Na čínských obchodních platformách se objeví zajímavý modul step-down měniče napětí XL4016. Obvod umožňuje provoz s regulací napětí (CV) a proudu (CC). Po doplnění systému o zdroj energie (například nepotřebný zdroj notebooku, transformátor s usměrňovačem a kondenzátorem) lze modul použít jako regulovatelný zdroj, případně stabilizátor s pevným výstupním napětím.

Obvod umožňuje nastavit maximální výstupní proud nebo pracovat jako zdroj proudu (CC). Provoz v režimu CC lze využít například pro napájení LED diod, nabíjení baterie (včetně autobaterie) nebo napájení Peltierova modulu. Víceotáčkové potenciometry nainstalované na desce lze vyměnit za větší a pohodlnější, vybavené rukojetí. Pulzní systém má vysokou účinnost, ale při vyšších výkonech bude potřeba nucená cirkulace vzduchu nebo větší radiátor.

Schéma zapojení modulu DC-DC

Invertorový modul najdete na Aliexpressu, jeho popis často obsahuje parametry 9 A 300 W, 1,2 - 35 V. Podívejme se blíže na obvodové možnosti tohoto měniče a proveďte testy. Zářiče jsou vybaveny duální 10A diodou STPS2045 a obvodem step-down invertoru XL4016. Označení výkonových vstupů a výstupů a rozložení potenciometrů naleznete na obrázku níže:

Polovodiče jsou izolovány od chladičů, což snižuje riziko zkratu, ale také může snížit účinnost odvodu tepla. Podle nalezeného datasheetu má XL4016 v pouzdře TO220 proudový limit 8 A, možná byl v modulu použit prvek s vyšší deklarovanou účinností. Dvoubarevná LED mění svou barvu z modré na červenou při výstupním proudu >0,8 A. Po sepnutí výstupu jsme mohli upravit výstupní proud pomocí ampérmetru v režimu CC na 9 A. Činnost LED diod je velmi pohodlné a informativní. Proudový odběr bez zátěže je cca 15 mA.

Elektrolytické kondenzátory jsou umístěny docela blízko radiátorů a teplota může snižovat jejich životnost, přičemž velká indukčnost prostě visí ve vzduchu, takže se vyplatí zajistit ji lepidlem, aby nedošlo k poškození plošného spoje při mechanickém namáhání. Na druhé straně desky je připájen 5V stabilizátor, LM358 a rezistor, sloužící při měření výstupního proudu.

Testy a testy modulu XL4016

Stabilita výstupního napětí oproti výstupním proudům je vyhovující, níže je příklad grafu výstupního napětí nastaveného na 3,3V v závislosti na zatěžovacím proudu.

Vliv vstupního napětí při nastavení výstupního napětí je extrémně malý.

Závislost účinnosti měniče na změnách výstupního proudu pro dvě výstupní napětí.

Závislost účinnosti na změnách vstupního napětí.

Zvlnění a odchylka výstupního napětí za různých provozních podmínek jsou znázorněny na níže uvedených oscilogramech.

Aplikace Buck Converter

Tento modul byl použit jako nabíječka pro herní notebook, funguje skvěle a kriticky se nezahřívá. Vstup: 29V, výstup 19V, Imax 4A dle parametrů originálního 220V AC adaptéru.

Nejvyšší proud byl odebírán z modulu pracujícího jako zdroj pro radiotelefon, který vyráběl 28 V a 9 A, což je velmi dobré.

Jako nabíječka to funguje tak, že do XL přidáte velký chladič nebo jej nahradíte větším než standardním chladičem plus ventilátor, který také ochlazuje kondenzátory.

Bezpečný proudový rozsah pro trvalé zatížení je asi 7 A při napětí nad 32 V, stabilizátor je velmi horký. Před měnič by bylo dobré umístit velký kapacitní napájecí kondenzátor.

LM2596 je step-down DC-DC měnič, často se vyrábí ve formě hotových modulů, stojí asi 1 $ (hledejte LM2596S DC-DC 1,25-30 V 3A). Zaplacením 1,5 $ si můžete na Ali zakoupit podobný modul s LED indikací vstupního a výstupního napětí, vypínáním výstupního napětí a tlačítky jemného doladění se zobrazováním hodnot na digitálních indikátorech. Souhlas - nabídka je více než lákavá!

Níže je schéma této desky převodníku (klíčové komponenty jsou označeny na obrázku na konci). Na vstupu je ochrana proti přepólování - dioda D2. Tím se zabrání poškození regulátoru nesprávně připojeným vstupním napětím. I přesto, že čip lm2596 dokáže dle datasheetu zpracovat vstupní napětí až do 45 V, v praxi by vstupní napětí nemělo překročit 35 V pro dlouhodobé používání.

Pro lm2596 je výstupní napětí určeno rovnicí níže. S rezistorem R2 lze nastavit výstupní napětí od 1,23 do 25 V.

Čip lm2596 je sice navržen na maximální proud 3 A nepřetržitého provozu, ale malý povrch hmoty fólie nestačí k odvodu vzniklého tepla v celém pracovním rozsahu obvodu. Všimněte si také, že účinnost tohoto převodníku se značně liší v závislosti na vstupním napětí, výstupním napětí a zátěžovém proudu. Účinnost se může pohybovat od 60 % do 90 % v závislosti na provozních podmínkách. Proto je odvod tepla povinný, pokud k trvalému provozu dochází při proudech vyšších než 1 A.

Podle datasheetu musí být dopředný kondenzátor instalován paralelně s rezistorem R2, zvláště když výstupní napětí překročí 10 V - je to nutné pro zajištění stability. Ale tento kondenzátor často není přítomen na čínských levných invertorových deskách. Během experimentů bylo testováno několik kopií DC měničů za různých provozních podmínek. V důsledku toho jsme dospěli k závěru, že stabilizátor LM2596 je vhodný pro nízké a střední napájecí proudy digitálních obvodů, ale pro vyšší hodnoty výstupního výkonu je vyžadován chladič.

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 poměrně jednoduchá: stejnosměrné napětí se přemění na střídavé napětí, obvykle s frekvencí několika desítek nebo dokonce stovek kilohertzů, zvýší se (sníží) a poté se usměrní a přivede 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 Aliexpress.

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 převodník je chopper. Jednou z možností překladu tohoto slova je přerušovač. V technické literatuře se redukčnímu měniči někdy říká „chopper“. Pro tuto chvíli 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. Vše závisí na konkrétním 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 stabilizátoru chopperu

Vstupní napětí Uin je přivedeno na vstupní filtr - kondenzátor Cin. Jako klíčový prvek je použit tranzistor VT, 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 některé další funkce. Může to být například pozvolný náběh výstupního napětí, dálkové zapnutí nebo zkratová ochrana převodníku.

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. 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 vybíjecí dioda VD nahrazena tranzistorem MOSFET, který je ve správný okamžik 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. Právě pod tímto názvem se v čínských obchodech prodává převodník, jehož obvod je znázorněn na obrázku 8 (pro zvětšení klikněte na obrázek).

Obr.8. Schematické schéma převodníku SEPIC

Obrázek 9 ukazuje vzhled desky s označením hlavních prvků.

Obr.9. Vzhled převodníku SEPIC

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.

Vhodné např. pro napájení notebooku v autě, pro převod 12-24, pro dobíjení autobaterie z 12V zdroje atd.

Převaděč dorazil s levým kolejovým typem UAххххYP a po velmi dlouhou dobu, 3 měsíce, jsem málem otevřel spor.
Prodejce zařízení dobře zabalil.

Sada obsahovala mosazné stojánky s maticemi a podložkami, které jsem hned našrouboval, aby se neztratily.

Instalace je celkem kvalitní, deska vyčištěná.
Radiátory jsou celkem slušné, dobře zajištěné a izolované od okruhu.
Tlumivka je navinutá ve 3 vodičích - správné řešení při takových frekvencích a proudech.
Jediná věc je, že induktor není zajištěn a visí na samotných drátech.

Aktuální schéma zařízení:

Potěšila mě přítomnost stabilizátoru napájení pro mikroobvod - výrazně rozšiřuje rozsah vstupního provozního napětí shora (až 32V).
Výstupní napětí přirozeně nemůže být nižší než vstupní napětí.
Pomocí víceotáčkového ladícího odporu můžete upravit stabilizované výstupní napětí v rozsahu od vstupu do 35V
Červená LED kontrolka se rozsvítí, když je na výstupu napětí.
Převodník je sestaven na základě široce používaného PWM regulátoru UC3843AN

Schéma zapojení je standardní, je přidán emitorový sledovač na tranzistoru pro kompenzaci signálu z proudového snímače. To umožňuje zvýšit citlivost proudové ochrany a snížit ztráty napětí na proudovém snímači.
Pracovní frekvence 120kHz

Kdyby se tady Číňani taky neposrali, tak bych se hodně divil :)
- Při nízké zátěži dochází k generování v dávkách a je slyšet syčení plynu. Při změně zátěže je také patrné zpoždění regulace.
K tomu dochází v důsledku nesprávně zvoleného kompenzačního obvodu zpětné vazby (100nF kondenzátor mezi větvemi 1 a 2). Výrazně se snížila kapacita kondenzátoru (na 200pF) a navrch byl připájen odpor 47kOhm.
Syčení zmizelo a stabilita provozu se zvýšila.

Na vstup proudové ochrany zapomněli nainstalovat kondenzátor pro filtraci impulsního šumu. Mezi 3. nohu a společný vodič jsem umístil kondenzátor 200pF.

Neexistuje žádná bočníková keramika paralelně s elektrolyty. V případě potřeby můžete připájet keramiku SMD.

Existuje ochrana proti přetížení, ale žádná ochrana proti zkratu.
Nejsou k dispozici žádné filtry a vstupní a výstupní kondenzátory příliš dobře nevyhlazují napětí při velkém zatížení.

Pokud je vstupní napětí blízko dolní meze tolerance (10-12V), má smysl přepnout napájení regulátoru ze vstupního obvodu na výstupní obvod přepájením propojky na desce.

Oscilogram na spínači při vstupním napětí 12V

Při mírném zatížení je pozorován oscilační proces škrticí klapky

To se nám při vstupním napětí 12V podařilo vymáčknout na maximum
Vstup 12V / 9A Výstup 20V / 4,5A (90 W)
Oba radiátory se přitom slušně zahřály, ale k přehřívání nedošlo
Oscilogramy na spínači a výstupu. Jak vidíte, pulzace jsou velmi velké kvůli malým kondenzátorům a absenci bočníkové keramiky

Pokud vstupní proud dosáhne 10A, převodník začne nepříjemně pískat (spustí se proudová ochrana) a výstupní napětí se sníží

Ve skutečnosti je maximální výkon měniče vysoce závislý na vstupním napětí. Výrobce uvádí 150W, maximální vstupní proud 10A, maximální výstupní proud 6A. Pokud převedete 24V na 30V, pak samozřejmě vyrobí deklarovaných 150W a ještě o něco více, ale je nepravděpodobné, že by to někdo potřeboval. Při vstupním napětí 12V můžete počítat pouze s 90W

Udělejte si vlastní závěr :)