Повышающий преобразователь напряжения DC DC. Повышающий преобразователь напряжения DC DC Широтно-импульсная модуляция - ШИМ
DC-DC преобразователи (Конверторы) – модульные электронные устройства, предназначенные для построения шин питания в схемах с гальванической развязкой. Приборы представляют собой готовые устройства, преобразующие постоянное напряжение в постоянное, выполнены в герметичных защищенных корпусах с выводами для монтажа на печатную плату. Конверторы отличаются по своей мощности, конструктивному исполнению, количеству выходных каналов, диапазону входных и выходных напряжений.
Линейку высокопроизводительных изделий представили компании TRACO ELECTRONIC и AIMTEC . Преобразователи обладают высокой надежностью и производительностью, работают в широком диапазоне входных напряжений, обеспечивают нагрузку высоким выходным током, как по одному, так и двум выходным каналам. Малые габариты корпусов изделий позволяют использовать их в современной микроэлектронике с высокой плотностью монтажа. Серия изделий TMA 0505 D, 0512 D, 0515 D являются повышающими преобразователями с двухполярным выходным напряжением, и выходным током, достаточным для питания операционных усилителей различной портативной аппаратуры с батарейным питанием.
Ассортимент высокотехнологичным DC / DC преобразователей представила известная японская фирма MURATA POWER , изделия которых пользуются огромным спросом в различных отраслях промышленной электроники. Специализированные компактные изделия выпускаются как в закрытых герметичных корпусах, так и в открытом модульном исполнении для монтажа на плату. Особое звено модульных приборов – стабилизированные, изолированные DC / DC преобразователи с фиксированным входным и выходным напряжением, особо востребованные в медицинской технике и телекоммуникационном оборудовании.
Особенностью продукции компании PEAK Electronics являются уникальные разработки миниатюрных модулей DC / DC преобразователей для экономичной портативной электроники. Модульные приборы выпускаются в закрытых герметичных корпусах, с одним или двумя неизолированными выходами, и двухполярным выходным напряжением, а так же, модули, работающие в режиме умножения напряжения, например, P 10 CU -0512 ZLF, P 6 CU -0512 ZLF.
Посмотреть и купить товар вы можете в наших магазинах в городах: Москва, Санкт-Петербург, Волгоград, Воронеж, Екатеринбург, Ижевск, Казань, Калуга, Краснодар, Красноярск, Минск, Набережные Челны, Нижний Новгород, Новосибирск, Омск, Пермь, Ростов-на-Дону, Рязань, Самара, Тверь, Томск, Тула, Тюмень, Уфа, Челябинск. Доставка заказа почтой, через систему доставки Pickpoint или через салоны «Евросеть» в следующие города: Тольятти, Барнаул, Ульяновск, Иркутск, Хабаровск, Ярославль, Владивосток, Махачкала, Томск, Оренбург, Кемерово, Новокузнецк, Астрахань, Пенза, Липецк, Киров, Чебоксары, Калининград, Курск, Улан-Удэ, Ставрополь, Сочи, Иваново, Брянск, Белгород, Сургут, Владимир, Нижний Тагил, Архангельск, Чита, Смоленск, Курган, Орёл, Владикавказ, Грозный, Мурманск, Тамбов, Петрозаводск, Кострома, Нижневартовск, Новороссийск, Йошкар-Ола и др.
Товары из группы «DC-DC преобразователи (Конверторы)» вы можете купить оптом и в розницу.
Это простой, универсальный DC/DC - преобразователь (преобразователь одного напряжения постоянного тока в другое). Его входное напряжение может быть от 9 и до 18 В, с выходным напряжением 5-28 вольт, которое может при необходимости быть изменено в пределах примерно от 3 до 50В. Выходное напряжение данного преобразователя может быть как меньше входного, так и больше.
Отдаваемая в нагрузку мощность может доходить до 100 Вт. Средний ток нагрузки преобразователя составляет 2,5-3 ампера (зависит от выходного напряжения, и при выходном напряжении, например 5 вольт - ток нагрузки может быть и 8 ампер и более).
Этот преобразователь подходит для различных целей, таких как - запитывание ноутбуков, усилителей, портативных телевизоров и другой бытовой техники от бортовой сети автомобиля 12V, так-же зарядка мобильных телефонов, устройств USB, 24В техника и др.
Преобразователь устойчив к перегрузкам и коротким замыканиям на выходе, так как входная и выходная цепь - гальванически не связаны между собой, и например выход из строя силового транзистора, не приведёт к выходу из строя подключенной нагрузки, и всего лишь на выходе пропадёт напряжение (ну и перегорит защитный предохранитель).
Рисунок 1.
Схема преобразователя.
Преобразователь построен на микросхеме UC3843. В отличии от обычных схем подобных преобразователей, здесь в качестве энерго-вырабатывающего элемента применён не дроссель, а трансформатор, с соотношением витков 1:1, в связи с чем его вход и выход, гальванически развязаны между собой.
Рабочая частота преобразователя составляет около 90-95 kHz.
Рабочее напряжение конденсаторов С8 и С9 выбирать, в зависимости от выходного напряжения.
Величина резистора R9, определяет порог ограничения преобразователя по току. Чем меньше его величина, тем больше ток ограничения.
Вместо подстроечного резистора R3, можно поставить переменный, и им регулировать выходное напряжение, или поставить ряд постоянных резисторов с фиксированными значениями выходного напряжения, и выбирать их переключателем.
Для расширения диапазона выходных напряжений, необходимо пересчитать делитель напряжения R2, R3, R4, таким образом, чтобы напряжение на выводе 2 микросхемы, составляло 2,5 вольта при необходимом выходном напряжении.
Рисунок 2.
Трансформатор.
Сердечник трансформатора использован от компьютерных блоков питания АТ, АТХ, на котором намотан ДГС (дроссель групповой стабилизации). Сердечник окраски жёлто-белый, можно использовать любые подходящие сердечники. Хорошо подходят и сердечники от подобных БП и сине-зелёной окраски.
Обмотки трансформатора намотаны в два провода и содержат 2х24 витка, проводом, диаметром 1,0 мм. Начала обмоток на схеме обозначены точками.
В качестве выходных силовых транзисторов желательно использовать те, у которых малое сопротивление открытого канала. В частности SUP75N06-07L, SUP75N03-08, SMP60N03-10L, IRL1004, IRL3705N. И выбирать их ещё нужно с максимальным рабочим напряжением, в зависимости от максимального выходного напряжения. Максимальное рабочее напряжение транзистора не должно быть меньше 1,25 от выходного напряжения.
В качестве диода VD1, можно применить спаренный диод Шоттки, с обратным напряжением не менее 40В и максимальным током не менее 15А, так же желательно в корпусе ТО-220. Например SLB1640, или STPS1545 и т.д.
Схема была собрана и протестирована на макетной плате. В качестве силового транзистора был использован полевой транзистор 09N03LA, выдранный из "дохлой материнки". В качестве диода - спаренный диод Шоттки SBL2045CT.
Рисунок 3.
Тест 15V-4A.
Тестирование инвертора при входном напряжении 12 вольт и выходном напряжении 15 вольт. Ток нагрузки инвертора составляет 4 ампера. Мощность нагрузки составляет 60 ватт.
Рисунок 4.
Тест 5V-8A.
Тестирование инвертора при входном напряжении 12 вольт, выходное напряжение 5V и ток нагрузки 8A. Мощность нагрузки составляет 40 ватт. Силовой транзистор применённый в схеме = 09N03LA (SMD из материнки), D1 = SBL2045CT (от комповых БП), R9 = 0R068 (0,068 Ом), C8 = 2 х 4700 10V.
Печатная плата, разработанная для этого устройства, размером 100х38 мм, с учётом установки транзистора и диода на радиатор. Печатка в формате Sprint-Layout 6.0 , прилагается в прикреплении.
Ниже на фотографиях вариант сборки данной схемы с применением SMD-компонентов. Печатка разведена для SMD-компонентов, размером 1206.
Рисунок 5.
Вариант сборки преобразователя.
Если нет необходимости регулировать выходное напряжение на выходе данного преобразователя, то тогда переменный резистор R3 можно исключить, и подобрать резистор R2 так, чтобы выходное напряжение преобразователя соответствовало необходимому.
Архив для статьи
(с внешним n-канальным полевым транзистором и бустерным конденсатором)
или как самостоятельно изготовить автомобильное зарядное устройство для нетбука
http://*****/pitanie/preobr_down_pol_n. htm
Еще одна схема понижающего (step-down) преобразователя, которая с успехом может использоваться в качестве автомобильного зарядного устройства для нетбуков Asus EeePC 701 2G. Эта схема использует n-канальный полевой транзистор, более распространенный, чем p-канальный.
За основу преобразователя была взята все та же хорошо известная микросхема AP34063. В принципе, представленная в этой статье схема аналогична схеме для p-канального транзистора, но имеет некоторые особенности в плане управления полевым транзистором.
Как известно, для открытия n-канального полевого транзистора необходимо подать на затвор напряжение больше напряжения истока, однако, в нашей схеме исток подключен к питанию, то есть получается, что надо подать на затвор напряжение выше напряжения питания. Некоторые товарищи считают, что это невозможно (на форумах частенько такое встречал), но, на самом деле, существует довольно простое решение данной проблемы. Оно заключается в использовании так называемого бустерного (накопительного) конденсатора (CB). За счет самоиндукции дросселя оказывается возможным зарядить этот конденсатор до напряжения гораздо выше напряжения питания. В нашем случае при 2 амперной нагрузке оно составляет около 25 В. Но, для того, чтобы этот конденсатор зарядился и не разрядился раньше времени, - необходимо отсоединять точку 1 от земли, когда она подключена к затвору. Эту проблему решает микросхема IR2117 - драйвер верхнего плеча полумоста. На выходе этой микросхемы два полевых транзистора. В зависимости от напряжения VIN открыт или верхний транзистор (подключенный к VB) или нижний транзистор (подключенный к земле). Таким образом, на затвор подается или напряжение бустерного конденсатора или ноль.
Использование микросхемы IR2117 также позволяет получить очень крутые фронты открытия и закрытия силового транзистора, за счет того, что напряжение на затвор подается через резистор очень маленького номинала (всего 5 Ом). Совсем без резистора нельзя, так как у затвора есть емкость и после подключения затвора к питанию/земле эта емкость заряжается/разряжается, соответственно, не будет резистора - будет большой ток. Замечательно в данной схеме то, что когда затвор подключается к бустеру - он отвязан от земли, а когда подключается к земле - отвязан от бустера.
Все элементы схемы рассчитываются по типовой методике, так же, как и для преобразователя без внешнего транзистора, единственное отличие - Vsat нужно посчитать для используемого полевого транзистора. Сделать это очень просто: Vsat=R0*I, где R0 - сопротивление транзистора в открытом состоянии, I - протекающий через него ток. Для STP40NF03L R0=0,02 Ом, что при токе 2,5А дает Vsat=0,05В.
Готовый девайс :
Преобразователь греется незначительно. КПД данного устройства более 90% при токе 2А.
Скачать плату в формате Sprint-Layout 5.0. Плата разведена под использование SMD резисторов, конденсаторов C1и СВ, а также диода D2. Эту печатку не нужно переносить утюгом. Она нарисована только для того, чтобы дырочки наметить. Рисуйте маркером на плате, причем рисуйте дороги потолще, чтобы теплоотвод был получше. На чертеже показан вид сверху (со стороны деталей). Чтобы переносить на текстолит, надо печатать зеркальное отображение платы.
Понижающий DC-DC преобразователь 12В/9,5В 1А на микросхемах серии 34063
(с внешним биполярным транзистором)
Описанный в этой статье DC-DC преобразователь рассчитан на входное напряжение 12..16 В, выходное напряжение 9,5 В и выходной ток порядка 1А. Он прост в изготовлении и достаточно дёшев, однако на большие токи не рассчитан из-за относительно низкого КПД и, как следствие, - значительного нагрева.
Катушку на 4..8 мкГн можно взять со старой/сломанной материнской платы. Видели, там есть кольца, на которых толстыми проводами по несколько витков намотано? Ищем такую, на которой 6..9 витков одножильным толстым проводом - как раз самое то.
Какой брать транзистор? Да любой n-p-n, чтобы 2А мог свободно протащить (с запасом) и напряжение коллектор-эмиттер 20 вольт держал (с запасом).
Видно, что эта схема почти не отличается от схемы без внешнего транзистора, - добавляется только транзистор и резистор.
Собственно, все элементы схемы тоже рассчитываются по типовой методике, так же, как и для преобразователя без внешнего транзистора, единственное отличие - Vsat нужно брать для транзистора, который вы собираетесь использовать, а не для выходного транзистора микросхемы.
Исходя из чего определяется сопротивление резистора Rб? Во первых, этот резистор определяет ток через цепочку: выходной транзистор микросхемы -> резистор Rб , когда транзистор микросхемы открыт. Чем меньше сопротивление Rб - тем больше ток через эту цепочку. Величина этого тока ограничена максимальными мощностями транзистора микросхемы и резистора Rб. (Транзистор, как мы помним рассчитан на 1,5 А, так что резистор сгорит гораздо быстрее). Кроме того, величина этого резистора определяет как быстро будет закрываться внешний транзистор (крутизну фронта). Чем меньше величина Rб, - тем быстрее потенциал базы сравняется с землей и транзистор полностью закроется (тем круче фронт закрытия).
Таким образом, с одной стороны, чтобы сделать фронты круче - надо уменьшать Rб, с другой стороны - уменьшать сильно нельзя, так как будет расти ток через резистор. Естественно, невозможность сделать очень крутые фронты отражается на КПД схемы (и на дополнительном нагреве внешнего транзистора).
Еще один недостаток схемы с биполярным транзистором, так же влияющий на КПД (и, следовательно, на нагрев тоже), - это то, что биполярный транзистор в открытом состоянии имеет довольно значительное сопротивление (по сравнению, например, с MOSFET). Падение напряжения на полностью открытом биполярном транзисторе составляет не менее 1..1,5В уже при токе 1А, что соответствует рассеиваемой мощности 1..1,5 Вт плюс нагрев из-за не очень крутых фронтов. При более больших токах получим вообще кипятильник.
Короче говоря, схема с биполярным транзистором имеет относительно низкий КПД и обречена на нагрев, поэтому для токов более 1А я рекомендую использовать схемы с внешними полевыми транзисторами:
понижающий DC-DC преобразователь 12/9,5В 2,5А на микросхемах серии 34063 с внешним p-канальным полевиком (MOSFET)
понижающий DC-DC преобразователь 12/9,5В 2,5А на микросхемах серии 34063 с внешним n-канальным полевиком (MOSFET)
Скачать плату в формате Sprint-Layout 5.0. Не забудьте радиатор побольше. На чертеже показан вид сверху (со стороны деталей), чтобы переносить на текстолит, надо печатать зеркальное отображение платы.
Понижающий DC-DC преобразователь 12В/9,5В 2,5А на микросхемах серии 34063
(с внешним p-канальным полевым транзистором)
или как самостоятельно изготовить автомобильное зарядное устройство для нетбука
Идея создания этого преобразователя возникла у меня после покупки нетбука Asus EeePC 701 2G. Маленький, удобный, гораздо мобильнее огромных ноутбуков, в общем, красота, да и только. Одна проблема - надо постоянно подзаряжать. А поскольку единственный источник питания, который всегда под рукой - это автомобильный аккумулятор, то естественно возникло желание заряжать нетбук от него. В ходе экспериментов обнаружилось, что сколько нетбуку не дай, - больше 2 ампер он все равно не возьмет, то есть регулятор тока, как в случае зарядки аккумуляторов, нафиг не нужен. Красота, нетбук сам разрулит сколько тока потреблять, следовательно, нужен просто мощный понижающий преобразователь с 12 на 9,5 вольт, способный выдать нетбуку требуемые 2 ампера.
Катушку на 4..8 мкГн можно взять со старой/сломанной материнской платы. Видели, там есть кольца, на которых толстыми проводами по несколько витков намотано? Ищем такую, на которой 6..9 витков одножильным толстым проводом - как раз самое то.
За основу преобразователя была взята хорошо известная и широко доступная микросхема AP34063. Поскольку в ходе экспериментов типовая схема с внешним биполярным транзистором зарекомендовала себя мягко скажем не очень (греется), было решено прикрутить к этой микрухе p-канальный полевик (MOSFET).
Все элементы схемы рассчитываются по типовой методике, так же, как и для преобразователя без внешнего транзистора, единственное отличие - Vsat нужно посчитать для используемого полевого транзистора. Сделать это очень просто: Vsat=R0*I, где R0 - сопротивление транзистора в открытом состоянии, I - протекающий через него ток. Для IRF4905 R0=0,02 Ом, что при токе 2,5А дает Vsat=0,05В. Что называется, почувствуйте разницу. Для биполярного транзистора эта величина составляет не менее 1В. Как следствие - рассеиваемая мощность в открытом состоянии в 20 раз меньше и минимальное входное напряжение схемы на 2 вольта меньше!
Как мы помним, для того, чтобы р-канальный полевик открылся - надо подать на затвор отрицательное относительно истока напряжение (то есть подать на затвор напряжение, меньше напряжения питания, т. к. исток у нас подключен к питанию). Для этого нам и нужны резисторы R4, R5. Когда транзистор микросхемы открывается - они образуют делитель напряжения, который и задает напряжение на затворе. Для IRF4905 при напряжении исток-сток 10В для полного открытия транзистора достаточно подать на затвор напряжение на 4 вольта меньше напряжения истока (питания), UGS = -4В. Ну и кроме того, сопротивления этих резисторов определяют крутизну фронтов открытия и закрытия полевика (чем меньше сопротивление резисторов - тем круче фронты), а также протекающий через транзистор микросхемы ток (он должен быть не более 1,5А).
Готовый девайс :
В общем-то, радиатор можно было даже поменьше взять - преобразователь греется незначительно. КПД данного устройства около 90% при токе 2А.
Вход соединяете с вилкой для прикуривателя, выход - со штекером для нетбука.
Если не страшно, то можете вместо резистора Rsc просто поставить перемычку, как видите, я так и сделал, главное ничего не коротнуть, а то бумкнет:-)
Скачать плату в формате Sprint-Layout 5.0. Плата разведена под использование SMD резисторов и конденсатора C1. Да, и еще одно. Эта печатка не для того, чтобы её утюгом переносить, а чтобы дырочки наметить. Рисуйте маркером на плате, причем рисуйте дороги потолще, чтобы теплоотвод был получше. На чертеже показан вид сверху (со стороны деталей). Чтобы переносить на текстолит, надо печатать зеркальное отображение платы.
Если достать р-канальный полевик - проблема, читайте как собрать понижающий DC-DC преобразователь 12/9,5В 2,5А на микросхемах серии 34063 с внешним n-канальным полевиком (MOSFET).
Пересчитав описанный выше конвертер на другие выходные напряжения и токи, можно изготовить автомобильные зарядные устройства и для других нетбуков.
Расчет понижающих DC-DC преобразователей на микросхемах 34063
(MC34063, AP34063, ...)
Рассмотрим типовую схему понижающего DC/DC конвертера на микросхемах 34063:
льших пульсаций, а потом использовать дополнительный LC-фильтр. Емкость С3 обычно берут мкФ.
Rsc
Порядок рассчета:
Vin , Vout и максимальный выходной ток Iout .
Vin(min) fmin при выбранных Vin и Iout .
3) Рассчитывают значение (ton+toff)max по формуле (ton+toff)max=1/fmin , ton(max) toff(max)
4) Рассчитывают отношение ton/toff по формуле ton/toff=(Vout+VF)/(Vin(min)-Vsat-Vout) , где VF Vsat Vsat Vin , Vout VF и Vsat Vout =5 В, смело брать VF =0, Vsat =1В и не заморачиваться.
5) Зная ton/toff и (ton+toff)max ton(max) .
С1 по формуле: C1 = 4.5*10-5*ton(max) .
IPK(switch)=2*Iout Iout
8) Рассчитывают Rsc по формуле: Rsc=0,3/IPK(switch) .
С2=IPK(switch)*(ton+toff)max/8Vripple(p-p) , где Vripple(p-p) - максимальная величина пульсаций выходного напряжения. Берется максимальная ёмкость из ближайших к рассчётному стандартных значений.
L1(min)=ton(max)*(Vin(min)-Vsat-Vout)/IPK(switch)
Vout=1,25*(1+R2/R1) .
Расчет повышающих DC-DC преобразователей на микросхемах 34063
(MC34063, AP34063, ...)
Рассмотрим типовую схему повышающего DC/DC конвертера на микросхемах 34063:
DIV_ADBLOCK65">
R2, R1 - делитель напряжения для схемы компаратора. На неинвертирующий вход компаратора подается напряжение 1,25 В от внутреннего регулятора, а на инвертирующий вход - с делителя напряжения. Когда напряжение с делителя становится равным напряжению от внутреннего регулятора - компаратор переключает выходной транзистор.
C2, С3 - соответственно, выходной и входной фильтры. Емкость выходного фильтра определяет величину пульсаций выходного напряжения. Если в процессе расчетов получается, что для заданной величины пульсаций требуется очень большая емкость, можно расчет сделать для бо"льших пульсаций, а потом использовать дополнительный LC-фильтр. Емкость С3 обычно берут мкФ.
Rsc - токочувствительный резистор. Он нужен для схемы ограничения тока. Максимальный ток выходного транзистора для MC34063 = 1.5А, для AP34063 = 1.6А. Если пиковый переключаемый ток будет превышать эти значения, то микросхема может сгореть. Если точно известно, что пиковый ток даже близко не подходит к максимальным значениям, то этот резистор можно не ставить.
R3 - резистор, ограничивающий ток драйвера выходного транзистора (максимум 100 мА). Обычно берется 180, 200 Ом.
Порядок рассчета:
1) Выбирают номинальные входное и выходное напряжения: Vin , Vout и максимальный выходной ток Iout .
2) Выбирают минимальное входное напряжение Vin(min) и минимальную рабочую частоту fmin при выбранных Vin и Iout .
3) Рассчитывают значение (ton+toff)max по формуле (ton+toff)max=1/fmin , ton(max) - максимальное время, когда выходной транзистор открыт, toff(max) - максимальное время, когда выходной транзистор закрыт.
4) Рассчитывают отношение ton/toff по формуле ton/toff=(Vout+VF-Vin(min))/(Vin(min)-Vsat) , где VF - падение напряжения на выходном фильтре, Vsat - падение напряжения на выходном транзисторе (когда он находится в полностью открытом состоянии) при заданном токе. Vsat определяется по графикам, приведенным в документации. Из формулы видно, что чем больше Vin , Vout и чем больше они отличаются друг от друга - тем меньшее влияние на конечный результат оказывают VF и Vsat , так что если вам не нужен суперточный расчет, то я бы посоветовал, уже при Vin(min) =6-7 В, смело брать VF =0, Vsat =1В и не заморачиваться.
5) Зная ton/toff и (ton+toff)max решают систему уравнений и находят ton(max) .
6) Находят емкость времязадающего конденсатора С1 по формуле: C1 = 4.5*10-5*ton(max) .
7) Находят пиковый ток через выходной транзистор: IPK(switch)=2*Iout*(1+ton/toff) . Если он получился больше максимального тока выходного транзистора (А), то преобразователь с такими параметрами невозможен. Нужно либо пересчитать схему на меньший выходной ток (Iout ), либо использовать схему с внешним транзистором.
8) Рассчитывают Rsc по формуле: Rsc=0,3/IPK(switch) .
9) Рассчитывают минимальную емкость конденсатора выходного фильтра: С2=Iout*ton(max)/Vripple(p-p) , где Vripple(p-p) - максимальная величина пульсаций выходного напряжения. Разные производители рекомендуют умножать полученное значение на коэффициент от 1 до 9. Берется максимальная ёмкость из ближайших к рссчётному стандартных значений.
10) Рассчитывают минимальную индуктивность дросселя: L1(min)=ton(max)*(Vin(min)-Vsat)/IPK(switch) . Если получаются слишком большие C2 и L1, можно попробовать повысить частоту преобразования и повторить расчет. Чем выше частота преобразования - тем ниже минимальная емкость выходного конденсатора и минимальная индуктивность дросселя.
11) Сопротивления делителя рассчитываются из соотношения Vout=1,25*(1+R2/R1) .
Повышающий DC-DC преобразователь
Ниже представлена схема повышающего DC-DC конвертера, который, при подаче на вход напряжения 3...5В, на выходе выдает стабильное напряжение 5В. Преобразователь рассчитан на максимальный выходной ток порядка 300 мА, имеет небольшие размеры и очень удобен.
Понижающий DC-DC преобразователь 12В/5В
Ниже представлена схема понижающего DC-DC конвертера, который, при подаче на вход напряжения 7...15В, на выходе выдает стабильное напряжение 5В. Преобразователь рассчитан на максимальный выходной ток порядка 300 мА, имеет небольшие размеры и очень удобен, например, для питания различных контроллерных устройств от автомобильного аккумулятора.
http://www. jogis-roehrenbude. de/Leserbriefe/Borngraeber-Anodenbatterie-Ersatz/Anod-batt. htm
https://pandia.ru/text/78/001/images/image011_45.jpg" width="714" height="351">
Импульсный блок питания Вх1,2А http://*****/pitanie/imp_bl_pit. htm
Что является обязательной частью любого электронного устройства? Правильно! Это блок питания. Любе устройство надо как-то питать, иначе оно просто не будет работать. А что является главным для блока питания? Экономичность, небольшие размеры, ну и желательно стабильность. Всеми этими качествами обладают импульсные блоки питания.
Схему малогабаритного импульсного стабилизированного блока питания, идеального для домашней лаборатории, я вам и хочу представить. Блок питания однотактный, обратноходовый, имеет оптронную обратную связь. В качестве элемента управления используется микросхема TNY265.
Параметры : вход 85..265V 50Hz, выход 5V 1,2A, КПД 68%, частота 120kHz.
Вместо предложенного, можно использовать другие оптотранзисторы (CNY17-2, PC816, TLP181 и другие), но тогда надо заново подбирать сопротивление резисторов R3*, R4*, которыми задается ток через светодиод оптронов, т. к. разные оптотранзисторы могут быть рассчитаны на разные токи светодиодов. Кроме того, коэффициенты передачи по току у разных оптотранзисторов также могут быть разными.
Стабилитрон можно также взять отечественный: КС139, а вместо диода 1N5822 можно использовать SB530, MBR340 и другие аналогичные.
Цепочка R2C2D1 необходима для защиты силового транзистора микросхемы от чрезмерного напряжения сток-исток в моменты, когда силовой транзистор закрыт.
После предохранительного резистора RF1, но перед мостом, можно повесить на питание специальный высоковольтный керамический кондер в пару нанофарад, для предотвращения проникновения в сеть высокочастотных пульсаций с блока питания (показан пунктиром).
Трансформатор намотан на сердечнике EE16. Первичная обмотка содержит 126 витков одинарным проводом 35AWG (0,15 мм), вторичная - 6 витков двойным проводом 26AWG (0,4 мм). Сами понимаете, что нужно использовать провода в двойной изоляции, например ПЭВ-2. Такие провода можно найти, разобрав старые силовые трансформаторы или релюхи. Сердечник можно взять, например, в сломанном компьютерном блоке питания.
Как самостоятельно изготовить импульсный трансформатор для этой схемы, а также таблица соответствия стандарта AWG системе СИ находится здесь.
Намотка импульсных трансформаторов
Одной из важнейших деталей импульсного блока питания является импульсный трансформатор. "А где ж взять-то подходящий?", - спрашивают некоторые. Попробую облегчить вам задачу. Просто найдите трансформатор с подходящим сердечником, а я расскажу как вам его перемотать на нужные параметры.
Предполагается, что необходимое количество витков обмоток и диаметры проводов вам известны.
Итак, что нам нужно:
1. Провода. Для намотки трансформаторов используются провода в двойной и тройной изоляции. Можно взять провода подходящего диаметра из старых силовых трансформаторов или реле (например, провод ПЭВ-2).
2. Сердечник от старого/сгоревшего/неподходящего импульсного трансформатора.
https://pandia.ru/text/78/001/images/image014_47.gif" alt="Схема" width="640" height="303 src=">
Управляющей микросхемой выбрана МС34063, за дешевизну доступность, удобный тип корпуса и главное наличие некоторого количества их у меня. Но можно было при должном подходе умощнить таким образом, любую микросхему с аналогичными функциями. Работу схемы рассказывать нет смысла, думаю, она очевидна, Остановлюсь только на важных, на мой взгляд, моментах.
Микросхему выпускают множество производителей, в моем распоряжении было три типа, выяснилось, что образец под гордым названием КА34063 склонен возбуждаться, визуально это выражалось в свисте дросселя, хотя свои параметры с незначительным ухудшением конструкция при этом сохраняла. Эффект был устранен установкой по питанию микросхемы дроссель. Это решение не принципиально, можно было обойтись и резистором или еще лучше кренкой вольт на 6-7-8-9.
Цепочка R3-VD1-R4 в базе КТ315, это попытка сэкономить несколько миллиампер, не открывая выходной транзистор микросхемы, используем только предвыходной. Для правильного понимания ситуации смотрите описание на микросхему.
Резистор R5 компромиссный вариант между хорошим фронтом на затворе полевого транзистора и потребляемым током в этой цепи, оптимально 1К. Резистор несколько греется, необходимая мощность 0,5Вт.
Для получения наилучшего КПД, необходимо максимально открыть полевой транзистор, для этого, в этом его включении, требуется подать на затвор импульс амплитудой выше, чем Uпит вольт на 10. Необходимое для этого напряжение снимается с дросселя дополнительной обмоткой. Такой вариант показал несколько лучшие результаты, чем традиционный способ, через емкость с истока полевого транзистора.
Отдельно остановлюсь на том, что с этой схемы, в дополнение к основному Uвых можно получить любые необходимые стабилизированные напряжения любой полярности. Идея заключается в том, что в дросселе DR3 присутствует импульс со стабилизированным действующим значением равным Uвых. Используя это, снимаем необходимые нам напряжения с дросселя вторичными обмотками. Направление намотки важно. Количество витков дополнительной обмотки рассчитывается довольно просто. Например, Uвых 5в, а намотано в основной обмотке, например 10 витков, следовательно, что бы получить 10в, на дополнительной обмотке нужно намотать 20витков.
https://pandia.ru/text/78/001/images/image016_27.jpg" alt="Плата в зеркальном виде под ЛУТ" width="692" height="260">
https://pandia.ru/text/78/001/images/image018_26.jpg" alt="Плата в сборе" width="592" height="332 src=">
Конструктивно плата рассчитана для корпуса купленного в «Чип и Дип»: называется «G0123 корпус для РЭА 90х38х30мм
В моем варианте 5В 10А, стоят R1 1.2k, R2 3.6k, VT2 SUB70N03, VD2 SBL2040CT. Диод VD3 любой быстрый от КД522 до любых импортных, которые в избытке присутствуют в непригодном компьютерном железе, только конечно не те, что стоят в выпрямив 50Гц в БП.
Теперь про трансформатор DR3. В стремлении получить максимально возможный КПД я постарался сделать его с наименьшим количеством потерь.
Во-первых сердечник: Кольцо из пресспермалоя, желтого цвета. Взято из РС БП, встречаются два типоразмера 23мм и 27мм. У 23мм при этих токах и этой частоте маловата мощность, и как следствие сердечник сильно греется, поэтому выбрано 27мм.
Во-вторых, провод: Исходя из таблицы соответствия сечения провода и токов, следует, что при 25С на ток 6А необходимо иметь провод диаметром 2мм
Индуктивность: по всем расчетам необходима от 10мкГн, а для уменьшения пульсаций на выходе, хорошо бы иметь индуктивность побольше. В результате намотано провода диметром 1.9мм сколько влезло на кольцо, приблизительно 1.5 метра, получилось индуктивность 56мкГн. В конечном итоге при нагрузке 5А, трансформатор не греется и имеется огромный запас мощности на случай подключения дополнительных устройств. Вторичная обмотка любым тонким проводом какой есть (ну естественно не стоит связываться с 0.05 или 0.08мм, просто неудобно), реально использовался провод 0.18мм. Число витков в два раза больше чем в первичной обмотке.
Дросселя DR1 и DR2 намотаны на первых попавшихся 6мм гантельках, проводом, какой был: 0.18мм до заполнения, получилось где-то 300-500мкГн.
DR2 можно заменить на резистор ом на 100, следует учесть, что в этой точке большой импульсный ток, и без должного демпфера диоды КД522, к примеру, перегорают сразу, так что дроссель - лучший выход из положения
DR4 тоже необязательно ставить, но с точки зрения уменьшения пульсаций на выходе он полезен. Как элемент, был взят первый попавшийся от PC БП с приглянувшимся по толщине стержневым сердечником и проводом..
Для защиты на все случаи жизни на входе стоит самовосстанавливающийся предохранитель на 4А.
Импульсный стабилизатор на IRU3038.
http://*****/circuit/power/converter/07/
Иногда приходится решать проблемы низковольтного питания с высокими нагрузочными способностями и минимальными потерями, особенно если речь идёт об автономном питании от аккумуляторных батарей . Первыми ум посещают LDO-стабилизаторы, так называемые стабилизаторы с малым падением напряжения на регулирующем элементе. Однако, как никак, это линейный стабилизатор, следовательно, большие тепловые потери и недостаточные выходные токи до 3-х А. Если внимательно присмотреться к тому, как решают эту проблему производители компьютерных материнских плат, жёстких дисков, графических карт и так далее, в стиле ПК, то вскоре столкнёмся с некой интегральной IRUxxxx. Семейство этих микросхем велико. Можно встретить линейные стабилизаторы, ШИМ-стабилизаторы, комбинированные, многоканальные и даже комбинированные-многоканальные. Выходные токи преобразователей на сем семействе, достигаю не маленьких значений. К примеру, IRU3055 заняла своё почётное место около процессоров Pentium 4 или AMD K7. И не удивительно, ибо на выходе присутствует 60А, 1,5В.
В качестве примера к рассмотрению предлагаю IRU3038. Заглянем во внутрь:
· Внутренний генератор 200 кГц;
· 500 мА выходные драйвера МОП транзисторов верхнего и нижнего ключей;
· Защита от КЗ в нагрузке (организованная через обратную связь);
· Усилитель ошибки, компаратор ошибки;
· Контроль питающего напряжения;
· Схема мягкого старта;
И ещё несколько дополнительных узлов "запиханых" в 8-ми выводной корпус типа TSSOP (0,65 мм между центральными осями выводов) или SOIC (1,27мм).
В качестве эксперимента, была собрана схема трёхканального ШИМ стабилизатора работающего от небольшого 6-ти вольтового свинцового аккумулятора.
Характеристики устройства:
Всё вроде бы неплохо, за исключением капризности схемы. Высокая рабочая частота заставляет неуклонно придерживаться правил монтажа подобных конструкций. Данная схема переделывалась трижды до получения устойчивой работы и приемлемых характеристик. Принцип "а вдруг пройдёт" не сработал, при неправильной разводке платы дроссель L2 свистел, транзистор VT1 неприемлемо нагревался при выходном токе, порядка 3-х ампер. В нагрузке (GSM/GPRS-модем, 3,8В;2,5A) присутствовали большие выбросы напряжения высокой частоты, из-за чего нормальная работа нагрузки была невозможной.
При изготовлении подобного стабилизатора следует:
1. Придерживаться правил развода микросхемных выводов GND и PGND, заводя каждый через отдельный печатный проводник в общую точку соединения, как можно ближе к истоку транзистора VT2 (смотрим схему), в эту же точку следует заводить питание от источника (в данном случае аккумулятора).
2. Ширину проводников делать максимальной, длину минимальной.
3. По возможности, каждое питание микры (Vcc, Vc) шунтировать керамическими конденсаторами по 0,1мкФ.
4. Толщину провода дросселей делать максимальной или использовать жгут из тонких проводников.
5. На выходе преобразователя ставим паралельно низкоимпедансные конденсаторы, набирая "гирлянду", руководствуясь принципом не чем больше ёмкость тем лучше, а чем меньше эквивалентная индуктивность гирлянды тем меньше будут пульсации на выходе.
6. Под транзистором VT1 следует оставить полигон из фольги, который будет играть роль небольшого теплоотвода. При установке оговоренного транзистора, на полигон ставим небольшую точку термопасты, а далее в обычном порядке припаиваем транзистор.
И так, немного о использованных компонентах:
Смотрим схему:
0 " style="border:outset black 1.0pt">
Теперь попытаемся подобрать выходные транзисторы. При изготовлении данной схемки использовались IRF7460 с сопротивлением открытого канала 10 миллиОм, при этом выходной ток схемы достигал 8А, кратковременно с большой просадкой напряжения удалось выжать 12А(!). Использовался заводской дроссель 3,3 мкГн на ток насыщения 10А, типа гантель, так же эксперимента ради, дроссель изготавливался на небольшом колечке (смотрим фото). Так как измерить индуктивность и все остальные параметры было весьма проблематично, по сему моточные данные приводить не буду. При использовании IRF7313 выходной ток должен быть не менее 5А. Индуктивность - 4,7мкГн. IRF7А, 10мкГн. IRF7А, 10 мкГн.
Выходное напряжение можно выставить от 1,25В до напряжения питания, оставляя небольшой запас, иначе при хорошей нагрузке схема уйдёт в защиту.
В ценовой политике, а так же характеристиках по отношению к LM2576 выигрывают IRU, в понятиях простоты естественно LM2576.
Вариант печатной платы смотрим здесь , в данной версии из схемы удалены LI, R4, C7.
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
Для 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.