Блок питания на базе готового регулируемого DC-DC преобразователя. Модуль понижающего преобразователя напряжения DC-DC Понижающий преобразователь напряжения
Многие начинающие радиолюбители затрудняются определить тип блока питания, а ведь это не так уж и сложно. Основные способы преобразования напряжения заключаются в использовании одного из двух вариантов схемотехники:
Трансформаторные;
Бестрансформаторные источники питания.
В свою очередь трансформаторные различаются по типу схемы:
Сетевая, с трансформатором, работающим на частоте 50 Гц;
Импульсная, с трансформатором, работающим на высоких частотах (десятки тысяч Гц).
Импульсные схемы блоков питания позволяют увеличить общий КПД конечного изделия, за счет избегания статических потерь на линейных стабилизаторах и прочих элементах.
Бестрансформаторные схемы
Если возникает необходимость питания от бытовой электросети 220 В, простейшие приборы можно включить от блоков питания использующих балластные элементы для понижения напряжения. Широко известным примером такого источника питания является схема с балластным конденсатором.
Однако существует ряд драйверов со встроенным и силовым ключом для построения бестрансформаторного импульсного понижающего преобразователя, такие очень часто встречаются в и другой технике.
В случае питания от источника постоянного тока, например, аккумуляторов или других гальванических элементов питания, используют:
Линейный стабилизатор напряжения (интегральный стабилизатор типа КРЕН или L78xx с, или без проходного транзистора, параметрического стабилизатора из стабилитрона и транзистора)
Импульсного преобразователя (понижающего - BUCK, повышающего - BOOST, или понижающе-повышающего - BUCK-BOOST)
Преимущество бестрансформаторных блоков питания и преобразователей заключаются в следующем:
Нет необходимости мотать трансформатор, преобразование осуществляется за счёт дросселя и ключей;
Следствием из предыдущего являются малые габариты источников питания.
Недостатки:
Отсутствие гальванический развязки, при неисправностях ключей приводит к появлению напряжения первичного источника питания. Это критично особенно если в его роли выступает сеть 220 В;
Опасность поражения электрическим током, как следствие гальванической связи;
Большие габариты дросселя на преобразователях высокой мощности ставят под сомнение целесообразность использования этой топологии блоков питания. При сопоставимых массогабаритных показателях можно использовать уже трансформаторный, гальванически развязанный преобразователь.
В отечественной литературе часто встречается сокращение «ИППН», которое расшифровывается как: Импульсный Понижающий (или повышающий, или и то, и другое) Преобразователь Напряжения
В качестве основы можно выделить три базовые схемы.
1. ИППН1 - Понижающий преобразователь, в англоязычной литературе - BUCK DC CONVERTER или Step-down.
2. ИППН2 - Повышающий преобразователь, в англоязычной литературе - BOOST DC CONVERTER или Step-up.
3. ИППН3 - Инвертирующий преобразователь с возможностью как повышения, так и понижения напряжения, BUCK-BOOST DC CONVERTER.
Как работает импульсный понижающий преобразователь?
Начнем с рассмотрения принципа работы первой схемы - ИППН1 .
В схеме можно выделить два питающих контура:
1. «+» от источника питания подаётся через закрытый ключ (транзистор любого типа соответствующей проводимости) на Lн (накопительный дроссель), далее ток протекает через нагрузку к «-» источника питания.
2. Второй контур образован из Д, дросселя Lн и подключенной нагрузки Rн.
Когда ключ замкнут, ток проходит по первому контуру, через катушку индуктивности протекает ток, и в её магнитном поле накапливается энергия. Когда мы выключаем (размыкаем) ключ, энергия, запасённая в катушке, рассеивается в нагрузку, при этом ток протекает через второй контур.
Напряжение на выходе (нагрузке) такого преобразователя равняется
Uвых=Uвх*Ku
Ku - это коэффициент преобразования, который зависит от коэффициента заполнения управляющих импульсов силового ключа.
