Иногда надо получить высокое напряжение из низкого. Например, для высоковольтного программатора, питающегося от 5ти вольтового USB, надыбать где то 12 вольт.
Как быть? Для этого существуют схемы DC-DC преобразования. А также специализированные микросхемы, позволяющие решить эту задачу за десяток деталек.
Принцип работы
Итак, как сделать из, например, пяти вольт нечто большее чем пять? Способов можно придумать много — например заряжать конденсаторы параллельно, а потом переключать последовательно. И так много много раз в секунду. Но есть способ проще, с использованием свойств индуктивности сохранять силу тока.
Чтобы было предельно понятно покажу вначале пример для сантехников.
Фаза 1
Заслонка резко закрывается. Потоку больше деваться некуда, а турбина, будучи разогнанной продолжает давить жидкость вперед, т.к. не может мгновенно встать. Причем давит то она ее с силой большей чем может развить источник. Гонит жижу через клапан в аккумулятор давления. Откуда же часть (уже с повышеным давлением) уходит в потребитель. Откуда, благодаря клапану, уже не возвращается.
Фаза 3
И вновь заслонка закрывается, а турбина начинает яростно продавливать жидкость в аккумулятор. Восполняя потери которые там образовались на фазе 3.
Назад к схемам
Вылезаем из подвала, скидываем фуфайку сантехника, забрасываем газовый ключ в угол и с новыми знаниями начинаем городить схему.
Вместо турбины у нас вполне подойдет индуктивность в виде дросселя. В качестве заслонки обычный ключ (на практике — транзистор), в качестве клапана естественно диод, а роль аккумулятора давления возьмет на себя конденсатор. Кто как не он способен накапливать потенциал. Усе, преобразователь готов!
Фаза 1
Ключ размыкается, но катушку уже не остановить. Запасенная в магнитном поле энергия рвется наружу, ток стремится поддерживаться на том же уровне, что и был в момент размыкания ключа. В результате, напряжение на выходе с катушки резко подскакивает (чтобы пробить путь току) и прорвавшись сквозь диод набивается в конденстор. Ну и часть энергии идет в нагрузку.
Фаза 3
Ключ размыкается и энергия из катушки вновь ломится через диод в конденсатор, повышая просевшее за время фазы 3 напряжение. Цикл замыкается.
Как видно из процесса, видно, что за счет большего тока с источника, мы набиваем напряжение на потребителе. Так что равенство мощностей тут должно соблюдаться железно. В идеальном случае, при КПД преобразователя в 100%:
U ист *I ист = U потр *I потр
Так что если наш потребитель требует 12 вольт и кушает при этом 1А, то с 5 вольтового источника в преобразователь нужно вкормить целых 2.4А При этом я не учел потерь источника, хотя обычно они не очень велики (КПД обычно около 80-90%).
Если источник слаб и отдать 2.4 ампера не в состоянии, то на 12ти вольтах пойдут дикие пульсации и понижение напряжения — потребитель будет сжирать содержимое конденсатора быстрей чем его туда будет забрасывать источник.
Схемотехника
Готовых решений DC-DC существует очень много. Как в виде микроблоков, так и специализированных микросхем. Я же не буду мудрить и для демонстрации опыта приведу пример схемы на MC34063A которую уже использовал в примере .
- SWC/SWE выводы транзисторного ключа микросхемы SWC — это его коллектор, а SWE — эмиттер. Максимальный ток который он может вытянуть — 1.5А входящего тока, но можно подключить и внешний транзистор на любой желаемый ток (подробней в даташите на микросхему).
- DRC — коллектор составного транзистора
- Ipk — вход токовой защиты. Туда снимается напряжение с шунта Rsc если ток будет превышен и напряжение на шунте (Upk = I*Rsc) станет выше чем 0.3 вольта, то преобразователь заглохнет. Т.е. для ограничения входящего тока в 1А надо поставить резистор на 0.3 Ом. У меня на 0.3 ома резистора не было, поэтому я туда поставил перемычку. Работать будет, но без защиты. Если что, то микросхему у меня убьет.
- TC — вход конденсатора, задающего частоту работы.
- CII — вход компаратора. Когда на этом входе напряжение ниже 1.25 вольт — ключ генерирует импульсы, преобразователь работает. Как только становится больше — выключается. Сюда, через делитель на R1 и R2 заводится напряжение обратной связи с выхода. Причем делитель подбирается таким образом, чтобы когда на выходе возникнет нужное нам напряжение, то на входе компаратора как раз окажется 1.25 вольт. Дальше все просто — напряжение на выходе ниже чем надо? Молотим. Дошло до нужного? Выключаемся.
- Vcc — Питание схемы
- GND — Земля
Все формулы по расчету номиналов приведены в даташите. Я же скопирую из него сюда наиболее важную для нас таблицу:
Вытравил, спаял…
Вот так вот. Простая схемка, а позволяет решить ряд проблем.
представляют собой электронные устройства, которые позволяют получить напряжение на выходе, отличное от напряжения на входе.Регулируемые модули питания (DC-DC конвертеры) используются для построения шин питания в схемах с гальванической развязкой. Они широко применяются для обеспечения питания самых разных электронных устройств, их также можно встретить в схемах управления, в устройствах связи и вычислительной техники.
Принцип работы
Принцип работы заложен в самом названии. Постоянное напряжение преобразуется в переменное. После этого происходит его повышение или понижение с последующим выпрямлением и подачей на устройство. DC-DC конвертеры, действующие по вышеизложенному принципу, получили название импульсных. Преимуществом импульсных преобразователей является высокий КПД: в районе 90%.
Виды DC-DC конвертеров
Понижающие преобразователи постоянного напряжения
Напряжение на выходе у данных преобразователей ниже, чем на входе. Например, при напряжении на входе 12-50 В с помощью таких DC-DC конвертеров на выходе можно получить напряжение в несколько вольт.
Напряжение на выходе у данных преобразователей выше, чем на входе. Например, при напряжении на входе 5 В на выходе можно ожидать напряжение до 30 В.
Также преобразователи напряжения различаются по конструктивному исполнению. Они могут быть:
Модульные
Это наиболее распространенный вид DC-DC конвертеров, включающий в себя огромное количество самых разных моделей. Преобразователь помещен в металлический или пластиковый корпус, исключающий доступ к внутренним элементам.
Для монтажа на печатную плату
Данные преобразователи предназначены именно для монтажа на печатную плату. Они отличаются от модульных тем, что у них отсутствует корпус.
Основные характеристики
Эксплуатационные параметры
→ Диапазон входного напряжения подразумевает такие параметры напряжения на входе, при которых преобразователь будет работать в нормальном режиме в соответствии со своими заявленными функциональными возможностями.
→ Диапазон выходного напряжения включает в себя параметры, которые способен выдать DC-DC конвертер на выходе при нормальном режиме работы.
→ Коэффициент полезного действия (КПД) представляет собой отношение значений мощности на входе и выходе. КПД зависит от ряда условий, но наиболее высокий КПД достигается при максимально допустимой нагрузке. Чем больше разница между напряжением на входе и выходе, тем ниже КПД.
→ Ограничение по выходному току. Данная защита имеется в большинстве современных моделей стабилизаторов. Действует следующим образом: как только выходной ток достигает заданного значения, входное напряжение падает. После того как значение выходного тока входит в допустимый диапазон, подача напряжения возобновляется.
Точностные параметры
→ Пульсация. Даже в идеальных условиях присутствуют определенные «шумы», поэтому полностью исключить их невозможно. В качестве единиц измерения указываются мВ. Иногда производитель ставит рядом «р-р», что означает размах напряжения пульсаций – от минимума отрицательного пика до максимума положительного.
Рассмотрим и сравним работу нескольких регулируемых преобразователей напряжения разной ценовой категории. Начнем от простого к сложному.
Описание
Данная модель представляет собой недорогой миниатюрный DC-DC конвертер, с помощью которого можно зарядить маленькие батареи. Максимальный ток на выходе: 2,5 А, поэтому батареи с емкостью больше 20 ампер-часов данный конвертер заряжать будет долго.
Лучше всего это устройство подойдет для начинающих, которые на его базе смогут собрать блок питания с выходным напряжением от 0,8 В до 20 В и выходным током до 2 А. При этом возможна регулировка как выходного напряжения, так и выходного тока.
Данный стабилизатор может держать до 5 А, однако, на практике при таком значении тока ему потребуется теплоотвод. Без теплоотвода стабилизатор выдерживает до 3 А.
Функционал
Преобразователь напряжения XL4005 недаром называется «регулируемым». Он имеет несколько регулировок. Одна из наиболее ценных - возможность ограничения выходного тока. Например, можно поставить ограничение выходного тока в 2,5 А, и ток никогда не достигнет данного значения, так как в противном случае это сразу приведет к падению напряжения. Данная защита особенно актуальна при заряде батарей.
Наличие светодиодов также свидетельствует о том, что представленный стабилизатор отлично подойдет для целей заряда. Имеется светодиод, который загорается, когда стабилизатор работает в режиме ограничения тока, то есть когда включается защита от перегрузок по выходному току. На боковой стороне снизу есть еще два светодиода: один работает, когда идет заряд, другой загорается, когда заряд закончился.
Стоит обратить внимание, что это очень доступная по цене и простая в использовании модель, которая вполне соответствует заявленному функционалу.
Теперь рассмотрим более дорогой и функциональный преобразователь, который отлично подойдет для более сложных и серьезных проектов.
Описание
Данная модель представляет собой регулируемый понижающий преобразователь напряжения с цифровым управлением. Он отличается высоким КПД. Цифровое управление означает, что регулировка параметров осуществляется с помощью кнопок. Сам модуль можно разделить на несколько частей: DC-DC конвертер, питание цифровой части, измерительная часть и цифровая часть.
Входное напряжение у данного устройства от 6 В до 32 В. Выходное напряжение регулируется от 0 В до 30 В. Шаг регулировки напряжения 0,01 В. Выходной ток регулируется от 0 А до 6 А. Шаг регулировки 0,001 А. КПД преобразователя до 92%. Для крепления проводов на преобразователе установлены специальные зажимы. Также на плате присутствуют надписи: вход +, вход -, выход -, выход +. Силовая часть построена на ШИМ-контроллере XL4016Е1. Используется мощный десятиамперный диод MBR1060. Всем управляет 8-битный микроконтроллер STM8S003F3. На цифровой части имеется UART-разъем.
Светодиоды
Кроме кнопок и индикатора на данном устройстве присутствует три светодиода.
Первый (красный, out) загорается тогда, когда преобразователь подает напряжение на выход. Второй светодиод (желтый, СС – Constant Current) загорается тогда, когда срабатывает ограничение тока на выходе. Третий светодиод (зеленый, CV – Constant Voltage) загорается тогда, когда преобразователь переходит в режим ограничения по напряжению.
Органы управления
Органы управления представлены четырьмя кнопками.
Если рассматривать их справа налево, то первая кнопка – «ОК», вторая – «вверх», третья – «вниз» и четвертая – «SET».
Преобразователь запускается путем нажатия кнопки «ОК», при этом происходит вход в меню. Если не отпускать кнопку «ОК», то можно увидеть, как меняются цифры: 0-1-2. Это три программы, которыми обладает данный конвертер.
Программа «0»: сразу после подачи напряжения на вход включается питание на выходе.Программа «1»: позволяет сохранить необходимые параметры.
Программа «2»: автоматически отображает параметры после включения питания.
Чтобы выбрать нужную программу, необходимо в момент отображения нужной цифры отпустить кнопку «ОК».
Данное устройство отображает напряжение относительно точно. Возможная погрешность по напряжению +/-0,035 В, по току +/- 0,006 А. Регулировка производится как одиночными нажатиями кнопок, так и путем их удержания.
Возможен вывод параметров текущего тока. При повторном нажатии кнопки «ОК» на индикатор выводится мощность. Если еще раз нажать кнопку «ОК», то можно посмотреть емкость, которую отдал преобразователь.
Данный преобразователь точный и мощный, отлично справится с серьезными задачами.
Как выбрать преобразователь напряжения
На сегодняшний день на рынке представлено большое количество моделей самых разных DC-DC конвертеров. Наиболее популярными среди них являются импульсные преобразователи. Но и их выбор столь велик, что легко растеряться. На что же нужно обратить особое внимание?
♦ КПД и диапазон температурНекоторым преобразователям для нормальной работы и достижения заявленной мощности необходим радиатор. В противном случае, хотя устройство и способно функционировать, но при этом его КПД падает. Как правило, добросовестный продавец указывает на этот момент в примечаниях и сносках, которыми не стоит пренебрегать.
♦ Температура пайки конверторов для поверхностного монтажа
Данная информация обычно указана в технической документации.
И хотя обычная микросхема должна выдерживать температуру до 280°C, лучше уточнить этот момент.♦ Габариты конвертера
Маленький конвертер не может обладать очень высокой мощностью. И хотя современные технологии продолжают совершенствоваться, но их возможности не беспредельны. Конвертеру необходимы определенные габариты, чтобы обеспечивать охлаждение компонентов и выдерживать нагрузку.
На сегодняшний день существует огромное количество самых разных миниатюрных регулируемых преобразователей, с индикацией и без, с дополнительными функциями и программами и без таковых. Такие DC-DC конвертеры могут быть использованы в самых разных целях в зависимости от фантазии разработчика. Современные технологии позволяют сочетать мощность, точность, миниатюрность и доступную цену.
LM2596 - понижающий преобразователь постоянного тока, он выпускается часто в виде готовых модулей, около 1 доллара ценой (в поиске LM2596S DC-DC 1.25-30 В 3A). Заплатив же 1,5 доллара, на Али можно взять похожий модуль с LED индикацией об входном и выходном напряжении, выключение выходного напряжения и точной настройкой кнопками с отображением значений на цифровых индикаторах. Согласитесь - предложение более чем заманчивое!
Ниже приводится принципиальная схема данной платы преобразователя (ключевые компоненты отмечены на картинке в конце). На входе есть защита от переполюсовки - диода D2. Это позволит предотвратить повреждения регулятора неправильно подключенным входным напряжением. Несмотря на то, что микросхема lm2596 может обрабатывать согласно даташита входные напряжения вплоть до 45 В, на практике входное напряжение не должно превышать 35 В при длительном использовании.
Для lm2596, выходное напряжение определяется уравнением, приведённым ниже. Резистором R2 выходное напряжение можно регулировать в пределах от 1.23 до 25 В.
Хотя микросхема lm2596 рассчитана на максимальный ток 3 А непрерывной работы, малая поверхность фольги-массы не достаточна, чтобы рассеять выделяемое тепло во всём диапазоне работы схемы. Также отметим, что КПД этого преобразователя варьируется весьма сильно в зависимости от входного напряжения, выходного напряжения и тока нагрузки. Эффективность может колебаться от 60% до 90% в зависимости от условий эксплуатации. Поэтому теплоотвод является обязательным, если непрерывная работа идёт при токах более чем 1 А.
Согласно даташиту, конденсатор прямой связи необходимо устанавливать параллельно резистору R2, особенно когда напряжение на выходе превышает 10 В - это нужно для обеспечения стабильности. Но этот конденсатор часто не присутствует на китайских недорогих платах инверторов. В ходе экспериментов были проверены несколько экземпляров DC преобразователей в различных условиях эксплуатации. В итоге пришли к выводу, что стабилизатор на ЛМ2596 хорошо подходит для низких и средних токов питания цифровых схем, но для более высоких значений выходной мощности необходим теплоотвод.
Двухтактный генератор импульсов, в котором за счет пропорционального токового управления транзисторами существенно уменьшены потери на их переключение и повышен КПД преобразователя, собран на транзисторах VT1 и VT2 (КТ837К). Ток положительной обратной связи протекает через обмотки III и IV трансформатора Т1 и нагрузку, подключенную к конденсатору С2. Роль диодов, выпрямляющих выходное напряжение, выполняют эмиттерные переходы транзисторов.
Особенностью генератора является срыв колебаний при отсутствии нагрузки, что автоматически решает проблему управления питанием. Проще говоря, такой преобразователь будет сам включаться тогда, когда от него потребуется что-нибудь запитать, и выключаться, когда нагрузка будет отключена. То есть, батарея питания может быть постоянно подключена к схеме и практически не расходоваться при отключенной нагрузке!
При заданных входном UВx. и выходном UBыx. напряжениях и числе витков обмоток I и II (w1) необходимое число витков обмоток III и IV (w2) с достаточной точностью можно рассчитать по формуле: w2=w1 (UВых. - UBх. + 0,9)/(UВx - 0,5). Конденсаторы имеют следующие номиналы. С1: 10-100 мкф, 6.3 В. С2: 10-100 мкф, 16 В.
Транзисторы следует выбирать, ориентируясь на допустимые значения тока базы (он не должен быть меньше тока нагрузки!!! ) и обратного напряжения эмиттер - база (оно должно быть больше удвоенной разности входного и выходного напряжений!!! ) .
Модуль Чаплыгина я собрал для того, чтобы сделать устройство для подзарядки своего смартфона в походных условиях, когда смартфон нельзя зарядить от розетки 220 В. Но увы... Максимум, что удалось выжать, используя 8 батареек соединенных параллельно, это около 350-375 мА зарядного тока при 4.75 В. выходного напряжения! Хотя телефон Nokia моей жены удается подзаряжать таким устройством. Без нагрузки мой Модуль Чаплыгина выдает 7 В. при входном напряжении 1.5 В. Он собран на транзисторах КТ837К.
На фото выше изображена псевдокрона, которую я использую для питания некоторых своих устройств, требующих 9 В. Внутри корпуса от батареи Крона находится аккумулятор ААА, стерео разъем, через который он заряжается, и преобразователь Чаплыгина. Он собран на транзисторах КТ209.
Трансформатор T1 намотан на кольце 2000НМ размером К7х4х2, обе обмотки наматывают одновременно в два провода. Чтобы не повредить изоляцию об острые наружные и внутренние грани кольца притупите их, скруглив острые края наждачной бумагой. Вначале мотаются обмотки III и IV (см. схему) которые содержат по 28 витков провода диаметром 0,16мм затем, так же в два провода, обмотки I и II которые содержат по 4 витка провода диаметром 0,25мм.
Удачи и успехов всем, кто решится на повторение преобразователя! :)
Загрузка...