DC/DC měniče jsou široce používány pro napájení různých elektronických zařízení. Používají se v počítačových zařízeních, komunikačních zařízeních, různých řídicích a automatizačních obvodech atd.
Transformátorové napájecí zdroje
U tradičních transformátorových zdrojů se napětí napájecí sítě převádí, nejčastěji snižuje, na požadovanou hodnotu pomocí transformátoru. Snížené napětí je vyhlazeno kondenzátorovým filtrem. V případě potřeby je za usměrňovač instalován polovodičový stabilizátor.
Transformátorové zdroje jsou obvykle vybaveny lineárními stabilizátory. Takové stabilizátory mají alespoň dvě výhody: nízkou cenu a malý počet dílů v postroji. Tyto výhody jsou však narušovány nízkou účinností, protože značná část vstupního napětí se používá k ohřevu řídicího tranzistoru, což je pro napájení přenosných elektronických zařízení zcela nepřijatelné.
DC/DC měniče
Pokud je zařízení napájeno z galvanických článků nebo baterií, je převod napětí na požadovanou úroveň možný pouze pomocí DC/DC měničů.
Myšlenka je celkem jednoduchá: konstantní tlak se zpravidla převádí na střídavé napětí s frekvencí několika desítek a dokonce stovek kilohertzů, zvyšuje se (snižuje) a poté je usměrněno a přiváděno do zátěže. Takové převodníky se často nazývají pulzní převodníky.
Příkladem je boost převodník z 1,5V na 5V, právě výstupní napětí USB počítače. Podobný nízkopříkonový měnič se prodává na Aliexpressu.
Rýže. 1. Převodník 1,5V/5V
Pulzní měniče jsou dobré, protože mají vysokou účinnost, která se pohybuje od 60..90%. Další výhodou pulzních měničů je široký rozsah vstupních napětí: vstupní napětí může být nižší než výstupní napětí nebo mnohem vyšší. Obecně lze DC/DC měniče rozdělit do několika skupin.
Klasifikace měničů
Lowering, v anglické terminologii step-down nebo buck
Výstupní napětí těchto měničů je zpravidla nižší než vstupní napětí: bez výraznějších tepelných ztrát řídicího tranzistoru získáte při vstupním napětí 12...50V napětí jen několik voltů. Výstupní proud takových měničů závisí na požadavku zátěže, což zase určuje obvodový návrh měniče.
Další anglický název pro step-down měnič je chopper. Jednou z možností překladu tohoto slova je přerušovač. V technické literatuře se redukčnímu měniči někdy říká „chopper“. Zatím si připomeňme jen tento termín.
Zvyšování, v anglické terminologii step-up nebo boost
Výstupní napětí těchto měničů je vyšší než vstupní napětí. Například při vstupním napětí 5V může být výstupní napětí až 30V a je možná jeho plynulá regulace a stabilizace. Docela často se boost konvertorům říká boostery.
Univerzální měniče - SEPIC
Výstupní napětí těchto měničů je udržováno na dané úrovni, když je vstupní napětí buď vyšší nebo nižší než vstupní napětí. Doporučeno v případech, kdy se vstupní napětí může lišit v rámci významných limitů. Například v autě se může napětí baterie lišit v rozmezí 9...14V, ale musíte získat stabilní napětí 12V.
Invertující převodníky
Hlavní funkcí těchto měničů je vytvářet výstupní napětí s obrácenou polaritou vzhledem ke zdroji energie. Velmi výhodné v případech, kdy je například vyžadováno bipolární napájení.
Všechny uvedené měniče mohou být stabilizované nebo nestabilizované, výstupní napětí může být galvanicky spojeno se vstupním napětím nebo mít galvanické napěťové oddělení. To vše závisí na konkrétní zařízení, ve kterém bude převodník použit.
Chcete-li přejít k dalšímu příběhu o DC/DC měničích, měli byste alespoň porozumět teorii obecně.
Step-down konvertor chopper - buck konvertor
Jeho funkční schéma je znázorněno na obrázku níže. Šipky na vodičích ukazují směry proudů.
Obr.2. Funkční schéma stabilizátor chopperu
Vstupní napětí Uin je přivedeno na vstupní filtr - kondenzátor Cin. Jako klíčový prvek je použit VT tranzistor, který provádí vysokofrekvenční proudové spínání. Může to být buď. Obvod kromě naznačených částí obsahuje vybíjecí diodu VD a výstupní filtr - LCout, ze kterého je přiváděno napětí do zátěže Rн.
Je snadné vidět, že zátěž je zapojena do série s prvky VT a L. Proto je obvod sekvenční. Jak dochází k poklesu napětí?
Pulzní šířková modulace - PWM
Řídicí obvod vytváří obdélníkové impulsy s konstantní frekvencí nebo konstantní periodou, což je v podstatě totéž. Tyto impulsy jsou znázorněny na obrázku 3.
Obr.3. Řídící impulsy
Zde t je doba impulsu, tranzistor je otevřen, t je doba pauzy a tranzistor je uzavřen. Poměr ti/T se nazývá pracovní cyklus pracovního cyklu, označuje se písmenem D a vyjadřuje se v %% nebo jednoduše v číslech. Například, když se D rovná 50 %, ukáže se, že D=0,5.
D se tedy může měnit od 0 do 1. Při hodnotě D=1 je klíčový tranzistor ve stavu plného vedení a při D=0 ve stavu cutoff, jednoduše řečeno, je uzavřen. Není těžké uhodnout, že při D=50% se výstupní napětí bude rovnat polovině vstupního.
Je zcela zřejmé, že výstupní napětí je regulováno změnou šířky řídicího impulsu t a vlastně změnou koeficientu D. Tento princip regulace se nazývá (PWM). Téměř u všech spínaných zdrojů je právě pomocí PWM stabilizováno výstupní napětí.
Ve schématech na obrázcích 2 a 6 je PWM „skrytý“ v obdélnících označených „Řídící obvod“, který provádí doplňkové funkce. Může to být například pozvolný náběh výstupního napětí, dálkové zapnutí nebo ochrana převodníku před zkrat.
Obecně platí, že měniče se tak rozšířily, že výrobci elektronických součástek začali vyrábět PWM regulátory pro všechny příležitosti. Sortiment je tak velký, že na jejich výčet byste potřebovali celou knihu. Nikoho proto nenapadne sestavovat měniče pomocí diskrétních prvků, nebo jak se často říká v „volné“ formě.
Hotové nízkoenergetické měniče lze navíc zakoupit na Aliexpress nebo Ebay za nízkou cenu. V tomto případě pro instalaci v amatérském provedení stačí k desce připájet vstupní a výstupní vodiče a nastavit požadované výstupní napětí.
Ale vraťme se k našemu obrázku 3. B v tomto případě koeficient D určuje, jak dlouho bude otevřeno (1. fáze) nebo zavřeno (2. fáze). Pro tyto dvě fáze může být obvod znázorněn na dvou výkresech. Obrázky NEZOBRAZUJÍ prvky, které nejsou v této fázi použity.
Obr.4. Fáze 1
Když je tranzistor otevřený, proud ze zdroje energie (galvanický článek, baterie, usměrňovač) prochází indukční tlumivkou L, zátěží Rn a nabíjecím kondenzátorem Cout. Zátěží přitom protéká proud, kondenzátor Cout a tlumivka L akumulují energii. Proud iL POSTUPNĚ ZVYŠUJE, vlivem indukčnosti tlumivky. Tato fáze se nazývá pumpování.
Poté, co napětí zátěže dosáhne nastavené hodnoty (určené nastavením řídicího zařízení), tranzistor VT se uzavře a zařízení přejde do druhé fáze - fáze vybíjení. Uzavřený tranzistor na obrázku není vůbec znázorněn, jako by neexistoval. To ale znamená pouze to, že tranzistor je uzavřený.
Obr.5. Fáze 2
Když je tranzistor VT uzavřen, nedochází k doplňování energie v induktoru, protože zdroj energie je vypnutý. Indukčnost L má tendenci bránit změnám velikosti a směru proudu (samoindukce) protékajícího vinutím induktoru.
Proto se proud nemůže zastavit okamžitě a je uzavřen obvodem „diodové zátěže“. Z tohoto důvodu se VD dioda nazývá vybíjecí dioda. Zpravidla se jedná o vysokorychlostní Schottkyho diodu. Po regulační periodě, fázi 2, se obvod přepne do fáze 1 a proces se znovu opakuje. Maximální napětí na výstupu uvažovaného obvodu se může rovnat vstupu a nic víc. Pro získání výstupního napětí vyššího než vstupního se používají boost konvertory.
Pro tuto chvíli vám musíme pouze připomenout velikost indukčnosti, která určuje dva provozní režimy chopperu. Při nedostatečné indukčnosti bude měnič pracovat v režimu vypínacího proudu, což je pro napájecí zdroje zcela nepřijatelné.
Pokud je indukčnost dostatečně velká, pak provoz probíhá v režimu trvalého proudu, což umožňuje pomocí výstupních filtrů získat konstantní napětí s přijatelnou úrovní zvlnění. Boost měniče, o kterých bude řeč níže, také pracují v režimu trvalého proudu.
Pro mírné zvýšení účinnosti je nahrazena vybíjecí dioda VD MOSFET tranzistor, který je ve správný čas otevřen řídicím obvodem. Takové převodníky se nazývají synchronní. Jejich použití je oprávněné, pokud je výkon měniče dostatečně velký.
Zvyšovací nebo posilovací měniče
Boost měniče se používají především pro nízkonapěťové napájení např. ze dvou nebo tří baterií a některé konstrukční komponenty vyžadují napětí 12...15V s malým proudovým odběrem. Poměrně často se boost konvertor stručně a jasně nazývá slovem „booster“.
Obr.6. Funkční schéma zesilovacího měniče
Vstupní napětí Uin je přivedeno na vstupní filtr Cin a přivedeno na sériově zapojený L a spínací tranzistor VT. Do spojovacího bodu mezi cívkou a kolektorem tranzistoru je připojena VD dioda. Zátěž Rн a bočníkový kondenzátor Cout jsou připojeny k druhé svorce diody.
Tranzistor VT je řízen řídicím obvodem, který vytváří řídicí signál stabilní frekvence s nastavitelným pracovním cyklem D, jak bylo popsáno výše při popisu obvodu chopperu (obr. 3). Dioda VD blokuje zátěž z klíčového tranzistoru ve správný čas.
Při rozpojeném klíčovém tranzistoru je pravý výstup cívky L podle schématu připojen k zápornému pólu zdroje Uin. Cívkou a otevřeným tranzistorem protéká rostoucí proud (vlivem indukčnosti) ze zdroje a v cívce se hromadí energie.
V tomto okamžiku dioda VD blokuje zátěž a výstupní kondenzátor ze spínacího obvodu, čímž zabraňuje vybíjení výstupního kondenzátoru přes otevřený tranzistor. Zátěž je v tomto okamžiku napájena energií akumulovanou v kondenzátoru Cout. Napětí na výstupním kondenzátoru přirozeně klesá.
Jakmile výstupní napětí klesne mírně pod nastavenou hodnotu (určenou nastavením řídicího obvodu), klíčový tranzistor VT se sepne a energie uložená v induktoru přes diodu VD dobije kondenzátor Cout, který nabudí zatížení. V tomto případě se samoindukční emf cívky L přičte ke vstupnímu napětí a přenese na zátěž, proto je výstupní napětí větší než vstupní napětí.
Když výstupní napětí dosáhne nastavené stabilizační úrovně, řídicí obvod otevře tranzistor VT a proces se opakuje od fáze akumulace energie.
Univerzální měniče - SEPIC (jednokoncový primární indukční měnič nebo měnič s asymetricky zatíženou primární indukčností).
Takové převodníky se používají hlavně tehdy, když má zátěž nevýznamný výkon a vstupní napětí se mění vzhledem k výstupnímu napětí nahoru nebo dolů.
Obr.7. Funkční schéma převodníku SEPIC
Velmi podobný obvodu zesilovacího měniče znázorněnému na obrázku 6, ale s dalšími prvky: kondenzátorem C1 a cívkou L2. Právě tyto prvky zajišťují provoz měniče v režimu snižování napětí.
Převodníky SEPIC se používají v aplikacích, kde se vstupní napětí velmi mění. Příkladem je regulátor 4V-35V na 1,23V-32V Boost Buck Voltage Step Up/Down. Je pod tímto názvem v Čínské obchody Prodává se převodník, jehož zapojení je na obrázku 8 (pro zvětšení klikněte na obrázek).
Obr.8. Schematický diagram SEPIC převodník
Obrázek 9 ukazuje vzhled desky s označením hlavních prvků.
Obr.9. Vzhled SEPIC převodník
Obrázek ukazuje hlavní části podle obrázku 7. Všimněte si, že jsou zde dvě cívky L1 L2. Na základě této funkce můžete určit, že se jedná o převodník SEPIC.
Vstupní napětí desky může být v rozmezí 4…35V. V tomto případě lze výstupní napětí upravit v rozsahu 1,23…32V. Pracovní frekvence převodníku je 500 KHz.Při malých rozměrech 50 x 25 x 12 mm poskytuje deska výkon až 25 W. Maximální výstupní proud až 3A.
Zde je však třeba učinit poznámku. Pokud je výstupní napětí nastaveno na 10V, pak výstupní proud nemůže být vyšší než 2,5A (25W). Při výstupním napětí 5V a maximálním proudu 3A bude výkon pouze 15W. Hlavní věcí je nepřehánět to: buď nepřekračujte maximální přípustný výkon, nebo nepřekračujte přípustné proudové limity.
DC-DC konvertory (konvertory)– modulární elektronická zařízení, určený pro konstrukci výkonových sběrnic v obvodech s galvanickým oddělením. Zařízení jsou hotová zařízení, která převádějí stejnosměrné napětí na stejnosměrné, vyrobené v utěsněných, chráněných pouzdrech s přívody pro montáž na desku plošných spojů. Převodníky se liší svým výkonem, konstrukcí, počtem výstupních kanálů a rozsahem vstupního a výstupního napětí.
Společnost představila řadu vysoce výkonných produktů TRACO ELECTRONIC A AIMTEC. Převodníky mají vysokou spolehlivost a výkon, pracují v širokém rozsahu vstupních napětí a poskytují zátěži vysoký výstupní proud, a to jak jedním, tak dvěma výstupními kanály. Malé rozměry pouzder produktů umožňují jejich použití v moderní mikroelektronice s vysokou hustotou balení. Produktová řada TMA 0505 D, 0512 D, 0515 D jsou zesilovací měniče s bipolárním výstupním napětím a výstupním proudem dostatečným k napájení operačních zesilovačů různých přenosných bateriově napájených zařízení.
Známá japonská společnost představila řadu high-tech DC / DC měničů MURATA POWER, jejíž produkty jsou velmi žádané v různých odvětvích průmyslové elektroniky. Specializované kompaktní produkty jsou vyráběny jak v uzavřených, utěsněných pouzdrech, tak v otevřených modulárních verzích pro montáž na desku. Speciálním prvkem modulárních zařízení jsou stabilizované, izolované DC/DC měniče s pevným vstupním a výstupním napětím, žádané zejména v lékařské technice a telekomunikačních zařízeních.
Vlastnosti produktů společnosti Elektronika PEAK jsou jedinečným vývojem miniaturních DC/DC konvertorových modulů pro cenově výhodnou přenosnou elektroniku. Modulární zařízení se vyrábějí v uzavřených, utěsněných pouzdrech s jedním nebo dvěma neizolovanými výstupy a bipolárním výstupním napětím, stejně jako moduly pracující v režimu násobení napětí, např. , P 10 CU -0512 ZLF, P 6 CU -0512 ZLF.
Zboží si můžete prohlédnout a zakoupit v našich prodejnách ve městech: Moskva, Petrohrad, Volgograd, Voroněž, Jekatěrinburg, Iževsk, Kazaň, Kaluga, Krasnodar, Krasnojarsk, Minsk, Naberežnyj Čelnyj, Nižnij Novgorod, Novosibirsk, Omsk, Perm, Rostov -na-Don na-Don, Rjazaň, Samara, Tver, Tomsk, Tula, Ťumeň, Ufa, Čeljabinsk. Doručení objednávky poštou, prostřednictvím doručovacího systému Pickpoint nebo prostřednictvím showroomů Euroset do následujících měst: Tolyatti, Barnaul, Uljanovsk, Irkutsk, Chabarovsk, Jaroslavl, Vladivostok, Machačkala, Tomsk, Orenburg, Kemerovo, Novokuzněck, Astrachaň, Penza, Lipetsk , Kirov, Čeboksary, Kaliningrad, Kursk, Ulan-Ude, Stavropol, Soči, Ivanovo, Brjansk, Bělgorod, Surgut, Vladimir, Nižnij Tagil, Archangelsk, Čita, Smolensk, Kurgan, Orel, Vladikavkaz, Groznyj, Murmansk, Tambov, Petrozavodsk, Kostroma, Nizhnevartovsk, Novorossijsk, Yoshkar-Ola atd.
Produkty ze skupiny „DC-DC konvertory (konvertory)“ můžete zakoupit velkoobchodně a maloobchodně.
LM2596 snižuje vstupní napětí (na 40 V) - výstup je regulován, proud je 3 A. Ideální pro LED v autě. Velmi levné moduly - asi 40 rublů v Číně.
Texas Instruments vyrábí vysoce kvalitní, spolehlivé, cenově dostupné a levné, snadno použitelné DC-DC regulátory LM2596. Čínské továrny na jeho základě vyrábějí ultralevné pulzní redukční měniče: cena modulu pro LM2596 je přibližně 35 rublů (včetně dodávky). Radím vám, abyste si koupili dávku 10 kusů najednou - vždy se pro ně najdou využití a cena klesne na 32 rublů a méně než 30 rublů při objednávce 50 kusů. Přečtěte si více o výpočtu obvodu mikroobvodu, úpravě proudu a napětí, jeho použití a některých nevýhodách převodníku.
Typickým způsobem použití je stabilizovaný zdroj napětí. Na základě tohoto stabilizátoru se snadno vyrábí pulzní blok zdroj, používám jej jako jednoduchý a spolehlivý laboratorní blok napájecí zdroj, který odolá zkratům. Jsou atraktivní díky stálosti kvality (zdá se, že všechny jsou vyrobeny ve stejné továrně – a je těžké udělat chyby v pěti částech) a plné shodě s datovým listem a deklarovanými vlastnostmi.
Další aplikací je stabilizátor pulzního proudu pro napájecí zdroj pro vysoce výkonné LED. Modul na tomto čipu vám umožní připojit váš vůz LED matice při 10 wattech, navíc poskytuje ochranu proti zkratu.
Vřele doporučuji koupit si jich desítku – určitě se budou hodit. Jsou svým způsobem jedinečné - vstupní napětí je až 40 voltů a je zapotřebí pouze 5 externích komponent. To je pohodlné – napětí na sběrnici chytré domácnosti můžete zvýšit na 36 voltů zmenšením průřezu kabelů. Takový modul nainstalujeme na odběrná místa a nakonfigurujeme na požadovaných 12, 9, 5 voltů nebo dle potřeby.
Pojďme se na ně podívat blíže.
Vlastnosti čipu:
- Vstupní napětí - od 2,4 do 40 voltů (až 60 voltů ve verzi HV)
- Výstupní napětí - pevné nebo nastavitelné (od 1,2 do 37 voltů)
- Výstupní proud - až 3 ampéry (s dobrým chlazením - až 4,5 A)
- Převodní frekvence - 150 kHz
- Pouzdro - TO220-5 (montáž do průchozího otvoru) nebo D2PAK-5 (montáž na povrch)
- Účinnost - 70-75% při nízkém napětí, až 95% při vysokém napětí
- Stabilizovaný zdroj napětí
- Obvod měniče
- Datový list
- USB nabíječka založená na LM2596
- Stabilizátor proudu
- Použití v domácích zařízeních
- Nastavení výstupního proudu a napětí
- Vylepšené analogy LM2596
Historie - lineární stabilizátory
Nejprve vysvětlím, proč jsou standardní lineární měniče napětí jako LM78XX (například 7805) nebo LM317 špatné. Zde je jeho zjednodušené schéma.
Hlavním prvkem takového převodníku je výkonný bipolární tranzistor, zapnutý ve svém „původním“ významu - jako řízený odpor. Tento tranzistor je součástí Darlingtonova páru (pro zvýšení koeficientu přenosu proudu a snížení výkonu potřebného k provozu obvodu). Základní proud nastavuje operační zesilovač, který zesiluje rozdíl mezi výstupním napětím a tím, které nastavuje ION (referenční zdroj napětí), tzn. je zapojen podle klasického obvodu chybového zesilovače.
Převodník tedy jednoduše zapne rezistor v sérii se zátěží a řídí jeho odpor tak, aby na zátěži zhaslo například přesně 5 voltů. Je snadné spočítat, že při poklesu napětí z 12 voltů na 5 (velmi častý případ použití čipu 7805) se vstupních 12 voltů rozdělí mezi stabilizátor a zátěž v poměru „7 voltů na stabilizátoru + 5 volty na zátěži." Při proudu půl ampéru se při zátěži uvolní 2,5 wattu a při 7805 až 3,5 wattu.
Ukazuje se, že „extra“ 7 voltů jednoduše zhasne na stabilizátoru a změní se na teplo. Za prvé to způsobuje problémy s chlazením a za druhé to odebírá hodně energie ze zdroje energie. Při napájení ze zásuvky to není příliš děsivé (ačkoli to stále poškozuje životní prostředí), ale při napájení z baterií nebo dobíjecích baterií to nelze ignorovat.
Dalším problémem je, že je obecně nemožné vytvořit boost konvertor pomocí této metody. Často taková potřeba vyvstane a pokusy vyřešit tento problém před dvaceti nebo třiceti lety jsou úžasné - jak složitá byla syntéza a výpočet takových obvodů. Jedním z nejjednodušších obvodů tohoto druhu je push-pull měnič 5V->15V.
Je třeba přiznat, že poskytuje galvanické oddělení, ale nevyužívá transformátor efektivně - vždy je použita pouze polovina primárního vinutí.
Zapomeňme na to jako na zlý sen a přejděme k moderním obvodům.
Zdroj napětí
Systém
Mikroobvod je vhodné použít jako snižující převodník: uvnitř je umístěn výkonný bipolární spínač, zbývá pouze přidat zbývající komponenty regulátoru - rychlou diodu, indukčnost a výstupní kondenzátor, lze nainstalujte vstupní kondenzátor - pouze 5 dílů.
Verze LM2596ADJ bude také vyžadovat obvod pro nastavení výstupního napětí, jedná se o dva odpory nebo jeden proměnný odpor.
Obvod snižovacího měniče napětí založený na LM2596:
Celé schéma dohromady:
Tady můžete Stáhněte si datový list pro LM2596.
Princip činnosti: výkonný spínač uvnitř zařízení, řízený signálem PWM, vysílá na indukčnost impulsy napětí. V bodě A je x % času plné napětí a (1-x) % času je napětí nulové. LC filtr tyto oscilace vyhlazuje zvýrazněním konstantní složky rovné x * napájecího napětí. Dioda dokončí obvod, když je tranzistor vypnutý.
Podrobný popis práce
Indukčnost odolává změně proudu, kterým prochází. Když se napětí objeví v bodě A, induktor vytvoří velké záporné samoindukční napětí a napětí na zátěži se rovná rozdílu mezi napájecím napětím a samoindukčním napětím. Postupně se zvyšuje indukčnost proudu a napětí na zátěži.
Po vymizení napětí v bodě A se induktor snaží udržet předchozí proud tekoucí ze zátěže a kondenzátoru a zkratuje jej přes diodu k zemi - postupně klesá. Napětí zátěže je tedy vždy menší než vstupní napětí a závisí na pracovním cyklu impulsů.
Výstupní napětí
Modul je dostupný ve čtyřech verzích: s napětím 3,3V (index –3,3), 5V (index –5,0), 12V (index –12) a nastavitelnou verzí LM2596ADJ. Má smysl používat přizpůsobenou verzi všude, protože je velké množství na skladě elektronické společnosti a je nepravděpodobné, že se setkáte s jeho nedostatkem - a vyžaduje pouze další dva centové rezistory. A oblíbená je samozřejmě i 5voltová verze.
Množství na skladě je v posledním sloupci.
Výstupní napětí můžete nastavit pomocí DIP přepínače, dobrý příklad toto je znázorněno zde nebo ve formě otočného přepínače. V obou případech budete potřebovat baterii přesných rezistorů - ale napětí můžete upravit bez voltmetru.
Rám
Existují dvě možnosti pouzdra: pouzdro pro planární montáž TO-263 (model LM2596S) a pouzdro s průchozím otvorem TO-220 (model LM2596T). Raději používám planární verzi LM2596S, protože v tomto případě je chladičem samotná deska a není potřeba dokupovat externí chladič. Jeho mechanická odolnost je navíc mnohem vyšší, na rozdíl od TO-220, který se musí k něčemu přišroubovat, třeba i k desce - pak je ale jednodušší instalovat planární verzi. Čip LM2596T-ADJ doporučuji používat v napájecích zdrojích, protože snáze odvádí velké množství tepla z jeho pouzdra.
Vyhlazení zvlnění vstupního napětí
Po usměrnění proudu lze použít jako účinný „chytrý“ stabilizátor. Protože mikroobvod přímo monitoruje výstupní napětí, kolísání vstupního napětí způsobí nepřímo úměrnou změnu převodního koeficientu mikroobvodu a výstupní napětí zůstane normální.
Z toho vyplývá, že při použití LM2596 jako snižujícího měniče za transformátorem a usměrňovačem se vstupní kondenzátor (tedy ten bezprostředně za diodový můstek) může mít malou kapacitu (asi 50-100 µF).
Výstupní kondenzátor
Díky vysoká frekvence převodu, výstupní kondenzátor také nemusí mít velkou kapacitu. Ani výkonný spotřebitel nebude mít čas tento kondenzátor v jednom cyklu výrazně snížit. Udělejme výpočet: vezměte kondenzátor 100 µF, výstupní napětí 5 V a zátěž spotřebovávající 3 ampéry. Plné nabití kondenzátoru q = C*U = 100e-6 µF * 5 V = 500e-6 µC.
V jednom konverzním cyklu zátěž odebere z kondenzátoru dq = I*t = 3 A * 6,7 μs = 20 μC (to jsou pouze 4 % z celkového nabití kondenzátoru) a okamžitě začne nový cyklus a převodník vloží novou část energie do kondenzátoru.
Nejdůležitější je nepoužívat tantalové kondenzátory jako vstupní a výstupní kondenzátory. Přímo v technických listech píšou - „nepoužívat v silových obvodech“, protože velmi špatně snášejí i krátkodobá přepětí a nemají rádi vysoké pulzní proudy. Používejte běžné hliníkové elektrolytické kondenzátory.
Účinnost, účinnost a tepelné ztráty
Účinnost není tak vysoká, jelikož jako výkonný spínač je použit bipolární tranzistor - a ten má nenulový úbytek napětí cca 1,2V. Proto pokles účinnosti při nízkém napětí.
Jak vidíte, maximální účinnosti je dosaženo, když je rozdíl mezi vstupním a výstupním napětím asi 12 voltů. To znamená, že pokud potřebujete snížit napětí o 12 voltů, minimální množství energie půjde do tepla.
Co je účinnost převodníku? To je hodnota, která charakterizuje proudové ztráty - v důsledku generování tepla na plně otevřeném výkonném spínači podle Joule-Lenzova zákona a podobným ztrátám při přechodových procesech - když je spínač řekněme jen napůl otevřený. Účinky obou mechanismů mohou být co do velikosti srovnatelné, takže by se nemělo zapomínat na obě ztráty. Malé množství energie se také používá k napájení samotných „mozků“ převodníku.
V ideálním případě je při převodu napětí z U1 na U2 a výstupního proudu I2 výstupní výkon roven P2 = U2*I2, příkon je roven jemu (ideální případ). To znamená, že vstupní proud bude I1 = U2/U1*I2.
V našem případě má konverze účinnost pod jednotu, takže část energie zůstane uvnitř zařízení. Například s účinností η bude výstupní výkon P_out = η*P_in a ztráty P_loss = P_in-P_out = P_in*(1-η) = P_out*(1-η)/η. Samozřejmě, že převodník bude muset zvýšit vstupní proud, aby udržel zadaný výstupní proud a napětí.
Můžeme předpokládat, že při převodu 12V -> 5V a výstupním proudu 1A budou ztráty v mikroobvodu 1,3 wattu a vstupní proud bude 0,52A. V každém případě je to lepší než jakýkoli lineární převodník, který dá nejméně 7 wattů ztrát a bude spotřebovávat 1 ampér ze vstupní sítě (včetně tohoto zbytečného úkolu) - dvakrát tolik.
Mimochodem, mikroobvod LM2577 má třikrát nižší provozní frekvenci a jeho účinnost je o něco vyšší, protože v přechodných procesech dochází k menším ztrátám. Potřebuje však třikrát vyšší jmenovité hodnoty tlumivky a výstupního kondenzátoru, což znamená peníze navíc a velikost desky.
Zvyšování výstupního proudu
Navzdory již tak poměrně velkému výstupnímu proudu mikroobvodu je někdy zapotřebí ještě větší proud. Jak z této situace ven?
- Několik převodníků může být paralelizováno. Samozřejmě musí být nastaveny na přesně stejné výstupní napětí. V tomto případě si nevystačíte s jednoduchými SMD odpory v obvodu pro nastavení napětí zpětné vazby, musíte použít buď odpory s přesností 1%, nebo ručně nastavit napětí proměnným rezistorem.
USB nabíječka pro LM2596
Můžete si vyrobit velmi pohodlnou cestovní USB nabíječku. K tomu je potřeba nastavit regulátor na napětí 5V, opatřit jej USB portem a napájet nabíječku. Používám model rádiové lithium-polymerové baterie zakoupené v Číně, která poskytuje 5 ampérhodin při 11,1 voltu. To je hodně - dost 8krát nabít běžný smartphone(bez zohlednění účinnosti). S přihlédnutím k účinnosti to bude minimálně 6x.
Nezapomeňte zkratovat piny D+ a D- USB zásuvky, abyste telefonu řekli, že je připojen k nabíječce a přenášený proud je neomezený. Bez této události si telefon bude myslet, že je připojený k počítači a bude nabíjen proudem 500 mA – po velmi dlouhou dobu. Navíc takový proud nemusí ani kompenzovat proudový odběr telefonu a baterie se nebude nabíjet vůbec.
Můžete také poskytnout samostatný 12V vstup z autobaterie s konektorem zapalovače - a spínat zdroje nějakým vypínačem. Doporučuji nainstalovat LED, která bude signalizovat, že je zařízení zapnuté, abyste nezapomněli baterii po plném nabití vypnout - jinak ztráty v převodníku za pár dní zcela vybijí záložní baterii.
Tento typ baterie není příliš vhodný, protože je určen pro vysoké proudy – můžete zkusit najít baterii s nižším proudem, a bude menší a lehčí.
Stabilizátor proudu
Nastavení výstupního proudu
K dispozici pouze s verzí s nastavitelným výstupním napětím (LM2596ADJ). Mimochodem, Číňané vyrábí i tuto verzi desky, s regulací napětí, proudu a všemožných indikací - hotový modul stabilizátoru proudu na LM2596 s ochranou proti zkratu lze koupit pod názvem xw026fr4.
Pokud nechcete použít hotový modul a chcete si tento obvod vyrobit sami, není nic složitého, s jedinou výjimkou: mikroobvod nemá schopnost řídit proud, ale můžete jej přidat. Vysvětlím, jak to udělat, a objasním obtížné body na cestě.
aplikace
Proudový stabilizátor je věc potřebná k napájení výkonných LED (mimochodem - můj projekt mikrokontroléru vysoce výkonné LED ovladače), laserové diody, galvanické pokovování, nabíjení baterií. Stejně jako u stabilizátorů napětí existují dva typy takových zařízení - lineární a pulzní.
Klasický lineární stabilizátor proud je LM317 a ve své třídě je docela dobrý - ale jeho maximální proud je 1,5A, což je pro mnoho vysoce výkonných LED málo. I když tento stabilizátor napájíte externím tranzistorem, ztráty na něm jsou prostě nepřijatelné. Celý svět dělá povyk ohledně spotřeby energie pohotovostních žárovek, ale tady LM317 pracuje s účinností 30 % To není naše metoda.
Náš mikroobvod je však vhodným ovladačem pro pulzní měnič napětí, který má mnoho provozních režimů. Ztráty jsou minimální, protože se nepoužívají žádné lineární provozní režimy tranzistorů, pouze klíčové.
Původně byl určen pro obvody stabilizace napětí, ale několik prvků z něj udělalo stabilizátor proudu. Faktem je, že mikroobvod se zcela spoléhá na signál „Zpětná vazba“. zpětná vazba, ale co za to podat, je naše věc.
Ve standardním spínacím obvodu je do této větve přiváděno napětí z odporového děliče výstupního napětí. 1,2 V je rovnováha; pokud je zpětná vazba menší, ovladač zvýší pracovní cyklus impulsů; pokud je více, sníží ji. Ale můžete na tento vstup přivést napětí z proudového bočníku!
Shunt
Například při proudu 3A musíte vzít bočník s nominální hodnotou ne větší než 0,1 Ohm. Při takovém odporu tento proud uvolní asi 1 W, takže to je hodně. Je lepší paralelně zapojit tři takové bočníky, čímž získáte odpor 0,033 Ohm, pokles napětí 0,1 V a tepelné uvolnění 0,3 W.
Vstup Feedback však vyžaduje napětí 1,2V – a my máme pouze 0,1V. Je iracionální instalovat vyšší odpor (tepla se uvolní 150x více), takže nezbývá než toto napětí nějak zvýšit. To se provádí pomocí operačního zesilovače.
Neinvertující operační zesilovač
Klasické schéma, co by mohlo být jednodušší?
Sjednocujeme se
Nyní zkombinujeme konvenční obvod měniče napětí a zesilovač pomocí op-amp LM358, na jehož vstup připojíme proudový bočník.
Výkonný odpor 0,033 Ohm je zkrat. Může být vyroben ze tří paralelně zapojených rezistorů 0,1 Ohm a pro zvýšení přípustného ztrátového výkonu použijte odpory SMD v pouzdře 1206, umístěte je s malou mezerou (ne těsně vedle sebe) a snažte se ponechat kolem sebe co nejvíce měděné vrstvy. odpory a pod nimi pokud možno. K výstupu zpětné vazby je připojen malý kondenzátor, který eliminuje možný přechod do režimu oscilátoru.
Regulujeme jak proud, tak napětí
Na vstup Feedback připojíme oba signály – proudový i napěťový. Ke kombinaci těchto signálů použijeme obvyklé schéma zapojení „AND“ na diodách. Pokud je proudový signál vyšší než napěťový, bude dominovat a naopak.
Několik slov o použitelnosti schématu
Nelze upravit výstupní napětí. I když není možné regulovat současně výstupní proud i napětí - jsou vzájemně úměrné, s koeficientem "odpor zátěže". A pokud napájecí zdroj implementuje scénář jako „konstantní výstupní napětí, ale když proud překročí, začneme snižovat napětí“, tj. CC/CV je již nabíječka.
Maximální napájecí napětí pro obvod je 30V, protože to je limit pro LM358. Tento limit můžete rozšířit na 40 V (nebo 60 V u verze LM2596-HV), pokud budete napájet operační zesilovač ze zenerovy diody.
V posledně uvedené možnosti je nutné použít sestavu diod jako součtové diody, protože v ní jsou obě diody vyrobeny ve stejném technologický postup a na jednom křemíkovém plátku. Rozpětí jejich parametrů bude mnohem menší než rozptyl parametrů jednotlivých diskrétních diod - díky tomu získáme vysokou přesnost sledovacích hodnot.
Musíte také pečlivě zajistit, aby se obvod operačního zesilovače nevzrušoval a nepřešel do režimu laseru. Chcete-li to provést, zkuste zkrátit délku všech vodičů a zejména koleje připojené k kolíku 2 LM2596. Neumisťujte operační zesilovač do blízkosti této koleje, ale umístěte diodu SS36 a filtrační kondenzátor blíže k tělu LM2596 a zajistěte minimální plochu zemní smyčky připojené k těmto prvkům - je nutné zajistit minimální délku cesta zpětného proudu “LM2596 -> VD/C -> LM2596”.
Aplikace LM2596 v zařízeních a nezávislé rozložení desky
Mluvil jsem podrobně o použití mikroobvodů v mých zařízeních ne ve formě hotového modulu další článek, který pokrývá: volbu diody, kondenzátorů, parametrů induktoru a také mluvil o správném zapojení a pár tricích navíc.
Možnosti dalšího rozvoje
Vylepšené analogy LM2596
Po tomto čipu je nejjednodušší přejít na LM2678. V podstatě se jedná o stejný stepdown měnič, jen s tranzistorem s efektem pole, díky kterému účinnost stoupá na 92 %. Je pravda, že má 7 nohou místo 5 a není kompatibilní s pin-to-pin. Tento čip je však velmi podobný a bude jednoduchou a pohodlnou možností s vylepšenou účinností.
L5973D– poměrně starý čip, poskytující až 2,5A a mírně vyšší účinnost. Má také téměř dvojnásobnou konverzní frekvenci (250 kHz) – proto jsou vyžadovány nižší jmenovité hodnoty induktorů a kondenzátorů. Viděl jsem však, co se s tím stane, když to dáte přímo do sítě auta - dost často to vyřadí rušení.
ST1S10- vysoce účinný (90% účinnost) DC–DC stepdown měnič.
- Vyžaduje 5–6 externích součástí;
ST1S14- vysokonapěťový (až 48 voltů) regulátor. Vysoká pracovní frekvence (850 kHz), výstupní proud až 4A, Power Dobrý výstup, vysoká účinnost (ne horší než 85 %) a ochranný obvod proti nadměrnému zatěžovacímu proudu z něj dělají pravděpodobně nejlepší převodník pro napájení serveru z 36V zdroj.
Pokud je požadována maximální účinnost, budete se muset obrátit na neintegrované regulátory DC–DC. Problém s integrovanými ovladači je, že nikdy nemají chladné výkonové tranzistory - typický kanálový odpor není vyšší než 200 mOhm. Pokud však vezmete regulátor bez vestavěného tranzistoru, můžete si vybrat jakýkoli tranzistor, dokonce i AUIRFS8409–7P s odporem kanálu půl miliohm
DC-DC měniče s externím tranzistorem
Další díl
Díky vývoji moderní elektroniky se ve velkém vyrábějí specializované mikroobvody stabilizátorů proudu a napětí. Dělí se podle funkčnosti na dva hlavní typy, DC DC zvyšující měnič napětí a snižující měnič. Některé kombinují oba typy, ale to nemá vliv na účinnost k lepšímu.
Kdysi mnoho radioamatérů snilo o pulzních stabilizátorech, ale byly vzácné a nedostatkové. Potěší především sortiment v čínských obchodech.
- 1. Aplikace
- 2. Populární konverze
- 3. Měniče napětí boost
- 4. Příklady boosterů
- 5. Tusotek
- 6. Pro XL4016
- 7. Na XL6009
- 8.MT3608
- 9. Vysoké napětí při 220
- 10. Výkonné měniče
aplikace
Nedávno jsem koupil mnoho různých LED v 1W, 3W, 5W, 10W, 20W, 30W, 50W, 100W. Všechny jsou nekvalitní, pro srovnání s kvalitními. Pro připojení a napájení celé této hromady mám 12V a 19V zdroje z notebooků. Musel jsem aktivně hledat přes Aliexpress při hledání nízkonapěťových ovladačů LED.
Byly zakoupeny moderní zvyšovací měniče stejnosměrného stejnosměrného a snižujícího napětí, 1-2 A a výkonné 5-7 A. Navíc se skvěle hodí pro připojení notebooku na 12V v autě, utáhnou 80-90W. Jsou docela vhodné jako nabíječka pro 12V a 24V autobaterie.
V čínských internetových obchodech jsou stabilizátory napětí o něco dražší.
Populární mikroobvody pro stupňovité spínací stabilizátory jsou:
- LM2577, zastaralý s nízkou účinností;
- XL4016, 2krát účinnější než 2577;
- XL6009;
- MT3608.
Stabilizátory jsou označeny takto AC-DC, DC-DC. AC je střídavý proud, DC je stejnosměrný proud. To usnadní hledání, pokud to uvedete v požadavku.
Není racionální vyrábět DC DC boost měnič vlastníma rukama, strávím příliš mnoho času montáží a konfigurací. Můžete si jej koupit od Číňanů za 50-250 rublů, tato cena zahrnuje doručení. Za tuto částku dostanu téměř hotový výrobek, který lze co nejrychleji finalizovat.
Tyto spínací integrované obvody se používají ve spojení s jinými, napsal charakteristiky a datový list pro populární integrované obvody pro napájení.
Populární konverze
Stabilizátory-posilovače se dělí na nízkonapěťové a vysokonapěťové od 220 do 400 voltů. Samozřejmě existují hotové bloky s pevnou hodnotou boostu, ale já preferuji vlastní, mají širší funkcionalitu.
Nejčastěji požadované transformace jsou:
- 12V - 19V;
- 12 - 24 voltů;
- 5 - 12V;
- 3 - 12V
- 12 - 220V;
- 24V - 220V.
Boostery se nazývají automobilové invertory.
Boost měniče napětí
Můj laboratorní zdroj běží z notebookové jednotky na 19V 90W, ale to nestačí na testování sériově zapojených LED. Sériový LED řetězec vyžaduje 30V až 50V. Nákup hotové jednotky pro 50-60 voltů a 150 W se ukázal být trochu drahý, asi 2000 rublů. Proto jsem si objednal první stupňovitý stabilizátor za 500 rublů. se zvýšením na 50V. Po kontrole se ukázalo, že dosahuje maximálně 32V, protože na vstupu a výstupu jsou kondenzátory 35V. Přesvědčivě jsem napsal prodejci o svém rozhořčení a za pár dní mi vrátili peníze.
Objednal jsem si druhý do 55V pod značkou Tusotek za 280 rublů, booster dopadl na výbornou. Z 12V se snadno zvýší na 60V, stavební rezistor jsem netočil výš, najednou by shořel. Radiátor je přilepen tepelně vodivým lepidlem, takže nebylo vidět označení mikroobvodu. Chlazení je provedeno trochu špatně, podložka chladiče Schottkyho diody a regulátoru je připevněna k desce, a ne k chladiči.
Příklady boosterů
XL4016
Pojďme se podívat na 4 modely, které mám skladem. Neztrácel jsem čas fotkami, vzal jsem i prodejce.
Charakteristika.
| Tusotek | XL4016 | Řidič | MT3608 | |
| Vstup, V | 6 – 35V | 6 – 32V | 5 – 32V | 2-24V |
| Vstupní proud | až 10A | až 10A | — | — |
| Výstup, V | 6 – 55V | 6 – 32V | 6 – 60V | až 28V |
| Výstupní proud | 5A, max 7A | 5A, max 8A | max 2A | 1A, max 2A |
| Cena | 260 rublů | 250 rublů | 270 rublů | 55 rublů |
S prací s čínským zbožím mám bohaté zkušenosti, většina má hned nedostatky. Před použitím je kontrolujem a upravuji pro zvýšení spolehlivosti celé konstrukce. Jedná se především o montážní problémy, které vznikají při rychlé montáži výrobků. dokončuji led reflektory, svítilny do domácnosti, potkávací a dálková světla auta, ovladače pro ovládání denních světel DRL. Doporučuji to udělat každému, s minimem vynaloženého času lze životnost zdvojnásobit.
Pozor, ne všechny mají ochranu proti zkratu, přehřátí, přetížení a nesprávnému zapojení.
Skutečný výkon závisí na režimu, specifikace udávají maximální. Charakteristiky každého výrobce se samozřejmě budou lišit, instalují různé diody a navíjejí induktor dráty různých tlouštěk.
Tusotek
Podle mě nejlepší ze všech posilovacích stabilizátorů. Některé prvky nemají rezervu charakteristiky nebo jsou nižší než u mikroobvodů PWM, proto nemohou poskytnout ani polovinu slibovaného proudu. Tusotek má na vstupu kondenzátor 1000mF 35V a na výstupu 470mF 63V. K desce je připájena strana chladiče s kovovou deskou. Jsou ale špatně pájené a nakřivo, na desce leží jen jedna hrana, pod druhou je mezera. Bez pohledu na to není jasné, jak dobře jsou utěsněny. Pokud je to opravdu špatné, je lepší je demontovat a položit tuto stranu na chladič; chlazení se zlepší 2krát.
Proměnný odpor nastavuje požadovaný počet voltů. Zůstane beze změny, pokud změníte vstupní napětí, nezávisí to na něm. Nastavil jsem např. 50V na výstupu, zvýšil z 5V na 12V na vstupu, nastavených 50V se nezměnilo.
Na XL4016
Tento konvertor má takovou vlastnost, že dokáže zesílit pouze 50 % vstupních voltů. Pokud připojíte 12V, pak maximální zvýšení bude 18V. V popisu bylo uvedeno, že lze použít pro notebooky, které jsou napájeny maximálně 19V. Ale jeho hlavním účelem se ukázalo být práce s notebooky z autobaterie. Pravděpodobně lze 50% omezení odstranit změnou rezistorů, které nastavují tento režim. Výstupní volty přímo závisí na počtu vstupů. 
Odvod tepla je mnohem lepší, radiátory jsou nainstalovány správně. Pouze místo teplovodivé pasty je teplovodivé těsnění, aby se zabránilo elektrickému kontaktu s radiátorem. Na vstupu je kondenzátor 470mF 50V, na druhém konci 470mF na 35V.
Na XL6009
Zástupce moderních účinných měničů, jako zastaralé modely LM2596 je k dispozici v několika variantách, od miniaturních až po modely s indikátory napětí.
Příklad účinnosti:
- 92% při přeměně 12V na 19V, zátěž 2A.
V datovém listu je okamžitě uvedeno schéma pro použití jako napájecí zdroj pro notebook v autě od 10V do 30V. Také na XL6009 je snadné implementovat bipolární napájení na +24 a -24V. Stejně jako u většiny měničů se účinnost snižuje, čím vyšší je rozdíl napětí a čím větší je ampér.
MT3608
Miniaturní model s dobrou účinností až 97 %, frekvence PWM 1,2 MHz. Účinnost se zvyšuje se zvyšujícím se vstupním napětím a klesá s rostoucím proudem. Na boost konvertoru MT3608 můžete počítat s malým proudem, vnitřně omezeným na 4A v případě zkratu. Pokud jde o volty, je vhodné nepřekročit 24.
Vysoké napětí 220
Konverzní jednotky od 12,24 V do 220 jsou rozšířené mezi automobilovými nadšenci. Slouží k připojení zařízení napájených 220V. Číňané prodávají hlavně 7-10 modelů takových modulů, zbytek jsou hotová zařízení. Cena od 400 rublů. Samostatně bych rád poznamenal, že pokud je na hotové jednotce uvedeno například 500 W, pak se často jedná o krátkodobý maximální výkon. Reálný dlouhodobý bude cca 240W.
Výkonné měniče
Pro speciální případy jsou potřeba výkonné DC-DC boost měniče 10-20A a až 120V. Ukážu vám několik oblíbených a cenově dostupných modelů. Většinou nemají označení nebo je prodejce schovává, aby je nekoupil jinde. Osobně jsem je netestoval, pokud jde o napětí, koexistují podle slibovaných charakteristik. Ale ampér bude o něco méně. Přestože produkty v této cenové kategorii vždy drží uvedenou zátěž, kupoval jsem podobná zařízení pouze s LCD obrazovkami.
600W
Výkonný #1:
- výkon 600W;
- 10-60V převádí na 12-80V;
- cena od 800 rublů.
Najdete jej vyhledáním „600W DC 10-60V na 12-80V Boost Converter Step Up“
400W
Výkonný #2:
- výkon 400W;
- 6-40V převádí na 8-80V;
- výstup až 10A;
- cena od 1200 rublů.
Chcete-li hledat, zadejte do vyhledávače „DC 400W 10A 8-80V Boost Converter Step-Up“
B900W
Výkonný #3:
- výkon 900W;
- 8-40V převádí na 10-120V;
- výstupní proud až 15A.
- cena od 1400 rublů.
Jediná jednotka, která je označena jako B900W a lze ji snadno najít.
DC měnič napětí (12/24V - 5V 5A). Model 122405B25Z
Tento měnič využívá nejnovější technologie vysokofrekvenční konverze k dosažení malých rozměrů, vysoké účinnosti a spolehlivosti. Převodník má plastové pouzdro. Vhodné pro použití v automobilech, elektrických vozidlech, autonomních napájecích systémech pro napájení různých 5V DC zátěží. Lze použít pro napájení nebo dobíjení mobilní telefony, smartphony, MP3 přehrávače, tablety (ne všechny!) atd., které jsou napájeny 5V DC.
Technické specifikace
Zvláštnosti
- Hliníkové pouzdro s těsněním z epoxidové pryskyřice - vodotěsné, prachotěsné;
- Lehký, kompaktní, snadno se používá a přepravuje;
- Ochrana proti přetížení, přehřátí, přepětí, nízkému napětí, zkratu na výstupu.
- Automatické obnovení po spuštění ochrany