Преобразувател на постояннотоково напрежение към понижаващо напрежение. DC-DC преобразувател за високо напрежение

На китайските платформи за търговия ще се появи интересен модул за понижаващ преобразувател на напрежение XL4016. Веригата позволява работа с регулиране на напрежение (CV) и ток (CC). След добавяне на източник на захранване към системата (например ненужно захранване за лаптоп, трансформатор с токоизправител и кондензатор), модулът може да се използва като регулируемо захранване или стабилизатор с фиксирано изходно напрежение.

Веригата ви позволява да зададете максималния изходен ток или да работите като източник на ток (CC). Работата в режим CC може да се използва например за захранване на светодиоди, зареждане на батерия (включително автомобилна батерия) или захранване на модул Пелтие. Монтираните на платката многооборотни потенциометри могат да бъдат заменени с по-големи и удобни, оборудвани с ръкохватка. Импулсната система е високоефективна, но по-високите мощности ще изискват принудителна циркулация на въздуха или по-голям радиатор.

Схема на свързване на DC-DC модул

Инверторният модул може да се намери на Aliexpress; описанието му често съдържа параметри 9 A 300 W, 1,2 - 35 V. Нека разгледаме по-отблизо възможностите на веригата на този преобразувател и проведем тестове. Радиаторите са оборудвани с двоен 10A STPS2045 диод и XL4016 понижаваща инверторна верига. Обозначаването на входовете и изходите на мощността и разпределението на потенциометрите могат да бъдат намерени на фигурата по-долу:

Полупроводниците са изолирани от радиаторите, което намалява риска от късо съединение, но също така може да намали ефективността на разсейване на топлината. Според намерения лист с данни XL4016 в пакета TO220 има ограничение на тока от 8 A; може би в модула е използван елемент с по-висока декларирана ефективност. Двуцветният светодиод променя цвета си от син на червен с изходен ток >0,8 A. След затваряне на изхода успяхме да настроим изходния ток с помощта на амперметър в режим CC на 9 A. Работата на светодиодите е много удобно и информативно. Консумацията на ток без товар е около 15 mA.

Електролитните кондензатори са разположени доста близо до радиаторите и температурата може да намали експлоатационния им живот, докато голямата индуктивност просто виси във въздуха, така че си струва да я закрепите с лепило, за да не повредите печатната платка по време на механично напрежение. От другата страна на платката са запоени 5V стабилизатор, LM358 и резистор, използвани при измерване на изходния ток.

Тестове и тестове на модул XL4016

Стабилността на изходното напрежение в сравнение с изходните токове е задоволителна, по-долу е даден пример за графика на изходното напрежение, зададено на 3,3 V в зависимост от тока на натоварване.

Влиянието на входното напрежение при настройка на изходното напрежение е изключително малко.

Зависимост на ефективността на преобразувателя от промените в изходния ток за две изходни напрежения.

Зависимост на ефективността от промените във входното напрежение.

Пулсациите и отклонението на изходното напрежение при различни работни условия са показани на осцилограмите по-долу.

Приложение на преобразувател на долара

Този модул е ​​използван като зарядно за лаптоп за игри, работи отлично и не загрява критично. Вход: 29V, изход 19V, Imax 4A според параметрите на оригиналния 220V AC адаптер.

Най-висок ток е взет от модула, работещ като захранване за радиотелефон, който произвежда 28 V и 9 A, което е много добро.

Като зарядно устройство работи чрез добавяне на голям радиатор към XL или замяната му с по-голям от стандартния радиатор, плюс вентилатор, който също охлажда кондензаторите.

Безопасният диапазон на тока за продължително натоварване е около 7 A при напрежение над 32 V, стабилизаторът е много горещ. Би било добре да поставите голям капацитивен захранващ кондензатор пред преобразувателя.

Благодарение на развитието на съвременната електроника се произвеждат в големи количества специализирани микросхеми за стабилизатор на ток и напрежение. Те са разделени според функционалността на два основни типа, DC DC повишаващ преобразувател на напрежение и понижаващ преобразувател. Някои комбинират и двата вида, но това не влияе на ефективността към по-добро.

Някога много радиолюбители мечтаеха за импулсни стабилизатори, но те бяха рядкост и дефицит. Асортиментът в китайските магазини е особено приятен.

• 1. Приложение
• 2. Популярни реализации
• 3. Повишаващи преобразуватели на напрежение
• 4. Примери за бустери
• 5. Tusotek
• 6. За XL4016
• 7. На XL6009
• 8.MT3608
• 9. Високо напрежение при 220
• 10. Мощни конвертори

Приложение

Наскоро закупих много различни светодиоди от 1W, 3W, 5W, 10W, 20W, 30W, 50W, 100W. Всички те са с ниско качество, за сравнение с висококачествени. За да свържа и захранвам цялата тази група, имам 12 V и 19 V захранвания от лаптопи. Трябваше активно да разглеждам Aliexpress в търсене на драйвери за светодиоди с ниско напрежение.

Закупени са съвременни повишаващи преобразуватели на напрежение DC DC и понижаващи преобразуватели на напрежение 1-2 ампера и мощни 5-7 ампера. В допълнение, те са идеални за свързване на лаптоп към 12V в кола; Подходящи са като зарядно за 12V и 24V автомобилни акумулатори.

