各类升降压稳压模块及在电子产品上的应用

原创：DronebotWorkshop 翻译: DIY百事

先容

如果您利用Arduino和其他电子设备的韶光很短，那么您可能想出了一种在事情台上为它们供电的方法。

充电宝和台式电源可以很好地完成这项事情。
利用Arduino，您只需通过打算机的USB端口即可为设备供电。
上电从未如此大略！

但是，在完成设计后，您常日会希望构建项目的更永久版本，为此，您须要考虑如何为其供应电源。

像Arduino这样的电子设备须要“逻辑电平”电压才能起浸染。
这些“逻辑电平”电压有两种形式：

传统的5伏DC也称为“ TTL电平”许多低功率设备中利用的节电3.3伏DC电源。

在这两种情形下，都须要相称精确地调节电压，以避免破坏组件。

在许多情形下，充电宝可能是一个大略的办理方案。
它供应了适用于大多数电子设备的5伏稳压直流电源，其全封闭式的设计可保护您免受电击的危险。

但是，如果要利用电池为设备供电怎么办？从电池得到准确且稳定的5或3.3伏电压是一个寻衅，尤其是在电池放电时。

本日，我们将磋商为您的电子设计供应稳压电源的几种低本钱选择。

图1

通用电压哀求

您的设计可能须要几个标准电压电平，有些设计将须要多个电压电平。
个中一些如下：

3.3伏直流电–这是低功率数字设备中利用的常见电压。
5伏直流电–这是数字设备利用的标准TTL（Transistor Transistor Logic）电压。
6伏直流电–常日用于直流和伺服电机。
12伏直流电–也与直流电动机以及许多步进电动机一起利用。
48伏直流电–在专业音频设备中用作麦克风的“幻像电源”。

以上所有电压电均匀相对付地为正。
但是一些较早的设计也须要负电压，例如，在RS-232串行连接中利用了-12伏直流电，这在所有打算机和调制解调器上都是标准的。
音频放大器常日须要正电源和负电源。

调压及稳压

逻辑电平电压须要非常高的精度。
例如，为使TTL逻辑正常事情，电源电压须要在4.75到5.25伏之间，任何较低的电压都会导致逻辑组件停滞正常事情，而任何较高的电压都会毁坏它们。

某些电源电压哀求不太严格。
像电动机，LED及其他显示器，机电组件等的电源就不须要像对逻辑电源电压那样严格地调节。
在终极设计中，常日不对这些电源进行调节以节省本钱。

市电供电设备的电压调节相对随意马虎，由于调节器电路的输入电压相对恒定。
然而，用电池作为电源的设计就将碰着较大的寻衅，由于电池电压水平会随着电池放电而颠簸。

既可以由市电电压供电又可以由电池供电的设备，常日在通过市电线路供电时，还具有用于为电池充电的附加电路。
根据设计中采取的电池技能，其范围可以从大略到非常繁芜的充电电路。

电流哀求

在为您的项目设计电源时，电源电压水平不是唯一必须考虑的规格。
确定项目的电流需求同样主要。

与电压哀求不同，产品花费的电流并不总是静态值。
电动机，LED和其他显示器，扬声器和其他传感器会导致电流颠簸，因此您须要设计电源以适应“最坏情形”，即每个电动机，指示器和发声器均以最大容量运行。

在电池供电的设计中，电流需求再一次成为寻衅。
随着电池放电，其容量会降落，试图超过这些电流容量可能会导致电池快速放电。

效率

稳压器设计的另一个主要方面是效率。
调节器或电压转换器本身会花费一些电力。

效率与热量的产生密切干系，效率低下的调节器设计会将其多余的能量作为热量散发掉。
除非您故意试图加热电路，否则这不是件好事！
发热是电子元器件的最大仇敌之一，如果您的调节器产生出大量热量，则您须要加入透风，散热的设计。

没有一种设计是100％的效率，因此一定会产生一些热量，但是我们可以通过优化组件将其最小化。

AC DC

在常规的线性电源中，AC电压首先通过变压器，该变压器将其大幅降落，然后将其转换为DC。

在当代开关电源（如台式打算机中的开关电源）中，AC电压直接转换为高压DC，并用于驱动高频振荡器。
然后，由该振荡器产生的高频互换电通过一个小型变压器，变压器的低压输出转换为直流电。

