Входни напрежения до 61 V, изходни напрежения от 0,6 V, изходни токове до 4 A, възможност за външно синхронизиране и регулиране на честотата, както и регулиране на ограничението на тока, регулиране на времето за мек старт, цялостна защита на натоварването, широк работен температурен диапазон - всички тези характеристики на съвременните източници на захранване са постижими с новата гама DC/DC преобразуватели, произведени от .
В момента гамата от микросхеми от импулсни регулатори, произведени от STMicro (Фигура 1), ви позволява да създавате захранвания (PS) с входно напрежение до 61 V и изходни токове до 4 A.
Задачата за преобразуване на напрежението не винаги е лесна. Всяко конкретно устройство има свои собствени изисквания за регулатор на напрежението. Понякога водеща роляцената (потребителска електроника), размерът (преносима електроника), ефективността (захранвани от батерии устройства) или дори скоростта на разработване на продукта играят роля. Тези изисквания често са в противоречие помежду си. Поради тази причина няма идеален и универсален преобразувател на напрежение.
В момента се използват няколко вида преобразуватели: линейни (стабилизатори на напрежението), импулсни DC / DC преобразуватели, вериги за пренос на заряд и дори захранвания на базата на галванични изолатори.
Въпреки това, линейните регулатори на напрежението и DC/DC преобразувателите с понижаващо превключване остават най-често срещаните. Основната разлика между функционирането на тези схеми може да се види от името. В първия случай превключвателят на захранването работи в линеен режим, във втория - в ключов. Основните предимства, недостатъци и области на приложение на тези схеми са дадени по-долу.
Характеристики на линейния регулатор на напрежението
Принципът на действие на линейния регулатор на напрежението е добре известен. Класическият интегриран стабилизатор μA723 е разработен през далечната 1967 г. от R. Widlar. Въпреки факта, че електрониката е отишла далеч напред оттогава, принципите на работа остават практически непроменени.
Стандартната схема на линеен регулатор на напрежението се състои от редица основни елементи (Фигура 2): силов транзистор VT1, източник на еталонно напрежение (ION), компенсационна верига за обратна връзка на операционен усилвател (ОУ). Съвременните регулатори могат да съдържат допълнителни функционални блокове: защитни вериги (от прегряване, от свръхток), вериги за управление на захранването и др.
Принципът на работа на такива стабилизатори е доста прост. Веригата за обратна връзка на операционния усилвател сравнява стойността на еталонното напрежение с напрежението на изходния делител R1 / R2. На изхода на операционния усилвател се образува несъответствие, което определя напрежението затвор-източник на силовия транзистор VT1. Транзисторът работи в линеен режим: колкото по-високо е напрежението на изхода на операционния усилвател, толкова по-ниско е напрежението на порта-източник и толкова по-голямо е съпротивлението VT1.
Тази схема ви позволява да компенсирате всички промени във входното напрежение. Наистина, да предположим, че входното напрежение Uin се е увеличило. Това ще доведе до следната верига от промени: Uin ще се увеличи → Uout ще се увеличи → напрежението на делителя R1/R2 ще се увеличи → изходното напрежение на операционния усилвател ще се увеличи → напрежението на порта-източник ще намалее → съпротивлението VT1 ще се увеличи увеличение → Uout ще намалее.
В резултат на това, когато входното напрежение се промени, изходното напрежение се променя леко.
Когато изходното напрежение намалее, настъпват обратни промени в стойностите на напрежението.
Характеристики на доларния DC/DC преобразувател
Опростена схема на класически DC/DC понижаващ преобразувател (тип I преобразувател, понижаващ преобразувател, понижаващ преобразувател) се състои от няколко основни елемента (Фигура 3): силов транзистор VT1, управляваща верига (CS), филтър (Lf-Cf ), обратен диод VD1.
За разлика от схемата на линейния регулатор, транзисторът VT1 работи в режим на ключ.
Цикълът на работа на веригата се състои от две фази: фаза на помпата и фаза на разреждане (фигури 4…5).
Във фазата на помпата транзисторът VT1 е отворен и през него протича ток (Фигура 4). Енергията се съхранява в бобината Lf и кондензатора Cf.
Във фазата на разреждане транзисторът е затворен, през него не протича ток. Бобината Lf действа като източник на ток. VD1 е диод, който е необходим за протичането на обратния ток.
И в двете фази към товара се прилага напрежение, равно на напрежението на кондензатора Cf.
Горната схема осигурява регулиране на изходното напрежение при промяна на продължителността на импулса:
Uout = Uin × (ti/T)
Ако стойността на индуктивността е малка, токът на разряд през индуктивността има време да достигне нула. Този режим се нарича режим на прекъсващ ток. Характеризира се с увеличаване на тока и вълните на напрежението върху кондензатора, което води до влошаване на качеството на изходното напрежение и увеличаване на шума на веригата. Поради тази причина режимът на прекъсващ ток се използва рядко.
Има един вид преобразувателна схема, в която "неефективният" диод VD1 се заменя с транзистор. Този транзистор се отваря в противофаза с главния транзистор VT1. Такъв преобразувател се нарича синхронен и има по-висока ефективност.
Предимства и недостатъци на веригите за преобразуване на напрежение
Ако една от горните схеми имаше абсолютно превъзходство, тогава втората щеше да бъде безопасно забравена. Това обаче не се случва. Това означава, че и двете схеми имат предимства и недостатъци. Анализът на схемите трябва да се извършва по широк набор от критерии (Таблица 1).
Таблица 1. Предимства и недостатъци на веригите на регулатора на напрежението
| Характеристика | Линеен регулатор | Понижаващ DC/DC преобразувател |
| Типичен диапазон на входното напрежение, V | до 30 | до 100 |
| Типичен диапазон на изходния ток | стотици mA | единици А |
| ефективност | къс | Високо |
| Точност на настройка на изходното напрежение | единици % | единици % |
| Стабилност на изходното напрежение | Високо | средно аритметично |
| Генериран шум | къс | Високо |
| Сложността на изпълнението на веригата | ниско | Високо |
| Сложността на топологията на печатната платка | ниско | Високо |
| Цена | ниско | Високо |
Електрически характеристики. За всеки преобразувател основните характеристики са ефективност, ток на натоварване, диапазон на входно и изходно напрежение.
Стойността на ефективността на линейните регулатори е малка и обратно пропорционална на входното напрежение (Фигура 6). Това се дължи на факта, че цялото "допълнително" напрежение пада върху транзистора, работещ в линеен режим. Мощността на транзистора се отделя като топлина. Ниската ефективност води до факта, че диапазонът на входните напрежения и изходните токове на линейния регулатор е сравнително малък: до 30 V и до 1 A.
Ефективността на превключващия регулатор е много по-висока и по-малко зависи от входното напрежение. В същото време входните напрежения над 60 V и токове на натоварване над 1 A не са необичайни.
Ако се използва схема на синхронен преобразувател, в която неефективният диод на свободен ход се заменя с транзистор, тогава ефективността ще бъде още по-висока.
Точност и стабилност на изходното напрежение. Линейните стабилизатори могат да имат изключително висока точност и стабилност на параметрите (части от процента). Зависимостта на изходното напрежение от промяната на входното напрежение и от тока на натоварване не надвишава няколко процента.
Превключващият регулатор, според принципа на действие, първоначално има същите източници на грешка като линейния регулатор. В допълнение, големината на протичащия ток може значително да повлияе на отклонението на изходното напрежение.
Характеристики на шума. Линейният регулатор има умерена шумова характеристика. Има прецизни регулатори с нисък шум, използвани във високоточната измервателна технология.
Самият превключващ регулатор е мощен източник на смущения, тъй като силовият транзистор работи в режим на ключ. Генерираните смущения се разделят на проводими (предавани по електропроводи) и индуктивни (предавани през непроводими среди).
Проведените смущения се елиминират с нискочестотни филтри. Колкото по-висока е работната честота на преобразувателя, толкова по-лесно е да се отървете от смущенията. В измервателните вериги често се използва превключващ регулатор във връзка с линеен стабилизатор. В този случай нивото на смущения е значително намалено.
Да се отървем от вредното въздействие на индуктивните смущения е много по-трудно. Тази интерференция възниква в индуктора и се предава чрез въздух и непроводими среди. За елиминирането им се използват екранирани индуктивности, намотки на тороидално ядро. При полагането на плочата се използва твърд шлифован полигон и/или дори отделен слой земя се изолира в многослойни дъски. Освен това самият импулсен преобразувател е максимално отстранен от измервателните вериги.
Експлоатационни характеристики. От гледна точка на простотата на изпълнение на веригата и разположението на печатни платки, линейните регулатори са изключително прости. Освен самия него интегрален стабилизаторса необходими само няколко кондензатора.
Превключвателят ще изисква поне външен LC филтър. В някои случаи са необходими външен захранващ транзистор и външен диод за обратна връзка. Това води до необходимост от изчисления и моделиране, а топологията на печатната платка става много по-сложна. Допълнително усложнение на платката възниква поради изискването за ЕМС.
Цена. Очевидно, поради големия брой външни компоненти, импулсният преобразувател ще има голяма цена.
В заключение е възможно да се определят предпочитаните области на приложение и за двата типа преобразуватели:
- линейните регулатори могат да се използват в вериги с ниска мощност и ниско напрежение с висока точност, стабилност и ниски изисквания за шум. Пример биха били вериги за измерване и прецизност. В допълнение, малкият размер и ниската цена на крайното решение могат да бъдат идеални за преносима електроника и бюджетни устройства.
- Превключващите регулатори са идеални за високомощни вериги с ниско и високо напрежение в автомобилната, промишлената и потребителската електроника. Високата ефективност често прави използването на DC/DC безспорно за преносими и захранвани от батерии устройства.
Понякога се налага използването на линейни регулатори при високи входни напрежения. В такива случаи можете да използвате стабилизатори, произведени от STMicroelectronics, които имат работно напрежение над 18 V. (Таблица 2).
