Импульсный повышающий преобразователь напряжения своими руками. Простенький регулируемый DC-DC преобразователь, или лабораторный блок питания своими руками V2. Регулировка выходного тока
Как вы знаете, для того чтобы зажечь белые и синие светодиоды нужно как минимум 3В, в отличие от красных которые могут светиться от 1,2 до 1,5 вольт в зависимости от типа.
Чтобы белый светодиод начал светится от одной батареи на 1,5 вольт необходимо построить электронную схему под названием . Эти устройства, как правило, используется для получения более высокого выходного напряжения по сравнению с входным постоянным током (DC).
В цепях с переменным током эту функцию . Что бы получить более высокое выходное напряжение достаточно, чтобы соотношение количества витков вторичной обмотки к числу первичной было больше 1 (коэффициент трансформации > 1).
Описание работы преобразователя для светодиода
Возвращаясь к нашему преобразователю постоянного тока, есть множество различных вариантов реализации DC-DC преобразования, многие из которых достаточно сложные. В нашем случае, цель состоит в создании схемы простого и эффективного преобразователя для повышения напряжения от 1,5 В до 3,5 В. Ниже приведена схема подобного DC-DC преобразователя для светодиодов.
Для намотки дросселя необходим феррит, форма и размер которого может быть любыми, но лучше применить сердечник типа «кольцо» (или тора) 1…1,5 см в диаметре. Такой, как правило, используется в качестве фильтра на силовых проводах питания (черный блок рядом с разъемом), также его можно найти в импульсных источниках питания, видеомагнитофонов, сканеров и т.д. Обмотка выполнена проводом ПЭВ-2 диаметром 0,4 мм и содержит 30 витков.
Электронная схема очень проста: она состоит из катушки, двух транзисторов, одного конденсатора и двух резисторов. Набор не впечатляет, но со своей целью справляется. Ток потребления составляет 25 мА, что эквивалентно примерно 50 часам непрерывной работы аккумулятора типа АА. Схема работает достаточно хорошо, обеспечивая средний уровень свечения светодиода.
LM2596 понижает входное (до 40 В) напряжение - выходное регулируется, ток 3 А. Идеален для светодиодов в машине. Очень дешёвые модули - около 40 рублей в Китае.
Компания Texas Instruments выпускает качественные, надежные, доступные и дешёвые, удобные в применении DC-DC контроллеры LM2596. Китайские заводы выпускают на её основе сверхдешёвые импульсные понижающие (stepdown) конвертеры: цена модуля на LM2596 примерно 35 рублей (вместе с доставкой). Я советую купить сразу партию в 10 штук - для них всегда найдётся применение, при этом цена опустится до 32 рублей, и меньше 30 рублей при заказе 50 штук. Подробнее о расчёте обвязки микросхемы, регулировке тока и напряжения, его применении и о некоторых минусах конвертера.
Типичный метод использования - стабилизированный источник напряжения. На основе этого стабилизатора легко сделать импульсный блок питания, я применяю её как простой и надёжный лабораторный блок питания, выдерживающий короткое замыкание. Они привлекательны постоянством качества (похоже, все они делаются на одном заводе - да и сложно сделать ошибки в пяти деталях), и полным соответствием даташиту и заявленным характеристикам.
Другая область применения - импульсный стабилизатор тока для питания мощных светодиодов . Модуль на этой микросхеме позволит вам подключить автомобильную светодиодную матрицу на 10 Ватт, дополнительно обеспечив защиту от КЗ.
Крайне рекомендую купить их десяток штук - обязательно пригодятся. Они по–своему уникальны - входное напряжение вплоть до 40 вольт, и требуется лишь 5 внешних компонентов. Это удобно - можно поднять напряжение на шине электропитания умного дома до 36 вольт, уменьшив сечение кабелей. В точках потребления ставим такой модуль и настраиваем его на нужные 12, 9, 5 вольт или сколько понадобится.
Рассмотрим их подробнее.
Характеристики микросхемы:
- Входное напряжение - от 2.4 до 40 вольт (до 60 вольт в версии HV)
- Выходное напряжение - фиксированное либо регулируемое (от 1.2 до 37 вольт)
- Выходной ток - до 3 ампер (при хорошем охлаждении - до 4.5А)
- Частота преобразования - 150кГц
- Корпус - TO220-5 (монтаж в отверстия) либо D2PAK-5 (поверхностный монтаж)
- КПД - 70-75% на низких напряжениях, до 95% на высоких
- Источник стабилизированного напряжения
- Схема преобразователя
- Даташит
- USB-зарядник на основе LM2596
- Стабилизатор тока
- Применение в самодельных устройствах
- Регулировка выходного тока и напряжения
- Улучшенные аналоги LM2596
История - линейные стабилизаторы
Для начала, объясню чем плохи стандартные линейные преобразователи напряжения вроде LM78XX (например 7805) или LM317. Вот его упрощённая схема.
Главный элемент такого преобразователя - мощный биполярный транзистор, включенный в своём «исконном» значении - как управляемый резистор. Этот транзистор входит в состав пары Дарлингтона (для увеличения коэффициента передачи по току и снижения мощности, необходимой на работу схемы). Базовый ток задаётся операционным усилителем, который усиливает разность между выходным напряжением и заданным с помощью ИОН (источник опорного напряжения), т.е. он включен по классической схеме усилителя ошибки.
Таким образом, преобразователь просто включает резистор последовательно с нагрузкой, и управляет его сопротивлением чтобы на нагрузке гасилось, к примеру, ровно 5 вольт. Нетрудно посчитать что при понижении напряжения с 12 вольт до 5 (очень частый случай применения микросхемы 7805) входные 12 вольт распределяются между стабилизатором и нагрузкой в отношении «7 вольт на стабилизаторе + 5 вольт на нагрузке». На токе в полампера на нагрузке выделяется 2.5 ватта, а на 7805 - целых 3.5 ватта.
Получается что «лишние» 7 вольт просто гасятся на стабилизаторе, превращаясь в тепло. Во-первых, из-за этого возникают проблемы с охлаждением, а во-вторых на это уходит много энергии из источника питания. При питании от розетки это не очень страшно (хотя всё равно наносится вред экологии), а при батарейном или аккумуляторном питании об этом нельзя не помнить.
Другая проблема - таким методом вообще невозможно сделать повышающий преобразователь. Часто такая потребность возникает, и попытки решить этот вопрос двадцать-тридцать лет назад поражают - насколько сложен был синтез и расчёт таких схем. Одна из простейших схем такого рода - двухтактный преобразователь 5В->15В.
Нужно признать, что он обеспечивает гальваническую развязку, однако он неэффективно использует трансформатор - каждый момент времени задействована лишь половина первичной обмотки.
Забудем это как страшный сон и перейдём к современной схемотехнике.
Источник напряжения
Схема
Микросхема удобна в применении в качестве step–down конвертера: мощный биполярный ключ находится внутри, осталось добавить остальные компоненты регулятора - быстрый диод, индуктивность и выходной конденсатор, также возможно поставить входной конденсатор - всего 5 деталей.
