Простейший повышающий DC-AC преобразователь напряжения своими руками | Записки крутилкина
Бродя по Интернету наткнулся на очень простую схему повышающего преобразователя напряжения, состоящую из нескольких деталей. Там еще было указано, что от одной 1,5 вольтовой батарейки с ее помощью можно включить неонку и даже светодиодную лампочку освещения. Показалось нереальным, но все же решил ее собрать ее и проверить на способна. Собирается легко даже без платы. Дефицитных деталей не содержит.
схемасхема
Для удобства монтажа поставил транзисторы на радиаторы. Трансформатор применил от китайского радиоприемника. На выходе переменный ток высокой частоты. В такой простой схеме ее стабильности и правильной синусоиде говорить не приходится.
С питанием неонки от Ni-CD аккумулятора схема справилась даже через резистор на 470 кОм.
включена неонка через резистор 470 кОмвключена неонка через резистор 470 кОм
Усложнил задачу — подключил к этому преобразователю китайскую светодиодную лампочку на 3 Вт с бестрансформаторным блоком питания. Светит, хоть и не очень ярко. При подаче питания 3-4 вольта свечение лампочки увеличивается.
включена светодиодная лампочка на 3 Вт
А дальше решил проверить на что вообще способна эта схема. Заменил трансформатор на более мощный, подал питание 13 вольт и в качестве нагрузки применил лампу накаливания для холодильника 220 В 15 Вт.
Полного накала увидеть не удалось. Спираль незначительно стала желто-оранжевой.
включена лампочка накаливания 15 Вт 220 В
Измерил напряжение без нагрузки при питании от 13 В— почти 600 В показал стрелочный мультиметр. Цифровой запищал и отказался измерять. Благо, что не сгорел. Предел измерения на обоих устанавливал 1000 В.
При попытке повторить соблюдайте правила электробезопасности!
Благодарю за внимание!
Повышающий преобразователь напряжения с мощностью до 400Вт. Преобразователи напряжения. Купоны на скидки. Характеристики, внутреннее устройство и обзоры преобразователей
Как-то так получается, что я очень редко пишу обзоры повышающих преобразователей напряжения, а уж чтобы относительно мощный, так вообще вроде впервые. Но так как меня часто спрашивают о подобных преобразователях, то я купил такой специально для обзора.В заголовке указана цена и стоимость доставки, мне в итоге доставка вышла немного меньше, так как покупал для обзоров не только этот преобразователь, но и понижающий, а также разные мелкие товары.
Преобразователь компактный, как и предыдущие упакован был в антистатический пакет.
Технические характеристики со страницы товара в родном переводе
Входное напряжение: DC8.5V-50V
Входной ток: 15А (макс.) превышает 8А, пожалуйста, увеличьте тепловыделение
Тихий ток: 10 мА (12 В литр 20 в, выходное напряжение, чем выше ток, тем более тихий)
Выходное напряжение: 10-60 в постоянно регулируется
Постоянный диапазон: 0,2-12 А
Температура: от-40 до + 85 градусов (температура окружающей среды слишком высокая, пожалуйста, увеличьте тепловыделение)
Рабочая частота: 150 кГц
Эффективность преобразования: до 96%
Защита от перегрузки по току: Да
Установка: резьбовые отверстия 4 2,55 мм
Размер модуля: 67 мм x48мм X 28 мм (ДхШхВ)
Один модуль: 60g
Судя по всему под “тихим током” подразумевается потребление без нагрузки, а под “тепловыделением” охлаждение. В остальном все понятно и так, входное 8.5-50 вольт, выходное 10-60 вольт, ток по входу до 15А, по выходу до 12А.
Есть упоминание защиты по току, но я об этом расскажу отдельно так как есть нюансы.
1, 2. На входе и выходе установлены обычные, дешевые клемники, что при токах до 12-15А выглядит как-то слабовато, лучше провода вообще подключить напрямую.
3. Как элемент защиты от КЗ в нагрузке или преобразователе установили предохранитель на 15 ампер, предохранитель просто запаян в плату.
1. Для регулировки стоит два подстроечных резистора, слева регулировка напряжения, справа регулировка тока, отмечу что если регулировка тока реализована корректно, то регулировку напряжения сделали наоборот, т.е. вращение вправо уменьшает напряжение, а не увеличивает.
2. Применен один из самых распространенных ШИМ контроллеров – TL494, можно сказать классика.
3. Силовой транзистор 160N75F03, 75 вольт, 4мОм, 120А.
4. Диодная сборка MBR20100CT, оба силовых компонента установлены на отдельных радиаторах через изоляторы.
Снизу пусто, совсем пусто и кстати видно что оба регулятора установлены в нижнем плече делителя но с небольшой разницей, делитель ОС по напряжению включен в цепь выходного напряжения, а делитель ОС по току в цепь задания опорного напряжения для второго усилителя ошибки, т.е. сигнал с шунта идет прямо на вход ШИМ контроллера.
Возможно потому и получилась путаница с направлением вращения так как в случае с ОС по напряжению увеличение номинала резистора увеличивает чувствительность ОС, а в случае с током уменьшает.
А теперь к тестам и разным странностям в работе.
1. Стартует преобразователь как и заявлено, при 8.5 вольта на входе.
2. Но если подать 8.4 вольта и менее то получаем первую странность, без нагрузки подскакивает ток потребления и выходное напряжение становится уже не 20 вольт, как было установлено, а 85… Чуть поднимаем напряжение, легкий щелчок и имеем опять 20.
4. Если поднять напряжение выше чем установленное, то на выходе оно также начнет расти независимо от установки, это особенность StepUp преобразователей, по крайней мере с обычным диодом на выходе. Именно из-за этой особенности он не сможет ограничивать ток при КЗ на выходе.
5, 6. Максимум на выходе получил 67 вольт, напряжение стабильно что при 12, что при 24 вольта. Следует помнить, что конденсаторы стоят на 63 вольта.
Также у меня возник закономерный вопрос насчет питания ШИМ контроллера и входного напряжения. Насколько я помню, у TL494 максимальное напряжение питания 40 вольт, а заявлено входное до 50, но под радиатором нашелся компонент похожий на стабилизатор напряжения.
Так и есть, питается ШИМ контроллер напряжением 17.5 вольта, думаю это напряжение выбрано чтобы обеспечить 15-16 вольт в затворе силового транзистора, кстати на плате просматривается его драйвер на двух транзисторах.
Подал 50 вольт, ничего не сгорело 🙂
Из-за особенности данной топологии для проверки регулировки тока использовал нагрузку в виде светодиодной матрицы.
Ток регулируется относительно плавно и можно сказать что от нуля, по крайней мере можно установить около 30мА, но если попытаться установить еще меньше, то он будет нулевым.
Для проверки зависимости тока от входного напряжения установил ограничение 1.5А и входное напряжение 20 вольт, затем снизил напряжение до 10 вольт, ток немного упал, потом поднял до 30 вольт и опять ток был немного ниже установленного, но что интересно, когда опять выставил входное 20 вольт ток вернулся к предварительно установленному значению. Думаю просто немного плывет опорное напряжение, но как по мне, то не критично.
Поведение преобразователя в разных режимах.
1, 2. Входное 10 вольт, на выходе 40, без проблем получил сначала 2, а потом 2.5 ампера выходного тока, при этом по входу ток был около 11А.
3, 4. Но увидел неприятную особенность, при попытке поднять ток нагрузки до 2.7 ампера источник предсказуемо ушел в режим ограничения тока, но преобразователь пытался работать дальше, при этом на входе было 6 вольт, на выходе соответственно около 5.2-5.4, но ток по входу был 12А, а по выходу 2.7А. Судя по всему транзистор перешел в линейный режим работы и рассеивалось на нем весьма прилично. Через очень малое время напряжение по входу упало еще ниже.
В ходе предыдущего теста преобразователь прилично разогрелся, дал ему немного остыть и продолжил играться.
1. Входное 12 вольт, выход 19 вольт, ток 6А
2. Входное 12 вольт, выходное 24 вольта, ток 5А
3. Входное 24 вольта, выходное 36 вольт, ток 7А
4. Входное 30 вольт, выходное 48, ток 6.5А
В тестах преобразователь вел себя нормально, причем чувствовалось что запас еще есть, также обратил внимание что обычно больше греется диодная сборка чем транзистор.
Далее по задумке должен был идти тест измерения КПД, я выключил нагрузку и пошел за листиком и ручкой для записей, когда пришел, то краем глаза заметил странное моргание показания блока питания (он остался включенным). Ток скакал от нуля до 12А, также менялось и напряжение.
Присмотрелся к преобразователю и увидел что расплавился пластмассовый изолятор крепежного винта, т.е. предположу такой сценарий – я экспериментировал с разными нагрузками, потом выключил нагрузку, но сделал это тогда, когда преобразователь ушел в линейный режим и не заметил этого, отошел буквально на минуту, а когда пришел, транзистор получил тепловой пробой и блок питания соответственно ограничивал ток. При этом транзистор ушел не в жесткое КЗ, а имел некое сопротивление и даже пытался работать, но увы, с ним уже все.
Мне хотелось продолжать эксперименты потому сначала попробовал поставить новенький IRF3205, преобразователь без проблем заработал, но у IRF3205 напряжение максимум 55 вольт, против 75 у родного. В итоге вспомнил что есть у меня 110N8F6 оставшиеся от электронной нагрузки, они имеют напряжение до 80 вольт, правда сопротивление у них в полтора раза больше.
Вообще здесь была еще одна дилемма, IRF3205 имеет больше сопротивление, но заметно меньше емкость затвора, у 110N8F6 наоборот, сопротивление немного ниже, но емкость затвора больше (9.1нФ), в идеале было бы поставить родные, они мне даже как-то понравились по параметрам как в плане сопротивления (4мОм), так и в плане емкости (6.7нФ), но у меня их нет 🙁
Кроме того добавил теплопроводящую пасту, изначально её не было. Можно было оставить как есть, но резинки имеют структуру вафельного полотенца, т.е. квадратики с углублениями, потому решил что паста не помешает. Кроме транзистора нанес пасту и под диодную сборку.
Предвижу вопрос, а не лучше ли изолировать радиатор от платы, а не транзистор от радиатора. С точки зрения отвода тепла да, так лучше, но так вы попутно получите антенну излучающую в эфир на частоте преобразования, как минимум от радиатора транзистора.
КПД измерялся в разных режимах, для начала входное 12 вольт, выходное 19 и 24 вольта, максимальная мощность по выходу была 131Вт.
Здесь и в следующем тесте шкала по горизонтали кратна току в 0.5А.
Здесь сразу три теста, входное 24 и выходное 36 вольт, а также входное 30/36 вольт и выходное 48 вольт.
Видно что преобразователь в таком режиме добрался до заявленных 96%, максимальная мощность нагрузки в тесте была 333Вт (48 вольт 8 ампер).
Заметил что есть зависимость выходного напряжения от тока нагрузки, для примера на тесте с выходным напряжением 48 вольт и током 0.5-8А.
В ходе теста на прогрев плата просто лежала на столе без активного охлаждения.
Тест проводился в двух режимах, сначала при входном 12 и выходном 24 вольта, ток нагрузки 2, 3.7 и 4.5А, первые два теста по 20 минут, третий 10 минут.
Преобразователь вел себя очень даже неплохо, собственно потому я и провел третий тест с током 4.5А.
Больше всего грелся выходной диод, 85 градусов, транзистор и дроссель имели температуру примерно на 7-10 градусов меньше.
Второй тест был при входном 30 и выходном 48 вольт, два прогона по 20 минут с токами 3 и 4.5А.
Ну здесь температура уже существенно выше, а так как и разница вход/выход больше, то увеличился нагрев транзистора и его температура превысила порог в 100 градусов.
Для большей наглядности сделал три графика потерь на преобразователе в трех режимах – 12-19В, 24-36В и 30-48В, шкала внизу кратна току нагрузки в 0.5А.
Соответственно на основании этого графика и предыдущих измерений можно оценить максимальные режимы и температуры.
Размах пульсаций по выходу измерялся как и у предыдущих преобразователей, с подключением параллельно щупу конденсаторов 1 и 0.1мкФ.
Вообще я ожидал что размах пульсаций будет большим, это характерная черта StepUp преобразователей, но как-то не думал что все будет настолько плохо.
Для начала входное напряжение 12 вольт, выходное 24, ток нагрузки 0, 1.7, 3.4 и 5.1А, при этом пульсации под нагрузкой были от 0.4 до 1 вольта!
Далее сокращенный тест в других режимах
1, 2. Входное 12 вольт, выходное 19, токи 3.5 и 7А
3, 4. Входное 24, выходное 36 вольт, токи 3.5 и 7А
5, 6. Входное 30, выходное 48 вольт, токи 3.5 и 7А.
Фактически при указанных напряжениях и токах нагрузки выходная мощность составляла примерно 40-50 и 80-100%.
В последнем режиме размах составил 1.2 вольта. Да, конечно можно сказать что основной размах не такой и большой, а полный составляют короткие импульсы, но они довольно широкие. Виной всему и сама топология преобразователя и поганые конденсаторы и неоптимальная разводка платы.
Ну и под конец сравнительное фото четырех преобразователей, три понижающих и один повышающий
1. 10 (8) ампер
2. 20 (15) ампер
3. 12 (10) ампер
4. обозреваемый
Теперь выводы и боюсь они будут неутешительными.
Нет, преобразователь работает и по своему даже неплохо, но есть куча недоработок которые могут осложнить ему жизнь и надо их учитывать при эксплуатации.
1. При входном напряжении ниже чем 8.4 вольта работает нестабильно выдавая на выход повышенное напряжение
2. При снижении входного напряжения под нагрузкой может перейти в линейный режим работы, спасает только отключение по входу. Проявляется с БП имеющим режим ограничения тока, с аккумуляторами вряд ли будет, но необходимо следить чтобы напряжение по входу не падало ниже 9-10 вольт.
3. Нагрев можно сказать что умеренный, но зависит от режима работы
4. Пульсации, для нормальной работы надо менять выходные конденсаторы на конденсаторы, а не их массогабаритные макеты, также хорошо бы поставить LC фильтр по выходу.
5. Защита от КЗ только в виде предохранителя, помните что выходное напряжение не может быть ниже входного более чем на 0.5-0.6 вольта.
Что сразу надо доработать:
1. Заменить выходные конденсаторы
2. Нанести теплопроводящую пасту и проверить прижим транзистора и диодной сборки
3. Для повышения КПД можно поставить более эффективную диодную сборку.
4. Желательно заменить или вообще убрать родные клемники.
Если коротко, работать будет, возможно даже будет работать неплохо, но если во время работы под нагрузкой напряжение сильно просядет и БП уйдет в режим СС, то будет беда. При работе от аккумуляторов должен работать неплохо, но пульсации по выходу лучше все таки фильтровать.
Как вариант, можно использовать для заряда аккумуляторов, например заряжать батарею 18-20 вольт от 12 вольт аккумулятора автомобиля.
Подключаем без нагрузки, выставляем необходимое напряжение, потом выкручиваем влево регулировку тока (пока подстроечный резистор не начнет щелкать или просто около 20 оборотов), подключаем разряженную батарею (нагрузку) через амперметр выставляем ток заряда.
На этом все, надеюсь что было полезно.