Таблица 2. Линейни регулатори за високо входно напрежение STMicroelectronics
| име | Описание | Uin max, V | Извън ном, В | Извън ном, А | собствен падне, в |
| 35 | 5, 6, 8, 9, 10, 12, 15 | 0.5 | 2 | ||
| 500mA прецизен регулатор | 40 | 24 | 0.5 | 2 | |
| 2 А регулатор | 35 | 0.225 | 2 | 2 | |
| , | Регулируем регулатор | 40 | – | 0.1; 0.5; 1.5 | 2 |
| 3 А регулатор | 20 | – | 3 | 2 | |
| 150mA прецизен регулатор | 40 | – | 0.15 | 3 | |
| KFxx | 20 | 2.5: 8 | 0.5 | 0.4 | |
| Регулатор с изключително ниско самоизпускане | 20 | 2.7: 12 | 0.25 | 0.4 | |
| 5A регулатор с нисък самоспадане и регулируемо изходно напрежение | 30 | – | 1.5; 3; 5 | 1.3 | |
| lexx | Регулатор с изключително ниско самоизпускане | 20 | 3; 3.3; 4.5; 5; 8 | 0.1 | 0.2 |
| Регулатор с изключително ниско самоизпускане | 20 | 3.3; 5 | 0.1 | 0.2 | |
| Регулатор с изключително ниско самоизпускане | 40 | 3.3; 5 | 0.1 | 0.25 | |
| 85 mA регулатор с нисък самоизпадане | 24 | 2.5: 3.3 | 0.085 | 0.5 | |
| Прецизен регулатор на отрицателно напрежение | -35 | -5; -8; -12; -15 | 1.5 | 1.1; 1.4 | |
| Отрицателен регулатор на напрежението | -35 | -5; -8; -12; -15 | 0.1 | 1.7 | |
| Регулируем регулатор на отрицателно напрежение | -40 | – | 1.5 | 2 |
Ако се вземе решение за изграждане на импулсен IP, тогава трябва да се избере подходящ преобразувателен чип. Изборът се прави, като се вземат предвид редица основни параметри.
Основни характеристики на понижаващи импулсни DC/DC преобразуватели
Изброяваме основните параметри на импулсните преобразуватели.
Диапазон на входното напрежение (V). За съжаление винаги има ограничение не само за максималното, но и за минималното входно напрежение. Стойността на тези параметри винаги се избира с някаква разлика.
Обхват на изходното напрежение (V). Поради ограничението на минималната и максималната продължителност на импулса, диапазонът на стойностите на изходното напрежение е ограничен.
Максимален изходен ток (A). Този параметър е ограничен от редица фактори: максимално допустимото разсейване на мощността, крайната стойност на съпротивлението на захранващите превключватели и др.
Работна честота на преобразувателя (kHz). Колкото по-висока е честотата на преобразуване, толкова по-лесно е да се филтрира изходното напрежение. Това ви позволява да се справите със смущенията и да намалите стойностите на елементите на външния LC филтър, което води до увеличаване на изходните токове и до намаляване на размера. Въпреки това, увеличаването на честотата на преобразуване увеличава загубите при превключване на превключвателите на мощността и увеличава индуктивния компонент на смущенията, което е очевидно нежелателно.
Ефективността (%) е интегрален показател за ефективност и се дава под формата на графики за различни значениянапрежения и токове.
Други параметри (канално съпротивление на интегрираните захранващи превключватели (mΩ), ток на собствена консумация (μA), термично съпротивление на корпуса и т.н.) са по-малко важни, но също трябва да се вземат предвид.
Новите преобразуватели, произведени от STMicroelectronics, имат високо входно напрежение и ефективност, а техните параметри могат да бъдат изчислени с помощта на безплатната програма eDesignSuite.
Превключване на DC/DC линия от ST Microelectronics
Портфолиото на DC/DC STMicroelectronics непрекъснато се разширява. Новите преобразувателни чипове имат разширен диапазон на входно напрежение до 61 V ( / ), високи изходни токове, изходни напрежения от 0,6 V ( / / ) (таблица 3).
Таблица 3. New DC/DC STMicroelectronics
| Спецификации | име | |||||||
| L7987; L7987L | ||||||||
| Кадър | VFQFPN-10L | HSOP-8; VFQFPN-8L; SO8 | HSOP-8; VFQFPN-8L; SO8 | HTSSOP16 | VFQFPN-10L; HSOP 8 | VFQFPN-10L; HSOP 8 | HSOP 8 | HTSSOP 16 |
| Входно напрежение Uin, V | 4.0…18 | 4.0…18 | 4.0…18 | 4…38 | 4.5…38 | 4.5…38 | 4.5…38 | 4.5…61 |
| Изходен ток, А | 4 | 3 | 4 | 2 | 2 | 3 | 3 | 2 (L7987L); 3 (L7987) |
| Диапазон на изходното напрежение, V | 0,8…0,88×Uin | 0,8…Uin | 0,8…Uin | 0,85…Uin | 0,6…Uin | 0,6…Uin | 0,6…Uin | 0,8…Uin |
| Работна честота, kHz | 500 | 850 | 850 | 250…2000 | 250…1000 | 250…1000 | 250…1000 | 250…1500 |
| Външна честотна синхронизация (макс.), kHz | Не | Не | Не | 2000 | 1000 | 1000 | 1000 | 1500 |
| Функции | Плавен старт; защита от претоварване по ток; защита от прегряване | |||||||
| Допълнителни функции | ВКЛЮЧИ; ДОБРЕ | АКТИВИРАНЕ | LNM; LCM; ИНХИБИРАНЕ; защита от пренапрежение | АКТИВИРАНЕ | PGOOD; защита срещу спадове на напрежението; регулиране на тока на прекъсване | |||
| Работен температурен диапазон на чипа, °C | -40…150 | |||||||
Всички нови чипове превключващи преобразуватели имат функциите на мек старт, защита от свръхток и защита от прегряване.
Често се използва за преобразуване на напрежението на едно ниво в напрежение на друго ниво импулсни преобразувателиволтажизползване на индуктивни устройства за съхранение на енергия. Такива преобразуватели се характеризират с висока ефективност, понякога достигаща 95%, и имат способността да получават повишено, намалено или обърнато изходно напрежение.
В съответствие с това са известни три типа преобразувателни вериги: понижаващи (фиг. 1), повишаващи (фиг. 2) и инвертиращи (фиг. 3).
Общо за всички тези видове преобразуватели са пет елемента:
- източник на енергия,
- ключов превключващ елемент,
- индуктивно съхранение на енергия (индуктор, дросел),
- блокиращ диод,
- филтърен кондензатор, свързан паралелно с товарното съпротивление.
Включването на тези пет елемента в различни комбинации ви позволява да приложите всеки от трите типа импулсни преобразуватели.
Нивото на изходното напрежение на преобразувателя се контролира чрез промяна на ширината на импулсите, които контролират работата на ключовия превключващ елемент и съответно енергията, съхранявана в индуктивното устройство за съхранение.
Изходното напрежение се стабилизира чрез използване на обратна връзка: когато изходното напрежение се промени, ширината на импулса се променя автоматично.
Step Down конвертор
Понижаващият преобразувател (фиг. 1) съдържа последователно свързана верига от превключващ елемент S1, индуктивен акумулатор на енергия L1, съпротивление на натоварване RH и филтърен кондензатор C1, свързан паралелно към него. Блокиращият диод VD1 е свързан между точката на свързване на ключа S1 с акумулатора на енергия L1 и общ проводник.
Ориз. 1. Принципът на действие на преобразувателя на понижаващо напрежение.
Когато ключът е отворен, диодът е затворен, енергията от източника на енергия се съхранява в индуктивния акумулатор на енергия. След като ключът S1 е затворен (отворен), енергията, съхранявана от индуктивния акумулатор L1, се прехвърля през диода VD1 към съпротивлението на натоварване RH, кондензаторът C1 изглажда пулсациите на напрежението.
Ускоряващ превключващ конвертор
Повишаващият импулсен преобразувател на напрежението (фиг. 2) е направен върху същите основни елементи, но има различна комбинация от тях: последователна верига на индуктивно устройство за съхранение на енергия L1, диод VD1 и съпротивление на натоварване RH с филтър паралелно свързан кондензатор C1 е свързан към източника на захранване. Превключващият елемент S1 е свързан между точката на свързване на устройството за съхранение на енергия L1 с диода VD1 и общата шина.
Ориз. 2. Принципът на действие на преобразувателя за повишаване на напрежението.
Когато превключвателят е отворен, токът от източника на захранване протича през индуктора, в който се съхранява енергия. Диодът VD1 е затворен, веригата на натоварване е изключена от източника на захранване, ключа и акумулатора на енергия.
Напрежението върху съпротивлението на товара се поддържа поради енергията, съхранявана във филтърния кондензатор. Когато ключът е отворен, самоиндукционната ЕМП се добавя към захранващото напрежение, натрупаната енергия се прехвърля към товара през отворения диод VD1. Полученото по този начин изходно напрежение надвишава захранващото напрежение.
Инвертор с импулсен тип
Инвертиращият преобразувател с импулсен тип съдържа същата комбинация от основни елементи, но отново в различна връзка (фиг. 3): свързана е последователна верига от превключващ елемент S1, диод VD1 и съпротивление на натоварване RH с филтърен кондензатор C1 към източника на енергия.
Индуктивният акумулатор на енергия L1 е свързан между точката на свързване на превключващия елемент S1 с диода VD1 и общата шина.
Ориз. 3. Преобразуване на импулсно напрежение с инверсия.
Преобразувателят работи по следния начин: когато ключът е затворен, енергията се съхранява в индуктивно устройство за съхранение. Диодът VD1 е затворен и не пропуска ток от източника на захранване към товара. Когато превключвателят е изключен, ЕМП на самоиндукция на устройството за съхранение на енергия се оказва приложено към токоизправителя, съдържащ диода VD1, съпротивлението на натоварване Rn и филтърния кондензатор C1.
Тъй като токоизправителният диод предава само импулси на отрицателно напрежение в товара, на изхода на устройството се образува напрежение с отрицателен знак (обратно, противоположно по знак на захранващото напрежение).
Импулсни преобразуватели и стабилизатори
За стабилизиране на изходното напрежение на превключващи регулатори от всякакъв тип могат да се използват обикновени „линейни“ стабилизатори, но те имат ниска ефективност.В тази връзка е много по-логично да се използват регулатори на импулсно напрежение за стабилизиране на изходното напрежение на импулсни преобразуватели , още повече че такава стабилизация не е никак трудна.
Превключващите стабилизатори на напрежението от своя страна се разделят на широчинно-импулсно модулирани стабилизатори и импулсно-честотно модулирани стабилизатори. При първия от тях продължителността на управляващите импулси се променя при постоянна честота на тяхното повторение. На второ място, напротив, честотата на управляващите импулси се променя с непроменена продължителност. Има импулсни стабилизатори със смесено регулиране.
По-долу ще бъдат разгледани радиолюбителски примери за еволюционното развитие на импулсни преобразуватели и стабилизатори на напрежение.
