Como criar uma fonte de alimentação regulamentada de 5V a partir de uma fonte de alimentação não regulamentada de 5V

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Eu tenho um projeto que envolve um computador de placa única específico * e várias centenas de LEDs RGB "inteligentes" WS2812B *, todos funcionando com uma fonte de 5V.

Eu tenho uma fonte de alimentação não regulamentada de 5 volts e 15 amp. Enquanto os LEDs estão bem com uma fonte de alimentação não regulamentada, o microcontrolador que estou usando tende a ter problemas quando a tensão não é constante.

Desde que eu quero executar tudo isso a partir de uma fonte de energia, eu gostaria de criar cerca de 1 amp de energia 5V regulada a partir da fonte não regulamentada de 15A 5V.

Quero construir esse conversor de energia em uma placa de circuito impresso, por isso estou procurando um design que possa implementar e não uma placa pré-fabricada. Meu design final será um chapéu Pi, ou seja, ele se encaixará nas portas GPIO do Pi e ficará em cima.

Tudo isso será soldado manualmente (através do orifício ou montagem na superfície), de modo que, idealmente, não envolva mais peças do que o necessário. Este é um caso único, embora o custo seja uma preocupação, não estou tentando economizar centavos.

Que tipo de circuito conversor de energia eu poderia construir na minha placa que pode fazer isso? Convertendo apenas 1 amp, encontrarei problemas significativos de calor?

Não estou pedindo a ninguém para projetar isso para mim, mas me aponte na direção correta.

* O WS2812B é uma fonte de luz LED RGB controlada por dados seriais 'inteligente' integrada em um pacote 5050. As conexões são entradas e saídas seriais digitais, mais 5V e terra. alfinetes. Ele também inclui um oscilador interno de precisão e um inversor de corrente constante de 12V (gerado internamente). Os dispositivos são encadeados em série (do Dout ao próximo Din), permitindo até 1024 dispositivos e uma corda de 5 metros de comprimento em uma única conexão em série.
Para mais detalhes, consulte a folha de dados aqui

* Raspberry Pi 2 B

power-supply dc-dc-converter

— HighInBC
fonte

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Eu sou novo aqui, por isso, se alguém que me deixou em votação baixa puder explicar o porquê, isso me ajudará a melhorar na próxima vez.

— HighInBC

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Eles pensam erroneamente que esta é uma questão de compras, porque você é novo e mencionou o Arduino / RPi. As pessoas por aqui odeiam qualquer um que mencione isso. Estou surpreso que ainda não tenha sido migrado sozinho.

— Transeunte

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Vou manter isso em mente e da próxima vez chame-o de "pequeno computador de 5V".

— HighInBC

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O uso final não deve importar. Uma pergunta sobre como regular um transformador não regulado da mesma tensão é diretamente sobre o tópico.

— quer

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Não leve Olin a sério demais sobre esse assunto (mas observe-o completamente em qualquer assunto técnico) - esse é um problema político recorrente com ele, então ele usa qualquer desculpa para vencer ainda mais esse cavalo morto. [[:-)]] Não leve muito a sério meus comentários sobre Olin, exceto aqueles sobre sua capacidade técnica, isso é recorrente .... -> Abend: loop pendente recursivo detectado. || O comentário de Olin sobre WS2812B pode estar correto. Ou os defensores aleatórios aleatórios podem ter escolhido você para seu presente diário, como parece acontecer.

— Russell McMahon

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A folha de dados do conversor XL6009 possui vários esquemas de referência, incluindo um para o conversor boost-buck não inversor:

Você precisará adaptá-lo à saída de 5V em vez de 12V substituindo R2 por um resistor de 3,0K, de acordo com a fórmula acima. A faixa de entrada depende da tensão e corrente de saída; portanto, sua fonte não regulamentada de 5V deve estar na faixa de uma saída regulada de 5V.

— Dmitry Grigoryev
fonte

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A folha de dados do XL6009 diz que a tensão de entrada pode variar de 5V-32V. Se meu suprimento não regulamentado de 5V cair abaixo de 5V, isso não será um problema?

— HighInBC

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Observação justa, na verdade. Eu usei esse chip com Li-Ion como entrada (entre 3,7 e 4,2V) sem problemas e, por exemplo, este site afirma que seu conversor de impulso baseado no XL6009 funciona de 3V para cima, mas as especificações não garantem isso.

— Dmitry Grigoryev

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Eu assumirei a realidade acima das especificações a qualquer dia.

— HighInBC 22/10

Pelo menos as classificações máximas absolutas de XL6009 não proíbem que você fique abaixo de 5V. Eu acho que você pode não obter a eficiência alegada ou a corrente de comutação 4A completa. Obrigado por mencioná-lo, eu ignorei esta linha de especificações.

— Dmitry Grigoryev

Outra solução poderia ser adicionar o circuito regulador à fonte não regulamentada, para fornecer 5v 1A regulado e 5v 15A não regulamentado. Você "tocaria" na fonte dos 5v não regulamentados.

— 22715 Guill #

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O que você deseja é chamado de "conversor de inversão de impulso não inversor". Existem algumas topologias diferentes do conversor de modo comutado que podem alcançar isso.

Infelizmente, todos eles são mais complexos do que um simples conversor buck (apenas desce) ou um conversor boost (apenas desce).

Um google rápido encontrou uma appnote Ti comparando as opções. http://www.ti.com/lit/an/slyt584/slyt584.pdf

A National Semiconductor possui uma ferramenta on-line chamada webbench que projetará esse material para você. A única desvantagem que encontrei com ela é que ela gosta de escolher peças que sejam um PITA para soldar.