Ku=Uвых/Uвх
Коэффициент заполнения «D» - это отношение времени, когда ключ открыт, к периоду ШИМ. «D» может принимать значения от 0 до 1.
ВАЖНО: Для ИППН1 Ku=D. Это значит, что пределы регулирования данного стабилизатора приблизительно равны - 0…Uвых.
Напряжение на выходе такого преобразователя аналогично по полярности с напряжением на входе.
Как работает импульсный повышающий преобразователь напряжения
ИППН2 - способен повышать напряжение от напряжения питания до величины в десятки раз превышающей его. Схематически он состоит из тех же элементов что и предыдущая.
Любой преобразователь подобного типа в своем составе имеет три основных действующих компонента :
Управляемый ключ (биполярный, полевой, );
Неуправляемый ключ (выпрямительный диод);
Накопительная индуктивность.
Ток всегда протекает через индуктивность, изменяется лишь его величина.
Для того, чтобы понять принцип работы этого преобразователя, нужно вспомнить закон коммутации для катушки индуктивности: "Ток через катушку индуктивности не может измениться моментально".
Это вызвано таким явлением как ЭДС самоиндукции или противо-ЭДС. Так как электромагнитное поле индуктивности препятствует скачкообразному изменению тока, катушку можно представить в виде источника питания. Тогда в это схеме, когда ключ замыкается через катушку начинает протекать ток большой величины, но, как уже было сказано резко он возрасти не может.
Противо-ЭДС это явление, когда на концах катушки возникает ЭДС противоположное тому, что приложено. Если представить это на схеме для наглядности, придется представить катушку индуктивности в виде источника ЭДС.
Под цифрой «1» обозначено состояние схемы, когда ключ замкнут. Обратите внимания что источник питания и условное обозначение ЭДС катушки соединены положительными выводами последовательно, т.е. величины их ЭДС вычитаются. В таком случае индуктивность препятствует прохождению электрического тока, а вернее замедляет его рост. По мере роста, через определенный постоянной времени промежуток, величина противо-ЭДС уменьшается, а ток через индуктивность нарастает.
Лирическое отступление:
Величина ЭДС самоиндукции, как и любое другое ЭДС измеряется в Вольтах.
В этот промежуток времени основной ток протекает по контуру: источник питания-индуктивность-замкнутый ключ.
Когда ключ SA размыкается, схема 2. Ток начинает течь по такому контуру: источник питания-индуктивность-диод-нагрузка. Так как сопротивление нагрузки, чаще значительно больше, чем сопротивление канала замкнутого транзистора. При этом снова - ток, протекающий через индуктивность не может измениться скачком, индуктивность всегда стремится поддержать направление и величину тока, поэтому возникает снова противо-ЭДС, но уже в обратной полярности.
Обратите внимание, как на второй схеме подключены полюса Источника питания и замещающего катушку источника ЭДС. Они соединены последовательно противоположными полюсами, а величины этих ЭДС складываются.
Таким образом происходит повышение напряжения.
Во время процесса накопления энергии индуктивности нагрузка питается энергией, которая ранее была запасена в сглаживающем конденсаторе.
Коэффициент преобразования в ИППН2 равен
Как видно из формулы - чем больше D - коэффициент заполнения, тем больше выходное напряжение. Полярность выходного питания, совпадает со входным у данного типа преобразователя.
Как работает инвертирующий преобразователь напряжения
Инвертирующий преобразователь напряжения довольно интересное устройство, ведь он может работать, как в режиме понижения напряжения, так и в режиме повышения. Однако стоит учитывать, что полярность его выходного напряжения противоположна входному, т.е. положительный потенциал оказывается на общем проводе.
Инвертирование также заметно по направлению, в котором включен диод Д. Принцип работы немного похожу на ИППН2. В то время, когда ключ Т замкнут происходит процесс накопления энергии индуктивности, питание от источника не попадает в нагрузку из-за диода Д. Когда ключ закрывается, энергия индуктивности начинает рассеиваться в нагрузке.