Възли и схеми на импулсни преобразуватели
Главният осцилатор (фиг. 4) на импулсни преобразуватели с нестабилизирано изходно напрежение (фиг. 5, 6) на микросхемата KR1006VI1 работи с честота 65 kHz. Изходните правоъгълни импулси на генератора се подават през RC вериги към транзисторни ключови елементи, свързани паралелно.
Индукторът L1 е направен върху феритен пръстен с външен диаметър 10 mm и магнитна проницаемост 2000. Индуктивността му е 0,6 mH. Ефективността на преобразувателя достига 82%.
Ориз. 4. Схема на главния осцилатор за импулсни преобразуватели на напрежение.
Ориз. 5. Схема на силовата част на преобразувателя на напрежението за повишаване на импулса +5/12 V.
Ориз. 6. Схема на инвертиращ импулсен преобразувател на напрежение +5 / -12 V.
Амплитудата на изходната пулсация не надвишава 42 mV и зависи от стойността на капацитета на кондензаторите на изхода на устройството. Максималният ток на натоварване на устройствата (фиг. 5, 6) е 140 mA.
Токоизправителят на преобразувателя (фиг. 5, 6) използва паралелно свързване на нискотокови високочестотни диоди, свързани последователно с изравнителни резистори R1 - R3.
Цялата тази конструкция може да бъде заменена от един модерен диод, предназначен за ток над 200 mA при честота до 100 kHz и обратно напрежение от най-малко 30 V (например KD204, KD226).
Като VT1 и VT2 е възможно да се използват транзистори от типа KT81x p-p-p структури- KT815, KT817 (фиг. 4.5) и r-p-r - KT814, KT816 (фиг. 6) и др.
За да се подобри надеждността на преобразувателя, се препоръчва да свържете диод тип KD204, KD226 успоредно с прехода емитер-колектор на транзистора по такъв начин, че за постоянен токбеше затворено.
Преобразувател с главен осцилатор-мултивибратор
За да се получи изходно напрежение с величина 30...80 VП. Беляцки използва преобразувател с главен осцилатор на базата на асиметричен мултивибратор с изходно стъпало, натоварено на индуктивно устройство за съхранение на енергия - индуктор (дросел) L1 (фиг. 7).
Ориз. 7. Схема на преобразувател на напрежение с главен осцилатор на базата на асиметричен мултивибратор.
Устройството работи в диапазона на захранващото напрежение 1.0. ..1,5 V и има ефективност до 75%. Във веригата можете да използвате стандартен дросел DM-0.4-125 или друг с индуктивност 120.. .200 μH.
Вариант на изходния етап на преобразувателя на напрежение е показан на фиг. 8. Когато управляващ сигнал с квадратна вълна на ниво 7777 (5 V) се прилага към входа на каскадата на изхода на преобразувателя, когато се захранва от източник на напрежение 12 Vполучено напрежение 250 Vпри ток на натоварване 3...5 mA(съпротивление на натоварване около 100 kOhm). Индуктивност на дросела L1 - 1 mH.
Като VT1 можете да използвате домашен транзистор, например KT604, KT605, KT704B, KT940A (B), KT969A и др.
Ориз. 8. Вариант на изходния етап на преобразувателя на напрежение.
Ориз. 9. Схема на изходния етап на преобразувателя на напрежение.
Подобна схема на изходния етап (фиг. 9) направи възможно, когато се захранва от източник на напрежение 28Vи консумиран ток 60 mAполучите изходно напрежение 250 Vпри ток на натоварване 5 mA, Индуктивност на дросела - 600 μH. Честотата на управляващите импулси е 1 kHz.
В зависимост от качеството на индуктора може да се получи напрежение от 150 ... 450 V на изхода с мощност около 1 W и ефективност до 75%.
Преобразувателят на напрежение, направен на базата на импулсен генератор на чип DA1 KR1006VI1, усилвател на базата на полеви транзистор VT1 и устройство за индуктивно съхранение на енергия с токоизправител и филтър, е показан на фиг. 10.
На изхода на преобразувателя при захранващо напрежение 9Би консумиран ток 80...90 mAнатрупва се напрежение 400...425 V. Трябва да се отбележи, че стойността на изходното напрежение не е гарантирана - тя значително зависи от начина, по който е направен индукторът (дросел) L1.
Ориз. 10. Схема на преобразувател на напрежение с импулсен генератор на микросхема KR1006VI1.
За да получите желаното напрежение, най-лесният начин е експериментално да изберете индуктор за постигане на необходимото напрежение или да използвате умножител на напрежението.
Схема на биполярен импулсен преобразувател
Много електронни устройства изискват биполярен източник на напрежение, за да доставят както положителни, така и отрицателни захранващи напрежения. Схемата, показана на фиг. 11 има много по-малък брой компоненти от сравнимите устройства поради факта, че едновременно изпълнява функциите на повишаващ и инвертивен индуктивен преобразувател.
Ориз. 11. Схема на преобразувател с един индуктивен елемент.
Схемата на преобразувателя (Фигура 11) използва нова комбинация от основни компоненти и включва четирифазен импулсен генератор, индуктор и два транзисторни превключвателя.
Управляващите импулси се генерират от D-тригер (DD1.1). По време на първата фаза на импулсите индукторът L1 се съхранява с енергия чрез транзисторните превключватели VT1 и VT2. По време на втората фаза превключвателят VT2 се отваря и енергията се прехвърля към шината за положително изходно напрежение.
По време на третата фаза и двата ключа са затворени, в резултат на което индукторът отново натрупва енергия. Когато ключът VT1 се отвори по време на крайната фаза на импулсите, тази енергия се прехвърля към шината с отрицателна мощност. Когато на входа се получават импулси с честота 8 kHz, веригата осигурява изходни напрежения ±12 V. Времевата диаграма (фиг. 11, вдясно) показва образуването на управляващи импулси.
Във веригата могат да се използват транзистори KT315, KT361.
Преобразувателят на напрежение (фиг. 12) ви позволява да получите на изхода стабилизирано напрежение от 30 V. Напрежение от тази величина се използва за захранване на варикапи, както и за вакуумни флуоресцентни индикатори.
Ориз. 12. Схема на преобразувател на напрежение с изходно стабилизирано напрежение 30 V.
На чип DA1 от типа KR1006VI1 се сглобява главен осцилатор по обичайната схема, която произвежда правоъгълни импулси с честота около 40 kHz.
Към изхода на генератора е свързан транзисторен ключ VT1, който превключва индуктор L1. Амплитудата на импулсите при превключване на намотката зависи от качеството на нейното производство.
Във всеки случай напрежението върху него достига десетки волта. Изходното напрежение се коригира от диода VD1. U-образен RC филтър и VD2 ценеров диод са свързани към изхода на токоизправителя. Напрежението на изхода на стабилизатора се определя изцяло от вида на използвания ценеров диод. Като "високоволтов" ценеров диод можете да използвате верига от ценерови диоди с по-ниско стабилизиращо напрежение.
Преобразувател на напрежение с индуктивно съхранение на енергия, който ви позволява да поддържате стабилен изход регулируемо напрежение, е показано на фиг. тринадесет.
Ориз. 13. Схема на преобразувател на напрежение със стабилизация.
Веригата съдържа импулсен генератор, двустепенен усилвател на мощност, индуктивно устройство за съхранение на енергия, токоизправител, филтър и верига за стабилизиране на изходното напрежение. Резистор R6 задава необходимото изходно напрежение в диапазона от 30 до 200 V.
Транзисторни аналози: VS237V - KT342A, KT3102; VS307V - KT3107I, BF459 - KT940A.
Понижаващи и инвертиращи преобразуватели на напрежение
Два варианта - понижаващи и инвертиращи преобразуватели на напрежение са показани на фиг. 14. Първият осигурява изходното напрежение 8,4 Vпри ток на натоварване до 300 mA, вторият - ви позволява да получите напрежение с отрицателна полярност ( -19,4 V) при същия ток на натоварване. Изходният транзистор VTZ трябва да бъде инсталиран на радиатор.
Ориз. 14. Схеми на стабилизирани преобразуватели на напрежение.
Транзисторни аналози: 2N2222 - KTZ117A 2N4903 - KT814.
Понижаващ стабилизиран преобразувател на напрежение
Понижаващ стабилизиран преобразувател на напрежение, използващ микросхемата KR1006VI1 (DA1) като главен осцилатор и имащ защита от потока на натоварване, е показан на фиг. 15. Изходното напрежение е 10 V при ток на натоварване до 100 mA.
Ориз. 15. Схема на понижаващ преобразувател на напрежение.
Когато съпротивлението на натоварването се промени с 1%, изходното напрежение на преобразувателя се променя с не повече от 0,5%. Транзисторни аналози: 2N1613 - KT630G, 2N2905 - KT3107E, KT814.
Биполярен инвертор на напрежение
За захранване на електронни схеми, съдържащи операционни усилватели, често са необходими биполярни захранвания. Този проблем може да бъде решен с помощта на инвертор на напрежение, чиято верига е показана на фиг. шестнадесет.
Устройството съдържа генератор на правоъгълни импулси, натоварен върху индуктор L1. Напрежението от индуктора се поправя от диода VD2 и отива към изхода на устройството (филтърни кондензатори C3 и C4 и съпротивление на натоварването). Ценеров диод VD1 осигурява постоянно изходно напрежение - регулира продължителността на импулса с положителна полярност върху индуктора.
Ориз. 16. Верига на инвертор на напрежение +15/-15 V.
Работната честота на генериране е около 200 kHz под товар и до 500 kHz без натоварване. Максималният ток на натоварване е до 50 mA, ефективността на устройството е 80%. Недостатъкът на дизайна е относителен високо нивоелектромагнитни смущения обаче, характерни за други подобни вериги. Като L1 се използва дросел DM-0.2-200.
Инвертори на специализирани микросхеми
Най-удобно е да се сглобят високопроизводителни съвременни преобразуватели на напрежениес помощта на микросхеми, специално проектирани за тази цел.
чип KR1156EU5(MC33063A, MC34063A от Motorola) е проектиран да работи в стабилизирани повишаващи, понижаващи, инвертиращи преобразуватели с мощност от няколко вата.
На фиг. 17 показва диаграма на преобразувател за повишаване на напрежението на чип KR1156EU5. Преобразувателят съдържа входни и изходни филтърни кондензатори C1, C3, C4, индуктор за съхранение L1, изправител диод VD1, кондензатор C2, който задава честотата на преобразувателя, филтърен индуктор L2 за изглаждане на вълните. Резистор R1 служи като сензор за ток. Делителят на напрежението R2, R3 определя стойността на изходното напрежение.
