Nuestro grupo de especialistas pasados ciertos días de trabajo y de recopilar de datos, hemos dado con la solución, nuestro deseo es que resulte de gran utilidad para tu plan.
Solución:
No [it’s not a duplicate of “When would I use a voltage regulator vs voltage divider?”] porque sé por qué se usan de manera diferente y su aplicación, quería saber la física de por qué las resistencias dentro del [linear voltage regulator] El componente no se quemaría en comparación con un divisor de voltaje.
OK, yo pensar Veo la pregunta que está haciendo y la respuesta es bastante simple:
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Con un divisor de voltaje, que comprende solo componentes de resistencia (que es típicamente a lo que la gente se refiere cuando habla de divisores de voltaje en esta situación), la corriente para toda la carga pasa por la resistencia “superior”. Uno de los efectos de esto (además de una mala regulación) es que la resistencia tiene que poder disipar todo el calor causado por el paso de esa corriente de carga.
En este tipo de circuito, las resistencias deben tener valores comparativamente bajos, para reducir el efecto de la corriente de carga en la tensión de “salida” del divisor de tensión. Sin embargo, el uso de valores de resistencia bajos aumenta la corriente general que fluye a través del divisor de voltaje a tierra y, por lo tanto, aumenta la disipación de potencia en esas resistencias.
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Usando un regulador de voltaje lineal IC, ya sea que sus resistencias de retroalimentación sean externas o internas al propio regulador de voltaje, la corriente de carga no fluir a través de esas resistencias de retroalimentación. En cambio, la corriente de carga pasa por lo que se llama un “elemento de paso”, por ejemplo, un transistor.
Esta diferencia significa que las resistencias de retroalimentación para un regulador de voltaje lineal (y estoy abordando solo su pregunta anterior, sobre las resistencias) solo disipan una pequeña potencia ya que solo pasan una pequeña corriente, que no está relacionada con la corriente requerida por el carga. Esas resistencias de retroalimentación pueden tener un valor comparativamente mucho más alto que las resistencias en un “divisor de voltaje simple de solo resistencias”.
Por ejemplo, en la página 1 de esta hoja de datos para la antigua serie Signetics 7800, R19 y R20 son las resistencias de retroalimentación (mostradas como 0.25kΩ + 5kΩ) por lo que la corriente a través de ellas es un poco menos de 1mA a una salida de 5V. El punto es que esta pequeña corriente a través de esas resistencias se mantiene aproximadamente constante (y también lo hace su disipación de potencia), sin importar cuál sea la corriente de carga.
(También está esta interesante página web de Ken Shirriff, donde realiza ingeniería inversa de un regulador 7805. ese 7805, el divisor de resistencia de retroalimentación está etiquetado como R20 + R21.)
El elemento de paso (por ejemplo, BJT o FET) en un regulador de voltaje lineal se comporta como una resistencia variable, bajo el control de un “amplificador de error” (ver más abajo) y disipa la misma cantidad de energía que la “resistencia superior” en el escenario del divisor de voltaje equivalente.
¿No serían las resistencias [inside the linear voltage regulator] quemarse debido a la disipación de energía?
No, es el elemento de paso (por ejemplo, BJT o FET) el que puede disipar una potencia significativa (y está diseñado para esto, con el disipador de calor agregado por el diseñador del circuito cuando sea necesario), no las resistencias de retroalimentación para el regulador lineal, que no se disipan lo suficiente poder para “quemar”.
Ese elemento de paso puede ser interno a un IC regulador de voltaje lineal (típico en estos días), o externo a él, o una combinación de ambos, dependiendo del IC regulador y las elecciones del diseñador del circuito.
En caso de que ayude a verlo, aquí hay un diagrama de bloques de un tipo de regulador de voltaje lineal. La carga está conectada a la VO terminales:
(Fuente de la imagen: de la “Figura 1 Diagrama de bloques LDO” de los reguladores de voltaje lineales de baja caída, del módulo de aprendizaje activo ADALM1000 de Analog Devices)
El elemento de paso en serie (en el diagrama anterior, es un MOSFET de canal P) aún disipa una potencia relacionada con la corriente de carga (P = (VI – VO)·IO aproximadamente). Las resistencias de retroalimentación se denominan “Resistencias de muestreo” en ese diagrama. Como expliqué, la corriente de carga IOno fluir a través de esas resistencias de muestreo (retroalimentación).
El “Amplificador de error” (que mide la diferencia entre el voltaje de referencia VR y VS que es el voltaje de salida a través del divisor formado por resistencias de muestreo / retroalimentación R1 y R2) varía el resistencia efectiva del elemento de paso, como el voltaje de salida (y por lo tanto VS) cambia (mientras que el voltaje de referencia VÁRBITRO y por lo tanto VR, sería estable en un regulador ideal).
¿Eso explica lo que creo que está buscando en la pregunta anterior, acerca de por qué las resistencias en un “divisor de voltaje de resistencia pura” se calientan más que las resistencias de retroalimentación en un regulador de voltaje lineal?
Como la pregunta se desarrolló después de que publiqué originalmente esta respuesta, está claro que un buen enfoque de la entero Es poco probable que el problema involucre un regulador de voltaje lineal (o un divisor de voltaje de resistencia pura). En su lugar, puede involucrar un regulador de conmutación de modo reductor (por ejemplo, de 12 V a 5 V), quizás varios de ellos (por ejemplo, uno por RPi o por varias placas RPi).
Existen ventajas y desventajas de usar una o más PSU de 12 V (y reguladores reductores adicionales hasta 5 V) o usar una o más PSU de 5 V, dependiendo de varios factores (por ejemplo, caída de voltaje en el cableado de alimentación de CC). Esto se ha explicado en otra respuesta.
Toda la información recibida hasta ahora parece perder su punto principal.
El uso de CUALQUIER medio lineal para reducir el voltaje a la misma corriente desperdiciará la diferencia de potencia entre la entrada y la salida.
Esta respuesta SE EE mía de 2011 explica lo que sucede cuando se usa un regulador lineal, y muestra por qué no desea usar uno aquí, excepto tal vez para dejar caer una pequeña fracción de voltio en una entrada Pi si un bus local está ligeramente por encima Se utiliza 5V.
Aquí para divisor O regulador lineal, Iin = Iout (aparte de una pequeña cantidad utilizada en el control del regulador).
Pin = Vin x Iin
Puchero = Vout x Iout
Potencia perdida en regulador lineal o divisor = (Vin-Vout) x Iin
Aquí:
Entrada 12V, 20A
Salida 5V 20A
Pin = 12 x 20 = 240 vatios
Puchero =% vx 20A = 100 Watts
Potencia disipada (desperdiciada) 240-100 = 140 Watts
Eficiencia = Puchero / Pin = 100/240 = 42%
Pérdida de potencia (en realidad energía) = 58%
Necesitas:
Un regulador activo (suministro de modo de conmutación) que convierte 12V a 5V eficientemente
o
Un sistema de suministro de energía que le brinda lo que necesita (~ = 5V) directamente
Se puede decir más, pero necesitamos sus comentarios.
Importante: un regulador lineal es “solo” un divisor de voltaje con cierto grado de inteligencia.
ALIMENTACIÓN ADECUADA DE UN ‘PI:
Un pi [“Raspberrby Pi”] está diseñado para ser alimentado por una fuente de alimentación de 5 V y, a diferencia de la mayoría de las otras placas de microcontroladores pequeños, no tiene un regulador integrado.
La forma “correcta” de proporcionar energía es proporcionar un suministro de 5 V de buena calidad con una capacidad de corriente adecuada en el pin de entrada de 5 V.
Diagramas de circuitos:
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Diagrama de circuito Rasperry Pi 4 Modelo B
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Diagrama de circuito Rasperry Pi 3 Modelo B
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Diagrama de circuito Rasperry Pi 2 Modelo B
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Todas las versiones
El modelo 2 (y quizás anterior) tiene un circuito de entrada de energía más interesante, pero se aplican las mismas observaciones.
Algunas fuentes sugieren un voltaje de 5,1 V para permitir caídas internas bajo cargas pesadas. Mientras esto probablemente No causa grandes problemas, ya está superando teóricamente las especificaciones, ya que hay un supresor de voltaje de 5 V incorporado (generalmente SMNJ-5.0A) que tiene un ‘voltaje de separación’ de 5.0V. Esto está diseñado para garantizar que los voltajes de entrada de la fuente de alimentación superiores a 5 V “tengan sus alas recortadas”. A 5,1 V está (de nuevo, teóricamente “) ’empezando a interesarse’, pero probablemente no en exceso.
Si los Pis están en grupos con distancias pequeñas entre ellos, entonces puede ser aceptable suministrar 5 V (o 5,1 V) desde una fuente de alimentación adecuada en distancias cortas utilizando un cableado adecuadamente pesado.
Si los clústeres o los Pis individuales están separados por una distancia tal que se producirían caídas de voltaje de más de, digamos, 0,1 V en sus pines de entrada de energía, en el peor de los casos, entonces una solución mucho mejor es reticular un voltaje más alto a los reguladores de conmutación de salida de 5 V ubicados inmediatamente adyacentes a los Pis individuales. o quizás pequeños grupos.
Una vez que se utiliza la reticulación más los reguladores de conmutación, el Vin puede ser lo que sea más adecuado. El uso de, por ejemplo, 12V reduce las pérdidas de potencia en los cables de distribución en un factor de 5+ para el mismo cable. El uso de 20C reduce la pérdida de energía en un factor de aproximadamente (20/5) ^ 2 = 25 tims para cables del mismo tamaño o permite cables de menor diámetro.
Los pequeños módulos reguladores de conmutación están disponibles a bajo costo en, por ejemplo, eBay, Aliexpress o …. Como siempre, cuidado con el comprador. Compruebe las especificaciones. Verifique la funcionalidad. Considere un fusible de entrada (y espere o diseñe cosas de modo que el supresor de sobretensiones queme el fusible si una salida de suministro falla en alto).
Tenga en cuenta que, si bien, por ejemplo, el modelo Pi 3 tiene una entrada “fusible reiniciable PTC” (típicamente MF-MSMF250 / X) en serie con la entrada, se ha omitido (maliciosamente) en el modelo 4 y quizás en otras versiones; consulte los diagramas de circuitos.
La diferencia entre un regulador de voltaje y un divisor es esencialmente que el regulador hace lo que dice … regula el voltaje. Para la mayoría de los reguladores lineales, encontrará que el esquema interno tiene un ‘Amplificador de error’, que es la forma en que se mantiene en regulación.
Aquí hay un esquema muy simplificado del regulador lineal:
Las resistencias Rf1 y Rf2 se denominan “Resistencias de retroalimentación”. Esto funciona como un divisor de voltaje. Estos pueden ser internos para un regulador de salida fijo, o pueden ser componentes externos para un regulador ajustable. El Vref es casi siempre interno, y el valor de esto estará en la hoja de datos de los reguladores. El amplificador ajustará la corriente base del transistor de paso, de modo que el voltaje de salida sea menor que el de entrada. Ahí es donde las resistencias de retroalimentación son importantes. El amplificador continuará cambiando la corriente base del transistor de paso, hasta que la ‘salida’ del divisor de retroalimentación (Vfb) sea igual a Vref. De esta manera, si se produce un cambio en la carga y el voltaje de salida sufre, ahora se cambiará Vfb también. El amplificador luego ajustará la corriente base del transistor de paso, ajustando el voltaje de salida hasta que Vfb = Vref. Por lo tanto, se autorregula.
La mayoría de las hojas de datos tendrán valores de resistencia recomendados para al menos una de las resistencias de retroalimentación. Por lo general, se eligen de modo que la corriente a través de ellos sea pequeña, lo que significa una menor disipación de calor. Para las versiones de salida fija, la resistencia interna volverá a ser alta, minimizando la corriente para que no disipen demasiado calor. El uso del transistor de paso también significa que la corriente de carga no fluirá a través de las resistencias.