В версии LM2596ADJ также потребуется схема задания выходного напряжения, это два резистора или один переменный резистор.
Схема понижающего преобразователя напряжения на основе LM2596:
Вся схема вместе:
Здесь можно скачать даташит/datasheet на LM2596 .
Принцип работы: управляемый ШИМ–сигналом мощный ключ внутри устройства посылает импульсы напряжения на индуктивность. В точке А x% времени присутствует полное напряжение, и (1–x)% времени напряжение равно нулю. LC–фильтр сглаживает эти колебания, выделяя постоянную составляющую, равную x * напряжение питания. Диод замыкает цепь, когда транзистор выключен.
Подробное описание работы
Индуктивность противится изменению тока через неё. При появлении напряжения в точке А дроссель создаёт большое отрицательное напряжение самоиндукции, и напряжение на нагрузке становится равно разности напряжения питания и напряжения самоиндукции. Ток индуктивности и напряжение на нагрузке постепенно растут.
После пропадания напряжения в точке А дроссель стремится сохранить прежний ток, текущий из нагрузки и конденсатора, и замыкает его через диод на землю - он постепенно падает. Таким образом, напряжение на нагрузке всегда меньше входного напряжения и зависит от скважности импульсов.
Выходное напряжение
Модуль выпускается в четырёх версиях: с напряжением 3.3В (индекс –3.3), 5В (индекс –5.0), 12В (индекс –12) и регулируемая версия LM2596ADJ. Имеет смысл везде применять именно настраиваемую версию, поскольку она в большом количестве есть на складах электронных компаний и вы вряд ли столкнётесь с её дефицитом - а она требует дополнительно лишь два копеечных резистора. Ну и конечно, версия на 5 вольт тоже пользуется популярностью.
Количество на складе - в последнем столбце.
Можно сделать задание выходного напряжения в виде DIP-переключателя, хороший пример этого приведён здесь, либо в виде поворотного переключателя. В обоих случаях потребуется батарея точных резисторов - зато можно настраивать напряжение без вольтметра.
Корпус
Существует два варианта корпусов: корпус для планарного монтажа TO–263 (модель LM2596S) и корпус для монтажа в отверстия TO–220 (модель LM2596T). Я предпочитаю применять планарную версию LM2596S, поскольку в этом случае радиатором является сама плата, и отпадает необходимость покупать дополнительный внешний радиатор. К тому же её механическая стойкость гораздо выше, в отличие от TO-220, которую обязательно надо к чему–то привинчивать, хотя бы даже к плате - но тогда проще установить планарную версию. Микросхему LM2596T-ADJ я рекомендую использовать в блоках питания, потому что с её корпуса легче отвести большое количество тепла.
Сглаживание пульсаций входного напряжения
Можно использовать как эффективный «интеллектуальный» стабилизатор после выпрямления тока. Поскольку микросхема следит непосредственно за величиной выходного напряжения, колебания входного напряжения вызовут обратно пропорциональное изменение коэффициента преобразования микросхемы, и выходное напряжение останется в норме.
Из этого следует, что при использовании LM2596 в качестве понижающего преобразователя после трансформатора и выпрямителя, входной конденсатор (т.е. тот который стоит сразу после диодного моста) может иметь небольшую ёмкость (порядка 50-100мкФ).
Выходной конденсатор
Благодаря высокой частоте преобразования выходной конденсатор тоже не обязан иметь большую ёмкость. Даже мощный потребитель не успеет значительно посадить этот конденсатор за один цикл. Проведём расчёт: возьмём конденсатор в 100мкФ, 5В выходного напряжения и нагрузку, потребляющую 3 ампера. Полный заряд конденсатора q = C*U = 100e-6 мкФ * 5 В = 500e-6 мкКл.
За один цикл преобразования нагрузка заберёт из конденсатора dq = I*t = 3 А * 6.7 мкс = 20 мкКл (это всего 4% от полного заряда конденсатора), и тут же начнётся новый цикл, и преобразователь засунет в конденсатор новую порцию энергии.
Самое главное - не используйте в качестве входного и выходного конденсатора танталовые конденсаторы. У них прямо в даташитах пишут - «не использовать в цепях питания», потому что они очень плохо переносят даже кратковременные превышения напряжения, и не любят высокие импульсные токи. Используйте обычные алюминиевые электролитические конденсаторы.
Эффективность, КПД и тепловые потери
КПД не так высок, поскольку в качестве мощного ключа используется биполярный транзистор - а он имеет ненулевое падение напряжения, порядка 1.2В. Отсюда и падение эффективности при маленьких напряжениях.
Как видим, максимальная эффективность достигается при разности входного и выходного напряжений порядка 12 вольт. То есть, если нужно уменьшить напряжение на 12 вольт - в тепло уйдёт минимальное количество энергии.
Что такое эффективность преобразователя? Это величина, характеризующая токовые потери - на выделение тепла на полностью открытом мощном ключе по закону Джоуля-Ленца и на аналогичные потери при переходных процессах - когда ключ открыт, допустим, лишь наполовину. Эффекты от обоих механизмов могут быть сравнимы по величине, поэтому не нужно забывать про оба пути потерь. Небольшая мощность идёт также на питание самих «мозгов» преобразователя.
В идеальном случае, при преобразовании напряжения с U1 до U2 и выходном токе I2 выходная мощность равна P2 = U2*I2, входная мощность равна ей (идельный случай). Значит, входной ток составит I1 = U2/U1*I2.
В нашем же случае преобразование имеет эффективность ниже единицы, поэтому часть энергии останется внутри прибора. Например, при эффективности η выходная мощность составит P_out = η*P_in, а потери P_loss = P_in-P_out = P_in*(1-η) = P_out*(1-η)/η. Конечно, преобразователь вынужден будет увеличить входной ток, чтобы поддерживать заданные выходные ток и напряжение.
Можно считать, что при преобразовании 12В -> 5В и выходном токе 1А потери в микросхеме составят 1.3 ватта, а входной ток будет равен 0.52А. В любом случае это лучше любого линейного преобразователя, который даст минимум 7 ватт потерь, и потребит из входной сети (в том числе на это бесполезное дело) 1 ампер - в два раза больше.
Кстати, микросхема LM2577 имеет в три раза меньшую частоту работы, и её эффективность несколько выше, поскольку меньше потерь в переходных процессах. Однако, ей нужны в три раза более высокие номиналы дросселя и выходного конденсатора, а это лишние деньги и размер платы.
Увеличение выходного тока
Несмотря на и так довольно большой выходной ток микросхемы, иногда требуется ещё бОльший ток. Как выйти из этой ситуации?
- Можно запараллелить несколько преобразователей. Конечно, они должны быть настроены точно на одно и то же выходное напряжение. В таком случае нельзя обойтись простыми SMD-резисторами в цепи задания напряжения Feedback, нужно использовать либо резисторы с точностью 1%, либо вручную задавать напряжение переменным резистором.
