초보자를 위한 전원 공급 장치, 3부

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초보자를 위한 전원 공급 장치, 3부

초보자와 비전자 엔지니어를 위한 전원 공급 장치에 대한 비디오 튜토리얼 시리즈 3부에서는 선형 전원 공급 장치 테스트 및 사용 방법을 소개합니다.

초보자를 위한 전원 공급 장치, 3부

이전에 초보자를 위한 전원 공급 장치에 대한 비디오 자습서 시리즈 2부에서는 조정되지 않은 전원 공급 장치를 테스트하고 사용하는 방법을 설명 하고 조정되지 않은 전원 공급 장치가 출력을 제어하는 ​​데 어떻게 어려움을 겪는지 보여주었습니다. 여기 비디오 튜토리얼 시리즈의 3부에서는 선형 전원 공급 장치를 살펴보고 시리즈 및 션트 조정기가 출력을 제어하는 ​​데 얼마나 더 나은지 보여줍니다.

자세한 내용은 3부 비디오 튜토리얼을 시청하세요!

 

비디오 튜토리얼의 다음 내용

시간: 0:00s 안녕하세요. 저는 전원 공급 장치를 전문으로 하는 전자 엔지니어 Chris Richardson입니다. 이것은 반드시 전력 전자 엔지니어로 교육을 받을 필요는 없는 전원 공급 장치 매니아를 위한 일련의 웹 세미나 중 세 번째 부분입니다.

지금까지 1부와 2부에서는 많은 비용을 들이지 않고 전원 공급 장치를 테스트하기 위한 기본 장비를 모은 다음 일부 오래된 비조정 전원 공급 장치를 찾아서 테스트했습니다. 이제 선형 조정기(Linear Regulator) 로 알려진 가장 오래되고 가장 기본적인 유형의 조정 전원 공급 장치를 평가하고 테스트할 차례입니다 .

제너 및 션트 레귤레이터

 

시간: 0:27s 왼쪽 다이어그램은 제너 다이오드와 저항기 R S 로 구성된 개별 선형 레귤레이터 입니다 . 저항이 하는 일은 전류를 제한하는 것뿐입니다. 그렇지 않은 경우 입력 공급 장치는 너무 많은 전류로 인해 제너를 녹이거나 입력 공급 장치 자체가 자체 전류 제한에 도달하게 됩니다.

이러한 회로는 매우 저렴하지만 출력 전압에 대한 허용 오차는 제너 전압 VZ에 따라 달라지며 이는 부하 전류, 온도 및 부품 간 VZ 자체의 자연스러운 분포에 따라 달라 집니다. 나에게는 이러한 유형의 공급 장치가 규제되는지 여부에 대해 논쟁의 여지가 있지만 나중에 나올 진정한 규제 회로에 대한 좋은 소개입니다. 능동 소자가 부하와 병렬로 연결되어 있으므로 "부하를 분류한다"고 하여 분류기라는 이름이 붙었습니다 .

TL431 션트 레귤레이터 회로

시간: 1:08s 오른쪽에는 더 나은 정밀도를 위해 정품 집적 회로를 사용하는 유사한 회로가 있습니다. TL431과 그 변형은 전원 공급 장치 세계 어디에나 있지만 여기에서 볼 수 있는 것처럼 션트 조정기로 자주 사용되지는 않습니다. TL431은 기능면에서 실제 제너 다이오드와 매우 유사하므로 기호는 제가 보여드린 것처럼 종종 제너처럼 그려집니다.

 전력제품

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저항 RS는 여전히 전류를 제한하고 최소 및 최대 제한을 충족해야 하지만 이제 저항 R TOP 및 R BOTTOM은 V OUT 의 일부를 나누어 이를 레퍼런스 핀에 피드백합니다. TL431 내부에는 활성 트랜지스터가 있으며 Ref 핀을 사용하면 V OUT이 기준 전압에서 최대 V IN 마이너스 약 1V까지 변할 수 있습니다. 1V는 소위 드롭아웃 전압이며 다음 슬라이드의 비디오 세그먼트에서 자세히 논의하겠습니다.

시간: 1:53s 여기서는 매우 기본적인 TL431 기반 션트 조정기 솔루션을 보여드리겠습니다. 여기 이 프로토보드(프로토타이핑 보드)에는 실제 TL431 및 R S 전류 제한 저항이 있고 뒷면에는 파란색 10회전 정밀 50kΩ 전위차계가 있습니다.

따라서 이는 둘 다 R TOP 및 R BOTTOM 또는 R A 및 R B 이므로 이 다이얼을 돌리면 출력 전압을 조정할 수 있습니다. Arduino와 같은 장치에서 일반적으로 사용되는 5V로 조정했습니다.

시간: 2:33s 이것은 내 고양이가 죽이기로 결정한 전화기에 대한 조정되지 않은 전원 공급 장치이므로 스위치를 켜면 입력이 10V 미만이고 출력이 5V 미만인 것을 볼 수 있습니다.

멀티미터 전압 판독값

다음 테스트에서는 부하를 가하고 이 조정기가 부하 상태에서도 출력 전압을 유지하는지 확인하는 것입니다.

부하가 걸린 선형 션트 레귤레이터

시간: 2:55s 여기에는 동일한 회로가 있지만 이제 두 개의 150Ω 전력 저항기가 병렬로 배치된 75Ω이 로드됩니다. 입력전압이 조금 떨어졌지만 출력전압은 여전히 ​​유지되는 것을 볼 수 있습니다.

 

다시 한 번, TL431을 기반으로 한 션트 레귤레이터는 66mA 또는 75Ω 부하에 연결되어 있으며 여기 화면에 표시하고 싶은 것은 노란색 리플, 즉 입력 전압이며 분할당 동일한 볼트가 얼마나 멋지고 부드러운지입니다. 출력전압은 다. 이것이 바로 션트 레귤레이터가 우리를 위해 하는 일입니다.

TL431 션트 레귤레이터 전압

또 다른 예는 Arduino 전원 공급 장치를 사용하는 경우 너무 높고 리플이 너무 많은 전압을 정리하여 부드럽고 매끄럽게 만들고 Arduino가 원하는 5V를 제공할 수 있다는 것입니다.

 테스트 및 측정

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시간: 3:43s 다음은 션트 조정기에 대한 마지막 테스트이며 매우 낮은 전력 상황을 제외하고는 션트 조정기가 사용되지 않는 이유에 대한 좋은 설명입니다. 그래서 상황을 바꾸었습니다. 이제 이 멀티미터는 실제로 입력 전류를 측정하고 있습니다. 따라서 조정되지 않은 전원 공급 장치가 여기에 들어오고 전류계로 사용하면서 측정되어 회로로 다시 들어갑니다.

지금은 부하가 연결되어 있으며 약 60밀리암페어(60mA)의 전력을 소비하는 것을 볼 수 있습니다. 지금 하려는 작업은 부하 연결을 끊는 것입니다. 그러면 일시적인 현상이 발생하지만 전류는 곧장 정상으로 돌아갑니다. 상위 전압은 동일하게 유지되지만 이 저항으로 인해 션트 조정기는 항상 부하 전류를 끌어옵니다. 따라서 회로가 무부하에서 작동하는 경우 여전히 전력을 사용하고 있으며 일부에서는 전력을 낭비한다고 말할 수도 있습니다.

시리즈 선형 레귤레이터

시간: 4:33s 이러한 더욱 정교한 선형 전원 공급 장치는 "직렬 조정기"로 알려져 있습니다. 이름에서 알 수 있듯이 선형 활성 영역에서 작동하는 트랜지스터는 부하와 직렬로 연결됩니다. 여기서는 전류 제한 저항 RS가 필요 하지 않으며 이는 일부 전력을 절약합니다.

시간: 4:48s 왼쪽 회로는 단 하나의 출력 전압 값을 생성한다는 점에서 제너 션트 조정기와 유사합니다. 그러나 7809 내부에는 고정 출력 전압을 갖는 직렬 레귤레이터 (오른쪽 회로의 R 1 및 R 2 와 같은 피드백 전압 분배기 저항 쌍)가 있습니다 .

두 가지 유형 모두에서 피드백 회로는 트랜지스터의 활성 단자에 걸리는 전압을 조정합니다. 이 트랜지스터는 입력에서 출력으로 전류를 전달하기 때문에 종종 통과 소자라고 불립니다. 활성 전압은 원하는 출력 전압을 유지하기 위해 지속적으로 조정되며 이러한 회로를 전압 또는 전위 분배기라고도 합니다.

이에 대해 생각하는 또 다른 방법은 상단 저항 R TOP이 능동적으로 조정되고 하단 저항 R BOTTOM 이 부하인 저항 분배기를 상상하는 것입니다.

LM317 시리즈 선형 전압 조정기

시간: 5:30s 여기서는 LM317 시리즈 선형 전압 조정기를 보여드리겠습니다. 장치 자체와 동일한 PCB입니다. 이것은 이 장치가 적절하게 조절하기 위해 2~3밀리암페어 사이에 필요한 최소 부하 저항이지만 이는 션트 조절기로 그린 60mA보다 훨씬 적습니다. 여기에 다시 출력 전압을 조절하기 위한 10회전 전위차계가 있습니다. 출력에서 5V를 제공하도록 조정했습니다.