— Peter Green
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+1 Esta é uma boa informação. Eu tenho um pouco de leitura para fazer.

— HighInBC 21/10

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Deixe-me informar que a National Semiconductor não existe mais. Eles foram comprados pela TI há algum tempo. De fato, agora você pode encontrar a ferramenta de design do WebBebch hospedada no site www.ti.com.

— Michael Karas

Aceitei esta resposta, pois parece estar me apontando na direção certa.

— HighInBC

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Você pode considerar apenas aumentar o suficiente para regular linearmente de volta a 5V. Menos eficiente e pode ser impraticável, mas você deve pelo menos fazer as somas.

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Um conversor de impulso seguido por um regulador linear é provavelmente de complexidade geral semelhante a um conversor de impulso séptico ou de comutação dupla. Então, eu não tenho certeza se vejo muito sentido.

— 22615 Peter Green

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Por que construir você mesmo quando você pode comprar um pequeno conversor boost-buck por menos de dez dólares? Eu tenho uma experiência bastante positiva com este . É pequeno, de perfil baixo e é fácil de soldar (4 furos nos cantos, 2 para entrada e 2 para saída):

Para sua informação, o tamanho dessa coisa é 44x21x13mm, portanto pode se encaixar bem entre a sua PCB personalizada e a RPi.

— Dmitry Grigoryev
fonte

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Como mencionei, estou construindo uma PCB que precisa se ajustar a um fator de forma. Eu certamente poderia usar os componentes e o design de uma placa como essa.

— HighInBC #

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Por que responder dessa maneira, quando está claramente indicado na pergunta que ele não está procurando um quadro pré-fabricado? Mesmo que ele não tenha declarado isso - isso não está respondendo às perguntas de forma alguma, as pessoas leem a troca de pilhas para aprender, não as recomendações de compras, leem electronics.stackexchange.com/help/on-topic Coisas assim devem estar nos comentários, não em resposta (se ele deve ser em tudo, porque pergunta diz especificamente "não" para placas de off-the-shelf)

— ScienceSamovar

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para não mencionar que os conversores sobre sua ligação é muito caro, você pode encontrar idêntica (mesmo do mesmo fabricante) conversores muito mais barato (cerca de US $ 3 cada)

— ScienceSamovar

Por que não é possível empilhar essa placa pré-fabricada na PCB personalizada e fazer o conversor, concentrando-se no restante do design em vez de reinventar a roda? No final, é claro, a escolha é sua.

— Dmitry Grigoryev

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@DmitryGrigoryev, porque o objetivo é aprender como fazê-lo e aplicar essas habilidades em outros projetos (que vão para a produção, por exemplo, você não pode usar esse tipo de coisa na produção). É claro que você pode usar placas pré-fabricadas e códigos pré-escritos para tudo, mas isso significa que, no final, você mal sabe exatamente o que seu circuito faz, apenas conhece grandes módulos. De qualquer forma, esse não é o ponto, o que quero dizer é que, se alguém lhe perguntar como fazer algum circuito e fazer cálculos - dar a ele um link para armazenar e dizer "não se preocupe, apenas compre" é um pouco desencorajador de aprender.

— precisa

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Meu raspberry pi 2012-2013 anunciado como necessitando de "5V regulado" acabou precisando de 4,88 a 5,02 V para inicializar e> 4,4V para continuar operando. Como seu suprimento principal de 15A pode momentaneamente ultrapassar 5,02 volts às vezes, eu não confio nele.

Se você pode tolerar que um LED verde esteja sempre aceso, você pode usá-lo como um "transbordamento" a 4,9 Volts com pares de verdes paralelos ao rPi, que vão do limiar de brilho mínimo em cerca de 4,8V a muito brilhantemente em 5.2V. Do seu suprimento de 15A, passe um cabo com classificação de 2Amp na placa do "regulador de transbordamento", que inclui nada além de pares de LED verde e o suficiente para descarregar um amplificador em 5,2V, embora normalmente eles devam usar muito menos. O objetivo é que ele fique próximo a 5V nesta placa com o rPi desligado. use um cabo de alimentação 2A mais longo (para sua resistência), se necessário. Dependendo do tipo de fonte não regulamentada de 15A, você também pode querer um capacitor de gordura na placa "regulador de sobrecarga". De 5V rms desregulado retificado (um dos piores tipos de desregulado),

Em seguida, você deseja comprimento suficiente de fio com classificação 2A desta placa para as linhas "0" e "+5" do pi, possivelmente com uma chave lá, e com o objetivo de 1/20 a 1/8 ohms nesses cabos de alimentação. (a maioria dos multímetros não mede tão baixo quanto isso). A ativação do rPi deve tornar os verdes visivelmente mais escuros e fornecer 4.9V constantes no rPi.

Por favor, poste aqui e em um fórum rPi a tensão medida entre TP1 e TP2, pois é nesse ponto que espero que seja necessário 4,9Volts (que é anunciado como "5")

— mephisto
fonte

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Usar LEDs para regular a tensão não é profissional, para dizer o mínimo. A tensão resultante varia muito com o tempo, à medida que os LEDs aquecem. Além disso, é um desperdício de LEDs perfeitamente bons.

— Dmitry Grigoryev

um diodo zener seria muito mais apropriado.

— Stefan Paul Noack

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@ noah1989 sim, mas você precisará de muitos deles para estabilizar 2A, então adicione um transistor e faça um regulador linear. E então você levaria em conta que sua tensão de entrada pode ser menor que 5V e adicionaria um conversor de impulso a ela. No final, você poderá eventualmente converter o conversor boost-buck (não você pessoalmente, apenas alguém tentando seguir essa abordagem).

— Dmitry Grigoryev