В китайските онлайн магазини стабилизаторите на напрежение са малко по-скъпи.

Популярни микросхеми за превключващи стабилизатори за повишаване са:

1. LM2577, остаряла с ниска ефективност;
2. XL4016, 2 пъти по-ефективен от 2577;
3. XL6009;
4. MT3608.

Стабилизаторите се означават по този начин AC-DC, DC-DC. AC е променлив ток, DC е постоянен ток. Това ще улесни търсенето, ако го посочите в заявката.

Не е рационално да правите DC усилващ преобразувател със собствените си ръце; ще отделя твърде много време за монтаж и конфигурация. Можете да го купите от китайците за 50-250 рубли, тази цена включва доставка. За тази сума ще получа почти готов продукт, който може да бъде финализиран възможно най-бързо.

Тези превключващи интегрални схеми се използват заедно с други, написаха характеристиките и листа с данни за популярни интегрални схеми за захранване,.

Популярни реализации

Стабилизаторите-усилватели се класифицират на ниско напрежение и високо напрежение от 220 до 400 волта. Разбира се, има готови блокове с фиксирана стойност на усилване, но аз предпочитам персонализирани, те имат по-широка функционалност.

Най-често исканите трансформации са:

1. 12V - 19V;
2. 12 - 24 волта;
3. 5 - 12V;
4. 3 - 12V
5. 12 - 220V;
6. 24V - 220V.

Бустерите се наричат ​​автомобилни инвертори.

Преобразуватели на усилващо напрежение

Моето лабораторно захранване работи от лаптоп на 19V 90W, но това не е достатъчно за тестване на последователно свързани светодиоди. Серийният LED низ изисква 30V до 50V. Купуването на готово устройство за 50-60 волта и 150 W се оказа малко скъпо, около 2000 рубли. Затова поръчах първия стъпков стабилизатор за 500 рубли. с увеличение до 50V. След проверка се оказа, че достига максимум 32V, защото на входа и изхода има 35V кондензатори. Писах убедително на продавача за моето възмущение и няколко дни по-късно те ми върнаха парите.

Поръчах втори до 55V под марката Tusotek за 280 рубли, бустерът се оказа отличен. От 12V лесно се увеличава до 60V, не съм вдигал строителния резистор по-високо, изведнъж щеше да изгори. Радиаторът е залепен с топлопроводимо лепило, така че не беше възможно да се видят маркировките на микросхемата. Охлаждането е направено малко неправилно, радиатора на диода на Шотки и контролера е закрепен към платката, а не към радиатора.

Примери за бустери

XL4016

Нека да разгледаме 4-те модела, които имам на склад. Не губих време за снимки, взех и продавачите.

Характеристики.

Имам голям опит в работата с китайски стоки, повечето от тях веднага имат недостатъци. Преди употреба ги проверявам и модифицирам, за да повиша надеждността на цялата конструкция. Това са главно проблеми с монтажа, които възникват при бързо сглобяване на продукти. Довършвам LED прожектори, лампи за дома, автомобилни къси и дълги светлини, контролери за управление на дневни светлини (DRL). Препоръчвам на всички да направят това; с минимално време, експлоатационният живот може да се удвои.

Внимавайте, не всички имат защита срещу късо съединение, прегряване, претоварване и неправилно свързване.

Действителната мощност зависи от режима; спецификациите показват максимума. Разбира се, характеристиките на всеки производител ще бъдат различни; те инсталират различни диоди и навиват индуктора с проводници с различна дебелина.

Tusotek

Според мен най-добрият от всички усилващи стабилизатори. Някои елементи нямат резерв от характеристики или са по-ниски от тези на микросхемите PWM, поради което не могат да осигурят дори половината от обещания ток. Tusotek има кондензатор 1000mF 35V на входа и 470mF 63V на изхода. Страната на радиатора с метална плоча е запоена към платката. Но те са запоени лошо и накриво, само единият ръб лежи на дъската, под другия има празнина. Без да се гледа не става ясно колко добре са запечатани. Ако е наистина лошо, тогава е по-добре да ги демонтирате и да поставите тази страна на радиатора, охлаждането ще се подобри 2 пъти;

Променлив резистор задава необходимия брой волта. Той ще остане непроменен, ако промените входното напрежение, то не зависи от него. Например, зададох 50V на изхода, увеличих го от 5V на 12V на входа, зададените 50V не се промениха.

На XL4016

Този преобразувател има такава функция, че може да увеличи само до 50% от входните волта. Ако свържете 12V, тогава максималното увеличение ще бъде 18V. В описанието е посочено, че може да се използва за лаптопи, които се захранват от максимум 19V. Но основната му цел се оказа работа с лаптопи от автомобилна батерия. Вероятно ограничението от 50% може да бъде премахнато чрез промяна на резисторите, които задават този режим. Изходните волта директно зависят от броя на входовете.

Отвеждането на топлина е много по-добро, радиаторите са монтирани правилно. Само вместо термопаста има топлопроводящо уплътнение, за да се избегне електрически контакт с радиатора. На входа има кондензатор 470mF 50V, на другия край 470mF на 35V.

На XL6009

Представител на модерни ефективни преобразуватели, като остарели модели на LM2596, се предлага в няколко опции, от миниатюрни до модели с индикатори за напрежение.