이제 벤치 전원 공급 장치로 전환한 ATX 전원 공급 장치를 실제로 사용할 차례입니다 . 그래서 여기서는 12V 입력을 사용하겠습니다. 팬이 매우 시끄러워서 실제로 사용하고 있음을 알 수 있습니다. 여기 입력에는 12V, 출력에는 5V가 있습니다.

시간: 6:23s 다시 한번, LM317 시리즈 선형 레귤레이터는 여기에 4Ω 전력 저항기에 연결될 것입니다. 오실로스코프 화면을 보면 다시 노란색으로 표시되어 있는데 이것이 입력 전압이고 이제 출력입니다. 스위칭 레귤레이터의.

이는 100Hz 리플이 아니라 아마도 100kHz 리플이고 일부 노이즈가 출력에 도달하기 때문에 시분할이 훨씬 더 엄격하지만 출력인 파란색은 훨씬 더 부드럽습니다.

LM317 시리즈 선형 레귤레이터 전압

시간: 6:51s 직렬 조정기는 일반적으로 션트 조정기보다 훨씬 더 많은 전류를 처리할 수 있으며 LM317은 1A 이상을 처리할 수 있습니다. 여기에서 상황을 전환했는데 이제 주황색 멀티미터가 출력 전압을 측정하고 파란색 멀티미터가 출력 전류를 측정합니다.

여기에는 약 4Ω의 부하를 제공하기 위해 두 개의 8Ω 전력 저항이 병렬로 연결되어 있습니다. 따라서 연결하면 회로가 하나의 앰프를 소비하기 시작하고 이제 여기의 제어는 괜찮습니다. 그러나 여기에는 출력 커패시터가 없으며 켈빈 감지(4단자 감지)를 수행하지 않는다는 점을 명심하십시오. 짐.

시간: 7:28s 선형 조정기가 빠르게 과열되므로 이 실험을 빨리 수행해야 합니다. 여기에는 부하가 포함되어 있으며 스위칭 전원 공급 장치의 리플이 얼마나 많은지 더 명확하게 확인할 수 있으며 이는 회로 과열로 인한 것입니다.

저드롭아웃 시리즈 선형 레귤레이터

시간: 7:40s 780x 시리즈 및 LM317 레귤레이터는 통과 요소가 npn 바이폴라 접합 트랜지스터이기 때문에 종종 "NPN 레귤레이터"라고 불립니다. 그들은 훌륭한 부품이며 일부 디자인은 40년이 넘었지만 여전히 강력합니다.

그러나 가장 큰 단점은 드롭아웃 전압이 크다는 것입니다. 이는 회로를 적절하게 조정하기 위해 입력 전압과 출력 전압 사이에 필요한 최소 차이이며 NPN 조정기의 경우 약 2.5V입니다. "로우 드롭아웃 레귤레이터"를 의미하는 LDO는 PNP 트랜지스터 또는 더 일반적으로 MOSFET을 사용하여 최대 출력 전압이 최소 입력 전압에 매우 가까워지도록 합니다. 일부 부품은 100mV 이하에 가까워집니다.

이는 1.8V에서 1.5V로 낮추려는 최신 회로에 적합합니다. 한 가지 예는 왼쪽에 표시된 회로와 오른쪽에 표시된 LTC3025 내부의 단순화된 블록 다이어그램입니다. 이론적으로 이 회로는 부하 전류에 MOSFET의 ON 저항 M1(V = I LOAD *R ON )을 곱한 것 바로 위의 드롭아웃 전압까지 조절할 수 있습니다.

시간: 8:43s 이제 LT1575로 제작된 진정한 저드롭아웃 전압 레귤레이터를 보여드리겠습니다. 이 레귤레이터는 여기에 제어 칩이 있고 실제로 개별 전력 트랜지스터와 MOSFET이 있기 때문에 흔하지 않습니다. 열 실험을 하면 이 거대한 방열판이 더 선명하게 보이는 것을 볼 수 있으며 방열판이 없었던 LM317과 비교해보겠습니다.

지금은 부하가 없으며 2Ω 부하를 제공하기 위해 8Ω 전력 저항 4개를 모두 병렬로 연결했습니다. 입력 전압은 명목상 ATX 벤치 전원 공급 장치에서 나오는 3.3V이며 실제로 제어 섹션에 전원을 공급하기 위해 12V를 사용하고 있으며 이것이 이 칩이 실제로 그렇게 낮은 드롭아웃 전압에 도달할 수 있는 방식입니다. nMOSFET의 게이트에 실제로 전력을 공급하고 구동하는 더 높은 전압이기 때문입니다.

