Для подключения модулей к платформе нужно стабильное напряжение 5 или 3,3 вольта, но в большинстве случаев напряжение оказывается выше. Для того, чтобы всё работало правильно, напряжение нужно понизить и стабилизировать.
Линейный регулятор напряжения поможет получить нужные 3,3 В для питания управляющих платформ и модулей, а лишнюю мощность рассеять в виде тепла. 
Видеообзор
Общие сведения
В современной электротехнике успешно уживаются два принципа преобразования напряжения для электрических потребителей:
Они имеют принципиальные отличия в своей конструкции и работают по разным технологиям.
Линейные регуляторы напряжения
Линейный регулятор применяется, когда нужно преобразовать небольшие мощности или минимизировать помехи. Например, запитать одноплатный компьютер или 3,3-вольтовые датчики. Преимущество линейного регулятора в простоте, отсутствии помех и минимальной обвязке. Но на больших мощностях его КПД падает.
Рассмотрим принцип работы линейного преобразователя — подключим к нему микросхему LM7805.
Линейный стабилизатор работает как умный делитель напряжения. На вход делителя подаётся входное напряжение, а выходное снимается с одного из плеч делителя.
Одно из плеч постоянно корректирует сопротивление и тем самым гасит лишнее напряжение.
Импульсный DC-DC преобразователь
У импульсного стабилизатора выше КПД, поскольку регулирующий элемент работает в ключевом режиме. Но из-за чувствительного перепада тока и напряжения такие преобразователи дают импульсные помехи в выходном напряжении.
Чтобы лучше понять принцип работы импульсного преобразователя, сравним его с водопроводным краном. У преобразователя так же, как и у крана, есть три вывода. По одному вода поступает в кран, по другому — вытекает. Третий вывод — это вентиль, который управляет потоком воды. Когда вентиль открыт, вода протекает через кран, когда закрыт — вода не течёт. По такому же принципу работает преобразователь: ток течёт, когда транзистор открыт, и не течёт, когда транзистор закрыт. Такой режим работы называют ключевым.
В состав импульсного регулятора напряжения входят пять основных элементов:
В зависимости от величины выходного напряжения по отношению ко входному различают три типа преобразователей: понижающий, повышающий и понижающе-повышающий. Самые распространённые первые два, рассмотрим их подробнее.
Понижающий преобразователя уменьшает входное напряжение.
При открытом ключе S1 диод VD1 закрыт, энергия от источника питания накапливается в индуктивном накопителе энергии L1 . При закрытом ключе запасённая энергия передается в сопротивление нагрузки RH индуктивным накопителем через диод. Конденсатор С1 сглаживает пульсации напряжения.
Повышающий преобразователя увеличивает входное напряжение.
При открытом ключе S1 ток от источника питания протекает через катушку индуктивности L1 , в которой запасается энергия. Цепь нагрузки отключена от источника питания, ключа и накопителя энергии.
Напряжение на сопротивлении нагрузки RH поддерживается благодаря запасённой энергии на конденсаторе фильтра C1 . При размыкании ключа S1 накопленная энергия на катушке суммируется с напряжением питания и передается в нагрузку через открытый диод VD1 . Полученное таким способом выходное напряжение превышает напряжение питания.
Примеры работы
Линейный регулятор преобразует входное повышенное напряжение в диапазоне от 4,3 до 20 вольт в стабильные 3,3 вольта.
Подключение миникомпьютеров
Линейный регулятор поможет запитать одноплатник внешним источником напряжения. В качестве примера подключим Onion Omega2 от импульсного источника с выходным напряжением 12 вольт. 
Подключение модулей
Стабилизатор также возьмёт на свои плечи питание для 3,3 вольтовых модулей, например Wi-Fi ESP8266 или модуль беспроводной связи nRF24L01+.
На контактных колодках Arduino расположен пин 3V3 . Многие ошибочно запитывают от этого пина модули с 3,3 вольтовой логикой. Этого делать категорически нельзя. На большинстве плат Arduino стоит слабенький регулятор напряжения с током всего на 50 мА. Такой силы хватит только на парочку светодиодов.
В качестве примера подключим Wi-Fi модуль ESP8266 через линейный регулятор напряжения к Arduino Uno. 
На схеме к ESP8266 подключены только линии питания и земли. Пример подключения питания и логических уровней читайте в технической документации на модуль.
Подключение к WiFi Slot
Линейный регулятор благодаря форм-фактору Troyka-модулей как родной встанет на платформу WiFi Slot и расширит диапазон питания платформы до 20 вольт.
Элементы платы
Линейный регулятор напряжения
Сердце модуля линейный стабилизатор MC33269. Регулятор принимает на входное напряжение и преобразует его значение в 3,3 вольта. Остальная мощность рассеивается в виде тепла. В качестве охлаждения — выступает плата модуля.
Входное и выходное напряжение
На модуле выведен двойной клеммник для подключения входного питания и нагрузки:
Джамперы выбора питания
Модуль с регулятором питания позволяет дублировать входное и выходное напряжение на Troyka-контактах путём установкой джаммеров:
Установка джампера будет полезна при подключении модуля через макетную плату или Troyka Slot Shield.
Troyka-контакты
На модуле выведено две пары Troyka-контактов.
Существует два основных типа регуляторов напряжения: линейные и импульсные. Классический линейный регулятор — это устройство, стабилизирующее напряжение на нагрузке и не позволяющее добиться выходного напряжения, превышающего входное. Его классическая схема рассмотрена в теме 10.6 (рис. 89). Для большинства интегральных линейных регуляторов типовое внутреннее падение напряжения составляет порядка 2 В. Это означает, что для получения на выходе такого регулятора напряжения 5 В на его входе должно быть не менее 7 В. Следствием достаточно большого падения напряжения па элементах линейного регулятора является их низкий КПД. Ещё одной серьёзной проблемой линейных регуляторов является высокая вероятность выхода из строя проходного транзистора.
Современные импульсные регуляторы практически избавлены от перечисленных недостатков и поэтому получили широкое распространение. В отличие от линейных регуляторов, чьи силовые элементы постоянно находятся в открытом состоянии, в импульсных силовой элемент работает в дискретном (ключевом) режиме.
На рисунке 92 изображен линейный регулятор для плавной регулировки сетевого напряжения. С помощью таких устройств можно управлять яркостью свечения ламп, температурой электронагревательных приборов, частотой вращения электродвигателей.
Устройство имеет следующие параметры: диапазон регулировки напряжения от 0 до 218 В, максимальная мощность нагрузки при использовании в регулирующей цепи одного транзистора — не более 100 Вт.
Регулирующий элемент прибора — транзистор VT1. Диодный блок VD1-VD4 в зависимости от фазы сетевого тока направляет его на коллектор или эмиттер VT1. Трансформатор Т1 понижает напряжение 220 В до 5-8 В, которое выпрямляется диодным блоком VD6 — VD9 и сглаживается конденсатором С1. Переменный резистор R1 служит для регулировки величины управляющего напряжения, а резистор R2 ограничивает ток базы транзистора. Диод VD5 защищает VT1 от попадания на его базу напряжения отрицательной полярности. Устройство подсоединяется к сети вилкой ХР1. Розетка XS1 служит для подключения нагрузки.
Регулятор действует следующим образом. После включения питания тумблером Q1 сетевое напряжение поступает одновременно на диоды VD1, VD2 и первичную обмотку трансформатора Т1. При этом выпрямитель, состоящий из диодного блока VD6-VD9, конденсатора С1 и переменного резистора R1, формирует управляющее напряжение, которое поступает на базу транзистора и открывает его. Если в момент включения регулятора в сети оказалось напряжение отрицательной полярности, ток нагрузки протекает по цепи VD2 — эмиттер-коллектор VT1-VD3. Если полярность сетевого напряжения положительная, ток протекает по цепи VD1 — коллектор-эмиттер VT1-VD4. Значение тока нагрузки зависит от величины управляющего напряжения на базе VT1. Вращая движок R1, и изменяя значение управляющего напряжения, управляют величиной тока коллектора VT1. Этот ток, а следовательно, и ток, протекающий в нагрузке, будет тем больше, чем выше уровень управляющего напряжения, и наоборот. При крайнем правом по схеме положении движка переменного резистора транзистор окажется полностью открыт и "доза" электроэнергии, потребляемая нагрузкой, будет соответствовать номинальной величине. Если движок R1 переместить в крайнее левое положение, VT1 окажется запертым и ток через нагрузку не потечет.
Рисунок 92 – Схема регулятора сетевого напряжения
Структурная схема импульсного преобразователя приведена па рисунке 93. Наиболее часто применяемый принцип работы — широтно-импульсная модуляция (Pulse Width Modulation, PWM). В импульсных регуляторах, построенных по данному принципу, выходное напряжение пропорционально скважности импульсов, задаваемой блоком PWM.
Одно из основных следствий работы в ключевом режиме — малое выделение энергии в виде тепла и, следовательно, потенциально высокий КПД подобных устройств. Габариты конструкции напрямую зависят от рабочей частоты инвертора. Чем она выше, тем меньшей индуктивности требуется дроссель и меньшей ёмкости — выходной конденсатор, а значит, эти наиболее громоздкие элементы будут компактнее.
Рисунок 93 – Структура импульсного преобразователя
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:
Texas Instruments TPS54061 LM317
Rich Nowakowski, Robert Taylor, Texas Instruments
Analog Applications Journal
Линейные регуляторы окружали нас на протяжении многих лет. Некоторые разработчики до сих пор используют в новых проектах линейные стабилизаторы напряжения, разработанные более двух десятилетий назад. А кто-то создал собственные схемы на дискретных компонентах. По простоте и дешевизне линейные регуляторы не имеют себе равных в сфере преобразователей напряжения. Однако в слаботочных приложениях с питанием от шины 24 В, используемой, например, в средствах промышленной автоматизации или в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, при слишком большом падении напряжения могут возникнуть проблемы, связанные с выделением тепла. К счастью, разработчикам теперь доступны разнообразные компактные, высокоэффективные импульсные регуляторы с широким диапазоном входных напряжений.
В предлагаемой статье сравниваются три различных подхода к созданию стабилизатора напряжения с выходным напряжением 5 В и максимальным током нагрузки 100 мА, получающего питание от шины 24 В. Синхронный понижающий преобразователь сравнивается с интегральным линейным регулятором и с линейным регулятором на дискретных элементах. Сравнение размеров, КПД, тепловых характеристик, переходных характеристик, шумов, сложности схемы и ее стоимости поможет конструкторам сделать выбор варианта, наилучшим образом отвечающего требованием конкретного приложения.
Условия сравнения
 |
|
| Рисунок 1. | Импульсный понижающий регулятор с интегрированными MOSFET. |
Напряжение 5 В требуется в большинстве промышленных приложений, использующих шину 24 В, для питания, например, логических схем и низковольтных микропроцессоров. Ток 100 мА был выбран как достаточный для большинства подобных нагрузок. Однако на принятие решения о выборе импульсного или линейного регулятора может повлиять уровень рассеиваемой мощности. Изображенные на Рисунках 1, 2 и 3 схемы собраны на общей печатной плате с использованием абсолютно одинаковых конденсаторов емкостью 1 мкФ на входе и 4.7 мкФ на выходе.
 |
|
| Рисунок 2. | Интегральный линейный регулятор с широким диапазоном входных напряжений. |
В схеме на Рисунке 1 используется выпускаемый Texas Instruments синхронный понижающий преобразователь TPS54061 с интегрированными силовыми MOSFET. Заметим, что этой схеме не требуется фиксирующий диод, но нужны индуктивность, пять конденсаторов и четыре резистора, часть из которых устанавливается в цепь частотной компенсации петли ОС. Схема настроена таким образом, чтобы в ней можно было использовать такие же входные и выходные конденсаторы, как и в линейных схемах, изображенных на Рисунках 2 и 3.
 |
|
| Рисунок 3. | Дискретный линейный регулятор. |
Конструкция, изображенная на Рисунке 2, основана на популярном, давно ставшим стандартом отрасли линейном стабилизаторе LM317 с широким диапазоном входных напряжений и выходным током до 1.5 А. В схеме использованы два внешних резистора и два конденсатора. Существенное различие между входным и выходным напряжениями и, соответственно, большая рассеваемая мощность, требуют использования микросхемы в корпусе с низким тепловым сопротивлением (DDPak).
Для реализации схемы на дискретных приборах, показанной на Рисунке 3, требуются транзистор, стабилитрон, два внешних конденсатора и четыре резистора. Стабилитрон с напряжением пробоя 5.6 В подключен к базе NPN транзистора. Падение на переходе база-эмиттер уменьшает выходное стабилизированное напряжение примерно до 5 В. Внешние резисторы принимают на себя рассеяние части избыточной мощности, облегчая тепловой режим транзистора.
Таблица 1 позволяет сравнить три конструкции по количеству используемых компонентов и необходимой площади печатной платы.