Повышающий/понижающий DC-DC преобразователь своими руками

Зачем делать то, что можно купить, ещё и за несколько долларов, такие вопросы задают многие люди…, отвечу просто,  во-первых, собрать своими руками гораздо быстрее, чем ждать пару месяцев посылку из Китая и, во-вторых ничто не сравнится с той радостью, которую приносит работа конструкции которою ты создал собственными руками.  Плюс ко всему наша конструкция будет надёжная.

Давайте рассмотрим схему и принцип её работы.

Это однотактный, повышающий стабилизатор напряжения с защитой от коротких замыканий, в просто народи — Бустер. Принцип работы схож с обратно — ходовым преобразователем, но у последнего дроссель состоит минимум из двух обмоток и между ними имеется гальваническая развязка.

Основой схемы является популярнейший однотактный ШИМ-контроллер из семейства UC38, в данном случае это UC3843.  На вход схемы подаем напряжение, скажем 12 Вольт, а на выходе получаем 19, которые необходимо для зарядки почти любого ноутбука.

Вообще диапазон входных и выходных напряжений для этой схемы довольно широк, вращением подстроечного многооборотного резистора R8 с лёгкостью можно получить иные напряжения на выходе. Я выставил чуть меньше 18, так как данный преобразователь мне нужен для иных целей.

Микросхема генерирует прямоугольные импульсы с частотой около 120-125 килогерц, этот сигнал поступает на затвор ключа и тот срабатывает. Когда открыт транзистор в дросселе накапливается некоторая энергия, после закрытия ключа дроссель отдаёт накопленную энергию, это явление называют самоиндукцией, которая свойственна индуктивным нагрузкам.

Важно заметить, что напряжение самоиндукции может быть в разы, а то и в десятки раз больше напряжения питания, всё зависит от индуктивности конкретного дросселя.  На выходе схемы установлен однополупериодный выпрямитель для выпрямления всплесков самоиндукции в постоянный ток , который накапливается в выходных конденсаторах.

Питание нагрузки осуществляется запасенной в конденсаторах энергией, такой инвертор очень экономичен благодаря ШИМ управлению, потребление холостого хода всего 15-20 миллиампер.

Используя осциллограф мы можем увидеть, как меняется скважность импульсов на затворе полевого транзистора в зависимости от выходной нагрузки, чем больше выходная мощность, тем больше длиться рабочий цикл транзистора, то есть в дроссель поступает больше энергии, а следовательно больше и энергия самоиндукции.

Теперь о конструкции…  Микросхема — ШИМ установлена на панельку для без паечного монтажа, если собираетесь использовать такой преобразователь в автомобиле, то советую микросхему запаять непосредственно на плату, так как в машине всегда есть вибрация.

Полевой транзистор… Тут большой выбор, использовать можно ключи с током от 20 ампер напряжением не менее 50 вольт. Я просто воткнул мой любимый IRFZ44, которого с головой хватит.

Кстати о мощности…,В принципе схема может отдать 150 вт без проблем, но естественно для этого нужен более мощный транзистор скажем irf3205 и соответствующий дроссель, в моём варианте схема будет под нагрузкой не более 50 Ватт, хотя с таким раскладом компонентов 100 Ватт снять можно.

Далее по счёту идёт накопительный дроссель, его индуктивность 40 мкГн, ничего не мотал, просто взял один из дросселей выходного фильтра компьютерного блока питания. Диаметр провода 0,9 мм. Количество витков 25. В принципе он особо не критичен, индуктивность может отличаться, размеры кольца и количество витков тоже.

Выходной выпрямитель — это сдвоенный Диод шоттки, подойдут сборки с током от 10 ампер с обратным напряжением не менее 40-45 Вольт. Схема имеет защиту от коротких замыканий, она построена на базе датчика тока в лице низкоомного резистора подключённого в цепь истока полевого ключа, в моём случае это 2-х ваттный резистор сопротивлением 0,1 Ом.После окончательной сборки транзистор и выпрямитель устанавливают на общий теплоотвод не забываем и про изоляцию между ними. Печатная плата довольно компактная, монтаж плотный.

Печатную плату в формате lay. можно скачать здесь.

Автор; АКА Касьян.

Иногда надо получить высокое напряжение из низкого. Например, для высоковольтного программатора, питающегося от 5ти вольтового USB, надыбать где то 12 вольт.

Как быть? Для этого существуют схемы DC-DC преобразования. А также специализированные микросхемы, позволяющие решить эту задачу за десяток деталек.

Принцип работы Итак, как сделать из, например, пяти вольт нечто большее чем пять? Способов можно придумать много — например заряжать конденсаторы параллельно, а потом переключать последовательно. И так много много раз в секунду. Но есть способ проще, с использованием свойств индуктивности сохранять силу тока.

