Zanimljiv modul pretvarača napona XL4016 će se pojaviti na kineskim trgovačkim platformama. Kolo omogućava rad sa regulacijom napona (CV) i struje (CC). Nakon dodavanja izvora napajanja sistemu (na primjer, nepotrebno napajanje laptopa, transformator sa ispravljačem i kondenzator), modul se može koristiti kao podesivo napajanje, ili kao stabilizator sa fiksnim izlaznim naponom.

Krug vam omogućava da postavite maksimalnu izlaznu struju ili da radite kao izvor struje (CC). Rad u CC modu može se koristiti, na primjer, za napajanje LED dioda, punjenje baterije (uključujući akumulator automobila) ili napajanje Peltierovog modula. Višeokretni potenciometri instalirani na ploči mogu se zamijeniti većim i praktičnijim, opremljenim ručkom. Impulsni sistem je veoma efikasan, ali veće snage će zahtevati prisilnu cirkulaciju vazduha ili veći radijator.

Dijagram povezivanja DC-DC modula

Inverterski modul se može naći na Aliexpress-u, njegov opis često sadrži parametre 9 A 300 W, 1,2 - 35 V. Pogledajmo pobliže mogućnosti sklopa ovog pretvarača i izvršimo testove. Hladnjaci su opremljeni sa dvostrukom 10A STPS2045 diodom i XL4016 inverterskim krugom za smanjenje. Oznaku ulaza i izlaza snage i distribuciju potenciometara možete pronaći na slici ispod:

Poluprovodnici su izolovani od hladnjaka, što smanjuje rizik od kratkih spojeva, ali takođe može smanjiti efikasnost odvođenja toplote. Prema pronađenoj tablici podataka, XL4016 u paketu TO220 ima ograničenje struje od 8 A; možda je u modulu korišten element s većom deklariranom efikasnošću. Dvobojna LED dioda mijenja svoju boju iz plave u crvenu sa izlaznom strujom >0,8 A. Nakon zatvaranja izlaza, mogli smo podesiti izlaznu struju pomoću ampermetra u CC modu na 9 A. Rad LED dioda veoma je zgodan i informativan. Potrošnja struje bez opterećenja je oko 15 mA.

Elektrolitički kondenzatori se nalaze prilično blizu radijatora i temperatura im može skratiti vijek trajanja, dok velika induktivnost jednostavno visi u zraku, pa ga vrijedi pričvrstiti ljepilom kako ne bi oštetili tiskanu ploču prilikom mehaničkog naprezanja. S druge strane ploče je zalemljen stabilizator od 5V, LM358 i otpornik koji se koristi za mjerenje izlazne struje.

Testovi i testovi modula XL4016

Stabilnost izlaznog napona u poređenju sa izlaznim strujama je zadovoljavajuća, ispod je primjer grafikona izlaznog napona postavljenog na 3,3V ovisno o struji opterećenja.

Uticaj ulaznog napona pri podešavanju izlaznog napona je izuzetno mali.

Ovisnost efikasnosti pretvarača o promjenama izlazne struje za dva izlazna napona.

Zavisnost efikasnosti od promjene ulaznog napona.

Talasanje i devijacija izlaznog napona u različitim radnim uslovima prikazani su u oscilogramima ispod.

Primjena Buck Convertera

Ovaj modul je korišten kao punjač za gejming laptop, radi odlično i ne grije se kritično. Ulaz: 29V, izlaz 19V, Imax 4A prema parametrima originalnog 220V AC adaptera.

Najveća struja je uzeta iz modula koji radi kao napajanje za radiotelefon, koji je proizvodio 28 V i 9 A, što je jako dobro.

Kao punjač, ​​radi tako što dodaje veliki hladnjak na XL ili ga zamjenjuje hladnjakom većim od standardnog, plus ventilator koji također hladi kondenzatore.

Sigurni raspon struje za kontinuirano opterećenje je oko 7 A; pri naponu iznad 32 V, stabilizator je vrlo vruć. Bilo bi dobro postaviti veliki kapacitivni kondenzator za napajanje ispred pretvarača.

