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【Maker電子學】淺談線性穩壓電源與應用

   
作者:Bird

穩壓電源是我們在製作各種 maker 專案時不可或缺的零件。在不需要升壓、不需要高效率的場合,簡單的線性穩壓 IC 通常是很好的選擇。這次我們就來聊聊線性穩壓電源 IC:它怎麼工作、我們要如何讓它好好工作、以及如何選擇可以乖乖工作的線性穩壓電源 IC。

降壓

我們最常用到線性穩壓電源 IC 的場合,就是用來降低電源的電壓。以 Arduino Uno 為例,它原廠的電源供應器是一個 12 V 的 adapter,但板子上的電路需要的電源電壓是 5 V,因此我們需要用一個電源 IC 把 12 V 降到 5 V。在 Aduino Uno Rev. 3 上面,這個工作是由一顆叫做 NCP1117ST50T3G 的線性穩壓電源 IC 在負責的,如下圖所示:

Aduino Uno Rev. 3 降低電源電壓由 NCP1117ST50T3G 的線性穩壓電源 IC 負責

線性穩壓 IC 是如何把 12 V 的電源變成 5 V 呢?說穿了其實很簡單,它用「電阻」把能量消耗掉,讓流過電阻時產生的壓降,剛剛好可以把輸入電壓降到我們需要的輸出電壓,就達成降壓的任務了。

「那我放個電阻不就好了,幹嘛這麼麻煩用穩壓 IC?」

嗯,這是個好問題。你知道該放多大的電阻,才會達成你要的壓降嗎?我們來算算看。根據歐姆定律,電阻上的壓降跟流過電阻的電流成正比:

V = I* R

也就是說,流過的電流越大,電阻上的壓降就越大。假設 Aruino 板子上的消耗的電流是 300 mA,根據前面的推導,我們需要 7 V 的壓降才能把 12 V 降成 5 V,因此需要放的電阻大小是:

7 = 0.3 * R

R = 23.333...

也就是在耗電 300 mA 的狀況下,我只需要串一個 23.3 歐姆左右的電阻就可以有 5 V 的電源。事情當然沒有那麼簡單,前面這個計算的前提是 Aruidno 的耗電「一直」是 300 mA,那個電阻才能夠產生 7 V 的壓降。但如果 Aruino 沒有耗這麼多電呢?比如說,它現在就是很清閒,只耗了 100 mA 的電,那麼在 23.3 歐姆電阻上的壓降就變成:

V = I * R = 0.1 * 23.3 = 2.33(V)

12 V 扣掉 2.33 V 的壓降,還有 9.67 V,也就是說在電阻不變的狀況下,如果耗電減為 100 mA,送往 Arduino 的電壓會高達 9.67 V,這個電壓大概足夠把板子上大部分的零件燒光光,甚至你會看到有東西冒煙。

事實上像 Arduino 這麼複雜的數位系統,它工作時的耗電是不斷在變動的,而且變動的速度非常快。除了 ,MCU 本身的耗電會隨著執行的速度、指令不同而有變化外,板子上的其它周邊也會影響耗電。我們點亮一顆耗電 5 mA 的 LED,耗電就會增加 5 mA。我們如果用 500 Hz 的 PWM 頻率去驅動 LED,LED 就會以每秒 500 次的速度在開跟關之間切換,耗電也就會以同樣的速度在 5 mA 跟 0 之間變動。

控制

為了對付變動的耗電電流,用來降壓的電阻也得跟著變動才行。線性穩壓 IC,就是一顆會隨著負載電流變動的電阻:

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Liang Bird

Author: Liang Bird

在外商圈電子業中闖蕩多年,經歷過 NXP、Sony、Crossmatch 等企業,從事無線通訊、影像系統、手機、液晶面板、半導體、生物辨識等不同領域產品開發。熱愛學習新事物,協助新創團隊解決技術問題。台大農機系、台科大電子所畢業,熱愛賞鳥、演奏管風琴、大提琴、法國號,亦是不折不扣的熱血 maker。

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