Пример за ефективност:

• 92% при преобразуване на 12V в 19V, 2A натоварване.

Листът с данни веднага показва схемата за използване като захранване за лаптоп в кола от 10V до 30V. Също така на XL6009 е лесно да се внедри биполярно захранване при +24 и -24V. Както при повечето преобразуватели, ефективността намалява колкото по-висока е разликата в напрежението и колкото по-голям е амперът.

MT3608

Миниатюрен модел с добра ефективност до 97%, честота на ШИМ 1.2 MHz. Ефективността се увеличава с увеличаване на входното напрежение и намалява с увеличаване на тока. При усилвателния преобразувател MT3608 можете да разчитате на малък ток, вътрешно ограничен до 4A в случай на късо съединение. По отношение на волта е препоръчително да не надвишава 24.

Високо напрежение при 220

Единиците за преобразуване от 12,24 волта до 220 са широко разпространени сред автомобилните ентусиасти като. Използва се за свързване на устройства, захранвани от 220V. Китайците продават основно 7-10 модела такива модули, останалите са готови устройства. Цена от 400 rub. Отделно бих искал да отбележа, че ако например 500W е посочено на готово устройство, тогава това често ще бъде краткосрочна максимална мощност. Реално дългосрочно ще бъде около 240W.

Мощни конвертори

За специални случаи са необходими мощни DC-DC усилващи преобразуватели от 10-20A и до 120V. Ще ви покажа няколко популярни и достъпни модела. Повечето нямат маркировка или продавачът ги крие, за да не ги купи от друго място. Не съм ги тествал лично, по отношение на напрежението, те съжителстват според обещаните характеристики. Но амперът ще бъде малко по-малък. Въпреки че продуктите в тази ценова категория винаги поддържат посочения товар, купих подобни устройства само с LCD екрани.

600W

Мощен #1:

1. мощност 600W;
2. 10-60V се преобразува в 12-80V;
3. цена от 800 rub.

Можете да го намерите, като потърсите „600W DC 10-60V до 12-80V Boost Converter Step Up“

400W

Мощен #2:

1. мощност 400W;
2. 6-40V се преобразува в 8-80V;
3. мощност до 10A;
4. цена от 1200 rub.

За търсене въведете в търсачката „DC 400W 10A 8-80V Boost Converter Step-Up“

B900W

Мощен #3:

1. мощност 900W;
2. 8-40V преобразува в 10-120V;
3. мощност до 15А.
4. цена от 1400 rub.

Единственото устройство, което е обозначено като B900W и може да бъде лесно намерено.

Днес ще разгледаме инструкции стъпка по стъпка за създаване на универсален DC-DC преобразувател. За какво е?

За да отговорим напълно на този въпрос, нека да разгледаме характеристиките:

Както можем да видим от характеристиките, такъв преобразувател може да се използва в кола за увеличаване или намаляване на напрежението от 12V. Можете също така да свържете такъв домашен DC/DC преобразувател към изхода на компютърно захранване и да получавате различни напрежения от него без модификация.

Е, или можете да вземете захранване от лаптоп и отново да получите напрежение на изхода. Това е много удобно, защото не е нужно да се притеснявате за захранващото напрежение.

DC усилващ/понижаващ преобразувател - електрическа схема

Между другото, вече разгледахме как да създадем .

Първоначално имаше идея да се създаде DC-DC преобразувател на UC3843, но се оказа неуспешен. Освен това, ако регулирате тока, трябва да инсталирате втори шунт и това намалява крайната ефективност на устройството.

Съгласно електрическата схема, продуктът има регулиране на напрежението и тока, като също така е инсталиран полеви драйвер. Намали малко отоплението.

Файлове за изтегляне:

Принципът на работа на DC DC преобразувателя според диаграмата

Референтна точка - устройството е изключено.

Направи си сам монтаж на повишаващ/понижаващ DC DC преобразувател

Както бе споменато по-горе, някои компоненти на веригата трябва да бъдат изчислени; за щастие в интернет има много готови онлайн калкулатори.

• Вижте също

Устройствата, захранвани от батерии, вече няма да изненадат никого; във всеки дом има десетки всякакви играчки и джаджи, захранвани от батерии. Междувременно малко хора са се замисляли за броя на различните преобразуватели, които се използват за получаване на необходимите напрежения или токове от стандартни батерии. Същите тези преобразуватели са разделени на няколко десетки различни групи, всяка със свои собствени характеристики, но в този момент говорим за понижаващи и повишаващи преобразуватели на напрежение, които най-често се наричат ​​AC/DC и DC/DC преобразуватели . В повечето случаи за изграждане на такива преобразуватели се използват специализирани микросхеми, които позволяват изграждането на преобразувател с определена топология с минимално количество окабеляване, сега на пазара има много микросхеми за захранване.

Можете да разгледате характеристиките на използването на тези микросхеми за безкрайно дълго време, особено като вземете предвид цялата библиотека от таблици с данни и приложения от производителите, както и безброй условно рекламни рецензии от представители на конкурентни компании, всяка от които се опитва да представи техният продукт като най-висококачествен и най-универсален. Този път ще използваме дискретни елементи, върху които ще сглобим няколко прости повишаващи DC/DC преобразуватели, които служат за захранване на малко устройство с ниска мощност, например светодиод, от 1 батерия с напрежение 1,5 волта. Тези преобразуватели на напрежение могат лесно да се считат за проект за уикенда и се препоръчват за сглобяване от тези, които правят първите си стъпки в прекрасния свят на електрониката.

