Diseño de fuente de alimentación de 24 VCA / 5 VCC

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Estoy planeando crear un controlador de válvula de agua usando un MCU y un conjunto de válvulas controladas por solenoide. Los solenoides funcionan con 24 VCA (entrada de 40 mA, retención de 20 mA).

La MCU está en una placa que consume ~ 100 mA, y tiene un regulador incorporado, por lo que puedo suministrarla directamente 5 V (sin pasar por el regulador) o 6-12 V a través del regulador integrado. También deseo ejecutar algunos otros periféricos de 5 V (es decir, sensores, una pantalla, algunos LED y demás), así que digamos que necesitaré 500 mA de 5 V CC regulados.

Teóricamente podría tomar la salida rectificada / filtrada del transformador de 24 VCA y regularla a ~ 12 V y usar el regulador a bordo para regular aún más a 5 V, pero estaría disipando MUCHA potencia (comparativamente) como calor residual. Mis reguladores necesitarían un disipador térmico y posiblemente enfriarse activamente (todo esto iría en una caja en un garaje donde regularmente llegaría a ~ 110F ...). También he considerado usar un regulador de conmutación en lugar de un regulador lineal, pero tengo CERO experiencia con ellos, y no sabría cómo armar un esquema para hacer lo que quiero, o si es tan teóricamente realista como la idea del regulador lineal.

He jugado con la idea de usar un transformador de 24 VCA con derivación central y rectificar / regular los 12 V desde la derivación central hasta 5 VCC para ejecutar el MCU y usar los 24 VCA en toda la salida para conducir los solenoides.

¿Es este un diseño apropiado? ¿Está bien usar el toque central de esta manera?

marca
fuente
Ok, ignoremos el transformador existente de 300 mA. No es adecuado independientemente del diseño de la fuente de alimentación.
Mark
¿Por qué dice que 24 VCA a 300 mA no es adecuado? Me parece que se puede hacer que funcione, como Russell y yo explicamos en nuestras respuestas. Un conmutador eficiente al 80% solo usaría aproximadamente 100 mA. Eso deja suficiente corriente para 9 válvulas, suponiendo que solo encienda una a la vez.
Olin Lathrop
Escribí eso antes de leer la respuesta de Russell. Aparentemente, es realmente adecuado, lo cual es una sorpresa (feliz) para mí (no por razones de costo, este ejercicio completo ciertamente no es una medida de ahorro de costos). Esto es para regar un césped, por lo que solo necesitaré un solo solenoide a la vez.
Mark

Respuestas:

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Su solución comenzó como soportable (5V a 100mA) pero terminó completamente inaceptable a 500 mA. Usted dice que su "verruga de la pared" tiene una potencia de 300 mA. Cuando suministra un voltaje utilizando un regulador lineal, la corriente de entrada es la misma que la corriente de salida: el regulador reduce la diferencia de voltaje. Entonces, si extrae 500 mA a 5V, debe suministrar 500 mA a 12V o 24V. El transformador se sobrecargará en cualquier caso.

Si las calificaciones son como usted dice entonces una solución potencialmente aceptable es el uso de un regulador de conmutación (SR) que operan de 24V en. .5V×500mA=2.5W

. Si el SR es 80% eficiente (fácil de lograr) que se eleva a 260 mA. Como es probable que sea un requisito ocasional, la corriente total a 24 V probablemente será aceptable con un suministro de 300 mA, dependiendo de cuántos solenoides desee mantener.24V×5W= 210mA

Si se cambia un solo solenoide a la vez el consumo de corriente con N activa es . La corriente de sobretensión es esencialmente inmaterial.20×N+20mA

Si desea más de 3 o 4 solenoides, entonces el drenaje de corriente a 5V puede ser limitado.

p.ej

  • 10 solenoides a 20 mA = 200mA
  • Balance = 300mA200mA=100mA
  • Corriente disponible a 5 V al 80% de eficiencia = , digamos400mA.100mA×245×0.8=384mA400mA

Tenga en cuenta que cuando se utiliza un regulador de conmutación, el uso de un voltaje de entrada más alto dará como resultado un menor consumo de corriente de entrada. Por lo tanto, es mejor usar el suministro completo de 24V.

Tenga en cuenta también que si el transformador es de 24 VCA genuinos, entonces la CC rectificada será de aproximadamente 24VAC×1.4141.5V "un bit" = 30 V D C =30VDC

Porque:

  • .VreCpagmiunk=VUNCRMETROS×2 =VUNC×1.414 =34V

  • Un puente rectificador completo caerá aproximadamente 1.5V.