USB-зарядник на LM2596
Можно сделать очень удобный походный USB-зарядник. Для этого необходимо настроить регулятор на напряжение 5В, снабдить его USB-портом и обеспечить питание зарядника. Я использую купленный в Китае радиомодельный литий-полимерный аккумулятор, обеспечивающий 5 ампер-часов при напряжении 11.1 вольта. Это очень много - достаточно для того чтобы 8 раз зарядить обычный смартфон (не учитывая КПД). С учётом КПД получится не меньше 6 раз.
Не забудьте замкнуть контакты D+ и D- гнезда USB, чтобы сообщить телефону что он подключен к заряднику, и передаваемый ток неограничен. Без этого мероприятия телефон будет думать, что он подключен к компьютеру, и будет заряжаться током в 500мА - очень долго. Более того, такой ток может даже не скомпенсировать ток потребления телефона, и аккумулятор вовсе не будет заряжаться.
Также можно предусмотреть отдельный вход 12В от автомобильного аккумулятора с разъёмом прикуривателя - и переключать источники каким-либо переключателем. Советую установить светодиод, который будет сигнализировать что устройство включено, чтобы не забыть выключить батарею после полной зарядки - иначе потери в преобразователе полностью посадят резервную батарею за несколько дней.
Такой аккумулятор не слишком подходит, потому что он рассчитан на высокие токи - можно попробовать найти менее сильноточную батарею, и она будет иметь меньшие размеры и вес.
Стабилизатор тока
Регулировка выходного тока
Возможна только в версии с настраиваемым выходным напряжением (LM2596ADJ). Кстати, китайцы делают и такую версию платы, с регулировкой напряжения, тока и всевозможной индикацией - готовый модуль стабилизатора тока на LM2596 с защитой от КЗ, можно купить под названием xw026fr4.
Если вы не хотите применять готовый модуль, и желаете сделать эту схему самостоятельно - ничего сложного, за одним исключением: у микросхемы нет возможности управления током, однако её можно добавить. Я объясню, как это сделать, и попутно разъясню сложные моменты.
Применение
Стабилизатор тока - штука, нужная для питания мощных светодиодов (кстати - мой проект микроконтроллерного драйвера мощного светодиода ), лазерных диодов, гальваники, заряда аккумуляторов. Как и в случае со стабилизаторами напряжения, есть два типа таких устройств - линейный и импульсный.
Классический линейный стабилизатор тока - это LM317, и он вполне хорош в своём классе - но его предельный ток 1.5А, для многих мощных светодиодов этого недостаточно. Даже если умощнить этот стабилизатор внешним транзистором - потери на нём просто неприемлемы. Весь мир катит бочку на энергопотребление лампочек дежурного питания, а тут LM317 работает с КПД 30% Это не наш метод.
А вот наша микросхема - удобный драйвер импульсного преобразователя напряжения, имеющий много режимов работы. Потери минимальны, поскольку не применяется никаких линейных режимов работы транзисторов, только ключевые.
Изначально она предназначалась для схем стабилизации напряжения, однако несколько элементов превращают её в стабилизатор тока. Дело в том, что микросхема всецело полагается на сигнал «Feedback» в качестве обратной связи, а вот что на него подавать - это уже наше дело.
В стандартной схеме включения на эту ногу подаётся напряжение с резистивного делителя выходного напряжения. 1.2В - это равновесие, если Feedback меньше - драйвер увеличивает скважность импульсов, если больше - уменьшает. Но ведь можно на этот вход подать напряжение с токового шунта!
Шунт
Например, на токе 3А нужно взять шунт номиналом не более 0.1Ом. На таком сопротивлении этот ток выделит около 1Вт, так что и это много. Лучше запараллелить три таких шунта, получив сопротивление 0.033Ом, падение напряжения 0.1В и выделение тепла 0.3Вт.
Однако, вход Feedback требует напряжение 1.2В - а мы имеем лишь 0.1В. Ставить бОльшее сопротивление нерационально (тепла будет выделяться в 150 раз больше), поэтому остаётся как-то увеличить это напряжение. Делается это с помощью операционного усилителя.
Неинвертирующий усилитель на ОУ
Классическая схема, что может быть проще?
Объединяем
Теперь объединяем обычную схему преобразователя напряжения и усилитель на ОУ LM358, к входу которого подключаем токовый шунт.
Мощный резистор 0.033 Ом - это и есть шунт. Его можно сделать из трёх резисторов 0.1 Ом, соединённых параллельно, а для увеличения допустимой рассеиваемой мощности - используйте SMD-резисторы в корпусе 1206, поставьте их с небольшим промежутком (не вплотную) и постарайтесь максимально оставить слой меди вокруг резисторов и под ними. На выход Feedback подключен небольшой конденсатор, чтобы устранить возможный переход в режим генератора.
Регулируем и ток и напряжение
Давайте заведём на вход Feedback оба сигнала - и ток, и напряжение. Для объединения этих сигналов воспользуемся обычной схемой монтажного «И» на диодах. Если сигнал тока выше сигнала напряжения - он будет доминировать и наоборот.
Пару слов о применимости схемы
Вы не можете регулировать выходное напряжение. Хотя невозможно регулировать одновременно и выходной ток, и напряжение - они пропорциональны друг другу, с коэффициентом «сопротивление нагрузки». А если блок питания реализует сценарий вроде «постоянное выходное напряжение, но при превышении тока начинаем уменьшать напряжение», т.е. CC/CV - то это уже зарядное устройство.
Максимальное напряжение питания схемы - 30В, поскольку это предел для LM358. Можно расширить этот предел до 40В (или 60В с версией LM2596-HV), если питать ОУ от стабилитрона.
В последнем варианте в качестве суммирующих диодов необходимо использовать диодную сборку, поскольку в ней оба диода сделаны в рамках одного технологического процесса и на одной пластине кремния. Разброс их параметров будет гораздо меньше разброса параметров отдельных дискретных диодов - благодаря этому мы получим высокую точность отслеживания значений.
Также нужно внимательно следить за тем, чтобы схема на ОУ не возбудилась и не перешла в режим генерации. Для этого старайтесь уменьшить длину всех проводников, а особенно дорожки, подключенной к 2 выводу LM2596. Не располагайте ОУ вблизи этой дорожки, а диод SS36 и конденсатор фильтра расположите ближе к корпусу LM2596, и обеспечьте минимальную площадь петли земли, подключенной к этим элементам - необходимо обеспечить минимальную длину пути возвратного тока «LM2596 -> VD/C -> LM2596″.
Применение LM2596 в устройствах и самостоятельная разводка платы
О применении микросхемы в своих устройствах не в виде готового модуля я подробно рассказал в другой статье , в которой рассмотрены: выбор диода, конденсаторов, параметров дросселя, а также рассказал про правильную разводку и несколько дополнительных хитростей.
Возможности дальнейшего развития
Улучшенные аналоги LM2596
Проще всего после этой микросхемы перейти на LM2678 . По сути - это тот же самый stepdown преобразователь, только с полевым транзистором, благодаря которому КПД поднимается до 92%. Правда, у него 7 ног вместо 5, и он не pin-to-pin совместимый. Тем не менее эта микросхема очень похожа, и будет простым и удобным вариантом с улучшенной эффективностью.