无论哪种办法，我们都须要将AC转换为DC。
这实际上很大略。

整流器和桥

“整流器”一词可以追溯到真空管的时期，它实际上只是大电流二极管的另一个名字。
众所周知，二极管是一种基本的电子组件，只许可电流沿一个方向通过。

如果将整流器或二极管与互换电压源串联，则将防止互换旗子暗记的正或负部分通过，详细取决于您定向二极管的办法。

这是从互换电产生直流电压的步骤，但是终极的输出并不完备平滑，如下图所示。

图2

可以在输出端利用电解电容器，以使电压平滑并产生合理稳定的直流电压。
这是将AC转换为DC的大略方法，但有几个缺陷。

输出电压将降落。
它将是互换输入电压乘以0.7072。

您实际上是在“摧残浪费蹂躏”每个互换周期的一半，因此效率不是很高。

更好的方法是利用四个二极管来创建所谓的“桥式整流器”。
您可以不才图中查当作果。
同样，我们将利用电解电容器来平滑产生的直流电压。

图3

与单二极管方法比较，此方法具有几个优点：

输出电压更大。
它将是互换输入电压乘以1.414。
利用互换循环的正向和负向部分，这会更有效率。

您可以利用四个单独的二极管构建该电路，也可以购买预接线的桥式整流器。

顺便说一句，我之前引用的输出电压不是很准确，您还须要考虑二极管的压降。
常日，这约为0.7伏。

这些电路会将AC转换为DC电压，但是它们无助于调节电压。
如果互换电压应上升或低落，则相应的直流电压输出将变革相同的幅度。

稳压器和转换器

无论您的直流电压是来自互换电还是来自电池，都可能不是恰好适宜您的运用的精确电压。
您须要将电压变动为所需的电平（即5伏），并且纵然输入电压发生变革，也须要确保其保持在该电平。

我们可以利用调节器或转换器以几种办法实现此目的。

线性稳压器

线性稳压器采取直流电压输入，并在较低电压下产生稳压输出。

Arduino Uno板上是利用的稳压器的一个很好的例子。
Arduino Uno的电路板上有一个5伏线性稳压器，您可以利用其同轴电源连接器连接8至20伏DC的电源。
调节器将其降落到Arduino利用的5伏DC电平。

线性稳压器自1970年代中期以来一贯可用，并且本日它们仍旧是有代价的组件。
它们非常易于利用，并具有不同的额定电流。
它们常日以与晶体管和功率晶体管相同的尺寸封装。

图4

线性稳压器常日须要比所需输出电压高至少2.2伏的输入电压。
只管它们常日可以承受很大范围的输入电压，但您须要理解，输入电压越高，调节器将产生更多的热量及摧残浪费蹂躏。

线性稳压器价格便宜，是线路供电设备的空想选择。
它们还用于音频设备，由于它们不会产生电压转换器所产生的电气噪声。
虽然您当然可以将它们与电池供电的设计一起利用，但它们常日不是此运用程序的最佳选择，由于这样终极会摧残浪费蹂躏大量的热量。
然而，这并不总是精确的，由于现在已经有了新一代的低压降稳压器，我们稍后将谈论个中的一些。

调节电池供电设备中电压的更好方法是利用电压转换器。

电压转换器

实际上，您可以在项目中利用三种类型的电压转换器：

降压转换器升压转换器降压升压转换器

让我们快速看一下它们之间的差异。

降压转换器

降压转换器利用称为“飞轮电路”的东西事情。
在操作中，晶体管导通和截止，其输出通过电感器（线圈）馈入电容器。
随着晶体管的导通和关断，电容器对存储在线圈中的能量进行充电和放电。
切换发生的周期或频率决定了输出电压。

图5

像线性稳压器一样，在所需的输出电压低于输入电压的情形下，也可以利用降压转换器。

升压转换器

升压转换器的事情事理类似降压转换器，差异在对线圈，二极管和电容器等形成所述飞轮电路的元件的支配。
升压转换器也称为“开关电源”。

图6

顾名思义，升压转换器的输出电压实际上高于输入电压。

降压升压转换器

降压升压转换器险些是两全其美的选择，它利用一对晶体管掌握的反激电路来升压或降落输入电压。

图7

这种类型的电压转换器对付电池供电的设备特殊有用。
例如，以一个利用一个7.2V的电池供应6V的电路为例，电池充满电后(8.4V)，转换器的浸染就像降压转换器，将输出电压降落到5V。
当电池自身放电至低于6V电平时，电路将起到升压转换器的浸染，将输出提升至6V。

我们将研究所有三种类型的转换器。

盛行的稳压器和转换器

现在我们已经谈论了电源，调节器和转换器，现在该将我们学到的知识付诸实践了。

我网络了这些设备的几个示例，向您展示。
所有这些都是为您的项目供应电压的大略且廉价的方法。

线性稳压器– 78XX和79XX系列

我们的第一个线性稳压器是已经存在40多年的组件。
实际上，这是一个组件家族，其成员具有不同的电压输出和电流功能。

78XX电压调节器是3引脚器件，有许多不同的封装，从大功率晶体管封装（T220）到小型表面贴装器件，不一而足。
这些是最常见的正电压调节器。
79XX系列是等效的负电压调节器。

这些组件的编号系统非常大略，零件编号中的XX表示输出电压。
因此，例如，7805是5伏正稳压器，7812是12伏正稳压器，而7915是15伏负稳压器。
正系列和负系列均供应几种常见电压。

图8

这些稳压器非常易于利用。
除了稳压器本身之外，您唯一须要的其他组件是在输入和输出两端连接几个电解电容器。
该值并不严格，常日可以在输入端利用2.2uf或更大的电容器，在输出端利用100uf或更大的电容器。
请把稳，只管您以相同的办法利用正和负调节器，但引脚排列是不同的：

78XX（正）稳压器利用以下引脚：输入参考（接地）输出79XX（负）调节器利用以下引脚：参考（接地）输入输出

这些稳压器的TO-220外壳版本要把稳的一件事是，外壳已电连接到中央引脚（引脚2）。
在78XX系列上，这意味着外壳已接地，但是请把稳，在79XX（负调节器）系列上，引脚2是输入，而不是接地。
这意味着在将散热器连接到设备时须要格外小心，如果打算通过大量电流，则须要这样做。
如有必要，可以在散热器上利用云母绝缘子，以防止其与插针2电气打仗。

只管这些稳压器已经利用良久了，但本日仍在利用中，非常适宜线路供电的设计。
它们的效率不如当代稳压器，因此对付电池供电的设备，您须要查看此处先容的其他一些办理方案。

线性稳压器– LM317可变稳压器

LM317是一款具有可变输出的正线性稳压器。
这也是经典的电子组件，其可变输出使其在须要“非标准”电压的情形下非常有用。
在大略的可变事情台电源中，它也受到了业余爱好者的欢迎。

与78XX系列或稳压器一样，LM317是三引脚器件。
但是，接线略有不同，如此处所示。

图9

关于LM317连接的紧张把稳事变是为调节器供应参考电压的两个电阻器，该参考电压确定输出电压。
您可以如下打算这些电阻值：

R1的建议值为240欧姆，但实际上可以为100到1000欧姆之间的任何值。

当然，您也可以用电位计代替这两个电阻，以制成可变线性稳压器。
您可能希望将一个100欧姆的电阻与电位计串联，以确保R1永久不会降至零欧姆。

与78XX系列稳压器一样，LM317仍在利用，但现在又有更高效的稳压器可用。
对付须要非常规电压的线路来说，这仍旧是一个不错的选择。

线性稳压器– PSM-165 12v至3.3v线性降压稳压器

PSM-165是一个小型分线板，个中包含3.3伏稳压器。
这个小板将采取4.5至12伏的输入并将其转换为3.3伏，以用于低功耗逻辑电路。

PSM-165上利用的芯片与大多数Arduino Uno板上利用的芯片相同，可供应3.3伏输出。
它具有800 mA的最大电流能力。

该板很有趣，由于它具有用于输入和输出的多个连接，这在设计利用该模块作为“子板”的PCB时供应了很大的灵巧性。

图10

如您所见，此模块的连接非常大略，不须要任何外部组件。

线性稳压器– AMS1117-5线性5v稳压器模块

AMS1117系列的三引脚稳压器的事情办法与78XX系列非常相似。
它们供应几种不同的电压，并且与78XX系列引脚兼容。

与78XX系列比较，它们是更当代的设备，并且具有较低的压降，因此对付线路供电和电池供电的电源都非常有用。

AMS1117-5是5伏稳压器。
它可以单独利用，也可以在盛行的打破板上利用。
有了分线板，可以很随意马虎地将其合并到您的项目中。

图11

与PSM-165一样，AMS1117-5模块的连接也很轻松。
分支板上有滤波电容器，因此不须要外部组件。
只需连接您的输入电压就可获取输出-便是这么大略！

线性稳压器– L4931CZ33-AP 3.3v极低压降稳压器

我们本日要看的末了一个线性稳压器是L4931CZ33-AP。
与PSM-165一样，该稳压器供应3.3伏电压，为低功耗逻辑电路供电。

该稳压器的压降极低，准确地说仅为0.4伏。
这使其成为在低电流电池供电设备中利用的空想稳压器。
它也非常小巧，采取TO-92晶体管封装以及几种表面贴装封装。

L4931CZ33-AP实际上是低压降稳压器系列的成员，也有具有类似特性的3.5伏，5伏和12伏型号。
利用此设备时，唯一须要的附加组件是一个2.2 uF的小型电解电容器。

图12

L4931CZ33-AP的连接与78XX系列的连接非常相似。
我提到的2.2uf电容器用于输出，也可以在输入上放置一个可选的陶瓷电容器。

降压转换器– MINI-360 DC-DC降压转换器

现在让我们看一低落压转换器。
MINI-360是一款超小型，超高效的降压转换器，可以接管高达23伏的输入，并供应可调节至低至1伏和高至17伏的输出。

该设备位于一个很小的分线板上，该分线板上有一个用于设置输出电压的电位计。
效率高达95％旁边，险些没有能量摧残浪费蹂躏为热量，使该设备成为电池供电设计的空想选择。

图13

如图所示，MINI-360的连接非常大略，只需连接您的输入电压即可利用。
在将任何负载连接到电位器之前，最好调节电位器并设置输出电平，特殊是如果打算将其用于低压时。

升压转换器– PSM-205升压5v USB DC-DC转换器

我们将要看到的第一个升压转换器是一种独特的设备，由于它在分线板上集成了USB插孔。
在为USB供电的设备建立电源时，这非常方便。

这种便宜的模块将以600 mA的电流将低至0.9伏至5伏的电压升压。
显然，这非常适宜由电池供电的项目，现在可以利用单个AA或AAA电池为5伏逻辑设备供电。

图14

再次，该模块使连接非常大略，您只须要将0.9到5伏的电源连接到输入，然后将USB供电的设备插入USB连接器。

正如您可能已经猜到的那样，该升压转换器常日用于USB移动电源中。

升压转换器– MT3608 DC-DC升压转换器

另一个微型升压转换器MT3608可以接管低至2伏的输入并将其升高至28伏。
它包括欠压锁定，热限定和过流保护。

MT3608封装在一个带有微调电位器的微型分线板上，用于设置电压值。
虽然看起来很小，但该设备可以供应令人印象深刻的2安培电流。
MT3608的效率等级为93％。

图15

MT3608仅具有四个标记清楚的引脚，非常易于利用。
由于它能够输出高达28伏的电压，因此在将设备连接到电路之前，利用微调电位器设置输出电压是一个好主张。

降压升压转换器– S9V11F5升压/降压稳压器

现在，我们转到一个我个人最喜好的电池供电设备-S9V11F5升压/降压稳压器。

由Pololu制作的这个奇特的产品可以产生5伏特的电压，输入范围为2伏特至16伏特。
须要把稳的一件事是，启动转换器须要至少3伏的电压，但是一旦它运行，输入电压可能会低落到2伏，然后才能停滞事情。

该板非常小，只有三个连接。
它与直角插头和右弯公插一起包装，使您可以在与传统3引脚线性稳压器相同的地方利用它。

S9V11F5是一组分线板的成员，个中一些具有固定的输出电压，而另一些则具有可变性。

图16

S9V11F5不须要任何外部电容器或其他组件即可事情。
它的超小尺寸和相对较高的输出电流能力使其非常适宜许多设计。

但是要把稳的一件事是，S9V11F5可能会变得很热，特殊是在满电流情形下利用时。
在支配电路板时要记住这一点，在利用时不要触摸转换器，否则可能会烫伤自己！

面包板电源

在结束之前，我想提一提一种为您的项目加电的方法。

面包板电源是一个常见的组件，专门设计用于为无焊面包板供电。
这些便宜的单元带有两个线性稳压器，可从9至15伏的直流输入供应稳定的5或3.3伏。
它们旨在卡入标准无焊面包板的电源轨中。
该设备还具有2.1毫米同轴电源输入，电源LED指示灯，USB电源输出和开关。

这些设备显然适宜在带有无焊面包板的事情台上利用，但它们也可以为永久性项目供应良好的电源。
他们利用线性稳压器，只管它们可以由9伏电池供电，但它们可能更适宜于线路供电设计。

图17

我建议在您的事情台周围有一些这样的东西，如果只是为了进行实验的话。

小结

供应良好的电源是设计电子设备的主要组成部分。
如您所见，可以利用多种方法为电子项目供应电源。

如果打算利用市电（AC）为设备供电，则须要确保采纳适当的安全预防方法，以防止电击的可能性。
最好的方法是利用市售的AC适配器供应安全的DC电源，然后可以根据须要利用上述方法之一进行调节。

对付电池供电的设计，利用高效的电压转换器可以在须要充电或改换之前，通过压迫电池中的每一滴能量来延长项目的运行韶光。

无论您有什么哀求，您都一定会找到适宜您需求的转换器或调节器。

现在让我们通上电！