  • 34 VCC es el voltaje pico y la CC disponible será ligeramente menor, depende de la carga. Habrá "un poco" de ondulación y pérdida de cableado y caída del transformador y ...

305 5×0.8=4.8:1

p.ej

  • para 48 mA a 5V necesita 10 mA a 30V.
  • para 480 mA a 5 V necesita 100 mA a 30 V.

Entonces, obtienes 10 solenoides más casi 500 mA a 5 V CC :-)


Una solución de muchas:

Hay muchos SR IC y diseños. Aquí un simple regulador de dinero será suficiente. Puedes comprar unidades comerciales o "rodar las tuyas". Hay muchos circuitos integrados modernos, pero si el costo es elevado, puede consultar el antiguo MC34063. Acerca del IC regulador de conmutación más barato disponible y capaz de manejar esencialmente cualquier topología. Manejaría esta tarea sin semiconductores externos y un mínimo de otros componentes.

MC34063. $ US0.62 de Digikey en 1's. Pago alrededor de 10 centavos cada uno en 10,000 qauntity en China (aproximadamente la mitad del precio de Digikey).

La Figura 8 en la hoja de datos a la que se hace referencia a continuación resulta ser una "combinación perfecta" para sus requisitos. Aquí, 25 V CC, 5 V a 500 mA. 83% eficiente. 3 x R, 3 x C, diodo, inductor. Funcionaría sin alteración a 30 VDC en.

Ficha de datos - http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/mc33063a.pdf

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


  • Adicional:

La Figura 8 en la hoja de datos LM34063 muestra TODOS los valores de los componentes, excepto el diseño del inductor (solo se proporciona la inductancia). Podemos especificar el inductor para usted desde Digikey (ver más abajo) o donde sea y / o ayudarlo a diseñarlo. Básicamente es un inductor de 200 uH diseñado para uso general de conmutación de potencia con una corriente de saturación de, digamos, 750 mA o más. Cosas como la frecuencia de resonancia, la resistencia, etc. importan PERO es probable que estén bien en cualquier parte que cumpla con las especificaciones básicas. O bien, puede enrollar el suyo por muy poco, por ejemplo, en un núcleo de Micrometal. Diseño de software en su sitio.


Desde Digikey $ US0.62 / 1. En stock. Bourns (es decir, bueno).

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

Hoja de datos: http://www.bourns.com/data/global/pdfs/SDR1005.pdf

Ligeramente mejor espec.

Russell McMahon
fuente
Su respuesta es extremadamente útil. El transformador de 300 mA en realidad no es importante, puedo reemplazarlo con algo más potente si lo necesito, pero parece que ni siquiera sería necesario. Mi única duda es que, si bien he reunido suministros regulados lineales antes, esta sería mi primera incursión en el mundo SMPS. No tengo idea de cómo elegir los componentes externos.
Mark
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@ Mark: Siempre sería tu primera incursión en los conmutadores hasta que te sientes y hagas uno. Este no es extraño, ni peligroso, ni necesita ser súper eficiente. Este es un lugar tan bueno para comenzar como cualquier otro.
Olin Lathrop
Acabo de usar las herramientas de National para armar un SMPS usando el LM22675. Sheesh, ¡las herramientas disponibles en estos días hacen que esto sea un poco DEMASIADO fácil!
Mark
Vea la adición al final de la respuesta sobre la disponibilidad del inductor.
Russell McMahon
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@ Mark Sí y sí. (Eres un debilucho y esa cosita parece ser una buena combinación para lo que necesitas. No miré la hoja de datos, pero los breves parámetros que DigiKey muestra se ven bien.) En realidad, esa puede ser una muy buena respuesta en este caso. Esto es único, por lo que comprar una parte por unos pocos dólares tiene sentido. Estás siendo un cobarde entrando a los conmutadores, pero como solución de ingeniería no puedo discutir con solo comprar la parte preparada del estante.
Olin Lathrop
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Incluso si usa la solución de derivación central , querrá un regulador de conmutación; un regulador lineal aún disiparía 5W, y no vale la pena. Regresaré al conmutador en un minuto.
Si usaría el transformador de derivación central, debe tener en cuenta dos cosas:

  1. No puede conducir los solenoides directamente a través de triacs no aislados , porque la tierra de su fuente de alimentación es la mitad del voltaje de CA. Pero mirando esta pregunta , supongo que quieres usar un SSR , así que está bien. Un relé electromecánico también funcionará.
  2. Un transformador de derivación central + rectificador de onda completa no es muy eficiente con respecto al transformador, ya que utiliza solo la mitad del transformador en cualquier momento. Por lo tanto, necesitará un transformador más grande (y, por lo tanto, más caro).