L5973D – довольно старая микросхема, обеспечивающая до 2.5А, и немного более высокий КПД. Также у неё почти в два раза выше частота преобразования (250 кГц) - следовательно, требуются меньшие номиналы индуктивности и конденсатора. Однако, я видел что с ней происходит, если поставить её напрямую в автомобильную сеть - довольно часто выбивает помехами.
ST1S10 - высокоэффективный (КПД 90%) DC–DC stepdown преобразователь.
- Требует 5–6 внешних компонентов;
ST1S14 - высоковольтный (до 48 вольт) контроллер. Большая частота работы (850 кГц), выходной ток до 4А, выход Power Good, высокий КПД (не хуже 85%) и схема защиты от превышения тока нагрузки делают его, наверное, лучшим преобразователем для питания сервера от 36–вольтового источника.
Если требуется максимальный КПД - придётся обращаться к неинтегрированным stepdown DC–DC контроллерам. Проблема интегрированных контроллеров в том, что в них никогда не бывает классных силовых транзисторов - типичное сопротивление канала не выше 200мОм. Однако если взять контроллер без встроенного транзистора - можно выбрать любой транзистор, хоть AUIRFS8409–7P с сопротивлением канала в пол–миллиома
DC-DC преобразователи с внешним транзистором
Следующая часть
Сегодня мы рассмотрим несколько схем несложных, даже можно сказать - простых, импульсных преобразователей напряжения DC-DC (преобразователей постоянного напряжения одной величины, в постоянное напряжение другой величины)
Чем хороши импульсные преобразователи. Во-первых, они имеют высокий КПД, и во-вторых могут работать при входном напряжении ниже выходного. Импульсные преобразователи подразделяются на группы:
- - понижающие, повышающие, инвертирующие;
- - стабилизированные, нестабилизированные;
- - гальванически изолированные, неизолированные;
- - с узким и широким диапазоном входных напряжений.
Для изготовления самодельных импульсных преобразователей лучше всего использовать специализированные интегральные микросхемы - они проще в сборке и не капризны при настройке. Итак, приводим для ознакомления 14 схем на любой вкус:
Этот преобразователь работает на частоте 50 кГц, гальваническая изоляция обеспечивается трансформатором Т1, который наматывается на кольце К10х6х4,5 из феррита 2000НМ и содержит: первичная обмотка - 2х10 витков, вторичная обмотка - 2х70 витков провода ПЭВ-0,2. Транзисторы можно заменить на КТ501Б. Ток от батареи, при отсутствии нагрузки, практически не потребляется.
Трансформатор Т1 наматывается на ферритовом кольце диаметром 7 мм, и содержит две обмотки по 25 витков провода ПЭВ=0,3.
Двухтактный нестабилизированный преобразователь на основе мультивибратора (VТ1 и VТ2) и усилителя мощности (VТ3 и VТ4). Выходное напряжение подбирается количеством витков вторичной обмотки импульсного трансформатора Т1.
Преобразователь стабилизирующего типа на микросхеме MAX631 фирмы MAXIM. Частота генерации 40…50 кГц, накопительный элемент - дроссель L1.
Можно использовать одну из двух микросхем отдельно, например вторую, для умножения напряжения от двух аккумуляторов.
Типовая схема включения импульсного повышающего стабилизатора на микросхеме MAX1674 фирмы MAXIM. Работоспособность сохраняется при входном напряжении 1,1 вольта. КПД - 94%, ток нагрузки - до 200 мА.
Позволяет получать два разных стабилизированных напряжения с КПД 50…60% и током нагрузки до 150 мА в каждом канале. Конденсаторы С2 и С3 - накопители энергии.
8. Импульсный повышающий стабилизатор на микросхеме MAX1724EZK33 фирмы MAXIM
Типовая схема включения специализированной микросхемы фирмы MAXIM. Сохраняет работоспособность при входном напряжении 0,91 вольта, имеет малогабаритный SMD корпус и обеспечивает ток нагрузки до 150 мА при КПД - 90%.
Типовая схема включения импульсного понижающего стабилизатора на широкодоступной микросхеме фирмы TEXAS. Резистором R3 регулируется выходное напряжение в пределах +2,8…+5 вольт. Резистором R1 задается ток короткого замыкания, который вычисляется по формуле: Iкз(А)= 0,5/R1(Ом)
Интегральный инвертор напряжения, КПД - 98%.
Два изолированных преобразователя напряжения DA1 и DA2, включенных по “неизолированной” схеме с общей “землей”.
Индуктивность первичной обмотки трансформатора Т1 - 22 мкГн, отношение витков первичной обмотки к каждой вторичной - 1:2.5.
Типовая схема стабилизированного повышающего преобразователя на микросхеме фирмы MAXIM.
Еще перед Новым годом попросили меня читатели сделать обзор на пару преобразователей.
Ну мне как бы в принципе несложно, да и самому любопытно, заказал, получил, протестировал.
Правда меня больше заинтересовал немного другой преобразователь, но до него никак не дойдут руки, потому о нем в другой раз.
Ну а сегодня обзор простого DC-DC преобразователя с заявленным током в 10 Ампер.
Заранее приношу извинение за большую задержку с публикацией этого обзора у тех, кто его давно ждал.
Для начала характеристики, заявленные на странице товара и небольшое пояснение и коррекция.
Input voltage: 7-40V
1, Output voltage: continuously adjustable (1.25-35V)
2, Output Current: 8A, 10A maximum time within the (power tube temperature exceeds 65 degrees, please add cooling fan, 24V 12V 5A turn within generally be used at room temperature without a fan)
3, Constant Range: 0.3-10A (adjustable) module over 65 degrees, please add fan.
4, Turn lights Current: current value * (0.1) This version is a fixed 0.1 times (actually turn the lamp current value is probably not very accurate) is full of instructions for charging.
5, Minimum pressure: 1V
6, Conversion efficiency: up to about 95% (output voltage, the higher the efficiency)
7, Operating frequency: 300KHZ
8, Output Ripple: about the ripple 50mV (without noise) 20M bandwidth (for reference) Input 24V Output 12V 5A measured
9, Operating temperature: Industrial grade (-40 ℃ to + 85 ℃)
10, No-load current: Typical 20mA (24V switch 12V)
11, Load regulation: ± 1% (constant)
12, Voltage Regulation: ± 1%
13, Constant accuracy and temperature: the actual test, the module temperature changes from 25 degrees to 60 degrees, the change is less than 5% of the current value (current value 5A)
Немного переведу на более понятный язык.
1. Диапазон регулировки выходного напряжения - 1.25-35 Вольт
2. Выходной ток - 8 Ампер, можно 10 но с дополнительным охлаждением при помощи вентилятора.
3. Диапазон регулировки тока 0,3-10 Ампер
4. Порог выключения индикации заряда - 0.1 от установленного выходного тока.
5. Минимальная разница между входным и выходным напряжением - 1 Вольт (предположительно)
6. КПД - до 95%
7. Рабочая частота - 300кГц
8. Выходные пульсации напряжения, 50мВ при токе 5 Ампер, входном напряжении 24 и выходном 12 Вольт.
