Uniwersalny konwerter samochodowy (przetwornik) „DC/DC”.
Jest to prosta, uniwersalna przetwornica DC/DC (przetwornica jednego napięcia stałego na drugie). Jego napięcie wejściowe może wynosić od 9 do 18 V, przy napięciu wyjściowym od 5 do 28 woltów, które w razie potrzeby można zmieniać w zakresie od około 3 do 50 V. Napięcie wyjściowe tego konwertera może być mniejsze niż napięcie wejściowe lub większe.
Moc dostarczana do obciążenia może sięgać nawet 100 W. Średni prąd obciążenia konwertera wynosi 2,5-3 amperów (w zależności od napięcia wyjściowego i przy napięciu wyjściowym na przykład 5 woltów prąd obciążenia może wynosić 8 amperów lub więcej).
Przetwornica ta nadaje się do różnych celów, takich jak zasilanie laptopów, wzmacniaczy, przenośnych telewizorów i innych urządzeń AGD z sieci pokładowej samochodu 12V, a także ładowanie telefonów komórkowych, urządzeń USB, sprzętu 24V itp.
Przetwornica jest odporna na przeciążenia i zwarcia na wyjściu, gdyż obwody wejściowe i wyjściowe nie są ze sobą połączone galwanicznie i np. awaria tranzystora mocy nie spowoduje awarii podłączonego obciążenia, a jedynie napięcie zostanie utracony na wyjściu (cóż, przepali się bezpiecznik ochronny).
Obrazek 1.
Obwód konwertera.
Konwerter zbudowany jest na chipie UC3843. W przeciwieństwie do konwencjonalnych obwodów takich przetwornic, tutaj jako element wytwarzający energię zastosowano nie dławik, a transformator o przełożeniu 1:1, dlatego jego wejście i wyjście są od siebie galwanicznie odizolowane.
Częstotliwość robocza przetwornika wynosi około 90-95 kHz.
Dobierz napięcie robocze kondensatorów C8 i C9 w zależności od napięcia wyjściowego.
Wartość rezystora R9 określa próg ograniczenia prądu przetwornika. Im mniejsza jest jego wartość, tym większy jest prąd ograniczający.
Zamiast rezystora dostrajającego R3 można zainstalować rezystor zmienny i za jego pomocą regulować napięcie wyjściowe, lub zamontować szereg rezystorów stałych o stałych wartościach napięcia wyjściowego i wybierać je przełącznikiem.
Aby rozszerzyć zakres napięć wyjściowych, konieczne jest ponowne obliczenie dzielnika napięcia R2, R3, R4, tak aby napięcie na pinie 2 mikroukładu wynosiło 2,5 wolta przy wymaganym napięciu wyjściowym.
Rysunek 2.
Transformator.
Rdzeń transformatora wykorzystywany jest z zasilaczy komputerowych AT, ATX, na których nawinięty jest DGS (dławik stabilizacji grupowej). Rdzeń barwiący jest żółto-biały, można zastosować dowolne odpowiednie rdzenie. Odpowiednie są również rdzenie z podobnych zasilaczy i kolorów niebiesko-zielonych.
Uzwojenia transformatora nawinięte są na dwa druty i zawierają 2x24 zwoje, drut o średnicy 1,0 mm. Początki uzwojeń zaznaczono na schemacie kropkami.
Jako tranzystory mocy wyjściowej zaleca się stosowanie tranzystorów o niskiej rezystancji kanału otwartego. W szczególności SUP75N06-07L, SUP75N03-08, SMP60N03-10L, IRL1004, IRL3705N. Należy je również wybrać przy maksymalnym napięciu roboczym, w zależności od maksymalnego napięcia wyjściowego. Maksymalne napięcie robocze tranzystora nie powinno być mniejsze niż 1,25 napięcia wyjściowego.
Jako diodę VD1 można zastosować sparowaną diodę Schottky'ego, o napięciu wstecznym co najmniej 40 V i prądzie maksymalnym co najmniej 15 A, najlepiej również w obudowie TO-220. Na przykład SLB1640 lub STPS1545 itp.
Układ został zmontowany i przetestowany na płytce prototypowej. Tranzystor polowy 09N03LA, wyrwany z „martwej płyty głównej”, został użyty jako tranzystor mocy. Dioda to sparowana dioda Schottky'ego SBL2045CT.
Rysunek 3.
Przetestuj 15V-4A.
Testowanie falownika przy napięciu wejściowym 12 woltów i napięciu wyjściowym 15 woltów. Prąd obciążenia falownika wynosi 4 ampery. Moc obciążenia wynosi 60 watów.
Rysunek 4.
Przetestuj 5V-8A.
Testowanie falownika przy napięciu wejściowym 12 woltów, napięciu wyjściowym 5 V i prądzie obciążenia 8 A. Moc obciążenia wynosi 40 watów. Tranzystor mocy zastosowany w obwodzie = 09N03LA (SMD z płyty głównej), D1 = SBL2045CT (z zasilaczy komputerowych), R9 = 0R068 (0,068 Ohm), C8 = 2 x 4700 10V.
Płytka drukowana opracowana dla tego urządzenia ma wymiary 100x38 mm, biorąc pod uwagę montaż tranzystora i diody na radiatorze. Sygnet w formacie Sprint-Layout 6.0 w załączeniu.
Poniżej na zdjęciach wersja montażowa tego układu z wykorzystaniem elementów SMD. Sygnet przeznaczony jest do elementów SMD o rozmiarze 1206.
Rysunek 5.
Opcja montażu konwertera.
Jeżeli nie ma potrzeby regulowania napięcia wyjściowego na wyjściu tej przetwornicy, to można wyeliminować rezystor zmienny R3 i dobrać rezystor R2 tak, aby napięcie wyjściowe przetwornicy odpowiadało wymaganemu.
