Импульсный преобразователь напряжения dc. Обзор регулируемых преобразователей напряжения (стабилизаторов, DC-DC конвертеров)
Импульсные DC-DC преобразователи предназначены для как для повышения, так и для понижения напряжения. С их помощью можно с минимальными потерями преобразовать 5 вольт, например, в 12, или 24, либо и наоборот. Также существуют высоковольтные DC-DC преобразователи, они способны из относительно малого напряжения (5-12 вольт) получить весьма существенную разность потенциалов в сотни вольт. В этой статье рассмотрим сборку именно такого преобразователя, напряжение на выходе которого можно регулировать в пределах 60-250 вольт.
В её основе лежит распространённый интегральный таймер NE555. Q1 на схеме – полевой транзистор, можно использовать IRF630, IRF730, IRF740 или любые другие, рассчитанные на работу с напряжением выше 300 вольт. Q2 – маломощный биполярный транзистор, смело можно ставить BC547, BC337, КТ315, 2SC828. Дроссель L1 должен иметь индуктивность 100 мкГн, однако, если такого под рукой нет, можно ставить дроссели в пределах 50-150 мкГн, это не скажется на работе схемы. Легко изготовить дроссель самому – намотать 50-100 витков медного провода на ферритовое колечко. Диод D1 по схеме FR105, вместо него можно ставить UF4007 или любой другой быстродействующий диод на напряжение не меньше 300 вольт. Конденсатор С4 обязательно должен быть высоковольтным, как минимум 250 вольт, можно больше. Чем больше будет его ёмкость – тем лучше. Также желательно параллельно ему поставить плёночный конденсатор небольшой ёмкости для качественной фильтрации высокочастотных помех на выходе преобразователя. VR1 – подстроечный резистор, с помощью которого регулируется напряжение на выходе. Минимальное напряжение питания схемы – 5 вольт, самое оптимальное 9-12 вольт.
Изготовление преобразователя
Схема собирается на печатной плате размерами 65х25 мм, файл с рисунком платы к статье прилагается. Можно взять текстолит размером больше, чем сам рисунок, чтобы по краям осталось место для крепления платы в корпусе. Несколько фотографий процесса изготовления:
После травления плату обязательно нужно залудить и проверить на замыкание дорожки. Т.к. на плате присутствует высокое напряжение, между дорожками не должно быть никаких металлических заусенцев, иначе возможен пробой. В первую очередь на плату впаиваются мелкие детали – резисторы, диод, конденсаторы. Затем микросхема (её лучше установить в панельку), транзисторы, подстроечный резистор, дроссель. Для удобства подключения к плате проводов я рекомендую поставить винтовые клеммники, места для них на плате предусмотрены.
Скачать плату:
(cкачиваний: 240)
Первый запуск и настройка
Перед запуском обязательно нужно проверить правильность монтажа, прозвонить дорожки. Подстроечный резистор установить в минимальное положение (движок должен быть на стороне резистора R4). После этого можно подавать на плату напряжение, включив последовательно с ней амперметр. На холостом ходу ток потребления схемы не должен превышать 50 мА. Если он укладывается в норму, можно аккуратно поворачивать подстроечный резистор, контролируя напряжение на выходе. Если всё нормально – подключить к высоковольтному выходу нагрузку, например, резистор 10-20 кОм и ещё раз протестировать работу схемы, уже под нагрузкой.Максимальный ток, который может выдать такой преобразователь составляет примерно 10-15 мА. Использовать его можно, например, в составе ламповой техники для питания анодов ламп, либо же зажигать газоразрядные или люминесцентные индикаторы. Основной вариант применения – миниатюрный электрошокер, ведь напряжение 250 вольт на выходе ощутимо для человека. Удачной сборки!
LM2596 - понижающий преобразователь постоянного тока, он выпускается часто в виде готовых модулей, около 1 доллара ценой (в поиске LM2596S DC-DC 1.25-30 В 3A). Заплатив же 1,5 доллара, на Али можно взять похожий модуль с LED индикацией об входном и выходном напряжении, выключение выходного напряжения и точной настройкой кнопками с отображением значений на цифровых индикаторах. Согласитесь - предложение более чем заманчивое!
Ниже приводится принципиальная схема данной платы преобразователя (ключевые компоненты отмечены на картинке в конце). На входе есть защита от переполюсовки - диода D2. Это позволит предотвратить повреждения регулятора неправильно подключенным входным напряжением. Несмотря на то, что микросхема lm2596 может обрабатывать согласно даташита входные напряжения вплоть до 45 В, на практике входное напряжение не должно превышать 35 В при длительном использовании.
Для lm2596, выходное напряжение определяется уравнением, приведённым ниже. Резистором R2 выходное напряжение можно регулировать в пределах от 1.23 до 25 В.
Хотя микросхема lm2596 рассчитана на максимальный ток 3 А непрерывной работы, малая поверхность фольги-массы не достаточна, чтобы рассеять выделяемое тепло во всём диапазоне работы схемы. Также отметим, что КПД этого преобразователя варьируется весьма сильно в зависимости от входного напряжения, выходного напряжения и тока нагрузки. Эффективность может колебаться от 60% до 90% в зависимости от условий эксплуатации. Поэтому теплоотвод является обязательным, если непрерывная работа идёт при токах более чем 1 А.
Согласно даташиту, конденсатор прямой связи необходимо устанавливать параллельно резистору R2, особенно когда напряжение на выходе превышает 10 В - это нужно для обеспечения стабильности. Но этот конденсатор часто не присутствует на китайских недорогих платах инверторов. В ходе экспериментов были проверены несколько экземпляров DC преобразователей в различных условиях эксплуатации. В итоге пришли к выводу, что стабилизатор на ЛМ2596 хорошо подходит для низких и средних токов питания цифровых схем, но для более высоких значений выходной мощности необходим теплоотвод.
Сегодня в обзоре знаменитый DC-DC повышающий преобразователь напряжения на базе микросхемы MT3608. Плата популярна среди любителей создавать что-то своими руками. Применяется в частности для построения самодельных внешних зарядных устройств (power bank).
Сегодня мы проведем очень детальный обзор, изучим все достоинства и выясним недостатки
Стоит такая плата всего 0,5$, зная, что в ходе обзора предстоят жесткие тесты, которые могут обернуться выходном из строя плат, я купил сразу несколько штук.
Плата весьма неплохого качества, монтаж двухсторонний, если быть точнее почти вся обратная сторона - масса, одновременно играет роль теплоотвода. Габаритные размеры 36 мм * 17 мм * 14 мм
Производитель указывает следующие параметры
1). Максимальный выходной ток - 2А
2). Входное напряжение: 2 В ~ 24 В
3). Максимальное выходное напряжение: 28 В
4). Эффективность: ≤93%
Размер продукта: 36 мм * 17 мм * 14 мм
А схема представлена ниже.
На плате имеется подстроечный многооборотный резистор с сопротивлением 100кОм, предназначен для регулировки выходного напряжения. Изначально, для работы конвертора нужно покрутить переменник 10 шагов против часовой стрелки, лишь после этого схема начнет повышать напряжение, иными словами - до половины переменник крутится вхолостую.
На плате подписан вход и выход, поэтому проблем с подключением не возникнет.
Перейдем непосредственно к тестам.
1) Заявленное максимальное напряжение 28 Вольт, что соответствует реальному значению
2) Минимальное напряжение, при котором плата начинает работу - 2 Вольт, скажу, что это не совсем так, плата сохраняет работоспособность при таком напряжении, но начинает работу от 2,3-2,5 Вольт
3) Максимальное значение входного напряжения составляет 24 Вольт, скажу, что одна из 8 и купленных плат у меня не выдержила такое напряжение на входе, остальные сдали экзамен на отлично.
4) Режим короткого замыкания на выходе. Лабораторный блок питания, от которого питается источник, снабжен системой ограничения по току, при КЗ на выходе потребление с лабораторного БП составляет 5 А (это максимум, что может дать ЛБП). Исходя из этого делаем вывод, что если подключить инвертор например к аккумулятору, то при коротком замыкании последний моментально сгорит - защит от КЗ не имеет. Не имеется также зашита от перегрузки.
6) Что будет, если перепутать полярность подключения. Этот тест хорошо виден в ролике, плата попросту сгорает с дымом, притом сгорает именно микросхема.
7) Ток холостого хода всего 6мА, очень неплохой результат.
8) Теперь выходной ток. На вход подается напряжение 12 Вольт, на выходе 14, т.е разница вход-выход всего 2 Вольт, обеспечены наилучшие условия работы и если с таким раскладом схема не выдаст 2 Ампер, значит при других значениях вход-выход она этого обеспечить не может.
Температурные тесты
P.S. в ходе тестов дроссель начал попахивать лаком и в связи с этим он был заменен на более хороший, по крайней мере диаметр провода нового дросселя раза в 2 толще, чем у родного.
В случае этих тестов на вход платы подается напряжение 12 Вольт, на выходе выставлено 14
Тепловыделение на дросселе, дроссель уже заменен
Тепловыделение на диоде
Тепловыделение на микросхеме
Как видим температура в некоторых случаях выше 100 гр, но стабильна.
Нужно также указать, что в таких условиях работы выходные параметры значительно ухудшаются, что и стоило ожидать.
Как видим при выходном токе 2А, напряжение просаживается, поэтому рекомендую эксплоатировать платку при токах 1-1,2Ампер максимум, при больших значениях теряется стабильность выходного напряжения, а также перегревается микросхема, дроссель и выходной выпрямительный диод.
9) Осциллограмма выходного напряжения, где наблюдаем пульсации.
Ситуация исправиться если параллельно выходу запаять электролит (35-50Вольт), емкость от 47 до 220мкФ.(можно до 470, больше уже нет смысла)
Рабочая частота генератора около 1,5МГц
Погрешность тестов не более 5%
!
В этой самоделке AKA KASYAN сделает универсальный понижающий и повышающий преобразователь напряжения.
Недавно автор собрал литиевый аккумулятор. А сегодня раскроет секрет, для какой цели он его изготовил.
Вот новый преобразователь напряжения, режим его работы - однотактный.
Преобразователь имеет небольшие габариты и достаточно большую мощность.
Обычные преобразователи делают одно из двух. Только повышают, или только понижают подаваемое на вход напряжение.
Вариант, изготовленный автором может как повысить,
так и понизить входное напряжение до требуемого значения.
У автора имеются различные регулируемые источники питания, с помощью которых он тестирует собранные самоделки.
Заряжает аккумуляторы, да и использует их для различных других задач.
Не так давно появилась идея создания портативного источника питания.
Постановка задачи была такой: устройство должно иметь возможность заряжать всевозможные портативные гаджеты.
От обычных смартфонов и планшетов до ноутбуков и видеокамер, а также справился даже с питанием любимого паяльника автора TS-100.
Естественно можно просто воспользоваться универсальными зарядными устройствами с адаптерами питания.
Но все они питаются от 220В
В случае автора требуется нужен был именно портативный источник различных выходных напряжений.
А таковых в продаже автор не нашел.
Питающие напряжения для указанных гаджетов имеют очень широкий диапазон.
Например смартфонам нужно всего 5 В, ноутбукам 18, некоторым даже 24 В.
Аккумулятор, изготовленный автором, рассчитан на выходное напряжение в 14,8 В.
Следовательно, необходим преобразователь, способный как повышать, так и понижать начальное напряжение.
Обратите внимание, некоторые номиналы указанных на схеме компонентов, отличаются от установленных на плате.
Это конденсаторы.
На схеме указаны эталонные номиналы, а плату автор делал для решения своих задач.
Во-первых, интересовала компактность.
Во-вторых, авторский преобразователь питания позволяет спокойно создать выходной ток в 3 Ампера.
AKA KASYAN большего и не надо.
Связано это с тем, что емкость примененных накопительных конденсаторов небольшая, но схема способна выдать выходной ток до 5 А.
Поэтому схема является универсальной. Параметры зависят от емкости конденсаторов, параметров дросселя, диодного выпрямителя и характеристик полевого ключа.
Замолвим пару слов о схеме. Она представляет собой однотактный преобразователь на базе шим-контроллера UC3843.
Поскольку напряжение от аккумулятора немного больше штатного питания микросхемы, в схему был добавлен 12В стабилизатор 7812 для питания шим-контроллера.
В приведенной схеме данный стабилизатор указан не был.
Сборка. Про перемычки, установленные с монтажной стороны платы.
Этих перемычек четыре, и две из них являются силовыми. Их диаметр должен быть не менее миллиметра!
Трансформатор, вернее дроссель, намотан на желтом кольце из порошкового железа.
Такие колечки можно найти в выходных фильтрах компьютерных блоков питания.
Размеры примененного сердечника.
Внешний диаметр 23,29мм.
Внутренний диаметр 13,59мм.
Толщина 10,33мм.
Скорее всего, толщина намотки изоляции 0,3мм.
Дроссель состоит из двух равноценных обмоток.
Обе обмотки наматываются медной проволокой диаметром 1,2 мм.
Автор рекомендует применять проволоку диаметром немного больше, 1,5-2,0 мм.
Витков в обмотке десять, оба провода наматываются разом, в одном направлении.
Перед установкой дросселя перемычки заклеиваем капроновым скотчем.
Работоспособность схемы заключается в правильной установке дросселя.
Необходимо правильно припаять выводы обмоток.
Просто установите дроссель, как это показано на фото.
Силовой N-канальный полевой транзистор, подойдет практически любой низковольтный.
Ток транзистора не ниже 30А.
Автор использовал транзистор IRFZ44N.
Выходной выпрямитель - это сдвоенный диод YG805C в корпусе TO220.
Важно использовать диоды Шоттки, так как они дают минимальную просадку напряжения (0,3В против 0,7) на переходе, это влияет на потери и нагрев. Их также легко найти в пресловутых компьютерных блоках питания.
В блоках они стоят в выходном выпрямителе.
В одном корпусе - два диода, которые в схеме у автора запараллелены для увеличения проходящего тока.
Преобразователь стабилизирован, имеется обратная связь.
Выходное напряжение задает резистор R3
Его можно заменить на выносной переменный резистор для удобства работы.
Преобразователь также снабжен защитой от короткого замыкания. В качестве датчика тока применен резистор R10.
Это низкоомный шунт, и чем выше его сопротивление тем меньше ток срабатывания защиты. Установлен SMD вариант, на стороне дорожек.
Если защита от КЗ не нужна, то этот узел просто исключаем.
Еще защита. На входе схемы стоит предохранитель на 10А.
Кстати, в плате контроля аккумулятора уже установлена защита от КЗ.
Конденсаторы, применяемые в схеме крайне желательно брать с низким внутренним сопротивлением.
Стабилизатор, полевой транзистор и диодный выпрямитель крепятся к алюминиевому радиатору в виде согнутой пластины.
Обязательно изолируем подложки транзистора и стабилизатора от радиатора при помощи пластиковых втулок и теплопроводящих изолирующих прокладок. Не забываем и про термопасту. А установленный в схеме диод уже имеет изолированный корпус.
Сегодня мы рассмотрим несколько схем несложных, даже можно сказать - простых, импульсных преобразователей напряжения DC-DC (преобразователей постоянного напряжения одной величины, в постоянное напряжение другой величины)
Чем хороши импульсные преобразователи. Во-первых, они имеют высокий КПД, и во-вторых могут работать при входном напряжении ниже выходного. Импульсные преобразователи подразделяются на группы:
- - понижающие, повышающие, инвертирующие;
- - стабилизированные, нестабилизированные;
- - гальванически изолированные, неизолированные;
- - с узким и широким диапазоном входных напряжений.
Для изготовления самодельных импульсных преобразователей лучше всего использовать специализированные интегральные микросхемы - они проще в сборке и не капризны при настройке. Итак, приводим для ознакомления 14 схем на любой вкус:
Этот преобразователь работает на частоте 50 кГц, гальваническая изоляция обеспечивается трансформатором Т1, который наматывается на кольце К10х6х4,5 из феррита 2000НМ и содержит: первичная обмотка - 2х10 витков, вторичная обмотка - 2х70 витков провода ПЭВ-0,2. Транзисторы можно заменить на КТ501Б. Ток от батареи, при отсутствии нагрузки, практически не потребляется.
Трансформатор Т1 наматывается на ферритовом кольце диаметром 7 мм, и содержит две обмотки по 25 витков провода ПЭВ=0,3.
Двухтактный нестабилизированный преобразователь на основе мультивибратора (VТ1 и VТ2) и усилителя мощности (VТ3 и VТ4). Выходное напряжение подбирается количеством витков вторичной обмотки импульсного трансформатора Т1.
Преобразователь стабилизирующего типа на микросхеме MAX631 фирмы MAXIM. Частота генерации 40…50 кГц, накопительный элемент - дроссель L1.
Можно использовать одну из двух микросхем отдельно, например вторую, для умножения напряжения от двух аккумуляторов.
Типовая схема включения импульсного повышающего стабилизатора на микросхеме MAX1674 фирмы MAXIM. Работоспособность сохраняется при входном напряжении 1,1 вольта. КПД - 94%, ток нагрузки - до 200 мА.
Позволяет получать два разных стабилизированных напряжения с КПД 50…60% и током нагрузки до 150 мА в каждом канале. Конденсаторы С2 и С3 - накопители энергии.
8. Импульсный повышающий стабилизатор на микросхеме MAX1724EZK33 фирмы MAXIM
Типовая схема включения специализированной микросхемы фирмы MAXIM. Сохраняет работоспособность при входном напряжении 0,91 вольта, имеет малогабаритный SMD корпус и обеспечивает ток нагрузки до 150 мА при КПД - 90%.
Типовая схема включения импульсного понижающего стабилизатора на широкодоступной микросхеме фирмы TEXAS. Резистором R3 регулируется выходное напряжение в пределах +2,8…+5 вольт. Резистором R1 задается ток короткого замыкания, который вычисляется по формуле: Iкз(А)= 0,5/R1(Ом)
Интегральный инвертор напряжения, КПД - 98%.
Два изолированных преобразователя напряжения DA1 и DA2, включенных по “неизолированной” схеме с общей “землей”.
Индуктивность первичной обмотки трансформатора Т1 - 22 мкГн, отношение витков первичной обмотки к каждой вторичной - 1:2.5.
Типовая схема стабилизированного повышающего преобразователя на микросхеме фирмы MAXIM.