9. Диапазон рабочих температур - от - 40 ℃ до + 85 ℃.
10. Собственный ток потребления - до 20мА
11. Точность поддержания тока - ±1%
12. Точность поддержания напряжения - ±1%
13. Параметры проверены в диапазоне температур 25-60 градусов и изменение составило менее 5% при токе нагрузки 5 Ампер.
Пришел заказ в стандартном полиэтиленовом пакетике, щедро обмотанном лентой из вспененного полиэтилена. В процессе доставки ничего не пострадало.
Внутри находилась моя подопытная платка.
Внешне замечаний никаких. Вот просто крутил в руках и даже особо и придраться было не к чему, аккуратно, а если заменить конденсаторы на фирменные, то сказал бы что красиво.
На одной из сторон платы размещены два клеммника, вход и выход питания.
На второй стороне два подстроечных резистора для регулировки выходного напряжения и тока.
Так если посмотреть на фото в магазине, то платка кажется довольно большой.
Я специально два предыдущих фото также сделал крупным планом. Но понимание размера наступает когда кладешь рядом с ней спичечный коробок.
Платка реально маленькая, я не смотрел размеры когда заказывал, но мне почему то казалось, что она заметно больше. :)
Размеры платы - 65х37мм
Размеры преобразователя - 65х47х24мм
Плата двухслойная, монтаж двухсторонний.
К пайке также замечаний не возникло. Иногда бывает, что массивные контакты плохо пропаяны, но на фото видно, что здесь такого нет.
Правда элементы не пронумерованы, но думаю что ничего страшного, схема довольно простая.
Кроме силовых элементов на плате присутствует и операционный усилитель, который питается от стабилизатора 78L05, также есть и простенький источник опорного напряжения, собранный при помощи TL431.
На плате установлен мощный ШИМ контроллер , при этом он даже изолирован от радиатора.
Я не знаю зачем производитель изолировал микросхему от радиатора, так как это снижает теплоотдачу, возможно в целях безопасности, но так как плата обычно встраивается куда то, то мне кажется это лишним.
Так как плата рассчитана на довольно большой выходной ток, то в качестве силового диода применили довольно мощную диодную сборку , которую также установили на радиатор и также изолировали от него.
На мой взгляд это очень хорошее решение, но можно было его немного улучшить, если применить сборку на 60 Вольт, а не на 100.
Дроссель не очень большой, но на этом фото видно, что намотан он в два провода, что уже неплохо.
1, 2 На входе установлено два конденсатора 470мкФ х 50 В, на выходе два по 1000мкФ, но на 35 В.
Если следовать списку заявленных характеристик, то по выходу напряжение конденсаторов совсем впритык, но вряд ли кто то будет понижать напряжение с 40 до 35, не говоря о том, что 40 Вольт для микросхемы это вообще максимальное входное напряжение.
3. Входной и выходной разъемы подписаны, правда снизу платы, но это особо непринципиально.
4. А вот подстроечные резисторы никак не обозначены.
Слева регулировка максимального выходного тока, справа - напряжения.
А теперь немного разберемся с заявленными характеристиками и с тем, что имеем на самом деле.
Выше я писал, что в преобразователе применен мощный ШИМ контроллер, а точнее ШИМ контроллер со встроенным силовым транзистором.
Также выше я цитировал заявленные характеристики платы, попробуем разобраться.
Заявлено - Output voltage: continuously adjustable (1.25-35V)
Здесь вопросов нет, 35 Вольт преобразователь выдаст, даже 36 выдаст, в теории.
Заявлено - Output Current: 8A, 10A maximum
А вот здесь вопрос. Производитель микросхемы явно указывает, максимальный выходной ток 8 Ампер. В характеристиках микросхемы правда есть строка - ограничение максимального тока - 10 Ампер. Но это далеко не максимальный рабочий, 10 Ампер это предельный.
Заявлено - Operating frequency: 300KHZ
300кГц это конечно классно, можно дроссель поставить меньше габаритами, но извините, даташит вполне однозначно пишет 180кГц фиксированная частота, откуда 300?
Заявлено - Conversion efficiency: up to about 95%
Ну здесь все честно, КПД до 95%, производитель вообще заявляет до 96%, но это в теории, при определенном соотношении входного и выходного напряжения.
А вот и блок-схема ШИМ контроллера и даже пример реализации.
Кстати, здесь хорошо видно, что для 8 Ампер тока применяют дроссель не менее 12 Ампер, т.е. 1.5 от выходного тока. Я обычно рекомендую применять 2х запас.
Также здесь показано, что выходной диод можно ставить с напряжением 45 Вольт, диоды с напряжением 100 Вольт обычно имеют больше падение и соответственно снижают КПД.
Если есть цель повысить КПД данной платы, то со старых компьютерных БП можно наковырять диодов типа 20 Ампер 45 Вольт или даже 40 Ампер 45 Вольт.
Изначально я не хотел чертить схему, плата сверху закрыта деталями, маской, еще и шелкографией, но потом посмотрел, что схему перерисовать вполне реально и решил не изменять традиции:)
Индуктивность дросселя я не измерял, 47мкГн взято из даташита.
В схеме применен сдвоенный операционный усилитель, первая часть используется для регулировки и стабилизации тока, вторая для индикации. Видно что вход второго ОУ подключен через делитель 1 к 11, вообще в описании заявлено 1 к 10, но думаю что это непринципиально.
Первая проба на холостом ходу, изначально плата настроена на выходное напряжение 5 Вольт.
Напряжение стоит стабильно в диапазоне питающих напряжений 12-26 Вольт, ток потребления ниже 20мА так как не регистрируется амперметром БП.
Светодиод будет светить красным если выходной ток больше чем 1/10 (1/11) от установленного.
Такая индикация применяется для заряда аккумуляторов, так как если в процессе заряда ток упал ниже чем 1/10, то обычно считается что заряд окончен.
Т.е. выставили ток заряда 4 Ампера, светит красным пока ток не упадет ниже 400мА.
Но есть предупреждение, плата только показывает снижение тока, зарядный ток при этом не отключается, а просто снижается дальше.
Для тестирования я собрал небольшой стенд, в котором принимали участие.
Ручка и бумажка, ссылку потерял:)
Но в процессе тестирования мне в итоге пришлось потом применить и регулируемый блок питания, так как выяснилось, что из-за моих экспериментов нарушилась линейность измерения/задания тока в диапазоне 1-2 Ампера у мощного блока питания.
В итоге сначала я провел тесты нагрева и оценку уровня пульсаций.
Тестирование в этот раз происходило немного по другому чем обычно.
Измерялись температуры радиаторов в местах близких к силовым компонентам, так как температуру самих компонентов из-за плотного монтажа измерить было тяжело.
Кроме того проверялась работа в следующих режимах.
Вход - выход - ток
14В - 5В - 2А
28В - 12В - 2А
14В - 5В - 4А
И т.д. до тока 7.5 А.
Почему тестирование происходило таким хитрым способом.
1. Я не был уверен в надежности платы и поднимал ток постепенно чередуя разные режимы работы.