Ток продолжает течь через индуктивность, возникает ЭДС самоиндукции, направленная таким образом, что на концах катушки формируется полярность, противоположная первичному источнику питания. Т.е. в узле соединения эмиттера транзистора (сток, если ), катода диода и конца обмотки катушки формируется отрицательный потенциал. На противоположном конце, соответственно, положительный.
Коэффициент преобразования ИППН3 равен:
Путем несложных подстановок коэффициента заполнения в формулу, мы определим, что до величины D в 0.5, этот преобразователь выступает в роли понижающего, а свыше - повышающего.
Как управлять такими преобразователем?
Описывать все варианты построения ШИМ-контроллеров можно бесконечно долго, об этом можно написать несколько томов технической литературы. Я же, хочу ограничиться перечислением нескольких простых вариантов:
1. Собрать схему несимметричного мультивибратора. Вместо VT3 подключается транзистор в схемах ИППН-ов.
2. Чуть более сложный вариант, но более стабильный в плане частоты - это (для увеличения нажмита на картинку).
На схеме сделать правки, VT1 - это транзистор, изменяем схему так, чтобы на его месте был транзистор ИППН.
3. Вариант использовать , так вы можете еще и сделать много дополнительных функций, для новичков хорошо подойдут . Есть прекрасный видеоурок об этом.
Выводы
Импульсные преобразователи напряжения - это очень важная тема в отрасли блоков питания для радиоэлектронной аппаратуры. Подобные схемы используются повсеместно, а, в последнее время, с ростом «самодельщиков» или как это сейчас модно называть «DIY’щиков» и популярностью сайта aliexpress такие преобразователи стали особенно популярны и востребованы, вы можете заказать готовую плату ставшего уже классическим, преобразователя на LM2596 и подобных всего за пару долларов, при этом вы получите возможность регулировки напряжения или тока, или и того и другого.
Другая популярная плата - это mini-360
Вы можете заметить, что в этих схемах отсутствует транзистор. Дело в том, что он встроен в микросхему, кроме него там находится ШИМ-контроллер, цепи обратной связи для стабилизации выходного напряжения и другое. Тем не менее эти схемы могут усиливаться установкой дополнительного транзистора.
Если вам интересно спроектировать схему под ваши нужды, тогда более подробно с расчётными соотношениями вы можете ознакомится в следующей литературе:
«Компоненты для построения источников питания», Михаил Бабурин, Алексей Павленко, Группа компаний «Симметрон»
«Стабилизированные транзисторные преобразователи» В.С. Моин, Энергоатомиздат, М. 1986.
Понижающие DC-DC преобразователи все чаще и чаще находят свое применение в быту, хозяйстве, автомобильной технике, а также в качестве регулируемых блоков питания в домашней лаборатории.
К примеру, на большегрузном автомобиле напряжение бортовой кабельной сети может составлять +24В, а вам необходимо подключить автомагнитолу или другое устройство с входным напряжение +12В, тогда такой понижающий преобразователь вам очень пригодится.
Множество людей заказывают с различных китайских сайтов понижающие DC-DC преобразователи, но их мощность довольно таки ограничена, ввиду экономии китайцами на сечении обмоточного провода, полупроводниковых приборах и сердечниках дросселей, ведь чем мощнее преобразователь, тем он дороже. Поэтому, предлагаю вам собрать понижающий DC-DC самостоятельно, который превзойдет по мощности китайские аналоги, а также будет экономически выгоднее. По моему фотоотчету и представленной схеме видно, что сборка не займет много времени.
Микросхема LM2596 есть ни что иное, как импульсный понижающий регулятор напряжения. Она выпускается как на фиксированное напряжение (3.3В, 5В, 12В) так и на регулируемое напряжение (ADJ). На базе регулируемой микросхемы и будет построен наш понижающий DC-DC преобразователь.
Схема преобразователя
Основные параметры регулятора LM2596
Входное напряжение………. до +40В
Максимальное входное напряжение ………. +45В
Выходное напряжение………. от 1.23В до 37В ±4%
Частота генератора………. 150кГц
Выходной ток………. до 3А
Ток потребления в режиме Standby………. 80мкА
Рабочая температура от -45°С до +150°С
Тип корпуса TO-220 (5 выводов) или TO-263 (5 выводов)
КПД (при Vin= 12В, Vout= 3В Iout= 3А).......... 73%
Хотя КПД может и достигать 94%, он зависит от входного и выходного напряжения, а также от качества намотки и правильности подбора индуктивности дросселя.
Согласно графика, взятого из , при входном напряжении +30В, выходном +20В и токе нагрузки 3А, КПД должен составить 94%.
Также у микросхемы LM2596 есть защита по току и от перегрева. Замечу, что на неоригинальных микросхемах данные функции могут работать некорректно, либо вовсе отсутствуют. Короткое замыкание на выходе преобразователя приводит к выходу из строя микросхемы (проверил на двух LM-ках), хотя тут удивляться и нечему, производитель не пишет в даташите о присутствии защиты от КЗ.
Элементы схемы
Все номиналы элементов указаны на схеме электрической принципиальной. Напряжение конденсаторов С1 и С2 выбирается в зависимости от входного и выходного напряжения (напряжение входа (выхода) + запас 25%), я установил конденсаторы с запасом, на напряжение 50В.
Конденсатор C3 - керамический. Номинал его выбирается согласно таблицы из даташита. Согласно этой таблицы емкость C3 подбирается для каждого отдельного выходного напряжения, но так как преобразователь в моем случае регулируемый, то я применил конденсатор средней емкости 1нФ.
Диод VD1 должен быть диодом Шоттки, или другим сверхбыстрым диодом (FR, UF, SF и др.). Он должен быть рассчитан на ток 5А и напряжение не меньше 40В. Я установил импульсный диод FR601 (6А 50В).
Дроссель L1 должен быть рассчитан на ток 5А и иметь индуктивность 68мкГн. Для этого берем сердечник из порошкового железа (желто-белого цвета), наружный диаметр 27мм, внутренний 14мм, ширина 11мм, ваши размеры могут отличаться, но чем больше они будут, тем лучше. Далее мотаем двумя жилами (диаметр каждой жилы 1мм) 28 витков. Я мотал одиночной жилой диаметром 1,4мм, но при большой выходной мощности (40Вт) дроссель грелся сильно, в том числе и из-за недостаточного сечения жилы. Если мотать двумя жилами, то в один слой обмотку положить не удастся, поэтому нужно мотать в два слоя, без изоляции между слоями (если эмаль на проводе не повреждена).
Через резистор R1 протекает малый ток, поэтому его мощность 0,25Вт.
Резистор R2 подстроечный, но может быть заменен на постоянный, для этого его сопротивление рассчитывается на каждое выходное напряжение по формуле:
Где R1 = 1кОм (по даташиту), Vref = 1,23В. Тогда, посчитаем сопротивление резистора R2 для выходного напряжения Vout = 30В.
R2 = 1кОм * (30В/1,23В - 1) = 23,39кОм (приведя к стандартному номиналу, получим сопротивление R2 = 22кОм).
Также, зная сопротивление резистора R2, можно рассчитать выходное напряжение.
Испытания понижающего DC-DC преобразователя на LM2596
При испытаниях на микросхему был установлен радиатор площадью ≈ 90 см² .
Испытания я проводил на нагрузке сопротивлением 6,8 Ом (постоянный резистор, опущенный в воду). Изначально на вход преобразователя я подал напряжение +27В, входной ток составил 1,85А (входная мощность 49,95Вт). Выходное напряжение я выставил 15,5В, ток нагрузки составил 2,5А (выходная мощность 38,75Вт). КПД при этом составил 78%, это очень даже неплохо.
После 20 мин. работы понижающего преобразователя диод VD1 нагрелся до температуры 50°С, дроссель L1 нагрелся до температуры 70°С, сама микросхема нагрелась до 80°С. То есть, во всех элементах есть резерв по температуре, кроме дросселя, 70 градусов для него многовато.
Поэтому для эксплуатации данного преобразователя на выходной мощности 30-40Вт и более, необходимо мотать дроссель двумя (тремя) жилами и выбирать больший по размерам сердечник. Диод и микросхема могут долговременно держать температуру 100-120°С без каких-либо опасений (кроме нагрева всего что рядом находится, в том числе и корпуса). При желании можно установить на микросхему больший по размеру радиатор, а у диода VD1 можно оставить длинные выводы, тогда будет тепло отводиться лучше, либо прикрепить (припаять к одному из выводов) небольшую пластинку (радиатор). Также нужно как можно лучше залудить дорожки печатной платы, либо пропаять по ним медную жилу, это обеспечит меньший нагрев дорожек при долгой работе на большую выходную мощность.
Понижающий DC-DC преобразователь напряжения питания с регулируемым выходным напряжением и регулировкой максимального тока нагрузки. Регулировка напряжения и тока ограничения осуществляется при помощи подстроечного резистора, установленного на модуле. Максимальный выходной ток до 5А.
Характеристики
- Входное напряжение: 4-38 В;
- Выходное напряжение: 1.25-36 В;
- Выходной ток: до 5А, регулируемый;
- Максимальная выходная мощность: 75 Вт;
- Рабочая частота: 180 КГц;
- Эффективность преобразования: до 96%;
- Защита от короткого замыкания: есть (ограничение тока 8А);
- Защита от перегрева: есть (автоматически отключается выход при перегреве);
- Защита входа от обратной полярности: Нет;
- Рабочая температура: от -40 до + 85 °C
- Размеры модуля, д x ш x в: 51 x 26 x 15 мм;
Регулировка тока
Данный модуль имеет два регулировочных потенциометра. Один для регулировки выходного напряжения, второй для регулировки ограничения тока в нагрузке
Как вы знаете, выходной ток не может регулироваться напрямую, так как сила тока определяется ТОЛЬКО напряжением питания и сопротивлением нагрузки по закону ома. То есть если вы задали на модуле определенное выходное напряжение, то сила тока в нагрузке будет равна I = U/R, где R - это сопротивление вашей нагрузки, а U - выставленное выходное напряжение. Когда вы производите регулировку тока на этом модуле, то вы не регулируете силу тока, а задаете его максимальное значение. Если сила тока начинает превышать максимальное значение, то модуль начинает автоматически уменьшать выходное напряжение что бы уменьшить силу тока до заданной. Посмотрите еще раз на формулу. Что бы повлиять на силу тока, необходимо изменить одну из величин участвующих в формуле: либо напряжение питания либо сопротивление вашей нагрузки. Но модуль не может повлиять на сопротивление вашей нагрузки что бы изменить ток. По этому модуль начинает уменьшать выходное напряжение если ток превышает заданное значение.
Один из самых востребованных приборов в мастерской начинающего радиолюбителя - это регулируемый блок питания. О том, как самостоятельно собрать регулируемый блок питания на микросхеме MC34063 я уже рассказывал . Но и у него есть ограничения и недостатки. Во-первых, это мощность. Во-вторых, отсутствие индикации выходного напряжения.
Здесь я расскажу о том, как с минимумом временных затрат и усилий собрать регулируемый блок питания 1,2 - 32 вольт и максимальным выходным током до 4-ёх ампер.
Для этого нам понадобится два очень важных элемента:
Трансформатор, с выходным напряжением до ~25...26 вольт. О том, как его подобрать и где найти, я расскажу далее;
Готовый модуль регулируемого DC-DC преобразователя со встроенным вольтметром на базе микросхемы XL4015 .
Наиболее распространены и дёшевы модули на базе микросхем XL4015 и LM2956. Самый дешёвый вариант - это модуль без цифрового вольтметра. Для себя я купил несколько вариантов таких DC-DC преобразователей, но более всех мне понравился модуль на базе микросхемы XL4015 со встроенным вольтметром. О нём и пойдёт речь.
Вот так он выглядит. Покупал его на Алиэкспресс, вот ссылка . Можно подобрать подходящий по цене и модификации через поиск .
Обратная сторона платы и вид сбоку.
Основные характеристики модуля:
Не будем забывать, что производители любят завышать характеристики своих изделий. Судя по отзывам, наиболее оптимальный вариант использования данного DC-DC модуля - это работа при входном напряжении до 30 вольт и потребляемом токе до 2 ампер.
Управление DC-DC модулем.
На печатной плате DC-DC модуля установлены две кнопки управления и регулятор выходного напряжения - обычный многооборотный переменный резистор .
Короткое нажатие кнопки 1 отключает/включает индикацию вольтметра. Своеобразный диммер. Удобно при запитке от АКБ.
Коротким нажатием на кнопку 2 можно переключать режим работы вольтметра, а именно, отображения входного или выходного напряжения на индикаторе. При использовании совместно с АКБ можно контролировать напряжение батареи и не допускать глубокого разряда.
Калибровка показаний вольтметра.
Сначала кнопкой 2 выбираем, какое напряжение отображать на дисплее вольтметра (входное или выходное). Затем мультиметром замеряем постоянное напряжение (входное или выходное) на клеммах. Если оно отличается от величины напряжения, отображаемого вольтметром, то начинаем калибровку.
Жмём 3-4 секунды на 2-ую кнопку. Показания на дисплее должны потухнуть. Отпускаем кнопку. При этом показания на дисплее появятся и начнут моргать.
Далее кратковременными нажатиями на кнопки 1 и 2 уменьшаем или увеличиваем величину отображаемого напряжения с шагом 0,1V. Если надо увеличить показания, например, с 12,0V до 12,5V, то жмём 5 раз на кнопку 2. Если надо уменьшить с 12V до 11,5V, то, соответственно, жмём 5 раз на кнопку 1.
После того, как калибровка завершена, жмём секунд 5 на кнопку 2. При этом показания на дисплее вольтметра перестанут моргать - калибровка завершена. Также можно ничего не делать и секунд через 10 вольтметр сам выйдет из режима калибровки.
Для того чтобы собрать блок питания, кроме самого DC/DC-модуля нам понадобится трансформатор , а также небольшая схема - диодный мост и фильтр.
Вот схема, которую нам предстоит собрать.
(Картинка кликабельна. По клику откроется в новом окне)
О трансформаторе Т1 я расскажу чуть позднее, а сейчас разберёмся с диодным мостом VD1-VD4 и фильтром C1. Эту часть схемы я буду называть выпрямителем . Далее на фото - необходимые детали для его сборки.
Разводку будущих печатных дорожек на плате я рисовал маркером для печатных плат . Перед этим сделал набросок расположения элементов на плате, развёл соединительные проводники. Затем по шаблону отметил на заготовке места сверления. Сверлил до травления в хлорном железе, так как, если сверлить после травления, могут остаться зазубрины вокруг отверстий и легко повредить окантовку около отверстий.
Затем высушил заготовку после травления, смыл защитный слой лака от маркера "Уайт-спиритом". После этого вновь отмыл и высушил заготовку, зачистил медные дорожки мелкой наждачной бумагой и залудил все дорожки припоем. Вот, что получилось.
Немного о просчётах. Так как делал всё быстро и на коленке, то без "косяков", естественно, не обошлось. Во-первых, сделал плату двухсторонней, а не надо было. Дело в том, что отверстия то без металлизации, и запаять потом тот же разъём в такую двухстороннюю печатную плату непростая задача. С одной стороны контакты запаяешь без проблем, а вот с другой стороны платы уже никак. Так что намучился.
Готовый выпрямитель.
Вместо сетевого выключателя SA1 временно впаял перемычку. Установил входные и выходные разъёмы, а также разъём для подключения трансформатора. Разъёмы устанавливал в расчёте на модульность и удобство пользования, чтобы впредь можно было быстро и без пайки соединять блок выпрямителя с разными DC-DC модулями.
В качестве плавкого предохранителя FU1 использовал готовый с держателем. Очень удобно. И контакты под напряжением прикрыты, и предохранитель заменить без пайки не проблема. По идее подойдёт предохранитель в любом исполнении и типе корпуса.
В качестве диодного моста (VD1 - VD4) я использовал сборку RS407 на максимальный прямой ток 4 ампера. Аналоги диодного моста RS407 - это KBL10, KBL410. Диодный мост можно собрать и из отдельных выпрямительных диодов.
Тут стоит понимать, что сам регулируемый DC-DC модуль рассчитан на максимальный ток 5 ампер, но такой ток он сможет выдержать только в том случае, если на микросхему XL4015 установить радиатор, да, и для диода SS54, что на плате, ток в 5А - максимальный !
Также не будем забывать, что производители склонны завышать возможности своих изделий и срок их службы при таких нагрузках. Поэтому для себя я решил, что такой модуль можно нагружать током до 1 - 2 ампер. Речь идёт о постоянной, долгосрочной нагрузке, а не периодической (импульсной).
При таком раскладе, диодный мост можно выбрать на прямой ток 3-4 ампера. Этого должно хватить с запасом. Напомню, что если собирать диодный мост из отдельных диодов, то каждый из диодов, входящих в состав моста должен выдерживать максимальный потребляемый ток. В нашем случае это 3-4 ампера. Вполне подойдут диоды 1N5401 - 1N5408 (3А), КД257А (3А) и др.
Также для сборки потребуется электролитический конденсатор C1 ёмкостью 470 - 2200 мкФ. Конденсатор лучше выбрать на рабочее напряжение 63V, так как максимальное входное напряжение DC-DC преобразователя может быть до 36V, а то и 38...40V. Поэтому разумней поставить конденсатор на 63V. С запасом и надёжно.
Тут опять же стоит понимать, что всё зависит от того, какое напряжение у вас будет на входе DC-DC модуля. Если, например, планируется использовать модуль для питания 12-ти вольтовой светодиодной ленты, а на входе DC-DC модуля будет напряжение только 16 вольт, то электролитический конденсатор можно поставить с рабочим напряжением 25 вольт или более.
Я же поставил по максимуму, так как данный модуль и собранный выпрямитель, я планировал использовать с разными трансформаторами, у которых разное выходное напряжение. Следовательно, чтобы каждый раз не перепаивать конденсатор, установил его на 63V.
В качестве трансформатора T1 подойдёт любой сетевой трансформатор с двумя обмотками. Первичная обмотка (Ⅰ) сетевая и должна быть рассчитана на переменное напряжение 220V, вторичная обмотка (Ⅱ) должна выдавать напряжение не более 25 ~ 26 вольт.
Если взять трансформатор, на выходе которого будет более 26 вольт переменного напряжения, то после выпрямителя напряжение может быть уже более 36 вольт. А, как мы знаем, модуль DC-DC преобразователя рассчитан на входное напряжение до 36 вольт. Также стоит учитывать тот момент, что в бытовой электросети 220V иногда бывает чуть завышенное напряжение. Из-за этого, пусть и кратковременно, на выходе выпрямителя может образоваться довольно существенный "скачок" напряжения, который превысит допустимое напряжение в 38...40 вольт для нашего модуля.
Ориентировочный расчёт выходного напряжения U вых после диодного выпрямителя и фильтра на конденсаторе:
U вых = (U T1 - (V F *2))*1,41 .
Переменное напряжение на вторичной обмотке трансформатора T1 (Ⅱ) - U T1 ;
Падение напряжения (Forward Voltage Drop ) на диодах выпрямителя - V F . Поскольку в диодном мосте в каждый полупериод ток течёт через два диода, то V F умножаем на 2. Для диодной сборки дело обстоит также.
Так, для RS407 в даташите я нашёл такую строчку: Maximum forward Voltage drop per bridge element at 3.0A peak - 1 Volt. Это означает, что если через любой из диодов моста течёт прямой ток в 3 ампера, то на нём будет теряться 1 вольт напряжения (per bridge element - на каждый элемент моста). То есть берём значение V F = 1V и так же, как и в случае с отдельными диодами, умножаем величину V F на два, так как в каждый полупериод ток течёт через два элемента диодной сборки.
Вообще, чтобы не ломать голову полезно знать, что V F для выпрямительных диодов обычно составляет около 0,5 вольт. Но это при небольшом прямом токе. С его ростом увеличивается и падение напряжения V F на p-n переходе диода. Как видим, величина V F при прямом токе в 3А для диодов сборки RS407 составляет уже 1V.
Так как на электролитическом конденсаторе С1 выделяется пиковое значение выпрямленного (пульсирующего) напряжения, то итоговое напряжение, которое мы получим после диодного моста (U T1 - (V F *2)) необходимо умножить на квадратный корень из 2, а именно √2 ~ 1.41 .
Таким образом, с помощью этой простой формулы мы сможем определить выходное напряжение на выходе фильтра. Теперь осталось дело за малым - найти подходящий трансформатор.
В качестве трансформатора я использовал силовой броневой трансформатор ТП114-163М.
К сожалению, точных данных на него я не нашёл. Выходное напряжение на вторичной обмотке без нагрузки ~19,4V. Ориентировочная мощность данного трансформатора ~7 Вт. Считал по .
Кроме этого решил сравнить полученные данные с параметрами трансформаторов серии ТП114 (ТП114-1, ТП114-2,...,ТП114-12). Максимальная выходная мощность данных трансформаторов - 13,2 Вт. Наиболее подходящим к трансформатору ТП114-163М по параметрам оказался ТП114-12 . Напряжение на вторичной обмотке в режиме холостого хода - 19,4V, а под нагрузкой - 16V. Номинальный ток нагрузки - 0,82А.
Также в моём распоряжении оказался ещё один трансформатор, также серии ТП114. Вот такой.
Судя по выходному напряжению (~22,3V) и лаконичной маркировке 9М, это модификация трансформатора ТП114-9 . Параметры ТП114-9 такие: номинальное напряжение - 18V; номинальный ток нагрузки - 0,73А.
На базе первого трансформатора (ТП114-163М ) мне удастся сделать регулируемый блок питания 1,2...24 вольт, но это без нагрузки. Понятно, что при подключенной нагрузке (потребителе тока) напряжение на выходе трансформатора просядет, и результирующее напряжение на выходе DC-DC преобразователя также уменьшится на несколько вольт. Поэтому, этот момент надо учитывать и иметь ввиду.
На базе второго трансформатора (ТП114-9 ) уже получится регулируемый блок питания на 1,2...28 вольт. Это также без нагрузки.
Про выходной ток. Производителем заявлено, что максимальный выходной ток DC-DC преобразователя - 5А. Судя по отзывам, максимум 2А. Но, как видим, трансформаторы мне удалось найти достаточно маломощные. Поэтому выжать даже 2 ампера мне вряд ли получится, хотя всё зависит от выходного напряжения DC-DC модуля. Чем меньше оно будет, тем больший ток удастся получить.
Для всякого маломощного "разносола" данный блок питания подойдёт на ура. Вот запитка "веселящего шарика" напряжением 9V и током около 100 mA.
А это уже запитка 12-ти вольтовой светодиодной ленты длиной около 1 метра.
Также существует облегчённая, Lite-версия данного DC-DC преобразователя , которая собрана также на микросхеме XL4015E1.
Единственное отличие, это отсутствие встроенного вольтметра.
Параметры аналогичные: входное напряжение 4...38V, максимальный ток 5А (рекомендуется не более 4,5А). Реально же использовать при входном напряжении до 30V, 30V с небольшим. Ток нагрузки не более 2...2,5А. Если нагружать сильнее, то ощутимо греется и, естественно, снижается срок службы и надёжность.
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.