El principio de funcionamiento de los conmutadores es un poco más complicado que el de un regulador lineal, pero no es extremadamente difícil. Gracias a su ventaja de ofrecer altas eficiencias, se usan en todas partes en estos días, y hay una gran cantidad de reguladores disponibles . Olin mencionó Linear Technology , son uno de los líderes en el campo. No son los más baratos, pero si solo necesita 1, no es un problema tan grande como para 100k / año, por ejemplo. Su sitio web ofrece una búsqueda paramétrica, que con mis parámetros arrojó algo así como 16 partes , por lo que hay muchas opciones. Elegí el voltaje de salida fijo LT1076-5 (sin tener en cuenta el costo):

LT1076-5

Como puede ver, esto es apenas más complicado que un regulador lineal, entonces, ¿cuál es el problema?

  1. Los conmutadores a veces cambian a frecuencias bastante altas (rango de MHz) que causa EMI . Este funciona a una velocidad inferior de 100 kHz, menos EMI, pero un poco más grande. No es un gran trato.
  2. Puede lograr eficiencias muy altas con los conmutadores, pero para obtener ese último%, necesita seleccionar los componentes con mucho cuidado y prestar mucha atención al diseño de la PCB . Si aún no tiene experiencia en el diseño SMPS, puede tener una eficiencia de solo el 85% en lugar del máximo 90%. De nuevo, no es gran cosa.

Los componentes cruciales son la bobina, el diodo y C1. También son las partes que necesitan atención en el diseño: el bucle L1-C1-D1 debe mantenerse lo más corto posible, y también la conexión entre IC y la bobina. Use trazas anchas porque llevarán altas corrientes.

Pensándolo bien, esta no es la hoja de datos ideal. De hecho, es bastante breve para una hoja de datos LT. No tiene un solo gráfico, y muchas otras hojas de datos le brindan mucha información sobre la selección de componentes. Verifique otras partes si desea obtener más información. ( actualización: la hoja de datos para el LT1076-5 parece ser más una adición a la del LT1076 , que es más extensa )
Las hojas de datos para el LT1766 y LT3430 son más similares a LT, con casi 20 páginas de información de la aplicación, incluyendo Cálculos y diseño del tablero. ¡Léelos y aprende! :-)

OK, esto fue sobre LT. Sí, soy fanático (muy buen apoyo también, al menos para profesionales), pero hay otros, por supuesto. National tiene su serie de Simple Switchers y tiene un diseñador Webench que le brinda esquemas completos con BOM. Mucho más barato que LT también.

stevenvh
fuente
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Parece que ya tienes lo que necesitas en la verruga de pared de 24 VCA y 300 mA.

El requisito de 500 mA de su sistema de 5 V es lo suficientemente alto como para que esto realmente requiera un conmutador. Todavía puede ejecutar los solenoides desde los 24 VCA como se esperaba, pero también rectificar eso y luego reducirlo a 5V para ejecutar el procesador. Los picos del seno de 24 VCA serán de 34V, por lo que debe diseñar el sistema para que funcione con hasta 40V.

Debería haber muchos chips disponibles que pueden tomar hasta 40 V y apagar 500 mA a 5 V. Estas cosas tienden a ser sorprendentemente caras (varios $ cada una), pero probablemente pequeñas en comparación con el costo de una sola válvula. Tratar con el calor de otra manera tampoco es gratis. Es posible rodar su propio convertidor de dinero y ahorrar un par de $, pero tomará más tiempo y probablemente no sea una buena idea si tiene que hacer preguntas básicas aquí.

El transformador de derivación central no es una buena idea. La CA de 12 V será un pico de 17 V, con 15,5 después del puente de onda completa. Incluso si es solo un promedio de 13 V después de la caída y la caída de la impedancia, aún quedan 4 vatios de calor con los que lidiar. También es 4W menos disponible para los solenoides.

Olin Lathrop
fuente
Muchas gracias por la información sobre el transformador CT. ¿Tiene sugerencias para obtener el regulador de conmutación? Encontré piezas como el LM22674-5.0, pero diseñar un suministro alrededor que requiera algún conocimiento práctico de la teoría del regulador de conmutación.
Mark
@ Mark: Russell mencionó un modelo en particular. Dado que esto es único y el costo de un conmutador pequeño en comparación con las válvulas de todos modos, no me preocuparía demasiado por el precio. Si no le gusta Russell, mire a su alrededor en los sitios web de Linear Technologies o On Semiconductor. Sus requisitos de conmutador no están fuera de lo común. Todas estas hojas de datos del conmutador vienen con circuitos sugeridos, y probablemente hay notas de aplicaciones separadas. Si no conoce los conmutadores, apréndalos en lugar de tratar de evitarlos.
Olin Lathrop
Excelente consejo. ¿Tiene alguna sugerencia sobre dónde puedo aprender conmutadores? Ciertamente no soy un experto en electrónica, mi educación tiene ~ 15 años y, para empezar, no era extensa.
Mark
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@ Mark: No aprendí sobre conmutadores de ninguno o incluso de un pequeño número de lugares. Lo primero que supe del concepto fue a fines de la década de 1970 en la universidad, en un recorrido por los laboratorios de investigación de GE Schenectady. Un montón de cosas interesantes, incluidas las bacterias que consumen aceite y posiblemente el primer tampón Z de hardware. De todos modos, Linear Technologies es un fabricante líder de chips de conmutación, y tiende a tener buenos artículos técnicos, así que mire su sitio web. National también puede tener un buen material de antecedentes. Por supuesto, también hay libros completos sobre este tema.
Olin Lathrop
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Definitivamente use un regulador de conmutación. Yo uso 34063, un regulador de conmutación común y barato. Hablando de controlador de válvula de agua, tengo un diseño de código abierto en mi sitio web:

Rayo
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+1 para el buen ejemplo, y una buena nota al margen es que el 34063 también está disponible en un DIL8 para el aficionado, por lo que debería ser bastante fácil de usar.
Johan
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Mis pensamientos inmediatos:

  • Tome los 24 VCA, rectifíquelo con un puente rectificador de onda completa.
  • Agregue un condensador de suavizado adecuado.
  • Tome una alimentación del 24VDC y alimente a través de un LM317T con resistencias de ajuste de voltaje adecuadas (digamos 680Ω y 2KΩ iirc) y condensador de salida.

Eso debería proporcionarle suficiente corriente para los solenoides y la MCU.

Si desea más corriente, simplemente use un transformador más carnoso que le dé más de 300 mA. El LM317T puede hacer frente a hasta 1.5A, si puede proporcionarlo.

Obviamente, hay circuitos de conmutación más 'eficientes', pero este es rápido y fácil de armar.

Majenko
fuente
Un regulador lineal no funcionará con su transformador existente de 300 mA ya que quiere 500 mA. Incluso si pudiera, se calentaría mucho. Seamos generosos y digamos que la CA rectificada de 24 V es de solo 30 V después de los diodos, la caída de impedancia y la caída entre semiciclos. Eso sigue siendo 12,5 vatios de calor. Un conmutador será mucho más simple que obtener un transformador más grande y lidiar con 12.5 vatios de calor.
Olin Lathrop
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Pero tu opción no funciona. No puede tomar su transformador existente como lo indicó y hacer un suministro regulado linealmente de 500 mA, ya que solo puede suministrar 300 mA. Para suministros lineales, la salida de corriente no puede ser mayor que la entrada de corriente. Además, necesitaría un disipador térmico con 4 ° C / W desde la caja To-220 hasta la temperatura ambiente para no exceder las especificaciones térmicas del LM317T. Eso ciertamente no es trivial, aunque no mencionó la disipación de calor en absoluto. En general, su sugerencia está simplemente rota.
Olin Lathrop
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Sus puntos bajo "pensamientos inmediatos" parecen responder a su pregunta. No es obvio en absoluto que lo que le estás diciendo no cumpla con sus requisitos. Más tarde dices que si quiere más corriente para usar un transformador más carnoso, pero nunca dijo más que qué. La impresión es que su requisito de 500 mA ya ha sido respondido, y esto es solo si quiere más que eso. Los 300 mA que cita parecen ser sobre el transformador, no sobre su corriente de salida, ya que nunca explicó que este último se limita al primero. De nuevo, todo este esquema es una mala idea.
Olin Lathrop
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Su pregunta pide 500mA. "así que digamos que necesitaré 500mA de 5VDC regulados". Supongo que dio una solución para 1/5 de su pregunta, pero eso no es útil y, por lo tanto, no es una gran respuesta. ¿Por qué no le dice al OP que un regulador lineal no es apropiado aquí para que él y otros espectadores no se confundan?
Olin Lathrop
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@Matt: 500 mA a 5 V y 24 V CA deben hacer sonar inmediatamente una campana de "conmutador". 24 V CA rectificado no da 24 V, sino 32 V CC. Eso es 13.5W para ser disipado en el 317. Esta es una mala elección de diseño.
stevenvh