Diseño de fuente de alimentación de 24 V CA/5 V CC

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

La MCU está en una placa que consume ~ 100 mA y tiene un regulador integrado, por lo que puedo suministrarle 5 V directamente (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.

En teoría, podría tomar la salida rectificada/filtrada del transformador de 24 V CA y regularla a ~ 12 V y usar el regulador integrado para regularla aún más a 5 V, pero estaría disipando MUCHA energía (comparativamente) como calor residual. Mis reguladores tendrían que ser disipados y posiblemente enfriados 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 V CA con toma central y rectificar/regular los 12 V desde la toma central hasta 5 V CC para hacer funcionar la MCU y usar los 24 V CA en toda la salida para impulsar los solenoides.

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

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

Respuestas (5)

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

Si las clasificaciones son como usted dice, entonces una solución potencialmente aceptable es usar un regulador de conmutación (SR) que opere desde 24V in. 5 V × 500 metro A = 2.5 W .

24 V × 5 W =   210 metro A . Si el SR tiene una eficiencia del 80% (fácil de lograr), eso sube a 260 mA. Como es probable que sea un requisito ocasional, la corriente total a 24 V probablemente sea aceptable con un suministro de 300 mA, dependiendo de cuántos solenoides desee mantener.

Si enciende solo un solenoide a la vez, el drenaje de corriente con N activado es 20 × norte + 20 metro A . La sobrecorriente es esencialmente irrelevante.

Si desea más de 3 o 4 solenoides, es posible que deba limitar el consumo de corriente a 5 V.

p.ej

  • 10 solenoides a 20 mA = 200 metro A
  • Saldo = 300 metro A − 200 metro A = 100 metro A
  • Corriente disponible a 5V al 80 % de eficiencia = 100 metro A × 24 5 × 0.8 = 384 metro A , decir 400 metro A .

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

Tenga en cuenta también que si el transformador es de 24 VCA genuino, la CC rectificada será de aproximadamente 24 V A C × 1.414 − 1.5 V − "un poco"   = 30 V D C

Porque:

  • V D C pag mi a k = V A C R METRO S × 2   = V A C × 1.414   = 34 V .

  • Un puente rectificador completo caerá alrededor de 1,5 V.

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

Con una eficiencia del 80 %, esto proporciona un impulso de corriente de 24 V CA a 5 V CC de 30 5 × 0.8 = 4.8 : 1

p.ej

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

Así que obtienes 10 solenoides más casi 500 mA a 5 V CC :-)

Una solución de muchas:

Hay muchos SR IC y diseños. Aquí bastará con un simple regulador de buck. Puedes comprar unidades comerciales o "rollear las tuyas". Hay muchos circuitos integrados modernos, pero si el costo es elevado, puede mirar el viejo MC34063. Sobre el regulador de conmutación IC más barato disponible y capaz de manejar prácticamente cualquier topología. Manejaría esta tarea sin semiconductores externos y con un mínimo de otros componentes.

MC34063. $US0.62 de Digikey en 1's. Pago alrededor de 10 centavos cada uno en una cantidad de 10,000 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 "coincidencia perfecta" con su requisito. Aquí 25 V CC de entrada, 5 V a 500 mA de salida. 83% eficiente. 3 x R, 3 x C, diodo, inductor. Funcionaría sin alteración a 30 VDC en.

Hoja 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

  • Agregado:

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 especificarle el inductor de Digikey (consulte a continuación) o donde sea y/o ayudarlo a diseñarlo. Básicamente es un inductor de 200 uH diseñado para uso general de conmutación de energía con una corriente de saturación de, digamos, 750 mA o más. Cosas como la frecuencia de resonancia, la resistencia, etc. importan PERO pueden estar bien en cualquier parte que cumpla con las especificaciones básicas. O puede enrollar el suyo por muy poco, por ejemplo, en un núcleo de micrometales. Software de diseño en su sitio.

De 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

Especificaciones ligeramente mejores

tu respuesta es de gran ayuda. 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 lineales regulados antes, esta sería mi primera incursión en el mundo de SMPS. No tengo ni idea de cómo elegir los componentes externos.
@Mark: Siempre sería su primera incursión en los conmutadores hasta que se siente y haga uno. Este no es extraño, ni peligroso, ni necesita ser súper eficiente. Este es un lugar tan bueno para comenzar como cualquier otro.
Acabo de usar las herramientas de National para armar un SMPS usando el LM22675. Vaya, las herramientas disponibles en estos días hacen que esto sea DEMASIADO fácil.
Consulte la adición al final de la respuesta sobre la disponibilidad del inductor.
Vale, lo admito, soy un cobarde. ¿Es posible que pueda tomar el camino más fácil con algo como esto ?
estoy perplejo La figura 8 en la hoja de datos es la solución completa excepto la especificación del inductor y varios inductores adecuados se enumeran al final. '"Diseño completo", IC de bajo costo, inductor especificado' es difícil de superar. O bien, otros han sugerido varios otros circuitos integrados de reguladores de conmutación, y usted puede usar, por ejemplo, Digikey para elegir inductores adecuados disponibles baratos. Otros han sugerido pautas de diseño. pero el circuito tiene una posibilidad razonable de "simplemente ir" si se identifica algo que se acerque a un diseño sensato.
Me parece interesante que alguien haya rechazado esta respuesta. Me interesaría saber por qué y escuchar lo que tienen que decir acerca de las soluciones superiores y qué tiene de malo esta.
@Russell: veo 2 votos a favor, cero votos a la baja.
@stevenvh: ¿dónde puedes ver eso?
@Russell: A partir de ahora, tiene 2 votos positivos y 0 negativos. Una vez que haya superado el límite de repeticiones (¿2000?), puede hacer clic en el total de votos para ver el desglose. Alguien pudo haber votado negativo y luego cancelado antes de que Stevenvh y yo tuviéramos la oportunidad de mirar. En cualquier caso, estoy de acuerdo en que un voto negativo es inapropiado. Incluso voy a agregar un voto a favor solo para aclarar el punto.
@Olin: eso es lo que pensé también, pero los votos (abajo) de IIRC no se deshacen hasta que se haya editado la respuesta. La última edición data de hace 14 horas y el comentario tiene solo 2 horas.
@stevenvh: Puede deshacer sus propios votos a favor o en contra. Pase el cursor sobre la flecha hacia arriba o hacia abajo de cualquier publicación y dice "haga clic de nuevo para deshacer". Quienquiera que hizo el voto negativo probablemente se dio cuenta de que era un error y lo deshizo.
@Mark Sí y sí. (Eres un cobarde y parece que esa cosita es una buena combinación para lo que necesitas. No miré la hoja de datos, pero los parámetros breves que muestra DigiKey se ven bien). En realidad, esa puede ser una muy buena respuesta en este caso. Esto es único, por lo que comprar una pieza por unos pocos dólares tiene sentido. Estás siendo un cobarde para entrar en los conmutadores, pero como una solución de ingeniería no puedo discutir con solo comprar la pieza lista para usar.
@Olin: Efectivamente. Si alguna vez te encuentro en el mundo real, te compraré una cerveza, o lo que sea que bebas. Gracias por la ayuda.

Incluso si usa la solución del grifo central , querrá un regulador de conmutación; un regulador lineal aún disiparía 5W, y no vale la pena. Me pondré en contacto con el 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 sin aislamiento , porque la tierra de su fuente de alimentación está a la mitad del voltaje de CA. Pero mirando esta pregunta , supongo que quieres usar un SSR , así que está bien. Un relé electromecánico servirá también.
  2. Un transformador con toma central + rectificador de onda completa no es muy eficiente con respecto al transformador, ya que usa solo la mitad del transformador en cualquier momento. Por lo tanto, necesitará un transformador más grande (y, por lo tanto, más costoso).

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 , actualmente se utilizan en todas partes 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 devolvió 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 no es más complicado que un regulador lineal, entonces, ¿cuál es el problema?

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

Pensándolo bien, esta no es la hoja de datos ideal. De hecho, es bastante breve para una hoja de datos de LT. No tiene un solo gráfico, y muchas otras hojas de datos le brindan mucha información sobre la selección de componentes. Consulte 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 ) . cálculos y disposición del tablero. Léelos y aprende! :-)

Bien, esto fue sobre LT. Sí, soy un fan (muy buen apoyo también, al menos para los 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.

Parece que ya tiene lo que necesita en la verruga de pared de 24 V CA 300 mA.

El requisito de 500 mA de su sistema de 5 V es lo suficientemente alto como para requerir un conmutador. Todavía puede ejecutar los solenoides desde los 24 VCA según lo previsto, pero también rectificar eso y luego reducirlo a 5V para ejecutar el procesador. Los picos de 24 VAC sinusoidales serán de 34V, por lo que deberá diseñar el sistema para que funcione hasta con 40V.

