Design dell'alimentazione 24VAC / 5VDC

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Sto progettando di creare un controller per valvola dell'acqua usando un MCU e un set di elettrovalvole. I solenoidi funzionano a 24 V CA (40 mA di spunto, 20 mA di mantenimento).

L'MCU si trova su una scheda che assorbe ~ 100 mA e ha un regolatore di bordo, quindi posso fornire direttamente 5 V (bypassando il regolatore) o 6-12 V tramite il regolatore di bordo. Vorrei anche far funzionare altre periferiche da 5 V (ad es. Sensori, un display, alcuni LED e quant'altro), quindi diciamo che avrò bisogno di 500 mA di 5 V CC regolati.

Potrei teoricamente prendere l'uscita rettificata / filtrata dal trasformatore a 24 V CA e regolarla fino a ~ 12 V e usare il regolatore di bordo per regolarla ulteriormente a 5 V, ma dissiperei MOLTA potenza (comparativamente) come calore residuo. I miei regolatori dovrebbero avere un dissipatore di calore e possibilmente raffreddarsi attivamente (questo andrebbe tutto in una scatola in un garage dove verrebbe regolarmente a ~ 110F ...). Ho anche considerato l'uso di un regolatore di commutazione invece di un regolatore lineare, ma ho esperienza ZERO con quelli e non saprei come mettere insieme uno schema per fare quello che voglio, o se sia anche teoricamente realistico come idea del regolatore lineare.

Ho giocato con l'idea di utilizzare un trasformatore da 24 V CA intercettato al centro e di rettificare / regolare i 12 V dal centro toccare fino a 5 V CC per far funzionare l'MCU e utilizzare i 24 V CA su tutta l'uscita per guidare i solenoidi.

È un design appropriato? È corretto utilizzare il tocco centrale in questo modo?

— marchio
fonte

Ok, ignoriamo il trasformatore da 300mA esistente. Non è adatto indipendentemente dal design dell'alimentazione.

— Segna l'

Perché dici che 24VAC a 300mA non è adatto? Mi sembra che possa essere fatto funzionare, come abbiamo spiegato sia Russell che nelle nostre risposte. Uno switcher efficiente all'80% userebbe solo circa 100 mA. Questo lascia abbastanza corrente per 9 valvole, supponendo che si accenda solo una alla volta.

— Olin Lathrop l'

L'ho scritto prima di leggere la risposta di Russell. Apparentemente, è davvero adatto, il che è una (felice) sorpresa per me (non per motivi di costo, questo intero esercizio non è certamente una misura di risparmio). Questo è per l'irrigazione di un prato, quindi avrò bisogno di un solo solenoide alla volta.

— Segna l'

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La tua soluzione è iniziata come sopportabile (5 V a 100 mA) ma è finita completamente inaccettabile a 500 mA. Dici che la tua "verruca da parete" è classificata a 300 mA. Quando si fornisce una tensione utilizzando un regolatore lineare, la corrente in ingresso è la stessa della corrente in uscita - il regolatore abbassa la differenza di tensione. Quindi qui se si disegna 500 mA a 5 V, è necessario fornire 500 mA a 12 V o 24 V. Il trasformatore sarà sovraccarico in entrambi i casi.

Se i valori nominali sono come dici tu, una soluzione potenzialmente accettabile è quella di utilizzare un regolatore di commutazione (SR) operante da 24 . $5V \times 500 mA = 2.5 W$

. Se l'SR è efficiente all'80% (facilmente raggiungibile), sale a 260 mA. Dato che potrebbe essere un requisito occasionale, la corrente totale a 24 V sarà probabilmente accettabile con un'alimentazione di 300 mA, a seconda del numero di solenoidi che si desidera mantenere. $24V \times 5 W =~ 210 mA$

Se si passa un solo solenoide contemporaneamente l'assorbimento di corrente per N attivata è . La corrente di picco è essenzialmente irrilevante. $20 \times N + 20 mA$

Se si desidera più di 3 o 4 solenoidi, potrebbe essere necessario limitare il consumo di corrente a 5V.

per esempio

10 solenoidi a 20 mA = $200 mA$
Bilancia = $300mA-200mA = 100 mA$
Corrente disponibile a 5 V con efficienza dell'80% = , diciamo. $100 mA \times \frac{24}{5} \times 0.8 = 384 mA$ $400 mA$

Notare che quando si utilizza un regolatore di commutazione, l'uso di una tensione di ingresso più elevata comporterà un minor consumo di corrente di ingresso. Quindi è meglio qui utilizzare l'intera alimentazione a 24 V.

Si noti inoltre che se il trasformatore è un 24 V CA originale, la CC rettificata sarà di circa "un bit" $24 VAC \times 1.414 - 1.5V -$ $~= 30 VDC$

Perché:

. $VDC_{peak} = VAC_{RMS} \times \sqrt{2} ~= VAC \times 1.414 ~= 34 V$
Un raddrizzatore a ponte intero cadrà di circa 1,5 V.
34 VDC è la tensione di picco e la DC disponibile sarà leggermente inferiore - dipende dal carico. Ci saranno "un po '" di ondulazione e perdita di cablaggio e caduta del trasformatore e ...

$\frac{30}{5} \times 0.8 = 4.8:1$

per esempio

per 48 mA a 5 V sono necessari 10 mA a 30 V.
per 480 mA a 5 V sono necessari 100 mA a 30 V.

Quindi hai circa 10 solenoidi più quasi 500 mA a 5 V CC :-)

Una soluzione di molti:

Ci sono molti circuiti integrati e progetti SR. Qui sarà sufficiente un semplice regolatore buck. Puoi acquistare unità commerciali o "tirare le tue". Ci sono molti circuiti integrati moderni ma se il costo è un premio potresti guardare il tuo vecchio MC34063. Informazioni sul CI del regolatore di commutazione più economico disponibile e in grado di gestire essenzialmente qualsiasi topologia. Gestirebbe questo compito senza semiconduttori esterni e un minimo di altri componenti.

MC34063. $ US0,62 da Digikey in 1. In Cina pago circa 10 centesimi ciascuno su 10.000 qauntity (circa la metà del prezzo di Digikey).

La figura 8 nel foglio dati di seguito riportato sembra essere una "corrispondenza perfetta" per le vostre esigenze. Qui 25 V CC in ingresso, 5 V a 500 mA in uscita. 83% efficiente. 3 x R, 3 x C, diodo, induttore. Funzionerebbe senza alterazione a 30 VDC in.

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

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

Inserito il:

La Figura 8 nella scheda tecnica LM34063 mostra TUTTI i valori dei componenti ad eccezione del design dell'induttore (viene fornita solo l'induttanza). Possiamo specificare l'induttore per te da Digikey (vedi sotto) o ovunque e / o aiutarti a progettarlo. Fondamentalmente si tratta di un induttore da 200 uH progettato per l'uso generale della commutazione di potenza con una corrente di saturazione di 750 mA o più. Cose come la frequenza di risonanza, la resistenza, ecc., MA POSSONO andare bene in qualsiasi parte che soddisfi le specifiche di base. O puoi caricare il tuo per pochissimo, ad es. Su un nucleo Micrometals. Software di progettazione sul loro sito.

Da Digikey $ US0,62 / 1. Disponibile. Bourns (cioè buono).

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

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

Specifiche leggermente migliori

$ US0.75 / 1.
Montaggio superficiale.
Bourns.
http://www.bourns.com/data/global/pdfs/sdr1305.pdf

— Russell McMahon
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la tua risposta è estremamente utile. Il trasformatore da 300mA non è in realtà importante, posso sostituirlo con qualcosa di più potente se necessario, ma sembra che non sarebbe nemmeno necessario. La mia unica esitazione è che mentre ho già messo insieme forniture regolate lineari, questa sarebbe la mia prima incursione nel mondo SMPS. Non ho idea di come scegliere i componenti esterni.

— Segna l'

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@Mark: sarebbe sempre la tua prima incursione negli switcher fino a quando non ti siedi e fai uno. Questo non è né strano, né pericoloso, né deve essere super efficiente. Questo è un buon punto di partenza come un altro.

— Olin Lathrop l'

Ho appena usato gli strumenti di National per mettere insieme un SMPS usando l'LM22675. Bene, gli strumenti disponibili in questi giorni rendono queste cose un po 'TROPPO facili!

— Segna l'

Vedi aggiunta alla fine della disponibilità di risposta dell'induttore.

— Russell McMahon,

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@Mark Sì e sì. (Sei un idiota e quel coso sembra che sia una buona corrispondenza per quello che ti serve. Non ho guardato il foglio dati, ma i brevi parametri mostrati da DigiKey sembrano buoni.) In realtà potrebbe essere davvero una buona risposta in questo Astuccio. Questa è una tantum, quindi ha senso acquistare una parte per pochi dollari. Stai per essere una stalla che sta entrando negli switcher, ma come soluzione ingegneristica non posso discutere con l'acquisto della parte già pronta dallo scaffale.

— Olin Lathrop,

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Anche se usi la soluzione del rubinetto centrale , avrai bisogno di un regolatore di commutazione; un regolatore lineare dissiperebbe comunque 5W e non ne vale la pena. Torno al commutatore tra un minuto.
Se utilizzi il trasformatore con attacco centrale, devi tenere a mente due cose:

Non è possibile guidare i solenoidi direttamente attraverso triac non isolati , poiché la massa dell'alimentatore è a metà della tensione CA. Ma guardando questa domanda immagino che tu voglia usare un SSR , quindi va bene. Anche un relè elettromeccanico funzionerà.
Un trasformatore con attacco centrale + raddrizzatore a onda intera non è molto efficiente rispetto al trasformatore, poiché utilizza solo metà del trasformatore in qualsiasi momento. Quindi avrai bisogno di un trasformatore più grande (e quindi più costoso).

Il principio di funzionamento dei commutatori è un po 'più complicato di quello di un regolatore lineare, ma non è estremamente difficile. Grazie al vantaggio di offrire elevate efficienze, vengono utilizzati ovunque in questi giorni e sono disponibili numerosi regolatori . Olin ha menzionato Linear Technology , sono uno dei leader nel settore. Non sono i più economici, ma se hai solo bisogno di 1 non è un problema tanto quanto ad esempio per 100k / anno. Il loro sito web offre una ricerca parametrica, che con i miei parametri ha restituito qualcosa come 16 parti , quindi c'è molta scelta. Ho scelto la tensione di uscita fissa LT1076-5 (trascurando il costo):

LT1076-5

Come puoi vedere, questo non è più complicato di un regolatore lineare, quindi qual è il problema?

I commutatori a volte cambiano a frequenze piuttosto alte (gamma MHz) che causano EMI . Questo funziona a un 100kHz inferiore, meno EMI, ma una bobina un po 'più grande. Non un grande affare.
È possibile ottenere efficienze molto elevate con gli switcher, ma per estrarne l'ultimo% è necessario selezionare i componenti con molta attenzione e prestare molta attenzione al layout del PCB . Se non hai ancora esperienza nella progettazione di SMPS, potresti avere un'efficienza solo dell'85% anziché del massimo 90%. Ancora una volta, non è un grosso problema.

I componenti cruciali sono la bobina, il diodo e C1. Sono anche le parti che richiedono attenzione nel layout: il loop L1-C1-D1 deve essere il più corto possibile e anche la connessione tra IC e bobina. Usa tracce larghe perché porteranno alte correnti.

A pensarci bene, questo non è il foglio dati ideale. In effetti è piuttosto breve per una scheda tecnica LT. Non ha un singolo grafico e molti altri fogli dati forniscono molte informazioni sulla selezione dei componenti. Controlla altre parti se vuoi saperne di più. ( aggiornamento: il foglio dati per l'LT1076-5 sembra essere più un addendum a quello dell'LT1076 , che è più ampio )
I fogli dati per l' LT1766 e l' LT3430 sono più simili a LT, con quasi 20 pagine di informazioni sull'applicazione, tra cui calcoli e layout della scheda. Leggili e impara! :-)

OK, si trattava di LT. Sì, sono un fan (ottimo supporto anche, almeno per i professionisti), ma ce ne sono altri ovviamente. National ha la sua serie di commutatori semplici e un designer Webench che offre schemi completi di distinta base. Molto più economico di LT.

— stevenvh
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Sembra che tu abbia già quello che ti serve nella verruca a muro 24 VAC 300mA.

Il requisito di 500 mA del tuo sistema a 5 V è abbastanza alto da richiedere davvero uno switcher. È comunque possibile eseguire i solenoidi da 24 V CA come previsto, ma anche rettificarlo e quindi ridurlo a 5 V per eseguire il processore. I picchi di 24 V CA sinusoidali saranno 34 V, quindi è necessario progettare il sistema per funzionare con un massimo di 40 V.

Dovrebbero esserci molti chip disponibili che possono contenere fino a 40 V e emettere 500 mA a 5 V. Queste cose tendono ad essere sorprendentemente costose (diversi $ ciascuna), ma probabilmente piccole rispetto al costo di una singola valvola. Anche la gestione del calore non è gratuita. È possibile far girare il tuo convertitore buck e risparmiare un paio di $, ma ci vorrà più tempo e probabilmente non è una buona idea se devi porre domande di base qui.

Il trasformatore con attacco centrale non è una buona idea. 12 V CA sarà picco di 17 V, con 15,5 dopo il ponte a onda intera. Anche se si dice che solo 13 V in media dopo caduta e impedenza diminuiscono, ci sono ancora 4 Watt di calore da affrontare. È anche disponibile 4W in meno per i solenoidi.

— Olin Lathrop
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grazie mille per le informazioni riguardanti il trasformatore CT. Hai suggerimenti per l'approvvigionamento del regolatore di commutazione? Ho trovato parti come LM22674-5.0, ma progettare una fornitura in giro che sembra richiedere una conoscenza pratica della teoria del regolatore di commutazione.

— Segna l'

@Mark: Russell ha menzionato un modello particolare. Dato che si tratta di una tantum e il costo di uno switcher è piccolo rispetto alle valvole, non mi preoccuperei troppo del prezzo. Se non ti piace Russell, dai un'occhiata ai siti di Linear Technologies o On Semiconductor. I requisiti del tuo switcher non sono fuori dal comune. Tutti questi fogli dati del commutatore vengono forniti con circuiti suggeriti e probabilmente ci sono note app separate. Se non conosci i commutatori, imparali invece di cercare di evitarli.

— Olin Lathrop

ottimo consiglio. Hai qualche suggerimento su dove posso imparare i commutatori? Non sono certamente un esperto di elettronica, la mia educazione ha ~ 15 anni e all'inizio non sono stato molto vasto.

— Segna l'

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@Mark: non ho imparato a conoscere gli switcher da nessuno o anche da un numero limitato di posti. La prima volta che ho sentito parlare di questo concetto è stato alla fine degli anni '70 al college in un tour dei laboratori di ricerca di GE Schenectady. Ci sono un sacco di cose interessanti, tra cui batteri che mangiano olio e forse il primo buffer Z hardware. Comunque, Linear Technologies è uno dei principali produttori di chip di switcher e tende ad avere buoni articoli tecnici, quindi guardati intorno al loro sito web. Anche National può avere del buon materiale di base. Naturalmente ci sono anche libri interi su questo argomento.

— Olin Lathrop l'

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Sicuramente utilizzare un regolatore di commutazione. Uso 34063, un regolatore di commutazione comune ed economico. A proposito del controller della valvola dell'acqua, ho un design open source sul mio sito Web:

Elenco delle parti OpenSprinkler e immagine PCB

— raggio
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+1 per il bell'esempio, e una bella nota a margine è che il 34063 è disponibile in un DIL8 anche per l'hobbista, quindi dovrebbe essere abbastanza facile da usare.

— Johan

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I miei pensieri immediati:

Prendi il 24VAC, correggilo con un raddrizzatore a ponte a onda intera.
Aggiungi un condensatore di livellamento adatto.
Prendi un'alimentazione dal 24VDC e alimentala attraverso un LM317T con opportuni resistori di regolazione della tensione (diciamo 680Ω e 2KΩ iirc) e condensatore di uscita.

Ciò dovrebbe fornire abbastanza corrente per i solenoidi e l'MCU.

Se vuoi più corrente, basta usare un trasformatore più carnoso che fornisca più di 300mA. L'LM317T è in grado di sopportare fino a 1,5 A, se è possibile fornirlo.

Ovviamente, ci sono circuiti di commutazione più "efficienti", ma questo è rapido e semplice da mettere insieme.

— Majenko
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Un regolatore lineare non funzionerà con il suo trasformatore da 300 mA esistente poiché desidera 500 mA in uscita. Anche se potesse, sarebbe molto caldo. Siamo generosi e diciamo che il 24 V CA rettificato è solo 30 V dopo diodi, caduta di impedenza e caduta tra i semicicli. Sono ancora 12,5 Watt di calore. Uno switcher sarà molto più semplice che ottenere un trasformatore più grande e gestire 12,5 Watt di calore.

— Olin Lathrop l'

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Ma la tua opzione non funziona. Non puoi prendere il suo trasformatore esistente come hai affermato e creare un'alimentazione regolata linearmente da 500 mA poiché può fornire solo 300 mA. Per gli alimentatori lineari, l'uscita di corrente non può essere più che corrente. Inoltre, avresti bisogno di un dissipatore di calore con 4 ° C / W dal case To-220 all'ambiente per non superare le specifiche termiche dell'LM317T. Questo non è certamente banale, anche se non hai menzionato affatto la dissipazione del calore. Tutto sommato, il tuo suggerimento è semplicemente rotto.

— Olin Lathrop l'

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I tuoi punti in "pensieri immediati" sembrano rispondere alla sua domanda. Non è affatto ovvio che ciò che gli stai dicendo non soddisfi i suoi requisiti. Più tardi dici che se vuole più corrente usa un trasformatore più carnoso, ma non ha mai detto più di cosa. L'impressione è che il suo requisito di 500 mA abbia già ricevuto risposta, e questo è solo se vuole di più. Il 300mA che citi sembra riguardare il trasformatore, non la sua corrente di uscita poiché non hai mai spiegato che quest'ultimo è limitato al primo. Ancora una volta, l'intero schema è una cattiva idea.

— Olin Lathrop l'

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La sua domanda richiede 500mA. "quindi diciamo che avrò bisogno di 500mA di 5VDC regolati". Suppongo che tu abbia dato una soluzione per 1/5 della sua domanda, ma non è utile e quindi non è una gran risposta. Perché non dite semplicemente all'OP che un regolatore lineare non è appropriato qui, così lui e altri astanti non si confondono?

— Olin Lathrop l'

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@Matt - 500 mA a 5 V e 24 V CA devono immediatamente suonare un campanello "switcher". 24 V CA rettificato non fornisce 24 V, ma 32 V CC. Sono 31,5 W da dissipare nel 317. Questa è una cattiva scelta progettuale.

— Stevenvh,