принципы работы и уникальные решения Maxim Integrated
17 декабря 2019
Александр Русу (г. Одесса)
Общий КПД импульсного преобразователя в электронных приборах малой мощности с автономным питанием снижается в основном за счет тока утечки схемы управления. Свести этот ток практически к нулю помогут интегральные DC/DC из новой серии nanoPower производства Maxim Integrated.
На сегодняшний день найти или изготовить самостоятельно высококачественный преобразователь постоянного напряжения мощностью от нескольких ватт до нескольких киловатт не представляет особой сложности. Однако питание оборудования, потребляемая мощность которого измеряется микроваттами, уже является серьезной технической проблемой, ведь при таких уровнях потребления увеличивается относительная величина «накладных расходов» в виде затрат энергии на работу схемы управления, что приводит к ощутимому снижению КПД преобразователя в целом. Кроме этого, практически во всех современных устройствах, питающихся от батарей, активно используются энергосберегающие режимы, в которых все неиспользуемые в данный момент системы отключаются от источника энергии. А это еще больше ужесточает требования к узлам питания, ведь теперь они должны иметь еще и минимально возможный ток утечки в выключенном состоянии.
При этом количество устройств с батарейным питанием с каждым годом постоянно увеличивается, а требования к ним ужесточаются. Поэтому большинство ведущих производителей электронных компонентов регулярно предлагают инженерам новые решения в этой области.
Не осталась в стороне и компания Maxim Integrated, которая не так давно представила линейку микросхем nanoPower, отличающихся сверхмалым энергопотреблением. На сегодняшний день в этой линейке присутствуют малопотребляющие операционные усилители, компараторы, датчики температуры и другие узлы, активно использующиеся в самых разнообразных радиотехнических устройствах. Конечно же, Maxim Integrated не оставил без внимания и сектор DC/DC преобразователей напряжения, разработав в рамках данного направления целые семейства специализированных микросхем с ультрамалым энергопотреблением.
Сравнение линейного и импульсного способов преобразования
Самой популярной схемой преобразователей постоянного напряжения можно назвать понижающую, ведь в реальной аппаратуре задача уменьшения напряжения возникает намного чаще, чем увеличения или изменения его полярности. Но уменьшить входное напряжение можно двумя способами: импульсным и линейным. Поскольку каждый из способов имеет свои достоинства и недостатки, а значит – и свои области применения, то разработчику необходимо их изучить.
Фундаментальную разницу между линейным и импульсным способами уменьшения напряжения можно понять из рисунка 1. Линейный стабилизатор работает по принципу резистивного делителя напряжения. Его регулирующий элемент (транзистор VT1) функционирует в активном режиме, обеспечивая такое падение напряжения между выводами коллектора и эмиттера, чтобы выходное напряжение VOUT на нагрузке RLOAD находилось в заданных пределах. Поскольку через транзистор VT1 протекает весь ток нагрузки IOUT, КПД данной схемы будет напрямую зависеть от разницы напряжений между входом и выходом (формула 1):
$$\eta =\frac{P_{OUT}}{P_{IN}}=\frac{I_{OUT}\times V_{OUT}}{I_{OUT}\times V_{IN}}=\frac{V_{OUT}}{V_{IN}},\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$
где РIN и POUT – соответственно, входная и выходная мощности преобразователя.
Рис. 1. Сравнение линейного и импульсного способов уменьшения напряжения
И теперь становится очевидным главный недостаток линейных стабилизаторов – чем больше разница напряжений между входом и выходом, тем меньше его КПД, причем практически вся «лишняя» мощность выделяется на регулирующем элементе VT1, что требует установки его на радиатор, размеры которого порой превосходят размеры всех остальных элементов устройства.
До недавнего времени линейные стабилизаторы строились на основе биполярных кремниевых транзисторов, у большинства из которых падение напряжения между коллектором и эмиттером физически не могло быть меньше 1 В. Для стабилизаторов с относительно высоким выходным напряжением (более 5 B) такое падение напряжения было еще вполне приемлемым, однако в современных микроконтроллерных устройствах напряжение питания которых может быть меньше 1 В, использование биполярных транзисторов в таком режиме недопустимо.
В свое время это привело к созданию линейных стабилизаторов, использующих в качестве регулирующих элементов полевые транзисторы, которые, как известно, лишены такого ограничения. Эти стабилизаторы в русскоязычной литературе получили название «стабилизаторы с низким падением напряжения», или LDO-стабилизаторы/регуляторы (Low-Drop Out Regulator). Поскольку при малой разнице напряжений между входом и выходом КПД LDO-стабилизаторов не уступает импульсным преобразователям, а их масса, габариты и уровень электромагнитных помех при этом намного меньше, они до сих пор активно используются в современной технике.
В импульсных преобразователях активный режим полупроводниковых компонентов не используется принципиально. В рассматриваемом примере (рисунок 1) транзистор VT1 работает в ключевом режиме, периодически подключая нагрузку RLOAD к источнику питания на время tON. Это означает, что выделение мощности на силовых полупроводниковых компонентах теоретически может быть сколько угодно малым и не зависит от соотношения напряжений между входом и выходом, что является главным преимуществом данных схем. К сожалению, от такого способа преобразования появляется и главный недостаток – пульсирующий характер выходного напряжения с высоким содержанием высокочастотных гармоник.
Поскольку использовать подобное напряжение для питания потребителей в большинстве случаев не представляется возможным, то на выходе импульсных преобразователей необходимо устанавливать фильтры, уменьшающие пульсации выходного напряжения. Причем в этих фильтрах должны обязательно использоваться реактивные элементы, способные накапливать энергию (активный фильтр на полупроводниковых транзисторах для этой цели не подойдет). А это означает, что импульсный преобразователь просто физически не может быть миниатюрным, ведь энергетическая емкость реактивных компонентов прямо пропорциональна массе и объему использованного в них магнитного или диэлектрического материала.
Если сравнить достоинства и недостатки линейных и импульсных преобразователей (таблица 1), то окажется, что они взаимно компенсируют друг друга. Поэтому на практике очень часто используются гибридные системы: импульсный преобразователь формирует некоторое промежуточное напряжение невысокой стабильности с относительно высоким уровнем пульсаций, а окончательная точная регулировка уже осуществляется с помощью линейных LDO-стабилизаторов.
Таблица 1. Сравнение импульсного и линейного способов преобразования
Метод | Импульсный | Линейный |
---|---|---|
Соотношение входного и выходного напряжений | Любое | Выходное напряжение не может быть больше входного |
Точность стабилизации выходного напряжения | Из-за того что энергия преобразуется «порциями», точность выходного напряжения зависит от характера переходных процессов и метода стабилизации | Теоретически не ограничена. Практически определяется уровнем шумов и стабильностью характеристик используемых компонентов |
Уровень пульсаций выходного напряжения | Высокий. При использовании некоторых методов управления (гистерезисных) принципиально не может быть низким | Теоретически может быть сколь угодно малым. Практически ограничен быстродействием используемых компонентов |
Уровень электромагнитных помех | Высокий из-за высоких скоростей изменения напряжений и токов | Теоретически может быть сколь угодно малым |
КПД | Высокий | Определяется разностью напряжений между входом и выходом |
Масса и габариты | Зависят от частоты преобразования. Обычно больше, чем у линейных преобразователей | Зависят от уровня рассеиваемой мощности. При малых мощностях могут быть микроскопическими |
Сложность схемы | Сложная | Относительно простая |
Стоимость | Относительно высокая | Низкая |
Основная сфера применения | Преобразователи с высоким соотношением входного и выходного напряжений, преобразователи рода тока, многоканальные преобразователи и прочие | Стабилизаторы для узлов, требующих прецизионного выходного напряжения с низким уровнем пульсаций и электромагнитных помех |
В современном оборудовании линейные преобразователи в основном используются для питания маломощных узлов, требующих высококачественного выходного напряжения с низким уровнем пульсаций, а также в приложениях, чувствительных к уровню электромагнитных помех, а импульсные – во всех остальных случаях (по возможности).
Однако у линейных преобразователей есть один серьезный недостаток, который в ряде случаев делает их использование невозможным – выходное напряжение линейного преобразователя принципиально не может быть больше входного. А это означает, что в случаях, когда напряжение необходимо увеличить или изменить его полярность, импульсный способ преобразования является практически безальтернативным.
Принцип работы импульсных преобразователей
На сегодняшний день существует множество импульсных преобразователей постоянного напряжения, отличающихся количеством и типом реактивных компонентов, алгоритмами преобразования и прочими характеристиками. Однако наиболее простыми, а следовательно, и наиболее популярными являются всего четыре схемы: понижающая, повышающая, инвертирующая и обратноходовая (рисунок 2). Эти преобразователи используют одинаковый принцип работы, имеют идентичное количество компонентов и отличаются лишь способом коммутации накопительного дросселя L1, от режима работы которого и зависят все характеристики схемы.
Рис. 2. Схемы наиболее популярных преобразователей
Преобразование электрической энергии происходит в два этапа. На первом этапе ключ S1 замыкается, и к дросселю L1 прикладывается некоторое напряжение VL1, под действием которого за время tON его ток возрастает на величину dI1 (формула 2, рисунок 3):
$$dI_{1}=\frac{V_{L1}}{L_{1}}\times t_{ON},\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$
где L1 – индуктивность обмотки, активной на первом этапе.2\times L_{1}}{2}\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$
Рис. 3. Диаграммы напряжения и тока дросселя различных преобразователей
Поскольку на первом этапе энергия в дросселе увеличивается, то его очень часто называют этапом накопления или заряда дросселя.
После размыкания ключа S1 на выводах всех обмоток дросселя формируется ЭДС самоиндукции, полярность которой противоположна полярности, присутствовавшей на первом этапе, это означает, что дроссель L1 теперь становится не потребителем, а источником электрической энергии. Изменение полярности напряжения на обмотках приводит к открытию диода VD1, который и обеспечивает путь протекания тока на втором этапе, называемом этапом возврата, или разряда дросселя.
Поскольку количество энергии в дросселе в момент коммутации ключей не изменяется, то ток в его активной обмотке сразу после размыкания ключа S1 также будет максимальным, однако его величина IMAX2 может измениться, ведь он теперь может протекать уже по другому количеству витков (формула 4):
$$E=\frac{I_{MAX2}^2\times L_{2}}{2},\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$
где L2 – индуктивность обмотки, активной на втором этапе.2\times A_{L},\qquad{\mathrm{(}}{6}{\mathrm{)}}$$
где AL – конструктивный параметр магнитопровода.
После открытия диода напряжение на обмотке дросселя фиксируется на уровне VL2, под действием которого ток дросселя за время tOFF уменьшится на величину dI2 (формула 7):
$$dI_{2}=\frac{V_{L2}}{L_{2}}\times t_{OFF}\qquad{\mathrm{(}}{7}{\mathrm{)}}$$
В квазиустановившемся режиме, когда отсутствуют какие-либо переходные процессы как в цепях питания, так и в цепях нагрузки, дроссель на втором этапе преобразования должен отдать всю энергию, накопленную на первом интервале. Это означает, что к моменту начала следующего цикла его ток должен быть таким же, как и в начале предыдущего. Для схем с однообмоточным дросселем dI1 = -dI2, но в общем случае (для обратноходового преобразователя) изменения токов обмоток определяются Законом полного тока (формула 8):
$$dI_{1}\times N_{1}=-dI_{2}\times N_{2}\qquad{\mathrm{(}}{8}{\mathrm{)}}$$
Подставляя в формулу 8 соотношения 2 и 7, с учетом 6, можно получить основное уравнение 9, связывающее величины напряжений на выводах обмоток дросселя с отношением длительностей основных этапов 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 регулировочной характеристики преобразователя – зависимости выходного напряжения от относительной длительности первого этапа преобразования D = tON/(tON + tOFF). Однако для того чтобы получить эти зависимости, далее необходимо рассматривать каждую схему в отдельности.
Понижающий преобразователь
Понижающий преобразователь (Step-Down Converter, Buck Converter) обычно имеет только одну обмотку, поэтому N1 = N2. На первом этапе преобразования к дросселю приложена разница входного и выходного напряжений (VL1 = VIN – VOUT), а на втором – только выходное напряжение (VL2 = VOUT), как показано на рисунке 4. Подставляя эти значения в формулу 9, получим 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, иначе левая часть уравнения станет отрицательной, к дросселю на обоих этапах преобразования будет приложено однополярное напряжение, и схема работать не будет.
Повышающий преобразователь
Повышающий преобразователь (Step-Up Converter, Boost Converter) также обычно строится на основе однообмоточного дросселя (N1 = N2). На первом этапе преобразования, когда ключ S1 замкнут, к обмотке дросселя приложено полное напряжение питания (VL1 = VIN), а вот на втором есть разница между входным и выходным напряжениями (VL1 = VOUT – VIN), как показано на рисунке 5. Подставляя эти значения в формулу 9, получим формулу 12:
$$V_{IN}\times t_{ON}=-\left(V_{OUT}-V_{IN} \right)\times t_{OFF}\qquad{\mathrm{(}}{12}{\mathrm{)}}$$
Из формулы 12 теперь можно получить уравнение для регулировочной характеристики (формула 13):
$$V_{OUT}=V_{IN}\times \frac{t_{ON}+t_{OFF}}{t_{OFF}}=V_{IN}\times \frac{1}{1-D}\qquad{\mathrm{(}}{13}{\mathrm{)}}$$
Рис. 5. Принцип работы повышающего преобразователя
Как и в понижающем преобразователе, формула 13 накладывает ограничения на соотношение напряжений VIN и VOUT. При VOUT < VIN правая часть формулы 13 изменит свой знак, и дроссель перестанет отдавать энергию. Поэтому повышающий преобразователь может только увеличивать входное напряжение.
Инвертирующий и обратноходовой преобразователи
И в инвертирующем (Inverting Converter), и в обратноходовом (Flyback Converter) преобразователях к обмоткам дросселя на первом этапе прикладывается полное входное (VL1 = VIN), а на втором – полное выходное напряжение (VL2 = VOUT), как показано на рисунок 6. Поэтому базовое уравнение для определения их регулировочных характеристик одинаково (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 инвертирующего и обратноходового преобразователей
Но, поскольку инвертирующие преобразователи обычно строятся на основе однообмоточных дросселей, для которых N1 = N2, то их регулировочная характеристика при работе во всех режимах, кроме разрывного, 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 обратноходового 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 один общий провод, выходное напряжение VOUT по абсолютному значению может быть как больше, так и меньше входного VIN. Однако оно обязательно должно иметь обратную полярность, ведь ни продолжительность первого tON, ни второго tOFF этапов преобразования не могут быть отрицательными. Для обратноходового преобразователя обеспечение двухполярного напряжения на обмотке осуществляется правильной фазировкой обмоток и включением диода VD1. Если это правило будет нарушено, то обратноходовой преобразователь работать не будет (фактически он превратится в прямоходовой, который имеет несколько иной принцип работы).
При использовании в понижающей, повышающей и инвертирующей схемах дросселя с одной обмоткой наибольшая эффективность преобразователя будет в диапазоне 0,1 ≤ VIN…VOUT ≤ 10. Если же входное напряжение отличается от входного больше чем в 10 раз, тогда, в соответствии с формулой 9, длительность одного из этапов преобразования (tON или tOFF) будет значительно меньше другого (рисунок 7).
Рис. 7. Зависимости соотношения напряжения на входе и выходе преобразователей (VOUT/VIN) от соотношения длительностей первого и второго этапов (tON/tOFF)
При этом становится сложно как регулировать выходное напряжение, так и фильтровать его, поскольку при малых длительностях tON или tOFF увеличиваются пульсации токов, что в конечном итоге приводит к катастрофическому уменьшению КПД, вплоть до физической невозможности реализации данного режима (необходимая длительность tON или tOFF может оказаться меньше чем время включения/выключения полупроводникового компонента). Поэтому при большой разнице напряжений между входом и выходом используют автотрансформаторное включение дросселей, при котором транзистор или диод подключаются к части обмотки (рисунок 8). В этом случае N1 ≠ N2 и формулы 10…15 придется выводить заново из базового соотношения формулы 9.
Рис. 8. Понижающий преобразователь с автотрансформаторным включением дросселя, работающий при большой разнице напряжений (VIN >>VOUT)
Особенности преобразователей nanoPower
Как видно из принципа работы, максимальное значение КПД импульсных преобразователей теоретически не ограничено. Но на практике всегда будут потери из-за неидеальности элементной базы, поэтому реальное значение КПД силовой части у наилучших представителей импульсных преобразователей находится на уровне 98…99%.
Однако при расчете КПД преобразователя в целом следует учитывать также и затраты энергии на работу схемы управления. Если рассмотреть структурные схемы контроллеров, реализующих два наиболее популярных на сегодняшний день метода управления – по напряжению (рисунок 9) и по току (рисунок 10), – то можно увидеть, что для обеспечения выходного напряжения необходимого качества требуется достаточно большое количество узлов. И хоть на сегодняшний день технологии изготовления полупроводниковых микросхем находится на очень высоком уровне, тем не менее, когда мощность силовой части преобразователя ничтожно мала, ток потребления узлов управления может оказаться соизмеримым с током нагрузок.
Рис. 9. Контроллер преобразователя с методом управления по напряжению
Рис. 10. Контроллер преобразователя с методом управления по току
У контроллеров преобразователей постоянного напряжения можно выделить три основных тока, на которые следует обращать внимание при выборе: ток, потребляемый от входной IQINT, выходной IQOUT цепи в активном режиме и ток утечки ISDT, потребляемый микросхемой в выключенном состоянии (рисунок 11). Эти токи, по возможности, должны быть минимальными, ведь чем они меньше – тем выше КПД преобразователя.
Рис. 11. Пути протекания токов IQINT, IQOUT и ISDT микросхемы MAX17222
Из этих параметров наиболее важным для устройств с батарейным питанием является ток утечки ISDT. И связано это с их спецификой работы, ведь как показывает практика, большую часть времени они находятся либо в спящем (дежурном), либо в выключенном состоянии. Поскольку физически отключить схему управления преобразователя от источника питания в большинстве случаев не представляется возможным, ток утечки ISDT будет напрямую влиять на время автономной работы.
В интегральных преобразователях постоянного напряжения nanoPower основной технологией уменьшения токов IQINT, IQOUT и ISDT является тщательная проработка схемотехники внутренних узлов контроллера и процессов изготовления интегральных компонентов. Из других методов уменьшения собственного энергопотребления можно также выделить отключение резистивного делителя выходного напряжения, используемого в цепи обратной связи. Все это позволило добиться впечатляющих значений собственного энергопотребления этих узлов. Так, например, для микросхем повышающих преобразователей MAX17220/21/22/23/24/25 ток, потребляемый от цепей нагрузки (IQOUT), не превышает 300 нА, а токи, потребляемые от источника питания (IQINT, ISDT) равны всего 0,5 нА.
Кроме этого, повышающие преобразователи имеют одну специфическую особенность, на которую также необходимо обращать внимание. При использовании в качестве верхнего ключа полупроводниковых диодов или n-канальных MOSFET становится невозможным полное отключение выходного напряжения – при остановке преобразователя на его выходе присутствует напряжение питания, которое приводит к увеличению энергопотребления. Поэтому в микросхемах nanoPower реализована также технология True Shutdown, блокирующая появление напряжения на выходе преобразователей при их отключении.
На сегодняшний день в линейку малопотребляющих преобразователей nanoPower входят микросхемы для наиболее популярных схем преобразователей: понижающего и повышающего типов (таблица 2). Линейка повышающих преобразователей MAX17220…25 (рисунок 12) позволяет обеспечить нагрузку выходным напряжением 1,8…5 В, устанавливаемым путем выбора внешнего резистора RSEL с шагом 0,1 В. Входное напряжение при этом может находиться в диапазоне 0,4…5,5 В.
Высокая степень интеграции позволила использовать для микросхем MAX17220…25 миниатюрные шестивыводные корпуса WLP и µDFN и обойтись минимальным количеством внешних компонентов. Как видно из рисунка 12, кроме обязательных внешних реактивных элементов – конденсаторов CIN, COUT и накопительного дросселя, которые, во-первых технологически сложно изготовить в интегральном исполнении, а во-вторых, их параметры зависят от конкретного приложения, для работы микросхем требуется единственный внешний прецизионный (с точностью 1%) резистор RSEL, отвечающий за величину выходного напряжения.
Таблица 2. Характеристики микросхем nanoPower
Наименование | Ток, потребляемый от выходных цепей IQOUT, нА | Ток, потребляемый в выключенном состоянии ISDT, нА | Максимальный ток накопительного дросселя, мА | Выходной ток, мА | Корпус | Отладочная плата |
---|---|---|---|---|---|---|
MAX38640A | 330 | 5 | 250 | 160 | WLP/6 | MAX38640EVKIT |
MAX17220 | 300 | 0,5 | 225 | 205 | WLP/6, µDFN/6 | MAX17222EVKIT, MAX17220EVKIT |
MAX17222 | 300 | 0,5 | 500 | 200 | WLP/6 | MAX17222EVKIT |
MAX17223 | 300 | 0,5 | 500 | 205 | WLP/6, µDFN/6 | MAX17222EVKIT, MAX17220EVKIT |
MAX17224 | 300 | 0,5 | 1000 | 205 | WLP/6, µDFN/6 | MAX17222EVKIT, MAX17220EVKIT |
MAX17225 | 300 | 0,5 | 1000 | 205 | WLP/6, µDFN/6 | MAX17222EVKIT, MAX17220EVKIT |
Рис. 12. Структурная схема микросхем MAX17220…25
В микросхемах MAX17220…25 реализован метод управления по току, поэтому величина индуктивности накопительного дросселя во многом определяет величину рабочей частоты преобразователя. Для большинства приложений на основе данных микросхем можно использовать малогабаритные дроссели в корпусе 0603 индуктивностью 2,2 мкГн с максимальным током 225 мА, 500 мА или 1 А. Все это позволяет реализовывать ультракомпактные повышающие преобразователи, занимающие на печатной плате площадь, не превышающую 6,75 мм2.
Аналогичными характеристиками обладают и микросхемы понижающих преобразователей MAX38640/41/42/43 (рисунок 13), позволяющие понижать входное напряжение 1,8…5,5 В до величины 0,7…3,3 В (микросхемы с суффиксом А) или до 0,5… 5,0 В (с суффиксом B). Так же, как и в рассмотренных выше повышающих преобразователях, для установки выходного напряжения MAX38640…43 используется единственный прецизионный резистор RSEL, а сами микросхемы требуют всего четырех внешних компонентов.
Рис. 13. Структурная схема микросхем MAX38640…43
Для ускорения выхода продуктов на рынок компания Maxim Integrated предлагает разработчикам максимальную поддержку, не ограничивающуюся только предоставлением всей необходимой технической документации. Так, например, на официальном сайте компании присутствуют математические модели, с помощью которых можно изучить электрические процессы разрабатываемых схем в специализированных средах разработки: автономной EE-Sim® OASIS Simulation Tool на основе ядра SIMPLIS® и онлайновой EE-Sim Design And SimulationTool. Обе среды ориентированы на разработку импульсных источников питания и позволяют на основе предлагаемых шаблонов собрать виртуальный аналог разрабатываемой схемы менее чем за 5 минут.
Кроме этого, для оценки реальных возможностей микросхем nanoPower компания Maxim Integrated предлагает специализированные отладочные платы. Так, например, для микросхем MAX17220…25 доступна отладочная плата MAX17222EVKIT (рисунок 14), состоящая из двух независимых частей, содержащих одну и ту же микросхему MAX17222, но изготовленную в разных корпусах: µDFN и WLP. В каталогах Maxim Integrated присутствует также аналогичная отладочная плата MAX17220EVKIT с установленными микросхемами MAX17220 (в двух вариантах корпусов) и MAX38640EVKIT с установленной микросхемой MAX38640A в корпусе WLP.
Рис. 14. Внешний вид отладочной платы MAX17222EVKIT
Заключение
Питание от батарей является далеко не тривиальной задачей, ведь для обеспечения максимально возможного времени автономной работы необходима тщательная проработка не только силовой части, но и узлов управления. Однако, как показывает практика, эти задачи целиком и полностью ложатся на плечи производителей электронных компонентов, ведь, как видно из материалов данной статьи, конечным разработчикам остается лишь адаптировать готовые решения под конкретное приложение.
Дополнительные материалы:
Статьи:
- Технология Maxim Integrated nanoPower: когда малый IQ имеет преимущества
- Контроль в спящем режиме: повышение КПД батарейного питания с помощью DC/DC MAX17225 nanoPower
- Один дроссель для всей системы: многоканальные преобразователи Maxim с технологиями SIMO и nanoPower
- Измерение мощности в режиме реального времени с помощью ИС регистратора потребляемой мощности
- Увеличение времени работы портативной электроники с помощью преобразователя на основе SIMO
- Борцы SIMO: особенности применения SIMO-преобразователей Maxim
- Выбор SIMO PMIC-преобразователя для проекта портативного устройства
- Увеличение энергоэффективности портативных устройств при помощи SIMO PMIC-преобразователей
Новости
- MAX17222 — длинная жизнь для маленьких вещей
- MAX38640/1/2/3 – понижающие конвертеры семейства NanoPower с ультранизким током потребления
- MAX17270 – преобразователь NanoPower SIMO PMIC для IoT с ультранизким потреблением
•••
Наши информационные каналы
Как сделать простой высоковольтный преобразователь из 3-х деталей » трансформатор, транзистор, резистор.
Тема о различных устройствах, повышающих напряжение до величин свыше 1000 вольт весьма популярна. Эти высоковольтные преобразователи можно использовать для таких целей как электрические зажигалки, ионизаторы воздуха, источники питания для газоразрядных ламп, электрошокеры, различные светящиеся шары (внутри которых играют молнии) и т.д. И вовсе нет особой необходимости в том, чтобы собирать преобразователь высокого напряжения по какой-то сложной схеме. Допустим я сделал очень простой вариант такого устройства, которое содержало в себе всего три детали: трансформатор с ферритовым Ш-образным сердечником, полевой транзистор и резистор.
В этой схеме простого высоковольтного преобразователя, что был собран своими руками, основные силы уходят на намотку повышающего трансформатора. Сам трансформатор был снят с платы обычного компьютерного блока питания. Также такие трансформаторы можно найти в различной современной технике, где имеются блоки питания с высокочастотными преобразователям. Либо его можно просто купить на радиорынке, цена относительно низкая.
Магнитопровод такого высокочастотного трансформатора должен быть из феррита (подойдет любая марка). У меня нормально работал этот преобразователь на трансформаторе Ш-образной формы (должна подойти и П-образная форма), в то время как на круглом сердечнике схема не запускалась. Размеры трансформатора в большей степени зависят от того провода, что будет намотан на магнитопровод (диаметра, количества витков, изоляционных слоев между обмотками). Допустим свой первый трансформатор я намотал до полного его заполнения, а в итоге оказалось, что было недостаточным количество витков во вторичной обмотке. Пришлось брать трансформатор чуть больших размеров. Что касается мощности таких высокочастотных трансформаторов, то ее скорее можно назвать резиновой. То есть, электрическая мощность, которую можно получить из подобного транса, напрямую зависит от рабочей частоты тока, что подается на входные обмотки. Повышая только лишь частоту тока, оставляя размеры трансформатора прежними, можно увеличивать его общую мощность.
Если вы сняли с устройства, достали где-нибудь подходящий трансформатор с ферритовым сердечником то его нужно будет перемотать. Обычно магнитопровод этих трансов между собой склеен. Банальные попытки просто соединить сердечник путем механического воздействия (отковыривать ножом, отверткой и т.д.) в большинстве случаев приводят к раскалыванию феррита. Правильнее будет сначала имеющийся трансформатор опустить на полминуты в кипящую воду. После этого сцепление клея ослабевает и части ферритового сердечника легко отсоединяются друг от друга без повреждений.
Теперь что касается самой перемотки трансформатора под наш самодельный высоковольтный преобразователь. Итак, первичная обмотка содержит 8 витков с отводом от середины (диаметр провода около 0.8-1,5 мм). Ее проще наматывать шиной из нескольких проводов, допустим берем 6 проводов диаметром по 0.4 миллиметров каждый. Все эти провода аккуратно и равномерно наматываем на каркас трансформатора. Мотаем 4 витка. Далее выходящие концы этих проводов разделяем по 3 штуки, спаивая их между собой. В общем получается что мы имеем первичку, состоящую из двух проводов, каждый из которых имеет 4 витка, а каждый провод состоит из трех жил, соединенных параллельно между собой. Начало одной (любой) первичной обмотки соединяем с концом другой первичной обмотки. Это соединение и будет отводом от середины, образуя среднюю точку.
Для изоляционного отделения обмоток можно использовать ленту обычного скотча. Намотали первичную обмотку, нанесли изоляционный слой в несколько витков. Поверх первичной начинаем мотать вторичную, повышающую обмотку высоковольтного трансформатора. Также отделяем слоем скотча. К примеру, один слой вторичной обмотки содержит у меня по 200 витков, после чего изолирую одним витком скотча. Далее мотаю следующий слой в 200 витков. Всего вторичная обмотка должна содержать около 1600 витков провода 0,1 мм. Это получается 8 слоев по 200 витков каждый. Следим, чтобы витки различных слоев были отдалены друг от друга на некоторое расстояние (примерно 0.4 мм), что уменьшает вероятность электрического пробоя.
После завершения намотки вставляем в каркас части ферритового сердечника. Для их фиксации достаточно обмотать несколькими витками ленты скотча. Вот и все, наш высоковольтный трансформатор готов. Теперь осталось к нему припаять полевой транзистор и резистор. Подсоединяем питание. В моем случае высоковольтный преобразователь хорошо начинал работать от напряжения 5 вольт. Просто сам полевой транзистор, который я поставил, имеет пороговое напряжение 2-4 вольта. Путем подбора полевых транзисторов (имеющих другие пороговые напряжения) можно уменьшить величину питающего напряжения, к примеру, запитать схему от обычного литиевого аккумулятора, получив в итоге компактную электрическую зажигалку для газа.
Видео по этой теме:
P.S. В моем случае при напряжении питания в 5 вольт схема высоковольтного преобразователя, что сделан был своими руками, потребляла ток 0,5 и более ампер. Полевой транзистор начинал греться. Следовательно, чтобы избежать его чрезмерного перегрева к нему нужно прикрепить небольшой охлаждающий радиатор. Так что после сборки данной схемы обратите внимания на нагрев транзистора, при необходимости установите радиатор подходящих размеров.
Преобразователь для повербанка своими руками
На чтение 10 мин Просмотров 42 Опубликовано
В очередной раз тема статьи посвящена PowerBank’ам. Сегодня вы сможете увидеть простую хорошую схему без каких-либо микросхем, только на одних транзисторах.
Схема представляет собой простой стабилизированный повышающий DC-DC преобразователь , который способен увеличивать напряжение от источника питания, к примеру, от литиевого аккумулятора, до уровня 5 В. Такое напряжение уже позволит заряжать планшеты и смартфоны.
Схема
Безусловно, такой модуль повышающего преобразователя можно приобрести в Китае примерно за 1 $, но работа устройства, собранного своими руками, приносит значительно больше удовольствия. К тому же эта схема практически не требует никаких финансовых затрат, и не придется ждать месяц, как в случае заказа товара из Китая.
Несколько слов о схеме и принципе ее работы.
принцип работы
Имеется мультивибратор в качестве генератора импульсов. В представленном варианте он настроен на частоту около 30 кГц.
мультивибратор
Принцип работы схемы не отличается от ее сородичей. Начальный импульс от мультивибратора, поступая на базу составного транзистора, открывает его. В момент закрытия транзистора возникают импульсы ЭДС самоиндукции от дросселя, которые выпрямляются быстрым диодом D1 и сглаживаются конденсатором C1. Выходное напряжение стабилизировано, а задается оно путем подбора стабилитрона VD1.
Транзистор VT2 открывается, когда выходное напряжение с конвертера превышает заданное напряжение стабилизации. База транзистора VT1 через его открытый переход закорачивается на массу. Вследствие этого последний закрывается.
Коэффициент полезного действия этого конвертера может доходить до 70—75%. И это очень даже хорошо. Но чтобы добиться такого КПД, придется потратить не один час, перематывая дроссель, ведь очень многое зависит именно от него.
Максимальное значение тока, которое удалось получить на выходе, составило около 1 А. Стабилизация работает так, как положено. Устройство пригодно для реального применения.
На создание платы также было потрачено немало времени. Она компактная, да и выглядит очень красиво.
Скачать плату можно в конце статьи.
Настало время поговорить об элементной базе и настройке схемы. Транзистор VT1 рекомендуется брать составной. Опыты проводились с разными транзисторами, но в итоге самыми подходящими оказались КТ829, КТ972 или что-нибудь из импортных, например, BD677 и т. д.
Дроссель намотан на ферритовом сердечнике типа «гантелька». Он был изъят из платы блока питания компьютера. Также можно применить кольца из порошкового железа или стержневой сердечник. Количество витков и диаметр провода были подобраны путем проведения опытов. В конечном счёте, дроссель был намотан проводом диаметром 8 мм (возможно отклонение до 20%). Количество витков составило 25.
Наладка преобразователя сводится к получению нужного выходного напряжения и минимального тока потребления на холостом ходу. В описываемом примере минимальный ток холостого хода составляет 40 мА и зависит от дросселя. Это много, если сравнивать с готовыми китайскими модулями. Но ничего не поделаешь – от банального мультивибратора не стоит ожидать большего.
Стабилитрон тоже подлежит подбору. Напряжение стабилизации выбирается в пределах 4,7-6,2 В. В примере используется стабилитрон в 5,1 В.
Составной транзистор все-таки биполярный, и возможен его нагрев во время работы, поэтому небольшой теплоотвод в виде алюминиевого листа будет очень кстати.
Не следует забывать о проверке устройства на работоспособность. Ваттметр на китайском USB-тестере немного «глючит» — реальное напряжение составляет приблизительно 5 В и может «гулять» в небольшом пределе, что полностью нормально. Также будет меняться и ток заряда.
проверка устройства
Теперь взгляните на конструкцию PowerBank’а в целом. Питается конвертер от двух аккумуляторов стандарта 18650 (Li-ion), соединенных параллельно. Они были изъяты из аккумулятора ноутбука. Рабочие емкости обоих должны быть максимально близки друг другу.
Также аккумуляторы были дополнены платой защиты, которая отключает их, когда напряжение опускается ниже 3,2 В. Заряжать аккумуляторы можно от любого USB-порта .
Для этого в устройстве задействована вот такая плата заряда:
Такие платы бывают уже со схемой защиты аккумулятора. Такие платы проще купить, чем сделать, ведь их цена всего 30-50 центов.
Теперь сборка. Первым делом нужно подготовить аккумуляторы. Паять их нежелательно, но можно. Главное – не перегреть.
Количество аккумуляторов может быть любым. В примере их 2 штуки. Чем больше их емкость, тем больше время работы PowerBank’а. Все аккумуляторы соединяются параллельно.
Корпус для PowerBank’а подошел от старого адаптера питания ноутбука.
Осталось поместить все детали в корпус, добавить выключатель питания, вывести разъем USB для зарядки телефонов, miniUSB для заряда самого PowerBank’а, а также вывести пару светодиодов, которые имеются на плате контроллера. Один из них горит, когда идет зарядка, а второй загорается по ее завершении.
Частые поездки в командировки и по домашних делах, привела к мысли о покупке надежного зарядного устройства типа Power bank, для вечно нуждающегося в питании мобильника на ОС Android. Так как время доставки из заоблачной желает лучшего, а нужно еще вчера был выбран вариант «сам-пан-сделал из готового». Вовремя подвернулась статья на Elwo о зарядке для сейчас вездесущих LiPo/LiIon аккумуляторов.
Поход в магазин принес еще одну радость, готовый модуль зарядного DC-DC конвертера на 5 вольт. Их уже начали ввозить в связи со спросом нашего друга радиолюбителя.
Схему данного преобразователя, как и описание, свободно можно найти в интернете.
- KEY FEATURES
- Conversion Type DC to DC
- Input Voltage 2.3 to 4.8 V
- Output Voltage 5 V
- Output Current 1 A
- Efficiency 87 %
- Topology Boost
Схема сборки повербанк
Ну что же, все закуплено и проверено, УРА! Работает. LiIon ковырнул из убитого аккумулятора ноутбука купленного, несколько месяцев назад, на одном из сайтов где люди торгуют всякой ненужнятиной. Шесть аккумуляторов было соединено параллельно, в итоге хоть и не новые аккумуляторы но мощность Power bank поднять получилось.
Дело за малым, увы корпус в нашем магазине не подберешь, будем резать оргстекло, дихлорэтан дома есть в запасах. Порезал и склеил за полчаса так что фоток не будет, а вот готовое устройство пожалуйста.
После ходовых испытаний пришел к выводу что без контролера аккумулятора банки можно и убить. Тут тоже готовое решение, аккумулятор от мобилки, в моем случае Samsung. Разбираем и достаем контролер, который для наших целей как раз то что доктор прописал.
Контролер установил между DC/DC преобразователем и аккумулятором, проверка Powerbank показала, что данная схема работает и полной зарядки повербанка хватает чтобы четыре раза зарядить прожорливый Android.
Когда заряд на аккумуляторах опускается до 3,2 вольта контролер отключает преобразователь, в зарядке контролер участия не принимает, заряжает же его плата на основе микросхемы TP4056 до 4,2 вольт. Конденсатор на плату стабилизатора подкинул ради стабильной работы контролера с преобразователем. С уважением, UR5RNP.
Это лучший внешний аккумулятор своими руками, который вы когда-либо видели!
И теперь вы сможете сделать ваш собственный. Здесь описаны все примеры электрических деталей и корпуса. Я полагаю, вы придумаете свои идеи для создания корпуса, но можете смело использовать мою.
Этот power bank имеет 4 выхода USB высокого тока в сумме дающей 10А и реальный объем в 30000mAh от литий-полимерного аккумулятора 1S1P. И… его можно зарядить всего за 1 час! Заряжайте все ваши устройства от одного источника!
Посмотрите видео, в котором содержатся все спецификации и кое-какие инструкции о том, как сделать повер банк.
Шаг 1: Составляющие
Чтобы начать работу, вам нужно:
- Аккумулятор
- Система управления батареей (BMS)
- Зарядный модуль
- Повышающие преобразователи постоянного тока
- Разная мелочь (коннекторы USB, провода, предохранители, разъемы-бананы…)
- Корпус
Шаг 2: Аккумулятор
Сперва мы конечно же займёмся батареей. Часть, которая питает весь наш внешний аккумулятор. Если вы хотите мощное устройство, он должен быть большим. Эта схема рассчитана на один литиевый аккумулятор. Я использовал аккумулятор от Kokam. Меня устроил показатель 30000mAh. Вы можете выбрать вариант большей или меньшей ёмкости в зависимости от того, что вы хотите получить.
Kokam достаточно сложно найти и они дорогие, но не беспокойтесь. Если вы не смогли отыскать такой пауэр банк, можете соединить параллельно несколько более мелких батареек, для получения такой же ёмкости. Вольтаж останется тем же. Таким образом, подойдут все мелкие батарейки, используемые для моделей с дистанционным управлением и игрушек. Просто соедините их как на фотографии. Аккумуляторы 18650 также сойдут для наших потребностей!
Не забудьте о предохранителе. Я использовал предохранитель на 40A, так как в моём случае ток в режиме быстрой зарядки равен 30A. Если вы не планируете заряжать его так быстро, можете использовать меньшие предохранители.
Шаг 3: Система управления батареей (BMS)
Литиевые аккумуляторы нельзя «сверхзаряжать» или «сверхразряжать». Чтобы защитить их от таких случаев, используем простую плату 1S BMS, которую по дешевке можно найти на Ebay. Просто найдите BMS, которая может держать достаточный ток. Моя рассчитана на 10A. Соедините всё как показано на фотографии.
Шаг 4: Зарядник
У меня есть две опции для зарядки: быстрая и медленная. Вы можете выбрать одну любую из них, но мне хотелось, чтобы были доступны обе.
Первая и медленная опция позволяет использовать любой зарядник с микро USB, чтобы заряжать внешний аккумулятор медленно. Для этого нужно приспособить зарядную плату, которая понизит вольтаж до 4.2V и зарядит аккумулятор. (поищите на Ebay: 1s lithium battery charging module TP4056). Сила тока будет ограниченна выходным током зарядника (обычно до 2.1A). Этот модуль также может поддерживать силу тока 3A, так что он будет заряжаться и от трёхамперного зарядника, если он поддерживает такой ток на выходе. Соедините всё, как показано на фотографии.
Если у вас есть зарядник для внешних литиевых аккумуляторов, вы можете добавить вход для быстрой зарядки. Просто добавьте два разъёма-банана и соедините их как показано на фото. Теперь ваш предел зарядки ограничен силой тока внешнего зарядного устройства. Я использую зарядник Reaktor на 30A, так что я могу зарядить мой аккумулятор всего за 1 час.
Осторожно! На фотографии разъемы-бананы подсоединены после платы BMS. Делайте также, если ваш внешний зарядник не выдаёт более 10A. Если он заряжает с силой более 10A, присоединяйте разъемы-бананы сразу после предохранителя на + и — аккумулятора перед BMS. Таким образом и собран мой внешний аккумулятор. Делайте так, только если вы понимаете, что делаете. Незащищённая зарядка может вызвать воспламенение!
Шаг 5: Переключатель
Используйте переключатель, чтобы включать и выключать ваш внешний аккумулятор.
Он используется только для режима работы в качестве внешнего аккумулятора (модули постоянного тока и дисплей), так что вы можете заряжать ваш внешний аккумулятор даже тогда, когда он выключен.
Шаг 6: Повышающие преобразователи постоянного тока
Повышающие преобразователи постоянного тока поднимут вольтаж до 5V. Это то, что нужно для зарядки устройств USB.
Преобразователи можно найти на Ebay, я использовал 2 штуки 5A LM2587.
Осторожно! Перед тем, как подключить их к вашему внешнему аккумулятору, следуйте инструкциям на моей фотографии. Вам нужно установить вольтаж 5-5.3V на их выходе, иначе можно повредить устройство, которое вы подключите для зарядки.
Шаг 7: Соединяем всё вместе
Когда повышающие преобразователи постоянного тока установлены на правильный вольтаж, соедините их как показано на фото. Добавьте столько USB-портов, сколько вам нужно. 2 порта на каждый 5A модуль постоянного тока — оптимальный вариант, позволяющий быстро зарядить все ваши устройства.
Добавьте экран с вольтажом, чтобы знать сколько заряда осталось в аккумуляторе. Найдите его на Ebay и подключите как показано.
И наконец, присоедините внешние коннекторы USB и всё готово. За исключением корпуса.
Шаг 8: Корпус
Вот вам еще одно видео, которое включает все предыдущие инструкции и фотографии, чтобы помочь вам всё сделать правильно.
У меня заняло немного времени, чтобы сделать такой корпус. Я спроектировал его модель в программе Autodesk Inventor. Затем я нашел того, кто сможет вырезать его из алюминия. Я обработал внешнюю поверхность, покрасил его и в конце сделал гравировку. Этот корпус подходит для аккумулятора, который использовал я. А вы можете сделать корпус из любого материала и любой формы, которая вам нравится. Главное, чтобы все части и аккумулятор хорошо помещались внутри. Моей первой мыслью было сделать корпус из дерева, но я передумал и сделал его металлическим 🙂
Счастливой зарядки вам!
Рассказываю как сделать какую-либо вещь с пошаговыми фото и видео инструкциями.
BlueCARd — часть 4 — DC DC Boost Converter
Для питания платы Arduino и остальной электроники нам нужен стабильный источник питания. В этом уроке я покажу вам, что такое повышающий преобразователь постоянного тока (он же повышающий преобразователь), как его использовать и зачем он нам нужен. . Подробный список можно найти здесь:
BlueCARd – список элементов
Элементы, необходимые для этого урока:
Элементы из предыдущего урока (без кабеля USB): Первые шаги Arduino Nano
Я также сделал видео, где я показываю, как подключить цепь и как меняется потребляемый ток, когда мы меняем входное напряжение.Вы можете посмотреть видео здесь:
Что такое повышающий преобразователь постоянного тока?
Повышающий преобразователь (повышающий преобразователь) — это устройство, которое может повышать напряжение от источника питания (при одновременном снижении тока).
Для BlueCARd я использовал этот:
Как видите, на его вход можно подать любое напряжение от 1 до 5 В, и он будет стабильно выдавать 5 В.
Как это работает (очень краткое объяснение)?
Я не инженер-электрик и постараюсь объяснить в меру своего понимания.Если вы найдете какие-либо ошибки, пожалуйста, пришлите мне сообщение или напишите об этом в комментариях, чтобы я мог их исправить. Спасибо!
Ниже приведена общая схема повышающего преобразователя постоянного тока:
Принцип работы:
-
Когда переключатель S замкнут, ток следует по синей линии, а катушка индуктивности L создает магнитное поле.
-
Когда переключатель S размыкается, магнитное поле индуктора L начинает коллапсировать, индуцируя ток через индуктор L , создавая всплеск высокого напряжения, и ток проталкивается через красную линию (через диод D ) и хранится в конденсаторе C .
-
Диод D останавливает обратный ток от конденсатора.
( Примечание о конденсаторах: если вы не знаете, как работает конденсатор -> пространство между пластинами указывает на то, что цепь в нем разорвана и электроны не могут проходить -> электрические частицы накапливаются в пластины создают нагрузку, и когда входное напряжение ниже сохраненного, конденсатор пытается подтолкнуть ток в противоположном направлении -> поэтому там есть диод, чтобы остановить ток, текущий обратно. )
Когда переключатель S переключается очень быстро , этот эффект увеличивает Vout . Переключатель S обычно представляет собой МОП-транзистор.
Таким образом, Vout намного выше, чем Vin . Но в то же время выходной ток намного ниже входного тока (P = U.I).
Зачем использовать повышающий преобразователь постоянного тока?
Повышающий преобразователь постоянного тока имеет стабильный выходной сигнал 5 В независимо от источника питания.
-
Это означает, что я могу без проблем запитать микроконтроллер Arduino Nano и любые другие элементы, требующие напряжения 5 В. и не нужно менять схему, когда я меняю источник питания
-
Я также могу использовать, например. только 1 перезаряжаемая батарея на 1,2 В для питания меньших цепей
Изменение схемы для использования повышающего преобразователя постоянного тока
Используйте схему из последнего урока.Чтобы подключить повышающий преобразователь к схеме, выполните следующие действия:
-
Подключите выход 5 В повышающего преобразователя к контактам (+) на макетной плате
-
Подключите выход GND повышающего преобразователя к (-). ) на макетной плате
-
Подключите контакт VIN платы Arduino Nano к контактам (+) на макетной плате
-
Подключите один из контактов GND платы Arduino Nano к контактам (-) на макетная плата
-
Отсоедините USB-кабель (если он подключен)
-
Подайте напряжение (от 1 В до 5 В) на вход повышающего преобразователя (GND или (-) на IN- и (+) на IN+)
-
Enjoy
На картинке ниже я установил входное напряжение на 3.6V (соответствует 3 перезаряжаемым батарейкам AA)
На этом рисунке я изменил его на 1,2V (соответствует 1 перезаряжаемой батарейке AA)
Как видите, схема работает независимо от входного напряжения. Вы также можете видеть, что ток, протекающий через повышающий преобразователь, отличается. В обоих случаях потребляемая мощность одинакова, поэтому, когда напряжение падает, ток должен пропорционально возрастать!
Именно поэтому я решил использовать 3 перезаряжаемые батареи типа АА для BlueCARd, чтобы я мог ограничить ток через повышающий преобразователь.
Следующие шаги
В следующем уроке я покажу вам, как подключить модуль AT-09 (HM-10) к Arduino Nano и как отправлять команды между Arduino Nano и модулем BLE.
Хэштеги: #arduino #arduinonano #dcdcboost #dcdcstepup #dcdcboostconverter #boostconverter #rccar #breadboard
К
Улучшение повышающего преобразователя
Я где-то читал, что нельзя сначала подключать батарею или контроллер (забыл, что это было), потому что я сам закодировал его и добавил программную защиту от скачков напряжения / сбоев, медленный запуск и т. Д.Мне нужно заботиться?
Не совсем понятно, что это вообще значит, но я предполагаю, что батарея является нагрузкой (на выходе повышающего преобразователя), или, возможно, если у вас есть отдельные источники питания для контроллера и питания ( то, что проходит через индуктор).
Всегда всегда делайте подключения питания последними при наличии отдельных источников питания для схемы управления. В противном случае вы рискуете защелкнуть контроллер или того хуже.То, что управляет, должно быть запущено и запущено, прежде чем то, чем оно должно управлять, будет включено. В противном случае ничего не будет контролироваться, и это не всегда приводит к четко определенному поведению.
Другим аспектом, который часто упускают из виду, является то, что если ваша нагрузка (а не источник питания) представляет собой аккумулятор, вы никогда не должны подключать его к выходу до тех пор, пока повышающий преобразователь не просто включится, но не достигнет предполагаемого выходного напряжения на выходе. . В противном случае батарея просто вызовет включение внутренних защитных диодов ESP8266, что может привести к перегреву и испарению этих диодов, что приведет к принудительному выходу из упаковки чипа.
Это убивает ESP8266.
Обычно упоминается какая-то защита для микроконтроллера, но я не понимаю, что это значит?
Это означает, что эти маленькие крошечные цифровые выводы ввода-вывода CMOS должны иметь дело с чем-то, что будет иметь на 2 порядка большую емкость, чем любой вход CMOS, для которого предназначены выводы ввода-вывода. Вместо этого вы просите что-то, предназначенное для наполнения и опорожнения наперстка, чтобы наполнять и опорожнять ванну. Затвор MOSFET на короткое время будет вести себя как короткое замыкание на этом контакте, и паразитные помехи также могут вызвать скачки напряжения на контакте.
Другое дело, что вашей основной точкой отказа будет полевой МОП-транзистор. Импульсные преобразователи, как правило, вызывают много звонков в коммутационном узле, что приводит к скачкам напряжения, которые иногда могут намного превышать напряжение переключения. Оксидный слой в полевых МОП-транзисторах довольно тонкий и хрупкий, и скачок напряжения довольно часто не только пробивается от истока к стоку, но и проходит через затвор. Это также применит этот шип к управляющему выводу вашего микроконтроллера, за которым следует любое напряжение, которое вы переключали с помощью этого MOSFET.Если вы не переключали 3,3 В, это также убьет ESP8266.
Нужен ли разрядный резистор для МОП-транзистора или низкий уровень сигнала разряжает МОП-транзистор? (это логический уровень MOSFET).
Низкий уровень разряжает его, хотя в любом случае желательно иметь на затворе подтягивающий резистор. Это гарантирует, что ворота останутся выключенными до тех пор, пока что-то действительно не намеревается их включить. В противном случае, если контакт ESP8266, управляющий затвором, по какой-либо причине становится высокоимпедансным, полевой МОП-транзистор, вероятно, просто будет колебаться в ответ на любой шум, попадающий в затвор, и это нехорошо, если у вас есть силовая часть. (вещь, переключаемая МОП-транзистором) подключена.
Я использую esp8266, используя 40 кГц в качестве частоты, которая кажется максимальной по документам. Любой способ подтвердить, действительно ли он генерирует 40 кГц без осциллографа
Полагаю, использовать частотомер. Или просто отключите ESP8266 от остальной части схемы и подключите этот выход к другому входу и используйте ESP8266 для подсчета/проверки самой выходной частоты. Или подключите его к ультразвуковому преобразователю (или, может быть, к пьезодинамику) и посмотрите, не сводит ли он с ума вашу кошку или собаку.Оба животных легко слышат 40 кГц. Только не делайте это долго, я думаю, 40 кГц будут звучать довольно раздражающе, если мы сможем их услышать.
Насколько важен входной конденсатор? В настоящее время у меня их нет.
Основной задачей входной емкости повышающего преобразователя является уменьшение пульсаций напряжения. Эта пульсация будет не только на входе, но и в некоторой степени будет передаваться на выход.
Это также может повлиять на переходную характеристику. Однако, предполагая, что у вас есть отдельный источник питания для вашей схемы управления и вы используете батарею для питания остальных, вам строго не нужна какая-либо входная емкость (на повышающем преобразователе.Другие топологии, такие как понижающий преобразователь, не будут так терпимы к этому), потому что батарея может меньше заботиться о пульсациях напряжения. Однако вы добавите пульсации на выходе. Но обязательно ли это для работы преобразователя? Не совсем.
Имейте в виду, что объемные конденсаторы (электролитические, танталовые) имеют слишком большой ЭСЛ и результирующий импеданс, чтобы сильно влиять на пульсации напряжения. 40 кГц достаточно медленные, чтобы они немного сработали, но только если они очень-очень близки к переключателю MOSFET.Все, что подключено через макетную плату, уже имеет слишком большую паразитную индуктивность между ним и полевым МОП-транзистором, чтобы приносить пользу. Кроме того, объемная емкость совсем не поможет, когда дело доходит до краев быстрых времен нарастания. Единственными конденсаторами, которые обычно могут оказывать существенное влияние на пульсации с таким высоким содержанием гармоник, являются керамические конденсаторы. Но только в том случае, если они припаяны непосредственно к контактам чего-то вроде TO-220 MOSFET. Даже несколько наногенри паразитной индуктивности сведут на нет большую часть их преимуществ, а расстояние, необходимое для достижения наногенри, измеряется миллиметрами.
Честно говоря, с чем-то столь далеким от идеала, как макетная плата и эти длинные провода, добавление любой входной емкости было бы театром подавления пульсаций больше, чем что-либо еще. Колпачки будут хорошо смотреться там, но на самом деле они ничего не сделают.
Выходной конденсатор 50 В 1500 мкФ, достаточно ли он хорош? Нужен ли продувочный резистор? Нужен ли мне керамический конденсатор параллельно для борьбы с высокочастотным шумом?
Объемные/электролитические конденсаторы на выходе предназначены для работы с переходными процессами нагрузки, а не с пульсациями на выходе.Они вообще не могут вести себя как конденсаторы на большинстве частот переключения. Они будут иметь небольшой эффект на частоте 40 кГц, а не вообще никакого, но они ничего не сделают против любого гармонического содержания. Керамические конденсаторы – единственные конденсаторы, которые обычно имеют значение. Ваш преобразователь является исключением, так как частота переключения достаточно низка, чтобы они могли вести себя как конденсаторы (хотя и не такие большие, как кажутся на постоянном токе).
Наконец, если я соберу его на печатной плате, а не на макетной плате, будет ли он работать лучше?
Я полагаю, но любая производительность, которой вы могли бы достичь, будет сильно ограничена использованием микроконтроллера в качестве контура управления.АЦП имеет меньше полезных битов, чем вы, вероятно, думаете, чрезвычайно ограниченную полосу пропускания, огромное количество фазового сдвига, шум квантования и полагаясь на регулировку режима напряжения, это проигрышное предложение.
Это верно для любого стабилизатора напряжения, а импульсный регулятор напряжения на самом деле является просто линейным регулятором напряжения, выход которого задает рабочий цикл некоторого ШИМ-генератора.
Единственными причинами использования микроконтроллера для этой цели являются образовательные цели или чрезвычайно оптимизированные по стоимости конструкции, где микроконтроллер уже присутствует, и нужно просто генерировать более высокое напряжение при малой мощности, питая легкую/фиксированную нагрузку и без большое беспокойство по поводу эффективности или электромагнитных помех.Честно говоря, было бы напрасной тратой усилий создавать печатную плату для этого контроллера, если вы не выбрали более практичный контроллер.
Вам нужен аналоговый контур обратной связи, использующий регулирование по току, а не по напряжению, а не программное управление. Я бы посоветовал изучить микросхемы контроллеров ШИМ – думайте о них как о 555 на стероидах – это то, с чем раньше было построено большинство коммерческих SMPS. Чипы вроде TL494 или SG3525. Преимущество этих чипов в том, что вы можете использовать их и для других интересных вещей, даже для создания изолированного преобразователя и других интересных вещей.Несмотря на то, что сейчас это своего рода старая школа, в большинстве новых проектов используется больше контроллеров понижения / повышения / и т. д. для конкретных приложений. Однако они все еще могут быть полезны, когда вам нужно много ватт (сотни).
Но вы просто не сможете добиться хорошего регулирования с помощью ESP8266, поэтому повышающий преобразователь будет работать до тех пор, пока ваша нагрузка хорошо себя ведет, коэффициент усиления достаточно мал, а ваш полевой МОП-транзистор не перегревается. Но я думаю, что вы очень быстро разочаруетесь, столкнувшись с ограничениями использования микроконтроллера в качестве импульсного стабилизатора.Тем не менее, он отлично подходит для обучения и изучения того, как работают и ведут себя переключатели, по крайней мере, в некоторой степени.
Цепь повышающего преобразователя постоянного тока в постоянный (часть 5/9)
Много раз возникает необходимость повышать или понижать напряжение постоянного тока. Схемы для повышения или понижения постоянного напряжения не так просты, как в случае с переменным напряжением. Изменение уровня постоянного напряжения требует сложной схемы. Эти схемы называются преобразователями постоянного тока в постоянный. Преобразователи постоянного тока в постоянный представляют собой электронные схемы, которые преобразуют постоянное напряжение постоянного тока в уровень высокого напряжения или в уровень низкого напряжения.
Когда схема увеличивает напряжение постоянного тока до более высокого уровня, она называется повышающим преобразователем. Когда схема снижает напряжение постоянного тока до более низкого уровня, это называется понижающим преобразователем. Поскольку повышающий преобразователь преобразует постоянное напряжение в более высокий уровень напряжения, он также известен как повышающий преобразователь. Для усиления сигнала напряжения требуется схема регулятора, которая может повышать входной сигнал напряжения.
Большинство электронных гаджетов, таких как смартфоны, планшеты, работают от 5 В постоянного тока. Однако для общего использования 3.Аккумуляторы на 7 В довольно распространены. Эти батареи можно использовать для питания устройств 5 В с помощью схемы повышающего преобразователя. В этом проекте электроники напряжение литий-ионной батареи 3,7 В повышается до 5 В постоянного тока. Конечное напряжение разряда литий-ионной батареи можно принять равным 3,5 В, поэтому эта схема преобразует минимальное входное напряжение 3,5 В в уровень 5 В. Этот повышающий преобразователь может потреблять максимальный ток 500 мА.
Для усиления сигнала в этом проекте используется регулятор MC34063AP1, который повышает входной сигнал до желаемого уровня напряжения.
Необходимые компоненты
Рис. 1 : Список компонентов, необходимых для повышающего преобразователя постоянного тока в постоянный
Соединения цепи –
В этом проекте схема повышающего преобразователя построена с использованием микросхемы преобразователя постоянного тока 34063A. Входное напряжение подается через батарею 3,7 В, анод которой подключен к выводу 6 регулятора IC, а катод подключен к общей земле. Конденсатор Cin подключен к выводу 6 для устранения пульсаций входного сигнала.Дополнительный конденсатор C1 подключен параллельно конденсатору Cin для уменьшения общего ESR емкостей. Выходное напряжение снимается с вывода 5 регулятора IC через цепь делителя напряжения, образованную сопротивлениями R1 и R2. К выводу 7 ИС подключен токоограничивающий резистор Rsc, а к выводу 8 подключен резистор R3 для ограничения тока на базе встроенного транзистора ИС. Выводы 2 и 4 микросхемы заземлены. К выводу 1 подключены катушка индуктивности и диод для повышения входного напряжения.К выводу 3 микросхемы подключен времязадающий конденсатор Ct. На выходе схемы подключен конденсатор Со для уменьшения пульсаций выходного сигнала.
Как работает схема –
Прежде чем разобраться в работе схемы повышающего преобразователя на основе микросхемы 34063, важно понять, как работает базовая схема повышающего преобразователя. Ниже приведена основная схема повышающего преобразователя.
Рис. 2: Принципиальная схема базового повышающего преобразователя
В цепи повышающего преобразователя выходное напряжение больше, чем входной сигнал напряжения.Базовая схема повышающего преобразователя состоит из генератора для обеспечения входного сигнала, диода, одного переключающего компонента, такого как транзистор, и по меньшей мере одного элемента накопления заряда (конденсатора или катушки индуктивности).
Генератор обеспечивает прямоугольную волну на входе, поэтому во время положительного полупериода прямоугольной волны катушка индуктивности накапливает некоторую энергию и генерирует магнитное поле. В течение этой фазы левый вывод катушки индуктивности находится под положительным напряжением. На базу транзистора подается положительное напряжение, и он включается.Следовательно, анод диода имеет более низкий потенциал и действует как разомкнутая цепь. Таким образом, весь ток от источника питания течет через катушку индуктивности к транзистору и, наконец, к земле.
Рис. 3: Принципиальная схема, показывающая положительный цикл в работе цепи повышающего преобразователя
Во время отрицательного полупериода MOSFET отключается. Из-за этого индуктор не получает пути для зарядки. Ток через индуктор создает обратную ЭДС (согласно закону Ленца), которая меняет полярность индуктора (как показано на рисунке ниже).Таким образом, диод смещается в прямом направлении.
Теперь накопленный заряд индуктора начинает разряжаться через диод и на выходе получается напряжение более высокого уровня. В этом случае выходное напряжение зависит от накопленного заряда в катушке индуктивности. Чем больше накопленный заряд, тем больше получается выходное напряжение. Следовательно, если время зарядки индуктора больше, то увеличивается и накопленный заряд в индукторе. Таким образом, становится два источника входного напряжения — один индуктор, а другой входное питание.Таким образом, выходное напряжение всегда больше, чем входное напряжение.
Рис. 4: Принципиальная схема, показывающая отрицательный цикл в работе схемы повышающего преобразователя
Для повышения эффективности и устранения пульсаций на выходе повышающего преобразователя необходимо добавить некоторые другие компоненты в базовую схему повышающего преобразователя.
Разработка схемы повышающего преобразователя с использованием регулятора 34063 –
В этом проекте преобразователь постоянного тока разработан с использованием микросхемы регулятора 34063.Этот регулятор представляет собой специально разработанную ИС для преобразования постоянного тока в постоянный. Он обеспечивает постоянное и регулируемое выходное напряжение. Внутри этого регулятора есть транзистор с генератором, где генератор обеспечивает частоту прямоугольной волны до 100 кГц.
Входной сигнал для работы регулятора 34063 может варьироваться от 3 В до 40 В, а выходное напряжение может регулироваться в соответствии с требованиями с помощью сети делителя напряжения. ИС может использоваться в повышающих преобразователях, понижающих преобразователях и инверторах напряжения.Микросхема имеет 8 контактов со следующей конфигурацией контактов —
.Рис. 5. Конфигурация выводов регулятора 34063 в таблице
ИС регулятора поставляется со следующими функциями –
• Низкий ток в режиме ожидания — Потребляйте очень меньший ток, когда к выходу не подключена нагрузка.
• Может обеспечить выходной ток до 1,5 А за счет изменения внешней схемы этого повышающего преобразователя.
• Регулируемое выходное напряжение – пользователь может изменить выходное напряжение в соответствии с требованиями.
• Регулируемая частота до 100 кГц
Рис. 6: Внутренняя схема регулятора 34063 IC
Из рисунка 2 видно, что наряду с основными компонентами, такими как генератор, транзистор, диод и катушка индуктивности, которые по существу являются частью базовой схемы повышающего преобразователя (рис. 1), регулятор 34063 также имеет дополнительные компоненты. Эти компоненты используются для предоставления пользователю дополнительных функций и повышения эффективности схемы повышающего преобразователя.
Для изготовления повышающего преобразователя на регуляторе 34063 используется следующая схема –
Рис. 7: Принципиальная схема повышающего преобразователя
Различные внешние компоненты, взаимодействующие с ИС регулятора, выполняют следующие специфические функции –
Времязадающий конденсатор CT. Конденсатор подключен к контакту 3. Контакт 3 выполняет функцию времязадающего конденсатора. Конденсатор, подключенный к выводу 3, задает частоту переключения микросхемы регулятора.
Токоограничивающий резистор Rsc – К контакту 7 регулятора IC подключен токоограничительный резистор. Сопротивление источника тока Rsc подключается между выводом 7 и положительным полюсом аккумулятора. Сопротивление Rsc ограничивает пиковый ток Ipk (максимальный внутренний ток, протекающий от катушки индуктивности и диода) в цепи. Вот почему при проектировании схемы важно правильно выбрать катушку индуктивности и диод, которые могут обеспечить максимальный ток Ipk.
Capacitances Cin, Co и C1 – Конденсаторы Cin, Co и C1 включены в схему для фильтрации входных и выходных сигналов.Емкости Cin и Co используются на входе и выходе соответственно. Эти конденсаторы уменьшают нежелательные пульсации и шум во входных и выходных сигналах. Конденсатор Co обеспечивает регулируемое и плавное постоянное напряжение на выходе. Дополнительный конденсатор C1 очень малой емкости также используется параллельно с конденсатором Cin для уменьшения ESR (эквивалентного последовательного сопротивления) при входном напряжении.
Сопротивления R1, R2 и R3 — в цепи подключены резисторы обратной связи R1, R2 и R3.R1 и R2 являются резисторами обратной связи, которые определяют желаемое выходное напряжение. Выходное напряжение зависит от резисторов обратной связи по следующему уравнению –
Vвых = Vref*(1+(R2/R1))
Напряжение Vref является опорным напряжением. Внутренне 34063A обеспечивает стабильное опорное напряжение 1,25 В. Для желаемого выходного напряжения значения резисторов обратной связи R1 и R2 можно рассчитать следующим образом –
Vвых = 1,25*(1+(R2/R1))
5 = 1,25*(1+(R2/R1)) (Поскольку желаемое выходное напряжение, Vout = 5 В)
Путем вычисления приведенного выше уравнения,
Р2 = 3*Р1
Если R1 принимается равным 15 кОм
R2 = 3*15000
R2 = 45 кОм Это значение можно округлить до 47 кОм, так как резистор на 47 кОм легко доступен.
Итак, в этом эксперименте
R1 = 15k и R2 = 47k
Резистор R3 используется для ограничения тока, протекающего через коллектор транзистора, встроенного в регулятор (см. рис. 2)
Катушка индуктивности L1 и диод D1. Катушка индуктивности и диод являются ключевыми компонентами базовой схемы повышающего преобразователя. Для использования в схеме выбран диод 1N5822, так как этот диод имеет меньшее прямое падение напряжения, выдерживает большой ток до 3 А и может работать на высокой частоте.
Для разработки повышающего преобразователя, который преобразует минимальное входное напряжение 3,5 В в выходное напряжение 5 В с использованием 34063, значения для различных внешних компонентов должны быть рассчитаны, как показано на рисунке 3. В соответствии со спецификацией 34063 для повышающего преобразователя приведена следующая таблица. можно использовать для расчета значений компонентов. Но перед расчетом значений компонентов важно учитывать следующие параметры, которые используются в таблице, приведенной в техническом описании.
(минимальное входное напряжение аккумулятора), Vin (мин) = 3.5 В
(Требуемое выходное напряжение), Ввых = 5В
(Максимальный выходной ток), Iвых(макс.) = 500 мА
(Напряжение насыщения транзистора), Vsat = 0,5 В (приблизительное значение по техпаспорту 34063)
(Прямое падение напряжения на диоде 1N5822), ВФ = 0,4 (по паспорту диода 1N5822)
(Требуемая выходная частота переключения), f = 100 кГц
В конструкции данной схемы повышающего преобразователя выбрана максимальная частота, которую может обеспечить регулятор 34063АП1.За счет того, что чем выше частота, тем меньше размер катушки индуктивности, поэтому это делает схему менее громоздкой.
(требуемая амплитуда пульсаций выходного напряжения), Впульсация = 100 мВ
Это размах напряжения пульсаций, который необходимо учитывать на выходе. Напряжение пульсаций всегда должно быть меньше для регулируемого и постоянного выхода.
Таблица для расчета значений компонентов повышающего преобразователя
Рис. 8: Таблица, используемая для расчета значений компонентов повышающего преобразователя
Для удобства следующие значения округлены, чтобы компоненты можно было легко собрать.
CT = 150 пФ, Rsc = 0,22 Ом, Lmin = 10 мкГн, Co = 200 мкФ
Значения других компонентов
Сопротивление R3- Стандартное значение резистора R3 составляет 180 Ом для повышающего преобразователя согласно паспорту регулятора 34063. В схеме оно округлено до 200 Ом.
Конденсатор Cin — В этой схеме для Cin используется конденсатор емкостью 100 мкФ. Это стандартное значение для повышающего преобразователя согласно техпаспорту регулятора 34063.
Конденсатор C1. Значение конденсатора C1 должно быть меньше, чтобы уменьшить общее ESR, поэтому емкость C1 принимается равной 0.1 мкФ
После подключения всех внешних компонентов к микросхеме регулятора можно измерить выходное напряжение и ток для практических наблюдений. Измерение различных значений напряжения и тока в цепи помогает оценить эффективность схемы повышающего преобразователя.
Практическое входное напряжение аккумулятора, Vin = 3,6 В
Практическое выходное напряжение, Vout = 5,35 В
Эффективность схемы повышающего преобразователя необходимо оценивать при разных нагрузках.Для удобства резисторы разных номиналов подключаются в качестве нагрузки на выходе для тестирования. Результаты, полученные в ходе испытаний, сведены в следующую таблицу –
Рис. 9. Таблица выходных напряжений и токов повышающего преобразователя для различных нагрузок
Рис. 10: График изменения напряжения для различных нагрузок на выходе повышающего преобразователя
Рис. 11: График, показывающий изменение тока для различных нагрузок на выходе повышающего преобразователя
Из практических наблюдений видно, что при увеличении потребления тока начинает пропадать напряжение.Как и при выходном напряжении 5 В при нагрузке 100 Ом, ток, потребляемый на выходе, составляет 50 мА. Когда выходное напряжение начинает падать ниже 5 В, ток, потребляемый нагрузкой, начинает увеличиваться. Следовательно, схема может обеспечивать ток примерно до 50 мА, если выходное напряжение установлено примерно на 5 В. Эффективность схемы можно повысить, добавив фильтры и регуляторы напряжения (стабилитроны), чтобы получить регулируемое напряжение на выходе.
Рис. 12: Прототип повышающего преобразователя, разработанный на макетной плате
При разработке этой схемы важно, чтобы для стабилизированного выхода необходимо было использовать конденсатор на входе питания, а также на выходе схемы, чтобы можно было уменьшить нежелательные пульсации входных и выходных сигналов.Конденсатор с низким значением (C1) также должен быть добавлен параллельно с конденсатором с высоким значением (Cin) на входе, чтобы уменьшить общее ESR. Диод и катушка индуктивности должны быть выбраны с умом, чтобы они могли пропускать через себя максимальный входной ток (Ipk). Критерием выбора диода и катушки индуктивности должно быть максимальное увеличение тока на выходе. Входное питание должно подаваться на регулятор 34063 только в его рабочем диапазоне. Выбор диода (D1) должен быть таким, чтобы он выдерживал меньшее прямое падение напряжения на нем и мог работать на высоких частотах.
Принципиальные схемы
Рубрики: Electronic Projects
Питание ваших электронных проектов | Мастерская DroneBot
Введение
Если вы хотя бы недолго работали с Arduino и другими электронными устройствами, вы, вероятно, придумали способ их включения на своем рабочем столе. Блоки питания USB и настольные блоки питания прекрасно справятся с этой задачей. С помощью Arduino вы можете просто подключить устройство к USB-порту компьютера.Получить электричество еще никогда не было так просто!
Но после того, как вы закончите свой дизайн, вы часто захотите создать более постоянную версию своего проекта, и для этого вам нужно подумать, как обеспечить его питанием.
Для работы электронных устройств, таких как Arduino, требуется напряжение «логического уровня». Эти напряжения «логического уровня» бывают двух видов — традиционные 5 вольт постоянного тока, которые также известны как напряжения «уровня TTL», и энергосберегающие 3,3 вольта постоянного тока, которые используются во многих маломощных устройствах.В обоих случаях напряжения должны регулироваться достаточно точно, чтобы не повредить компоненты.
Блок питания USB может быть простым решением во многих случаях. Он обеспечивает регулируемое питание 5 В постоянного тока, которое подходит для большинства электронных устройств, а его полностью закрытая конструкция защищает вас от любого шанса поражения электрическим током.
Но что, если вы хотите питать свое устройство от батареек? Получение точных и стабильных 5 или 3,3 вольт от батареи является сложной задачей, особенно когда батарея разряжается.
Сегодня мы рассмотрим несколько недорогих вариантов обеспечения регулируемой мощностью ваших электронных устройств.
Общие требования к напряжению
Существует несколько стандартных уровней напряжения, которые могут потребоваться для вашей конструкции, в некоторых конструкциях потребуется более одного из них. Вот некоторые из них:
- 3,3 В постоянного тока — это обычное напряжение, используемое в маломощных цифровых устройствах.
- 5 В постоянного тока — это стандартное напряжение TTL (транзисторно-транзисторной логики), используемое цифровыми устройствами.
- 6 В постоянного тока — часто используется для двигателей постоянного тока и серводвигателей.
- 12 В постоянного тока — также используется с двигателями постоянного тока, а также со многими шаговыми двигателями.
- 48 В постоянного тока — используется в профессиональном звуковом оборудовании в качестве «фантомного питания» для микрофонов.
Все указанные выше уровни напряжения положительны по отношению к земле. В некоторых старых конструкциях также требовалось отрицательное напряжение, например -12 В постоянного тока использовалось в последовательном соединении RS-232, которое раньше было стандартным для всех компьютеров и модемов.Аудиоусилителям часто требуются как положительные, так и отрицательные источники питания.
Регулировка напряжения
Напряжения логического уровня должны очень точно регулироваться. Например, для правильной работы логики TTL напряжение питания должно быть между 4,75 и 5,25 вольт, любое более низкое значение приведет к тому, что логические компоненты перестанут работать правильно, а любое более высокое может буквально их разрушить.
Некоторые требования к напряжению питания менее строгие. Мощность, подаваемая на двигатели, светодиоды и другие компоненты дисплея и электромеханические компоненты, не требует столь строгого регулирования, как это требуется для напряжения питания логики.Эти источники питания часто не регулируются, чтобы сэкономить на окончательной конструкции.
Регулировка напряжения для устройств с питанием от сети не так уж сложна, поскольку входное напряжение схемы регулятора довольно постоянно. Однако конструкции с батарейным питанием представляют собой гораздо более сложную задачу, поскольку уровни напряжения батареи будут колебаться по мере ее разрядки.
Устройства, которые могут питаться как от сети, так и от батарей, часто имеют дополнительные схемы для зарядки батарей, когда устройство питается от сети.В зависимости от технологии батареи, используемой в конструкции, это может варьироваться от простой до очень сложной схемы зарядки.
Текущие требования
Уровень напряжения источника питания — не единственная характеристика, которую необходимо учитывать при проектировании источника питания для вашего проекта. Не менее важно определить текущие требования проекта.
В отличие от требований к напряжению ток, потребляемый проектом, не всегда является статическим значением. Моторы, светодиодные и другие дисплеи, динамики и другие преобразователи могут вызывать колебания потребляемого тока, и вам необходимо спроектировать источник питания так, чтобы он соответствовал «наихудшему случаю», когда каждый двигатель, индикатор и звуковой сигнал работают на полную мощность.
Вновь текущие требования могут стать проблемой при проектировании с батарейным питанием. Когда батарея разряжается, ее текущие возможности уменьшаются, и попытка превысить эти текущие возможности может привести к быстрой разрядке батареи.
Эффективность
Еще одним важным аспектом конструкции регулятора напряжения является эффективность. Сам регулятор или преобразователь напряжения будет потреблять некоторое количество электроэнергии, которое в противном случае могло бы быть использовано для питания вашего проекта.
Эффективность идет рука об руку с производством тепла, неэффективная конструкция регулятора будет рассеивать избыточную энергию в виде тепла.Если вы не пытаетесь намеренно разогреть свою схему, это нехорошо! Тепло — один из злейших врагов электронных компонентов, и если ваш регулятор выделяет много тепла, вам нужно поработать над вентиляцией и, возможно, отводом тепла в вашу конструкцию.
Ни одна конструкция не может быть эффективна на 100%, поэтому ожидается некоторое выделение тепла. Переоценивая компоненты в вашем дизайне, вы можете свести это к минимуму.
Основные сведения об источниках питания
Функция источника питания, конечно же, заключается в подаче питания с правильными уровнями напряжения и тока, чтобы соответствовать требованиям вашего проекта.Энергия для работы блока питания может поступать из ряда источников — аккумуляторов, солнечных батарей, сети переменного тока и других.
Напряжение, которое нам нужно для наших маленьких электронных устройств, обычно представляет собой постоянный или постоянный ток. Батареи также производят постоянный ток, но линейные напряжения представляют собой переменный или переменный ток. Таким образом, в дополнение к обеспечению правильного напряжения (напряжений) источник питания переменного тока также должен преобразовывать входной сигнал переменного тока в выходной сигнал постоянного тока.
переменный ток постоянный ток
Если приведенный выше подзаголовок заставляет вас думать об австралийских рокерах в коротких штанах, то вы читаете не ту статью!
Электроэнергия, подводимая к вашему дому, всегда является переменным током.Переменный ток можно передавать на очень большие расстояния, повышая и понижая его с помощью трансформаторов.
Частота переменного тока зависит от вашего местоположения. В Северной Америке мы используем частоту 60 Гц, тогда как в Европе, Австралии, Новой Зеландии и многих странах Азии и Африки используется частота 50 Гц. Уровни напряжения также различаются: в домах Северной Америки напряжение сети составляет около 110–120 вольт переменного тока, в то время как в других местах в мире используется более высокое напряжение 220–240 вольт переменного тока.
Если вы собираете или покупаете блок питания для устройства, которое собираетесь экспортировать, вам необходимо учитывать различные напряжения и частоты в сети по всему миру.Существуют также разные стандарты для типов разъемов или вилок, используемых в разных странах.
Поскольку нашим электронным устройствам требуется постоянный ток при гораздо более низком напряжении, вам необходимо сделать две вещи, прежде чем вы сможете использовать питание от настенной розетки:
- Уменьшите напряжение до более низкого уровня.
- Преобразовать его из переменного тока в постоянный.
Интересно, что вышеперечисленное можно делать в любом порядке.
В обычном линейном источнике питания переменное напряжение сначала проходит через трансформатор, который существенно снижает его, а затем преобразуется в постоянное.
В современном импульсном источнике питания (например, в вашем настольном компьютере) переменное напряжение напрямую преобразуется в высоковольтный постоянный ток, который используется для возбуждения высокочастотного генератора. Высокочастотный переменный ток, создаваемый этим генератором, затем проходит через небольшой трансформатор, а выходное низкое напряжение преобразуется в постоянный ток.
В любом случае в какой-то момент нам нужно преобразовать переменный ток в постоянный. Это на самом деле довольно просто.
Выпрямители и мосты
Термин «выпрямитель» восходит к временам электронных ламп, на самом деле это просто другое название сильноточного диода.Диод, как я уверен, вы уже знаете, является основным электронным компонентом, который пропускает ток только в одном направлении.
Если вы подключите выпрямитель или диод последовательно к источнику переменного напряжения, вы предотвратите прохождение либо положительной, либо отрицательной части сигнала переменного тока, в зависимости от того, как вы ориентируете диод.
Это шаг к получению напряжения постоянного тока из переменного тока, но результирующий выходной сигнал не совсем ровный, как показано ниже.
На выходе можно использовать электролитический конденсатор, чтобы попытаться сгладить напряжение и получить достаточно стабильное напряжение постоянного тока.Это простой способ преобразования переменного тока в постоянный с парой недостатков.
- Выходное напряжение будет снижено. Это будет входное напряжение переменного тока, умноженное на 0,7072.
- По сути, вы «тратите впустую» половину каждого цикла переменного тока, так что это не очень эффективно.
Лучшим методом является использование четырех диодов для создания так называемого «мостового выпрямителя». Вы можете увидеть результаты на следующей диаграмме. Мы снова будем использовать электролитический конденсатор, чтобы сгладить результирующее постоянное напряжение.
Этот метод имеет несколько преимуществ по сравнению с методом с одним диодом:
- Выходное напряжение выше. Это будет входное напряжение переменного тока, умноженное на 1,414.
- Вы используете как положительную, так и отрицательную часть цикла переменного тока, что намного эффективнее.
Вы можете либо построить эту схему с четырьмя отдельными диодами, либо купить мостовой выпрямитель, который предварительно смонтирован.
Кстати, выходные напряжения, которые я приводил ранее, не совсем точны, вам также нужно учитывать падение напряжения на диоде (диодах).Обычно это около 0,7 вольта.
Эти цепи преобразуют переменный ток в постоянный, но не регулируют напряжение. Если напряжение переменного тока должно возрасти или упасть, соответствующее выходное напряжение постоянного тока изменится на ту же величину.
Регуляторы и преобразователи
Независимо от того, получено ли ваше постоянное напряжение от переменного тока или от батареи, есть вероятность, что это напряжение не будет правильным для вашего приложения. Вам нужно будет изменить напряжение до желаемого уровня (т.е. 5 вольт), и вам необходимо убедиться, что он остается на этом уровне, даже если входное напряжение изменяется.
Мы можем сделать это несколькими способами, используя регуляторы или преобразователи.
Линейные регуляторы напряжения
Линейный регулятор напряжения принимает входное напряжение постоянного тока и выдает регулируемое выходное напряжение с более низким напряжением.
Отличный пример использования стабилизатора напряжения находится на плате Arduino Uno. Arduino Uno имеет 5-вольтовый линейный регулятор напряжения на своей печатной плате, что позволяет использовать его коаксиальный разъем питания для подключения источника питания от 8 до 20 вольт постоянного тока.Регулятор уменьшает это до уровня 5 вольт постоянного тока, который использует Arduino.
Линейные регуляторы напряжениядоступны с середины 1970-х годов и до сих пор являются ценными компонентами. Они очень просты в использовании и доступны с различными номиналами тока. Обычно они имеют тот же форм-фактор, что и транзисторы и силовые транзисторы.
Для линейных регуляторов напряжения
обычно требуется входное напряжение, по крайней мере, на 2,2 В выше желаемого выходного напряжения.Хотя они обычно могут выдерживать широкий диапазон входных напряжений, вы должны знать, что чем выше входное напряжение, тем больше энергии потребуется регулятору для рассеивания в виде тепла.
Линейные регуляторы напряжениянедороги и идеально подходят для устройств с питанием от сети. Они также используются в звуковом оборудовании, поскольку не создают электрических помех, которые создают преобразователи напряжения. Хотя вы, безусловно, можете использовать их с конструкциями с батарейным питанием, они, как правило, не лучший выбор для этого приложения, так как в конечном итоге вы будете тратить много энергии в виде тепла.Однако это не всегда так, поскольку в настоящее время существует новое поколение регуляторов с низким падением напряжения, и мы рассмотрим некоторые из них через мгновение.
Лучшим способом регулирования напряжения в устройствах с батарейным питанием является использование преобразователя напряжения.
Преобразователи напряжения
Фактически существует три типа преобразователей напряжения, которые вы можете использовать в своих проектах:
- Понижающие преобразователи
- Повышающие преобразователи
- Понижающие повышающие преобразователи
Давайте кратко рассмотрим различия между ними.
Понижающий преобразователь
Понижающие преобразователиработают по так называемой «схеме маховика». Во время работы транзистор включается и выключается, а его выход подается через катушку индуктивности, а затем на конденсатор. Когда транзистор включается и выключается, конденсатор заряжается и разряжается энергией, хранящейся в катушке. Период или частота, при которой происходит переключение, определяет выходное напряжение.
Как и линейный стабилизатор, понижающий преобразователь используется в ситуациях, когда требуемое выходное напряжение ниже входного.
Повышающий преобразователь
Повышающий преобразователь работает аналогично понижающему преобразователю, разница заключается в расположении катушки, диода и конденсатора, которые образуют цепь маховика. Повышающие преобразователи также называют «импульсными источниками питания».
Как следует из названия, выходное напряжение повышающего преобразователя на самом деле выше, чем входное напряжение.
Понижающий повышающий преобразователь
Почти лучшее из обоих миров, понижающий повышающий преобразователь использует пару обратноходовых цепей с транзисторным управлением для повышения или понижения входного напряжения.
Этот тип преобразователя напряжения особенно полезен для устройств с батарейным питанием. Например, давайте возьмем схему, которая требует 5 вольт и с которой мы хотим использовать батарею на 7,2 вольта. Когда батарея полностью заряжена, преобразователь действует как понижающий преобразователь, снижая выходное напряжение до 5 вольт. Когда батарея разряжается ниже уровня 5 вольт, схема действует как повышающий преобразователь, повышая выходное напряжение до 5 вольт.
Мы рассмотрим все три типа преобразователей.
Популярные регуляторы и преобразователи
Теперь, когда мы обсудили источники питания, стабилизаторы и преобразователи, пришло время применить полученные знания на практике.
Я собрал несколько примеров этих устройств, чтобы показать вам. Все это простые и недорогие методы обеспечения напряжения для вашего проекта.
Линейный регулятор— серии 78XX и 79XX
Наш первый линейный регулятор — это компонент, который существует уже более 40 лет.На самом деле это семейство компонентов, члены которого имеют разные выходные напряжения и токовые характеристики.
Регуляторы напряжения 78XX представляют собой 3-контактные устройства, доступные в различных корпусах, от больших корпусов силовых транзисторов (T220) до крошечных устройств для поверхностного монтажа. Это регуляторы положительного напряжения, наиболее распространенный тип. Серия 79XX представляет собой эквивалентные регуляторы отрицательного напряжения.
Система нумерации этих компонентов довольно проста, XX в номере детали указывает на выходное напряжение.Так, например, 7805 — это положительный стабилизатор на 5 вольт, 7812 — положительный на 12 вольт, а 7915 — отрицательный на 15 вольт. И положительная, и отрицательная серии доступны для нескольких распространенных напряжений.
Эти регуляторы напряжения довольно просты в использовании. Помимо самого регулятора, единственные дополнительные компоненты, которые вам потребуются, — это пара электролитических конденсаторов на входе и выходе. Значения не являются критическими, обычно на входе можно использовать конденсатор емкостью 2,2 мкФ или выше, а на выходе — 100 мкФ или выше.
Обратите внимание, что хотя вы используете и положительный, и отрицательный регуляторы одинаково, распиновка отличается:
Регуляторы 78XX (положительные) используют следующую распиновку:
- ВХОД
- ССЫЛКА (ЗЕМЛЯ)
- ВЫХОД
В регуляторах 79XX (отрицательный) используется следующая распиновка:
- ССЫЛКА (ЗЕМЛЯ)
- ВВОД
- ВЫХОД
Следует отметить, что версия этих стабилизаторов напряжения в корпусе TO-220 состоит в том, что корпус электрически соединен с центральным контактом (контакт 2).В серии 78XX это означает, что корпус заземлен, но обратите внимание, что в серии 79XX (отрицательный регулятор) контакт 2 является входом, а не землей. Это означает, что вам нужно соблюдать осторожность при подключении радиатора к устройству, что вам нужно будет сделать, если вы планируете потреблять большой ток. При необходимости вы можете использовать слюдяной изолятор на радиаторе, чтобы предотвратить его электрический контакт с контактом 2.
Несмотря на свой возраст, эти регуляторы до сих пор широко используются и хороши для устройств с питанием от сети.Однако они не так эффективны, как современные регуляторы, поэтому для устройств с батарейным питанием вам следует взглянуть на некоторые другие решения, представленные здесь.
Линейный регулятор– регулируемый регулятор LM317
LM317 — это положительный линейный стабилизатор напряжения с регулируемым выходом. Это также классический электронный компонент, и его переменный выход делает его очень полезным в ситуациях, когда вам нужно «нестандартное» напряжение. Он также был популярен среди любителей для использования в простых регулируемых источниках питания для рабочих мест.
Как и регуляторы серии 78XX, LM317 представляет собой трехконтактное устройство. Однако проводка немного отличается, как показано здесь.
Главное, на что следует обратить внимание при подключении LM317, это два резистора, которые обеспечивают опорное напряжение для регулятора, это опорное напряжение определяет выходное напряжение. Вы можете рассчитать эти значения резисторов следующим образом:
Рекомендуемое значение для R1 составляет 240 Ом, но на самом деле это может быть любое значение от 100 до 1000 Ом.
Конечно, вы также можете заменить два резистора потенциометром, чтобы получить регулируемый линейный регулятор напряжения. Вы, вероятно, захотите включить резистор на 100 Ом последовательно с потенциометром, чтобы быть уверенным, что сопротивление R1 никогда не опустится до нуля.
Как и регуляторы серии 78XX, регулятор LM317 все еще используется сегодня, но, опять же, сейчас доступны более эффективные регуляторы. Тем не менее, это был бы хороший выбор для блока питания с питанием от сети, которому требуется «странное» напряжение.
Линейный регулятор — PSM-165 Линейный понижающий регулятор от 12 В до 3,3 В
PSM-165 представляет собой небольшую коммутационную плату с регулятором на 3,3 В. Эта крошечная плата будет принимать входное напряжение от 4,5 до 12 вольт и преобразовывать его в 3,3 вольта для маломощной логической схемы.
Микросхема, используемая в PSM-165, такая же, как и в большинстве плат Arduino Uno для обеспечения выходного напряжения 3,3 В. Он имеет максимальный ток 800 мА.
Плата интересна тем, что имеет несколько разъемов как для входа, так и для выхода, это обеспечивает большую гибкость при проектировании печатной платы, использующей этот модуль в качестве «дочерней платы».
Как видите, подключение этого модуля очень простое, никаких внешних компонентов не требуется.
Линейный регулятор— Модуль линейного регулятора 5 В AMS1117-5
Серия трехвыводных стабилизаторов напряжения AMS1117 во многом похожа на серию 78XX. Они доступны для нескольких различных напряжений и совместимы по выводам с серией 78XX.
Это более современные устройства, чем серия 78XX, и они имеют более низкое падение напряжения, что делает их полезными как для источников питания от сети, так и от батарей.
AMS1117-5 представляет собой стабилизатор на 5 вольт. Он доступен сам по себе или на популярной доске. Разделительная доска позволяет очень просто включить ее в свой проект.
Как и в случае с PSM-165, подключение модуля AMS1117-5 выполняется очень просто. На коммутационной плате установлены фильтрующие конденсаторы, поэтому внешние компоненты не требуются. Просто подключите входное напряжение и получите питание от выхода — это так просто!
Линейный регулятор – L4931CZ33-AP 3,3 В регулятор с очень малым падением напряжения
Последний линейный стабилизатор напряжения, который мы сегодня рассмотрим, это L4931CZ33-AP.Как и в случае с PSM-165, этот стабилизатор обеспечивает напряжение 3,3 В для питания маломощных логических схем.
Этот регулятор имеет чрезвычайно низкое падение напряжения, всего 0,4 вольта, если быть точным. Это делает его идеальным регулятором для использования в устройствах с питанием от слаботочных батарей. Он также чрезвычайно мал, доступен в корпусе транзистора TO-92, а также в нескольких корпусах для поверхностного монтажа.
L4931CZ33-AP на самом деле является членом семейства стабилизаторов низкого падения напряжения, также есть модели на 3,5, 5 и 12 вольт с аналогичными характеристиками.Единственным дополнительным компонентом, который требуется при использовании этого устройства, является небольшой электролитический конденсатор емкостью 2,2 мкФ.
Подключение L4931CZ33-AP очень похоже на подключение серии 78XX. Конденсатор 2,2 мкФ, о котором я упоминал, используется на выходе, вы также можете разместить дополнительный керамический конденсатор на входе.
Понижающий преобразователь — MINI-360 Понижающий преобразователь постоянного тока в постоянный
Теперь давайте посмотрим на понижающий преобразователь. MINI-360 — это сверхмаленький, сверхэффективный понижающий преобразователь, который может принимать входное напряжение до 23 вольт и выдавать выходное напряжение, которое можно регулировать от 1 вольта до 17 вольт.
Устройство находится на очень крошечной коммутационной плате с потенциометром для установки выходного напряжения. При КПД около 95 % очень мало энергии теряется в виде тепла, что делает это устройство идеальным выбором для устройств с батарейным питанием.
Как показано на схеме, подключение MINI-360 очень простое, просто подключите входное напряжение, и он готов к использованию. Было бы неплохо отрегулировать потенциометр и установить уровень выходного сигнала, прежде чем подключать к нему какую-либо нагрузку, особенно если вы планируете использовать его для низкого напряжения.
Повышающий преобразователь — PSM-205 Повышающий преобразователь постоянного тока в постоянный, 5 В USB
Первый повышающий преобразователь, который мы рассмотрим, представляет собой уникальное устройство, в котором на коммутационной плате встроен разъем USB. Это очень удобно при создании блока питания для устройства с питанием от USB.
Этот недорогой модуль повышает напряжение от 0,9 В до 5 В при токе до 600 мА. Очевидно, что это идеально подходит для проектов, питающихся от батарей, теперь можно использовать одну ячейку AA или AAA для питания ваших логических устройств на 5 вольт.
Опять же, модуль обеспечивает очень простое подключение, вы буквально подключаете источник от 0,9 до 5 вольт ко входу и подключаете устройство с питанием от USB к разъему USB.
Как вы уже догадались, этот повышающий преобразователь часто используется в банках питания USB.
Повышающий преобразователь— MT3608 Повышающий преобразователь постоянного тока в постоянный
Еще один крошечный повышающий преобразователь, MT3608, может принимать входное напряжение от 2 вольт и повышать его до 28 вольт. Он включает в себя блокировку при пониженном напряжении, тепловое ограничение и защиту от перегрузки по току.
MT3608 упакован на крошечной коммутационной плате с подстроечным потенциометром для установки уровней напряжения. Несмотря на то, что это устройство может выглядеть крошечным, оно может выдавать впечатляющие 2 ампера тока. MT3608 имеет рейтинг эффективности 93%.
Имея всего четыре четко обозначенных контакта, MT3608 очень прост в использовании. Поскольку он способен выдавать до 28 вольт, рекомендуется использовать подстроечный резистор для установки выходного напряжения перед подключением устройства к вашей цепи.
Понижающий повышающий преобразователь — S9V11F5 Повышающий/понижающий регулятор
Теперь мы переходим к устройству, которое является моим личным фаворитом среди устройств с батарейным питанием — повышающему/понижающему регулятору S9V11F5.
Это маленькое чудо, созданное Pololu, может выдавать 5 вольт при входном напряжении от 2 до 16 вольт. Следует отметить, что для запуска преобразователя напряжение должно быть не менее 3 вольт, но как только он заработает, входное напряжение может упасть до 2 вольт, прежде чем он перестанет работать.
Эта плата очень маленькая и имеет только три разъема. Он поставляется как с прямыми, так и с прямоугольными штекерными разъемами, что позволяет использовать его там же, где и традиционный 3-контактный линейный регулятор.
S9V11F5 относится к семейству коммутационных плат, некоторые из которых имеют фиксированное выходное напряжение, а некоторые — переменное.
Для работы S9V11F5 не требуются внешние конденсаторы или другие компоненты. Его сверхмалый размер и относительно высокий выходной ток делают его идеальным для многих конструкций.
Однако следует помнить, что S9V11F5 может сильно нагреваться, особенно при использовании на полную мощность. Имейте это в виду, когда будете раскладывать печатную плату и не прикасаетесь к преобразователю во время его использования, вы можете обжечься!
Блок питания макетной платы
Прежде чем мы закончим, я хочу упомянуть еще об одном методе усиления ваших проектов.
Блок питания для макетной платы — это распространенный компонент, предназначенный, как вы уже догадались, для питания макетных плат без пайки. Эти недорогие устройства имеют два встроенных линейных стабилизатора, которые обеспечивают стабильное напряжение 5 и/или 3,3 В от входного напряжения постоянного тока 9–15 В. Они предназначены для защелкивания на шинах питания стандартной макетной платы без пайки. Устройство также оснащено коаксиальным входом питания 2,1 мм, светодиодными индикаторами питания, выходом питания USB и выключателем.
Хотя эти устройства, очевидно, предназначены для использования на верстаке с макетными платами без пайки, они также могут стать отличным источником питания для постоянного проекта.Поскольку они используют линейные регуляторы, они, вероятно, больше подходят для конструкций с питанием от сети, хотя они могут питаться от 9-вольтовой батареи.
Я бы порекомендовал иметь несколько таких в своей мастерской, хотя бы для экспериментов.
В заключение
Обеспечение хорошего источника питания является неотъемлемой частью проектирования электронных устройств. Как вы видели, существует множество методов, которые вы можете использовать для обеспечения источника питания для ваших электронных проектов.
Если вы собираетесь использовать сеть (переменного тока) для обеспечения электроэнергией вашего устройства, вы должны обязательно принять надлежащие меры предосторожности, чтобы предотвратить любой шанс поражения электрическим током.Лучший способ сделать это — использовать коммерческий адаптер переменного тока или настенную розетку, чтобы обеспечить безопасный источник питания постоянного тока, который вы затем можете регулировать, используя один из методов, описанных выше, если это необходимо. Использование коммерческого адаптера, сертифицированного для использования в вашей стране (т. е. одобренного UL, одобренного CAS и т. д.), также удовлетворяет требованиям страхования, что является очень важным фактором, особенно если вы намерены производить свою конструкцию серийно.
Для конструкций с батарейным питанием использование эффективного преобразователя напряжения может продлить время работы вашего проекта, выжимая из ваших батарей все до последней капли энергии, прежде чем потребуется подзарядка или замена.
Какими бы ни были ваши требования, вы обязательно найдете преобразователь или регулятор, отвечающий вашим потребностям.
А теперь давайте зарядимся!
Родственные
Краткий обзор
Название статьи
Электропитание электронных устройств — регуляторы и преобразователи напряжения
Описание
Научитесь обеспечивать стабильный источник электроэнергии для своих электронных устройств. В этой статье мы обсудим подключение нескольких популярных регуляторов и преобразователей напряжения.
Автор
Мастерская DroneBot
Имя издателя
Мастерская DroneBot
Логотип издателя
Сделать простой повышающий преобразователь
DC/DC Boost расчет Калькулятор повышающего преобразователя своими руками!- Дом
- О компании
- ladyada.net
- Портфолио
- Исследования
- Пресс
- Публикация и презентация
- Фото
- Вики (серверная часть)
- проектов
- Ардуино »
- Экран регистратора данных
- Экран Ethernet
- GPS-защита
- Протощит
- Моторный щит
- Волновой щит
- Proto Винтовой щиток
- Экран для ЖК-дисплея с RGB-подсветкой
- 2.8 сенсорный экран TFT
- Адалайт
- Прил. блок питания
- Мозговая машина
- Боардуино
- Кнопка DIGG
- Дродио
- Блок предохранителей
- Игра Grrl
- Игра жизни
- Часы с ледяной трубкой
- IoT-камера
- Светодиодный пояс
- Мента
- MIDIsense
- MiniPOV2
- MiniPOV3
- МинтиMP3
- МинтиБуст
- МОНОХРОННЫЙ
- Считыватель SIM-карт
- SpokePOV
- ТВ-Би-Гон
- Твит-ватт
- USBtinyISP
- Волновой пузырь
- х0хb0х
- XBee
- YBox2
- Быстрый секс »
- USB-геймпад
- Хэллоуинская тыква
- Винтажный облегченный велосипед
- Воздушный змей Arial Фото
- Подставка для велосипеда
- Велосипед LiIon Lite
- Пого-стрела
- Массовое программирование
- Солнечная LiPo-зарядка
- Считыватель магнитных полос
- Солнечный трекер
- Сумка ТРОН
- Еще…
- ->Инструкции
- Ардуино »
- Узнать
- Учебное пособие по Arduino
- Учебное пособие по AVR
- Сканеры штрих-кода
- Учебник по EL Wire
- ЖК-дисплеи
- Светодиоды
- Учебное пособие по мультиметру
- Цифровые весы
- Датчики »
- ФСР
- Фотоэлемент CdS
- Температура
- Наклон
- ПИР
- Термопара
- ИК-приемник
- Разделительные доски »
- DS1307 RTC
- МАКС6675
- ATmega32u4 Прорыв+
- Товары »
- Рюкзак с ЖК-дисплеем i2c/SPI
- USB Boarduino
- ATmega32u4 Прорыв+
- 2.8 сенсорный TFT-экран
- 1.8 SPI TFT
- 2.2 SPI TFT
- BentoBox от Ladyada
- Камера JPEG
- Цифровая светодиодная лента
- Датчик отпечатков пальцев
- Графический ЧРП
- Разрыв MicroSD
- 0,95-дюймовый цветной OLED-дисплей
- ЖК-дисплей Nokia 51100
- Монохромный OLED-дисплей
- 12-мм светодиодные пиксели
- 36-мм светодиодные пиксели
- RGB-светодиодная матрица
- Светодиодная лента RGB
- Термопринтер
- Максимальная GPS
- USB/последовательный ЖК-дисплей RGB
- RFID/NFC
- Chumby Hacker Board
- Учебник по пайке
- Руководство по источнику питания
- Учебник Brother KH-9033
- Руководство по обратному проектированию USB
- Штангенциркули учебное пособие
- Светодиодные полосы RGB
- RGB-светодиод Пиксели
- Литий-ионные и литий-полимерные батареи
- Библиотека
- Взломы Arduino
- Батареи
- Boost Calc
- Э.Е. Инструменты
- EE Компьютер
- Найти запчасти
- I2c-адреса
- Наборы
- Лазер
- uC Раздражает
- Оборудование с открытым исходным кодом
- Дизайн печатной платы и советы
- PIC по сравнению с AVR
- Программное обеспечение
- СМТ
- Zen-Cart Mods
- Блог
- Магазин
- Форумы
ледиада.нетто
Переехал!
Это руководство перемещено на http://learn.adafruit.com/diy-boost-calc.13 июня 2013 г. 12:03
Преобразователь Buck-Boost: что это такое? (Формула и принципиальная схема)
Что такое понижающий повышающий преобразователь?
Понижающе-повышающий преобразователь — это тип преобразователя постоянного тока в постоянный (также известный как прерыватель), величина выходного напряжения которого больше или меньше величины входного напряжения.Он используется для «повышения» постоянного напряжения, аналогично трансформатору для цепей переменного тока.
Эквивалентно обратноходовому преобразователю, использующему один индуктор вместо трансформатора. Две разные топологии называются повышающе-понижающим преобразователем.
Преобразователи постоянного тока также известны как прерыватели. Здесь мы рассмотрим повышающий преобразователь , который может работать как понижающий преобразователь постоянного тока или повышающий преобразователь постоянного тока в зависимости от рабочего цикла D.
Показан типичный преобразователь понижающего преобразователя ниже.
Источник входного напряжения подключен к твердотельному устройству. Вторым используемым переключателем является диод. Диод подключен в направлении, обратном направлению потока мощности от источника, к конденсатору и нагрузке, и они соединены параллельно, как показано на рисунке выше.
Управляемый переключатель включается и выключается с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ). ШИМ может быть основан на времени или на частоте.
Частотная модуляция имеет недостатки, такие как широкий диапазон частот для достижения желаемого управления переключателем, который, в свою очередь, дает желаемое выходное напряжение.
Модуляция на основе времени в основном используется для преобразователей постоянного тока. Его просто построить и использовать.
В этом типе ШИМ-модуляции частота остается постоянной. Преобразователь Buck Boost имеет два режима работы. Первый режим – это когда выключатель включен и проводит ток.
Режим I: переключатель включен, диод выключен
переключатель включен и поэтому представляет собой короткое замыкание, в идеале обеспечивающее нулевое сопротивление потоку тока, поэтому, когда переключатель включен, весь ток будет проходить через переключатель и катушку индуктивности. и обратно к источнику входного сигнала постоянного тока.
Катушка индуктивности накапливает заряд, пока выключатель находится в положении ON, а когда полупроводниковый переключатель находится в положении OFF, полярность катушки индуктивности меняется на противоположную, так что ток течет через нагрузку, диод и обратно в катушку индуктивности. Таким образом, направление тока через индуктор остается прежним.
Допустим, выключатель включен на время T ON и выключен на время T OFF . Мы определяем период времени, T, как и частоту переключения,
. Давайте теперь определим другой термин, рабочий цикл,
. Давайте проанализируем преобразователь Buck Boost в установившемся режиме работы для этого режима с использованием KVL.
Поскольку переключатель замкнут на время T ON = DT, мы можем сказать, что Δt = DT.
Выполняя анализ преобразователя Buck-Boost, мы должны иметь в виду, что
- Ток дросселя непрерывен, и это стало возможным благодаря выбору соответствующего значения L.
- Ток дросселя в установившемся режиме возрастает от значение с положительным наклоном до максимального значения в состоянии ВКЛ, а затем падает обратно до исходного значения с отрицательным наклоном.Следовательно, чистое изменение тока индуктора за любой полный цикл равно нулю.
Режим II: Переключатель выключен, диод включен
В этом режиме полярность катушки индуктивности меняется на противоположную, энергия, накопленная в катушке индуктивности, высвобождается и в конечном итоге рассеивается на сопротивлении нагрузки, что помогает поддерживать поток ток в том же направлении через нагрузку, а также повышает выходное напряжение, поскольку катушка индуктивности теперь также действует как источник в сочетании с входным источником.Но для анализа мы сохраняем первоначальные условности анализировать схему с помощью КВЛ.
Теперь проанализируем повышающий преобразователь Buck Boost в установившемся режиме для режима II с использованием KVL.
Поскольку переключатель некоторое время разомкнут, мы можем сказать, что .
Уже установлено, что чистое изменение тока катушки индуктивности в течение любого одного полного цикла равно нулю.
Мы знаем, что D изменяется от 0 до 1. Если D > 0,5, выходное напряжение больше входного; и если D < 0.