Debería haber muchos chips listos para usar disponibles que puedan tomar hasta 40 V y sacar 500 mA a 5 V. Estas cosas tienden a ser sorprendentemente costosas (varios dólares cada una), pero probablemente pequeñas en comparación con el costo de una sola válvula. Lidiar con el calor de lo contrario tampoco es gratis. Es posible crear su propio convertidor de dinero y ahorrar un par de dólares, pero llevará 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. 12 V CA será un pico de 17 V, con 15,5 después del puente de onda completa. Incluso si se trata de un promedio de solo 13 V después de la caída y la caída de la impedancia, todavía hay que lidiar con 4 vatios de calor. También hay 4 W menos disponibles para los solenoides.

muchas gracias por la información sobre el transformador CT. ¿Tiene sugerencias para obtener el regulador de conmutación? He encontrado piezas como el LM22674-5.0, pero diseñar un suministro que parece requerir algún conocimiento práctico de la teoría del regulador de conmutación.
@Mark: Russell mencionó un modelo en particular. Dado que esto es único y el costo de un conmutador es pequeño en comparación con las válvulas de todos modos, no me preocuparía demasiado por el precio. Si no le gusta el de Russell, busque en los sitios web de Linear Technologies o On Semiconductor. Los requisitos de su conmutador no son extraordinarios. Todas estas hojas de datos de conmutadores vienen con circuitos sugeridos, y probablemente haya notas de aplicaciones separadas. Si no conoce a los cambiadores, apréndalos en lugar de tratar de evitarlos.
excelente consejo ¿Tiene alguna sugerencia sobre dónde puedo aprender a cambiar? Ciertamente no soy un experto en electrónica, mi educación es de ~ 15 años y no fue extensa para empezar.
@Mark: No aprendí sobre conmutadores de ninguno o incluso de un pequeño número de lugares. Lo primero que escuché sobre el concepto fue a fines de la década de 1970 en la universidad durante un recorrido por los laboratorios de investigación de GE Schenectady. Un montón de cosas geniales, incluidas las bacterias que comen aceite y posiblemente el primer búfer Z de hardware. De todos modos, Linear Technologies es un fabricante líder de chips conmutadores y tiende a tener buenos artículos técnicos, así que busque en su sitio web. National también puede tener un buen material de antecedentes. Por supuesto, también hay libros completos sobre este tema.

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:

+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.

Mis pensamientos inmediatos:

  • Tome el 24VAC, rectifiquelo con un puente rectificador de onda completa.
  • Agregue un condensador de suavizado adecuado.
  • Tome una alimentación de 24 V CC y aliméntelo a través de un LM317T con resistencias de ajuste de voltaje adecuadas (por ejemplo, 680 Ω y 2 KΩ iirc) y un capacitor de salida.

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

Si desea más corriente, simplemente use un transformador más carnoso que proporcione más de 300 mA. El LM317T puede hacer frente a hasta 1,5 A, si puede proporcionarlo.

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

Un regulador lineal no funcionará con su transformador de 300 mA existente ya que quiere 500 mA de salida. Incluso si pudiera, se calentaría mucho. Seamos generosos y digamos que los 24 V CA rectificados son 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 comprar un transformador más grande y manejar 12,5 vatios de calor.
@Olin, por lo tanto, mencioné que hay circuitos de conmutación más eficientes. No sé cambiar mucho, así que se lo dejo a la gente como tú que sí. Luego, depende del OP sopesar los pros y los contras de cada opción y decidir cuál cree que se adapta mejor a sus necesidades y habilidades.
Pero tu opción no funciona. No puede tomar su transformador existente como 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 de calor con 4 grados C/W desde la caja To-220 al ambiente para no exceder las especificaciones térmicas del LM317T. Eso ciertamente no es trivial, aunque no mencionaste la disipación de calor en absoluto. Con todo, su sugerencia está simplemente rota.
@Olin, en caso de que no lo hayas notado, mencioné que quería un transformador más carnoso para más de 300 mA de corriente. Y al armarlo, asumiría que el OP leería la hoja de datos y vería los requisitos de disipación de calor y actuaría en consecuencia. Sé que lo haría.
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. Después dices que si quiere más corriente que use un transformador más carnoso, pero nunca dices más de qué. La impresión es que su requerimiento de 500mA 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 está limitado al primero. Nuevamente, todo este esquema es una mala idea.
@Matt: notará que mencioné exactamente su solución propuesta en la pregunta y di la razón por la que no es práctica (disipando demasiado calor en un garaje que ya está bastante caliente). Lo siento por el transformador de 300 mA, era una pista falsa. Eliminé las referencias a él en la pregunta.
@Olin ¿Realmente puedes leer? Quiero decir, no estoy tratando de ser ofensivo ni nada, pero lee mi respuesta . Dice claramente "Eso debería proporcionarle suficiente corriente para los solenoides y la MCU". ¡Que, como dice la pregunta, es ~ 100 mA!
Su pregunta pide 500mA. "Entonces, digamos que necesitaré 500 mA de 5 V CC 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 dices al OP que un regulador lineal no es apropiado aquí para que él y otros transeúntes no se confundan?
@ Matt: 500 mA a 5 V y 24 V de CA deben sonar inmediatamente como una campana de "conmutador". 24V AC rectificado no da 24V, sino 32V DC. Son 13,5 W que se disiparán en el 317. Esta es una mala elección de diseño.
Diseño de fuente de alimentación de 24 V CA/5 V CC
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