Чтобы было предельно понятно покажу вначале пример для сантехников.

Фаза 1

Заслонка открывается и мощный поток жидкости начинает сливаться в никуда. Смысл лишь в том, чтобы этим потоком как следует разогнать турбину. Накачать ее энергией, передав энергию источника в кинетическую энергию турбины.Фаза 2

Заслонка резко закрывается. Потоку больше деваться некуда, а турбина, будучи разогнанной продолжает давить жидкость вперед, т.к. не может мгновенно встать. Причем давит то она ее с силой большей чем может развить источник. Гонит жижу через клапан в аккумулятор давления. Откуда же часть (уже с повышеным давлением) уходит в потребитель. Откуда, благодаря клапану, уже не возвращается.

Фаза 3

Скорость турбины на излете, энергия перешла в давление в аккумуляторе. Сил продавить клапан, подпертный с той стороны набитым давлением уже не хватает. Вот вот и все встанет. Но в этот момент вновь открывается заслонка и турбина вновь разгоняется, набирает энергию из источника, превращая энергию потока в энергию вращающихся масса металла. Потребитель, тем временем, потихоньку жрет из аккумулятора.

Фаза 4

И вновь заслонка закрывается, а турбина начинает яростно продавливать жидкость в аккумулятор. Восполняя потери которые там образовались на фазе 3.

Назад к схемам Вылезаем из подвала, скидываем фуфайку сантехника, забрасываем газовый ключ в угол и с новыми знаниями начинаем городить схему.

Вместо турбины у нас вполне подойдет индуктивность в виде дросселя. В качестве заслонки обычный ключ (на практике — транзистор), в качестве клапана естественно диод, а роль аккумулятора давления возьмет на себя конденсатор. Кто как не он способен накапливать потенциал. Усе, преобразователь готов!

Фаза 1

Ключ замкнут. Ток от источника начинает, фактически, работать на катушку. Накачивая ее энергией.

Фаза 2

Ключ размыкается, но катушку уже не остановить. Запасенная в магнитном поле энергия рвется наружу, ток стремится поддерживаться на том же уровне, что и был в момент размыкания ключа. В результате, напряжение на выходе с катушки резко подскакивает (чтобы пробить путь току) и прорвавшись сквозь диод набивается в конденстор. Ну и часть энергии идет в нагрузку.

Фаза 3

Ключ тем временем замыкается и катушка снова начинает нажирать энергию. В то же время нагрузка питается из конденсатора, а диод не дает току уйти из него обратно в источник.

Фаза 4

Ключ размыкается и энергия из катушки вновь ломится через диод в конденсатор, повышая просевшее за время фазы 3 напряжение. Цикл замыкается.

Как видно из процесса, видно, что за счет большего тока с источника, мы набиваем напряжение на потребителе. Так что равенство мощностей тут должно соблюдаться железно. В идеальном случае, при КПД преобразователя в 100%:

U_ист*I_ист = U_потр*I_потр

Так что если наш потребитель требует 12 вольт и кушает при этом 1А, то с 5 вольтового источника в преобразователь нужно вкормить целых 2.4А При этом я не учел потерь источника, хотя обычно они не очень велики (КПД обычно около 80-90%).

Если источник слаб и отдать 2.4 ампера не в состоянии, то на 12ти вольтах пойдут дикие пульсации и понижение напряжения — потребитель будет сжирать содержимое конденсатора быстрей чем его туда будет забрасывать источник.

Схемотехника Готовых решений DC-DC существует очень много. Как в виде микроблоков, так и специализированных микросхем. Я же не буду мудрить и для демонстрации опыта приведу пример схемы на MC34063A которую уже использовал в примере понижающего DC-DC преобразователя.

Работа Питание через токовый шунт Rsc идет в дроссель L1 оттуда через ключ (SWC/SWE) на землю и через диод D1 на накопительный конденсатор C2. C него на нагрузку. Прям как в схеме приведенной выше. Остальные элементы для задания режима работы микросхемы.

• SWC/SWE выводы транзисторного ключа микросхемы SWC — это его коллектор, а SWE — эмиттер. Максимальный ток который он может вытянуть — 1.5А входящего тока, но можно подключить и внешний транзистор на любой желаемый ток (подробней в даташите на микросхему).
• DRC — коллектор составного транзистора
• Ipk — вход токовой защиты. Туда снимается напряжение с шунта Rsc если ток будет превышен и напряжение на шунте (Upk = I*Rsc) станет выше чем 0.3 вольта, то преобразователь заглохнет. Т.е. для ограничения входящего тока в 1А надо поставить резистор на 0.3 Ом. У меня на 0.3 ома резистора не было, поэтому я туда поставил перемычку. Работать будет, но без защиты. Если что, то микросхему у меня убьет.
• TC — вход конденсатора, задающего частоту работы.
• CII — вход компаратора. Когда на этом входе напряжение ниже 1.25 вольт — ключ генерирует импульсы, преобразователь работает. Как только становится больше — выключается. Сюда, через делитель на R1 и R2 заводится напряжение обратной связи с выхода. Причем делитель подбирается таким образом, чтобы когда на выходе возникнет нужное нам напряжение, то на входе компаратора как раз окажется 1.25 вольт. Дальше все просто — напряжение на выходе ниже чем надо? Молотим. Дошло до нужного? Выключаемся.
• Vcc — Питание схемы
• GND — Земля

Все формулы по расчету номиналов приведены в даташите. Я же скопирую из него сюда наиболее важную для нас таблицу:

Конденсатор С1 призван оградить питающую цепь от бросков. Потому и взят побольше. Резистор R1 у меня взят на 1.5кОм, а R2 на 13кОм, что дает нам напряжение выхода в 12 вольт. В качестве диода надо выбирать диод Шоттки. Например 1N5819. У диодов Шоттки заметно ниже падение напряженияна pn переходе, а еще ниже паразитная емкость этого перехода, что позволяет ему работать с меньшими потерями на больших частотах. Микросхема может работать на входном напряжении от 3 вольт.

Опыт Для примера по быстрому развел микромодульчик, забирающий 5 вольт и выдающий 12 вольт. Схема уже приведена выше, а печатка получилась такой:

Вытравил, спаял…

Запитал от 5 вольт и нагрузил на 12ти вольтовую светодиодную линейку. КПД у моего преобразователя, кстати, получился так себе — не выше 50% т.к. слишком маленькая индуктивность дросселя и большая емкость конденсатора С3, но иного под рукой не оказалось.

Вот так вот. Простая схемка, а позволяет решить ряд проблем.

toozpickЭлектроникаДобавлено 3 комментария Приветствую, Самоделкины!Если вы искали схему универсального dc-dc преобразователя, то эта статья для вас. Сегодня мы, вместе с Романом (автором YouTube канала «Open Frime TV»), соберем преобразователь по топологии Sepic.Если воспользоваться поиском, то думаю первым в списке будет ролик известного видеоблогера-самодельщика АКА КАСЬЯНА (YouTube канал «AKA KASYAN») по сборке повышающего/понижающего dc-dc преобразователя.Только там схема с одним дросселем и нет регулировки тока. Версия же Романа собрана по топологии Sepic, более детально ознакомимся чуть позже. А сейчас давайте разберемся для чего нужен такой преобразователь. Начнем с характеристик:Входное напряжение от 10В до 25В;Выходное напряжение от 0 до 30В;Выходной ток до 2А (тут есть некоторые особенности, их затронем при расчете дросселя).Как видим из характеристик, такой преобразователь можно использовать в автомобиле для повышения или понижения напряжения 12В. Также можно подключить такой самодельный dc-dc преобразователь на выход компьютерного блока питания и без переделки получать с него разные напряжения.Ну или же можно взять блок питания от ноутбука и опять же получать на выходе любое напряжение. Это очень удобно, не нужно заботиться о питающем напряжении. Теперь переходим непосредственно к схеме устройства.Тут у нас всеми знакомая tl494, ей уже много лет, но она до сих пор не сдает свои позиции.С самого начала автор хотел делать dc-dc преобразователь на UС3843, но толи они оказались бракованные, толи еще что-то, но нормальной работы автору добиться не удалось. Плюс если делать регулировку по току, то нужно ставить второй шунт, а это снижает итоговый КПД устройства. Роман (автор сегодняшней самоделки) пришел к данной схеме не сразу, а после общения с автором YouTube канала «RED Shade», который подсказал в каком направлении думать. И вот перед вами итоговая схема устройства:В ней есть регулировка напряжения, тока, а также установлен драйвер полевика. С ним немного уменьшился нагрев.Также можно увидеть, что ограничена максимальная ширина выходного импульса, так как при максимальном заполнении схема уходила в непонятный режим, жрала много тока, но на выходе напряжение падало.Максимальное выходное напряжение равняется 30В. Если нужно больше, то придется пересчитать номинал вот этих резисторов:Причем с таким расчетом, чтобы при нужном выходном напряжении в точке делителя было 5В.Также у нас ограничен ток, он составляет 2А. Если нужно больше, то необходимо пересчитать вот этот резистор:Тут уже немного сложнее. Для начала необходимо выяснить сколько вольт упадет на шунте.К примеру, нам нужен ток 4А. Тогда смотрим, при таком токе на резисторе упадет 0,4В.Хорошо, теперь пересчитываем резистор. Нам нужно чтобы в точке деления переменного резистора и постоянного, напряжение было 0,4В.Для этого идем в онлайн калькулятор и начинаем подбирать резистор.Как видим, это несложно. Теперь давайте поговорим о том, как же это все работает. Точка отсчета — устройство выключено. Итак, подаем питание. Ключ разомкнут, а значит ток течет через катушку индуктивности, конденсатор и диод прямо в нагрузку и выходной конденсатор.Дальше происходит замыкание ключа.

В этот момент в катушке L1 накапливается энергия. Проходной конденсатор был заряжен напряжением питания, и так как после замыкания ключа он оказывается включенным параллельно индуктивности L2, то он ее заряжает.Напряжение с L2 не может уйти в нагрузку, так как там стоит диод и у него на катоде напряжение выше, чем на аноде.Теперь ключ снова размыкаем, и напряжение на L1 складывается с напряжением самоиндукции.Таким образом, на проходной конденсатор и нагрузку идет уже повышенное напряжение. Изменяя коэффициент заполнения ШИМ, мы изменяем выходное напряжение.Если ширина импульса достаточно маленькая, то и величина самоиндукции меньше, а, следовательно, и выходное напряжение уменьшается. Преимущество такой схемы перед обыкновенным повышающим dc-dc преобразователем в том, что здесь установлен проходной конденсатор, который в случае короткого замыкания не даст выйти из строя схеме.Теперь идем дальше. Как уже говорилось выше, некоторые компоненты схемы необходимо рассчитать, благо уже есть сайт с готовым онлайн калькулятором, он нереально облегчает жизнь.Как видим, сюда необходимо ввести свои данные. Автор же попытался рассчитать в максимально широком диапазоне и вот что получилось:В расчете мы получили некоторые индуктивности катушек.Но как же в реальной жизни их намотать с нужной индуктивностью? Обладатели ESR метра скажут, что тут нет ничего сложного, мотаешь и смотришь параметры.Но этот ESR метр показывает с очень большой погрешностью, поэтому автор предлагает воспользоваться программой Старичка.В ней вводим все необходимые параметры, а также указываем какой у нас сердечник. Если никаких нет под рукой, то достаем 2 одинаковых желтых кольца из компьютерного блока питания.Ну и осталось намотать наши дроссели, это уже не составит особого труда.Получилось довольно-таки неплохо. Казалось бы, все сложности уже позади, но нет, впереди еще разводка печатной платы. На нее автор потратил ни один вечер, чтобы максимально компактно расположить все элементы.Для крепления можно сделать плату немного больше и добавить по бокам отверстия, но это уже на ваше усмотрение. Плата готова, просверлены отверстия, настала очередь запайки. Тут есть один важный момент, необходимо поднять силовые элементы выше над платой, так как потом невозможно будет достать отверткой.Теперь необходимо установить транзистор и диод на радиатор. Автор будет использовать вот такой алюминиевый профиль, он имеет неплохие габариты и сможет нормально охлаждать схему.Ну и в конце традиционно у нас тесты. Подаём на схему сначала напряжение равное 12В. На выход подключена нагрузка в виде лампы накаливания мощностью 100Вт, рассчитанная на напряжение 36В. Мультиметр следит за выходным напряжением.Как видим, мы спокойно можем выставить любое напряжение начиная от 0 и заканчивая практически 30 вольтами, тут сказывается большая индуктивность, которую, по словам автора, ему лень было перематывать.Теперь посмотрим ограничение тока.Как видим, наша схема отлично справляется. Теперь произведем короткое замыкание.Это вообще без проблем, идёт просто ограничение заранее выставленного тока. Ну и самый важный тест — выставляем на выходе среднее значение в 15В и начинаем изменять входное напряжение.Как видим, сначала мы его уменьшали, а теперь начали увеличивать, но выходное напряжение держится на заданном уровне.Ну вот и все, надеюсь вам понравилось. Благодарю за внимание. До новых встреч!Видео: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. Используемые источники:

• https://xn--100—j4dau4ec0ao.xn--p1ai/moshhnyj-dc-dc-preobrazovatel-svoimi-rukami/
• http://easyelectronics.ru/povyshayushhij-dc-dc-preobrazovatel-princip-raboty.html
• https://usamodelkina.ru/12978-povyshajuschij-ponizhajuschij-dc-dc-preobrazovatel-svoimi-rukami.html