Dc to dc converter схема
Обновлено: 04.07.2024
Эта статья о преобразователях напряжения, без которых редко обходится какой-либо современный прибор.
Сначала о терминологии: dc (direct current) - постоянный ток, ас (alternating current) - переменный ток. Теперь понятны обозначения в заголовке. Это различные типы преобразователей: ac/dc - переменный ток - в постоянный, dc/dc - постоянный в постоянный (но с другим напряжением), dc/ac - постоянный ток в переменный. Как правило, с изменением вида тока меняется и его напряжение.
Начнем по порядку:
ac/dc преобразователи напряжения используются в импульсных блоках питания. Вот пример простейшего.
Переменное напряжение из сети через резистор R1, ограничивающем ток зарядки конденсатора С1 в момент включения, поступает на выпрямительный мост. Конденсатор С! сглаживает пульсации выпрямленного напряжения. На транзисторе собран блокинг генератор с ПОС через базовую обмотку трансформатора. Диод D5 ограничивает импульсы на базе транзистора. Частота импульсов определяется временем зарядки и разрядки конденсатора С3 через R4. Резистор R2 определяет начальный ток транзистора, а цепочка С2 R3 ограничивает энергию, запасаемою в коллекторной катушке трансформатора. К вторичной обмотке подключен конденсатор С4 (керамический, емкостью несколько нанофарад - зависит от частоты), который сглаживает выбросы импульсов и снижает наводки. Затем импульсы через диод D6 заряжают конденсатор С5 большой емкости. Такой простой преобразователь не блещет надежностью и стабильностью напряжения на выходе. Все можно существенно улучшить, если ввести ООС.
Здесь напряжение ООС снимается с конденсаторов С5, С6 и подается на базу Т2 через стабилитрон D9. Как только напряжение на выходе превысит напряжение стабилизации стабилитрона, через него начинает течь ток и транзистор Т2 открывается и шунтирует базовую цепь Т1. Все бы хорошо в этой схеме, но вторичная обмотка соединена с высоковольтной частью. Поэтому вместо транзистора Т2 используют оптопару светодиод-фототранзистор, что позволяет изолировать выход блока питания от соединения с высоковольтной частью схемы.
Конечно, можно преобразовывать не только сетевое напряжение, но любое переменное. Смысл же использования ИБП в том, что трансформатор имеет во много раз меньшую массу, так как частота импульсов составляет 50-100 кГц, а иногда и 1 МГц.
Dc/dc - преобразователи напряжения призваны изменить напряжение постоянного тока. Кажется что же здесь сложного: поставь стабилизатор напряжения - и готово. Но так можно только понизить напряжение, да и то с весьма низким КПД, а вот повысить простым способом постоянное напряжение невозможно. Но выход есть. Нужно превратить постоянное напряжение в переменное - а там все просто: трансформатор и выпрямитель.
Простейший dc/dc преобразователь на одном транзисторе я описывал в предыдущей статье о блокинг-генератора.
Основой преобразователя является несимметричный мультивибратор на транзисторах разной проводимости. Достоинство несимметричного мультивибратора - малое количество деталей. Частота определяется конденсатором С1 и R3. Нагрузкой является дроссель L1, в котором возникает ЭДС самоиндукции, превышающее по своему значению напряжение питания и заряжающее через диод VD1 электролитический конденсатор. Величину выходного напряжения определяет стабилитрон VD2.
Рис. 4. Схемы понижающих преобразователей на МС34063. Рис. 4. Схемы понижающих преобразователей на МС34063.Обратите внимание на диапазон входных напряжений: от 8 до 38 В при выходном 5 В. А стоимость ее вообще смешная - 21р за 10 шт.
Когда в радиолюбительском или даже профессиональном арсенале требуется регулируемый источник питания невысокой мощности, то в его качестве может выступать DC-DC преобразователь, питаемый от 5-Вольтового телефонного зарядного устройства или даже от USB-порта компьютера.
Это тем более интересно, что телефонных зарядок, от которых можно запитать такой преобразователь, в каждом доме скопилось чуть более, чем гуталина на гуталиновой фабрике. :)
Представленный в этом обзоре DC-DC преобразователь имеет встроенный вольтметр и позволяет получить из стандартных 5 Вольт любое напряжение от 1 до 24 Вольт (и даже чуть более, как покажет тест).
(изображение со страницы продавца на Алиэкспресс)
Основные технические параметры DC-DC преобразователя
Характеристики взяты со страницы продавца; некоторые из них по ходу обзора придётся поправлять, в том числе и в лучшую сторону, как ни странно.
Цвет индикатора напряжения может быть красным или зелёным (по выбору потребителя).
Цена преобразователя на момент обзора — около 250 российских рублей ($3.5). Проверить актуальную цену или приобрести устройство можно здесь.
Внешний вид, конструкция и схемотехника DC-DC преобразователя
Преобразователь изготовлен в виде платы с USB-разъёмом, установленной в корпусе из прозрачного голубого пластика:
Прозрачность и гламурный цвет корпуса производят очень приятное впечатление. Хотя, на самом деле, корпус здесь сделан прозрачным не для красоты, а с функциональной целью: чтобы были видны показания встроенного вольтметра.
Корпус — неразборный, его половинки склеены «насмерть».
Вблизи выходных клемм на корпусе имеется оребрение, сделанное, видимо, чтобы корпус не скользил в руке. Но это оребрение оказалось не при деле: удобнее брать в руки устройство ближе к разъёму USB.
На обратной стороне обозначено функциональное назначение изделия:
Кроме того, здесь указана полярность выходных клемм и назначение расположенного с лицевой стороны многооборотного переменного резистора.
Через прозрачный корпус можно более-менее разобраться, как устроен преобразователь.
За оребрением корпуса (на его правой стороне) скрывается маленькая 6-ногая микросхема преобразователя — его главная деталь. На ней проставлена маркировка B6289M. По всей видимости, это — один из клонов популярной микросхемы для повышающих преобразователей MT3608.
Но в данном случае наш преобразователь в целом — повышающе-понижающий. Судя по наличию двух дросселей, здесь применена схема SEPIC, которая и позволяет превратить повышающий преобразователь в повышающе-понижающий.
В качестве выпрямительного диода использован диод Шоттки SS34, имеющий малую величину прямого падения напряжения.
Микросхема имеет встроенный тактовый генератор на частоту 1.2 МГц.
За измерение напряжения и индикацию отвечает «многоногая» микросхема NUVOTON N76E003AT20. Это — аналого-цифровой процессор с 12-битным АЦП. В данном случае этот процессор запрограмирован на роль вольтметра.
Между индикатором и разъёмом USB расположен элемент, обозначенный F1. Это — предохранитель (FUSE), при штатной работе устройства он не должен срабатывать. Но производитель всё-таки подстраховался на всякий случай. Кроме того, производить ещё и настоятельно рекомендует не допускать коротких замыканий.
Наконец, за регулировку напряжения отвечает голубой переменный резистор с ребристой латунной ручкой. При её вращении главное — не прикладывать излишнюю силу, когда она дошла до конечного положения.
Для установки напряжения с точностью 0.1 В вращать ручку надо очень медленно и плавно с того момента, когда напряжение начинает приближаться к требуемому значению. В принципе, миссия — выполнима.
Технические испытания DC-DC преобразователя
Первым делом проверяем реальные пределы регулировки напряжения и точность его измерения встроенным вольтметром.
Устанавливаем положение максимального напряжения:
Итого, по показаниям мультиметра напряжение составило 27.1 В, а по показаниям вольтметра преобразователя 25.9 В. Показаниям мультиметра при этом доверяем больше; ибо это — какой-никакой, а измерительный прибор всё-таки!
Погрешность встроенного вольтметра составила 4.4%. Это — не идеально, но терпимо. При установке напряжения по встроенному вольтметру просто можно учитывать этот факт «в уме».
Теперь устанавливаем минимальное напряжение:
Итого, по показаниям мультиметра напряжение составило 0.61 В, а по показаниям вольтметра преобразователя 0.5 В.
Здесь встроенный вольтметр показывает напряжение только с одной значащей цифрой, и погрешность получается куда больше, аж целых 18%.
Мораль: для очень низких напряжений всё-таки лучше контролировать его установку с помощью внешнего прибора, иначе погрешность может оказаться слишком высокой.
Но главный итог состоит в том, что диапазон регулировки выходного напряжения не только уложился в заявленные пределы, но и даже перевыполнил их! [оркестр играет туш]
При этом, исходя из схемотехники и свойств микросхемы преобразователя, можно предположить, что нижняя граница диапазона регулировки напряжения всегда будет около 0.6 В, а верхняя граница будет зависеть от разброса номиналов резисторов в схеме, но в любом случае будет выше 24 В.
Предельные режимы работы преобразователя и защита от короткого замыкания
Далее проверяем предельный отдаваемый ток преобразователя при разных выходных напряжениях. Проверка производилась только в диапазоне напряжений, официально заявленных производителем.
Проверка осуществлялась при питании от телефонного адаптера 5 Вольт / 2 Ампера; причём работоспособность адаптера при максимальном выходном тока 2 А была ранее успешно проверена.
При этой проверке возникла сложность с определением точной границы начала выхода преобразователя из режима стабилизации заданного напряжения.
Дело в том, что при превышении допустимой отдаваемой мощности защита от перегрузки и короткого замыкания в устройстве срабатывает не мгновенно, а постепенно. В связи с этим граница устойчивости режима определялась немножко «на глазок», по заметному падению напряжения выхода (более, чем на 0.1 В).
| Напряжение выхода | Максимальный ток выхода | Максимальная мощность выхода |
| 1 В | 1.86 А | 1.86 Вт |
| 3 В | 1.33 А | 3.99 Вт |
| 7.5 В | 0.65 А | 4.875 Вт |
| 9 В | 0.62 А | 5.58 Вт |
| 15 В | 0.33 А | 4.95 Вт |
| 24 В | 0.17 А | 4.08 Вт |
Приведённые здесь режимы — предельные, и длительная эксплуатация в них крайне не рекомендуется (нагрев корпуса был ощутимым).
При этой проверке выяснилось, что при установке на выходе малых напряжений и большого тока на выходе появляются колебания с частотой около 80 кГц, по форме близкие к синусу:
Здесь показана осциллограмма при выходном напряжении 1 В и токе 0.7 А; но первые признаки таких колебаний наблюдались, начиная с тока в 0.27 А.
Устраняются эти колебания, как обычно, с помощью конденсатора, подключенного к устройству снаружи, но расположить его надо близко к выходным клеммам преобразователя (оказалось достаточно 4.7 мкФ). Если этот же конденсатор установить на дальнем конце кабеля длиной 1 м (например), то колебания только слегка сглаживаются, но не устраняются.
Что касается защиты от коротких замыканий, то оптимальной её назвать нельзя. При напряжении 7.5 В ток короткого замыкания на выходе составил почти 2.5 А, а потребляемый ток — 1.55 А.
В таком режиме вся потребляемая мощность рассеивается внутри корпуса преобразователя, что опасно для его жизни и здоровья, если замыкание окажется длительным. При кратковременных замыканиях (2-3 секунды) преобразователь остаётся живым (проверено).
КПД преобразователя
КПД проверен в различных режимах работы преобразователя при мощности на выходе 3 Вт (номинал, установленный производителем). Исключение — режим с напряжением выхода 1 Вольт, в котором получить мощность выхода 3 Вт не удалось.
| Напряжение выхода | КПД (Pвых. = 3 Вт) |
| 1 В | 44 % |
| 3 В | 63 % |
| 7.5 В | 77 % |
| 9 В | 91 % |
| 15 В | 75% |
| 24 В | 74 % |
КПД даже в самом благоприятном варианте не дотянул до обещанных производителем 94%.
Вероятно, причина кроется в том, что применена более сложная схема устройства, чем та, под которую рассчитана микросхема преобразователя.
Она разработана для повышающих преобразователей; а использована в повышающе-понижающем преобразователе, имеющем дополнительные элементы, и, следовательно, дополнительные источники потерь.
И, последний вопрос — о пульсациях.
Ниже приведена осциллограмма пульсаций при выходном напряжении 7.5 В и токе 0.4 А:
Размах пульсаций составил около 80 мВ, т.е. примерно 1% от величины выходного напряжения.
В большинстве случаев это — приемлемая величина; но при применении преобразователя для питания устройств, чувствительных к помехам, может потребоваться их дополнительное подавление традиционным способом — с помощью конденсаторов. Конденсаторы в таких случаях желательно использовать в комбинации «керамика + электролит» и по принципу «чем больше, тем лучше».
Итоги и выводы
Даже такое простое устройство заставило вспомнить о том, что ничего идеального в этом мире нет. :)
Преобразователь оказался вполне работоспособным и «пригодным к употреблению», но при его применении необходимо учитывать особенности этого устройства.
Во-первых, при работе со значительными токами и малыми напряжениями следует подключать дополнительный внешний конденсатор вблизи выходных клемм (для подавления «генерации» на 80 кГц). Большой ёмкости не требуется, достаточно от 4.7 мкФ.
Во-вторых, при работе с чувствительной аппаратурой так же может потребоваться установка дополнительных конденсаторов, подавляющих пульсации; но уже с более «серьёзной» ёмкостью.
В-третьих, надо помнить о недопустимости коротких замыканий на сколь-нибудь длительное время.
И, наконец, в-четвёртых, надо помнить и о том, что при питании преобразователя не от сетевого адаптера, а от от порта USB компьютера есть ограничения на ток, отдаваемый этими портами (500 мА для USB 2, и 900 мА для USB 3). Для примерного расчёта допустимого выходного тока преобразователя может помочь приведённая в обзоре таблица с КПД устройства при разных выходных напряжениях.
Окончательный список «плюсов» и «минусов».
Плюсы:
— широкий диапазон регулировки выходного напряжения, превосходящий заявленный производителем;
— возможность использования с кратковременным превышением допустимой выходной мощности;
— наличие встроенного вольтметра;
— возможность настройки выходного напряжения с точностью до 0.1 В;
— возможность питания от широко распространённых зарядных устройств для мобильных телефонов;
— возможность питания от USB-портов компьютеров (с ограничениями по мощности);
— приятный внешний вид, малые габариты и вес.
Минусы:
— малая эффективность защиты от коротких замыканий;
— необходимость дополнительных конденсаторов для подавления помех (особенно — при малых напряжениях и высоких токах);
— КПД ниже заявленного производителем.
Приобрести этот преобразователь можно на Алиэкспресс проверить актуальную цену или купить.
Производством надежных, доступных и удобных в эксплуатации контроллеров занимается фирма Texas Instruments. На их основе китайские предприятия изготавливают самые недорогие импульсные преобразователи, которые понижают напряжение.
Особенности преобразователей LM2596
Параметры устройства
Микросхема обладает следующими характеристиками:
Корпуса
Как появились стабилизаторы линейного типа
Схема подключения первых преобразователей
Итак, резистор включается с помощью преобразователя по последовательной схеме, при наличии нагрузки. Он контролирует сопротивление для гашения на нагрузке определенного количества Вольт. При подсчете можно установить, что, если напряжение снижается, например, с 12 до 5 В, происходит распределение входных 12 В на нагрузку и стабилизатор с отношением 7:5.
Происходит гашение “избыточных” 7 В и их превращение в тепло. Это приводит к проблемам с охлаждением, и на это тратится большое количество энергии ИП. Если питание поступает от розетки, в этом нет ничего опасного, но если от батареи или аккумулятора, данный фактор нужно учитывать.
Но это, скажем так, прототип. А теперь поговорим о современных устройствах.
Схема современного преобразователя
В вариации LM2596ADJ необходима схема обеспечения напряжения выхода: 2 резистора, либо 1 плазморезистор.
LM2596 изнутри выглядит примерно так:
Как работает LM2596
Индуктивность не позволяет проходить через нее изменению тока. Создается высокое отрицательное напряжение самоиндукции, нагрузочное напряжение идентично разнице этого параметра для самоиндукции.
Индуктивный ток и нагрузочное напряжение поэтапно возрастают. Он замыкается на землю посредством диода и уменьшается. Значит, нагрузочное напряжение имеет меньшее значение, чем входное, и на него влияет скважность импульсов.
Напряжение выхода
Модуль производят в 4 вариантах:
Как сгладить пульсации напряжения вход
Получается, что если использовать LM2596 как понижающий преобразователь, конденсатор входа, стоящий сразу за диодным мостом, обладает небольшой емкостью от 50 до 100 мкФ.
Конденсатор выхода
Если частота преобразования высока, конденсатор входа тоже должен обладать большой емкостью. Потребитель с высокой мощностью не сможет серьезно снизить работоспособность данного конденсатора в ходе одного цикла.
КПД, уровень эффективности и потери тепла
Наибольшая эффективность становится возможной при разнице между напряжением входа и выхода на уровне 12 В. Иными словами, если его снизить на 12 В, большая часть энергии уйдет на тепло.
Возрастание тока выхода
Ток микросхемы довольно высок, но иногда требуется еще больше.
Запараллельте преобразователи, настроенные на одинаковое напряжение выхода. При таких обстоятельствах нельзя использовать простые резисторы smd в цепи, задающей напряжение, Feedback. Применяйте резисторы с точностью до 1% или задавайте напряжение самостоятельно с помощью переменного резистора.
Если вы не уверены, что разброс напряжения мал, параллельте преобразователи с помощью небольшого шунта с сопротивлением несколько десятков мОм. Тогда всю нагрузку возьмет на себя преобразователь с наибольшим напряжением, и не факт, что он выдержит.
Можно воспользоваться высоким уровнем охлаждения с помощью большого радиатора или многослойной печатной платы крупной площади. Это помогает повысить ток.
Как регулируется выходной ток
Это возможно только в том случае, если мы имеем дело с настраиваемым напряжением выхода в варианте LM2596ADJ. В Китае производится именно такая плата, где есть всевозможная индикация. Такой модуль можно приобрести под наименованием xw026fr4.
Зарядное usb-устройство на LM2596
Можно соорудить качественный переносной зарядник. Настройте регулятор на уровень напряжения 5В, добавить к нему USB-порт и обеспечьте питание зарядного устройства. например, мне встречался аккумулятор из литий-полимера, который обеспечивает 5 ампер-часов, когда напряжение составляет 11,1 В. Этого хватит для восьмикратной разрядки обычного смартфона без учета КПД. Если его учесть, выйдет около 6 раз, не менее.
Предусмотрите наличие отдельного входа 12 В от машинного аккумулятора с гнездом для прикуривателя и используйте переключатель для переключения источников. Установите светодиод, сигнализирующий о включении устройства. Иначе вы забудете о выключении батареи, когда она полностью зарядится, и из-за потерь в преобразователе она полностью сядет в течение нескольких дней.
lm2596 hw 411
Рассмотрим еще один понижающий модуль. Его эффективность составляет 80-92%. Он применяется в разных приборах, снижающих напряжение. Он может быть блоком питания, зарядкой, контрольным преобразователем сигналов. Применяется в автомобилях для зарядки оборудования.
Dc Dc преобразователь
Питание электроаппаратуры успешно обеспечивается с помощью dc dc преобразователей. Это устройство применяется в вычислительной технике, приборах связи, разных контролирующих системах, автоматике.
Светодиодный драйвер
Чтобы обеспечить стабильное электропитание, нужна специальная электросхема в виде блока или драйвера питания. Он называется led driver.
За счет электронной схемы обеспечивается стабилизация напряжения и тока, которые подводятся к кристаллу.
Данная схема автоматически не поддерживает ток. Он увеличивается при росте напряжения. Когда его допустимое значение будет превышено, кристалл разрушится от перегревания.
Этот вариант подходит для led-источников света с небольшой мощностью, но для мощных светоизлучателей он не годится категорически. Не путайте светодиодный драйвер с люминесцентной лампой, их принципы работы сильно отличаются.
Где приобрести LM2596
на просторах интернета множество готовых Dc/dc конвертеров.
Характеристики:
Input voltage: 4V-35V
:1.25-30V output voltage
Output current: 3A (MAX)
Module Size: 53 (mm) x26 (mm)
Input: the IN + input is level, IN-input negative
Output mode: OUT + output is level, the OUT-output negative
The following are not considered heat dissipation, output current limit (current small to large test), when used Please left margin.
Input 12V Output 4.2V maximum output current 0.4A
Input 12V Output 5.0V maximum output current 0.5A
Input 8.2V output 12V maximum current output 1A
Input 10V Output 12V maximum output current 1.2A
Input 12V Output 12V maximum output current 1.3A
Input 14V Output 12V maximum output current 1.5A
Input 24V Output 12V maximum output current 1.7A
Input 30V Output 12V maximum output current 1.8A
Dimension:46 (L) * 54(W) * 26 (H) mm (with heat sink)
Connection mode:Jack with screw fix
Input voltage: DC 5-30V
Output Voltage: DC 3-27V (adjustable, O/P Voltage < I/P Voltage by 1.5v, the default is 5V when delivery)
Output current: Rated current 2.5A, max up to 3A(heat sink is required)
Minimum Voltage difference: 2V
Conversion efficiency: Up to 93% (O/P voltage higher, the higher the efficiency)
Potentiometer adjustment direction: Clockwise (increase), counterclockwise (decrease)
и еще много всяких! все перечислять замучаюсь)
Вопрос к знатокам по питанию светодиодов! какой из подобных импульсников больше всего подходит для питания светодиодных сборок?
Читайте также: