Niekedy potrebujete získať vysoké napätie z nízkeho napätia. Napríklad pre vysokonapäťový programátor napájaný z 5-voltového USB potrebujete niekde okolo 12 voltov.
Čo mám robiť? Na to existujú konverzné obvody DC-DC. Rovnako ako špecializované mikroobvody, ktoré vám umožňujú vyriešiť tento problém v tuctu častí.
Princíp činnosti
Ako teda urobiť napríklad z piatich voltov niečo viac ako päť? Môžete prísť s mnohými spôsobmi - napríklad nabíjať kondenzátory paralelne a potom ich prepínať sériovo. A toľkokrát za sekundu. Existuje však jednoduchší spôsob, ako pomocou vlastností indukčnosti zachovať silu prúdu.
Aby to bolo úplne jasné, najprv ukážem príklad pre inštalatérov.
Fáza 1
Klapka sa prudko zatvorí. Prúd nemá kam ísť a turbína, ktorá je zrýchlená, tlačí kvapalinu dopredu, pretože nemôže okamžite vstať. Navyše ho stláča silou väčšou, než dokáže vyvinúť zdroj. Poháňa kal cez ventil do tlakového akumulátora. Kam ide jeho časť (už pri zvýšenom tlaku) k spotrebiteľovi? Odkiaľ sa vďaka ventilu už nevracia.
3. fáza
A opäť sa klapka zatvorí a turbína začne násilne tlačiť kvapalinu do batérie. Nahradenie strát, ktoré sa tam vyskytli vo fáze 3.
Späť k diagramom
Vyjdeme z pivnice, vyzlečieme inštalatérsku mikinu, hodíme plynový hasák do kúta a s novými poznatkami začneme konštruovať schému.
Namiesto turbíny sa nám celkom hodí indukčnosť v podobe tlmivky. Ako tlmič sa používa obyčajný kľúč (v praxi tranzistor), ako ventil sa prirodzene používa dióda a úlohu tlakového akumulátora preberá kondenzátor. Kto iný ako on je schopný hromadiť potenciál. To je všetko, prevodník je pripravený!
Fáza 1
Kľúč sa otvorí, ale cievka sa nedá zastaviť. Energia uložená v magnetickom poli sa vyrúti von, prúd má tendenciu sa udržiavať na rovnakej úrovni, aká bola v momente otvorenia kľúča. Výsledkom je, že napätie na výstupe z cievky prudko vyskočí (aby sa uvoľnilo miesto pre prúd) a prelomením diódy sa vloží do kondenzátora. No časť energie ide do záťaže.
3. fáza
Kľúč sa otvorí a energia z cievky opäť prerazí diódu do kondenzátora, čím sa zvýši napätie, ktoré kleslo počas fázy 3. Cyklus je dokončený.
Ako vidno z procesu, je zrejmé, že vďaka väčšiemu prúdu zo zdroja zvyšujeme napätie u spotrebiteľa. Takže rovnosť síl sa tu musí prísne dodržiavať. V ideálnom prípade s účinnosťou meniča 100 %:
U zdroj *I zdroj = U spotreba *I spotreba
Ak teda náš spotrebiteľ vyžaduje 12 voltov a spotrebuje 1A, tak z 5 voltového zdroja do meniča treba napájať až 2,4 A. Zároveň som nebral do úvahy straty zdroja, aj keď zvyčajne nie sú príliš veľké (účinnosť je zvyčajne okolo 80-90%).
Ak je zdroj slabý a nie je schopný dodať 2,4 ampéra, tak pri 12 voltoch dôjde k divokému vlneniu a poklesu napätia - spotrebiteľ zje obsah kondenzátora rýchlejšie, ako ho tam hodí zdroj.
Návrh obvodu
Existuje množstvo hotových DC-DC riešení. Ako vo forme mikroblokov, tak aj špecializovaných mikroobvodov. Nebudem štiepiť vlasy a na demonštráciu svojich skúseností uvediem príklad obvodu na MC34063A, ktorý som už použil v príklade.
- Piny SWC/SWE tranzistorového spínača čipu SWC je jeho kolektor a SWE je jeho emitor. Maximálny prúd, ktorý môže odoberať, je 1,5A vstupného prúdu, ale môžete pripojiť aj externý tranzistor na ľubovoľný požadovaný prúd (viac podrobností nájdete v katalógovom liste čipu).
- DRC - zložený tranzistorový kolektor
- Ipk - vstup prúdovej ochrany. Tam je napätie z bočníka Rsc odstránené; ak je prúd prekročený a napätie na bočníku (Upk = I*Rsc) bude vyššie ako 0,3 voltu, menič sa zastaví. Tie. Ak chcete obmedziť prichádzajúci prúd na 1A, musíte nainštalovať odpor 0,3 Ohm. Nemal som 0,3 ohmový odpor, tak som tam dal prepojku. Bude to fungovať, ale bez ochrany. Ak niečo, zabije mi to mikroobvod.
- TC je vstup kondenzátora, ktorý nastavuje prevádzkovú frekvenciu.
- CII je vstup komparátora. Keď je napätie na tomto vstupe nižšie ako 1,25 V, kľúč generuje impulzy a konvertor funguje. Akonáhle sa zväčší, vypne sa. Tu sa cez delič na R1 a R2 aplikuje spätnoväzbové napätie z výstupu. Okrem toho je delič zvolený tak, že keď sa na výstupe objaví napätie, ktoré potrebujeme, na vstupe komparátora bude presne 1,25 voltov. Potom je všetko jednoduché - je výstupné napätie nižšie, ako je potrebné? My mlátime. Dostali ste, čo ste potrebovali? Poďme vypnúť.
- Vcc - Výkon obvodu
- GND – zem
Všetky vzorce na výpočet nominálnych hodnôt sú uvedené v údajovom liste. Skopírujem z nej tu pre nás najdôležitejšiu tabuľku:
Leptané, spájkované...
Presne takto. Jednoduchá schéma, ale umožňuje vám vyriešiť množstvo problémov.
LM2596 je znižovací DC-DC menič, často sa vyrába vo forme hotových modulov, stojí asi 1 $ (hľadajte LM2596S DC-DC 1,25-30 V 3A). Zaplatením 1,5 $ si môžete kúpiť podobný modul na Ali s LED indikáciou vstupného a výstupného napätia, vypnutím výstupného napätia a tlačidlami jemného doladenia so zobrazením hodnôt na digitálnych indikátoroch. Súhlaste - ponuka je viac ako lákavá!
Nižšie je schematický diagram tejto dosky prevodníka (kľúčové komponenty sú označené na obrázku na konci). Na vstupe je ochrana proti prepólovaniu - dióda D2. Tým sa zabráni poškodeniu regulátora nesprávne pripojeným vstupným napätím. Napriek tomu, že čip lm2596 dokáže podľa datasheetu spracovať vstupné napätia do 45 V, v praxi by vstupné napätie pri dlhodobom používaní nemalo presiahnuť 35 V.
Pre lm2596 je výstupné napätie určené rovnicou nižšie. Pomocou rezistora R2 je možné nastaviť výstupné napätie od 1,23 do 25 V.
Čip lm2596 je síce navrhnutý na maximálny prúd 3 A nepretržitej prevádzky, ale malý povrch hmoty fólie nestačí na odvádzanie vzniknutého tepla v celom prevádzkovom rozsahu obvodu. Všimnite si tiež, že účinnosť tohto meniča sa značne líši v závislosti od vstupného napätia, výstupného napätia a záťažového prúdu. Účinnosť sa môže pohybovať od 60 % do 90 % v závislosti od prevádzkových podmienok. Preto je odvod tepla povinný, ak sa nepretržitá prevádzka vyskytuje pri prúdoch väčších ako 1 A.
Podľa údajového listu musí byť dopredný kondenzátor inštalovaný paralelne s odporom R2, najmä ak výstupné napätie presiahne 10 V - je to potrebné na zabezpečenie stability. Tento kondenzátor však často nie je prítomný na čínskych lacných invertorových doskách. Počas experimentov bolo testovaných niekoľko kópií DC meničov v rôznych prevádzkových podmienkach. V dôsledku toho sme dospeli k záveru, že stabilizátor LM2596 je vhodný pre nízke a stredné napájacie prúdy digitálnych obvodov, ale pre vyššie hodnoty výstupného výkonu je potrebný chladič.
Vďaka vývoju modernej elektroniky sa vo veľkých množstvách vyrábajú špecializované mikroobvody stabilizátora prúdu a napätia. Delia sa podľa funkčnosti na dva hlavné typy, jednosmerný jednosmerný zvyšovací menič napätia a znižovací menič. Niektoré kombinujú oba typy, čo však neovplyvňuje účinnosť k lepšiemu.
Kedysi veľa rádioamatérov snívalo o pulzných stabilizátoroch, no boli vzácne a málo. Poteší najmä sortiment v čínskych obchodoch.
- 1. Aplikácia
- 2. Populárne konverzie
- 3. Posilňovacie meniče napätia
- 4. Príklady zosilňovačov
- 5. Tusotek
- 6. Pre XL4016
- 7. Na XL6009
- 8.MT3608
- 9. Vysoké napätie pri 220
- 10. Výkonné meniče
Aplikácia
Nedávno som si kúpil veľa rôznych LED diód v 1W, 3W, 5W, 10W, 20W, 30W, 50W, 100W. Všetky sú nekvalitné, na porovnanie s kvalitnými. Na pripojenie a napájanie celej tejto kopy mám 12 V a 19 V zdroje z notebookov. Musel som aktívne hľadať cez Aliexpress pri hľadaní nízkonapäťových ovládačov LED.
Boli zakúpené moderné zvyšovacie meniče napätia jednosmerné jednosmerné a znižovacie meniče napätia 1-2 A a výkonné 5-7 A. Okrem toho sú ideálne na pripojenie notebooku na 12V v aute, utiahnu 80-90 wattov. Sú celkom vhodné ako nabíjačka 12V a 24V autobatérií.
V čínskych internetových obchodoch sú stabilizátory napätia o niečo drahšie.
Populárne mikroobvody pre stupňovité spínacie stabilizátory sú:
- LM2577, zastaraný s nízkou účinnosťou;
- XL4016, 2-krát účinnejší ako 2577;
- XL6009;
- MT3608.
Stabilizátory sú označené ako AC-DC, DC-DC. AC je striedavý prúd, DC je jednosmerný prúd. To vám uľahčí vyhľadávanie, ak to uvediete v požiadavke.
Nie je racionálne vyrábať jednosmerný jednosmerný zosilňovač vlastnými rukami, strávim príliš veľa času montážou a konfiguráciou. Môžete si ho kúpiť od Číňanov za 50-250 rubľov, táto cena zahŕňa doručenie. Za túto sumu dostanem takmer hotový výrobok, ktorý sa dá čo najrýchlejšie finalizovať.
Tieto spínacie integrované obvody sa používajú v spojení s inými, napísali charakteristiky a údajový list populárnych integrovaných obvodov pre napájanie.
Populárne konverzie
Stabilizátory-zosilňovače sa delia na nízkonapäťové a vysokonapäťové od 220 do 400 voltov. Samozrejmosťou sú hotové bloky s pevnou hodnotou boostu, no ja mám radšej vlastné, majú širšiu funkcionalitu.
Najčastejšie požadované transformácie sú:
- 12V - 19V;
- 12 - 24 voltov;
- 5 - 12V;
- 3 - 12V
- 12 - 220 V;
- 24V - 220V.
Posilňovače sa nazývajú automobilové invertory.
Zosilňovacie meniče napätia
Môj laboratórny zdroj beží z notebookovej jednotky na 19V 90W, ale to nestačí na testovanie sériovo zapojených LED. Sériový reťazec LED vyžaduje 30V až 50V. Nákup hotovej jednotky pre 50-60 voltov a 150 W sa ukázal byť trochu drahý, asi 2 000 rubľov. Preto som si objednal prvý krokový stabilizátor za 500 rubľov. s nárastom na 50V. Po kontrole sa ukázalo, že dosahuje maximálne 32V, pretože na vstupe a výstupe sú 35V kondenzátory. Presvedčivo som napísal predajcovi o svojom rozhorčení a o pár dní mi vrátili peniaze.
Objednal som si druhý do 55V pod značkou Tusotek za 280 rubľov, posilňovač dopadol na výbornú. Z 12V sa ľahko zvýši na 60V, stavebný odpor som nenatočil vyššie, zrazu by vyhorel. Radiátor je prilepený teplovodivým lepidlom, takže nebolo možné vidieť označenie mikroobvodu. Chladenie je urobené trochu nesprávne, podložka chladiča Schottkyho diódy a ovládača je pripevnená k doske, a nie k chladiču.
Príklady zosilňovačov
XL4016
Pozrime sa na 4 modely, ktoré mám na sklade. Nestrácal som čas fotením, zobral som aj predajcov.
Charakteristika.
| Tusotek | XL4016 | Vodič | MT3608 | |
| Vstup, V | 6 – 35 V | 6 – 32V | 5 – 32 V | 2-24V |
| Vstupný prúd | do 10A | do 10A | — | — |
| Výstup, V | 6 – 55 V | 6 – 32V | 6 – 60V | do 28V |
| Výstupný prúd | 5A, max 7A | 5A, max 8A | max 2A | 1A, maximálne 2A |
| cena | 260 rubľov | 250 rubľov | 270 rubľov | 55 rubľov |
S prácou s čínskym tovarom mám bohaté skúsenosti, väčšina má hneď nedostatky. Pred použitím ich kontrolujem a upravujem, aby som zvýšil spoľahlivosť celej konštrukcie. Ide najmä o montážne problémy, ktoré vznikajú pri rýchlej montáži výrobkov. Finalizujem LED reflektory, svietidlá do domácnosti, stretávacie a diaľkové svetlá auta, ovládače na ovládanie denného svietenia (DRL). Odporúčam to urobiť každému, s minimom vynaloženého času sa životnosť môže zdvojnásobiť.
Pozor, nie všetky majú ochranu proti skratu, prehriatiu, preťaženiu a nesprávnemu zapojeniu.
Skutočný výkon závisí od režimu, špecifikácie uvádzajú maximum. Samozrejme, charakteristiky každého výrobcu sa budú líšiť, inštalujú rôzne diódy a navíjajú induktor s drôtmi rôznych hrúbok.
Tusotek
Podľa mňa najlepší zo všetkých posilňovacích stabilizátorov. Niektoré prvky nemajú rezervu charakteristík alebo sú nižšie ako mikroobvody PWM, preto nedokážu poskytnúť ani polovicu sľubovaného prúdu. Tusotek má na vstupe kondenzátor 1000mF 35V a na výstupe 470mF 63V. Strana chladiča s kovovou platňou je prispájkovaná k doske. Ale sú zle spájkované a nakrivo, na doske leží iba jeden okraj, pod druhým je medzera. Bez toho, aby ste sa na to pozreli, nie je jasné, ako dobre sú utesnené. Ak je to naozaj zlé, je lepšie ich rozobrať a položiť túto stranu na chladič; chladenie sa zlepší 2-krát.
Variabilný odpor nastavuje požadovaný počet voltov. Zostane nezmenené, ak zmeníte vstupné napätie, nezávisí od toho. Napríklad som nastavil 50V na výstupe, zvýšil z 5V na 12V na vstupe, nastavených 50V sa nezmenilo.
Na XL4016
Tento konvertor má takú vlastnosť, že dokáže zosilniť iba 50% vstupných voltov. Ak pripojíte 12V, potom maximálne zvýšenie bude 18V. V popise bolo uvedené, že sa dá použiť pre notebooky, ktoré sú napájané maximálne 19V. Ukázalo sa však, že jeho hlavným účelom je práca s notebookmi z autobatérie. Pravdepodobne sa 50% obmedzenie dá odstrániť zmenou odporov, ktoré nastavujú tento režim. Výstupné volty priamo závisia od počtu vstupov. 
Odvod tepla je oveľa lepší, radiátory sú nainštalované správne. Len namiesto tepelnej pasty je tu teplovodivé tesnenie, aby sa zabránilo elektrickému kontaktu s radiátorom. Na vstupe je kondenzátor 470mF 50V, na druhom konci 470mF pri 35V.
Na XL6009
Zástupca moderných efektívnych meničov, ako sú zastarané modely na LM2596, je dostupný v niekoľkých variantoch, od miniatúrnych až po modely s indikátormi napätia.
Príklad účinnosti:
- 92% pri premene 12V na 19V, záťaž 2A.
Technický list okamžite uvádza schému použitia ako zdroja napájania pre laptop v aute od 10V do 30V. Aj na XL6009 je ľahké implementovať bipolárne napájanie pri +24 a -24V. Ako u väčšiny meničov, účinnosť klesá, čím vyšší je rozdiel napätia a čím väčší je ampér.
MT3608
Miniatúrny model s dobrou účinnosťou až 97%, frekvencia PWM 1,2 MHz. Účinnosť sa zvyšuje so zvyšujúcim sa vstupným napätím a klesá so zvyšujúcim sa prúdom. Na boost konvertore MT3608 môžete počítať s malým prúdom, vnútorne obmedzeným na 4A v prípade skratu. Pokiaľ ide o volty, odporúča sa neprekročiť 24.
Vysoké napätie 220
Konverzné jednotky od 12,24 V do 220 sú rozšírené medzi nadšencami automobilov. Používa sa na pripojenie zariadení napájaných 220V. Číňania predávajú hlavne 7-10 modelov takýchto modulov, zvyšok sú hotové zariadenia. Cena od 400 rubľov. Samostatne by som chcel poznamenať, že ak je napríklad na hotovej jednotke uvedené 500 W, potom to bude často krátkodobý maximálny výkon. Skutočný dlhodobý výkon bude cca 240W.
Výkonné meniče
Pre špeciálne prípady sú potrebné výkonné DC-DC boost konvertory 10-20A a až 120V. Ukážem vám niekoľko obľúbených a cenovo dostupných modelov. Väčšinou nemajú označenia alebo ich predajca skrýva, aby ich nekúpil inde. Osobne som ich netestoval, z hľadiska napätia koexistujú podľa sľúbených charakteristík. Ale ampér bude o niečo menej. Výrobky v tejto cenovej kategórii síce vždy držia uvedenú záťaž, no ja som kúpil podobné zariadenia len s LCD obrazovkami.
600 W
Výkonný #1:
- výkon 600W;
- 10-60V prevádza na 12-80V;
- cena od 800 rubľov.
Môžete ho nájsť vyhľadaním „600W DC 10-60V na 12-80V Boost Converter Step Up“
400 W
Výkonný #2:
- výkon 400W;
- 6-40V prevádza na 8-80V;
- výstup až 10A;
- cena od 1200 rubľov.
Ak chcete hľadať, zadajte do vyhľadávača „DC 400W 10A 8-80V Boost Converter Step-Up“
B900W
Výkonný #3:
- výkon 900W;
- 8-40V prevádza na 10-120V;
- výstup až 15A.
- cena od 1400 rubľov.
Jediná jednotka, ktorá je označená ako B900W a dá sa ľahko nájsť.
Vstupné napätie do 61 V, výstupné napätie od 0,6 V, výstupné prúdy do 4 A, možnosť externej synchronizácie a úpravy frekvencie, ako aj úpravy obmedzujúceho prúdu, úprava času mäkkého rozbehu, komplexná ochrana záťaže, široká rozsah prevádzkových teplôt - všetky tieto vlastnosti napájacích zdrojov moderných zdrojov sú dosiahnuteľné pomocou nového radu DC/DC meničov vyrábaných .
V súčasnosti vám sortiment mikroobvodov spínacích regulátorov vyrábaných STMicro (obrázok 1) umožňuje vytvárať napájacie zdroje (PS) so vstupným napätím do 61 V a výstupným prúdom do 4 A.
Úloha premeny napätia nie je vždy jednoduchá. Každé konkrétne zariadenie má svoje vlastné požiadavky na regulátor napätia. Niekedy hrá hlavnú úlohu cena (spotrebná elektronika), veľkosť (prenosná elektronika), efektivita (zariadenia napájané batériou), či dokonca rýchlosť vývoja produktu. Tieto požiadavky si často protirečia. Z tohto dôvodu neexistuje ideálny a univerzálny menič napätia.
V súčasnosti sa používa niekoľko typov meničov: lineárne (stabilizátory napätia), impulzné meniče DC/DC, obvody na prenos náboja a dokonca aj napájacie zdroje na báze galvanických izolátorov.
Najbežnejšie sú však lineárne regulátory napätia a DC/DC meniče s postupným spínaním. Hlavný rozdiel vo fungovaní týchto schém je zrejmý už z názvu. V prvom prípade vypínač funguje v lineárnom režime, v druhom - v režime kľúča. Hlavné výhody, nevýhody a aplikácie týchto schém sú uvedené nižšie.
Vlastnosti lineárneho regulátora napätia
Princíp činnosti lineárneho regulátora napätia je dobre známy. Klasický integrovaný stabilizátor μA723 vyvinul už v roku 1967 R. Widlar. Napriek tomu, že elektronika odvtedy prešla dlhú cestu, princípy fungovania zostali prakticky nezmenené.
Obvod štandardného lineárneho regulátora napätia pozostáva z niekoľkých základných prvkov (obrázok 2): výkonového tranzistora VT1, zdroja referenčného napätia (VS) a kompenzačného spätnoväzbového obvodu na operačnom zosilňovači (OPA). Moderné regulátory môžu obsahovať ďalšie funkčné bloky: ochranné obvody (pred prehriatím, nadprúdom), obvody správy napájania atď.
Princíp činnosti takýchto stabilizátorov je pomerne jednoduchý. Spätnoväzbový obvod na operačnom zosilňovači porovnáva hodnotu referenčného napätia s napätím výstupného deliča R1/R2. Na výstupe operačného zosilňovača sa vytvorí nesúlad, ktorý určuje napätie hradla výkonového tranzistora VT1. Tranzistor pracuje v lineárnom režime: čím vyššie je napätie na výstupe operačného zosilňovača, tým nižšie je napätie hradla a tým väčší je odpor VT1.
Tento obvod umožňuje kompenzovať všetky zmeny vstupného napätia. Predpokladajme, že vstupné napätie Uin sa zvýšilo. To spôsobí nasledujúci reťazec zmien: Uin sa zvýši → Uout sa zvýši → napätie na deliči R1/R2 sa zvýši → výstupné napätie operačného zosilňovača sa zvýši → napätie hradla sa zníži → odpor VT1 sa zvýši zvýšenie → Uout sa zníži.
Výsledkom je, že keď sa zmení vstupné napätie, výstupné napätie sa mierne zmení.
Keď výstupné napätie klesá, dochádza k spätným zmenám hodnôt napätia.
Vlastnosti prevádzky znižovacieho DC/DC meniča
Zjednodušený obvod klasického step-down DC/DC meniča (menič typu I, buck-converter, step-down menič) pozostáva z niekoľkých hlavných prvkov (obrázok 3): výkonový tranzistor VT1, riadiaci obvod (CS), filter (Lph -Cph), reverzná dióda VD1.
Na rozdiel od obvodu lineárneho regulátora pracuje tranzistor VT1 v režime spínania.
Prevádzkový cyklus okruhu pozostáva z dvoch fáz: fázy čerpadla a fázy vypúšťania (obrázky 4...5).
Vo fáze čerpania je tranzistor VT1 otvorený a cez neho preteká prúd (obrázok 4). Energia je uložená v cievke Lf a kondenzátore Cf.
Počas fázy vybíjania je tranzistor uzavretý, nepreteká ním žiadny prúd. Lf cievka funguje ako zdroj prúdu. VD1 je dióda, ktorá je potrebná na tok spätného prúdu.
V oboch fázach sa na záťaž aplikuje napätie rovnajúce sa napätiu na kondenzátore Sph.
Vyššie uvedený obvod poskytuje reguláciu výstupného napätia pri zmene trvania impulzu:
Uout = Uin × (ti/T)
Ak je hodnota indukčnosti malá, vybíjací prúd cez indukčnosť má čas dosiahnuť nulu. Tento režim sa nazýva režim prerušovaného prúdu. Vyznačuje sa zvýšením zvlnenia prúdu a napätia na kondenzátore, čo vedie k zhoršeniu kvality výstupného napätia a zvýšeniu šumu obvodu. Z tohto dôvodu sa režim prerušovaného prúdu používa zriedka.
Existuje typ obvodu prevodníka, v ktorom je „neefektívna“ dióda VD1 nahradená tranzistorom. Tento tranzistor sa otvára v protifáze s hlavným tranzistorom VT1. Takýto menič sa nazýva synchrónny a má väčšiu účinnosť.
Výhody a nevýhody obvodov na konverziu napätia
Ak by jedna z vyššie uvedených schém mala absolútnu prevahu, druhá by bola bezpečne zabudnutá. To sa však nedeje. To znamená, že obe schémy majú výhody aj nevýhody. Analýza schém by sa mala vykonávať podľa širokého spektra kritérií (tabuľka 1).
Tabuľka 1. Výhody a nevýhody obvodov regulátorov napätia
| Charakteristický | Lineárny regulátor | Buck DC/DC menič |
| Typický rozsah vstupného napätia, V | do 30 | až 100 |
| Typický rozsah výstupného prúdu | stovky mA | jednotky A |
| Efektívnosť | krátky | vysoká |
| Presnosť nastavenia výstupného napätia | Jednotky % | Jednotky % |
| Stabilita výstupného napätia | vysoká | priemer |
| Generovaný hluk | krátky | vysoká |
| Zložitosť implementácie obvodu | nízka | vysoká |
| Zložitosť topológie DPS | nízka | vysoká |
| cena | nízka | vysoká |
Elektrické charakteristiky. Pre každý prevodník sú hlavnými charakteristikami účinnosť, zaťažovací prúd, rozsah vstupného a výstupného napätia.
Hodnota účinnosti pre lineárne regulátory je nízka a je nepriamo úmerná vstupnému napätiu (obrázok 6). Je to spôsobené tým, že všetko „extra“ napätie klesá na tranzistore pracujúcom v lineárnom režime. Výkon tranzistora sa uvoľňuje ako teplo. Nízka účinnosť vedie k tomu, že rozsah vstupných napätí a výstupných prúdov lineárneho regulátora je relatívne malý: do 30 V a do 1 A.
Účinnosť spínacieho regulátora je oveľa vyššia a menej závislá od vstupného napätia. Zároveň nie je nezvyčajné, že vstupné napätie je vyššie ako 60 V a prúdy záťaže sú vyššie ako 1 A.
Ak sa použije obvod synchrónneho meniča, v ktorom je neefektívna voľnobežná dióda nahradená tranzistorom, potom bude účinnosť ešte vyššia.
Presnosť a stabilita výstupného napätia. Lineárne stabilizátory môžu mať extrémne vysokú presnosť a stabilitu parametrov (zlomky percent). Závislosť výstupného napätia od zmien vstupného napätia a od záťažového prúdu nepresahuje niekoľko percent.
Podľa princípu činnosti má impulzný regulátor na začiatku rovnaké zdroje chýb ako lineárny regulátor. Okrem toho môže byť odchýlka výstupného napätia výrazne ovplyvnená veľkosťou pretekajúceho prúdu.
Charakteristiky hluku. Lineárny regulátor má miernu odozvu na hluk. Vo vysoko presnej meracej technike sa používajú nízkošumové presné regulátory.
Samotný spínací stabilizátor je silným zdrojom rušenia, pretože výkonový tranzistor pracuje v spínacom režime. Generovaný hluk sa delí na vedený (prenášaný cez elektrické vedenie) a induktívny (prenášaný cez nevodivé médiá).
Vedené rušenie je eliminované použitím dolnopriepustných filtrov. Čím vyššia je pracovná frekvencia meniča, tým ľahšie je zbaviť sa rušenia. V meracích obvodoch sa často používa spínací regulátor v spojení s lineárnym stabilizátorom. V tomto prípade je úroveň rušenia výrazne znížená.
Oveľa ťažšie je zbaviť sa škodlivých účinkov indukčného rušenia. Tento hluk vzniká v induktore a prenáša sa vzduchom a nevodivými médiami. Na ich odstránenie sa používajú tienené tlmivky a cievky na toroidnom jadre. Pri ukladaní dosky používajú súvislú výplň zeminy s mnohouholníkom a/alebo dokonca vyberajú samostatnú vrstvu zeminy vo viacvrstvových doskách. Okrem toho je samotný prevodník impulzov čo najďalej od meracích obvodov.
Výkonnostné charakteristiky. Lineárne regulátory sú z hľadiska jednoduchosti implementácie obvodu a usporiadania dosky plošných spojov mimoriadne jednoduché. Okrem samotného integrovaného stabilizátora je potrebných len pár kondenzátorov.
Spínací konvertor bude vyžadovať aspoň externý L-C filter. V niektorých prípadoch je potrebný externý výkonový tranzistor a externá voľnobežná dióda. To vedie k potrebe výpočtov a modelovania a topológia dosky plošných spojov sa výrazne komplikuje. Ďalšia zložitosť dosky vzniká v dôsledku požiadaviek EMC.
Cena. Je zrejmé, že kvôli veľkému počtu externých komponentov bude mať pulzný menič vysoké náklady.
Na záver možno identifikovať výhodné oblasti použitia oboch typov meničov:
- Lineárne regulátory je možné použiť v nízkovýkonových, nízkonapäťových obvodoch s vysokou presnosťou, stabilitou a nízkymi požiadavkami na hlučnosť. Príkladom môžu byť meracie a presné obvody. Navyše, malé rozmery a nízke náklady na konečné riešenie môžu byť ideálne pre prenosnú elektroniku a lacné zariadenia.
- Spínacie regulátory sú ideálne pre vysokovýkonné nízkonapäťové a vysokonapäťové obvody v automobilovej, priemyselnej a spotrebnej elektronike. Vysoká účinnosť často spôsobuje, že používanie DC/DC nie je alternatívou pre prenosné a batériovo napájané zariadenia.
Niekedy je potrebné použiť lineárne regulátory pri vysokých vstupných napätiach. V takýchto prípadoch môžete použiť stabilizátory vyrábané STMicroelectronics, ktoré majú prevádzkové napätie vyššie ako 18 V (tabuľka 2).
Tabuľka 2. Lineárne regulátory STMicroelectronics s vysokým vstupným napätím
| názov | Popis | Uin max, V | Uout nom, V | Iout nom, A | vlastné pokles, B |
| 35 | 5, 6, 8, 9, 10, 12, 15 | 0.5 | 2 | ||
| 500 mA presný regulátor | 40 | 24 | 0.5 | 2 | |
| 2 A regulátor | 35 | 0.225 | 2 | 2 | |
| , | Nastaviteľný regulátor | 40 | – | 0.1; 0.5; 1.5 | 2 |
| 3A regulátor | 20 | – | 3 | 2 | |
| 150 mA presný regulátor | 40 | – | 0.15 | 3 | |
| KFxx | 20 | 2.5: 8 | 0.5 | 0.4 | |
| Ultranízky regulátor samospádu | 20 | 2.7: 12 | 0.25 | 0.4 | |
| 5 A regulátor s nízkym výpadkom a nastavením výstupného napätia | 30 | – | 1.5; 3; 5 | 1.3 | |
| Lexx | Ultranízky regulátor samospádu | 20 | 3; 3.3; 4.5; 5; 8 | 0.1 | 0.2 |
| Ultranízky regulátor samospádu | 20 | 3.3; 5 | 0.1 | 0.2 | |
| Ultranízky regulátor samospádu | 40 | 3.3; 5 | 0.1 | 0.25 | |
| 85 mA regulátor s nízkym samovýpadkom | 24 | 2.5: 3.3 | 0.085 | 0.5 | |
| Presný regulátor záporného napätia | -35 | -5; -8; -12; -15 | 1.5 | 1.1; 1.4 | |
| Záporný regulátor napätia | -35 | -5; -8; -12; -15 | 0.1 | 1.7 | |
| Nastaviteľný regulátor záporného napätia | -40 | – | 1.5 | 2 |
Ak sa rozhodne o vybudovaní impulzného napájacieho zdroja, potom by sa mal vybrať vhodný čip prevodníka. Výber sa robí s prihliadnutím na množstvo základných parametrov.
Hlavné charakteristiky zostupných impulzných DC/DC meničov
Uveďme hlavné parametre impulzných meničov.
Rozsah vstupného napätia (V). Bohužiaľ, vždy existuje obmedzenie nielen maximálneho, ale aj minimálneho vstupného napätia. Hodnota týchto parametrov je vždy zvolená s určitou rezervou.
Rozsah výstupného napätia (V). V dôsledku obmedzení minimálneho a maximálneho trvania impulzu je rozsah hodnôt výstupného napätia obmedzený.
Maximálny výstupný prúd (A). Tento parameter je obmedzený množstvom faktorov: maximálnym prípustným stratovým výkonom, konečnou hodnotou odporu výkonových spínačov atď.
Pracovná frekvencia meniča (kHz). Čím vyššia je frekvencia konverzie, tým ľahšie je filtrovať výstupné napätie. To umožňuje bojovať proti rušeniu a znižovať hodnoty vonkajších filtračných prvkov L-C, čo vedie k zvýšeniu výstupných prúdov a zmenšeniu veľkosti. Zvýšenie konverznej frekvencie však zvyšuje spínacie straty výkonových spínačov a zvyšuje indukčnú zložku rušenia, čo je jednoznačne nežiaduce.
Účinnosť (%) je integrálnym ukazovateľom účinnosti a je uvedená vo forme grafov pre rôzne napätia a prúdy.
Zvyšné parametre (odpor kanálov integrovaných výkonových spínačov (mOhm), spotreba vlastného prúdu (µA), tepelný odpor krytu atď.) sú menej dôležité, ale mali by sa tiež vziať do úvahy.
Nové meniče od STMicroelectronics majú vysoké vstupné napätie a účinnosť a ich parametre je možné vypočítať pomocou bezplatného softvéru eDesignSuite.
Linka pulzného DC/DC od ST Microelectronics
Portfólio DC/DC spoločnosti STMicroelectronics sa neustále rozširuje. Nové mikroobvody prevodníka majú rozšírený rozsah vstupného napätia až do 61 V ( / / ), vysoké výstupné prúdy, výstupné napätia od 0,6 V ( / / ) (tabuľka 3).
Tabuľka 3. Nová DC/DC STMicroelectronics
| Charakteristika | názov | |||||||
| L7987; L7987L | ||||||||
| Rám | VFQFPN-10L | HSOP-8; VFQFPN-8L; SO8 | HSOP-8; VFQFPN-8L; SO8 | HTSSOP16 | VFQFPN-10L; HSOP 8 | VFQFPN-10L; HSOP 8 | HSOP 8 | HTSSOP 16 |
| Vstupné napätie Uin, V | 4.0…18 | 4.0…18 | 4.0…18 | 4…38 | 4.5…38 | 4.5…38 | 4.5…38 | 4.5…61 |
| Výstupný prúd, A | 4 | 3 | 4 | 2 | 2 | 3 | 3 | 2 (L7987L); 3 (L7987) |
| Rozsah výstupného napätia, V | 0,8…0,88 × Uin | 0,8…Uin | 0,8…Uin | 0,85…Uin | 0,6…Uin | 0,6…Uin | 0,6…Uin | 0,8…Uin |
| Pracovná frekvencia, kHz | 500 | 850 | 850 | 250…2000 | 250…1000 | 250…1000 | 250…1000 | 250…1500 |
| Externá frekvenčná synchronizácia (max), kHz | Nie | Nie | Nie | 2000 | 1000 | 1000 | 1000 | 1500 |
| Funkcie | Hladký štart; nadprúdová ochrana; ochrana proti prehriatiu | |||||||
| Doplnkové funkcie | ENABLE; PGOOD | POVOLIŤ | LNM; LCM; INHIBIT; Ochrana proti prepätiu | POVOLIŤ | PGOOD; ochrana pred poklesom napätia; úprava medzného prúdu | |||
| Rozsah prevádzkových teplôt kryštálov, °C | -40…150 | |||||||
Všetky nové mikroobvody pulzného meniča majú funkcie pozvoľného rozbehu, nadprúdu a ochrany proti prehriatiu.
LM2596 znižuje vstupné napätie (na 40 V) - výstup je regulovaný, prúd je 3 A. Ideálne pre LED v aute. Veľmi lacné moduly - asi 40 rubľov v Číne.
Texas Instruments vyrába vysokokvalitné, spoľahlivé, cenovo dostupné a lacné, ľahko použiteľné DC-DC regulátory LM2596. Čínske továrne na jeho základe vyrábajú ultra lacné pulzné meniča: cena modulu pre LM2596 je približne 35 rubľov (vrátane dodávky). Radím vám, aby ste si kúpili dávku 10 kusov naraz - vždy budú mať využitie a cena klesne na 32 rubľov a menej ako 30 rubľov pri objednávke 50 kusov. Prečítajte si viac o výpočte obvodu mikroobvodu, úprave prúdu a napätia, jeho aplikácii a niektorých nevýhodách meniča.
Typickým spôsobom použitia je stabilizovaný zdroj napätia. Na základe tohto stabilizátora je jednoduché vyrobiť spínaný zdroj, používam ho ako jednoduchý a spoľahlivý laboratórny zdroj, ktorý odolá skratom. Sú atraktívne vďaka konzistentnosti kvality (zdá sa, že všetky sú vyrobené v tej istej továrni - a je ťažké urobiť chyby v piatich častiach) a úplnej zhode s údajovým listom a deklarovanými charakteristikami.
Ďalšou aplikáciou je stabilizátor impulzného prúdu pre napájací zdroj pre vysokovýkonné LED diódy. Modul na tomto čipe vám umožní pripojiť 10-wattovú automobilovú LED matricu, ktorá navyše poskytuje ochranu proti skratu.
Vrelo odporúčam kúpiť si ich tucet – určite sa budú hodiť. Sú svojím spôsobom jedinečné - vstupné napätie je až 40 voltov a je potrebných iba 5 externých komponentov. Je to pohodlné – napätie na inteligentnej domácej napájacej zbernici môžete zvýšiť na 36 voltov zmenšením prierezu káblov. Takýto modul nainštalujeme na odberné miesta a nakonfigurujeme na požadovaných 12, 9, 5 voltov alebo podľa potreby.
Poďme sa na ne pozrieť bližšie.
Vlastnosti čipu:
- Vstupné napätie - od 2,4 do 40 voltov (až 60 voltov vo verzii HV)
- Výstupné napätie - pevné alebo nastaviteľné (od 1,2 do 37 voltov)
- Výstupný prúd - až 3 ampéry (s dobrým chladením - až 4,5 A)
- Frekvencia prevodu - 150 kHz
- Kryt - TO220-5 (montáž cez otvor) alebo D2PAK-5 (montáž na povrch)
- Účinnosť - 70-75% pri nízkom napätí, až 95% pri vysokom napätí
- Stabilizovaný zdroj napätia
- Obvod meniča
- Dátový hárok
- USB nabíjačka založená na LM2596
- Prúdový stabilizátor
- Použitie v domácich zariadeniach
- Nastavenie výstupného prúdu a napätia
- Vylepšené analógy LM2596
História - lineárne stabilizátory
Na začiatok vysvetlím, prečo sú štandardné lineárne meniče napätia ako LM78XX (napríklad 7805) alebo LM317 zlé. Tu je jeho zjednodušená schéma.
Hlavným prvkom takéhoto prevodníka je výkonný bipolárny tranzistor, zapnutý vo svojom „pôvodnom“ význame - ako riadený odpor. Tento tranzistor je súčasťou Darlingtonovho páru (na zvýšenie koeficientu prenosu prúdu a zníženie výkonu potrebného na prevádzku obvodu). Základný prúd je nastavený operačným zosilňovačom, ktorý zosilňuje rozdiel medzi výstupným napätím a tým, ktoré nastavuje ION (referenčný zdroj napätia), t.j. zapája sa podľa klasického obvodu zosilňovača chýb.
Prevodník teda jednoducho zapne odpor v sérii so záťažou a riadi jeho odpor tak, aby napríklad na záťaži zhaslo presne 5 voltov. Je ľahké vypočítať, že keď napätie klesne z 12 voltov na 5 (veľmi častý prípad použitia mikroobvodu 7805), vstupných 12 voltov sa rozdelí medzi stabilizátor a záťaž v pomere „7 voltov na stabilizátore + 5 voltov na záťaži.“ Pri prúde pol ampéra sa pri záťaži uvoľní 2,5 wattu a pri 7805 až 3,5 wattu.
Ukazuje sa, že „extra“ 7 voltov jednoducho zhasne na stabilizátore a zmení sa na teplo. Po prvé to spôsobuje problémy s chladením a po druhé odoberá veľa energie zo zdroja energie. Pri napájaní zo zásuvky to nie je veľmi desivé (aj keď to stále poškodzuje životné prostredie), ale pri napájaní z batérie alebo nabíjateľnej batérie to nemožno ignorovať.
Ďalším problémom je, že pomocou tejto metódy je vo všeobecnosti nemožné vytvoriť zosilňovací konvertor. Často takáto potreba vzniká a pokusy vyriešiť tento problém pred dvadsiatimi alebo tridsiatimi rokmi sú úžasné - aká zložitá bola syntéza a výpočet takýchto obvodov. Jedným z najjednoduchších obvodov tohto druhu je push-pull menič 5V->15V.
Treba priznať, že poskytuje galvanické oddelenie, ale nevyužíva transformátor efektívne - vždy sa používa len polovica primárneho vinutia.
Zabudnime na to ako na zlý sen a prejdime k moderným obvodom.
Zdroj napätia
Schéma
Mikroobvod je vhodný na použitie ako znižovací prevodník: vnútri je umiestnený výkonný bipolárny spínač, ostáva už len pridať zvyšné komponenty regulátora - rýchlu diódu, indukčnosť a výstupný kondenzátor, je tiež možné nainštalujte vstupný kondenzátor - iba 5 častí.
Verzia LM2596ADJ bude tiež vyžadovať obvod nastavenia výstupného napätia, jedná sa o dva odpory alebo jeden premenlivý odpor.
Obvod meniča napätia na zníženie napätia založený na LM2596:
Celá schéma spolu:
Tu môžete stiahnite si údajový list pre LM2596.
Princíp činnosti: výkonný spínač vo vnútri zariadenia, riadený signálom PWM, vysiela napäťové impulzy do indukčnosti. V bode A je x % času plné napätie a (1-x) % času je napätie nulové. LC filter vyhladzuje tieto oscilácie zvýraznením konštantnej zložky rovnajúcej sa x * napájaciemu napätiu. Dióda dokončí obvod, keď je tranzistor vypnutý.
Podrobný popis práce
Indukčnosť odoláva zmene prúdu cez ňu. Keď sa napätie objaví v bode A, induktor vytvorí veľké záporné samoindukčné napätie a napätie na záťaži sa rovná rozdielu medzi napájacím napätím a samoindukčným napätím. Indukčný prúd a napätie na záťaži sa postupne zvyšujú.
Po vymiznutí napätia v bode A sa tlmivka snaží udržať predchádzajúci prúd tečúci zo záťaže a kondenzátora a skratuje ho cez diódu k zemi - postupne klesá. Záťažové napätie je teda vždy menšie ako vstupné napätie a závisí od pracovného cyklu impulzov.
Výstupné napätie
Modul je dostupný v štyroch verziách: s napätím 3,3V (index –3,3), 5V (index –5,0), 12V (index –12) a nastaviteľnou verziou LM2596ADJ. Má zmysel používať prispôsobenú verziu všade, pretože je k dispozícii vo veľkých množstvách v skladoch elektronických spoločností a je nepravdepodobné, že sa stretnete s jej nedostatkom - a vyžaduje len ďalšie dva centové odpory. A samozrejme, obľúbená je aj 5 voltová verzia.
Množstvo na sklade je v poslednom stĺpci.
Výstupné napätie môžete nastaviť vo forme DIP prepínača, tu je uvedený dobrý príklad, alebo vo forme otočného prepínača. V oboch prípadoch budete potrebovať batériu presných rezistorov - ale napätie môžete nastaviť bez voltmetra.
Rám
Existujú dve možnosti krytu: kryt TO-263 s planárnou montážou (model LM2596S) a kryt TO-220 s priechodným otvorom (model LM2596T). Radšej používam planárnu verziu LM2596S, keďže v tomto prípade je chladičom samotná doska a nie je potrebné dokupovať externý chladič. Okrem toho je jeho mechanická odolnosť oveľa vyššia, na rozdiel od TO-220, ktorý sa musí k niečomu priskrutkovať, dokonca aj k doske - potom je však jednoduchšia inštalácia planárnej verzie. Čip LM2596T-ADJ odporúčam použiť v zdrojoch, pretože z jeho puzdra ľahšie odvádza veľké množstvo tepla.
Vyhladzovanie zvlnenia vstupného napätia
Môže byť použitý ako účinný „inteligentný“ stabilizátor po usmernení prúdu. Pretože mikroobvod priamo monitoruje výstupné napätie, kolísanie vstupného napätia spôsobí nepriamo úmernú zmenu konverzného koeficientu mikroobvodu a výstupné napätie zostane normálne.
Z toho vyplýva, že pri použití LM2596 ako znižovacieho meniča za transformátorom a usmerňovačom môže mať vstupný kondenzátor (t.j. ten, ktorý sa nachádza hneď za diódovým mostíkom) malú kapacitu (asi 50-100 μF).
Výstupný kondenzátor
Vzhľadom na vysokú konverznú frekvenciu výstupný kondenzátor tiež nemusí mať veľkú kapacitu. Dokonca ani silný spotrebiteľ nebude mať čas výrazne znížiť tento kondenzátor v jednom cykle. Urobme výpočet: vezmite kondenzátor 100 µF, výstupné napätie 5 V a záťaž spotrebúvajúcu 3 ampéry. Plné nabitie kondenzátora q = C*U = 100e-6 µF * 5 V = 500e-6 µC.
V jednom konverznom cykle záťaž odoberie kondenzátoru dq = I*t = 3 A * 6,7 μs = 20 μC (to sú len 4 % z celkového nabitia kondenzátora) a okamžite sa začne nový cyklus a konvertor vloží novú časť energie do kondenzátora.
Najdôležitejšie je nepoužívať tantalové kondenzátory ako vstupné a výstupné kondenzátory. V technických listoch píšu priamo - „nepoužívať v silových obvodoch“, pretože veľmi zle znášajú aj krátkodobé prepätia a nemajú radi vysoké impulzné prúdy. Používajte bežné hliníkové elektrolytické kondenzátory.
Účinnosť, účinnosť a tepelné straty
Účinnosť nie je taká vysoká, keďže ako výkonný spínač je použitý bipolárny tranzistor - a má nenulový úbytok napätia, cca 1,2V. Preto pokles účinnosti pri nízkych napätiach.
Ako vidíte, maximálna účinnosť sa dosiahne, keď je rozdiel medzi vstupným a výstupným napätím asi 12 voltov. To znamená, že ak potrebujete znížiť napätie o 12 voltov, do tepla pôjde minimálne množstvo energie.
Čo je účinnosť prevodníka? Toto je hodnota, ktorá charakterizuje straty prúdu - v dôsledku tvorby tepla na plne otvorenom výkonnom spínači podľa zákona Joule-Lenz a podobných strát pri prechodových procesoch - keď je spínač povedzme len napoly otvorený. Účinky oboch mechanizmov môžu byť čo do veľkosti porovnateľné, takže netreba zabúdať na obe straty. Malé množstvo energie sa používa aj na napájanie „mozgov“ samotného prevodníka.
V ideálnom prípade pri premene napätia z U1 na U2 a výstupného prúdu I2 sa výstupný výkon rovná P2 = U2*I2, vstupný výkon sa mu rovná (ideálny prípad). To znamená, že vstupný prúd bude I1 = U2/U1*I2.
V našom prípade má premena účinnosť pod jednotku, takže časť energie zostane vo vnútri zariadenia. Napríklad s účinnosťou η bude výstupný výkon P_out = η*P_in a straty P_loss = P_in-P_out = P_in*(1-η) = P_out*(1-η)/η. Samozrejme, konvertor bude musieť zvýšiť vstupný prúd, aby udržal špecifikovaný výstupný prúd a napätie.
Môžeme predpokladať, že pri prevode 12V -> 5V a výstupnom prúde 1A budú straty v mikroobvode 1,3 wattu a vstupný prúd bude 0,52A. V každom prípade je to lepšie ako akýkoľvek lineárny prevodník, ktorý dá najmenej 7 wattov strát a spotrebuje 1 ampér zo vstupnej siete (vrátane tejto zbytočnosti) - dvakrát toľko.
Mimochodom, mikroobvod LM2577 má trikrát nižšiu prevádzkovú frekvenciu a jeho účinnosť je o niečo vyššia, pretože v prechodných procesoch je menej strát. Potrebuje však trikrát vyššie hodnotenie tlmivky a výstupného kondenzátora, čo znamená peniaze navyše a veľkosť dosky.
Zvýšenie výstupného prúdu
Napriek už dosť veľkému výstupnému prúdu mikroobvodu je niekedy potrebný ešte väčší prúd. Ako z tejto situácie von?
- Paralelne je možné použiť niekoľko prevodníkov. Samozrejme, musia byť nastavené na presne rovnaké výstupné napätie. V tomto prípade si nevystačíte s jednoduchými SMD odpormi v obvode nastavenia spätného napätia, musíte použiť buď odpory s presnosťou 1%, alebo manuálne nastaviť napätie pomocou variabilného odporu.
USB nabíjačka pre LM2596
Môžete si vyrobiť veľmi pohodlnú cestovnú USB nabíjačku. K tomu je potrebné nastaviť regulátor na napätie 5V, vybaviť ho USB portom a napájať nabíjačku. Používam rádiový model lítium-polymérovej batérie zakúpenej v Číne, ktorá poskytuje 5 ampér hodín pri 11,1 voltoch. To je veľa - dosť na to 8 krát nabite bežný smartfón (neberúc do úvahy efektivitu). Ak vezmeme do úvahy účinnosť, bude to najmenej 6 krát.
Nezabudnite skratovať kolíky D+ a D- USB zásuvky, aby ste telefónu oznámili, že je pripojený k nabíjačke a prenášaný prúd je neobmedzený. Bez tejto udalosti si telefón bude myslieť, že je pripojený k počítaču a bude sa nabíjať prúdom 500 mA – veľmi dlho. Navyše takýto prúd nemusí ani kompenzovať aktuálnu spotrebu telefónu a batéria sa nebude nabíjať vôbec.
Konektorom zapaľovača môžete zabezpečiť aj samostatný 12V vstup z autobatérie - a prepínať zdroje nejakým vypínačom. Odporúčam vám nainštalovať LED diódu, ktorá bude signalizovať, že zariadenie je zapnuté, aby ste nezabudli po úplnom nabití batériu vypnúť - inak straty v prevodníku za pár dní úplne vybijú záložnú batériu.
Tento typ batérie nie je príliš vhodný, pretože je určený na vysoké prúdy – môžete skúsiť nájsť batériu s nižším prúdom, a bude menšia a ľahšia.
Prúdový stabilizátor
Nastavenie výstupného prúdu
Dostupné len s verziou s nastaviteľným výstupným napätím (LM2596ADJ). Mimochodom, Číňania vyrábajú aj túto verziu dosky, s reguláciou napätia, prúdu a všetkých druhov indikácií - hotový modul stabilizátora prúdu na LM2596 s ochranou proti skratu sa dá kúpiť pod názvom xw026fr4.
Ak nechcete použiť hotový modul a chcete si tento obvod vyrobiť sami, nie je v tom nič zložité, s jednou výnimkou: mikroobvod nemá schopnosť ovládať prúd, ale môžete ho pridať. Vysvetlím vám, ako to urobiť, a objasním ťažké body na ceste.
Aplikácia
Prúdový stabilizátor je vec potrebná na napájanie výkonných LED diód (mimochodom - môj projekt mikrokontroléra vysokovýkonné LED ovládače), laserové diódy, galvanické pokovovanie, nabíjanie batérií. Rovnako ako u stabilizátorov napätia existujú dva typy takýchto zariadení - lineárne a impulzné.
Klasický lineárny stabilizátor prúdu je LM317 a vo svojej triede je celkom dobrý - ale jeho maximálny prúd je 1,5A, čo je pre mnohé vysokovýkonné LED diódy málo. Aj keď tento stabilizátor napájate externým tranzistorom, straty na ňom sú jednoducho neprijateľné. Celý svet robí rozruch okolo spotreby energie pohotovostných žiaroviek, ale tu LM317 pracuje s účinnosťou 30% Toto nie je naša metóda.
Náš mikroobvod je však vhodným ovládačom pre pulzný menič napätia, ktorý má mnoho prevádzkových režimov. Straty sú minimálne, keďže sa nepoužívajú žiadne lineárne prevádzkové režimy tranzistorov, ale iba kľúčové.
Pôvodne bol určený pre obvody stabilizácie napätia, no viaceré prvky z neho robia stabilizátor prúdu. Faktom je, že mikroobvod sa úplne spolieha na signál „Spätná väzba“ ako spätnú väzbu, ale čo ho nakŕmiť, je na nás.
V štandardnom spínacom obvode je napätie privádzané do tejto vetvy z odporového deliča výstupného napätia. 1,2 V je rovnováha; ak je spätná väzba menšia, vodič zvýši pracovný cyklus impulzov; ak je viac, zníži ju. Ale na tento vstup môžete použiť napätie z prúdového skratu!
Shunt
Napríklad pri prúde 3A musíte použiť skrat s nominálnou hodnotou nie väčšou ako 0,1 Ohm. Pri takomto odpore tento prúd uvoľní asi 1 W, takže to je veľa. Je lepšie paralelne zaradiť tri takéto bočníky, čím sa získa odpor 0,033 Ohm, pokles napätia 0,1 V a uvoľnenie tepla 0,3 W.
Vstup Feedback však vyžaduje napätie 1,2V – a my máme len 0,1V. Je iracionálne inštalovať vyšší odpor (teplo sa uvoľní 150-krát viac), takže ostáva už len toto napätie nejako zvýšiť. To sa vykonáva pomocou operačného zosilňovača.
Neinvertujúci operačný zosilňovač
Klasická schéma, čo môže byť jednoduchšie?
Zjednocujeme sa
Teraz kombinujeme konvenčný obvod meniča napätia a zosilňovač pomocou operačného zosilňovača LM358, na vstup ktorého pripojíme prúdový skrat.
Výkonný odpor 0,033 Ohm je skrat. Môže byť vyrobený z troch paralelne zapojených odporov 0,1 Ohm a na zvýšenie prípustného stratového výkonu použite odpory SMD v balení 1206, umiestnite ich s malou medzerou (nie blízko seba) a pokúste sa ponechať čo najviac medenej vrstvy okolo odpory a pod nimi pokiaľ možno. K výstupu Feedback je pripojený malý kondenzátor, aby sa eliminoval možný prechod do režimu oscilátora.
Regulujeme prúd aj napätie
Na vstup Feedback zapojme oba signály – prúdový aj napäťový. Na kombináciu týchto signálov použijeme obvyklú schému zapojenia „AND“ na diódach. Ak je prúdový signál vyšší ako napäťový, bude dominovať a naopak.
Niekoľko slov o použiteľnosti schémy
Nie je možné nastaviť výstupné napätie. Aj keď nie je možné súčasne regulovať výstupný prúd a napätie - sú navzájom úmerné, s koeficientom "odpor zaťaženia". A ak napájací zdroj implementuje scenár ako „konštantné výstupné napätie, ale keď prúd prekročí, začneme napätie znižovať“, t.j. CC/CV je už nabíjačka.
Maximálne napájacie napätie pre obvod je 30V, pretože to je limit pre LM358. Tento limit môžete rozšíriť na 40 V (alebo 60 V s verziou LM2596-HV), ak napájate operačný zosilňovač zo zenerovej diódy.
Pri poslednej možnosti je potrebné použiť ako súčtové diódy zostavu diód, pretože obe diódy v nej sú vyrobené v rámci rovnakého technologického procesu a na tej istej kremíkovej doštičke. Rozpätie ich parametrov bude oveľa menšie ako rozptyl parametrov jednotlivých diskrétnych diód - vďaka tomu získame vysokú presnosť sledovacích hodnôt.
Musíte tiež starostlivo zabezpečiť, aby sa obvod operačného zosilňovača nevzrušil a neprešiel do režimu lasera. Aby ste to dosiahli, skúste skrátiť dĺžku všetkých vodičov a najmä koľajnice pripojenej na kolík 2 LM2596. Operačný zosilňovač neumiestňujte do blízkosti tejto koľaje, ale umiestnite diódu SS36 a filtračný kondenzátor bližšie k telu LM2596 a zabezpečte minimálnu plochu uzemňovacej slučky pripojenej k týmto prvkom - je potrebné zabezpečiť minimálnu dĺžku cesta spätného prúdu “LM2596 -> VD/C -> LM2596”.
Aplikácia LM2596 v zariadeniach a nezávislé usporiadanie dosky
Podrobne som hovoril o použití mikroobvodov v mojich zariadeniach nie vo forme hotového modulu ďalší článok, ktorá sa týka: výberu diódy, kondenzátorov, parametrov tlmivky a hovorila aj o správnom zapojení a niekoľkých trikoch navyše.
Príležitosti pre ďalší rozvoj
Vylepšené analógy LM2596
Najjednoduchší spôsob po tomto čipe je prejsť na LM2678. V podstate ide o rovnaký stepdown menič, len s tranzistorom s efektom poľa, vďaka ktorému účinnosť stúpa na 92 %. Je pravda, že má 7 nôh namiesto 5 a nie je kompatibilný s pin-to-pin. Tento čip je však veľmi podobný a bude jednoduchou a pohodlnou možnosťou so zlepšenou účinnosťou.
L5973D– pomerne starý čip, poskytujúci až 2,5A a o niečo vyššiu účinnosť. Má tiež takmer dvojnásobnú konverznú frekvenciu (250 kHz) - preto sú potrebné nižšie hodnoty induktorov a kondenzátorov. Videl som však, čo sa s ním stane, ak ho dáte priamo do siete auta - dosť často to ruší.
ST1S10- vysoko účinný (90% účinnosť) DC–DC menič poklesu.
- Vyžaduje 5–6 externých komponentov;
ST1S14- vysokonapäťový (do 48 voltov) ovládač. Vysoká prevádzková frekvencia (850 kHz), výstupný prúd až 4A, napájanie Dobrý výstup, vysoká účinnosť (nie horšia ako 85%) a ochranný obvod proti nadmernému zaťažovaciemu prúdu z neho robia pravdepodobne najlepší prevodník pre napájanie servera z 36V zdroj.
Ak sa vyžaduje maximálna účinnosť, budete sa musieť obrátiť na neintegrované regulátory DC–DC. Problém s integrovanými ovládačmi je, že nikdy nemajú chladné výkonové tranzistory - typický kanálový odpor nie je vyšší ako 200 mOhm. Ak však vezmete regulátor bez vstavaného tranzistora, môžete si vybrať akýkoľvek tranzistor, dokonca aj AUIRFS8409–7P s odporom kanála pol miliohm
DC-DC meniče s externým tranzistorom
Ďalšia časť
