Простейшие бестрансформаторные импульсные преобразователи напряжения. Обзор регулируемых преобразователей напряжения (стабилизаторов, DC-DC конвертеров) Узлы и схемы импульсных преобразователей
Для питания различной электронной аппаратуры весьма широко используются DC/DC преобразователи. Применяются они в устройствах вычислительной техники, устройствах связи, различных схемах управления и автоматики и др.
Трансформаторные блоки питания
В традиционных трансформаторных блоках питания напряжение питающей сети с помощью трансформатора преобразуется, чаще всего понижается, до нужного значения. Пониженное напряжение и сглаживается конденсаторным фильтром. В случае необходимости после выпрямителя ставится полупроводниковый стабилизатор.
Трансформаторные блоки питания, как правило, оснащаются линейными стабилизаторами. Достоинств у таких стабилизаторов не менее двух: это маленькая стоимость и незначительное количество деталей в обвязке. Но эти достоинства съедает низкий КПД, поскольку значительная часть входного напряжения используется на нагрев регулирующего транзистора, что совершенно неприемлемо для питания переносных электронных устройств.
DC/DC преобразователи
Если питание аппаратуры осуществляется от гальванических элементов или аккумуляторов, то преобразование напряжения до нужного уровня возможно лишь с помощью DC/DC преобразователей.
Идея достаточно проста: постоянное напряжение преобразуется в переменное, как правило, с частотой несколько десятков и даже сотен килогерц, повышается (понижается), а затем выпрямляется и подается в нагрузку. Такие преобразователи часто называются импульсными.
В качестве примера можно привести повышающий преобразователь из 1,5В до 5В, как раз выходное напряжение компьютерного USB. Подобный преобразователь небольшой мощности продается на Алиэкспресс.
Рис. 1. Преобразователь 1,5В/5В
Импульсные преобразователи хороши тем, что имеют высокий КПД, в пределах 60..90%. Еще одно достоинство импульсных преобразователей широкий диапазон входных напряжений: входное напряжение может быть ниже выходного или намного выше. Вообще DC/DC конвертеры можно разделить на несколько групп.
Классификация конвертеров
Понижающие, по английской терминологии step-down или buck
Выходное напряжение этих преобразователей, как правило, ниже входного: без особых потерь на нагрев регулирующего транзистора можно получить напряжение всего несколько вольт при входном напряжении 12…50В. Выходной ток таких преобразователей зависит от потребности нагрузки, что в свою очередь определяет схемотехнику преобразователя.
Еще одно англоязычное название понижающего преобразователя chopper. Один из вариантов перевода этого слова - прерыватель. В технической литературе понижающий конвертер иногда так и называют «чоппер». Пока просто запомним этот термин.
Повышающие, по английской терминологии step-up или boost
Выходное напряжение этих преобразователей выше входного. Например, при входном напряжении 5В на выходе можно получить напряжение до 30В, причем, возможно его плавное регулирование и стабилизация. Достаточно часто повышающие преобразователи называют бустерами.
Универсальные преобразователи - SEPIC
Выходное напряжение этих преобразователей удерживается на заданном уровне при входном напряжении как выше входного, так и ниже. Рекомендуется в случаях, когда входное напряжение может изменяться в значительных пределах. Например, в автомобиле напряжение аккумулятора может изменяться в пределах 9…14В, а требуется получить стабильное напряжение 12В.
Инвертирующие преобразователи - inverting converter
Основной функцией этих преобразователей является получение на выходе напряжения обратной полярности относительно источника питания. Очень удобно в тех случаях, когда требуется двухполярное питание, например .
Все упомянутые преобразователи могут быть стабилизированными или нестабилизированными, выходное напряжение может быть гальванически связано с входным или иметь гальваническую развязку напряжений. Все зависит от конкретного устройства, в котором будет использоваться преобразователь.
Чтобы перейти к дальнейшему рассказу о DC/DC конвертерах следует хотя бы в общих чертах разобраться с теорией.
Понижающий конвертер чоппер - конвертер типа buck
Его функциональная схема показана на рисунке ниже. Стрелками на проводах показаны направления токов.
Рис.2. Функциональная схема чопперного стабилизатора
Входное напряжение Uin подается на входной фильтр - конденсатор Cin. В качестве ключевого элемента используется транзистор VT, он осуществляет высокочастотную коммутацию тока. Это может быть либо . Кроме указанных деталей в схеме содержится разрядный диод VD и выходной фильтр - LCout, с которого напряжение поступает в нагрузку Rн.
Нетрудно видеть, что нагрузка включена последовательно с элементами VT и L. Поэтому схема является последовательной. Как же происходит понижение напряжения?
Широтно-импульсная модуляция - ШИМ
Схема управления вырабатывает прямоугольные импульсы с постоянной частотой или постоянным периодом, что в сущности одно и то же. Эти импульсы показаны на рисунке 3.
Рис.3. Импульсы управления
Здесь tи время импульса, транзистор открыт, tп - время паузы, - транзистор закрыт. Соотношение tи/T называется коэффициентом заполнения duty cycle, обозначается буквой D и выражается в %% или просто в числах. Например, при D равном 50% получается, что D=0,5.
Таким образом D может изменяться от 0 до 1. При значении D=1 ключевой транзистор находится в состоянии полной проводимости, а при D=0 в состоянии отсечки, попросту говоря, закрыт. Нетрудно догадаться, что при D=50% выходное напряжение будет равно половине входного.
Совершенно очевидно, что регулирование выходного напряжения происходит за счет изменения ширины управляющего импульса tи, по сути дела изменением коэффициента D. Такой принцип регулирования называется (PWM). Практически во всех импульсных блоках питания именно с помощью ШИМ производится стабилизация выходного напряжения.
На схемах, показанных на рисунках 2 и 6 ШИМ «спрятана» в прямоугольниках с надписью «Схема управления», которая выполняет некоторые дополнительные функции. Например, это может быть плавный запуск выходного напряжения, дистанционное включение или защита преобразователя от короткого замыкания.
Вообще конвертеры получили столь широкое применение, что фирмы производители электронных компонентов наладили выпуск ШИМ контроллеров на все случаи жизни. Ассортимент настолько велик, что просто для того чтобы их перечислить понадобится целая книга. Поэтому собирать конвертеры на дискретных элементах, или как часто говорят на «рассыпухе», никому не приходит в голову.
Более того готовые конвертеры небольшой мощности можно купить на Алиэкспрес или Ebay за незначительную цену. При этом для установки в любительскую конструкцию достаточно припаять к плате провода на вход и выход, и выставить требуемое выходное напряжение.
Но вернемся к нашему рисунку 3. В данном случае коэффициент D определяет, сколько времени будет открыт (фаза 1) или закрыт (фаза 2) . Для этих двух фаз можно представить схему двумя рисунками. На рисунках НЕ ПОКАЗАНЫ те элементы, которые в данной фазе не используются.
Рис.4. Фаза 1
При открытом транзисторе ток от источника питания (гальванический элемент, аккумулятор, выпрямитель) проходит через индуктивный дроссель L, нагрузку Rн, и заряжающийся конденсатор Cout. При этом через нагрузку протекает ток, конденсатор Cout и дроссель L накапливают энергию. Ток iL ПОСТЕПЕННО ВОЗРАСТАЕТ, сказывается влияние индуктивности дросселя. Эта фаза называется накачкой.
После того, как напряжение на нагрузке достигнет заданного значения (определяется настройкой устройства управления), транзистор VT закрывается и устройство переходит ко второй фазе - фазе разряда. Закрытый транзистор на рисунке не показан вовсе, как будто его и нет. Но это означает лишь то, что транзистор закрыт.
Рис.5. Фаза 2
При закрытом транзисторе VT пополнения энергии в дросселе не происходит, поскольку источник питания отключен. Индуктивность L стремится воспрепятствовать изменению величины и направления тока (самоиндукция) протекающего через обмотку дросселя.
Поэтому ток мгновенно прекратиться не может и замыкается через цепь «диод-нагрузка». Из-за этого диод VD получил название разрядный. Как правило, это быстродействующий диод Шоттки. По истечении периода управления фаза 2 схема переключается на фазу 1, процесс повторяется снова. Максимальное напряжение на выходе рассмотренной схемы может быть равным входному, и никак не более. Чтобы получить выходное напряжение больше, чем входное, применяются повышающие преобразователи.
Пока только следует напомнить собственно о величине индуктивности, которая определяет два режима работы чоппера. При недостаточной индуктивности преобразователь будет работать в режиме разрывных токов, что совершенно недопустимо для источников питания.
Если же индуктивность достаточно большая, то работа происходит в режиме неразрывных токов, что позволяет с помощью выходных фильтров получить постоянное напряжение с приемлемым уровнем пульсаций. В режиме неразрывных токов работают и повышающие преобразователи, о которых будет рассказано ниже.
Для некоторого повышения КПД разрядный диод VD заменяется транзистором MOSFET, который в нужный момент открывается схемой управления. Такие преобразователи называются синхронными. Их применение оправдано, если мощность преобразователя достаточно велика.
Повышающие step-up или boost преобразователи
Повышающие преобразователи применяются в основном при низковольтном питании, например, от двух-трех батареек, а некоторые узлы конструкции требуют напряжения 12…15В с малым потреблением тока. Достаточно часто повышающий преобразователь кратко и понятно называют словом «бустер».
Рис.6. Функциональная схема повышающего преобразователя
Входное напряжение Uin подается на входной фильтр Cin и поступает на последовательно соединенные L и коммутирующий транзистор VT. В точку соединения катушки и стока транзистора подключен диод VD. К другому выводу диода подключены нагрузка Rн и шунтирующий конденсатор Cout.
Транзистор VT управляется схемой управления, которая вырабатывает сигнал управления стабильной частоты с регулируемым коэффициентом заполнения D, так же, как было рассказано чуть выше при описании чопперной схемы (Рис.3). Диод VD в нужные моменты времени блокирует нагрузку от ключевого транзистора.
Когда открыт ключевой транзистор правый по схеме вывод катушки L соединяется с отрицательным полюсом источника питания Uin. Нарастающий ток (сказывается влияние индуктивности) от источника питания протекает через катушку и открытый транзистор, в катушке накапливается энергия.
В это время диод VD блокирует нагрузку и выходной конденсатор от ключевой схемы, тем самым предотвращая разряд выходного конденсатора через открытый транзистор. Нагрузка в этот момент питается энергией накопленной в конденсаторе Cout. Естественно, что напряжение на выходном конденсаторе падает.
Как только напряжение на выходе станет несколько ниже заданного, (определяется настройками схемы управления), ключевой транзистор VT закрывается, и энергия, запасенная в дросселе, через диод VD подзаряжает конденсатор Cout, который подпитывает нагрузку. При этом ЭДС самоиндукции катушки L складывается с входным напряжением и передается в нагрузку, следовательно, напряжение на выходе получается больше входного напряжения.
По достижении выходным напряжением установленного уровня стабилизации схема управления открывает транзистор VT, и процесс повторяется с фазы накопления энергии.
Универсальные преобразователи - SEPIC (single-ended primary-inductor converter или преобразователь с несимметрично нагруженной первичной индуктивностью).
Подобные преобразователи применяются в основном, когда нагрузка имеет незначительную мощность, а входное напряжение изменяется относительно выходного в большую или меньшую сторону.
Рис.7. Функциональная схема преобразователя SEPIC
Очень похожа на схему повышающего преобразователя, показанного на рисунке 6, но имеет дополнительные элементы: конденсатор C1 и катушку L2. Именно эти элементы и обеспечивают работу преобразователя в режиме понижения напряжения.
Преобразователи SEPIC применяются в тех случаях, когда входное напряжение изменяется в широких пределах. В качестве примера можно привести 4V-35V to 1.23V-32V Boost Buck Voltage Step Up/Down Converter Regulator. Именно под таким названием в китайских магазинах продается преобразователь, схема которого показана на рисунке 8 (для увеличения нажмите на рисунок).
Рис.8. Принципиальная схема преобразователя SEPIC
На рисунке 9 показан внешний вид платы с обозначением основных элементов.
Рис.9. Внешний вид преобразователя SEPIC
На рисунке показаны основные детали в соответствии с рисунком 7. Следует обратить внимание на наличие двух катушек L1 L2. По этому признаку можно определить, что это именно преобразователь SEPIC.
Входное напряжение платы может быть в пределах 4…35В. При этом выходное напряжение может настраиваться в пределах 1,23…32В. Рабочая частота преобразователя 500КГц.При незначительных размерах 50 x 25 x 12мм плата обеспечивает мощность до 25 Вт. Максимальный выходной ток до 3А.
Но тут следует сделать замечание. Если выходное напряжение установить на уровне 10В, то выходной ток не может быть выше 2,5А (25Вт). При выходном напряжении 5В и максимальном токе 3А мощность составит всего 15Вт. Здесь главное не перестараться: либо не превысить максимально допустимую мощность, либо не выйди за пределы допустимого тока.
Понижение напряжения постоянного тока. Как работает понижающий преобразователь напряжения. Где он применяется. Описание принципа действия. Пошаговая инструкция по проектированию (10+)
Понижающий импульсный преобразователь напряжения. Проектирование. Расчет
Для понижения постоянного напряжения с минимальными потерями и получения стабилизированного выхода применяется следующий подход. Постоянное напряжение преобразуется в импульсы переменной скважности. Далее эти импульсы пропускаются через катушку индуктивности. Энергия накапливается на накопительном конденсаторе. Обратная связь следит за стабильностью выходного напряжения и для этого регулирует скважность импульсов.
Если нет потребности в снижении потерь, то применяется последовательный стабилизатор непрерывного действия .
Принцип работы понижающего преобразователя напряжения основан на свойстве катушки индуктивности (дросселя) накапливать энергию. Накопление энергии проявляется в том, что сила тока через катушку индуктивности как бы имеет инерцию. То есть она не может измениться моментально. Если к катушке приложить напряжение, то сила тока будет постепенно нарастать, если приложить обратное напряжение, то сила тока будет постепенно убывать.
Вашему вниманию подборки материалов: На схеме мы видим, что блок управления D1 в зависимости от напряжения на конденсаторе C2 замыкает и размыкает силовой ключ. Причем чем выше напряжение на C2 , тем меньше время, на которое замыкается ключ, то есть меньше коэффициент заполнения (больше скважность). Если напряжение на конденсаторе C2 превышает некоторое, то ключ вообще перестает замыкаться, пока напряжение не снизится. Как обеспечивается такая работа схемы управления, описано в статье о широтно-импульсной модуляции . Когда силовой ключ замкнут, ток идет по пути S1 . При этом к катушке индуктивности приложено напряжение, равное разнице между входным и выходным напряжением. Ток через катушку увеличивается пропорционально напряжению, приложенному к катушке, и времени, на которое замыкается ключ. Катушка накапливает энергию. Протекающий ток заряжает конденсатор C2 . Когда силовой ключ разомкнут, ток идет по пути S2 через диод. К катушке индуктивности приложено выходное напряжение с обратным знаком. Ток через катушку уменьшается пропорционально напряжению, приложенному к катушке, и времени, в течение которого ключ разомкнут. Протекающий ток по-прежнему заряжает конденсатор C2 . Когда конденсатор C2 зарядится, ключ перестает замыкаться, зарядка конденсатора прекращается. Ключ снова начнет замыкаться, когда конденсатор C2 немного разрядится через нагрузку. Конденсатор C1 нужен для того, чтобы уменьшить пульсации тока во входной цепи, отбирать из нее не импульсный, а средний ток. Преимущества, недостатки, применимостьПотери энергии непосредственно зависят от отношения входного и выходного напряжений. Так понижающий преобразователь теоретически может сформировать большой выходной ток при малом напряжении из небольшого входного тока, но большого напряжения, но нам придется прерывать большой ток при большом напряжении, что гарантирует высокие коммутационные потери. Так что понижающие преобразователи применяются, если входное напряжение в 1.5 - 4 раза больше выходного, но их стараются не применять при большей разнице. Разберем процесс проектирования и расчета понижающего преобразователя и опробуем его на примерах. В конце статьи будет форма, в которую можно забить необходимые параметры источника, провести расчет онлайн и получить номиналы всех элементов. Для примера возьмем следующие схемы:
Одной из проблем понижающих преобразователей является сложность управления силовым ключом, так как его эмиттер (исток) как правило не подключен к общему проводу. Дальше мы рассмотрим несколько вариантов решения этой проблемы. Пока остановимся на несколько нестандартном включении микросхемы - ШИМ контроллера. Мы используем микросхему 1156EU3 . У этой микросхемы выходной каскад выполнен по классической двухтактной схеме. Средняя точка этого каскада выведена на ножку 14, эмиттер нижнего плеча соединен с общим проводом (ножка 10), коллектор верхнего плеча выведен на ножку 13. Мы соединим ножку 14 с общим проводом через резистор, а ножку 13 подключим к базе ключевого транзистора. Когда верхнее плечо выходного каскада открыто (это соответствует подаче отпирающего напряжения на выход), ток протекает через эмиттерный переход транзистора VT2, ножку 13, верхнее плечо выходного каскада, ножку 14, резистор R6. Этот ток отпирает транзистор VT2. В таком включении можно применять и контроллеры с открытым эмиттером на выходе. В этих контроллерах нет нижнего плеча. Но оно нам и не нужно. В нашей схеме в качестве силового ключа используется мощный биполярный транзистор. Подробнее о работе биполярного транзистора в качестве силового ключа . В качестве силового ключа можно использовать составной транзистор , чтобы понизить нагрузку на контроллер. Однако, напряжение насыщения коллектор - эмиттер составного транзистора в разы больше, чем у одинарного. В статье про составной транзистор описано, как рассчитать это напряжение. Если Вы используете составной транзистор, то в форме расчета в конце статьи укажите в качестве напряжения насыщения коллектор - эмиттер VT2 именно это напряжение. Чем выше напряжение насыщения, тем выше потери, так что с составным транзистором потери будут в разы больше. Но решение есть. Оно будет описано далее в разделе о маломощных контроллерах. К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Полумостовой импульсный стабилизированный преобразователь напряжения, ... Практика проектирования электронных схем. Самоучитель электроники.... Повышающий импульсный преобразователь напряжения. Силовой ключ - бипол... Силовой мощный импульсный трансформатор. Расчет. Рассчитать. Онлайн. O... Проверка дросселя, катушки индуктивности, трансформатора, обмотки, эле... |
На китайских торговых площадках появится интересный модуль понижающего преобразователя напряжения XL4016. Схема позволяет работать с регулированием напряжения (CV) и тока (CC). После добавления в систему источника питания (например, ненужного блока питания ноутбука, трансформатора с выпрямителем и конденсатором) модуль можно использовать в качестве регулируемого БП, или стабилизатора с фиксированным выходным напряжением.
Схема позволяет установить максимальный выходной ток или работать как источник тока (CC). Работа в режиме CC может использоваться, например, для питания светодиодов, зарядки аккумулятора (в том числе автомобильного) или питания модуля Пельтье. Многооборотные потенциометры, установленные на плате, можно заменить на более крупные и удобные, оснащенные ручкой. Импульсная система имеет высокую эффективность, но при более высоких мощностях потребуется принудительная циркуляция воздуха или больший радиатор.
Схема подключения модуля DC-DC
Модуль инвертора можно найти на Алиэкспрессе, его описание часто содержит параметры 9 A 300 Вт, 1,2 — 35 В. Давайте подробнее рассмотрим возможности схемы этого преобразователя и проведём тесты. На радиаторах установлены двойной диод 10A STPS2045 и цепь понижающего инвертора XL4016. Обозначение входов и выходов питания и распределение потенциометров можно найти на рисунке ниже:
Полупроводники изолированы от радиаторов, что снижает риск коротких замыканий, но также может снизить эффективность рассеивания тепла. Согласно найденному даташиту, XL4016 в корпусе TO220 имеет предел по току 8 А, возможно, в модуле был использован элемент с большей заявленной эффективностью. Двухцветный светодиод меняет свой цвет с синего на красный при выходном токе >0,8 А. После замыкания выхода с помощью амперметра удалось отрегулировать выходной ток в режиме от CC до 9 A. Работа светодиодов очень удобна и информативна. Потребляемый ток без нагрузки около 15 мА.
Электролитические конденсаторы находятся достаточно близко к радиаторам и температура может уменьшить их срок службы, в то время как большая индуктивность просто висит в воздухе, так что ее стоит закрепить клеем, чтобы не повредить печатную плату во время механических воздействий. С другой стороны платы припаян стабилизатор 5В, LM358 и резистор, используемый при измерении выходного тока.
Испытания и тесты модуля XL4016
Стабильность выходного напряжения по сравнению с выходными токами является удовлетворительной, далее пример графика выходного напряжения, установленного на 3.3V в зависимости от тока нагрузки.
Влияние входного напряжения при установке выходного крайне мало.
Зависимость эффективности КПД преобразователя от изменения выходного тока для двух выходных напряжений.
Зависимость КПД от изменения входного напряжения.
Пульсации и отклонения выходного напряжения при разных условиях эксплуатации показаны на осциллограммах далее.
Применение понижающего преобразователя
Использован был этот модуль в качестве зарядного устройства для игрового ноутбука, он отлично работает и не нагревается критично. Вход: 29 В, выход 19 В, Imax 4 А в соответствии с параметрами исходного адаптера переменного тока 220 В.
Самый большой ток снимался с модуля работающего как блок питания для радиотелефона, на котором получалось 28 В и 9 A, что очень хорошо.
В качестве зарядного устройства он работает после добавления большого радиатора к XL или замены его на радиатор большего размера, чем заводской, плюс вентилятор, который также охлаждает конденсаторы.
Безопасный диапазон тока при длительной нагрузке составляет около 7 А, при напряжении выше 32 В стабилизатор очень горячий. Перед преобразователем хорошо будет поставить большой ёмкий конденсатор по питанию.
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.
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.