Тази диаграма показва релаксиращ осцилатор, който е блокиращ осцилатор с насрещно свързани трансформаторни намотки. Принципът на работа на този преобразувател е следният: когато е включен, токът, протичащ през една от намотките на трансформатора и емитерния преход на транзистора, го отваря, в резултат на което той се отваря и през него започва да тече повече ток втората намотка на трансформатора и отворения транзистор. В резултат на това в намотката, свързана към основата на транзистора, се индуцира ЕМП, която изключва транзистора и токът през него се прекъсва. В този момент енергията, съхранявана в магнитното поле на трансформатора, в резултат на явлението самоиндукция, се освобождава и през светодиода започва да протича ток, който го кара да свети. След това процесът се повтаря.

Компонентите, от които може да се сглоби този прост повишаващ преобразувател на напрежение, могат да бъдат напълно различни. Една верига, сглобена без грешки, е много вероятно да работи правилно. Дори се опитахме да използваме транзистора MP37B - конверторът работи перфектно! Най-трудното нещо е да се направи трансформатор - той трябва да бъде навит с двоен проводник върху феритен пръстен, докато броят на завоите не играе специална роля и варира от 15 до 30. По-малко не винаги работи, повече не има смисъл. Ферит - всякакъв, няма смисъл да взимате N87 от Epcos, точно както търсите M6000NN местно производство. Токовете, протичащи във веригата, са незначителни, така че размерът на пръстена може да бъде много малък; външен диаметър от 10 mm ще бъде повече от достатъчен. Резистор със съпротивление около 1 килоома (не се установи разлика между резистори с номинална стойност 750 ома и 1,5 килоома). Препоръчително е да изберете транзистор с минимално напрежение на насищане, толкова по-разредена е батерията. Експериментално са тествани: MP 37B, BC337, 2N3904, MPSH10. LED - всеки наличен, с уговорката, че мощен многочипов няма да свети с пълна сила.

Сглобеното устройство изглежда така:

Размерът на платката е 15 x 30 mm и може да бъде намален до по-малко от 1 квадратен сантиметър с помощта на SMD компоненти и достатъчно малък трансформатор. Без товар тази верига не работи.

Втората верига е типичен повишаващ преобразувател, направен с два транзистора. Предимството на тази схема е, че по време на нейното производство няма нужда да навивате трансформатора, а просто вземете готов индуктор, но той съдържа повече части от предишния.

Принципът на работа се свежда до факта, че токът през индуктора периодично се прекъсва от транзистора VT2, а енергията на самоиндукцията се насочва през диода към кондензатора C1 и се прехвърля към товара. Отново, веригата е работеща с напълно различни компоненти и стойности на елементите. Транзисторът VT1 може да бъде BC556 или BC327, а VT2 BC546 или BC337, диодът VD1 може да бъде всеки диод на Шотки, например 1N5818. Кондензатор C1 - всякакъв тип, с капацитет от 1 до 33 μF, вече няма смисъл, особено след като можете да го направите напълно без него. Резистори - с мощност 0,125 или 0,25 W (въпреки че можете да доставите и мощни жични, около 10 вата, но това е по-разточително от необходимото) със следните номинални стойности: R1 - 750 Ohm, R2 - 220 KOhm, R3 - 100 KOhm. В същото време всички стойности на резистора могат да бъдат напълно свободно заменени с наличните в рамките на 10-15% от посочените; това не влияе на производителността на правилно сглобена верига, но влияе на минималното напрежение, при което нашият преобразувател може да работи.

Най-важната част е индукторът L1, неговият рейтинг също може да варира от 100 до 470 μH (стойности до 1 mH са експериментално тествани - веригата работи стабилно), а токът, за който трябва да бъде проектиран, не надвишава 100 mA. Всеки светодиод, отново като се вземе предвид факта, че изходната мощност на веригата е много малка, правилно сглобеното устройство започва да работи веднага и не е необходимо да се конфигурира.

Изходното напрежение може да се стабилизира чрез инсталиране на ценеров диод с необходимата стойност паралелно с кондензатор C1, но трябва да се помни, че при свързване на потребител напрежението може да падне и да стане недостатъчно.ВНИМАНИЕ! Без товар тази верига може да произвежда напрежение от десетки или дори стотици волта! Ако се използва без стабилизиращ елемент на изхода, кондензаторът C1 ще бъде зареден до максимално напрежение, което, ако товарът бъде включен впоследствие, може да доведе до неговата повреда!

Конверторът също е направен върху платка с размери 30 х 15 мм, което позволява закрепването му към отделение за батерии с размер АА. Оформлението на печатната платка изглежда така:

И двете прости схеми на усилващ преобразувател могат да бъдат направени със собствените ви ръце иможе успешно да се използва в условия на къмпинг, например във фенер или лампа за осветяване на палатка, както и в различни електронни домашни продукти, за които използването на минимален брой батерии е критично.

LM2596 намалява входното напрежение (до 40 V) - изходът е регулиран, токът е 3 A. Идеален за светодиоди в кола. Много евтини модули - около 40 рубли в Китай.