따라서 실제로 부하(2Ω)를 연결하면 입력 전압이 붕괴되는 것을 볼 수 있습니다. ATX 전원 공급 장치가 모든 전류를 공급할 수 없기 때문이 아니라 문제는 길고 가는 전선 모두의 전압 강하입니다.

제가 주목하고 싶은 것은 출력 전압이 2.1V까지만 떨어진다는 것입니다. 부하가 없을 때 2.8V로 가정하지만 부하가 있으면 약 100mV 정도의 드롭아웃을 볼 수 있습니다.

시간: 10:09s 선형 레귤레이터 에서 입력 전류와 출력 전류가 거의 직접적으로 관련되어 있음을 보여주기 위해 저드롭아웃 레귤레이터를 다시 한 번 설정했습니다 . 노란색 멀티미터는 입력 전류이고 파란색 멀티미터는 출력 전류이며 이 장치는 정전류 소스로 사용되는 LM317입니다.

출력에서 전류가 거의 흐르지 않는다는 것을 알 수 있습니다. 입력은 약 150mA를 소모하며 이는 여기 아래에 있는 최소 부하 저항 때문입니다. 그러나 출력 부하가 증가하기 시작하면 입력 전류가 출력 전류에 150mA를 더한 것과 같다는 것을 알 수 있습니다. 최대치까지 돌리면 추적되는 것을 볼 수 있습니다.

열 – 허용되는 정도

시간: 10:50s 2부에서는 조정되지 않은 전원 공급 장치의 부피가 큰 라인 변압기가 최대 부하에서도 거의 가열되지 않는 것을 확인했습니다. 선형 레귤레이터를 사용하면 열이 훨씬 더 즉각적인 문제가 됩니다. 전력 소비는 V IN - V OUT 에 부하 전류(V IN -V out )*I L을 곱한 것과 동일하므로 쉽게 예측할 수 있습니다 .

엔지니어들은 최대 입력 전압 V IN(max) 및 최대 부하 전류 IL (max) 등 최악의 경우를 고려합니다 . 일반적으로 반도체 패키지는 너무 뜨거워지기 전에 약 1W가 소요될 수 있습니다. 1와트 이상이면 방열판이나 강제 공기 흐름(팬)이 필요합니다.

그러나 얼마나 뜨겁다는 것은 너무 뜨겁다는 것입니다. 그러나 이는 주변 온도, 공기 흐름, 알루미늄 전해 콘덴서와 같은 민감한 구성 요소 근처의 존재 여부와 같은 여러 요소에 따라 달라지지만, 전원 공급 장치의 지속 시간과 같은 더 기본적인 요소도 있습니다.

저드롭아웃 레귤레이터 열 테스트

시간: 11:38s 개별 LDO 레귤레이터에서 열 및 전력 손실 테스트를 실행 중이므로 2Ω 부하로 돌아가서 이제 입력에서 ATX 전원 공급 장치의 전체 5V를 사용하고 있습니다. 출력은 2.8V이고 출력 부하 전류는 1.32A입니다. 열전대는 이 큰 방열판의 클립 내부에 삽입되어 있으며 35oC만 판독 합니다 .

그것을 제거하고 MOSFET의 가장 뜨거운 부분인 탭에 붙여서 온도가 얼마나 되는지 확인하겠습니다. 이제는 훨씬 더 빨리 뜨거워지고 있습니다. 탭의 온도는 아마도 40oC 정도에 도달할 것입니다 . 50oC 를 넘지 않는 한 제 생각엔 괜찮습니다. 그러면 완벽하게 안전하다고 생각합니다.

시간: 12:39초 비EE용 전원 공급 장치의 3부를 마칩니다. 스위칭 전원 공급 장치와 가장 흥미로운 주제를 살펴볼 4부에서 계속 지켜봐 주시기 바랍니다.

저와 Electronics-Tutorials.ws를 대신하여 초보자를 위한 전원 공급 장치 에 대한 이 비디오 튜토리얼을 시청해 주셔서 감사 드리며 4부에서 뵙기를 바랍니다.

비디오 튜토리얼 전사를 마칩니다.

다음 링크를 따라 초보자를 위한 전원 공급 장치에 대한 자세한 정보와 선형 전원 공급 장치에 대한 훌륭한 튜토리얼을 찾을 수 있습니다. 가변 선형 전원 공급 장치 .

초보자를 위한 전원 공급 장치에 대한 비디오 튜토리얼 4부에서는 스위칭 전원 공급 장치를 사용하는 방법을 살펴보고 벅 및 부스트 컨버터가 출력 전압을 높이거나(부스트) 낮추는(벅) 방법을 살펴보겠습니다.