18.05.2020

Андрей Смирнов

Время чтения: ~16 мин.

Преобразователь напряжения 5A DC-DC XL4015

Цена: $3.99

Однажды мне потребовался понижающий преобразователь с выходной мощностью до 30вт, хорошим КПД и возможностью ограничения тока. Погуглив по теме, я выбрал для себя плату преобразователя на XL4015. Обзор подобной платы уже был на mysku — mysku.ru/blog/aliexpress/46321.html или вот его упрощенная версия без регулировки тока mysku.ru/search/topics/?q=xl4015 В данном обзоре я хочу рассказать об измеренных параметрах устройства и его модификации для полноценной работы. Даташит нам говорит о хорошем КПД, возможности отдавать до 5А в нагрузку и хорошем диапазоне питающих напряжений. Параметры устройства от китайцев

Погрешность измерения входного/выходного напряжения ± 0.05 В
Входное напряжение 4.0 ~ 38 В
Выходное напряжение 1.25 В ~ 35 В
Выходной ток до 5А, рекомендуется 4.5A
Выходная мощность до 75 Вт

Далее стал изучать даташит — КПД довольно сильно зависит от параметров входного/выходного напряжения и тока нагрузки. Путем подсчетов обнаружил, что на самой микросхеме может выделяться до 5 ватт и выше. Очевидно, что слоев металлизации на этой платке не достаточно для нормального охлаждения микросхемы. Входящий в комплект радиатор выполняет декоративную роль — отводить тепло нужно с обратной стороны чипа. Сразу понял, что будет нужна доработка Далее увидел, что вариантов этой платы несколько. В одном из вариантов увидел интересную особенность — с обратной стороны платы есть небольшой участок 1.5×0.8см с отверстиями сплошной металлизации Площадка сразу напротив чипа. Эта площадка по мнению китайцев, видимо, должна была улучшить теплоотвод. Но мне пришла в голову интересная мысль — если мы не можем прикрепить к этой плате радиатор, то можно очистив эту площадку, его к ней припаять 🙂 А отверстия металлизации будут передавать на радиатор тепло. Правда работа достаточно ювелирная. Заказал две таких платы, дабы если одну поломаю после экспериментов, использовать другую. После получения плат замерил параметры преобразователя

Входное напряжение — минимум 4.5 вольт. Но нормально встроенный вольтметр начинает работать от 6 вольт. Ниже или не работает или врет. Но меня устраивает
Выходное напряжение — 1.25 — 32В (входное я ограничил безопасным уровнем в 36В из-за номиналов примененных компонентов, в т.ч. диода Шоттки на 40 В)
Ток действительно отдает до 5А. Но есть нюансы — я подал на вход 17 вольт постоянки и на выходе повесил два резистора по 20 ватт 4 Ома. Получил 2 Ома. Выходное напряжение установил 8 вольт. Итого получил ток нагрузки 4А, выходную мощность 32 ватта. Далее замерял температуру компонентов — довольно быстро микросхема нагрелась до 85 градусов, диод Шоттки на входе до 110. Этот же диод стал сильно разогревать расположенный рядом электролит. Индуктивность через некоторое время нагрелась до 80 градусов. В общем без переделки оно отдает 30 ватт. Но отдавать оно будет не долго 🙂 Все это быстро выйдет из строя. Путем экспериментов и измерений температуры обнаружил, что безопасно долговременно можно снимать с него не более 20 ватт. Чудес не бывает. Под 75 ваттами китайцы, видимо, понимали очень кратковременное увеличение мощности. КПД в этом режиме оказалось равным 86 процентам
По току — я бы не стал снимать с него более 4А. Дело не в микросхеме, а в том, что для больших токов нужно менять индуктивность
Пульсации — при нагрузке 4А и выходном напряжении 8В пульсации составляют порядка 120мВ

Очистил место под пайку радиатора Приступил к изготовлению радиатора. Взял медную пластину толщиной 2мм, сделал несколько изгибов, отпилил на конце по выступу, что бы получить площадку для пайки. Замеров не делал, но на прилагаемых скриншотах понятно, как он изготовлен. Повторить просто

Теперь, если мы просто припаяем радиатор, то на месте пайки получим рычаг. Т.е. если надавим на радиатор, он оторвет эту площадку. Поэтому я изготовил брусок по диаметру изгиба, который уже использовал как опору и приклеил его эпоксидкой к плате и радиатору и сразу припаял радиатор