2. Преобразование 14 в 5 и 28 в 12 было выбрано потому, что это одни из самых часто используемых режимов, 14 (примерное напряжение бортовой сети легкового авто) в 5 (напряжение для зарядки планшетов и телефонов). 28 (напряжение бортовой сети грузового авто) в 12 (просто часто используемое напряжение.
3. Изначально у меня был план тестировать пока не отключится или не сгорит, но планы изменились и у меня возникли некоторые планы на компоненты от этой платы. потому тестировал только до 7.5 Ампер. Хотя в итоге это никак не повлияло на корректность проверки.
Ниже пара групповых фото, где я покажу тесты 5 Вольт 2 Ампера и 5 Вольт 7.5 Ампер, а также соответствующий уровень пульсаций.
Пульсации при токах 2 и 4 Ампера были похожи, также были похожи пульсации при токах 6 и 7.5 Ампера, потому промежуточные варианты я не привожу.
То же самое что выше, но 28 Вольт вход и 12 Вольт выход.
Тепловой режим при работе со входным 28 Вольт и выходным 12.
Видно что дальше ток повышать не имеет смысла, тепловизор уже показывает температуру ШИМ контроллера в 101 градус.
Для себя я использую некий лимит, температура компонентов не должна превышать 100 градусов. Вообще это зависит от самих компонентов. например транзисторы и диодные сборки можно безопасно эксплуатировать и при больших температурах, а микросхемам лучше не превышать это значение.
На фото конечно видно не очень, плата очень компактная, да и в динамике это было видно немного лучше.
Так как я посчитал, что эту плату могут использовать как зарядное устройство, то прикинул как она будет работать в режиме когда на входе 19 Вольт (типичное напряжение БП ноутбука), а на выходе 14.3 Вольта и 5.5 Ампера (типичные параметры заряда автомобильного аккумулятора).
Здесь все прошло без проблем, ну почти без проблем, но об этом позже.
Результаты измерений температур я свел в табличку.
Судя по результатам тестов, я бы рекомендовал не использовать плату при токах более 6 Ампер, по крайней мере без дополнительного охлаждения.
Выше я написал, что были некоторые особенности, объясню.
В процессе тестов я заметил, что плата ведет себя немного неадекватно при определенных ситуациях.
1.2 Выставил напряжение на выходе в 12 Вольт, ток нагрузки 6 Ампер, через 15-20 секунд напряжение на выходе упало ниже 11 Вольт, пришлось корректировать.
3,4 На выходе было выставлено 5 Вольт, на входе 14, поднял входное до 28 и выходное упало до 4 Вольт. На фото слева ток 7.5 Ампера, справа 6 Ампер, но ток роли не играл, при поднятии напряжения под нагрузкой, плата «сбрасывает» выходное напряжение.
После этого я решил проверить КПД устройства.
Производитель привел графики для разных режимов работы. Меня интересуют графики с выходным 5 и 12 Вольт и входным 12 и 24, так как они наиболее близки к моему тестированию.
В частности декларируется -
2A - 91%
4A - 88%
6A - 87%
7.5A - 85%
2A - 94%
4A - 94%
6A - 93%
7.5A - Не декларируется.
Дальше шла в принципе простая проверка, но с некоторыми нюансами.
5 Вольт тест прошел без проблем.
А вот с тестом 12 вольт были некоторые особенности, распишу.
1. 28 В вход, 12 В выход, 2 А, все нормально
2. 28 В вход, 12 В выход, 4 А, все нормально
3. Поднимаем ток нагрузки до 6 Ампер, выходное напряжение просаживается до 10.09
4. Корректируем, подняв опять до 12 Вольт.
5. Поднимаем ток нагрузки до 7.5 Ампер, опять падает, опять корректируем.
6. Опускаем ток нагрузки до 2 Ампер без коррекции, напряжение на выходе поднимается до 16,84.
Изначально я хотел показать как оно поднялось без нагрузки до 17.2, но решил что это будет некорректно и привел фото где есть нагрузка.
Да, грустно:(
Ну попутно проверил КПД в режиме заряда автомобильного аккумулятора от БП ноутбука.
Но здесь также не обошлось без особенностей. Сначала было выставлено 14.3 В на выходе, я провел тест на нагрев и отложил плату. но потом вспомнил, что хотел проверить и КПД.
Подключаю остывшую плату и наблюдаю на выходе напряжение около 14.59 Вольт, которое по мере прогрева упало до 14.33-14.35.
Т.е. по факту выходит, что у платы есть нестабильность выходного напряжения. и если для свинцово-кислотных аккумуляторов такой разбег не так критичен, то литиевые аккумуляторы такой платой заряжать нельзя категорически.
Тестов КПД у меня вышло два.
Основаны они на двух результатах измерений, хотя в итоге отличаются не очень сильно.
Р вых - расчетная выходная мощность, значение тока потребления округлено, Р вых DCL - выходная мощность, измеренная электронной нагрузкой. Входное и выходное напряжение измерялось непосредственно на клеммах платы.
Соответственно получилось два результата измерений КПД. Но в любом случае видно, что КПД примерно похож на заявленный, хотя и немного меньше.
Продублирую то, что заявлено в даташите
Для 12 Вольт вход и 5 Вольт выход
2A - 91%
4A - 88%
6A - 87%
7.5A - 85%
Для 24 Вольта вход и 12 Вольт выход.
2A - 94%
4A - 94%
6A - 93%
7.5A - Не декларируется.
И что вышло в реальности. Думаю что если заменить мощный диод на его более низковольтный аналог и поставить дроссель, рассчитанный на больший ток, то получилось бы вытянуть еще пару процентов.
На этом вроде все и я даже знаю что думают читатели -
Зачем нам куча тестов и непонятных фоток, просто скажи что в итоге, годится или нет:)
И в какой то степени читатели будут правы, по большому счету обзор можно сократить раза в 2-3, убрав часть фото с тестами, но я так уже привык, уж извините.
И так резюме.
Плюсы
Вполне качественное изготовление
Небольшой размер
Широкий диапазон входного и выходного напряжений.
Наличие индикации окончания заряда (снижения зарядного тока)
плавная регулировка тока и напряжения (без проблем можно выставить выходное напряжение с точностью 0.1 Вольта
Отличная упаковка.
Минусы
.
При токах выше 6 Ампер лучше применять дополнительное охлаждение.
Максимальный ток не 10, а 8 Ампер.
Низкая точность поддержания выходного напряжения, возможная зависимость его от тока нагрузки, входного напряжения и температуры.
Иногда плата начинала «звучать», происходило это в очень узком диапазоне регулировки, например меняю выходное от 5 до 12 и при 9.5-10 Вольт тихонько пищит.
Отдельное напоминание:
Плата только отображает падение тока, отключить заряд не может, это просто преобразователь.
Мое мнение. Ну вот честно, когда сначала взял плату в руки и крутил ее, осматривая со всех сторон, то хотел хвалить. Сделана аккуратно, особых претензий не было. Когда подключил, то также особо не хотел ругаться, ну греется, так они все греются, это в принципе нормально.
Но когда увидел как скачет выходное напряжение от всего чего угодно, то расстроился.
Я не хочу проводить расследование этих проблем, так как этим должен заниматься производитель, который зарабатывает на этом деньги, но предположу, что проблема кроется в трех вещах
1. Длинная дорожка обратной связи, проходящая почти по периметру платы
2. Подстроечные резисторы, установленные вплотную к горячему дросселю
3. Дроссель расположен точно над узлом, где сосредоточена «тонкая» электроника.
4. Применены не прецизионные резисторы в цепях обратной связи.
Вывод - для нетребовательной нагрузки вполне подойдет, до 6 Ампер точно, работает неплохо. Как вариант, использовать плату в качестве драйвера мощных светодиодов, работать будет хорошо.
Использование как зарядного устройства весьма сомнительно, а в некоторых случаях опасно. Если свинцово-кислотный еще нормально отнесется к таким перепадам, то литиевые заряжать нельзя, по крайней мере без доработки.
Вот и все, как всегда жду комментариев, вопросов и дополнений.
Товар предоставлен для написания обзора магазином. Обзор опубликован в соответствии с п.18 Правил сайта.
Планирую купить +121 Добавить в избранное Обзор понравился +105 +225Для питания различной электронной аппаратуры весьма широко используются DC/DC преобразователи. Применяются они в устройствах вычислительной техники, устройствах связи, различных схемах управления и автоматики и др.
Трансформаторные блоки питания
В традиционных трансформаторных блоках питания напряжение питающей сети с помощью трансформатора преобразуется, чаще всего понижается, до нужного значения. Пониженное напряжение и сглаживается конденсаторным фильтром. В случае необходимости после выпрямителя ставится полупроводниковый стабилизатор.
Трансформаторные блоки питания, как правило, оснащаются линейными стабилизаторами. Достоинств у таких стабилизаторов не менее двух: это маленькая стоимость и незначительное количество деталей в обвязке. Но эти достоинства съедает низкий КПД, поскольку значительная часть входного напряжения используется на нагрев регулирующего транзистора, что совершенно неприемлемо для питания переносных электронных устройств.
DC/DC преобразователи
Если питание аппаратуры осуществляется от гальванических элементов или аккумуляторов, то преобразование напряжения до нужного уровня возможно лишь с помощью DC/DC преобразователей.
Идея достаточно проста: постоянное напряжение преобразуется в переменное, как правило, с частотой несколько десятков и даже сотен килогерц, повышается (понижается), а затем выпрямляется и подается в нагрузку. Такие преобразователи часто называются импульсными.
В качестве примера можно привести повышающий преобразователь из 1,5В до 5В, как раз выходное напряжение компьютерного USB. Подобный преобразователь небольшой мощности продается на Алиэкспресс.
Рис. 1. Преобразователь 1,5В/5В
Импульсные преобразователи хороши тем, что имеют высокий КПД, в пределах 60..90%. Еще одно достоинство импульсных преобразователей широкий диапазон входных напряжений: входное напряжение может быть ниже выходного или намного выше. Вообще DC/DC конвертеры можно разделить на несколько групп.
Классификация конвертеров
Понижающие, по английской терминологии step-down или buck
Выходное напряжение этих преобразователей, как правило, ниже входного: без особых потерь на нагрев регулирующего транзистора можно получить напряжение всего несколько вольт при входном напряжении 12…50В. Выходной ток таких преобразователей зависит от потребности нагрузки, что в свою очередь определяет схемотехнику преобразователя.
Еще одно англоязычное название понижающего преобразователя chopper. Один из вариантов перевода этого слова - прерыватель. В технической литературе понижающий конвертер иногда так и называют «чоппер». Пока просто запомним этот термин.
Повышающие, по английской терминологии step-up или boost
Выходное напряжение этих преобразователей выше входного. Например, при входном напряжении 5В на выходе можно получить напряжение до 30В, причем, возможно его плавное регулирование и стабилизация. Достаточно часто повышающие преобразователи называют бустерами.
Универсальные преобразователи - SEPIC
Выходное напряжение этих преобразователей удерживается на заданном уровне при входном напряжении как выше входного, так и ниже. Рекомендуется в случаях, когда входное напряжение может изменяться в значительных пределах. Например, в автомобиле напряжение аккумулятора может изменяться в пределах 9…14В, а требуется получить стабильное напряжение 12В.
Инвертирующие преобразователи - inverting converter
Основной функцией этих преобразователей является получение на выходе напряжения обратной полярности относительно источника питания. Очень удобно в тех случаях, когда требуется двухполярное питание, например .
Все упомянутые преобразователи могут быть стабилизированными или нестабилизированными, выходное напряжение может быть гальванически связано с входным или иметь гальваническую развязку напряжений. Все зависит от конкретного устройства, в котором будет использоваться преобразователь.
Чтобы перейти к дальнейшему рассказу о DC/DC конвертерах следует хотя бы в общих чертах разобраться с теорией.
Понижающий конвертер чоппер - конвертер типа buck
Его функциональная схема показана на рисунке ниже. Стрелками на проводах показаны направления токов.
Рис.2. Функциональная схема чопперного стабилизатора
Входное напряжение Uin подается на входной фильтр - конденсатор Cin. В качестве ключевого элемента используется транзистор VT, он осуществляет высокочастотную коммутацию тока. Это может быть либо . Кроме указанных деталей в схеме содержится разрядный диод VD и выходной фильтр - LCout, с которого напряжение поступает в нагрузку Rн.
Нетрудно видеть, что нагрузка включена последовательно с элементами VT и L. Поэтому схема является последовательной. Как же происходит понижение напряжения?
Широтно-импульсная модуляция - ШИМ
Схема управления вырабатывает прямоугольные импульсы с постоянной частотой или постоянным периодом, что в сущности одно и то же. Эти импульсы показаны на рисунке 3.
Рис.3. Импульсы управления
Здесь tи время импульса, транзистор открыт, tп - время паузы, - транзистор закрыт. Соотношение tи/T называется коэффициентом заполнения duty cycle, обозначается буквой D и выражается в %% или просто в числах. Например, при D равном 50% получается, что D=0,5.
Таким образом D может изменяться от 0 до 1. При значении D=1 ключевой транзистор находится в состоянии полной проводимости, а при D=0 в состоянии отсечки, попросту говоря, закрыт. Нетрудно догадаться, что при D=50% выходное напряжение будет равно половине входного.
Совершенно очевидно, что регулирование выходного напряжения происходит за счет изменения ширины управляющего импульса tи, по сути дела изменением коэффициента D. Такой принцип регулирования называется (PWM). Практически во всех импульсных блоках питания именно с помощью ШИМ производится стабилизация выходного напряжения.
На схемах, показанных на рисунках 2 и 6 ШИМ «спрятана» в прямоугольниках с надписью «Схема управления», которая выполняет некоторые дополнительные функции. Например, это может быть плавный запуск выходного напряжения, дистанционное включение или защита преобразователя от короткого замыкания.