LM2596 je step-down DC-DC pretvarač, često se proizvodi u obliku gotovih modula, koji koštaju oko 1 USD (tražite LM2596S DC-DC 1,25-30 V 3A). Plaćajući 1,5$, možete kupiti sličan modul na Aliju sa LED indikacijom ulaznog i izlaznog napona, gašenjem izlaznog napona i tipkama za fino podešavanje sa prikazom vrijednosti na digitalnim indikatorima. Slažem se - ponuda je više nego primamljiva!

Ispod je šematski dijagram ove ploče pretvarača (ključne komponente su označene na slici na kraju). Na ulazu se nalazi zaštita od promjene polariteta - dioda D2. Ovo će spriječiti oštećenje regulatora zbog pogrešno priključenog ulaznog napona. Unatoč činjenici da lm2596 čip može obraditi ulazne napone do 45 V prema podacima, u praksi ulazni napon ne bi trebao prelaziti 35 V za dugotrajnu upotrebu.

Za lm2596, izlazni napon je određen donjom jednačinom. Sa otpornikom R2, izlazni napon se može podesiti od 1,23 do 25 V.

Iako je čip lm2596 dizajniran za maksimalnu struju od 3 A kontinuiranog rada, mala površina mase folije nije dovoljna da odvede generiranu toplinu u cijelom radnom opsegu kola. Također imajte na umu da efikasnost ovog pretvarača uvelike varira u zavisnosti od ulaznog napona, izlaznog napona i struje opterećenja. Efikasnost može da se kreće od 60% do 90% u zavisnosti od uslova rada. Stoga je odvođenje topline obavezno ako se kontinuirani rad odvija pri strujama većim od 1 A.

Prema tablici sa podacima, kondenzator za napredovanje mora biti instaliran paralelno s otpornikom R2, posebno kada izlazni napon prelazi 10 V - to je neophodno da bi se osigurala stabilnost. Ali ovaj kondenzator često nije prisutan na kineskim jeftinim inverterskim pločama. Tokom eksperimenata testirano je nekoliko primjeraka DC pretvarača u različitim radnim uvjetima. Kao rezultat toga, došli smo do zaključka da je stabilizator LM2596 dobro prikladan za niske i srednje struje napajanja digitalnih kola, ali za veće vrijednosti izlazne snage potreban je hladnjak.

DC/DC pretvarači se široko koriste za napajanje različite elektronske opreme. Koriste se u kompjuterskim uređajima, komunikacijskim uređajima, raznim upravljačkim i automatizacijskim krugovima itd.

Transformatorsko napajanje

U tradicionalnim transformatorskim izvorima napajanja, napon mreže za napajanje se pretvara, najčešće snižava, na željenu vrijednost pomoću transformatora. Smanjeni napon izglađuje kondenzatorski filter. Po potrebi se nakon ispravljača ugrađuje poluvodički stabilizator.

Transformatorski izvori napajanja obično su opremljeni linearnim stabilizatorima. Takvi stabilizatori imaju najmanje dvije prednosti: nisku cijenu i mali broj dijelova u uprtaču. Ali ove prednosti su narušene niskom efikasnošću, jer se značajan dio ulaznog napona koristi za zagrijavanje kontrolnog tranzistora, što je potpuno neprihvatljivo za napajanje prijenosnih elektroničkih uređaja.

DC/DC pretvarači

Ako se oprema napaja iz galvanskih ćelija ili baterija, onda je konverzija napona na potrebnu razinu moguća samo uz pomoć DC/DC pretvarača.

Ideja je prilično jednostavna: jednosmjerni napon se pretvara u naizmjenični napon, obično s frekvencijom od nekoliko desetina ili čak stotina kiloherca, povećava (smanjuje), a zatim ispravlja i dovodi do opterećenja. Takvi pretvarači se često nazivaju impulsni pretvarači.

Primjer je pojačani pretvarač sa 1,5V na 5V, samo izlazni napon USB-a računara. Sličan pretvarač male snage prodaje se na Aliexpressu.

Rice. 1. Pretvarač 1.5V/5V

Impulsni pretvarači su dobri jer imaju visoku efikasnost, u rasponu od 60..90%. Još jedna prednost impulsnih pretvarača je širok raspon ulaznih napona: ulazni napon može biti niži od izlaznog ili mnogo veći. Općenito, DC/DC pretvarači se mogu podijeliti u nekoliko grupa.

Klasifikacija pretvarača

Smanjenje, u engleskoj terminologiji step-down ili buck

Izlazni napon ovih pretvarača je u pravilu manji od ulaznog napona: bez značajnih gubitaka grijanja kontrolnog tranzistora, možete dobiti napon od samo nekoliko volti sa ulaznim naponom od 12...50V. Izlazna struja takvih pretvarača ovisi o potražnji opterećenja, što zauzvrat određuje dizajn kola pretvarača.

Drugi engleski naziv za step-down pretvarač je chopper. Jedna od opcija prijevoda ove riječi je prekid. U tehničkoj literaturi, opadajući pretvarač se ponekad naziva "čoper". Za sada, prisjetimo se ovog pojma.

Povećanje, u engleskoj terminologiji step-up ili boost

Izlazni napon ovih pretvarača je veći od ulaznog napona. Na primjer, sa ulaznim naponom od 5V, izlazni napon može biti do 30V, a moguća je njegova glatka regulacija i stabilizacija. Vrlo često se pojačivači nazivaju pojačivači.

Univerzalni pretvarači - SEPIC

Izlazni napon ovih pretvarača održava se na datom nivou kada je ulazni napon veći ili niži od ulaznog napona. Preporučuje se u slučajevima kada ulazni napon može varirati u značajnim granicama. Na primjer, u automobilu, napon baterije može varirati unutar 9...14V, ali morate dobiti stabilan napon od 12V.

Invertirajući pretvarači

Glavna funkcija ovih pretvarača je da proizvedu izlazni napon obrnutog polariteta u odnosu na izvor napajanja. Vrlo zgodno u slučajevima kada je potrebno bipolarno napajanje, na primjer.

Svi navedeni pretvarači mogu biti stabilizirani ili nestabilizirani, izlazni napon može biti galvanski povezan sa ulaznim ili imati galvansku naponsku izolaciju. Sve ovisi o konkretnom uređaju u kojem će se pretvarač koristiti.

Da biste prešli na dalju priču o DC/DC pretvaračima, trebali biste barem razumjeti teoriju općenito.

Step-down konverter chopper - buck konverter

Njegov funkcionalni dijagram prikazan je na donjoj slici. Strelice na žicama pokazuju smjerove struja.

Fig.2. Funkcionalni dijagram stabilizatora čopera

Ulazni napon Uin se dovodi na ulazni filter - kondenzator Cin. VT tranzistor se koristi kao ključni element, on vrši prebacivanje visokofrekventne struje. Može biti i jedno i drugo. Osim navedenih dijelova, krug sadrži diodu za pražnjenje VD i izlazni filter - LCout, iz kojeg se napon dovodi do opterećenja Rn.

Lako je vidjeti da je opterećenje povezano serijski sa elementima VT i L. Dakle, kolo je sekvencijalno. Kako dolazi do pada napona?

Modulacija širine impulsa - PWM

Upravljački krug proizvodi pravokutne impulse sa konstantnom frekvencijom ili konstantnim periodom, što je u suštini ista stvar. Ovi impulsi su prikazani na slici 3.

Fig.3. Kontrolni impulsi

Ovdje je t vrijeme impulsa, tranzistor je otvoren, t je vrijeme pauze, a tranzistor je zatvoren. Odnos ti/T naziva se radni ciklus radnog ciklusa, označen slovom D i izražen u %% ili jednostavno u brojevima. Na primjer, sa D jednakim 50%, ispada da je D=0,5.

Dakle, D može varirati od 0 do 1. Sa vrijednošću D=1, ključni tranzistor je u stanju pune provodljivosti, a sa D=0 u stanju prekida, jednostavno rečeno, zatvoren je. Nije teško pretpostaviti da će pri D=50% izlazni napon biti jednak polovini ulaznog.

Sasvim je očigledno da se izlazni napon reguliše promenom širine kontrolnog impulsa t i, zapravo, promenom koeficijenta D. Ovaj princip regulacije se naziva (PWM). U gotovo svim prekidačkim izvorima napajanja, uz pomoć PWM-a se stabilizuje izlazni napon.

Na dijagramima prikazanim na slikama 2 i 6, PWM je "skriven" u pravokutnicima označenim sa "Upravljački krug", koji obavlja neke dodatne funkcije. Na primjer, ovo može biti meki start izlaznog napona, daljinsko uključivanje ili zaštita od kratkog spoja pretvarača.

Općenito, pretvarači su postali toliko široko rasprostranjeni da su proizvođači elektroničkih komponenti počeli proizvoditi PWM kontrolere za sve prilike. Asortiman je toliko velik da bi vam bila potrebna cijela knjiga samo da ih navedete. Stoga nikome ne pada na pamet da sastavlja pretvarače pomoću diskretnih elemenata, ili kako se to često kaže u „labavom“ obliku.

Štoviše, gotovi pretvarači male snage mogu se kupiti na Aliexpressu ili Ebayu po niskoj cijeni. U ovom slučaju, za ugradnju u amaterski dizajn, dovoljno je lemiti ulazne i izlazne žice na ploču i postaviti potrebni izlazni napon.

No, vratimo se na našu sliku 3. U ovom slučaju, koeficijent D određuje koliko dugo će biti otvoren (faza 1) ili zatvoren (faza 2). Za ove dvije faze, krug se može prikazati u dva crteža. Slike NE PRIKAZUJU one elemente koji se ne koriste u ovoj fazi.

Fig.4. Faza 1

Kada je tranzistor otvoren, struja iz izvora napajanja (galvanska ćelija, baterija, ispravljač) prolazi kroz induktivnu prigušnicu L, opterećenje Rn i kondenzator za punjenje Cout. U isto vrijeme, struja teče kroz opterećenje, kondenzator Cout i induktor L akumuliraju energiju. Struja iL POSTOPENO SE POVEĆA, zbog uticaja induktivnosti induktora. Ova faza se zove pumpanje.

Nakon što napon opterećenja dostigne zadatu vrijednost (određenu postavkama upravljačkog uređaja), VT tranzistor se zatvara i uređaj prelazi u drugu fazu - fazu pražnjenja. Zatvoreni tranzistor na slici uopće nije prikazan, kao da ne postoji. Ali to samo znači da je tranzistor zatvoren.

Fig.5. 2. faza

Kada je VT tranzistor zatvoren, ne dolazi do dopune energije u induktoru, jer je izvor napajanja isključen. Induktivnost L teži da spriječi promjene u veličini i smjeru struje (samoindukcije) koja teče kroz namotaj induktora.

Zbog toga se struja ne može trenutno zaustaviti i zatvara se kroz krug "diode-opterećenja". Zbog toga se VD dioda naziva dioda za pražnjenje. U pravilu, ovo je Schottky dioda velike brzine. Nakon kontrolnog perioda, faze 2, krug se prebacuje na fazu 1, a proces se ponovo ponavlja. Maksimalni napon na izlazu razmatranog kruga može biti jednak ulazu, i ništa više. Da bi se dobio izlazni napon veći od ulaznog, koriste se pojačivači.

Za sada vas samo treba podsjetiti na količinu induktivnosti, koja određuje dva načina rada čopera. Ako je induktivnost nedovoljna, pretvarač će raditi u režimu struje prekida, što je potpuno neprihvatljivo za izvore napajanja.

Ako je induktivnost dovoljno velika, tada se rad odvija u režimu kontinuirane struje, što omogućava da se pomoću izlaznih filtara dobije konstantan napon sa prihvatljivim nivoom talasanja. Boost pretvarači, o kojima će biti riječi u nastavku, također rade u režimu kontinuirane struje.

Da bi se malo povećala efikasnost, dioda za pražnjenje VD zamjenjuje se MOSFET tranzistorom, koji se u pravom trenutku otvara upravljačkim krugom. Takvi pretvarači se nazivaju sinhroni. Njihova upotreba je opravdana ako je snaga pretvarača dovoljno velika.

Pretvarači za povećanje ili pojačanje

Boost pretvarači se uglavnom koriste za niskonaponsko napajanje, na primjer, iz dvije ili tri baterije, a neke komponente dizajna zahtijevaju napon od 12...15V uz nisku potrošnju struje. Vrlo često, pojačani pretvarač se kratko i jasno naziva riječju "pojačivač".

Fig.6. Funkcionalni dijagram pojačanog pretvarača

Ulazni napon Uin se primjenjuje na ulazni filter Cin i dovodi do serijski spojenog L i komutacijskog tranzistora VT. VD dioda je spojena na spojnu točku između zavojnice i odvoda tranzistora. Opterećenje Rn i shunt kondenzator Cout su spojeni na drugi terminal diode.

VT tranzistor se kontroliše pomoću upravljačkog kola koje proizvodi kontrolni signal stabilne frekvencije sa podesivim radnim ciklusom D, baš kao što je opisano malo iznad kada se opisuje kolo čopera (slika 3). VD dioda blokira opterećenje ključnog tranzistora u pravo vrijeme.

Kada je ključ tranzistora otvoren, desni izlaz zavojnice L prema dijagramu je spojen na negativni pol izvora napajanja Uin. Kroz zavojnicu i otvoreni tranzistor teče sve veća struja (zbog utjecaja induktivnosti) iz izvora napajanja, a energija se akumulira u zavojnici.

U ovom trenutku, dioda VD blokira opterećenje i izlazni kondenzator iz sklopnog kruga, čime se sprječava da se izlazni kondenzator isprazni kroz otvoreni tranzistor. Opterećenje se u ovom trenutku napaja energijom akumuliranom u kondenzatoru Cout. Naravno, napon na izlaznom kondenzatoru opada.

Čim izlazni napon padne malo ispod zadate vrijednosti (određene postavkama upravljačkog kola), ključ tranzistora VT se zatvara, a energija pohranjena u induktoru, preko diode VD, puni kondenzator Cout, koji napaja opterećenje. U ovom slučaju, emf samoindukcije zavojnice L se dodaje ulaznom naponu i prenosi na opterećenje, stoga je izlazni napon veći od ulaznog napona.

Kada izlazni napon dostigne postavljeni nivo stabilizacije, upravljačko kolo otvara tranzistor VT i proces se ponavlja od faze skladištenja energije.

Univerzalni pretvarači - SEPIC (single-ended primarno-induktorski pretvarač ili pretvarač sa asimetrično opterećenom primarnom induktivnošću).

Takvi pretvarači se uglavnom koriste kada opterećenje ima neznatnu snagu, a ulazni napon se mijenja u odnosu na izlazni napon gore ili dolje.

Fig.7. Funkcionalni dijagram SEPIC pretvarača

Vrlo sličan krugu pojačanog pretvarača prikazanom na slici 6, ali sa dodatnim elementima: kondenzator C1 i zavojnica L2. Upravo ovi elementi osiguravaju rad pretvarača u režimu smanjenja napona.

SEPIC pretvarači se koriste u aplikacijama gdje ulazni napon varira u velikoj mjeri. Primjer je 4V-35V do 1.23V-32V Boost Buck Voltage Step Up/Down regulator pretvarača. Pod tim imenom se pretvarač prodaje u kineskim trgovinama, čiji je krug prikazan na slici 8 (kliknite na sliku za povećanje).

Fig.8. Šematski dijagram SEPIC pretvarača

Slika 9 prikazuje izgled ploče sa oznakom glavnih elemenata.

Fig.9. Izgled SEPIC pretvarača

Na slici su prikazani glavni dijelovi prema slici 7. Imajte na umu da postoje dva namotaja L1 L2. Na osnovu ove funkcije možete utvrditi da je ovo SEPIC pretvarač.

Ulazni napon ploče može biti unutar 4…35V. U ovom slučaju, izlazni napon se može podesiti unutar 1,23…32V. Radna frekvencija pretvarača je 500 KHz.Uz male dimenzije od 50 x 25 x 12 mm, ploča daje snagu do 25 W. Maksimalna izlazna struja do 3A.

Ali ovdje treba dati primjedbu. Ako je izlazni napon postavljen na 10V, tada izlazna struja ne može biti veća od 2,5A (25W). Sa izlaznim naponom od 5V i maksimalnom strujom od 3A, snaga će biti samo 15W. Ovdje je glavna stvar ne pretjerivati: ili ne prekoračite maksimalnu dozvoljenu snagu ili ne prelazite granice dozvoljene struje.

Pogodno, na primjer, za napajanje laptopa u automobilu, za pretvaranje 12-24, za punjenje automobilske baterije iz napajanja od 12 V itd.

Konverter je stigao sa lijevom stazom tipa UAhhhhYP i jako dugo, 3 mjeseca, skoro sam otvorio spor.
Prodavac je dobro umotao uređaj.

Komplet je uključivao mesingane stalke sa maticama i podloškama koje sam odmah zašrafio da se ne izgube.

Montaža je dosta kvalitetna, ploča je očišćena.
Radijatori su sasvim pristojni, dobro osigurani i izolovani od strujnog kruga.
Prigušnica je namotana u 3 žice - pravo rješenje pri takvim frekvencijama i strujama.
Jedina stvar je što induktor nije osiguran i visi na samim žicama.

Stvarni dijagram uređaja:

Bio sam zadovoljan prisustvom stabilizatora napajanja za mikro krug - značajno proširuje raspon ulaznog radnog napona odozgo (do 32V).
Izlazni napon prirodno ne može biti manji od ulaznog napona.
Koristeći otpornik za podešavanje s više okreta, možete podesiti stabilizirani izlazni napon u rasponu od ulaza do 35V
Crveni LED indikator svijetli kada je napon na izlazu.
Konvertor je sastavljen na osnovu široko korišćenog PWM kontrolera UC3843AN

Dijagram povezivanja je standardan; emiterski sljedbenik na tranzistoru je dodan kako bi se kompenzirao signal sa strujnog senzora. To vam omogućava da povećate osjetljivost strujne zaštite i smanjite gubitke napona na strujnom senzoru.
Radna frekvencija 120kHz

Da Kinezi i ovdje nisu zeznuli, bio bih jako iznenađen :)
- Pri malom opterećenju, generacija se javlja u rafalima, a čuje se šištanje gasa. Takođe je primetno kašnjenje u regulaciji kada se promeni opterećenje.
Ovo se događa zbog pogrešno odabranog kruga za kompenzaciju povratne sprege (kondenzator od 100nF između krakova 1 i 2). Značajno smanjen kapacitet kondenzatora (na 200pF) i zalemio otpornik od 47kOhm na vrhu.
Šištanje je nestalo i stabilnost rada je povećana.

Zaboravili su ugraditi kondenzator za filtriranje impulsnog šuma na ulazu strujne zaštite. Postavio sam kondenzator od 200pF između treće noge i zajedničkog provodnika.

Ne postoji šant keramika paralelna sa elektrolitima. Ako je potrebno, možete lemiti SMD keramiku.

Postoji zaštita od preopterećenja, ali nema zaštite od kratkog spoja.
Nema filtera, a ulazni i izlazni kondenzatori ne izglađuju napon dobro pod velikim opterećenjima.

Ako je ulazni napon blizu donje granice tolerancije (10-12V), ima smisla prebaciti napajanje kontrolera sa ulaznog na izlazno kolo ponovnim lemljenjem kratkospojnika koji se nalazi na ploči

Oscilogram na prekidaču na ulaznom naponu od 12V

Pri malom opterećenju uočava se oscilatorni proces leptira za gas

To je ono što smo uspjeli maksimalno iscijediti sa ulaznim naponom od 12V
Ulaz 12V / 9A Izlaz 20V / 4.5A (90 W)
Istovremeno, oba radijatora su se pristojno zagrijala, ali nije bilo pregrijavanja
Oscilogrami na prekidaču i izlazu. Kao što vidite, pulsacije su vrlo velike zbog malih kondenzatora i odsustva šant keramike

Ako ulazna struja dostigne 10A, pretvarač počinje neugodno zviždati (aktivira se strujna zaštita) i izlazni napon opada

U stvari, maksimalna snaga pretvarača u velikoj mjeri ovisi o ulaznom naponu. Proizvođač tvrdi 150W, maksimalna ulazna struja 10A, maksimalna izlazna struja 6A. Ako 24V pretvorite u 30V, onda će naravno proizvesti deklariranih 150W pa čak i malo više, ali je malo vjerovatno da će to nekome trebati. Sa ulaznim naponom od 12V možete računati samo na 90W

Izvucite sami zaključke :)