Ориз. 17. Схема на преобразувател за повишаване на напрежението на микросхема KR1156EU5.
Работната честота на преобразувателя е близка до 15 kHz при 12 V входно напрежение и номинално натоварване. Обхватът на вълните на напрежението на кондензаторите C3 и C4 е съответно 70 и 15 mV.
Индукторът L1 с индуктивност 170 μH е навит върху три залепени пръстена K12x8x3 M4000NM с проводник PESHO 0,5. Намотката се състои от 59 оборота. Всеки пръстен трябва да бъде счупен на две части преди навиване.
В една от пролуките се въвежда обикновен уплътнител от текстолит с дебелина 0,5 мм и пакетът се залепва. Можете да използвате и феритни пръстени с магнитна пропускливост над 1000.
Пример за изпълнение понижаващ преобразувател на чипа KR1156EU5показано на фиг. 18. На входа на такъв преобразувател не може да се приложи напрежение повече от 40 V. Честотата на преобразувателя е 30 kHz при UBX \u003d 15 V. Обхватът на вълните на напрежението на кондензаторите C3 и C4 е 50 mV.
Ориз. 18. Схема на понижаващ преобразувател на напрежение на микросхема KR1156EU5.
Ориз. 19. Схема на инвертивен преобразувател на напрежение на микросхема KR1156EU5.
Индукторът L1 с индуктивност 220 μH е навит по подобен начин (виж по-горе) на три пръстена, но разликата по време на залепването е зададена на 0,25 mm, намотката съдържа 55 навивки от същия проводник.
На следващата фигура (фиг. 19) е показана типична схема на инвертиращ преобразувател на напрежение на микросхема KR1156EU5.Микросхемата DA1 се захранва от сумата на входното и изходното напрежение, което не трябва да надвишава 40 V.
Работна честота на преобразувателя — 30 kHz при UBX=5 S; диапазонът на пулсациите на напрежението на кондензаторите C3 и C4 е 100 и 40 mV.
За индуктор L1 на инвертиращия преобразувател с индуктивност 88 μH са използвани два пръстена K12x8x3 M4000NM с междина 0,25 mm. Намотката се състои от 35 оборота на проводник PEV-2 0,7. Индуктор L2 във всички преобразуватели е стандартен - DM-2.4 с индуктивност 3 μH. Диодът VD1 във всички вериги (фиг. 17 - 19) трябва да бъде диод на Шотки.
За получаване биполярно напрежение от униполярно MAXIM разработи специализирани микросхеми. На фиг. 20 показва възможността за преобразуване на ниско ниво на напрежение (4,5 ... 5 6) в биполярно изходно напрежение 12 (или 15 6) при ток на натоварване до 130 (или 100 mA).
Ориз. 20. Схема на преобразувател на напрежение на чипа MAX743.
Според вътрешната структура микросхемата не се различава от типичната конструкция на този вид преобразуватели, изработени върху дискретни елементи, но интегралният дизайн дава възможност за създаване на високоефективни преобразуватели на напрежение с минимален брой външни елементи.
Да, за микрочип MAX743(фиг. 20), честотата на преобразуване може да достигне 200 kHz (което е много по-високо от честотата на преобразуване на по-голямата част от преобразувателите, направени на дискретни елементи). При захранващо напрежение 5 V ефективността е 80 ... 82% с нестабилност на изходното напрежение не повече от 3%.
Микросхемата е оборудвана със защита срещу извънредни ситуации: когато захранващото напрежение спадне с 10% под нормалното, както и при прегряване на корпуса (над 195°C).
За намаляване на изхода на пулсациите на преобразувателя с честота на преобразуване (200 kHz), на изходите на устройството са инсталирани U-образни LC филтри. Джъмперът J1 на щифтове 11 и 13 на микросхемата е предназначен да променя стойността на изходните напрежения.
За преобразуване на ниско ниво на напрежение(2,0 ... 4,5 6) в стабилизирано 3,3 или 5,0 V, е предназначена специална микросхема, разработена от MAXIM - MAX765. Домашни аналози - KR1446PN1A и KR1446PN1B. Микросхема за подобна цел - MAX757 - ви позволява да получите непрекъснато регулируемо напрежение на изхода в диапазона от 2,7 ... 5,5 V.
Ориз. 21. Схема на нисковолтов преобразувател за повишаване на напрежението до ниво 3,3 или 5,0 V.
Схемата на преобразувателя, показана на фиг. 21, съдържа малко количество външни (прикачени) части.
Това устройство работи според традиционния принцип, описан по-рано. Работната честота на генератора зависи от входното напрежение и тока на натоварване и варира в широк диапазон – от десетки Hz до 100 kHz.
Стойността на изходното напрежение се определя от това къде е свързан пин 2 на чипа DA1: ако е свързан към обща шина (виж фиг. 21), изходното напрежение на микросхемата KR1446PN1Aравно на 5,0 ± 0,25 V, но ако този щифт е свързан към щифт 6, тогава изходното напрежение ще спадне до 3,3 ± 0,15 V. За микросхема KR1446PN1Bстойностите ще бъдат съответно 5,2±0,45 V и 3,44±0,29 V.
Максимален изходен ток на преобразувателя — 100 mA. чип MAX765осигурява изходен ток 200 mAпри напрежение 5-6 и 300 mAпри напрежение 3,3 V. Ефективност на преобразувателя - до 80%.
Целта на щифт 1 (SHDN) е временно да деактивира преобразувателя чрез късо свързване на този щифт към общ проводник. Изходното напрежение в този случай ще падне до стойност, малко по-ниска от входното напрежение.
Светодиодът HL1 е проектиран да показва аварийно намаляване на захранващото напрежение (под 2 V), въпреки че самият преобразувател е в състояние да работи при по-ниски стойности на входното напрежение(до 1,25 6 и по-ниски).
Индуктор L1 е изпълнен върху пръстен K10x6x4.5, изработен от ферит M2000NM1. Той съдържа 28 навивки на проводник PESHO 0,5 mm и има индуктивност 22 μH. Преди навиване феритният пръстен се счупва наполовина, като преди това е бил напилен с диамантена пила. След това пръстенът се залепва с епоксидно лепило, като в една от получените пролуки се монтира текстолитово уплътнение с дебелина 0,5 мм.
Така получената индуктивност на индуктора зависи в по-голяма степен от дебелината на междината и в по-малка степен от магнитната проницаемост на сърцевината и броя на завоите на бобината. Ако приемете увеличаването на нивото на електромагнитни смущения, тогава можете да използвате дросел тип DM-2.4 с индуктивност 20 μH.
Кондензатори C2 и C5 от тип K53 (K53-18), C1 и C4 - керамични (за намаляване нивото на високочестотни смущения), VD1 - диод на Шотки (1 N5818, 1 N5819, SR106, SR160 и др.).
Мрежово захранване на Philips
Преобразувателят (мрежово захранване на Philips, фиг. 22) при входно напрежение 220 V осигурява изходно стабилизирано напрежение от 12 V при мощност на натоварване от 2 W.
Ориз. 22. Схема на AC захранването на Philips.
Безтрансформаторното захранване (фиг. 23) е предназначено за захранване на преносими и джобни приемници от AC 220 V. Моля, имайте предвид, че този източник не е електрически изолиран от електрическата мрежа. При изходно напрежение 9V и ток на натоварване 50 mA, захранването консумира около 8 mA от мрежата.
Ориз. 23. Схема на безтрансформаторно захранване на базата на импулсен преобразувател на напрежение.
Мрежовото напрежение, изправено от диодния мост VD1 - VD4 (фиг. 23), зарежда кондензаторите C1 и C2. Времето за зареждане на кондензатора C2 се определя от константата на веригата R1, C2. В първия момент след включване на устройството тиристорът VS1 е затворен, но при определено напрежение на кондензатора C2 той ще се отвори и ще свърже веригата L1, NW към този кондензатор.
В този случай кондензатор C3 с голям капацитет ще бъде зареден от кондензатор C2. Напрежението на кондензатора C2 ще намалее, а на C3 ще се увеличи.
Токът през индуктора L1, равен на нула в първия момент след отварянето на тиристора, постепенно нараства, докато напреженията на кондензаторите C2 и C3 се изравнят. Веднага щом това се случи, тиристорът VS1 се затваря, но енергията, съхранявана в индуктора L1, за известно време ще поддържа тока на зареждане на кондензатора C3 през отворения диод VD5. След това диодът VD5 се затваря и започва относително бавно разреждане на кондензатора C3 през товара. Ценеров диод VD6 ограничава напрежението при товара.
Веднага след като тиристорът VS1 се затвори, напрежението в кондензатора C2 започва да се увеличава отново. В даден момент тиристорът се отваря отново и започва нов цикъл на работа на устройството. Честотата на отваряне на тиристора е няколко пъти по-висока от честотата на пулсации на напрежението на кондензатора C1 и зависи от номиналните стойности на елементите на веригата R1, C2 и параметрите на тиристора VS1.
Кондензаторите C1 и C2 са от типа MBM за напрежение най-малко 250 V. Индукторът L1 има индуктивност от 1 ... 2 mH и съпротивление не повече от 0,5 Ohm. Навита е на цилиндрична рамка с диаметър 7 мм.
Ширината на намотката е 10 мм, тя се състои от пет слоя тел PEV-2 0,25 мм, навит плътно, намотка до намотка. В отвора на рамката се вкарва тунинг сърцевина CC2.8x12 от ферит M200NN-3. Индуктивността на индуктора може да бъде променяна в широк диапазон, а понякога и напълно елиминирана.
Схеми на устройства за преобразуване на енергия
Схемите на устройствата за преобразуване на енергия са показани на фиг. 24 и 25. Те са понижаващи мощностни преобразуватели, захранвани от гасителни кондензаторни токоизправители. Изходното напрежение на устройствата е стабилизирано.
Ориз. 24. Схема на понижаващ преобразувател на напрежение с мрежово безтрансформаторно захранване.
Ориз. 25. Вариант на схемата на понижаващ преобразувател на напрежение с мрежово безтрансформаторно захранване.
Като VD4 динистори можете да използвате домашни аналози с ниско напрежение - KN102A, B. Подобно на предишното устройство (фиг. 23), захранващите устройства (фиг. 24 и 25) имат галванична връзка с електрическата мрежа.
Преобразувател на напрежение с импулсен акумулатор на енергия
В преобразувателя на напрежение на S. F. Sikolenko с „съхранение на импулсна енергия“ (фиг. 26), ключовете K1 и K2 са направени на транзистори KT630, системата за управление (CS) е на микросхема от серия K564.
Ориз. 26. Схема на преобразувател на напрежение с натрупване на импулси.
Кондензатор за съхранение C1 - 47 uF. Като източник на захранване се използва батерия 9 V. Изходното напрежение при съпротивление на натоварване от 1 kΩ достига 50 V. Ефективността е 80% и нараства до 95% при използване на RFLIN20L CMOS структури като ключови елементи K1 и K2.
Импулсен резонансен преобразувател
Импулсно-резонансни преобразуватели с конструкция k, т.нар. N. M. Muzychenko, един от които е показан на фиг. 4.27, в зависимост от формата на тока в ключа VT1, те са разделени на три разновидности, при които превключващите елементи се затварят при нулев ток и се отварят при нулево напрежение. На етапа на превключване преобразувателите работят като резонансни, а останалата част през по-голямата част от периода като импулсни.
Ориз. 27. Схема на импулсно-резонансен преобразувател N. M. Muzychenko.
Отличителна черта на такива преобразуватели е, че тяхната захранваща част е направена под формата на индуктивно-капацитивен мост с превключвател в единия диагонал и с превключвател и източник на захранване в другия. Такива схеми (фиг. 27) са високоефективни.
Търговско дружество STMicroelectronicsпроизвежда висококачествени неизолирани DC/DC преобразуватели, които изискват малко външни компоненти.
Постоянното развитие на ИС за DC/DC преобразуватели се характеризира със следните фактори:
- увеличаване на работните честоти на преобразуване (максималната честота на преобразуване за микросхемите STMicroelectronics е 1,7 MHz), което позволява драстично намаляване на размера на външните компоненти и минимизиране на площта на печатната платка;
- намаляване на размера на пакетите на микросхемите поради високите честоти на преобразуване (пакетът DFN6D има размери само 3x3mm);
- увеличаване на специфичната плътност на изходния ток (пакетът DFN6D осигурява изходен ток до 2.0A; пакетите DFN8 и PowerSO-8 могат да работят при токове до 3.0A);
- повишаване на ефективността и намаляване на консумацията на енергия в изключено състояние, което е особено важно за устройства със самостоятелно захранване.
STM разделя своите ИС за неизолирани DC/DC преобразуватели на две групи. Първата група има работна честота до 1 MHz (параметрите са обобщени в таблица 1), втората група има честота на преобразуване от 1,5 и 1,7 MHz (вижте таблица 2 за параметрите). Втората група включва и микросхеми от серията ST1S10с номинална честота на преобразуване от 0,9 MHz (максималната честота на преобразуване за тези чипове може да достигне 1,2 MHz). Микросхемите от серията ST1S10 могат да работят със синхронизация от външен генератор в честотния диапазон от 400 kHz до 1,2 MHz.
Маса 1. Чипове STMicroelectronics за DC / DC-преобразуватели с честота на преобразуване до 1 MHz
| име | Топология | Вин., В | Вут., В | Аут., А | Честота преобразуване, MHz |
вход затъмнения |
Кадър |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| L296 | слизам | 9…46 | 5,1…40 | 4 | до 200 | Има | МУЛТИВАТ-15 |
| L4960 | слизам | 9…46 | 5,1…40 | 2,5 | до 200 | Не | ХЕПТАВАТ-7 |
| L4962 | слизам | 9…46 | 5,1…40 | 1,5 | до 200 | Има | ХЕПТАВАТ-8, DIP-16 |
| L4963 | слизам | 9…46 | 5,1…40 | 1,5 | 42…83 | Не | DIP-18, SO-20 |
| L4970A | слизам | 12…50 | 5,1…50 | 10 | до 500 | Не | МУЛТИВАТ-15 |
| L4971 | слизам | 8…55 | 3,3…50 | 1,5 | до 300 | Има | DIP-8, SO-16W |
| L4972A | слизам | 12…50 | 5,1…40 | 2 | до 200 | Не | DIP-20, SO-20 |
| L4973D3.3 | слизам | 8…55 | 0,5…50 | 3,5 | до 300 | Има | DIP-8, SO-16W |
| L4973D5.1 | слизам | 8…55 | 5,1…50 | 3,5 | до 300 | Има | DIP-8, SO-16W |
| L4974A | слизам | 12…50 | 5,1…40 | 3,5 | до 200 | Не | МУЛТИВАТ-15 |
| L4975A | слизам | 12…50 | 5,1…40 | 5 | до 500 | Не | МУЛТИВАТ-15 |
| L4976 | слизам | 8…55 | 0,5…50 | 1 | до 300 | Има | DIP-8, SO-16W |
| L4977A | слизам | 12…50 | 5,1…40 | 7 | до 500 | Не | МУЛТИВАТ-15 |
| L4978 | слизам | 8…55 | 3,3…50 | 2 | до 300 | Има | DIP-8, SO-16W |
| L5970AD | слизам | 4,4…36 | 0,5…35 | 1 | 500 | Има | SO-8 |
| L5970D | слизам | 4,4…36 | 0,5…35 | 1 | 250 | Има | SO-8 |
| L5972D | слизам | 4,4…36 | 1,23…35 | 1,5 | 250 | Не | SO-8 |
| L5973AD | слизам | 4,4…36 | 0,5…35 | 1,5 | 500 | Има | HSOP-8 |
| L5973D | слизам | 4,4…36 | 0,5…35 | 2 | 250 | Има | HSOP-8 |
| L5987A | слизам | 2,9…18 | 0,6…Vin. | 3 | 250…1000 | Има | HSOP-8 |
| L6902D | слизам | 8…36 | 0,5…34 | 1 | 250 | Не | SO-8 |
| L6920D | засилване | 0,6…5,5 | 2…5,2 | 1 | до 1000 | Има | TSSOP-8 |
| L6920DB | засилване | 0,6…5,5 | 1,8…5,2 | 0,8 | до 1000 | Има | miniSO-8 |
Таблица 2. ИС за DC/DC понижаващи преобразуватели от 0,9 до 1,7 MHz
| Серия | име | Аут., А | Вин., В | Вут., В | Честота преобразуване, MHz |
вход затъмнения |
Кадър |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ST1S03 | ST1S03PUR | 1,5 | 3…16 | 0,8…12 | 1,5 | Не | DFN6D (3x3 мм) |
| ST1S03A | ST1S03AIPUR | 3…5.5 | 0,8…5.5 | 1,5 | Има | DFN6D (3x3 мм) | |
| ST1S03APUR | 1,5 | Не | |||||
| ST1S06 | ST1S06PUR | 2,7…6 | 0,8…5.5 | 1,5 | Има | DFN6D (3x3 мм) | |
| ST1S06A | ST1S06APUR | 1,5 | Не | ||||
| ST1S06xx12 | ST1S06PU12R | 2,7…6 | 1,2 | 1,5 | Има | DFN6D (3x3 мм) | |
| ST1S06xx33 | ST1S06PU33R | 3,3 | 1,5 | Има | |||
| ST1S09 | ST1S09IPUR | 2,0 | 2,7…5,5 | 0,8…5 | 1,5 | Има | DFN6D (3x3 мм) |
| ST1S09PUR | 1,5 | Не | |||||
| ST1S10 | ST1S10PHR | 3,0 | 2,5…18 | 0,8…0,85Vin. | 0,9 (0,4…1,2)* | Има | PowerSO-8 |
| ST1S10PUR | DFN8 (4x4 мм) | ||||||
| ST1S12xx | ST1S12GR | 0,7 | 2,5…5,5 | 1,2…5 | 1,7 | Има | TSOT23-5L |
| ST1S12xx12 | ST1S12G12R | 1,2 | |||||
| ST1S12xx18 | ST1S12G18R | 1,8 | |||||
| * - в скоби е честотният диапазон на преобразуване при синхронизиране от външен генератор. | |||||||
Основната част от микросхемите за DC/DC преобразуватели от таблица 1 има честота на преобразуване до 300 kHz. При такива честоти изборът на индуктивности на изхода DC / DC е улеснен, тъй като за работните честоти на микросхемите от Таблица 2 (1,5 и 1,7 MHz) е необходимо да се обърне внимание на честотните характеристики на индуктивностите Специално внимание. Фигури 1 и 2 показват препоръчаните от производителя схеми за превключване на микросхеми като примери. L5973D(изходен ток до 2,0 A при честота на преобразуване 250 kHz) и ST1S06(изходен ток до 1,5 A при честота на преобразуване 1,5 MHz).
Ориз. един.
Ориз. 2.
Фигури 1 и 2 показват, че ИС с относително ниски честоти на преобразуване според днешните стандарти изискват по-голям брой външни електронни компоненти, които са по-големи от компонентите на преобразувателите, работещи на честоти над 1 MHz. DC/DC ИС в Таблица 2 осигуряват много по-малки размери на платката, но трябва да се внимава повече при окабеляването, за да се намали излъчената EMI.
Някои микросхеми ви позволяват да контролирате включването и изключването на преобразувателите поради наличието на вход INHIBIT. Пример за включване на такива микросхеми е показан на фиг. 3. ST1S09(без вход INHIBIT) и ST1S09I(с вход INHIBIT). Долната част на тази фигура показва препоръчителните стойности на резисторите R1 и R2 за генериране на изходни напрежения от 1,2 и 3,3 V.
Ориз. 3.
Ако има високо ниво на напрежение (повече от 1,3 V) на входа за управление на VINH, микросхемата ST1S09I е в активно състояние; ако напрежението на този вход е по-малко от 1,4 V, DC/DC преобразувателят се изключва (саморазходът е по-малък от 1 µA). Вариант на микросхемата без контролен вход на пин 6 вместо вход VINH има изход "PG = Power Good" (мощността е нормална). Формирането на сигнала "Power Good" е илюстрирано на фиг. 4. Когато входът на FB (вход за обратна връзка или обратна връзка) достигне 0,92xVFB, компараторът превключва и PG изходът става висок, за да покаже, че изходното напрежение е в приемливи граници.
Ориз. 4.
Ефективност на преобразуването
на примера на микросхеми ST1S09 и ST1S09I
Ефективността на понижаващия преобразувател DC/DC е силно зависима от параметрите на изолираните транзистори на затвора (MOSFETs), интегрирани в микросхемите, които действат като ключ. Един от проблемите с високочестотните преобразуватели е свързан с зарядния ток на транзисторния порт, когато се управлява от PWM контролер. Загубите в този случай практически не зависят от тока в товара. Вторият проблем, който намалява ефективността, е мощността, разсейвана в транзистора по време на превключване от едно състояние в друго (през тези периоди от време транзисторът работи в линеен режим). Можете да намалите загубите, като осигурите по-стръмни фронтове на превключване, но това увеличава електромагнитния шум и смущенията в захранващите вериги. Друга причина за намаляване на ефективността на преобразувателя е наличието на активно съпротивление "източване - източник" (Rdson). В правилно проектирана схема ефективността достига максималната си стойност, когато статичните (омични) и динамични загуби са равни. Трябва да се отбележи, че изходният токоизправителен диод също допринася за своя дял от динамичните и статичните загуби. Неправилно избраната индуктивност на изхода на DC / DC преобразувател може допълнително да намали значително ефективността на преобразуване, което кара човек да помни за неговите високочестотни свойства. В най-лошия случай, при високи честоти на преобразуване, изходният дросел може да загуби своите индуктивни свойства и преобразувателят просто няма да работи.
STMicroelectronics произвежда високомощни FET и диоди с много високи динамични и статични характеристики в продължение на много години. Притежаването на добре установена MOSFET технология позволява на компанията да интегрира своите полеви транзистори в микросхеми за DC/DC преобразуватели и да постигне високи стойности на ефективност на преобразуване.
На фиг. 5 (а, б, в) като пример са показани типични зависимости на ефективността на преобразуване от някои параметри при различни работни условия. Графиките на зависимостта на ефективността от стойността на изходния ток достигат максимални стойности от около 95% при ток от 0,5 A. Освен това спадът в тези характеристики е доста лек, което характеризира само леко увеличение на загубите с увеличаване на изходния ток до максимална стойност.
Ориз. 5а.
На фиг. Фигура 5b показва зависимостта на ефективността от нивото на изходното напрежение на DC/DC преобразуватели, базирани на микросхеми ST1S09 и ST1S09I. С увеличаване на изходното напрежение ефективността се увеличава. Това се дължи на факта, че спадът на напрежението в транзисторите на изходния етап е практически независим от изходното напрежение при постоянен изходен ток, следователно, с увеличаване на изходното напрежение процентът на загубата на вмъкване ще намалее.
Ориз. 5 Б.
На фиг. 5в е показана зависимостта на ефективността от стойността на индуктивността на изхода. В диапазона от 2 до 10 μH ефективността на преобразуване практически не се променя, което ви позволява да изберете стойността на индуктивността от широк диапазон от оценки. Разбира се, човек трябва да се стреми към възможно най-високо ниво на индуктивност, за да осигури най-доброто филтриране на напрежението на пулсациите на изходния ток. Ясно е, че с увеличаване на изходния ток ефективността намалява. Това се дължи на увеличаването на загубите в изходните стъпала на DC/DC преобразувателите.
Ориз. 5 век
Сравнение с чипове от други производители
Таблици 3, 4 и 5 показват параметрите на микросхеми от други производители, които са сходни по функционална стойност.
Таблица 3 показва, че FAN2013MPX е пълен аналог на микросхема ST1S09IPUR,но STMicroelectronics допълнително има чип от тази серия ST1S09PURс наличието на изхода "Power Good", което разширява избора на разработчика.
Таблица 3 Близки заместители на ИС за DC/DC преобразуватели от други производители
| Производител | име | Изход макс., A | Честота преобразуване, MHz |
мощност добра | Съвместимост според констатациите |
Кадър |
|---|---|---|---|---|---|---|
| STMicroelectronics | ST1S09PUR | 2 | 1,5 | Има | Има | DFN3x3-6 |
| ST1S09IPUR | Не | Има | ||||
| Fairchild Semiconductor | FAN2013MPX | 2 | 1,3 | Не | Има | DFN3x3-6 |
Таблица 4 изброява функционални замествания (без съвместимост с щифтове) от други производители за ИС ST1S10.Основното предимство на чиповете ST1S10 е наличието на синхронна ректификация в изходните стъпала, което осигурява по-висока ефективност на преобразуване. В допълнение, пакетът DFN8 (4x4 mm) има по-малки размери в сравнение с пакетите от функционално подобни микросхеми от други производители. Вътрешната компенсационна верига намалява броя на външните компоненти на тръбопровода.
Таблица 4 Близки заместители за ST1S10PxR ИС за DC/DC преобразуватели от други производители
| Производител | име | Изход макс., A | Синхронна ректификация | Компенсация | Мек старт | Съвместимост според констатациите |
Кадър |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| STMicroelectronics | ST1S10PHR | 3 | Има | Вътрешен | Интериор | - | PowerSO-8 |
| ST1S10PUR | DFN8 (4x4 мм) | ||||||
| Монолитни енергийни системи | MP2307/MP1583 | 3 | Да не | Външен | Външен | Не | SO8-EP |
| Алфа и Омега полупроводник | AOZ1013 | 3 | Не | Външен | Интериор | Не | SO8 |
| Semtech | SC4521 | 3 | Не | Външен | Външен | Не | SO8-EP |
| AnaChip | AP1510 | 3 | Не | Вътрешен | Интериор | Не | SO8 |
Таблица 5 показва възможни замествания на ИС ST1S12.Основното предимство на микросхемите ST1S12 е по-високата стойност на максимално допустимия изходен ток: до 700 mA. Чипът MP2104 от MPS е съвместим с щифтове с чипа ST1S12. LM3674 и LM3671 могат да се разглеждат само като близък функционален заместител на ST1S112 поради липсата на съвместимост с щифтове.
Таблица 5 Близки заместители на ST1S12 ИС за DC/DC понижаващи преобразуватели от други производители
| Производител | име | Iout (макс.), mA |
Честота преобразуване, MHz |
Вин (макс.), В | вход затъмнения |
Съвместимост според констатациите |
Кадър |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| STMicroelectronics | ST1S12 | 700 | 1,7 | 5,5 | има | - | TSOT23-5L |
| Монолитни енергийни системи | MP2104 | 600 | 1,7 | 6 | има | има | TSOT23-5L |
| National Semiconductor | LM3674 | 600 | 2 | 5,5 | има | Не | SOT23-5L |
| LM3671 | 600 | 2 | 5,5 | има | Не | SOT23-5L |
Избор на чип за
DC/DC преобразуватели на място
За бързо търсене на електронни компоненти по известни параметри е най-удобно да използвате сайта . За параметрични търсения в този сайт е силно препоръчително да инсталирате и използвате безплатната програма за уеб сърфиране (браузър) "Google Chrome". Работата в този браузър ускорява търсенето няколко пъти. Чипове за DC/DC преобразуватели от STMicroelectronics могат да бъдат намерени на уебсайта по следния път: „Управление на захранването“ ® „IC for DC/DC“ ® „Регулатори (+ ключ)“. След това можете да изберете марката "ST" и да активирате филтъра "Stock", за да изберете само тези компоненти, които са на склад. Резултатът от тези действия е показан на фиг. 6. Можете да направите по-специфичен избор на необходимите параметри, като приложите други филтри.
Заключение
Особено важно правилен избормикросхеми за DC/DC преобразуватели в устройства с автономни захранвания. В някои случаи изборът на правилния план за захранване може да бъде трудна задача, но като отделите време за проектиране и избор на план за захранване на устройството, можете да спечелите известно предимство пред конкуренцията с по-малко, по-ниска цена и по-висока ефективност на преобразуването на мощността. ИС STMicroelectronics за DC/DC преобразуватели улесняват избора и реализирането на техните предимства при създаване на конкурентни схеми за захранване.
Касова бележка техническа информация, примерна поръчка, доставка - e-mail:
LM2596 намалява входното (до 40V) напрежение - изходът се регулира, токът е 3 А. Идеален за светодиоди в колата. Много евтини модули - около 40 рубли в Китай.
Texas Instruments произвежда висококачествени, надеждни, достъпни и евтини, лесни за използване DC-DC контролери LM2596. Китайските фабрики произвеждат изключително евтини преобразуватели на базата на това: цената на модул за LM2596 е около 35 рубли (включително доставката). Съветвам ви да закупите незабавно партида от 10 броя - винаги ще има полза от тях, докато цената ще падне до 32 рубли и по-малко от 30 рубли при поръчка на 50 броя. Прочетете повече за изчисляването на обвивката на микросхемата, регулирането на тока и напрежението, неговото приложение и някои от недостатъците на преобразувателя.
Типичен метод за използване е стабилизиран източник на напрежение. Въз основа на този стабилизатор е лесно да се направи импулсно захранване, използвам го като просто и надеждно лабораторно захранване, което може да издържи на къси съединения. Те са атрактивни поради постоянството на качеството (изглежда, че всички са произведени в една и съща фабрика - и е трудно да се направят грешки в пет детайла) и пълното съответствие с листа с данни и декларираните характеристики.
Друга област на приложение е стабилизатор на превключващ ток за захранване на високомощни светодиоди. Модулът на този чип ще ви позволи да свържете 10-ватова автомобилна LED матрица, осигурявайки допълнително защита от късо съединение.
Горещо препоръчвам да закупите десетина от тях - определено ще ви бъдат полезни. Те са уникални по свой начин - входното напрежение е до 40 волта, а са необходими само 5 външни компонента. Това е удобно - можете да повишите напрежението на захранващата шина за интелигентен дом до 36 волта, като намалите напречното сечение на кабелите. Инсталираме такъв модул в точките на потребление и го настройваме на необходимите 12, 9, 5 волта или колкото е необходимо.
Нека ги разгледаме по-подробно.
Характеристики на чипа:
- Входно напрежение - от 2,4 до 40 волта (до 60 волта във версия HV)
- Изходно напрежение - фиксирано или регулируемо (от 1,2 до 37 волта)
- Изходен ток - до 3 ампера (при добро охлаждане - до 4.5A)
- Честота на преобразуване - 150kHz
- Корпус - TO220-5 (монтаж на дупка) или D2PAK-5 (повърхностен монтаж)
- Ефективност - 70-75% при ниско напрежение, до 95% при високо напрежение
- Стабилизиран източник на напрежение
- Схема на преобразувател
- лист с данни
- USB зарядно на базата на LM2596
- токов стабилизатор
- Приложение в домашно изработени устройства
- Регулиране на изходния ток и напрежение
- Подобрени аналози на LM2596
История - Линейни стабилизатори
Като начало ще обясня защо стандартните линейни преобразуватели на напрежение като LM78XX (например 7805) или LM317 са лоши. Ето неговата опростена диаграма.
Основният елемент на такъв преобразувател е мощен биполярен транзистор, включен в неговото "оригинално" значение - като управляван резистор. Този транзистор е част от двойка Дарлингтън (за да увеличи коефициента на предаване на тока и да намали мощността, необходима за работа на веригата). Базовият ток е зададен операционен усилвател, което усилва разликата между изходното напрежение и зададеното с помощта на ION (източник на референтно напрежение), т.е. включва се според класическата схема на усилвател на грешка.
По този начин преобразувателят просто включва резистор последователно с товара и контролира неговото съпротивление, така че, например, точно 5 волта да изгаснат при товара. Лесно е да се изчисли, че когато напрежението падне от 12 волта до 5 (много често срещан случай на използване на микросхема 7805), входните 12 волта се разпределят между стабилизатора и товара в съотношение „7 волта при стабилизатора + 5 волта при натоварване”. При ток от половин ампер се отделят 2,5 вата върху товара, а при 7805 - цели 3,5 вата.
Оказва се, че "допълнителните" 7 волта просто се гасят на стабилизатора, превръщайки се в топлина. Първо, поради това има проблеми с охлаждането, и второ, отнема много енергия от захранването. Когато се захранва от електрически контакт, това не е много страшно (въпреки че все пак вреди на околната среда), но когато използвате батерия или акумулаторни батерии, човек няма как да не помни това.
Друг проблем е, че по принцип е невъзможно да се направи усилващ преобразувател с този метод. Често възниква такава необходимост и опитите за решаване на този проблем преди двадесет или тридесет години са поразителни - колко сложно е било синтезирането и изчисляването на подобни схеми. Една от най-простите схеми от този вид е 5V->15V push-pull преобразувател.
Трябва да се признае, че осигурява галванична изолация, но използва трансформатора неефективно - по всяко време участва само половината от първичната намотка.
Нека го забравим като лош сън и да преминем към модерните схеми.
Източник на напрежение
Схема
Микросхемата е удобна за използване като понижаващ преобразувател: мощен биполярен превключвател е вътре, остава да се добавят останалите компоненти на регулатора - бърз диод, индуктивност и изходен кондензатор, също така е възможно да се постави вход кондензатор - само 5 части.
Версията LM2596ADJ също ще изисква верига за настройка на изходното напрежение, това са два резистора или един променлив резистор.
Схема на преобразувател на понижаващо напрежение на базата на LM2596:
Цялата схема заедно:
Тук можете изтеглете листа с данни за LM2596.
Как работи: ШИМ контролиран превключвател за висока мощност вътре в устройството изпраща импулси на напрежение към индуктор. В точка A x% от времето е налице пълното напрежение и (1-x)% от времето, когато напрежението е нула. LC филтърът изглажда тези флуктуации, като извлича DC компонент, равен на x * захранващо напрежение. Диодът затваря веригата, когато транзисторът е изключен.
Подробна длъжностна характеристика
Индукторът се противопоставя на промяна на тока през него. Когато напрежението се появи в точка А, индукторът създава голямо отрицателно напрежение на самоиндукция и напрежението в товара става равно на разликата между захранващото напрежение и напрежението на самоиндукция. Токът на индуктивността и напрежението на натоварване постепенно се увеличават.
След като напрежението се загуби в точка А, индукторът се стреми да поддържа същия ток, протичащ от товара и кондензатора, и го затваря през диода към земята - той постепенно спада. По този начин напрежението при товара винаги е по-малко от входното напрежение и зависи от работния цикъл на импулсите.
Изходно напрежение
Модулът се предлага в четири версии: с напрежение 3.3V (индекс -3.3), 5V (индекс -5.0), 12V (индекс -12) и регулируема версия LM2596ADJ. Има смисъл да използвате персонализираната версия навсякъде, тъй като тя е в големи количества в складовете на електронни компании и е малко вероятно да срещнете недостиг от нея - и изисква допълнителни два резистора на стотинки. И разбира се, 5-волтовата версия също е популярна.
Количеството на склад е в последната колона.
Можете да зададете изходното напрежение като DIP превключвател, добър пример за това е показан тук, или като въртящ се превключвател. И в двата случая ще ви трябва батерия с прецизни резистори - но можете да регулирате напрежението без волтметър.
Кадър
Има два варианта на корпуса: корпус за планарен монтаж TO-263 (модел LM2596S) и корпус за монтиране през отвор TO-220 (модел LM2596T). Предпочитам планарната версия на LM2596S, защото радиаторът е самата платка и няма нужда да купувате допълнителен външен радиатор. Освен това механичната му устойчивост е много по-висока, за разлика от TO-220, който трябва да се завинти към нещо, дори към дъската - но тогава е по-лесно да се монтира равнинната версия. Препоръчвам да използвате чипа LM2596T-ADJ в захранванията, защото е по-лесно да отстраните голямо количество топлина от корпуса му.
Изглаждане на пулсациите на входното напрежение
Може да се използва като ефективен "интелигентен" стабилизатор след изправяне на тока. Тъй като IC наблюдава директно изходното напрежение, колебанията във входното напрежение ще доведат до обратна промяна на коефициента на преобразуване на IC и изходното напрежение ще остане нормално.
От това следва, че когато се използва LM2596 като понижаващ преобразувател след трансформатора и токоизправителя, входният кондензатор (т.е. този, който стои непосредствено след диодния мост) може да има малък капацитет (около 50-100uF).
изходен кондензатор
Поради високата честота на преобразуване, изходният кондензатор също не трябва да има голям капацитет. Дори мощен потребител няма да има време да засади значително този кондензатор в един цикъл. Нека да извършим изчислението: вземете кондензатор от 100uF, 5V изходно напрежение и товар, който консумира 3 ампера. Общият заряд на кондензатора q = C * U = 100e-6 uF * 5 V \u003d 500e-6 uC.
В един цикъл на преобразуване натоварването ще вземе dq = I * t = 3 A * 6,7 μs = 20 μC от кондензатора (това е само 4% от общия заряд на кондензатора) и веднага ще започне нов цикъл и преобразувателят ще вкара нова порция енергия в кондензатора.
Най-важното е, че не използвайте танталови кондензатори като входни и изходни кондензатори. Те пишат направо в листовете с данни - „не използвайте в силови вериги“, защото не понасят много добре дори краткотрайни скокове на напрежение и не обичат високи импулсни токове. Използвайте обикновени алуминиеви електролитни кондензатори.
Ефективност, ефективност и загуба на топлина
Ефективността не е толкова висока, тъй като биполярният транзистор се използва като мощен ключ - и има ненулев спад на напрежението, от порядъка на 1,2V. Оттук и спадът в ефективността при ниско напрежение.
Както можете да видите, максималната ефективност се постига с разлика между входното и изходното напрежение от порядъка на 12 волта. Тоест, ако трябва да намалите напрежението с 12 волта, минималното количество енергия ще отиде в топлина.
Какво е ефективността на преобразувателя? Това е стойност, която характеризира текущите загуби - за отделяне на топлина при напълно отворен мощен ключ според закона на Джоул-Ленц и за подобни загуби по време на преходни процеси - когато ключът е отворен, да речем, само наполовина. Ефектите от двата механизма могат да бъдат сравними по големина, така че не бива да забравяме и двата начина на загуба. Малко количество енергия се използва и за захранване на „мозъците“ на самия преобразувател.
В идеалния случай, когато напрежението се преобразува от U1 в U2 и изходният ток е I2, изходната мощност е P2 = U2*I2, входната мощност е равна на нея (идеален случай). Това означава, че входният ток ще бъде I1 = U2/U1*I2.
В нашия случай преобразуването има ефективност под единица, така че част от енергията ще остане вътре в устройството. Например, с ефективност η, изходната мощност ще бъде P_out = η*P_in, а загубите P_loss = P_in-P_out = P_in*(1-η) = P_out*(1-η)/η. Разбира се, преобразувателят ще бъде принуден да увеличи входния ток, за да поддържа посочения изходен ток и напрежение.
Можем да приемем, че при преобразуване на 12V -> 5V и изходен ток от 1A, загубите в микросхемата ще бъдат 1,3 вата, а входният ток ще бъде 0,52A. Във всеки случай е по-добре от всеки линеен преобразувател, който ще даде минимум 7 вата загуби и ще консумира 1 ампер от входната мрежа (включително за този безполезен бизнес) - два пъти повече.
Между другото, чипът LM2577 има три пъти по-ниска честота на работа, а ефективността му е малко по-висока, тъй като има по-малко загуби при преходни процеси. Въпреки това, той се нуждае от три пъти по-високи стойности на индуктор и изходен кондензатор, което е допълнителни пари и размер на платката.
Увеличаване на изходния ток
Въпреки вече доста големия изходен ток на микросхемата, понякога е необходим дори по-голям ток. Как да се измъкнем от тази ситуация?
- Можете да комбинирате паралелно множество преобразуватели. Разбира се, те трябва да бъдат настроени точно на същото изходно напрежение. В този случай не можете да правите с прости SMD резистори във веригата за настройка на напрежението за обратна връзка, трябва или да използвате резистори с точност от 1%, или ръчно да зададете напрежението с променлив резистор.
USB зарядно на LM2596
Можете да направите много удобно USB зарядно за къмпинг. За да направите това, трябва да настроите регулатора на напрежение 5V, да му осигурите USB порт и да осигурите захранване на зарядното устройство. Използвам радиомодел литиево-полимерна батерия, закупена от Китай, която доставя 5 амперчаса при 11,1 волта. Това е много - достатъчно 8 пътизареждайте обикновен смартфон (без да се отчита ефективността). Като се вземе предвид ефективността, ще се окаже поне 6 пъти.
Не забравяйте да накъсите щифтовете D+ и D- на USB гнездото, за да кажете на телефона, че е свързан към зарядното устройство и че предаваният ток е неограничен. Без това събитие телефонът ще мисли, че е свързан към компютър и ще се зарежда с ток от 500mA - за много дълго време. Освен това такъв ток може дори да не компенсира текущата консумация на телефона и батерията изобщо няма да се зареди.
Възможно е също така да се осигури отделен 12V вход от автомобилна батерияс гнездо за запалка - и превключвайте източниците с всеки ключ. Съветвам ви да инсталирате светодиод, който да сигнализира, че устройството е включено, за да не забравите да изключите батерията след пълно зареждане - в противен случай загубите в преобразувателя ще изтощят напълно резервната батерия след няколко дни.
Такава батерия не е много подходяща, защото е предназначена за големи токове - можете да опитате да намерите батерия с по-малко висок ток и тя ще бъде по-малка и по-лека.
токов стабилизатор
Регулиране на изходния ток
Предлага се само във версия с конфигурируемо изходно напрежение (LM2596ADJ). Между другото, китайците също правят такава версия на платката, с регулиране на напрежението и тока и всякакви индикации - готов модул за стабилизатор на ток на LM2596 със защита от късо съединение може да бъде закупен под името xw026fr4.
Ако не искате да използвате готов модул и искате да направите тази схема сами - нищо сложно, с едно изключение: микросхемата няма възможност да контролира тока, но може да се добави. Ще обясня как да го направя и ще обясня трудни моменти по пътя.
Приложение
Токовият стабилизатор е нещо, необходимо за захранване на светодиоди с висока мощност (между другото - моят проект за микроконтролер LED драйвер с висока мощност), лазерни диоди, галванично покритие, зареждане на батерии. Както при стабилизаторите на напрежението, има два вида такива устройства - линейни и превключващи.
Класическият линеен регулатор на тока е LM317 и е доста добър в своя клас - но ограничението му на тока е 1.5A, което не е достатъчно за много светодиоди с висока мощност. Дори ако този стабилизатор се захранва от външен транзистор, загубите върху него са просто неприемливи. Целият свят върти буре върху консумацията на енергия на електрически крушки в режим на готовност, а тук LM317 работи с ефективност от 30% Това не е нашият метод.
Но нашата микросхема е удобен драйвер на импулсен преобразувател на напрежение, който има много режими на работа. Загубите са минимални, тъй като не се използват линейни режими на работа на транзисторите, а само ключови.
Първоначално е предназначен за вериги за стабилизиране на напрежението, но няколко елемента го превръщат в регулатор на тока. Факт е, че микросхемата разчита изцяло на сигнала „Обратна връзка“ като обратна връзка, но какво да приложим към нея, вече е наша работа.
В стандартната превключваща верига напрежението се подава към този крак от резистивен делител на изходното напрежение. 1.2V е равновесно, ако Обратната връзка е по-малка - драйверът увеличава работния цикъл на импулсите, ако е повече - намалява. Но можете да приложите напрежение от текущия шунт към този вход!
Шунт
Например, при ток от 3A, трябва да вземете шунт с номинална стойност не повече от 0,1 Ohm. При такова съпротивление този ток ще освободи около 1W, така че това е много. По-добре е да се паралелират три такива шунта, като се получава съпротивление от 0,033Ω, спад на напрежението от 0,1V и разсейване на топлината от 0,3W.
Въпреки това, входът за обратна връзка изисква 1.2V - а ние имаме само 0.1V. Нерационално е да се зададе по-голямо съпротивление (ще се отдели 150 пъти повече топлина), така че остава някак да увеличим това напрежение. Това става с помощта на операционен усилвател.
Неинвертиращ операционни усилвател
Класическата схема, какво може да бъде по-просто?
Ние се обединяваме
Сега комбинираме обичайната схема на преобразувател на напрежение и усилвател на оп-усилвател LM358, към чийто вход свързваме токов шунт.
Мощен резистор 0,033 ома е шунтът. Може да се направи от три паралелно свързани резистора 0,1 ома и за да увеличите допустимото разсейване на мощността - използвайте SMD резистори в пакета 1206, поставете ги с малка междина (не близо) и се опитайте да оставите колкото е възможно повече мед около резистори и под тях. Малък кондензатор е свързан към изхода за обратна връзка, за да се елиминира възможното преминаване към генераторен режим.
Регулируеми ток и напрежение
Нека свържем двата сигнала към входа за обратна връзка - и ток, и напрежение. За да комбинираме тези сигнали, използваме обичайната схема на монтажа "И" на диодите. Ако текущият сигнал е по-висок от сигнала за напрежение, той ще доминира и обратно.
Няколко думи за приложимостта на схемата
Не можете да регулирате изходното напрежение. Въпреки че е невъзможно да се регулира едновременно изходният ток и напрежението - те са пропорционални един на друг, с коефициент на "съпротивление на натоварване". И ако захранването реализира сценарий като „постоянно изходно напрежение, но когато токът е превишен, започваме да намаляваме напрежението“, т.е. CC/CV вече е зарядно устройство.
Максималното захранващо напрежение на веригата е 30V, тъй като това е границата за LM358. Възможно е да се разшири тази граница до 40V (или 60V с версията LM2596-HV), ако операционният усилвател се захранва от ценеров диод.
В последната версия е необходимо да се използва диоден комплект като сумиращи диоди, тъй като и двата диода в него са направени в рамките на същия технологичен процес и върху една и съща силициева пластина. Разпространението на техните параметри ще бъде много по-малко от разпространението на параметрите на отделните дискретни диоди - благодарение на това ще получим висока точност на проследяващите стойности.
Също така трябва внимателно да следите дали веригата на операционния усилвател не е възбудена и не преминава в режим на генериране. За да направите това, опитайте се да намалите дължината на всички проводници и особено на пистата, свързана към щифт 2 на LM2596. Не поставяйте операционния усилвател близо до тази писта, но поставете диода SS36 и филтърния кондензатор по-близо до корпуса LM2596 и осигурете минималната площ на заземяващия контур, свързан към тези елементи - необходимо е да се осигури минималната дължина на пътят на обратния ток "LM2596 -> VD/C -> LM2596".
Приложение на LM2596 в устройства и самостоятелно оформление на платката
Говорих подробно за използването на микросхема в моите устройства, а не под формата на готов модул в друга статия, който обсъжда: избора на диод, кондензатори, параметри на индуктора, а също така говори за правилното окабеляване и няколко допълнителни трика.
Възможности за по-нататъшно развитие
Подобрени аналози на LM2596
Най-лесният начин след този чип е да преминете към LM2678. Всъщност това е същият понижаващ преобразувател, само с полеви транзистор, благодарение на който ефективността се повишава до 92%. Вярно е, че той има 7 крака вместо 5 и не е съвместим с щифт до щифт. Този чип обаче е много подобен и ще бъде прост и удобен вариант с подобрена ефективност.
L5973D- доста стара микросхема, осигуряваща до 2.5A и малко по-висока ефективност. Той също така има почти два пъти по-висока честота на преобразуване (250 kHz) - следователно са необходими по-малки стойности на индуктор и кондензатор. Видях обаче какво става с нея, ако я пуснеш директно в мрежата на колата - доста често избива със смущения.
ST1S10- Високоефективен (90% ефективност) DC-DC преобразувател.
- Изисква 5-6 външни компонента;
ST1S14- високоволтов (до 48 волта) контролер. Висока работна честота (850 kHz), изходен ток до 4A, Мощност Добрата мощност, високата ефективност (не по-лоша от 85%) и веригата за защита от свръхток го правят може би най-добрият преобразувател за захранване на сървър от 36V източник.
Ако се изисква максимална ефективност, ще трябва да се обърнете към неинтегрирани понижаващи DC-DC контролери. Проблемът с интегрираните контролери е, че те никога нямат хладни транзистори - типичното съпротивление на канала не е по-високо от 200mOhm. Въпреки това, ако вземете контролер без вграден транзистор, можете да изберете всеки транзистор, дори AUIRFS8409-7P със съпротивление на канала от половин милиома
DC-DC преобразуватели с външен транзистор
Следваща част
Мощен и доста добър преобразувател за усилване на напрежението може да бъде изграден на базата на обикновен мултивибратор.
В моя случай този инвертор е създаден само за преглед на работата, направено е и малко видео с работата на този инвертор.
Относно веригата като цяло - обикновен push-pull инвертор, трудно е да си представим. Главният осцилатор и в същото време силовата част са мощни полеви транзистори (желателно е да се използват ключове като IRFP260, IRFP460 и подобни), свързани по веригата на мултивибратора. Като трансформатор можете да използвате готов транс от компютърно захранване (най-големият трансформатор).
За нашите цели е необходимо да се използват намотки от 12 волта и средна точка (плюе, кран). На изхода на трансформатора напрежението може да достигне до 260 волта. Тъй като изходното напрежение е променливо, е необходимо да се коригира с диоден мост. Желателно е мостът да се сглоби от 4 отделни диода, готови диодни мостове са предназначени за честоти на мрежата от 50Hz, а в нашата схема изходната честота е около 50kHz.
Не забравяйте да използвате импулсни, бързи или свръхбързи диоди с обратно напрежение от най-малко 400 волта и с допустим ток от 1 ампера и повече. Можете да използвате диоди MUR460, UF5408, HER307, HER207, UF4007 и други.
Препоръчвам да използвате същите диоди във веригата на задвижващата верига.
Инверторната верига работи на базата на паралелен резонанс, следователно честотата на работа ще зависи от нашата осцилаторна верига - в лицето на първичната намотка на трансформатора и кондензатора успоредно с тази намотка.
За сметка на властта и работата като цяло. Правилно сглобената верига не се нуждае от допълнителна настройка и работи незабавно. По време на работа ключовете изобщо не трябва да се нагряват, ако изходът на трансформатора не е натоварен. Токът на празен ход на инвертора може да достигне до 300mA - това е нормата, по-високият вече е проблем.
С добри превключватели и трансформатор можете лесно да премахнете мощност в района на 300 вата от тази верига без никакви проблеми, в някои случаи дори 500 вата. Оценката на входното напрежение е доста висока, веригата ще работи от източник от 6 волта до 32 волта, не посмях да доставя повече.
Дроссели - навита с 1.2мм тел на жълто-бели пръстени от групов стабилизационен дросел в компютърно захранване. Броят на завъртанията на всеки индуктор е -7, и двата индуктора са напълно идентични.
Кондензаторите, успоредни на първичната намотка, могат да се нагреят малко по време на работа, затова ви съветвам да използвате кондензатори с високо напрежение с работно напрежение от 400 волта и по-високо.
Схемата е проста и напълно функционална, но въпреки простотата и достъпността на дизайна, това не е идеален вариант. Причината не е най-доброто управление на полеви ключове. На веригата липсва специален осцилатор и задвижваща верига, което я прави не напълно надеждна, ако веригата е проектирана да работи непрекъснато под товар. Веригата може да захранва LDS и устройства, които имат вграден SMPS.
Важна връзка е трансформаторът, който трябва да е добре навит и правилно фазиран, защото играе основна роля за надеждната работа на инвертора.
Първична намотка 2x5 оборота с шина от 5 проводника 0,8 мм. Вторичната намотка е навита с 0,8 мм тел и съдържа 50 навивки - това е в случай на самонавиване на трансформатора.