Texas Instruments произвежда висококачествени, надеждни, достъпни и евтини, лесни за използване DC-DC контролери LM2596. Китайските фабрики произвеждат ултра-евтини импулсни понижаващи преобразуватели въз основа на него: цената на модул за LM2596 е приблизително 35 рубли (включително доставка). Съветвам ви да закупите партида от 10 броя наведнъж - винаги ще има полза от тях, а цената ще падне до 32 рубли и по-малко от 30 рубли при поръчка на 50 броя. Прочетете повече за изчисляването на схемата на микросхемата, регулирането на тока и напрежението, нейното приложение и някои от недостатъците на преобразувателя.

Типичният метод на използване е стабилизиран източник на напрежение. Лесно е да се направи импулсно захранване на базата на този стабилизатор; аз го използвам като просто и надеждно лабораторно захранване, което може да издържи на късо съединение. Те са привлекателни поради постоянното качество (изглежда, че всички са произведени в една и съща фабрика - и е трудно да се направят грешки в пет части) и пълното съответствие с листа с данни и декларираните характеристики.

Друго приложение е стабилизатор на импулсен ток за захранване за мощни светодиоди. Модулът на този чип ще ви позволи да свържете 10-ватова автомобилна LED матрица, като допълнително осигурява защита от късо съединение.

Силно препоръчвам да закупите дузина от тях - определено ще ви бъдат полезни. Те са уникални по свой собствен начин - входното напрежение е до 40 волта и са необходими само 5 външни компонента. Това е удобно - можете да увеличите напрежението на интелигентната домашна захранваща шина до 36 волта, като намалите напречното сечение на кабелите. Инсталираме такъв модул в точките на потребление и го конфигурираме на необходимите 12, 9, 5 волта или според нуждите.

Нека ги разгледаме по-отблизо.

Характеристики на чипа:

• Входно напрежение - от 2,4 до 40 волта (до 60 волта във версия HV)
• Изходно напрежение - фиксирано или регулируемо (от 1,2 до 37 волта)
• Изходен ток - до 3 ампера (при добро охлаждане - до 4.5A)
• Честота на преобразуване - 150 kHz
• Корпус - TO220-5 (монтаж през отвор) или D2PAK-5 (повърхностен монтаж)
• Ефективност - 70-75% при ниско напрежение, до 95% при високо напрежение

1. Стабилизиран източник на напрежение
2. Конверторна схема
3. Лист с данни
4. USB зарядно базирано на LM2596
5. Стабилизатор на ток
6. Използвайте в домашни устройства
7. Регулиране на изходния ток и напрежение
8. Подобрени аналози на LM2596

История - линейни стабилизатори

Като начало ще обясня защо стандартните линейни преобразуватели на напрежение като LM78XX (например 7805) или LM317 са лоши. Ето неговата опростена диаграма.

Основният елемент на такъв преобразувател е мощен биполярен транзистор, включен в „оригиналния“ си смисъл - като контролиран резистор. Този транзистор е част от двойка Дарлингтън (за увеличаване на коефициента на пренос на ток и намаляване на мощността, необходима за работа на веригата). Базовият ток се задава от операционния усилвател, който усилва разликата между изходното напрежение и зададеното от ION (източник на референтно напрежение), т.е. той е свързан според класическата схема на усилвател на грешки.

По този начин преобразувателят просто включва резистора последователно с товара и контролира съпротивлението му, така че, например, точно 5 волта да бъдат изгасени през товара. Лесно е да се изчисли, че когато напрежението намалее от 12 волта на 5 (много често срещан случай на използване на чипа 7805), входните 12 волта се разпределят между стабилизатора и товара в съотношение „7 волта на стабилизатора + 5 волта на товара." При ток от половин ампер се отделят 2,5 вата при натоварване, а при 7805 - цели 3,5 вата.

Оказва се, че „допълнителните“ 7 волта просто се гасят на стабилизатора, превръщайки се в топлина. Първо, това създава проблеми с охлаждането и второ, отнема много енергия от източника на енергия. Когато се захранва от контакт, това не е много страшно (въпреки че все още причинява вреда на околната среда), но когато се захранва от батерия или акумулаторна батерия, това не може да бъде пренебрегнато.

Друг проблем е, че по принцип е невъзможно да се направи усилващ преобразувател с този метод. Често възниква такава необходимост и опитите за решаване на този проблем преди двадесет или тридесет години са невероятни - колко сложен беше синтезът и изчисляването на такива схеми. Една от най-простите вериги от този вид е двутактен преобразувател 5V->15V.

Трябва да се признае, че той осигурява галванична изолация, но не използва ефективно трансформатора - във всеки момент се използва само половината от първичната намотка.

Нека забравим това като лош сън и да преминем към съвременните схеми.

Източник на напрежение

Схема

Микросхемата е удобна за използване като понижаващ преобразувател: вътре е разположен мощен биполярен ключ, остава само да добавите останалите компоненти на регулатора - бърз диод, индуктивност и изходен кондензатор, също е възможно да инсталирайте входен кондензатор - само 5 части.

Версията LM2596ADJ също ще изисква схема за настройка на изходното напрежение, това са два резистора или един променлив резистор.

Схема на понижаващ преобразувател на напрежение, базирана на LM2596:

Цялата схема заедно:

Тук можете изтеглете листа с данни за LM2596.

Принцип на работа: мощен превключвател вътре в устройството, управляван от PWM сигнал, изпраща импулси на напрежение към индуктивността. В точка A, x% от времето има пълно напрежение и (1-x)% от времето напрежението е нула. LC филтърът изглажда тези колебания, като подчертава постоянен компонент, равен на x * захранващото напрежение. Диодът завършва веригата, когато транзисторът е изключен.

Подробна длъжностна характеристика

Индуктивността се противопоставя на промяната в тока през нея. Когато се появи напрежение в точка А, индукторът създава голямо отрицателно напрежение на самоиндукция и напрежението върху товара става равно на разликата между захранващото напрежение и напрежението на самоиндукция. Токът на индуктивност и напрежението на товара постепенно се увеличават.

След като напрежението изчезне в точка А, индукторът се стреми да поддържа предишния ток, протичащ от товара и кондензатора, и го късо през диода към маса - постепенно пада. По този начин напрежението на товара винаги е по-малко от входното напрежение и зависи от работния цикъл на импулсите.

Изходно напрежение

Модулът се предлага в четири версии: с напрежение 3.3V (индекс –3.3), 5V (индекс –5.0), 12V (индекс –12) и регулируема версия LM2596ADJ. Има смисъл да използвате персонализираната версия навсякъде, тъй като тя е налична в големи количества в складовете на електронните компании и едва ли ще срещнете недостиг от нея - и изисква само допълнителни две стотинки резистора. И разбира се, версията с 5 волта също е популярна.

Количеството на склад е в последната колона.

Можете да зададете изходното напрежение под формата на DIP превключвател, добър пример за това е даден тук, или под формата на въртящ се превключвател. И в двата случая ще ви трябва батерия от прецизни резистори - но можете да регулирате напрежението без волтметър.

Кадър

Има два варианта на корпуса: корпус за планарно монтиране TO-263 (модел LM2596S) и корпус за проходен отвор TO-220 (модел LM2596T). Предпочитам да използвам планарната версия на LM2596S, тъй като в този случай радиаторът е самата платка и няма нужда да купувате допълнителен външен радиатор. Освен това механичната му устойчивост е много по-висока, за разлика от TO-220, която трябва да се завинти към нещо, дори към дъска - но тогава е по-лесно да се монтира планарната версия. Препоръчвам да използвате чипа LM2596T-ADJ в захранванията, тъй като е по-лесно да премахнете голямо количество топлина от корпуса му.

Изглаждане на пулсациите на входното напрежение

Може да се използва като ефективен "интелигентен" стабилизатор след коригиране на тока. Тъй като микросхемата директно следи изходното напрежение, колебанията във входното напрежение ще доведат до обратно пропорционална промяна в коефициента на преобразуване на микросхемата и изходното напрежение ще остане нормално.

От това следва, че когато се използва LM2596 като понижаващ преобразувател след трансформатор и токоизправител, входният кондензатор (т.е. този, който се намира непосредствено след диодния мост) може да има малък капацитет (около 50-100 μF).

Изходен кондензатор

Поради високата честота на преобразуване, изходният кондензатор също не трябва да има голям капацитет. Дори мощен потребител няма да има време да намали значително този кондензатор в един цикъл. Нека направим изчислението: вземете кондензатор от 100 µF, изходно напрежение 5 V и товар, консумиращ 3 ампера. Пълен заряд на кондензатора q = C*U = 100e-6 µF * 5 V = 500e-6 µC.

В един цикъл на преобразуване товарът ще отнеме dq = I*t = 3 A * 6,7 µs = 20 µC от кондензатора (това е само 4% от общия заряд на кондензатора) и веднага ще започне нов цикъл и преобразувателят ще постави нова порция енергия в кондензатора.

Най-важното е да не използвате танталови кондензатори като входни и изходни кондензатори. Те пишат точно в листовете с данни - „не използвайте в силови вериги“, защото те много лошо понасят дори краткотрайни пренапрежения и не харесват високи импулсни токове. Използвайте обикновени алуминиеви електролитни кондензатори.

Ефективност, ефективност и топлинни загуби

Ефективността не е толкова висока, тъй като биполярен транзистор се използва като мощен превключвател - и има ненулев спад на напрежението, около 1,2 V. Оттук и спадът на ефективността при ниски напрежения.

Както можете да видите, максимална ефективност се постига, когато разликата между входното и изходното напрежение е около 12 волта. Тоест, ако трябва да намалите напрежението с 12 волта, минимално количество енергия ще премине в топлина.

Какво е ефективност на конвертора? Това е стойност, която характеризира текущите загуби - поради генериране на топлина при напълно отворен мощен ключ съгласно закона на Джаул-Ленц и на подобни загуби по време на преходни процеси - когато ключът е, да речем, само наполовина отворен. Ефектите и на двата механизма могат да бъдат сравними по големина, така че не трябва да забравяме и двата пътя на загуба. Малко количество енергия се използва и за захранване на „мозъците“ на самия преобразувател.

В идеалния случай при преобразуване на напрежение от U1 в U2 и изходен ток I2, изходната мощност е равна на P2 = U2*I2, входната мощност е равна на него (идеален случай). Това означава, че входният ток ще бъде I1 = U2/U1*I2.

В нашия случай преобразуването има ефективност под единица, така че част от енергията ще остане вътре в устройството. Например, с ефективност η, изходната мощност ще бъде P_out = η*P_in, а загубите P_loss = P_in-P_out = P_in*(1-η) = P_out*(1-η)/η. Разбира се, преобразувателят ще трябва да увеличи входния ток, за да поддържа зададения изходен ток и напрежение.

Можем да приемем, че при преобразуване на 12V -> 5V и изходен ток от 1A, загубите в микросхемата ще бъдат 1,3 вата, а входният ток ще бъде 0,52A. Във всеки случай това е по-добре от всеки линеен преобразувател, който ще даде поне 7 вата загуби и ще консумира 1 ампер от входната мрежа (включително за тази безполезна задача) - два пъти повече.

Между другото, микросхемата LM2577 има три пъти по-ниска работна честота и нейната ефективност е малко по-висока, тъй като има по-малко загуби при преходни процеси. Въпреки това, той се нуждае от три пъти по-високи рейтинги на индуктора и изходния кондензатор, което означава допълнителни пари и размер на платката.

Увеличаване на изходния ток

Въпреки вече доста големия изходен ток на микросхемата, понякога е необходим още по-голям ток. Как да излезем от тази ситуация?

1. Няколко конвертора могат да бъдат паралелизирани. Разбира се, те трябва да бъдат настроени на абсолютно същото изходно напрежение. В този случай не можете да използвате обикновени SMD резистори във веригата за настройка на напрежението за обратна връзка, трябва да използвате или резистори с точност от 1%, или ръчно да зададете напрежението с променлив резистор.

USB зарядно за LM2596

Можете да направите много удобно USB зарядно за пътуване. За да направите това, трябва да настроите регулатора на напрежение от 5V, да му осигурите USB порт и да осигурите захранване на зарядното устройство. Използвам радиомодел литиево-полимерна батерия, закупена в Китай, която осигурява 5 ампер часа при 11,1 волта. Това е много - достатъчно за 8 пътизареждайте обикновен смартфон (без да се взема предвид ефективността). Като се вземе предвид ефективността, тя ще бъде поне 6 пъти.

Не забравяйте да свържете накъсо D+ и D- щифтовете на USB гнездото, за да кажете на телефона, че е свързан към зарядното устройство и прехвърленият ток е неограничен. Без това събитие телефонът ще мисли, че е свързан с компютъра и ще се зарежда с ток от 500 mA - много дълго време. Освен това такъв ток може дори да не компенсира текущото потребление на телефона и батерията изобщо няма да се зареди.

Можете също така да осигурите отделен 12V вход от автомобилен акумулатор с конектор за запалка - и да превключвате източниците с някакъв ключ. Съветвам ви да инсталирате светодиод, който ще сигнализира, че устройството е включено, за да не забравите да изключите батерията след пълно зареждане - в противен случай загубите в преобразувателя ще изтощят напълно резервната батерия след няколко дни.

Този тип батерия не е много подходяща, защото е предназначена за големи токове - можете да опитате да намерите батерия с по-нисък ток и тя ще бъде по-малка и по-лека.

Стабилизатор на ток

Регулиране на изходния ток

Предлага се само с версия с регулируемо изходно напрежение (LM2596ADJ). Между другото, китайците също правят тази версия на платката, с регулиране на напрежение, ток и всякакви индикации - готов модул за стабилизатор на ток на LM2596 със защита от късо съединение може да се купи под името xw026fr4.

Ако не искате да използвате готов модул и искате сами да направите тази схема, няма нищо сложно, с едно изключение: микросхемата няма възможност да контролира тока, но можете да я добавите. Ще обясня как се прави това и ще изясня трудните точки по пътя.

Приложение

Стабилизатор на ток е нещо, необходимо за захранване на мощни светодиоди (между другото - моят проект за микроконтролер високомощни LED драйвери), лазерни диоди, галванопластика, зареждане на батерии. Както при стабилизаторите на напрежението, има два вида такива устройства - линейни и импулсни.

Класическият линеен токов стабилизатор е LM317 и е доста добър в своя клас - но максималният му ток е 1.5A, което не е достатъчно за много мощни светодиоди. Дори ако захранвате този стабилизатор с външен транзистор, загубите върху него са просто неприемливи. Цял свят вдига шум за консумацията на енергия на стендбай крушките, но тук LM317 работи с ефективност от 30% Това не е нашият метод.

Но нашата микросхема е удобен драйвер за преобразувател на импулсно напрежение, който има много режими на работа. Загубите са минимални, тъй като не се използват линейни режими на работа на транзисторите, а само ключови.

Първоначално е предназначен за вериги за стабилизиране на напрежението, но няколко елемента го превръщат в стабилизатор на ток. Факт е, че микросхемата разчита изцяло на сигнала „Обратна връзка“ като обратна връзка, но какво да я захранваме зависи от нас.

В стандартната превключваща верига напрежението се подава към този крак от резистивен делител на изходното напрежение. 1.2V е баланс; ако обратната връзка е по-малко, драйверът увеличава работния цикъл на импулсите; ако е повече, той го намалява. Но можете да подадете напрежение към този вход от токов шунт!