После застывания эпоксидки получилась монолитная прочная конструкция

Далее испытал все на той же нагрузке. Температура на чипе и радиаторе стала меньше 55 градусов. Тепло передается хорошо. Аналогичный результат и на второй плате. Следующая доработка — тот радиатор в комплекте — я убрал одну секцию и через теплопроводную пасту установил на диод Шоттки. Зафиксировал эпоксидкой По замерам, температура упала со 110 до 79 градусов. И стал меньше греться электролит. В таком варианте уже вполне можно долговременно отдавать 30 ватт. Что нужно. Еще одна доработка — китайцы не поставили шунтирующий керамический конденсатор параллельно выходному электролиту. А он нужен по даташиту. Поставил 0.1uF 50v Дальше больше. Захотел полноценный блок, со входом для переменного напряжения, дополнительной фильтрацией выходных пульсаций, нормальными разьемами, выходом для постоянного напряжения и для зарядки током. Сделал такую плату Думаю тут все понятно. Единственный момент — дополнительно переключатель на схеме — это что бы не искрили разьемы при подключении переменного напряжения. Ток ограничивает терморезистор. Далее переключателем мы просто его шунтируем. Из опыта — искрение приводит к ухудшению контакта в разьеме. Плата в сборе

Пульсации на выходе при той же нагрузке упали со 120мВ до 40мВ

Модуль на XL4015 имеет КПД до 96%, мощность в нагрузке 75ВТ, при максимальном токе 5А. Питается модуль от 6В до 38В, выходное напряжение от 1,25В до 36В. Надо помнить, что разница между входящим и исходящим напряжением не менее 2В. В микросхеме есть защита от перегрева кристалла, а так же защита от короткого замыкания.

Выглядит модуль вот так Размеры модуля 26*62*16ММ. Высота замерена по самой высокой детали, дросселю. Пора перейти к схеме модуля с регулировкой напряжения и тока XL4015Схема преобразователя XL4015

Ограничение напряжения устанавливается переменным резистором CV 10к в составе резисторного делителя R3иCV Ограничение выходного тока построено на датчике тока которым выступает шунт на 0,05Ом. Падение напряжения на нем сравнивается с напряжением на компараторе, установленным переменным резистором СС 1к. Индикация работы в режиме стабилизатора тока осуществляется красным светодиодом На втором ОУ собран индикатор нагрузки. Если нагрузка меньше 9% от максимального тока, светится зеленый светодиод, если нагрузка больше- синий светодиод

Смысл от от этого индикатора в блоке питания считаю бесполезным, а вот сигнализатор токов удобно использовать как индикатор заряда аккумулятора.

Испытания XL4015 Пришло испытать модуль На вход подаю напряжение 23В от конденсаторного фильтра лабораторного блока питания, нагрузка на модуле лампа 12В с мото фары ближний свет Напряжение под нагрузкой просело до 18,6В при токе 4А, напряжение на выходе 12,3В ток 4А. Если мои расчеты верны то КПД этой схемы 65%. Под такой нагрузкой за первые 5 минут схема хорошенько нагрелась, проработала еще пол часа и испустила дух.

Тот самый белым дым, на котором работают все микросхемы и транзисторы, микросхема выпустила. После замены микросхемы и диода все нормально заработало, но я больше ее та не нагружал. Скорее всего первым умер диод и увел за собой микросхему Плата после замены, диод временно заменил на двойной диод с блока питания ПК Микросхема выглядит вот так Вывод напрашивается такой, модуль преобразователя XL4015 великолепно подходит для многих задач и несомненно найдет место в мастерской, но с отводом тепла надо что-то делать Рекомендую посмотреть статью про универсальное зарядное плюс блок питания на Xl4015

Обзор зарядки LiitoKala Lii-500 с функцией разряда.

Покупка модуля XL4015 Пару слов о том, где прикупить такой модуль. Естественно, лучшая цена за товар будет именно при заказе с Китая. Проблематично ждать месяц, но если уж экономить,то лучше при прямой покупке Приобрести модули можно по этой ссылке цена за один 92 рубля, доставка бесплатна

С ув. Эдуард

Простой блок питания 1,2 — 32V на базе DC-DC модуля (XL4015)

Один из самых востребованных приборов в мастерской начинающего радиолюбителя – это регулируемый блок питания. О том, как самостоятельно собрать регулируемый блок питания на микросхеме MC34063 я уже рассказывал. Но и у него есть ограничения и недостатки. Во-первых, это мощность. Во-вторых, отсутствие индикации выходного напряжения.

Здесь я расскажу о том, как с минимумом временных затрат и усилий собрать регулируемый блок питания 1,2 – 32 вольт и максимальным выходным током до 4-ёх ампер.

Для этого нам понадобится два очень важных элемента:

Трансформатор, с выходным напряжением до ~25…26 вольт. О том, как его подобрать и где найти, я расскажу далее;
Готовый модуль регулируемого DC-DC преобразователя со встроенным вольтметром на базе микросхемы XL4015.

Наиболее распространены и дёшевы модули на базе микросхем XL4015 и LM2956. Самый дешёвый вариант – это модуль без цифрового вольтметра. Для себя я купил несколько вариантов таких DC-DC преобразователей, но более всех мне понравился модуль на базе микросхемы XL4015 со встроенным вольтметром. О нём и пойдёт речь.

Вот так он выглядит. Покупал его на Алиэкспресс, вот ссылка. Можно подобрать подходящий по цене и модификации через поиск.

LiitoKala Lii-402 - зарядное устройство на 4 аккумулятора

Обратная сторона платы и вид сбоку.

Основные характеристики модуля:

Диапазон входных напряжений: 4…36V. Максимум 38…40V. Реально работает от 4,5…4,6 вольт. Если на входе 4 вольта, то индикация вольтметра засвечена не будет;
Диапазон выходных напряжений (регулируется): 1,25…32V;
Максимальный выходной ток: 5А. На самом деле, это максимальный ток диода SS54, что на плате. Рекомендуют нагружать током не более 4,5А, а на микросхему XL4015 приклеить радиатор, который идёт в комплекте.
Диапазон измеряемого напряжения вольтметра: 0…40V;
Точность показаний вольтметра: ±0,1V;
Защита от переполюсовки на входе;
Защита от короткого замыкания (КЗ) на выходе (Есть нарекания по работе защиты от короткого замыкания на выходе, поэтому специально устраивать КЗ не рекомендую);
Встроенная защита от температурного перегрева.

Не будем забывать, что производители любят завышать характеристики своих изделий. Судя по отзывам, наиболее оптимальный вариант использования данного DC-DC модуля — это работа при входном напряжении до 30 вольт и потребляемом токе до 2 ампер.

Управление DC-DC модулем.

На печатной плате DC-DC модуля установлены две кнопки управления и регулятор выходного напряжения — обычный многооборотный переменный резистор.

Короткое нажатие кнопки 1 отключает/включает индикацию вольтметра. Своеобразный диммер. Удобно при запитке от АКБ.
Коротким нажатием на кнопку 2 можно переключать режим работы вольтметра, а именно, отображения входного или выходного напряжения на индикаторе. При использовании совместно с АКБ можно контролировать напряжение батареи и не допускать глубокого разряда.

Калибровка показаний вольтметра.

Сначала кнопкой 2 выбираем, какое напряжение отображать на дисплее вольтметра (входное или выходное). Затем мультиметром замеряем постоянное напряжение (входное или выходное) на клеммах. Если оно отличается от величины напряжения, отображаемого вольтметром, то начинаем калибровку.

Жмём 3-4 секунды на 2-ую кнопку. Показания на дисплее должны потухнуть. Отпускаем кнопку. При этом показания на дисплее появятся и начнут моргать.

Далее кратковременными нажатиями на кнопки 1 и 2 уменьшаем или увеличиваем величину отображаемого напряжения с шагом 0,1V. Если надо увеличить показания, например, с 12,0V до 12,5V, то жмём 5 раз на кнопку 2. Если надо уменьшить с 12V до 11,5V, то, соответственно, жмём 5 раз на кнопку 1.

После того, как калибровка завершена, жмём секунд 5 на кнопку 2. При этом показания на дисплее вольтметра перестанут моргать — калибровка завершена. Также можно ничего не делать и секунд через 10 вольтметр сам выйдет из режима калибровки.

Для того чтобы собрать блок питания, кроме самого DC/DC-модуля нам понадобится трансформатор, а также небольшая схема — диодный мост и фильтр.

Вот схема, которую нам предстоит собрать.

(Картинка кликабельна. По клику откроется в новом окне)

О трансформаторе Т1 я расскажу чуть позднее, а сейчас разберёмся с диодным мостом VD1-VD4 и фильтром C1. Эту часть схемы я буду называть выпрямителем. Далее на фото — необходимые детали для его сборки.

Разводку будущих печатных дорожек на плате я рисовал маркером для печатных плат. Перед этим сделал набросок расположения элементов на плате, развёл соединительные проводники. Затем по шаблону отметил на заготовке места сверления. Сверлил до травления в хлорном железе, так как, если сверлить после травления, могут остаться зазубрины вокруг отверстий и легко повредить окантовку около отверстий.

Затем высушил заготовку после травления, смыл защитный слой лака от маркера «Уайт-спиритом». После этого вновь отмыл и высушил заготовку, зачистил медные дорожки мелкой наждачной бумагой и залудил все дорожки припоем. Вот, что получилось.

Немного о просчётах. Так как делал всё быстро и на коленке, то без «косяков», естественно, не обошлось. Во-первых, сделал плату двухсторонней, а не надо было. Дело в том, что отверстия то без металлизации, и запаять потом тот же разъём в такую двухстороннюю печатную плату непростая задача. С одной стороны контакты запаяешь без проблем, а вот с другой стороны платы уже никак. Так что намучился.

Готовый выпрямитель.

Вместо сетевого выключателя SA1 временно впаял перемычку. Установил входные и выходные разъёмы, а также разъём для подключения трансформатора. Разъёмы устанавливал в расчёте на модульность и удобство пользования, чтобы впредь можно было быстро и без пайки соединять блок выпрямителя с разными DC-DC модулями.

В качестве плавкого предохранителя FU1 использовал готовый с держателем. Очень удобно. И контакты под напряжением прикрыты, и предохранитель заменить без пайки не проблема. По идее подойдёт предохранитель в любом исполнении и типе корпуса.

В качестве диодного моста (VD1 — VD4) я использовал сборку RS407 на максимальный прямой ток 4 ампера. Аналоги диодного моста RS407 — это KBL10, KBL410. Диодный мост можно собрать и из отдельных выпрямительных диодов.

Тут стоит понимать, что сам регулируемый DC-DC модуль рассчитан на максимальный ток 5 ампер, но такой ток он сможет выдержать только в том случае, если на микросхему XL4015 установить радиатор, да, и для диода SS54, что на плате, ток в 5А — максимальный!

Также не будем забывать, что производители склонны завышать возможности своих изделий и срок их службы при таких нагрузках. Поэтому для себя я решил, что такой модуль можно нагружать током до 1 — 2 ампер. Речь идёт о постоянной, долгосрочной нагрузке, а не периодической (импульсной).

При таком раскладе, диодный мост можно выбрать на прямой ток 3-4 ампера. Этого должно хватить с запасом. Напомню, что если собирать диодный мост из отдельных диодов, то каждый из диодов, входящих в состав моста должен выдерживать максимальный потребляемый ток. В нашем случае это 3-4 ампера. Вполне подойдут диоды 1N5401 — 1N5408 (3А), КД257А (3А) и др.

Также для сборки потребуется электролитический конденсатор C1 ёмкостью 470 — 2200 мкФ. Конденсатор лучше выбрать на рабочее напряжение 63V, так как максимальное входное напряжение DC-DC преобразователя может быть до 36V, а то и 38…40V. Поэтому разумней поставить конденсатор на 63V. С запасом и надёжно.

Тут опять же стоит понимать, что всё зависит от того, какое напряжение у вас будет на входе DC-DC модуля. Если, например, планируется использовать модуль для питания 12-ти вольтовой светодиодной ленты, а на входе DC-DC модуля будет напряжение только 16 вольт, то электролитический конденсатор можно поставить с рабочим напряжением 25 вольт или более.

Я же поставил по максимуму, так как данный модуль и собранный выпрямитель, я планировал использовать с разными трансформаторами, у которых разное выходное напряжение. Следовательно, чтобы каждый раз не перепаивать конденсатор, установил его на 63V.

В качестве трансформатора T1 подойдёт любой сетевой трансформатор с двумя обмотками. Первичная обмотка (Ⅰ) сетевая и должна быть рассчитана на переменное напряжение 220V, вторичная обмотка (Ⅱ) должна выдавать напряжение не более 25 ~ 26 вольт.

Если взять трансформатор, на выходе которого будет более 26 вольт переменного напряжения, то после выпрямителя напряжение может быть уже более 36 вольт. А, как мы знаем, модуль DC-DC преобразователя рассчитан на входное напряжение до 36 вольт. Также стоит учитывать тот момент, что в бытовой электросети 220V иногда бывает чуть завышенное напряжение. Из-за этого, пусть и кратковременно, на выходе выпрямителя может образоваться довольно существенный «скачок» напряжения, который превысит допустимое напряжение в 38…40 вольт для нашего модуля.

Далее вы поймёте, зачем я всё это разжёвываю.

Ориентировочный расчёт выходного напряжения U_вых после диодного выпрямителя и фильтра на конденсаторе:

U_вых = (U_T1 — (V_F*2))*1,41.

Переменное напряжение на вторичной обмотке трансформатора T1 (Ⅱ) — U_T1;

Падение напряжения (Forward Voltage Drop) на диодах выпрямителя — V_F. Поскольку в диодном мосте в каждый полупериод ток течёт через два диода, то V_F умножаем на 2. Для диодной сборки дело обстоит также.

Так, для RS407 в даташите я нашёл такую строчку: Maximum forward Voltage drop per bridge element at 3.0A peak — 1 Volt. Это означает, что если через любой из диодов моста течёт прямой ток в 3 ампера, то на нём будет теряться 1 вольт напряжения (per bridge element — на каждый элемент моста). То есть берём значение V_F = 1V и так же, как и в случае с отдельными диодами, умножаем величину V_F на два, так как в каждый полупериод ток течёт через два элемента диодной сборки.

Вообще, чтобы не ломать голову полезно знать, что V_F для выпрямительных диодов обычно составляет около 0,5 вольт. Но это при небольшом прямом токе. С его ростом увеличивается и падение напряжения V_F на p-n переходе диода. Как видим, величина V_F при прямом токе в 3А для диодов сборки RS407 составляет уже 1V.

Так как на электролитическом конденсаторе С1 выделяется пиковое значение выпрямленного (пульсирующего) напряжения, то итоговое напряжение, которое мы получим после диодного моста (U_T1 — (V_F*2)) необходимо умножить на квадратный корень из 2, а именно √2 ~ 1.41.

Таким образом, с помощью этой простой формулы мы сможем определить выходное напряжение на выходе фильтра. Теперь осталось дело за малым — найти подходящий трансформатор.

В качестве трансформатора я использовал силовой броневой трансформатор ТП114-163М.

К сожалению, точных данных на него я не нашёл. Выходное напряжение на вторичной обмотке без нагрузки ~19,4V. Ориентировочная мощность данного трансформатора ~7 Вт. Считал по вот этой методике.

Кроме этого решил сравнить полученные данные с параметрами трансформаторов серии ТП114 (ТП114-1, ТП114-2,…,ТП114-12). Максимальная выходная мощность данных трансформаторов — 13,2 Вт. Наиболее подходящим к трансформатору ТП114-163М по параметрам оказался ТП114-12. Напряжение на вторичной обмотке в режиме холостого хода — 19,4V, а под нагрузкой — 16V. Номинальный ток нагрузки — 0,82А.

Также в моём распоряжении оказался ещё один трансформатор, также серии ТП114. Вот такой.

Судя по выходному напряжению (~22,3V) и лаконичной маркировке 9М, это модификация трансформатора ТП114-9. Параметры ТП114-9 такие: номинальное напряжение — 18V; номинальный ток нагрузки — 0,73А.

На базе первого трансформатора (ТП114-163М) мне удастся сделать регулируемый блок питания 1,2…24 вольт, но это без нагрузки. Понятно, что при подключенной нагрузке (потребителе тока) напряжение на выходе трансформатора просядет, и результирующее напряжение на выходе DC-DC преобразователя также уменьшится на несколько вольт. Поэтому, этот момент надо учитывать и иметь ввиду.

На базе второго трансформатора (ТП114-9) уже получится регулируемый блок питания на 1,2…28 вольт. Это также без нагрузки.

Про выходной ток. Производителем заявлено, что максимальный выходной ток DC-DC преобразователя — 5А. Судя по отзывам, максимум 2А. Но, как видим, трансформаторы мне удалось найти достаточно маломощные. Поэтому выжать даже 2 ампера мне вряд ли получится, хотя всё зависит от выходного напряжения DC-DC модуля. Чем меньше оно будет, тем больший ток удастся получить.

Для всякого маломощного «разносола» данный блок питания подойдёт на ура. Вот запитка «веселящего шарика» напряжением 9V и током около 100 mA.

А это уже запитка 12-ти вольтовой светодиодной ленты длиной около 1 метра.

Также существует облегчённая, Lite-версия данного DC-DC преобразователя, которая собрана также на микросхеме XL4015E1.

Единственное отличие, это отсутствие встроенного вольтметра.

Параметры аналогичные: входное напряжение 4…38V, максимальный ток 5А (рекомендуется не более 4,5А). Реально же использовать при входном напряжении до 30V, 30V с небольшим. Ток нагрузки не более 2…2,5А. Если нагружать сильнее, то ощутимо греется и, естественно, снижается срок службы и надёжность.

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать: