- Повышающий/понижающий DC DC преобразователь — схема
- Принцип работы DC DC преобразователя по схеме
- Как появились стабилизаторы линейного типа
- Схема подключения первых преобразователей
- Схема современного преобразователя
- Монтаж повышающего/понижающего DC DC преобразователя своими руками
- Возрастание тока выхода
- Зарядное usb-устройство на LM2596
- lm2596 hw 411
- Dc Dc преобразователь
- Конденсатор выхода
- КПД, уровень эффективности и потери тепла
- Повышающие преобразователи (регуляторы II типа)
- Принцип работы импульсных преобразователей
- Инвертирующий и обратноходовой преобразователи
- Как регулируется выходной ток
- Напряжение выхода
- Как сгладить пульсации напряжения вход
- Светодиодный драйвер
- Понижающий преобразователь
Повышающий/понижающий DC DC преобразователь — схема
Вот у всех есть знакомый tl494, ему уже много лет, но он до сих пор не сдает своих позиций.
Кстати, мы уже видели, как сделать повышающий преобразователь напряжения TL494.
Сначала была идея сделать преобразователь постоянного тока в постоянный на UC3843, но она оказалась неудачной. Кроме того, если вы регулируете ток, вам необходимо вставить второй шунт, и это снижает конечную эффективность устройства.
В изделии по схеме есть регулировка напряжения, тока, а также установлен полевой драйвер. С ним нагрев немного снизился.
Также видно, что максимальная ширина выходного импульса ограничена, так как при максимальном заполнении схема перешла в непонятный режим, съела много тока, но на выходе упало напряжение.
Максимальное выходное напряжение 30 В.
Если вам нужно больше, вам нужно будет пересчитать стоимость этих резисторов здесь:
Также таким образом, чтобы при желаемом выходном напряжении в точке делителя оно составляло 5В.
Также у нас есть ограниченный ток, он составляет 2А. Если нужно больше, нужно пересчитать этот резистор:
Это немного сложнее. Для начала нужно узнать, сколько вольт выпадет на шунт. Например нам нужен ток 4А. Затем смотрим, какой ток через резистор уменьшится на 0,4В.
Теперь пересчитаем сопротивление. Необходимо, чтобы в точке разделения переменного и постоянного резистора напряжение было 0,4В. Для этого можно воспользоваться онлайн-калькулятором.
Схему и печатную плату можно скачать ниже.
Скачать файл: dc-dc-преобразователь-напряжения-своими-руками.rar
Принцип работы DC DC преобразователя по схеме
Отправной точкой является выключение устройства.
Мы подаем еду. Переключатель разомкнут, что означает, что ток течет через катушку индуктивности, конденсатор и диод непосредственно в нагрузку и выходной конденсатор.
Значит, ключ закрыт. В это время в катушке L1 накапливается энергия. Проходной конденсатор заряжен напряжением питания и, поскольку после замыкания ключа он оказывается подключенным параллельно индуктивности L2, он заряжает его. Напряжение с L2 не может идти на нагрузку, так как там стоит диод и его напряжение на катоде больше, чем на аноде.
Теперь мы снова открываем ключ, и напряжение на L1 добавляется к напряжению самоиндукции.
Следовательно, более высокое напряжение уже приложено к проходному конденсатору и нагрузке.
Изменяя рабочий цикл ШИМ, мы изменяем выходное напряжение.
Если ширина импульса достаточно мала, значение самоиндукции ниже и, следовательно, выходное напряжение уменьшается. Преимущество такой схемы перед обычным повышающим преобразователем постоянного тока состоит в том, что в ней есть сквозной конденсатор, который в случае короткого замыкания не позволит цепи разорваться.
Как появились стабилизаторы линейного типа
Для начала нужно понять, в чем заключается главный недостаток стандартных линейных преобразователей типа LM78XX. Основным элементом такого устройства является мощный биполярный транзистор, который изначально был управляемым резистором.
Устройство входит в пару Дарлингтонов. Основной ток задается операционным усилителем. Это увеличивает разницу между выходным напряжением и напряжением, заданным опорным напряжением. Он подключается по схеме усилителя стандартной ошибки.
Схема подключения первых преобразователей
Затем резистор включается с помощью преобразователя по последовательной схеме при наличии нагрузки. Проверяет сопротивление демпфирования на нагрузке с определенным количеством вольт. В процессе расчета можно установить, что при уменьшении напряжения, например, с 12 до 5 В, вход 12 В распределяется на нагрузку и стабилизатор в соотношении 7: 5.
«Лишние» 7 В отключаются и превращаются в тепло. Это приводит к проблемам с охлаждением, и на это тратится большое количество энергии. Если питание идет от розетки, ничего опасного нет, но если оно идет от батареи или аккумулятора, этот фактор необходимо учитывать.
Изготовить преобразователь напряжения описанным способом было бы вряд ли. Тридцать лет назад вычислить такие закономерности было крайне сложно. Самая простая схема этого типа — 2-тактный преобразователь от 5 до 15 В.
Такое устройство обеспечивает гальваническую развязку, но эффективность использования трансформатора крайне низкая. Активно используется только 1⁄2 первичной обмотки.
Но это, скажем так, прототип. Поговорим теперь о современных устройствах.
Схема современного преобразователя
Микросхему удобно использовать в качестве понижающего преобразователя, внутри размещен прочный биполярный переключатель, нужно лишь добавить к регулятору еще несколько компонентов: быстрый диод, выходные и входные конденсаторы и т.д.
В варианте LM2596ADJ требуется цепь питания выходного напряжения: 2 резистора или 1 плазменный резистор.
LM2596 изнутри выглядит так:
Сигнал ШИМ управляется мощной кнопкой изнутри устройства. Точка A x% времени имеет полное напряжение, в (1 — x)% — нулевое напряжение. Вибрации подавляются ЖК-фильтром. Он излучает постоянную составляющую напряжения питания.
Монтаж повышающего/понижающего DC DC преобразователя своими руками
Как уже было сказано выше, некоторые составляющие схемы нужно рассчитать, так как в сети много готовых онлайн-калькуляторов.
Как в реальной жизни намотать катушки с необходимой индуктивностью? Те, у кого есть измеритель СОЭ, скажут, что здесь нет ничего сложного, доделайте и посмотрите параметры.
Но этот измеритель СОЭ показывает очень большую ошибку, поэтому предлагает использовать программу DrosselRing. В нем мы вводим все необходимые параметры, а также указываем, какое ядро у нас есть. Если под рукой никого нет, вытаскиваем 2 одинаковых желтых кольца из блока питания компьютера.
Что ж, осталось разгадать наши узкие места, это уже не составит труда.
Получилось неплохо. Казалось бы, все трудности прошли, но нет, впереди еще разводка DC DC PCB. Конвертер. На то, чтобы организовать все элементы максимально компактно, потребуется много времени.
Для сборки можно сделать доску немного шире и добавить отверстия по бокам, но это на ваше усмотрение.
Доска готова, отверстия просверлены, настала очередь пломбировки. Здесь есть важный момент: необходимо поднять силовые элементы выше над платой, так как отверткой достать их будет невозможно.
Теперь нужно установить на радиатор транзистор и диод. Мы используем такой алюминиевый профиль, он хорошего размера и сможет нормально охлаждать контур.
Вот что происходит.
Возрастание тока выхода
Ток микросхемы достаточно большой, но иногда нужно и больше.
Параллельно подключите преобразователи, настроенные на одинаковое выходное напряжение. В этих условиях невозможно использовать простые резисторы smd в цепи обратной связи. Используйте резисторы с точностью до 1% или выставляйте напряжение самостоятельно с помощью переменного резистора.
Если вы не уверены, мала ли разница напряжений, соедините преобразователи параллельно, используя небольшой шунт с сопротивлением в несколько десятков миллиом. Тогда вся нагрузка будет обнаружена преобразователем с наивысшим напряжением, и не факт, что он будет сопротивляться.
вы можете воспользоваться преимуществами высокого уровня охлаждения с большим радиатором или большой печатной платой. Это помогает увеличить ток.
Есть еще вариант — разместить за корпусом микросхемы мощный ключ. Следовательно, можно использовать полевой резистор с небольшим падением напряжения, чтобы увеличить КПД и выходной ток.
Зарядное usb-устройство на LM2596
Вы можете собрать качественное портативное зарядное устройство. Настройте регулятор на уровень напряжения 5 В, добавьте порт USB и подайте питание на зарядное устройство. Например, я видел литий-полимерный аккумулятор, который обеспечивает 5 ампер-часов при напряжении 11,1 В. Этого достаточно, чтобы разрядить обычный смартфон восемь раз, независимо от эффективности. Если принять во внимание, то примерно 6 раз, не меньше.
Обязательно закоротите два контакта — D + и D- разъема USB, чтобы сообщить телефону о подключении к зарядному устройству и бесконечности передаваемого тока. Если этого не сделать, то в «мозгу» устройства сформируется информация о его подключении к ПК и зарядке током около 500 мА, то есть очень слабым. Но такой ток не компенсирует энергопотребление телефона, и зарядка аккумулятора невозможна.
Обеспечьте отдельный вход 12 В от автомобильного аккумулятора с гнездом прикуривателя и используйте переключатель для переключения источников. Установите светодиод, который указывает на то, что устройство включено. В противном случае вы забудете выключить аккумулятор, когда он будет полностью заряжен, а из-за негерметичности преобразователя он полностью разрядится в течение нескольких дней.
Этот аккумулятор не лучший вариант, он работает на большой силе тока. Найдите аккумулятор с более-менее сильным током, меньшего размера или массы.
lm2596 hw 411
Рассмотрим еще одну понижающую форму. Его КПД составляет 80-92%. Используется в различных устройствах понижения напряжения. Это может быть блок питания, зарядное устройство, преобразователь управляющего сигнала. Используется в автомобилях для загрузки оборудования.
Входное напряжение постоянного тока составляет 4-40 В, выходное напряжение 1,5-35 В. Максимальное значение тока составляет 3 А, если оно больше 1 А, следует использовать дополнительное охлаждение.
Dc Dc преобразователь
Электрооборудование успешно подается через преобразователи постоянного тока в постоянный. Это устройство используется в компьютерах, устройствах связи, различных системах управления и автоматизации.
Это довольно простая идея: происходит преобразование постоянного напряжения в переменное, обычно с частотой более ста килогерц. Он поднимается, а затем выпрямляется и уходит в нагрузку. Одно из таких устройств — импульсный преобразователь.
Главное достоинство устройства — высокий КПД от 60 до 90%. Удобно еще и то, что диапазон входных напряжений достаточно широк.
Конденсатор выхода
Если частота преобразования высока, входной конденсатор также должен иметь большую емкость. Потребитель с большой мощностью не сможет серьезно снизить производительность этого конденсатора за один цикл.
Никогда не позволяйте танталовым конденсаторам входить и выходить из строя. В их техническом описании указано: «не для использования в цепи питания», так как даже небольшой скачок напряжения, а также высокий уровень импульсного тока трудно переносить. Используйте стандартные алюминиевые и электролитные конденсаторы.
КПД, уровень эффективности и потери тепла
КПД не самый высокий, так как биполярный транзистор — мощный переключатель. Падение напряжения на нем не нулевое, оно составляет 1,2 В. Поэтому КПД снижается даже при малых напряжениях.
Максимальный КПД становится возможным, когда разница между входным и выходным напряжением находится на уровне 12 В. Другими словами, если она уменьшается на 12 В, большая часть энергии будет расходоваться на тепло.
Будем считать, что при преобразовании 12 В в 5 В потери на выходном токе в микросхеме составляют 1,3 Вт, ток на входе — 0,52 А. Это более эффективно, чем преобразователь линейного типа, обеспечивающий потери не менее 7 Вт. Потребление от сети в два раза больше.
LM2577 имеет в три раза большую частоту. Это намного эффективнее, так как переходные потери не так велики. Но устройство требует более высоких параметров катушки индуктивности и выходного конденсатора, что приводит к лишним расходам.
Повышающие преобразователи (регуляторы II типа)
Они используются для питания потребителей, которым требуется напряжение, превышающее напряжение источника питания. Принцип работы повышающего DC / DC преобразователя аналогичен принципу действия понижающего преобразователя. Устройство состоит из тех же элементов, но имеет другую схему подключения. Открытие и закрытие транзистора также осуществляется с помощью настроек ШИМ.
Открытый ключ позволяет току проходить через транзистор и катушку индуктивности. В этом случае катушка накапливает электричество, а замкнутый диод не дает разрядиться выходному конденсатору, обеспечивающему сопротивление нагрузки. Как только напряжение падает ниже заданного уровня, транзистор выключается. В результате диод открывается и конденсатор начинает заряжаться. Входное напряжение добавляется к энергии, вырабатываемой в катушке. Это делает выходной сигнал более высоким, чем исходный. После достижения верхнего предела напряжения ключ снова закрывается, и цикл начинается снова.
Принцип работы импульсных преобразователей
Сегодня существует множество преобразователей импульсов постоянного напряжения, которые различаются количеством и типом реактивных компонентов, алгоритмами преобразования и другими характеристиками. Однако самыми простыми и, следовательно, наиболее популярными являются только четыре схемы: понижающая, повышающая, инвертирующая и обратноходовая (рис. 2). Эти преобразователи используют один и тот же принцип работы, имеют одинаковое количество компонентов и отличаются только способом переключения накопительной индуктивности L1, режимом работы, от которого зависят все характеристики схемы.
Рис. 2. Схемы самых популярных преобразователей
Преобразование электроэнергии происходит в два этапа. На первом этапе ключ S1 замыкается и на индуктивность L1 подается определенное напряжение VL1, под действием которого за время tON его ток увеличивается на величину dI1 (формула 2, рисунок 3):
$$ dI_ {1} = frac {V_ {L1}} {L_ {1}} times t_ {ON}, qquad { mathrm {(}} {2} { mathrm{)}}$
где L1 — индуктивность активной обмотки первой ступени.
В этом случае на диод VD1 подается напряжение обратной полярности, поэтому через него не протекает ток. В конце этого интервала ток индуктивности достигает максимального значения IMAX1, что означает, что энергия E накапливается в его магнитной цепи (формула 3):
$$ E = frac {I_ {MAX1} ^ 2 times L_ {1}} {2} qquad { mathrm {(}} {3} { mathrm{)}}$
Рис. 3. Диаграммы напряжения и тока индуктивности различных преобразователей
Поскольку энергия в индукторе увеличивается на первом этапе, его чаще всего называют этапом накопления или зарядки индуктора.
После размыкания ключа S1 на выводах всех обмоток индуктивности образуется ЭДС самоиндукции, полярность которой противоположна полярности, которая присутствовала на первом каскаде, а это значит, что индуктивность L1 теперь становится не потребитель, но источник электроэнергии. Изменение полярности напряжения на обмотках приводит к открытию диода VD1, который обеспечивает путь прохождения тока во второй ступени, называемой ступенью возврата, или разрядом катушки индуктивности.
Поскольку количество энергии в пускателе в момент переключения ключей не меняется, ток в его активной обмотке сразу после размыкания ключа S1 также будет максимальным, однако его значение IMAX2 может измениться, потому что теперь он может протекать через разное количество оборотов (формула 4):
$$ E = frac {I_ {MAX2} ^ 2 times L_ {2}} {2}, qquad { mathrm {(}} {4} { mathrm{)}}$
где L2 — индуктивность активной обмотки второй ступени.
Индуктивность понижающей, повышающей и инвертирующей цепей обычно содержит только одну обмотку, поэтому L1 = L2 и, следовательно, IMAX1 = IMAX2 = IMAX. Но для схемы обратного хода индуктивности L1 и L2 очень часто различаются, поэтому ток IMAX2 можно определить (формула 5), приравняв формулы 3 и 4 :
$$ I_ {MAX2} = I_ {MAX1} times sqrt { frac {L_ {1}} {L_ {2}}} = I_ {MAX1} times frac {N_ {1}} {N_ {2 }}}, qquad { mathrm {(}} {5} { mathrm{)}}$
где N1 и N2 — количество витков первичной и вторичной обмоток соответственно.
Вторую часть формулы 5 легко получить, если вспомнить, что индуктивность обмотки пропорциональна квадрату числа витков (формула 6):
$$ L_ {1,2} = N_ {1,2} ^ 2 times A_ {L}, qquad { mathrm {(}} {6} { mathrm{)}}$
где AL — расчетный параметр магнитопровода.
После размыкания диода напряжение на обмотке индуктора фиксируется на уровне VL2, под действием которого ток индуктора за время tOFF будет уменьшаться на dI2 (формула 7):
$$ dI_ {2} = frac {V_ {L2}} {L_ {2}} times t_ {OFF} qquad { mathrm {(}} {7} { mathrm{)}}$
В квазистационарном режиме, когда нет переходных процессов как в цепях питания, так и в цепях нагрузки, индуктивность на втором этапе преобразования должна отдавать всю энергию, накопленную в первом интервале. Это означает, что когда начинается следующий цикл, его текущий должен быть таким же, как начало предыдущего. Для цепей с однообмоточной индуктивностью dI1 = -dI2, но в общем случае (для обратноходового преобразователя) изменения токов обмоток определяются по закону полного тока (формула 8):
$$ dI_ {1} times N_ {1} = — dI_ {2} times N_ {2} qquad { mathrm {(}} {8} { mathrm{)}}$
Подставляя отношения 2 и 7 в формулу 8 с учетом 6, можно получить основное уравнение 9, связывающее напряжения на выводах обмоток индуктивности с соотношением длительностей основных ступеней преобразования:
$$ frac {V_ {L1}} {N_ {1}} times t_ {ON} = — frac {V_ {L2}} {N_ {2}} times t_ {OFF} qquad { mathrm { (}} {9} { mathrm{)}}$
Формула 9 является основой для получения управляющей характеристики преобразователя — зависимости выходного напряжения от относительной длительности первой ступени преобразования D = tON / (tON + tOFF). Однако для достижения этих зависимостей также необходимо рассматривать каждую схему отдельно.
Инвертирующий и обратноходовой преобразователи
Как в инвертирующем преобразователе, так и в обратном преобразователе полное входное напряжение (VL1 = VIN) прикладывается к обмоткам индуктивности в первом каскаде, а полное выходное напряжение (VL2 = VOUT) — во втором, как показано на рисунке 6. Поэтому , основное уравнение для определения их управляющих характеристик такое же (формула 14):
$$ frac {V_ {IN}} {N_ {1}} times t_ {ON} = — frac {V_ {OUT}} {N_ {2}} times t_ {OFF} qquad { mathrm { (}} {14} { mathrm{)}}$
Рис. 6. Принцип работы инвертирующих и обратноходовых преобразователей
Но, поскольку инвертирующие преобразователи в основном строятся на основе однообмоточных индуктивностей, для которых N1 = N2, их регулирующая характеристика при работе во всех режимах, кроме прерывистого, несколько проще (формула 15):
$$ V_ {OUT} = — V_ {IN} times frac {t_ {ON}} {t_ {OFF}} = — V_ {IN} times frac {D} {1-D} qquad { mathrm {(}} {15} { mathrm{)}}$
Ключевой особенностью обратного преобразователя является возможность обеспечения гальванической развязки между входом и выходом. В этом случае обмотки дросселя могут иметь разное количество витков (формула 16):
$$ V_ {OUT} = — V_ {IN} times frac {t_ {ON}} {t_ {OFF}} times frac {N_ {2}} {N_ {1}} = — V_ {IN} times frac {D} {1-D} times frac {N_ {2}} {N_ {1}} qquad { mathrm {(}} {16} { mathrm{)}}$
Для инвертирующего преобразователя, вход и выход которого имеют общий провод, выходное напряжение VOUT по абсолютной величине может быть выше или ниже входного VIN. Однако он обязательно должен иметь обратную полярность, потому что ни длительность первого tON, ни второго tOFF ступеней преобразования не может быть отрицательной. Для обратноходового преобразователя подача биполярного напряжения на обмотку осуществляется правильной фазировкой обмоток и включением диода VD1. При нарушении этого правила обратноходовой преобразователь работать не будет (по сути, он превратится в прямой преобразователь, принцип работы которого несколько иной).
При использовании в понижающих, повышающих и инвертирующих схемах с одной обмоткой максимальный КПД преобразователя будет в диапазоне 0,1 ≤ VIN… VOUT ≤ 10. Если входное напряжение отличается от входного более чем в 10 раз, следовательно, согласно формуле 9, продолжительность одного из этапов преобразования (tON или tOFF) будет значительно меньше другого (рисунок 7).
Рис. 7. Зависимости соотношения напряжений на входе и выходе преобразователей (VOUT / VIN) от соотношения длительностей первой и второй ступеней (tON / tOFF)
В этом случае становится сложно как регулировать выходное напряжение, так и фильтровать его, так как за короткие промежутки времени tON или tOFF увеличивается пульсация тока, что в конечном итоге приводит к катастрофическому снижению КПД, вплоть до физической невозможности реализации этого режима. (требуемая продолжительность tON или tOFF может быть меньше времени включения / выключения полупроводникового компонента). Таким образом, при большой разнице напряжений между входом и выходом используется переключение автотрансформатора индуктивностей, в котором транзистор или диод подключен к части обмотки (рисунок 8). В этом случае N1 ≠ N2 и формулы 10… 15 придется снова вывести из основного соотношения формулы 9.
Рис. 8. Понижающий преобразователь с переключением автотрансформатора на индуктивность, работающий с большим перепадом напряжений (VIN >> VOUT)
Как регулируется выходной ток
Это возможно только в том случае, если мы имеем дело с регулируемым выходным напряжением в варианте LM2596ADJ. В Китае производят именно такой стол, где есть всевозможные показания. Этот модуль можно приобрести под названием xw026fr4.
Если вы не хотите использовать готовый модуль, просто создайте устройство самостоятельно. Это не сложно. Проблема только одна: микросхема не контролирует ток, но это можно изменить.
Трансформатор тока — это реальное устройство, используемое в световых и лазерных диодах, гальванических элементах и зарядных устройствах. Купить его можно в популярных интернет-магазинах.
Напряжение выхода
Модуль выпускается в 4-х вариантах:
- При напряжении 3,3 В.
- 5 В.
- 12 В.
- LM2596ADJ — регулируемая версия.
Кастомизированная версия широко используется, так как ее много на складах электронных компаний. Его нет в дефиците и дополнения самые простые, всего 2 дешевых резистора. Конечно, популярен и вариант на 5В.
вы можете использовать DIP-переключатель или указатель поворота, чтобы установить выходное напряжение. И действительно, и в другом случае нужны точные резисторы. Напряжение регулируется без помощи вольтметров.
Как сгладить пульсации напряжения вход
Оказывается, если вы используете LM2596 в качестве понижающего преобразователя, входной конденсатор сразу за диодным мостом будет иметь небольшую емкость от 50 до 100 мкФ.
Светодиодный драйвер
Для обеспечения стабильного питания требуется специальная электрическая цепь в виде блока питания или драйвера. Он называется светодиодным драйвером.
Электронная схема стабилизирует напряжение и ток, которые подводятся к кристаллу.
Эта схема не удерживает ток автоматически. Он увеличивается с увеличением напряжения. При превышении допустимого значения кристалл разрушится от перегрева.
Этот вариант подходит для маломощных светодиодных источников света, но никоим образом не подходит для мощных светоизлучателей. Не путайте драйвер светодиода с люминесцентной лампой, они работают по-разному.
Понижающий преобразователь
Понижающий преобразователь (понижающий преобразователь) обычно имеет только одну обмотку, поэтому N1 = N2. В первой фазе преобразования разница между входным и выходным напряжениями (VL1 = VIN — VOUT) подается на катушку индуктивности, а во второй фазе применяется только выходное напряжение (VL2 = VOUT), как показано на рисунке. 4. Подставляя эти значения в формулу 9, получаем формулу 10:
$$ left (V_ {IN} -V_ {OUT} right) times t_ {ON} = — V_ {OUT} times t_ {OFF} qquad { mathrm {(}} {10} { mathrm{)}}$
Следовательно (формула 11):
$$ V_ {OUT} = V_ {IN} times frac {t_ {ON}} {t_ {ON} + t_ {OFF}} = V_ {IN} times D qquad { mathrm {(}} { 11} { mathrm{)}}$
Рис. 4. Принцип работы понижающего преобразователя
Из формулы 11 видно, что выходное напряжение VOUT понижающего преобразователя не может превышать входное VIN, в противном случае левая часть уравнения станет отрицательной, униполярное напряжение будет приложено к катушке индуктивности при преобразовании обеих фаз, и цепь не будет Работа.