Шунт

Например, при ток от 3А трябва да вземете шунт с номинална стойност не повече от 0,1 Ohm. При такова съпротивление този ток ще освободи около 1 W, така че това е много. По-добре е да свържете три такива шунтове паралелно, като получите съпротивление от 0,033 Ohm, спад на напрежението от 0,1 V и отделяне на топлина от 0,3 W.

Входът за обратна връзка обаче изисква напрежение от 1,2 V - а ние имаме само 0,1 V. Неразумно е да се инсталира по-високо съпротивление (топлината ще се отдели 150 пъти повече), така че остава само да се увеличи по някакъв начин това напрежение. Това става с помощта на операционен усилвател.

Неинвертиращ операционен усилвател

Класическа схема, какво може да бъде по-просто?

Ние се обединяваме

Сега комбинираме конвенционална схема на преобразувател на напрежение и усилвател, използвайки операционен усилвател LM358, към входа на който свързваме токов шунт.

Мощен резистор от 0,033 ома е шунт. Може да се направи от три резистора 0,1 Ohm, свързани паралелно, и за да увеличите допустимото разсейване на мощността, използвайте SMD резистори в корпус 1206, поставете ги на малка междина (не близо един до друг) и се опитайте да оставите възможно най-много меден слой около резистори и по възможност под тях. Малък кондензатор е свързан към изхода за обратна връзка, за да се елиминира евентуален преход към режим на осцилатор.

Регулираме както ток, така и напрежение

Нека свържем двата сигнала към входа за обратна връзка - и ток, и напрежение. За да комбинираме тези сигнали, ще използваме обичайната електрическа схема "И" на диоди. Ако токовият сигнал е по-висок от сигнала за напрежение, той ще доминира и обратно.

Няколко думи за приложимостта на схемата

Не можете да регулирате изходното напрежение. Въпреки че е невъзможно да се регулира едновременно изходният ток и напрежението - те са пропорционални един на друг, с коефициент на "товарно съпротивление". И ако захранването изпълнява сценарий като „постоянно изходно напрежение, но когато токът надвиши, започваме да намаляваме напрежението“, т.е. CC/CV вече е зарядно.

Максималното захранващо напрежение за веригата е 30V, тъй като това е ограничението за LM358. Можете да разширите това ограничение до 40 V (или 60 V с версията LM2596-HV), ако захранвате операционния усилвател от ценеров диод.

В последния вариант е необходимо да се използва диоден възел като сумиращи диоди, тъй като и двата диода в него са направени в рамките на един и същ технологичен процес и върху една и съща силиконова пластина. Разпространението на техните параметри ще бъде много по-малко от разпръскването на параметрите на отделните дискретни диоди - благодарение на това ще получим висока точност на проследяване на стойностите.

Също така трябва внимателно да се уверите, че веригата на операционния усилвател няма да се възбуди и да премине в лазерен режим. За да направите това, опитайте се да намалите дължината на всички проводници и особено на пистата, свързана към щифт 2 на LM2596. Не поставяйте операционния усилвател близо до тази писта, но поставете диода SS36 и филтърния кондензатор по-близо до тялото на LM2596 и осигурете минимална площ на заземяващия контур, свързан към тези елементи - необходимо е да осигурите минимална дължина на връщане на текущия път “LM2596 -> VD/C -> LM2596”.

Приложение на LM2596 в устройства и независимо оформление на платката

Говорих подробно за използването на микросхеми в моите устройства не под формата на завършен модул в друга статия, който обхваща: избора на диод, кондензатори, параметри на индуктора, а също така говори за правилното окабеляване и няколко допълнителни трика.

Възможности за по-нататъшно развитие

Подобрени аналози на LM2596

Най-лесният начин след този чип е да преминете към LM2678. По същество това е същият понижаващ преобразувател, само с полеви транзистор, благодарение на който ефективността се повишава до 92%. Вярно е, че има 7 крака вместо 5 и не е съвместим от щифт до щифт. Този чип обаче е много подобен и би бил проста и удобна опция с подобрена ефективност.

L5973D– доста стар чип, осигуряващ до 2.5A и малко по-висока ефективност. Освен това има почти два пъти по-висока честота на преобразуване (250 kHz) - следователно са необходими по-ниски номинални стойности на индуктора и кондензатора. Видях обаче какво става с него, ако го пуснеш директно в мрежата на колата - доста често избива смущения.

ST1S10- високоефективен (90% ефективност) DC–DC понижаващ преобразувател.

• Изисква 5–6 външни компонента;

ST1S14- контролер за високо напрежение (до 48 волта). Висока работна честота (850 kHz), изходен ток до 4A, мощност Добър изход, висока ефективност (не по-лоша от 85%) и защитна верига срещу прекомерен ток на натоварване го правят вероятно най-добрият преобразувател за захранване на сървър от 36-волтова източник.

Ако се изисква максимална ефективност, ще трябва да се обърнете към неинтегрирани понижаващи DC-DC контролери. Проблемът с интегрираните контролери е, че те никога нямат готини мощни транзистори - типичното съпротивление на канала не е по-високо от 200 mOhm. Ако обаче вземете контролер без вграден транзистор, можете да изберете всеки транзистор, дори AUIRFS8409–7P със съпротивление на канала половин милиом

DC-DC преобразуватели с външен транзистор

Следваща част