Archiwum artykułu
LM2596 to przetwornica step-down DC-DC, często produkowana jest w postaci gotowych modułów, kosztujących około 1 dolara (poszukaj LM2596S DC-DC 1,25-30 V 3A). Płacąc 1,5 dolara, można kupić na Ali podobny moduł z diodą LED wskazującą napięcie wejściowe i wyjściowe, wyłączającą napięcie wyjściowe oraz przyciskami dostrajania z wyświetlaniem wartości na wskaźnikach cyfrowych. Zgadzam się – oferta jest więcej niż kusząca!
Poniżej znajduje się schemat ideowy tej płytki konwertera (kluczowe elementy zostały zaznaczone na obrazku na końcu). Na wejściu znajduje się zabezpieczenie przed odwróceniem polaryzacji - dioda D2. Zapobiegnie to uszkodzeniu regulatora na skutek nieprawidłowego podłączenia napięcia wejściowego. Pomimo tego, że układ lm2596 według karty katalogowej może przetwarzać napięcia wejściowe do 45 V, w praktyce przy długotrwałej pracy napięcie wejściowe nie powinno przekraczać 35 V.
W przypadku lm2596 napięcie wyjściowe określa się za pomocą poniższego równania. Za pomocą rezystora R2 napięcie wyjściowe można regulować w zakresie od 1,23 do 25 V.
Choć chip lm2596 zaprojektowano na maksymalny prąd pracy ciągłej wynoszący 3 A, to niewielka powierzchnia masy foliowej nie jest wystarczająca do odprowadzenia powstałego ciepła w całym zakresie pracy obwodu. Należy również pamiętać, że wydajność tego konwertera różni się znacznie w zależności od napięcia wejściowego, napięcia wyjściowego i prądu obciążenia. Wydajność może wynosić od 60% do 90% w zależności od warunków pracy. Dlatego odprowadzanie ciepła jest obowiązkowe, jeśli praca ciągła odbywa się przy prądach większych niż 1 A.
Zgodnie z arkuszem danych kondensator wyprzedzający należy zainstalować równolegle z rezystorem R2, szczególnie gdy napięcie wyjściowe przekracza 10 V - jest to konieczne dla zapewnienia stabilności. Ale tego kondensatora często nie ma na chińskich niedrogich płytach inwerterowych. W trakcie eksperymentów przetestowano kilka egzemplarzy przetwornic prądu stałego w różnych warunkach pracy. W rezultacie doszliśmy do wniosku, że stabilizator LM2596 dobrze nadaje się do niskich i średnich prądów zasilania obwodów cyfrowych, natomiast przy wyższych wartościach mocy wyjściowej wymagany jest radiator.
Dziś przyjrzymy się kilku obwodom prostych, można nawet powiedzieć prostych, impulsowych przetwornic napięcia DC-DC (przetworników napięcia stałego o jednej wartości na napięcie stałe o innej wartości)
Jakie są zalety konwerterów impulsów? Po pierwsze charakteryzują się dużą wydajnością, a po drugie mogą pracować przy napięciu wejściowym niższym od napięcia wyjściowego. Przetwornice impulsów dzielą się na grupy:
- - przebijanie, wzmacnianie, odwracanie;
- - stabilizowany, niestabilizowany;
- - izolowane galwanicznie, nieizolowane;
- - z wąskim i szerokim zakresem napięć wejściowych.
Do wykonania domowych przetwornic impulsów najlepiej zastosować specjalistyczne układy scalone - są łatwiejsze w montażu i nie kapryśne w konfiguracji. Oto 14 schematów na każdy gust:
Przetwornica ta pracuje na częstotliwości 50 kHz, izolację galwaniczną zapewnia transformator T1, który nawinięty jest na pierścień K10x6x4,5 wykonany z ferrytu 2000NM i zawiera: uzwojenie pierwotne - 2x10 zwojów, uzwojenie wtórne - 2x70 zwojów drutu PEV-0,2 . Tranzystory można zastąpić KT501B. Gdy akumulator nie jest obciążony, prąd nie jest prawie w ogóle pobierany.
Transformator T1 nawinięty jest na pierścień ferrytowy o średnicy 7 mm i zawiera dwa uzwojenia po 25 zwojów drutu PEV = 0,3.
Niestabilizowana przetwornica push-pull oparta na multiwibratorze (VT1 i VT2) i wzmacniaczu mocy (VT3 i VT4). Napięcie wyjściowe jest wybierane przez liczbę zwojów uzwojenia wtórnego transformatora impulsowego T1.
Konwerter typu stabilizującego oparty na mikroukładzie MAX631 firmy MAXIM. Częstotliwość generacji 40...50 kHz, element magazynujący - cewka indukcyjna L1.
Możesz użyć jednego z dwóch chipów oddzielnie, np. drugiego, aby zwielokrotnić napięcie z dwóch akumulatorów.
Typowy obwód do podłączenia stabilizatora wzmocnienia impulsu na mikroukładzie MAX1674 firmy MAXIM. Działanie jest utrzymywane przy napięciu wejściowym 1,1 V. Sprawność - 94%, prąd obciążenia - do 200 mA.
Umożliwia uzyskanie dwóch różnych stabilizowanych napięć o wydajności 50...60% i prądzie obciążenia do 150 mA w każdym kanale. Kondensatory C2 i C3 są urządzeniami magazynującymi energię.
8. Przełączanie stabilizatora doładowania na chipie MAX1724EZK33 firmy MAXIM
Typowy schemat podłączenia specjalistycznego mikroukładu firmy MAXIM. Pozostaje sprawny przy napięciu wejściowym 0,91 V, ma niewielką obudowę SMD i zapewnia prąd obciążenia do 150 mA przy sprawności 90%.
Typowy obwód do podłączenia pulsacyjnego stabilizatora obniżającego napięcie na powszechnie dostępnym mikroukładzie TEXAS. Rezystor R3 reguluje napięcie wyjściowe w zakresie +2,8…+5 woltów. Rezystor R1 ustawia prąd zwarciowy, który oblicza się ze wzoru: Is(A)= 0,5/R1(Ohm)
Zintegrowany falownik napięcia, sprawność - 98%.
Dwa izolowane przetworniki napięcia DA1 i DA2, połączone w „nieizolowany” obwód ze wspólną masą.
Indukcyjność uzwojenia pierwotnego transformatora T1 wynosi 22 μH, stosunek zwojów uzwojenia pierwotnego do każdego wtórnego wynosi 1: 2,5.
Typowy obwód stabilizowanego przetwornika podwyższającego napięcie na mikroukładzie MAXIM.
Natknąłem się na bardzo ciekawą przetwornicę obniżającą napięcie w otwartych przestrzeniach Ali, o takim zestawie charakterystyk.
Oto co stwierdził sprzedawca:
1. Zakres napięcia wejściowego: 5-36VDC
2. Zakres napięcia wyjściowego: regulacja 1,25–32 V DC
3. Prąd wyjściowy: 0-5A
4. Moc wyjściowa: 75 W
5. Wysoka wydajność do 96%
6. Wbudowana funkcja wyłączania termicznego
7. Wbudowana funkcja ograniczenia prądu
8. Wbudowana funkcja zabezpieczenia przed zwarciem wyjścia
9, dł. x szer. x wys. = 68,2 x 38,8 x 15 mm
Sprzedawca albo nie wspomniał o najciekawszych funkcjach tego konwertera, albo nie zwrócił na nie uwagi. A funkcje są bardzo interesujące.
1. Wbudowany woltomierz, amperomierz i watomierz napięcia wejściowego i wyjściowego, z funkcją kalibracji odczytu. Funkcja kalibracji napięcia i prądu działa niezależnie. Rzeczywista dokładność odczytów po kalibracji wynosi około ~0,05 V. Ale o tym poniżej.
2. Przetwornica obniżająca napięcie może pracować zarówno w trybie stabilizacji napięcia, jak i w trybie stabilizacji prądu. Tak naprawdę jest to najmniejszy i najtańszy zasilacz laboratoryjny z wbudowanym multimetrem. Do którego wystarczy podłączyć łóżeczko akumulatorowe, aby otrzymać gotową ładowarkę do dowolnego rodzaju akumulatora.
Pomysł był taki, aby wykorzystać tę przetwornicę jako potężną przetwornicę zdolną do wykorzystania pełnej mocy baterii słonecznej o napięciu 6V. Ponieważ bateria słoneczna ma być używana z dala od cywilizacji, gdzie nie ma przy sobie dodatkowego multimetru, bardzo chciałem znaleźć konwerter z wbudowanym woltomierza-amperomierzem.
Przetwornice step-down z funkcją stabilizacji prądu, nie bojące się zwarć, z wbudowanym woltomierzem-amperomierzem to wcale nie jest wielka oferta. Najbliżsi konkurenci:
Ogólnie nic lepszego nie mogliśmy znaleźć i ten konwerter został zakupiony. Miesiąc później paczka czekała na poczcie.
Pierwsze testy tego konwertera były rozczarowujące. Okazało się, że choć sam konwerter zaczyna pracować przy napięciach wejściowych powyżej 3,2v, to pojawił się problem z woltomierzem. Woltomierz kłamał o KILKA WOLTÓW!!! Dlatego pierwszą rzeczą do zrobienia była kalibracja. Okazało się jednak, że kalibracja nie pomaga. Jeśli skalibrujesz woltomierz przy 5 V, problemy zaczęły się od odczytów przy 12 V i odwrotnie.
Późniejsze eksperymenty wykazały, że woltomierz pokazuje prawidłowe wartości tylko wtedy, gdy napięcie wejściowe przekracza 6,5 V. Gdy napięcie wejściowe spadło poniżej 6,5 V, woltomierz zaczął kłamać. Co więcej, absolutnie wszystkie odczyty były zniekształcone przy niskim napięciu wejściowym. Nawet odczyty napięcia wyjściowego zaczęły „pływać”, choć w rzeczywistości były stabilne. Niezwykle nieprzyjemnie było obserwować, gdy gdy napięcie wejściowe spadło z 6,5 V do 4,2 V, wbudowany woltomierz zaczął pokazywać, że napięcie wejściowe wzrasta. Oto przykład liczb, napięcia wejściowego i napięcia na wbudowanym woltomierzu.
6,74 V – 6,6 V
6,25 V – 6,7 V
5,95 V – 6,7 V
5,55 V – 6,8 V
5,07 V – 7,2 V
4,61 V – 7,5 V
4,33 V – 7,8 V
Kiedy napięcie wejściowe spadło poniżej 4,2 V, woltomierz całkowicie się wyłączył.
Powstał spór, ale sprzedawca okazał się normalny i nie stawiał oporu; natychmiast zwrócił 50% ceny.
Jeśli zapomnimy o woltomierzu, lub założymy, że napięcie zasilania będzie zawsze większe niż 7 V, to możemy założyć, że przetwornica pracuje idealnie. Ale w moim przypadku, gdy główny zakres napięcia roboczego wynosił 4 V-8 V, można to uznać za kompletne fiasko.
Ale potem przyszła jesień, długie, ponure wieczory i ciekawie było sprawdzić, czy da się coś zrobić.
Zdjęcie głównych elementów konwertera
Okazało się, że pod wyświetlaczem ukryto szereg ważnych elementów, których nie chciałem wylutowywać, jeśli nie było to absolutnie konieczne. Dlatego nie było możliwe narysowanie pełnego obwodu przetwornicy. Co więcej, pomimo pozornej prostoty, schemat nie jest taki prosty. Po szturchaniu działającego konwertera multimetrem stało się jasne, że wszystkie problemy zaczynają się, gdy oddzielna szyna zasilająca ze stabilizowanym napięciem 5 V dla woltomierza i innych „mózgów” zaczyna zwisać. Za stabilne 5V odpowiada układ LM317. A gdy tylko napięcie na jego wejściu zacznie być niewystarczające do wytworzenia stabilnego napięcia 5 V, zaczynają się problemy z woltomierzem.
Problem stał się jasny, jednak jego rozwiązanie nie wydawało się takie proste. Teoretycznie trzeba zastąpić LM317 jakimś analogiem, który może nie tylko obniżyć napięcie, ale także je zwiększyć. Analog konwertera SEPIC lub podobny. Są takie chipy, ale na pewno nie będą kompatybilne pinowo, na pewno będą wymagały dodatkowego okablowania, a ceny takich chipów zwykle nie są rozsądne. I wtedy pojawił się pomysł. A co jeśli dodasz kartę konwertera boost przed LM317. Co więcej, prąd pobierany przez „mózgi” jest bardzo mały. Konwerter MT3608, którego recenzje są dostępne, był idealny do takiej płytki. Kolejną niezaprzeczalną zaletą MT3608 jest jego cena. Teraz na Ali cena MT3608 zaczyna się od 0,35 dolara i zwykle staje się jeszcze tańsza.
Oprócz ceny dobra wiadomość jest taka, że do modyfikacji trzeba dokonać minimum zmian na płycie. Wystarczy przeciąć jedną ścieżkę (1) i przylutować trzy przewody do MT3608 +Vin (2), -Vin (3) i +Vout (4). 
Dodatkowo na cewkę indukcyjną MT3608 nawinięto kilka warstw taśmy izolacyjnej, aby wyrównać wysokość z rezystorem trymera. Dodatkowo do samej płytki MT3608 dodano zworkę, aby rozszerzyć zakres regulacji za pomocą potencjometru, a na wyjściu dodano kondensator ceramiczny 10 uF. Wynik wyglądał następująco: 
Wynik przekroczył wszelkie oczekiwania:
1. Dokładność odczytów woltomierza-amperomierza znacznie wzrosła przy napięciach wejściowych poniżej 6,5 V. Mówiąc najprościej, woltomierz natychmiast zaczął działać tak, jak powinien. Biorąc pod uwagę kalibrację, można ustawić odczyty w pożądanym zakresie w okolicach 0,05 V. Chociaż nadal należy zauważyć, że jeśli dokładnie ustawisz obszar na 5 V, w obszarze 12 V woltomierz będzie znajdował się w obszarze 0,3 V.
2. Woltomierz włącza się teraz przy napięciu 1,9 V. Teraz możesz zobaczyć na wbudowanym woltomierzu moment włączenia części zasilającej przetwornika, gdy napięcie wejściowe wzrośnie powyżej 3,2 V.
3. Teraz w przypadku przeciążenia źródła, czyli gdy przetwornica próbuje pobrać ze źródła więcej prądu niż jest w stanie dać, przetwornica staje się znacznie stabilniejsza. W przypadku przeciążenia sekcja mocy obniża napięcie wejściowe do poziomu około 3,45 V, co w zupełności wystarczy do zasilenia „mózgu” przetwornika. Przetwornica nie wchodzi w swego rodzaju tryb migotania, gdy napięcie nie wystarcza do uruchomienia „mózgu”.
Ta modyfikacja ma również kilka wad:
1. Deska stała się wyższa, dlatego aby nie uszkodzić „kanapki” wkręcono wkręty, co umożliwiło montaż deski na płaskiej powierzchni bez ryzyka.
2. Zmniejszył się zakres roboczy napięć wejściowych. Wcześniej napięcie wejściowe mogło osiągnąć 35 V. Teraz górny limit został obniżony do 20 V ze względu na ograniczenie napięcia wejściowego MT3608. Ale w moim przypadku nie jest to absolutnie krytyczne.
LM2596 redukuje napięcie wejściowe (do 40 V) - wyjście jest regulowane, prąd wynosi 3 A. Idealny do diod LED w samochodzie. Bardzo tanie moduły - około 40 rubli w Chinach.
Texas Instruments produkuje wysokiej jakości, niezawodne, niedrogie i tanie, łatwe w użyciu sterowniki DC-DC LM2596. Na jego bazie chińskie fabryki produkują ultratanie impulsowe przetwornice obniżające napięcie: cena modułu dla LM2596 to około 35 rubli (z przesyłką). Radzę kupić od razu partię 10 sztuk - zawsze się przydadzą, a cena spadnie do 32 rubli, a przy zamówieniu 50 sztuk niecałe 30 rubli. Przeczytaj więcej o obliczaniu obwodu mikroukładu, regulacji prądu i napięcia, jego zastosowaniu i niektórych wadach konwertera.
Typową metodą zastosowania jest stabilizowane źródło napięcia. Na bazie tego stabilizatora łatwo jest wykonać zasilacz impulsowy, ja używam go jako prostego i niezawodnego zasilacza laboratoryjnego, który wytrzymuje zwarcia. Atrakcyjne są ze względu na zgodność jakościową (wydaje się, że wszystkie są robione w tej samej fabryce – a w pięciu częściach trudno się pomylić) oraz pełną zgodność z kartą katalogową i deklarowanymi właściwościami.
Innym zastosowaniem jest stabilizator prądu impulsowego zasilacz do diod LED dużej mocy. Moduł na tym chipie pozwoli na podłączenie 10-watowej samochodowej matrycy LED, dodatkowo zapewniając zabezpieczenie przeciwzwarciowe.
Gorąco polecam zakup kilkunastu sztuk - na pewno się przydadzą. Są wyjątkowe na swój sposób - napięcie wejściowe wynosi do 40 woltów i potrzeba tylko 5 elementów zewnętrznych. Jest to wygodne – możesz zwiększyć napięcie na szynie zasilającej inteligentnego domu do 36 woltów, zmniejszając przekrój przewodów. Instalujemy taki moduł w punktach poboru i konfigurujemy go na wymagane napięcie 12, 9, 5 woltów lub w razie potrzeby.
Przyjrzyjmy się im bliżej.
Charakterystyka chipa:
- Napięcie wejściowe - od 2,4 do 40 woltów (do 60 woltów w wersji HV)
- Napięcie wyjściowe - stałe lub regulowane (od 1,2 do 37 woltów)
- Prąd wyjściowy - do 3 amperów (przy dobrym chłodzeniu - do 4,5A)
- Częstotliwość konwersji - 150 kHz
- Obudowa - TO220-5 (montaż przewlekany) lub D2PAK-5 (montaż powierzchniowy)
- Wydajność - 70-75% przy niskich napięciach, do 95% przy wysokich napięciach
- Stabilizowane źródło napięcia
- Obwód konwertera
- Arkusz danych
- Ładowarka USB oparta na LM2596
- Stabilizator prądu
- Zastosowanie w urządzeniach domowych
- Regulacja prądu wyjściowego i napięcia
- Ulepszone analogi LM2596
Historia - stabilizatory liniowe
Na początek wyjaśnię, dlaczego standardowe liniowe przetwornice napięcia, takie jak LM78XX (na przykład 7805) lub LM317, są złe. Oto jego uproszczony schemat.
Głównym elementem takiego przetwornika jest mocny tranzystor bipolarny, włączany w „oryginalnym” znaczeniu – jako rezystor sterowany. Tranzystor ten jest częścią pary Darlingtona (w celu zwiększenia współczynnika przenikania prądu i zmniejszenia mocy wymaganej do działania obwodu). Prąd bazowy ustalany jest przez wzmacniacz operacyjny, który wzmacnia różnicę pomiędzy napięciem wyjściowym a napięciem ustawionym przez ION (źródło napięcia odniesienia), tj. jest on podłączony zgodnie z klasycznym obwodem wzmacniacza błędu.
W ten sposób konwerter po prostu włącza rezystor szeregowo z obciążeniem i kontroluje jego rezystancję tak, aby na przykład zgasło dokładnie 5 woltów na obciążeniu. Łatwo obliczyć, że gdy napięcie spadnie z 12 woltów do 5 (bardzo częsty przypadek użycia układu 7805), wejściowe 12 woltów jest rozdzielane pomiędzy stabilizatorem a obciążeniem w stosunku „7 woltów na stabilizatorze + 5 woltów na obciążeniu.” Przy prądzie pół ampera przy obciążeniu uwalniane jest 2,5 wata, a przy 7805 - aż 3,5 wata.
Okazuje się, że „dodatkowe” 7 woltów po prostu gaśnie na stabilizatorze, zamieniając się w ciepło. Po pierwsze powoduje to problemy z chłodzeniem, po drugie pobiera dużo energii ze źródła zasilania. Przy zasilaniu z gniazdka nie jest to bardzo groźne (chociaż nadal powoduje szkody dla środowiska), ale przy zasilaniu z baterii lub akumulatorów nie można tego zignorować.
Innym problemem jest to, że generalnie niemożliwe jest wykonanie konwertera podwyższającego tę metodę. Często pojawia się taka potrzeba, a próby rozwiązania tego problemu dwadzieścia, trzydzieści lat temu są zdumiewające - jak złożona była synteza i obliczenia takich obwodów. Jednym z najprostszych układów tego typu jest przetwornica push-pull 5V->15V.
Trzeba przyznać, że zapewnia izolację galwaniczną, ale nie wykorzystuje efektywnie transformatora – cały czas wykorzystywana jest tylko połowa uzwojenia pierwotnego.
Zapomnijmy o tym jak o złym śnie i przejdźmy do nowoczesnych obwodów.
Źródło napięcia
Schemat
Mikroukład jest wygodny w użyciu jako konwerter obniżający napięcie: wewnątrz znajduje się mocny przełącznik bipolarny, pozostaje tylko dodać pozostałe elementy regulatora - szybką diodę, indukcyjność i kondensator wyjściowy, możliwe jest również zainstaluj kondensator wejściowy - tylko 5 części.
Wersja LM2596ADJ będzie wymagała także układu ustawiania napięcia wyjściowego, są to dwa rezystory lub jeden rezystor zmienny.
Obwód przetwornicy napięcia obniżającego oparty na LM2596:
Cały schemat razem:
Tutaj możesz pobierz arkusz danych dla LM2596.
Zasada działania: mocny przełącznik wewnątrz urządzenia, sterowany sygnałem PWM, wysyła impulsy napięcia na indukcyjność. W punkcie A przez x% czasu występuje pełne napięcie i (1-x)% czasu, gdy napięcie wynosi zero. Filtr LC wygładza te oscylacje, podświetlając stałą składową równą x * napięciu zasilania. Dioda zamyka obwód po wyłączeniu tranzystora.
Szczegółowy opis stanowiska
Indukcyjność opiera się zmianom przepływającego przez nią prądu. Kiedy w punkcie A pojawi się napięcie, cewka indukcyjna wytwarza duże ujemne napięcie samoindukcyjne, a napięcie na obciążeniu staje się równe różnicy między napięciem zasilania a napięciem samoindukcji. Prąd indukcyjny i napięcie na obciążeniu stopniowo rosną.
Po zaniku napięcia w punkcie A cewka indukcyjna stara się utrzymać dotychczasowy prąd płynący z obciążenia i kondensatora i zwiera go przez diodę do masy - stopniowo maleje. Zatem napięcie obciążenia jest zawsze mniejsze niż napięcie wejściowe i zależy od cyklu pracy impulsów.
Napięcie wyjściowe
Moduł dostępny jest w czterech wersjach: o napięciu 3,3V (indeks –3,3), 5V (indeks –5,0), 12V (indeks –12) oraz wersji regulowanej LM2596ADJ. Wszędzie warto używać wersji niestandardowej, ponieważ jest ona dostępna w dużych ilościach w magazynach firm elektronicznych i jest mało prawdopodobne, aby wystąpił jej niedobór - a wymaga jedynie dodatkowych dwugroszowych rezystorów. Popularna jest oczywiście także wersja 5-woltowa.
Ilość w magazynie znajduje się w ostatniej kolumnie.
Napięcie wyjściowe można ustawić za pomocą przełącznika DIP, dobry przykład podano tutaj, lub w postaci przełącznika obrotowego. W obu przypadkach będziesz potrzebować baterii precyzyjnych rezystorów - ale napięcie możesz regulować bez woltomierza.
Rama
Dostępne są dwie opcje obudowy: obudowa do montażu płaskiego TO-263 (model LM2596S) i obudowa z otworem przelotowym TO-220 (model LM2596T). Wolę używać planarnej wersji LM2596S, ponieważ w tym przypadku radiatorem jest sama płyta i nie ma potrzeby kupowania dodatkowego zewnętrznego radiatora. Poza tym jego wytrzymałość mechaniczna jest znacznie większa, w przeciwieństwie do TO-220, który trzeba do czegoś przykręcić, nawet do deski – ale wtedy łatwiej jest zamontować wersję planarną. W zasilaczach polecam zastosować układ LM2596T-ADJ, gdyż łatwiej jest odprowadzić z jego obudowy dużą ilość ciepła.
Wygładzanie tętnienia napięcia wejściowego
Może być stosowany jako skuteczny „inteligentny” stabilizator po prostowaniu prądu. Ponieważ mikroukład bezpośrednio monitoruje napięcie wyjściowe, wahania napięcia wejściowego spowodują odwrotnie proporcjonalną zmianę współczynnika konwersji mikroukładu, a napięcie wyjściowe pozostanie normalne.
Wynika z tego, że stosując LM2596 jako przetwornicę obniżającą napięcie za transformatorem i prostownikiem, kondensator wejściowy (czyli ten, który znajduje się bezpośrednio za mostkiem diodowym) może mieć małą pojemność (około 50-100 μF).
Kondensator wyjściowy
Ze względu na wysoką częstotliwość przetwarzania, kondensator wyjściowy również nie musi mieć dużej pojemności. Nawet potężny konsument nie będzie miał czasu na znaczne zmniejszenie tego kondensatora w jednym cyklu. Zróbmy obliczenia: weź kondensator 100 µF, napięcie wyjściowe 5 V i obciążenie pobierające 3 ampery. Pełne naładowanie kondensatora q = C*U = 100e-6 µF * 5 V = 500e-6 µC.
W jednym cyklu konwersji obciążenie pobierze z kondensatora dq = I*t = 3 A * 6,7 µs = 20 µC (jest to tylko 4% całkowitego ładunku kondensatora) i natychmiast rozpocznie się nowy cykl, i konwerter włoży nową porcję energii do kondensatora.
Najważniejszą rzeczą jest, aby nie używać kondensatorów tantalowych jako kondensatorów wejściowych i wyjściowych. W kartach katalogowych piszą bezpośrednio - „nie stosować w obwodach mocy”, ponieważ bardzo słabo tolerują nawet krótkotrwałe przepięcia i nie lubią wysokich prądów impulsowych. Używaj zwykłych aluminiowych kondensatorów elektrolitycznych.
Wydajność, wydajność i straty ciepła
Wydajność nie jest tak wysoka, ponieważ jako mocny przełącznik zastosowano tranzystor bipolarny - i ma on niezerowy spadek napięcia, około 1,2 V. Stąd spadek wydajności przy niskich napięciach.
Jak widać, maksymalną wydajność osiąga się, gdy różnica między napięciem wejściowym i wyjściowym wynosi około 12 woltów. Oznacza to, że jeśli chcesz zmniejszyć napięcie o 12 woltów, minimalna ilość energii zamieni się w ciepło.
Jaka jest wydajność konwertera? Jest to wartość charakteryzująca straty prądu - spowodowane wytwarzaniem ciepła w całkowicie otwartym wyłączniku dużej mocy zgodnie z prawem Joule'a-Lenza i podobnymi stratami podczas procesów przejściowych - gdy przełącznik jest, powiedzmy, tylko w połowie otwarty. Skutki obu mechanizmów mogą być porównywalne pod względem wielkości, dlatego nie należy zapominać o obu ścieżkach strat. Niewielka ilość energii wykorzystywana jest także do zasilania „mózgu” samego przetwornika.
Idealnie, przy konwersji napięcia z U1 na U2 i prądu wyjściowego I2, moc wyjściowa jest równa P2 = U2*I2, moc wejściowa jest jej równa (przypadek idealny). Oznacza to, że prąd wejściowy będzie wynosił I1 = U2/U1*I2.
W naszym przypadku konwersja ma sprawność poniżej jedności, więc część energii pozostanie wewnątrz urządzenia. Na przykład przy sprawności η moc wyjściowa będzie wynosić P_out = η*P_in, a straty P_loss = P_in-P_out = P_in*(1-η) = P_out*(1-η)/η. Oczywiście konwerter będzie musiał zwiększyć prąd wejściowy, aby utrzymać określony prąd wyjściowy i napięcie.
Możemy założyć, że przy konwersji 12 V -> 5 V i prądzie wyjściowym 1 A straty w mikroukładzie wyniosą 1,3 wata, a prąd wejściowy wyniesie 0,52 A. W każdym razie jest to lepsze niż jakikolwiek konwerter liniowy, który da co najmniej 7 watów strat i pobierze 1 amper z sieci wejściowej (w tym na to bezużyteczne zadanie) - dwa razy więcej.
Nawiasem mówiąc, mikroukład LM2577 ma trzykrotnie niższą częstotliwość roboczą, a jego wydajność jest nieco wyższa, ponieważ w procesach przejściowych występuje mniej strat. Wymaga jednak trzykrotnie wyższych wartości znamionowych cewki indukcyjnej i kondensatora wyjściowego, co oznacza dodatkowe pieniądze i rozmiar płytki.
Zwiększanie prądu wyjściowego
Pomimo już dość dużego prądu wyjściowego mikroukładu, czasami potrzebny jest jeszcze większy prąd. Jak wyjść z tej sytuacji?
- Można połączyć kilka konwerterów równolegle. Oczywiście muszą być ustawione na dokładnie takie samo napięcie wyjściowe. W takim przypadku nie można obejść się za pomocą prostych rezystorów SMD w obwodzie ustawiania napięcia sprzężenia zwrotnego, należy użyć rezystorów z dokładnością do 1% lub ręcznie ustawić napięcie za pomocą rezystora zmiennego.
Ładowarka USB do LM2596
Możesz zrobić bardzo wygodną podróżną ładowarkę USB. Aby to zrobić należy ustawić regulator na napięcie 5V, wyposażyć go w port USB i zasilić ładowarkę. Używam zakupionej w Chinach baterii litowo-polimerowej do modelu radiowego, która zapewnia 5 amperogodzin przy 11,1 wolta. To dużo - wystarczy 8 razy naładuj zwykły smartfon (nie biorąc pod uwagę wydajności). Biorąc pod uwagę wydajność, będzie to co najmniej 6 razy.
Nie zapomnij zewrzeć pinów D+ i D- gniazda USB, aby telefon wiedział, że jest podłączony do ładowarki, a przesyłany prąd jest nieograniczony. Bez tego zdarzenia telefon będzie myślał, że jest podłączony do komputera i będzie ładowany prądem 500 mA – przez bardzo długi czas. Co więcej, taki prąd może nawet nie zrekompensować poboru prądu przez telefon, a bateria w ogóle nie będzie się ładować.
Można także zapewnić osobne wejście 12 V z akumulatora samochodowego za pomocą złącza zapalniczki samochodowej - i przełączać źródła za pomocą jakiegoś przełącznika. Radzę zamontować diodę LED, która będzie sygnalizować włączenie urządzenia, aby po pełnym naładowaniu nie zapomnieć o wyłączeniu akumulatora - w przeciwnym razie straty w konwerterze całkowicie rozładują akumulator zapasowy w ciągu kilku dni.
Ten typ akumulatora nie jest zbyt odpowiedni, ponieważ jest przeznaczony na duże prądy - możesz spróbować znaleźć akumulator o niższym prądzie, a będzie mniejszy i lżejszy.
Stabilizator prądu
Regulacja prądu wyjściowego
Dostępne tylko w wersji z regulowanym napięciem wyjściowym (LM2596ADJ). Swoją drogą Chińczycy robią też tę wersję płytki, z regulacją napięcia, prądu i wszelkiego rodzaju wskazaniami - gotowy moduł stabilizatora prądu na LM2596 z zabezpieczeniem przeciwzwarciowym można kupić pod nazwą xw026fr4.
Jeśli nie chcesz korzystać z gotowego modułu i chcesz sam wykonać taki obwód, nie ma nic skomplikowanego, z jednym wyjątkiem: mikroukład nie ma możliwości kontrolowania prądu, ale możesz go dodać. Wyjaśnię, jak to zrobić i wyjaśnię trudne punkty po drodze.
Aplikacja
Do zasilania diod LED o dużej mocy potrzebny jest stabilizator prądu (swoją drogą - mój projekt mikrokontrolera sterowniki LED dużej mocy), diody laserowe, galwanizacja, ładowanie akumulatorów. Podobnie jak w przypadku stabilizatorów napięcia, istnieją dwa rodzaje takich urządzeń - liniowe i impulsowe.
Klasyczny liniowy stabilizator prądu to LM317 i jest całkiem niezły w swojej klasie - ale jego maksymalny prąd to 1,5A, co dla wielu diod LED dużej mocy nie jest wystarczające. Nawet jeśli zasilisz ten stabilizator zewnętrznym tranzystorem, straty na nim są po prostu nie do przyjęcia. Cały świat robi zamieszanie wokół zużycia energii przez żarówki standby, a tutaj LM317 pracuje z wydajnością na poziomie 30%. To nie jest nasza metoda.
Ale nasz mikroukład jest wygodnym sterownikiem dla impulsowego przetwornika napięcia, który ma wiele trybów pracy. Straty są minimalne, ponieważ nie stosuje się liniowych trybów pracy tranzystorów, a jedynie kluczowe.
Pierwotnie był przeznaczony do obwodów stabilizacji napięcia, ale kilka elementów zamienia go w stabilizator prądu. Faktem jest, że mikroukład opiera się całkowicie na sygnale „Sprzężenie zwrotne” jako sprzężeniu zwrotnym, ale to, co go zasili, zależy od nas.
W standardowym obwodzie przełączającym napięcie jest dostarczane do tego odgałęzienia z rezystancyjnego dzielnika napięcia wyjściowego. 1,2 V to równowaga; jeśli sprzężenie zwrotne jest mniejsze, sterownik zwiększa cykl pracy impulsów; jeśli jest większe, zmniejsza je. Można jednak przyłożyć napięcie do tego wejścia z bocznika prądowego!
Bocznica
Na przykład przy prądzie 3A należy zastosować bocznik o wartości nominalnej nie większej niż 0,1 oma. Przy takim oporze prąd ten wypuści około 1 W, więc to dużo. Lepiej jest połączyć trzy takie boczniki równolegle, uzyskując rezystancję 0,033 oma, spadek napięcia 0,1 V i wydzielanie ciepła 0,3 W.
Wejście Feedback wymaga jednak napięcia 1,2 V - a my mamy tylko 0,1 V. Nieracjonalne jest instalowanie wyższej rezystancji (ciepło zostanie uwolnione 150 razy więcej), więc pozostaje tylko jakoś zwiększyć to napięcie. Odbywa się to za pomocą wzmacniacza operacyjnego.
Nieodwracający wzmacniacz operacyjny
Klasyczny schemat, co może być prostszego?
Jednoczymy się
Teraz łączymy zwykły obwód przetwornicy napięcia i wzmacniacz za pomocą wzmacniacza operacyjnego LM358, do którego wejścia podłączamy bocznik prądowy.
Potężny rezystor 0,033 oma jest bocznikiem. Można go wykonać z trzech rezystorów 0,1 oma połączonych równolegle, a aby zwiększyć dopuszczalne straty mocy, zastosować rezystory SMD w obudowie 1206, umieścić je z małą szczeliną (nie blisko siebie) i starać się pozostawić jak najwięcej warstwy miedzi wokół rezystory i pod nimi, jak to możliwe. Mały kondensator jest podłączony do wyjścia sprzężenia zwrotnego, aby wyeliminować możliwe przejście do trybu oscylatora.
Regulujemy zarówno prąd, jak i napięcie
Podłączmy oba sygnały do wejścia Feedback – zarówno prądowy, jak i napięciowy. Aby połączyć te sygnały, użyjemy zwykłego schematu połączeń „AND” na diodach. Jeśli sygnał prądowy jest wyższy od sygnału napięciowego, będzie on dominował i odwrotnie.
Kilka słów o możliwości zastosowania schematu
Nie można regulować napięcia wyjściowego. Choć nie da się regulować jednocześnie prądu wyjściowego i napięcia - są one do siebie proporcjonalne, ze współczynnikiem „rezystancji obciążenia”. A jeśli zasilacz realizuje scenariusz typu „stałe napięcie wyjściowe, ale gdy prąd przekroczy, zaczynamy obniżać napięcie”, tj. CC/CV jest już ładowarką.
Maksymalne napięcie zasilania obwodu wynosi 30 V, ponieważ jest to limit dla LM358. Możesz rozszerzyć ten limit do 40 V (lub 60 V w wersji LM2596-HV), jeśli zasilasz wzmacniacz operacyjny z diody Zenera.
W tym drugim wariancie jako diody sumujące konieczne jest zastosowanie zespołu diod, gdyż obie diody w nim zawarte są wykonane w tym samym procesie technologicznym i na tej samej płytce krzemowej. Rozrzut ich parametrów będzie znacznie mniejszy niż rozrzut parametrów poszczególnych dyskretnych diod – dzięki temu uzyskamy dużą dokładność śledzenia wartości.
Musisz także dokładnie upewnić się, że obwód wzmacniacza operacyjnego nie zostanie wzbudzony i nie przejdzie w tryb laserowy. Aby to zrobić, spróbuj zmniejszyć długość wszystkich przewodów, a zwłaszcza ścieżki podłączonej do styku 2 LM2596. Nie umieszczaj wzmacniacza operacyjnego w pobliżu tego toru, ale diodę SS36 i kondensator filtrujący umieść bliżej korpusu LM2596 i zadbaj o minimalną powierzchnię pętli uziemienia podłączonej do tych elementów - konieczne jest zapewnienie minimalnej długości przewodu zwróć ścieżkę prądu „LM2596 -> VD/C -> LM2596”.
Zastosowanie LM2596 w urządzeniach i niezależnym układzie płytek
Opowiadałem szczegółowo o zastosowaniu mikroukładów w moich urządzeniach, a nie w postaci gotowego modułu kolejny artykuł, który obejmuje: wybór diody, kondensatorów, parametry cewki indukcyjnej, a także mówił o prawidłowym okablowaniu i kilku dodatkowych trikach.
Możliwości dalszego rozwoju
Ulepszone analogi LM2596
Najłatwiejszym sposobem po tym chipie jest przejście na LM2678. W istocie jest to ten sam konwerter obniżający napięcie, tylko z tranzystorem polowym, dzięki czemu wydajność wzrasta do 92%. To prawda, że ma 7 nóg zamiast 5 i nie jest kompatybilny typu pin-to-pin. Jednak ten chip jest bardzo podobny i byłby prostą i wygodną opcją o zwiększonej wydajności.
L5973D– dość stary chip, zapewniający aż 2,5A i nieco wyższą wydajność. Ma również prawie dwukrotnie większą częstotliwość konwersji (250 kHz) - dlatego wymagane są niższe parametry cewki indukcyjnej i kondensatora. Widziałem jednak, co się z nim dzieje, jeśli wepnie się go bezpośrednio do sieci samochodowej - dość często wybija zakłócenia.
ST1S10- wysokowydajna (90% sprawności) przetwornica obniżająca napięcie DC–DC.
- Wymaga 5–6 komponentów zewnętrznych;
ST1S14- sterownik wysokiego napięcia (do 48 woltów). Wysoka częstotliwość pracy (850 kHz), prąd wyjściowy do 4A, moc wyjściowa dobra, wysoka sprawność (nie gorsza niż 85%) oraz układ zabezpieczający przed nadmiernym prądem obciążenia sprawiają, że jest to prawdopodobnie najlepsza przetwornica do zasilania serwera z sieci 36 V źródło.
Jeśli wymagana jest maksymalna wydajność, należy zastosować niezintegrowane sterowniki DC–DC obniżające napięcie. Problem ze sterownikami zintegrowanymi jest taki, że nigdy nie mają chłodnych tranzystorów mocy – typowa rezystancja kanału nie przekracza 200 mOhm. Jeśli jednak weźmiesz sterownik bez wbudowanego tranzystora, możesz wybrać dowolny tranzystor, nawet AUIRFS8409–7P z rezystancją kanału pół milioma
Przetwornice DC-DC z zewnętrznym tranzystorem
Następna część