Вообще конвертеры получили столь широкое применение, что фирмы производители электронных компонентов наладили выпуск ШИМ контроллеров на все случаи жизни. Ассортимент настолько велик, что просто для того чтобы их перечислить понадобится целая книга. Поэтому собирать конвертеры на дискретных элементах, или как часто говорят на «рассыпухе», никому не приходит в голову.
Более того готовые конвертеры небольшой мощности можно купить на Алиэкспрес или Ebay за незначительную цену. При этом для установки в любительскую конструкцию достаточно припаять к плате провода на вход и выход, и выставить требуемое выходное напряжение.
Но вернемся к нашему рисунку 3. В данном случае коэффициент D определяет, сколько времени будет открыт (фаза 1) или закрыт (фаза 2) . Для этих двух фаз можно представить схему двумя рисунками. На рисунках НЕ ПОКАЗАНЫ те элементы, которые в данной фазе не используются.
Рис.4. Фаза 1
При открытом транзисторе ток от источника питания (гальванический элемент, аккумулятор, выпрямитель) проходит через индуктивный дроссель L, нагрузку Rн, и заряжающийся конденсатор Cout. При этом через нагрузку протекает ток, конденсатор Cout и дроссель L накапливают энергию. Ток iL ПОСТЕПЕННО ВОЗРАСТАЕТ, сказывается влияние индуктивности дросселя. Эта фаза называется накачкой.
После того, как напряжение на нагрузке достигнет заданного значения (определяется настройкой устройства управления), транзистор VT закрывается и устройство переходит ко второй фазе - фазе разряда. Закрытый транзистор на рисунке не показан вовсе, как будто его и нет. Но это означает лишь то, что транзистор закрыт.
Рис.5. Фаза 2
При закрытом транзисторе VT пополнения энергии в дросселе не происходит, поскольку источник питания отключен. Индуктивность L стремится воспрепятствовать изменению величины и направления тока (самоиндукция) протекающего через обмотку дросселя.
Поэтому ток мгновенно прекратиться не может и замыкается через цепь «диод-нагрузка». Из-за этого диод VD получил название разрядный. Как правило, это быстродействующий диод Шоттки. По истечении периода управления фаза 2 схема переключается на фазу 1, процесс повторяется снова. Максимальное напряжение на выходе рассмотренной схемы может быть равным входному, и никак не более. Чтобы получить выходное напряжение больше, чем входное, применяются повышающие преобразователи.
Пока только следует напомнить собственно о величине индуктивности, которая определяет два режима работы чоппера. При недостаточной индуктивности преобразователь будет работать в режиме разрывных токов, что совершенно недопустимо для источников питания.
Если же индуктивность достаточно большая, то работа происходит в режиме неразрывных токов, что позволяет с помощью выходных фильтров получить постоянное напряжение с приемлемым уровнем пульсаций. В режиме неразрывных токов работают и повышающие преобразователи, о которых будет рассказано ниже.
Для некоторого повышения КПД разрядный диод VD заменяется транзистором MOSFET, который в нужный момент открывается схемой управления. Такие преобразователи называются синхронными. Их применение оправдано, если мощность преобразователя достаточно велика.
Повышающие step-up или boost преобразователи
Повышающие преобразователи применяются в основном при низковольтном питании, например, от двух-трех батареек, а некоторые узлы конструкции требуют напряжения 12…15В с малым потреблением тока. Достаточно часто повышающий преобразователь кратко и понятно называют словом «бустер».
Рис.6. Функциональная схема повышающего преобразователя
Входное напряжение Uin подается на входной фильтр Cin и поступает на последовательно соединенные L и коммутирующий транзистор VT. В точку соединения катушки и стока транзистора подключен диод VD. К другому выводу диода подключены нагрузка Rн и шунтирующий конденсатор Cout.
Транзистор VT управляется схемой управления, которая вырабатывает сигнал управления стабильной частоты с регулируемым коэффициентом заполнения D, так же, как было рассказано чуть выше при описании чопперной схемы (Рис.3). Диод VD в нужные моменты времени блокирует нагрузку от ключевого транзистора.
Когда открыт ключевой транзистор правый по схеме вывод катушки L соединяется с отрицательным полюсом источника питания Uin. Нарастающий ток (сказывается влияние индуктивности) от источника питания протекает через катушку и открытый транзистор, в катушке накапливается энергия.
В это время диод VD блокирует нагрузку и выходной конденсатор от ключевой схемы, тем самым предотвращая разряд выходного конденсатора через открытый транзистор. Нагрузка в этот момент питается энергией накопленной в конденсаторе Cout. Естественно, что напряжение на выходном конденсаторе падает.
Как только напряжение на выходе станет несколько ниже заданного, (определяется настройками схемы управления), ключевой транзистор VT закрывается, и энергия, запасенная в дросселе, через диод VD подзаряжает конденсатор Cout, который подпитывает нагрузку. При этом ЭДС самоиндукции катушки L складывается с входным напряжением и передается в нагрузку, следовательно, напряжение на выходе получается больше входного напряжения.
По достижении выходным напряжением установленного уровня стабилизации схема управления открывает транзистор VT, и процесс повторяется с фазы накопления энергии.
Универсальные преобразователи - SEPIC (single-ended primary-inductor converter или преобразователь с несимметрично нагруженной первичной индуктивностью).
Подобные преобразователи применяются в основном, когда нагрузка имеет незначительную мощность, а входное напряжение изменяется относительно выходного в большую или меньшую сторону.
Рис.7. Функциональная схема преобразователя SEPIC
Очень похожа на схему повышающего преобразователя, показанного на рисунке 6, но имеет дополнительные элементы: конденсатор C1 и катушку L2. Именно эти элементы и обеспечивают работу преобразователя в режиме понижения напряжения.
Преобразователи SEPIC применяются в тех случаях, когда входное напряжение изменяется в широких пределах. В качестве примера можно привести 4V-35V to 1.23V-32V Boost Buck Voltage Step Up/Down Converter Regulator. Именно под таким названием в китайских магазинах продается преобразователь, схема которого показана на рисунке 8 (для увеличения нажмите на рисунок).
Рис.8. Принципиальная схема преобразователя SEPIC
На рисунке 9 показан внешний вид платы с обозначением основных элементов.
Рис.9. Внешний вид преобразователя SEPIC
На рисунке показаны основные детали в соответствии с рисунком 7. Следует обратить внимание на наличие двух катушек L1 L2. По этому признаку можно определить, что это именно преобразователь SEPIC.
Входное напряжение платы может быть в пределах 4…35В. При этом выходное напряжение может настраиваться в пределах 1,23…32В. Рабочая частота преобразователя 500КГц.При незначительных размерах 50 x 25 x 12мм плата обеспечивает мощность до 25 Вт. Максимальный выходной ток до 3А.
Но тут следует сделать замечание. Если выходное напряжение установить на уровне 10В, то выходной ток не может быть выше 2,5А (25Вт). При выходном напряжении 5В и максимальном токе 3А мощность составит всего 15Вт. Здесь главное не перестараться: либо не превысить максимально допустимую мощность, либо не выйди за пределы допустимого тока.