Андрей Смирнов
Время чтения: ~14 мин.
Просмотров: 0

Преобразователи напряжения. Виды и устройство. Работа

LeoBrynnЭлектроника / Блоки питанияДобавлено 7 комментариев Всем доброго времени суток, уважаемые самоделкины!В этой самоделке AKA KASYAN сделает универсальный понижающий и повышающий преобразователь напряжения.Недавно автор собрал литиевый аккумулятор. А сегодня раскроет секрет, для какой цели он его изготовил.Вот новый преобразователь напряжения, режим его работы — однотактный. Преобразователь имеет небольшие габариты и достаточно большую мощность.Обычные преобразователи делают одно из двух. Только повышают, или только понижают подаваемое на вход напряжение.Вариант, изготовленный автором может как повысить, так и понизить входное напряжение до требуемого значения.У автора имеются различные регулируемые источники питания, с помощью которых он тестирует собранные самоделки.Заряжает аккумуляторы, да и использует их для различных других задач.Не так давно появилась идея создания портативного источника питания.Постановка задачи была такой: устройство должно иметь возможность заряжать всевозможные портативные гаджеты.От обычных смартфонов и планшетов до ноутбуков и видеокамер, а также справился даже с питанием любимого паяльника автора TS-100.Естественно можно просто воспользоваться универсальными зарядными устройствами с адаптерами питания.Но все они питаются от 220ВВ случае автора требуется нужен был именно портативный источник различных выходных напряжений.А таковых в продаже автор не нашел.Питающие напряжения для указанных гаджетов имеют очень широкий диапазон.Например смартфонам нужно всего 5 В, ноутбукам 18, некоторым даже 24 В.Аккумулятор, изготовленный автором, рассчитан на выходное напряжение в 14,8 В.Следовательно, необходим преобразователь, способный как повышать, так и понижать начальное напряжение.Обратите внимание, некоторые номиналы указанных на схеме компонентов, отличаются от установленных на плате. Это конденсаторы.На схеме указаны эталонные номиналы, а плату автор делал для решения своих задач.Во-первых, интересовала компактность.Во-вторых, авторский преобразователь питания позволяет спокойно создать выходной ток в 3 Ампера.AKA KASYAN большего и не надо. Связано это с тем, что емкость примененных накопительных конденсаторов небольшая, но схема способна выдать выходной ток до 5 А. Поэтому схема является универсальной. Параметры зависят от емкости конденсаторов, параметров дросселя, диодного выпрямителя и характеристик полевого ключа. Замолвим пару слов о схеме. Она представляет собой однотактный преобразователь на базе шим-контроллера UC3843.Поскольку напряжение от аккумулятора немного больше штатного питания микросхемы, в схему был добавлен 12В стабилизатор 7812 для питания шим-контроллера.В приведенной схеме данный стабилизатор указан не был.Сборка. Про перемычки, установленные с монтажной стороны платы.Этих перемычек четыре, и две из них являются силовыми. Их диаметр должен быть не менее миллиметра!Трансформатор, вернее дроссель, намотан на желтом кольце из порошкового железа.Такие колечки можно найти в выходных фильтрах компьютерных блоков питания.Размеры примененного сердечника.Внешний диаметр 23,29мм.Внутренний диаметр 13,59мм.Толщина 10,33мм.Скорее всего, толщина намотки изоляции 0,3мм.Дроссель состоит из двух равноценных обмоток.Обе обмотки наматываются медной проволокой диаметром 1,2 мм.Автор рекомендует применять проволоку диаметром немного больше, 1,5-2,0 мм.Витков в обмотке десять, оба провода наматываются разом, в одном направлении.Перед установкой дросселя перемычки заклеиваем капроновым скотчем.Работоспособность схемы заключается в правильной установке дросселя.Необходимо правильно припаять выводы обмоток.Просто установите дроссель, как это показано на фото.Силовой N-канальный полевой транзистор, подойдет практически любой низковольтный.Ток транзистора не ниже 30А.Автор использовал транзистор IRFZ44N. Выходной выпрямитель — это сдвоенный диод YG805C в корпусе TO220.Важно использовать диоды Шоттки, так как они дают минимальную просадку напряжения (0,3В против 0,7) на переходе, это влияет на потери и нагрев. Их также легко найти в пресловутых компьютерных блоках питания. В блоках они стоят в выходном выпрямителе.В одном корпусе — два диода, которые в схеме у автора запараллелены для увеличения проходящего тока.Преобразователь стабилизирован, имеется обратная связь.Выходное напряжение задает резистор R3 Его можно заменить на выносной переменный резистор для удобства работы.Преобразователь также снабжен защитой от короткого замыкания. В качестве датчика тока применен резистор R10.Это низкоомный шунт, и чем выше его сопротивление тем меньше ток срабатывания защиты. Установлен SMD вариант, на стороне дорожек.Если защита от КЗ не нужна, то этот узел просто исключаем.Еще защита. На входе схемы стоит предохранитель на 10А.Кстати, в плате контроля аккумулятора уже установлена защита от КЗ. Конденсаторы, применяемые в схеме крайне желательно брать с низким внутренним сопротивлением.Стабилизатор, полевой транзистор и диодный выпрямитель крепятся к алюминиевому радиатору в виде согнутой пластины.Обязательно изолируем подложки транзистора и стабилизатора от радиатора при помощи пластиковых втулок и теплопроводящих изолирующих прокладок. Не забываем и про термопасту. А установленный в схеме диод уже имеет изолированный корпус.Благодаря ШИМ-управлению, КПД у преобразователя весьма высокий кпд.Например, ток холостого хода, в зависимости от питающего напряжения, находится в пределах 20мА — 40мА.Приступим к испытаниям.Для начала проверим диапазоны выходных напряжений.Подадим на вход 12 В. Выходное напряжение достигает двадцати пяти. Выше поднимать нельзя, выходные конденсаторы на 25 В.Минимальное выходное напряжение составляет 4,85 В. Следовательно, можно заряжать все USB гаджеты.Стабилизация работает отлично! Увеличив входное напряжение до 22,2 В, выходное находится точно в установленных пределах.При компактных размерах стабилизатор дает выходной ток 2,5 — 3 А практически без просадки выходного напряжения.Важно усилить припоем широкие силовые дорожки печатной платы. Ибо там протекают большие токи.Большое спасибо AKA KASYAN за проделанный труд!Ссылки на комплектующие находятся в описании к оригиналу видео.Ссылка на оригинальное видео — под текстом кнопка «источник». Доставка новых самоделок на почту

