров и, как правило, публикует хорошие технические статьи, так что посмотрите на их веб-сайт. У National также может быть хороший справочный материал. Конечно, есть и целые книги на эту тему.

Обязательно используйте импульсный стабилизатор. Я использую 34063, обычный дешевый импульсный регулятор. Говоря о контроллере водяного клапана, у меня есть дизайн с открытым исходным кодом на моем сайте:

+1 за хороший пример, и приятное примечание заключается в том, что 34063 доступен в DIL8 и для любителей, поэтому его должно быть довольно легко использовать.

Мои ближайшие мысли:

  • Возьмите 24 В переменного тока, выпрямите его двухполупериодным мостовым выпрямителем.
  • Добавьте подходящий сглаживающий конденсатор.
  • Возьмите питание от 24 В постоянного тока и подайте его через LM317T с подходящими резисторами регулировки напряжения (скажем, 680 Ом и 2 кОм iirc) и выходным конденсатором.

Это должно обеспечить вам достаточный ток для соленоидов и MCU.

Если вам нужен больший ток, просто используйте более мощный трансформатор, который дает более 300 мА. LM317T может справиться с током до 1,5А, если вы можете обеспечить его таким.

Очевидно, что есть более «эффективные» схемы переключения, но эту можно быстро и просто собрать.

Линейный регулятор не будет работать с его существующим трансформатором на 300 мА, поскольку он хочет, чтобы на выходе было 500 мА. Даже если бы это было возможно, было бы очень жарко. Давайте будем великодушны и скажем, что выпрямленное 24 В переменного тока составляет всего 30 В после диодов, падения импеданса и падения между полупериодами. Это все еще 12,5 Вт тепла. Коммутатор будет намного проще, чем приобретение более крупного трансформатора, который будет иметь дело с 12,5 Вт тепла.
@Olin, поэтому я упомянул, что существуют более эффективные схемы переключения. Я не очень хорошо разбираюсь в переключении, поэтому я оставляю это таким людям, как вы, которые умеют. Затем ОП должен взвесить все за и против каждого варианта и решить, какой из них, по его мнению, лучше всего соответствует его потребностям и способностям.
Но ваш вариант не работает. Вы не можете взять его существующий трансформатор, как вы сказали, и сделать из него линейно регулируемый источник питания на 500 мА, поскольку он может подавать только 300 мА. Для линейных источников питания выходной ток не может быть больше, чем входной. Кроме того, вам понадобится радиатор с 4 градусом C/Вт от корпуса To-220 до окружающей среды, чтобы не превысить тепловые характеристики LM317T. Это, конечно, не тривиально, хотя вы вообще не упомянули тепловыделение. В общем, ваше предложение просто сломано.
@Olin, если вы не заметили, я упоминал, что мне нужен более мощный трансформатор для тока более 300 мА. И при составлении этого я бы предположил, что ОП прочитает техническое описание, увидит требования к теплоотводу и будет действовать в соответствии с ними. Я знаю, что хотел бы.
Ваши пункты под «немедленными мыслями» выглядят так, как будто они отвечают на его вопрос. Совершенно не очевидно, что то, что вы ему говорите, не соответствует его требованиям. Позже вы говорите, что если он хочет больше тока, используйте более мощный трансформатор, но никогда не говорите больше, чем. Такое впечатление, что на его требование 500 мА уже ответили, и это только в том случае, если он захочет большего. 300 мА, которые вы цитируете, похоже, относятся к трансформатору, а не к его выходному току, поскольку вы никогда не объясняли, что последний ограничен первым. Опять же, вся эта схема — плохая идея.
@Matt: вы заметите, что я упомянул именно ваше предложенное решение в вопросе и объяснил причину, по которой оно нецелесообразно (рассеивание слишком большого количества тепла в уже довольно горячем гараже). Извините за трансформатор на 300 мА, это был отвлекающий маневр. Я удалил ссылки на него в вопросе.
@Olin Ты действительно умеешь читать? Я имею в виду, я не пытаюсь оскорбить или что-то в этом роде, но прочитайте мой ответ . В нем четко сказано: «Это должно обеспечить достаточный ток для соленоидов и MCU». Что, как говорится в вопросе, составляет ~ 100 мА!
Его вопрос требует 500 мА. «так скажем, мне понадобится 500 мА регулируемого 5 В постоянного тока». Я полагаю, вы дали решение для 1/5 его вопроса, но это бесполезно и, следовательно, не так много ответа. Почему бы вам просто не сказать ОП, что линейный регулятор здесь не подходит, чтобы он и другие наблюдатели не запутались?
@Matt - 500 мА при 5 В и 24 В переменного тока должны немедленно вызвать звонок «переключателя». Выпрямление 24 В переменного тока дает не 24 В, а 32 В постоянного тока. Это 13,5 Вт, которые должны быть рассеяны в 317. Это плохой выбор дизайна.
Конструкция источника питания 24 В переменного тока/5 В постоянного тока
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v