Diseño de la fuente de alimentación de 24VAC/5VDC

Question

Estoy planeando crear un controlador de válvulas de agua utilizando un MCU y un conjunto de válvulas controladas por solenoides. Los solenoides funcionan con 24VAC (40mA de entrada, 20mA de mantenimiento).

El MCU está en una placa que consume ~100mA, y tiene un regulador a bordo, por lo que puedo suministrarle 5V directamente (evitando el regulador) o 6-12V a través del regulador a bordo. También quiero hacer funcionar algunos otros periféricos de 5V (es decir, sensores, una pantalla, algunos LEDs, y otras cosas), así que digamos que necesitaré 500mA de 5VDC regulados.

Teóricamente podría tomar la salida rectificada/filtrada del transformador de 24VAC y regularla a ~12V y usar el regulador de a bordo para regularla aún más a 5V, 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 el uso de un regulador de conmutación en lugar de un regulador lineal, pero tengo cero experiencia con los, y yo no sé cómo armar un esquema para hacer lo que quiero, o si es incluso tan teóricamente realista como la idea del regulador lineal.

He jugado con la idea de usar un transformador de 24VAC con toma central y rectificar/regular los 12V de la toma central hasta 5VDC para hacer funcionar la MCU y usar los 24VAC a través de la salida completa para manejar los solenoides.

¿Es este un diseño apropiado? ¿Está bien utilizar el grifo central de esta manera?

Answer 1

Tu solución empezó siendo soportable (5V a 100mA) pero acabó siendo completamente inaceptable a 500 mA. Dices que tu "verruga de pared" tiene una capacidad de 300 mA. Cuando se suministra una tensión mediante un regulador lineal, la corriente de entrada es la misma que la de salida: el regulador reduce la diferencia de tensión. Por lo tanto, si usted consume 500 mA a 5V, debe suministrar 500 mA a 12V o 24V. El transformador se sobrecargará en ambos casos.

Si los valores nominales son los que dices, una solución potencialmente aceptable es utilizar un regulador de conmutación (SR) que funcione a partir de 24V. \$5V \times 500 mA = 2.5 W\$ .

\$24V \times 5 W =~ 210 mA\$ . Si el SR tiene una eficiencia del 80% (fácil de conseguir), esto se eleva a 260 mA. Como es probable que esto sea un requisito ocasional, la corriente total a 24V será probablemente aceptable con un suministro de 300 mA, dependiendo de cuántos solenoides desee mantener encendidos.

Si se enciende sólo un solenoide a la vez, el drenaje de corriente con N activado es \$20 \times N + 20 mA\$ . La corriente de sobretensión es esencialmente irrelevante.

Si quieres más de 3 o 4 solenoides, entonces el consumo de corriente a 5V puede necesitar ser limitado.

Por ejemplo

• 10 solenoides a 20 mA = \$200 mA\$
• Balance = \$300mA-200mA = 100 mA\$
• Corriente disponible a 5V con una eficiencia del 80 % = \$ 100 mA \times \frac{24}{5} \times 0.8 = 384 mA\$ , digamos que \$400 mA\$ .

Tenga en cuenta que cuando se utiliza un regulador de conmutación, el uso de una tensión de entrada más alta dará lugar a un menor drenaje de corriente de entrada. Por lo tanto, en este caso es mejor utilizar la alimentación completa de 24V.

Tenga en cuenta también que si el transformador es un verdadero 24 VAC entonces la DC rectificada será de aproximadamente \$24 VAC \times 1.414 - 1.5V - \$ "un poco" \$~= 30 VDC \$

Porque sí:

• \$VDC_{peak} = VAC_{RMS} \times \sqrt{2} ~= VAC \times 1.414 ~= 34 V\$ .

• Un puente rectificador completo dejará caer unos 1,5V.

• 34 VDC es la tensión máxima y la DC 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%, se obtiene un aumento de corriente de 24VAC a 5V DC de \$ \frac{30}{5} \times 0.8 = 4.8:1 \$

Por ejemplo

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

Así que se obtienen unos 10 solenoides más casi 500 mA a 5V DC :-)

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Una solución entre muchas otras:

Hay muchos circuitos integrados y diseños de SR. En este caso bastará con un simple regulador buck. Puedes comprar unidades comerciales o "hacerlas tú mismo". Hay muchos circuitos integrados modernos, pero si el coste es muy elevado, se puede utilizar el antiguo MC34063. Es el regulador de conmutación más barato que existe y es capaz de manejar prácticamente cualquier topología. Se encargaría de esta tarea sin semiconductores externos y con un mínimo de otros componentes.

MC34063. 0,62 dólares de Digikey en 1. Yo pago unos 10 centavos cada uno en 10.000 qauntity en China (aproximadamente la mitad del precio de Digikey).

La figura 8 de la hoja de datos a la que se hace referencia más abajo resulta ser una "coincidencia perfecta" con su requisito. Aquí, 25 VDC de entrada, 5V a 500 mA de salida. 83% de eficiencia. 3 x R, 3 x C, diodo, inductor. Funcionaría sin alteraciones a 30 VDC de entrada.

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

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

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• Añadido:

La figura 8 de la hoja de datos del LM34063 muestra TODOS los valores de los componentes excepto el diseño del inductor (sólo se indica la inductancia). Podemos especificar el inductor para usted desde Digikey (ver abajo) o donde sea y/o ayudarle 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 cualquier pieza que cumpla con las especificaciones básicas esté bien. O bien, usted puede enrollar su propia por muy poco en, por ejemplo, un núcleo Micrometals. Software de diseño en su sitio.

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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

Ficha técnica: http://www.bourns.com/data/global/pdfs/SDR1005.pdf

Especificaciones ligeramente mejores

• 0,75 DÓLARES/1.

• Montaje en superficie.

• Bourns.

• http://www.bourns.com/data/global/pdfs/sdr1305.pdf

Answer 2

Incluso si se utiliza el grifo central solución querrás un regulador de conmutación; un regulador lineal seguiría disipando 5W, y no merece la pena. Volveré a hablar del conmutador en un minuto.
Si quieres utilizar el transformador con toma central, tienes que tener en cuenta dos cosas:

1. No se pueden accionar los solenoides directamente a través de triacs no aislados porque la tierra de tu fuente de alimentación está a medio camino de la tensión de CA. Pero mirando esta pregunta Supongo que quieres usar un SSR Así que está bien. Un relé electromecánico también servirá.
2. Un transformador de toma central + rectificador de onda completa no es muy eficiente con respecto al transformador, ya que sólo utiliza la mitad del transformador en cualquier momento. Así que necesitarás un transformador más grande (y por 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 alta eficiencia hoy en día se utilizan en todas partes, y hay un una plétora de reguladores disponibles . Olin mencionó Tecnología lineal Son uno de los líderes en este campo. No son los más baratos, pero si sólo necesitas uno, no es un problema tan grande como para 100.000 euros al año, por ejemplo. Su sitio web ofrece una búsqueda paramétrica, que con mis parámetros devolvió algo así como 16 partes Así que hay mucho donde elegir. Elegí la tensión de salida fija LT1076-5 (sin tener en cuenta el coste):

Como puedes ver, esto no es más complicado que un regulador lineal, así que ¿cuál es el problema?

1. Los conmutadores a veces cambian en lugar de frecuencias altas (rango de MHz) que provoca EMI . Este funciona a 100kHz más bajo, menos EMI, pero una bobina un poco más grande. No es un gran problema.
2. Se puede lograr muy alta eficiencia con conmutadores, pero para sacarle ese último % hay que seleccione los componentes con mucho cuidado y prestar mucha atención a la Diseño de la placa de circuito impreso . Si aún no tienes experiencia en el diseño de SMPS, puede que tengas una eficiencia de sólo el 85% en lugar del 90% máximo. De nuevo, no es un gran problema.

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 el CI y la bobina. Utiliza trazas anchas porque transportarán 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 ni un solo gráfico, y muchas otras hojas de datos ofrecen mucha información sobre la selección de componentes. Consulta otras partes si quiere saber más. ( actualización: la hoja de datos del LT1076-5 parece ser más bien un apéndice de la del LT1076 que es más amplio )
Las hojas de datos del LT1766 y LT3430 son más parecidos a los LT, con casi 20 páginas de información sobre la aplicación, incluidos los cálculos y la disposición de la placa. ¡Léelas y aprende! :-)

OK, esto era sobre LT. Sí, soy un fanático (muy buen apoyo también, al menos para los profesionales), pero hay otros, por supuesto. National tiene su serie de Conmutadores simples y tiene un diseñador de Webench que te da esquemas completos con BOM. También es mucho más barato que LT.

Answer 3

Parece que ya tienes lo que necesitas en la varilla de pared de 24 VAC 300mA.

El requerimiento de 500mA de su sistema de 5V es lo suficientemente alto como para que esto realmente requiera un conmutador. Puedes seguir haciendo funcionar los solenoides a partir de los 24 VAC como se pretende, pero también rectificarlos y luego bajarlos a 5V para hacer funcionar el procesador. Los picos de los 24 VAC sinusoidalmente serán de 34V, así que deberías diseñar el sistema para trabajar con hasta 40V.

Debería haber muchos chips disponibles que pueden tomar hasta 40V y emitir 500mA a 5V. Estas cosas tienden a ser sorprendentemente caro (varios $ each), but probably small compared to the cost of a single valve. Dealing with the heat otherwise is also not free. It's possible to roll your own buck converter and save a couple of $ Pero le llevará más tiempo y probablemente no sea una buena idea si tiene que hacer preguntas básicas aquí.

El transformador con toma central no es una buena idea. 12V AC serán 17V de pico, con 15,5 después del puente de onda completa. Incluso si se dice que sólo 13V promedio después de droop y gotas de impedancia, que es todavía 4 vatios de calor para hacer frente a. También son 4W menos disponibles para los solenoides.

Answer 4

Definitivamente, utilice un regulador de conmutación. Yo uso el 34063, un regulador de conmutación común y barato. Hablando de regulador de la válvula de agua, tengo un diseño de código abierto en mi sitio web:

• Lista de piezas de OpenSprinkler e imagen de la PCB

Answer 5

Mis pensamientos inmediatos:

• Toma los 24VAC, rectifícalos con un puente rectificador de onda completa.
• Añade un condensador de alisado adecuado.
• Toma una alimentación de los 24VDC y aliméntala a través de un LM317T con resistencias de ajuste de tensión adecuadas (digamos 680Ω y 2KΩ iirc) y condensador de salida.

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

Si quieres más corriente, sólo tienes que utilizar un transformador más potente que dé más de 300mA. El LM317T puede soportar hasta 1,5A, si puedes proporcionarle tal.

Obviamente, hay circuitos de conmutación más "eficientes", pero éste es rápido y sencillo de montar.