Получайте на почту подборку новых самоделок. Никакого спама, только полезные идеи!

*Заполняя форму вы соглашаетесь на обработку персональных данных

Становитесь автором сайта, публикуйте собственные статьи, описания самоделок с оплатой за текст. Подробнее здесь.

  • Цена: $0.75

Как то достаточно давно, сидя в машине подумал: а чего это я заряжаю телефон через автомобильную зарядку установленную в прикуриватель. Ведь «потребителей» частенько бывает больше чем один, да и само гнездо прикуривателя бывает нужно. Сформулировал для себя ТЗ: питание от борт сети через замок зажигания, выход 1-3 порта с током до 2 А. Поискал в интернете и оказалось что я далеко не первый кто озадачился проблемой и даже больше, реализовал ее различными способами. Для моей затеи нужен был стабилизатор напряжения выдерживающий напряжение бортсети и ток до 3 Ампер. Вариантов реализации на самом деле огромное количество, но все они сводятся к одному — импульсный понижающий преобразователь. Почему импульсный? Потому что у него КПД максимальное. Значить греться в преобразователе будет почти нечему и размеры обещают быть минимальные. Понижающий преобразователь предназначен для понижения напряжения до необходимого значения. Его силовые элементы работают в ключевом режиме, по простому включено, выключено. В момент включения энергию накапливает дроссель (катушка на сердечнике), в момент когда силовой элемент (транзистор) выключен, дроссель отдает запасенную энергию в нагрузку. Как только дроссель отдаст накопленную энергию, схема контролирующая напряжение на выходе включит силовой транзистор и процесс повторится. В настоящий момент все зарядные устройства для телефонов и планшетов вставляемые в гнездо прикуривателя выполнены по схеме с импульсным понижающим преобразователем.Доставка и внешний вид: Плата пришла в запаянном антистатическом пакете, вроде бы повод порадоваться, но на самом деле должно восприниматься как должное. Качество пайки вполне себе качественное. Незначительные остатки флюса на обратной стороне на выводах переменного резистора. Переменный резистор многооборотный, позволяет точно подстроить выходное напряжение. Предусмотрены крепежные отверстия под винт. Клеммников нет, провода придется паять. Под микросхемой есть отверстия с металлизацией для дополнительного отвода тепла на обратную сторону платы.Схема проще не придумаешь: Единственное что у китайцев номиналы дросселя и конденсаторов отличаются. Видимо что есть в наличии, то и ставят. Хуже уже не будет. На скорую руку припаял провода и нагрузку в виде проволочного резистора 2.2 Ом 10 Вт. Для ограничения температуры при нагреве, резистор был помещен в воду. На стенде доступно 2 напряжения 12 Вольт и 24 Вольта. Первое включение провел без нагрузки, для регулировки выходного напряжения, что бы не сжечь платку. Вращая винт резистора добился напряжения на выходе 5 Вольт. Нагрузка 2.2 Ом подразумевает ток 2.27 Ампера, что укладывается в заявленные параметры платы а так же мои потребности с небольшим запасом, поскольку я раздобыл сдвоенный разъем с дохлой материнской платы: По 1 Амперу на порт. 10 минут работы под нагрузкой и дикий нагрев платы. Фото с тепловизора: Обратная сторона Ахтунг! Температура 115С на диоде и 110С на микросхеме (сторона с деталями) и 105С с обратной стороны. Температура дросселя около 70С, многовато, но в насыщение не входит. Предельная температура для диода 150С, а для микросхемы 125С. Ни в какие ворота не лезет. Начал думать что это брак или в очередной раз я купил дешевую фигню.Скачал документацию на микросхему и обнаружил что этот преобразователь имеет паршивенькое КПД. А все из за того, что ключевой элемент в микросхеме является биполярный транзистор, который хоть и работает в ключевом режиме, но в открытом состоянии на нем падает прилично напряжения. Повышение напряжения на входе до 24 Вольт ситуацию никак не спасло. График КПД при токе нагрузки 3 Ампера: Т.е. примерно 80% при питании от борт сети автомобиля. Выходит на микросхеме выделяется при нагрузке 3 А 3.7Вт, а еще греется диод и дроссель. Заменой диода (3А 40В) и дросселя (47мкГн), а так же установкой радиатора можно было бы решить проблему с нагревом, но к чему такие усилия, когда за те же деньги можно взять более продвинутые понижающие преобразователи.Попытка исправить ситуацию: На обратную сторону через теплопроводящий клей установил небольшой радиатор (распилил радиатор от неисправного блока питания компьютера).

Диод планировал брать там же из «дежурки» С дросселем немного сложнее, но думаю нашел бы с большим сечением обмоточного провода (учитывая приличный разброс индуктивности в применяемых китайцами дросселях). Попытка включить и снять показания температуры привела к краху =) я перепутал полярность и спалил микросхему. Сэкономил, надо было штук 5 сразу брать на эксперименты, а лучше не брать вообще, ибо этот древний преобразователь настолько ужасен что в конкретно примененной плате даже 50% характеристик не отрабатывает.HintНа просторах сети обнаружил нетипичное применение микросхеме LM2596 — усилитель звуковой частоты класса D! Сигнал подается на вход 4 «обратная связь». Частота дискредитации правда не более 150 КГц. Ни в коем случае не призыв собирать усилитель на базе преобразователя, для этого есть специализированные микросхемы =)Выводы неутешительны: Плата в том виде, как она продается не оправдывает заявленные характеристики. Причем зависимость от тока нагрузки гораздо выше, чем от изменения напряжения. Доработать плату можно заменив половину деталей, но какой в этом смысл? Все же если вам нужен понижающий преобразователь (step down), то лучшей альтернативой обозреваемому были бы преобразователи собранные на микросхемах: LM2577, LM 2678 и аналогичных. На данный момент я уже заказал несколько плат на пробу заявлено КПД 96%PsПока я очень долго планировал поставить на машину USB порты, моя машинка поехала в утиль 🙁 но все же нашлось еще место, куда бы я поставил преобразователь взамен трансформаторному блоку питания: Это раз (там где креативненькая надпись): Это два (передняя планка с USB портами выдрана из старого корпуса от компьютера стенки «корпуса» оргстекло): Специально к обзору изготовил нагрузочную платку для проверки зарядных устройств (даже спалил парочку, не выдержали нагрузки). на али такие продаются готовые около 1$:Котэ:

Снимок4-5.jpgПеред вами сейчас преобразователь напряжения, однотактный малогабаритный и довольно мощный, обычный преобразователь может либо повышать, либо понижать входное напряжение, данный же вариант умеет и повышать и понижать.

У меня есть разные регулируемые источники питания, которыми я тестирую собраны самоделки, заряжаю аккумуляторы и многое другое. Снимок6-4.jpgНо вот недавно возникла идея создать портативный источник питания, который бы справился со всеми поставленными задачами, а в частности заряжал портативные гаджеты смартфона, ноутбуки, автомобильные АКБ и т.д.

Сразу замечу одну вещь номиналы некоторых компонентов на схеме могут отличаться от тех, что на плате например конденсаторы.

Снимок3-2.jpgСхема нарисована с применением эталонных номиналов, а плату я делал под свои нужды опираясь в первую очередь на компактные размеры.Снимок10-4.jpg

Именно мой источник питания обеспечивает на выходе ток до 3 ампер, но схема способна обеспечить выходной ток до 5 ампер, так что она универсальна, всё зависит от ёмкости конденсаторов, дросселя, полевого ключа и диодного выпрямителя.

Несколько слов о схеме — это однотактный преобразователь на базе шим контроллера UC3843, питать данную схему можно как от аккумулятора, так и от выпрямителя.Снимок14-4.jpg

Чтобы микросхема работала спокойно от моего мощного аккумулятора, Снимок39.jpgмне пришлось на плату добавить линейный стабилизатор 7812 на 12 вольт для питания микросхемы шим, на схеме этот стабилизатор не указан, его можно ставить по желанию.Снимок15-4.jpg

При сборке стоит обратить внимание на перемычки, которые имеются на плате, при том 2 из них силовые, следовательно они должны иметь примерный диаметр в 1 и более миллиметров.Снимок16-4.jpg

Трансформатор,точнее это дроссель, Снимок17-5.jpgнамотан на жёлто-белом колечке из порошкового железа, такие применяются в качестве сердечника выходного фильтра в компьютерных блоках питания.Снимок18-3.jpg

Размеры использованного мною сердечника сейчас перед вами

Дроссель содержит две равноценные обмотки, обе намотаны проводом 1 и 2 миллиметра, советую диаметр чутка побольше, полтора — два миллиметра, количество витков 10, обе обмотки намотаны разом, естественно в одинаковом направлении.Снимок22-3.jpg

Перед установкой дросселя, перемычки желательно заклеить скотчем, Снимок23-1.jpgработа схемы зависит от правильной установки дросселя, нужно соблюдать начала обмоток или просто установить дроссель, так как это показано на рисунке…

Силовой транзистор — любой низковольтный n-канальный полевой транзистор с током от 30 ампер, в моем случае использован транзисторы IRFZ44 (как всегда).

Выходной выпрямитель —это сдвоенный диод в корпусе TO220, очень желательно взять диоды-шотки у последних минимальное падение напряжения на переходе, а следовательно и потери.

Такие диоды можно найти в тех же компьютерных блоках питания, они стоят в качестве выходного выпрямителя, в таком корпусе два диода, которые в нашей схеме подключены параллельно для увеличения общего тока и еще большего снижения падения напряжения на переходе.

Преобразователь естественно стабилизирован, обратная связь и все такое. Выходное напряжение задается резистором R3, его можно заменить на обычный переменник для удобства регулировки.

Кстати наш преобразователь снабжен защитой от коротких замыканий. В качестве датчика тока резистор R10-это низкоомный шунт,

чем больше его сопротивление, тем меньше ток срабатывания защиты и наоборот.

Если защита не нужна, то этот узел можно исключить. Ещё из защиты имеется предохранитель на 10 ампер.

Использованные в схеме конденсаторы очень и очень желательно взять с низким внутренним сопротивлением.

Силовые элементы, транзистор и выпрямитель, лепятся к алюминиевой пластинки, при том не забываем изолировать подложки указанных элементов от радиатора, используя пластиковые втулки и теплопроводящие изолирующие прокладки. Термопаста также не помешает.

Благодаря шим-управлению, данный преобразователь обладает очень высоким КПД, ток холостого хода в зависимости от питающего напряжения может составить от 20 до 40 миллиампер.

Теперь давайте сделаем некоторые тесты первым делом проверим диапазон выходных напряжений подавая на вход скажем 12 вольт, при этом максимальное выходное напряжение составило около 25 вольт можно и больше поднять, но я не рискну, так как конденсаторы у меня всего то на 25 вольт и при дальнейшем увеличении выходного напряжения они могут красиво бахнуть 😉

Минимальное напряжение составляет около 5 вольт — это значит, что спокойно можно и смартфоны заряжать.

Стабилизация отрабатывает прекрасно, при изменениях входного напряжения на где-то 10 вольт, выходное держится строго в пределах заданной величины, что не может не радовать.

Введите электронную почту и получайте письма с новыми поделками.

Несмотря на компактные размеры этот малыш обеспечивает на выходе ток около 3-х ампер, почти без просадки выходного напряжения, но как сказал ранее со схемы можно снять токи в 5 и более ампер.

Вдобавок ко всему скажу, что силовые дорожки печатной платы в обязательном порядке нужно усилить припоем, по ним будут протекать немалые токи.

Автономный источник питания с возможностью выставить любое штатное и нештатное напряжение на выходе я думаю будет актуальным для многих радиолюбителей, а также и для автолюбителей.

Вот такая получилась полезная поделка, печатку для сборки данного преобразователя прилагаю:

  • Плата в формате .lay : скачать…

Автор; АКА КАСЬЯН

Используемые источники:

  • https://usamodelkina.ru/11455-povyshajuschij-ponizhajuschij-preobrazovatel-naprjazhenija-svoimi-rukami.html
  • https://mysku.ru/blog/aliexpress/36460.html
  • https://xn--100—j4dau4ec0ao.xn--p1ai/universalnoe-zu-ili-ponizhayushhij-i-povyshayushhij-preobrazovatel-srazu-sxema/

Рейтинг автора
5
Подборку подготовил
Максим Уваров
Наш эксперт
Написано статей
171
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации