DC/DC-converters worden veel gebruikt om verschillende elektronische apparatuur van stroom te voorzien. Ze worden gebruikt in computerapparatuur, communicatieapparatuur, verschillende besturings- en automatiseringscircuits, enz.
Transformator voedingen
Bij traditionele transformatorvoedingen wordt de spanning van het voedingsnetwerk met behulp van een transformator omgezet, meestal verlaagd, naar de gewenste waarde. De verminderde spanning wordt geëgaliseerd door een condensatorfilter. Indien nodig wordt na de gelijkrichter een halfgeleiderstabilisator geïnstalleerd.
Transformatorvoedingen zijn meestal uitgerust met lineaire stabilisatoren. Dergelijke stabilisatoren hebben minstens twee voordelen: lage kosten en een klein aantal onderdelen in het harnas. Maar deze voordelen worden uitgehold door een laag rendement, omdat een aanzienlijk deel van de ingangsspanning wordt gebruikt om de stuurtransistor te verwarmen, wat volkomen onaanvaardbaar is voor het voeden van draagbare elektronische apparaten.
DC/DC-converters
Als de apparatuur wordt gevoed door galvanische cellen of batterijen, is spanningsconversie naar het vereiste niveau alleen mogelijk met behulp van DC/DC-converters.
Het idee is vrij eenvoudig: gelijkspanning wordt omgezet in wisselspanning, meestal met een frequentie van enkele tientallen of zelfs honderden kilohertz, verhoogd (verlaagd) en vervolgens gelijkgericht en aan de belasting geleverd. Dergelijke omzetters worden vaak pulsomzetters genoemd.
Een voorbeeld is een boost-converter van 1,5V naar 5V, gewoon de uitgangsspanning van een computer-USB. Een soortgelijke low-power converter wordt verkocht op AliExpress.
Rijst. 1. Omvormer 1,5V/5V
Pulsconverters zijn goed omdat ze een hoog rendement hebben, variërend van 60 tot 90%. Een ander voordeel van pulsomvormers is een groot bereik aan ingangsspanningen: de ingangsspanning kan lager zijn dan de uitgangsspanning of veel hoger. Over het algemeen kunnen DC/DC-converters in verschillende groepen worden verdeeld.
Classificatie van converters
Verlagen, in Engelse terminologie step-down of buck
De uitgangsspanning van deze converters is in de regel lager dan de ingangsspanning: zonder noemenswaardige verwarmingsverliezen van de stuurtransistor kun je bij een ingangsspanning van 12...50V een spanning van slechts een paar volt krijgen. De uitgangsstroom van dergelijke converters hangt af van de belastingsvraag, die op zijn beurt het circuitontwerp van de converter bepaalt.
Een andere Engelse naam voor een step-down converter is chopper. Een van de vertaalmogelijkheden voor dit woord is onderbreker. In de technische literatuur wordt een step-down-converter soms een “chopper” genoemd. Laten we voorlopig deze term niet vergeten.
Toenemend, in Engelse terminologie step-up of boost
De uitgangsspanning van deze omvormers is hoger dan de ingangsspanning. Met een ingangsspanning van 5V kan de uitgangsspanning bijvoorbeeld oplopen tot 30V, en is een soepele regeling en stabilisatie mogelijk. Vaak worden boostconverters boosters genoemd.
Universele converters - SEPIC
De uitgangsspanning van deze omzetters wordt op een bepaald niveau gehouden wanneer de ingangsspanning hoger of lager is dan de ingangsspanning. Aanbevolen in gevallen waarin de ingangsspanning binnen aanzienlijke grenzen kan variëren. In een auto kan de accuspanning bijvoorbeeld variëren tussen 9...14V, maar je hebt een stabiele spanning van 12V nodig.
Omvormers
De belangrijkste functie van deze omzetters is het produceren van een uitgangsspanning met omgekeerde polariteit ten opzichte van de stroombron. Erg handig in gevallen waar bijvoorbeeld bipolaire voeding nodig is.
Alle genoemde converters kunnen gestabiliseerd of ongestabiliseerd worden; de uitgangsspanning kan galvanisch verbonden zijn met de ingangsspanning of galvanische spanningsisolatie hebben. Het hangt allemaal af van het specifieke apparaat waarin de converter zal worden gebruikt.
Om verder te gaan met een verder verhaal over DC/DC-converters, moet je de theorie op zijn minst in algemene termen begrijpen.
Step-down converter-chopper - buck-converter
Het functionele diagram wordt weergegeven in de onderstaande afbeelding. De pijlen op de draden geven de richtingen van de stroming aan.
Fig. 2. Functioneel diagram van de chopperstabilisator
De ingangsspanning Uin wordt geleverd aan het ingangsfilter - condensator Cin. De VT-transistor wordt als sleutelelement gebruikt en voert hoogfrequente stroomschakelingen uit. Het kan beide zijn. Naast de aangegeven onderdelen bevat het circuit een ontladingsdiode VD en een uitgangsfilter - LCout, van waaruit de spanning wordt geleverd aan de belasting Rн.
Het is gemakkelijk te zien dat de belasting in serie is geschakeld met de elementen VT en L. Daarom is het circuit sequentieel. Hoe ontstaat spanningsval?
Pulsbreedtemodulatie - PWM
Het stuurcircuit produceert rechthoekige pulsen met een constante frequentie of constante periode, wat in wezen hetzelfde is. Deze pulsen worden getoond in Figuur 3.
Afb.3. Controlepulsen
Hier is t de pulstijd, de transistor is open, t is de pauzetijd en de transistor is gesloten. De verhouding ti/T wordt de duty-cycle duty-cycle genoemd, aangegeven met de letter D en uitgedrukt in %% of eenvoudigweg in cijfers. Als D bijvoorbeeld gelijk is aan 50%, blijkt dat D = 0,5.
D kan dus variëren van 0 tot 1. Bij een waarde van D=1 bevindt de sleuteltransistor zich in een toestand van volledige geleiding, en bij D=0 in een afgesneden toestand is hij, simpel gezegd, gesloten. Het is niet moeilijk te raden dat bij D=50% de uitgangsspanning gelijk zal zijn aan de helft van de ingangsspanning.
Het is vrij duidelijk dat de uitgangsspanning wordt geregeld door de breedte van de stuurpuls t te veranderen en, in feite, door de coëfficiënt D te veranderen. Dit regelprincipe wordt (PWM) genoemd. Bij vrijwel alle schakelende voedingen wordt met behulp van PWM de uitgangsspanning gestabiliseerd.
In de diagrammen in figuren 2 en 6 is de PWM ‘verborgen’ in rechthoeken met het label ‘Besturingscircuit’, dat enkele extra functies vervult. Dit kan bijvoorbeeld een zachte start van de uitgangsspanning, het op afstand inschakelen of kortsluitbeveiliging van de omvormer zijn.
Over het algemeen zijn converters zo wijdverbreid gebruikt dat fabrikanten van elektronische componenten PWM-controllers voor alle gelegenheden zijn gaan produceren. Het assortiment is zo groot dat je alleen al om ze op te sommen een heel boek nodig hebt. Daarom komt het nooit bij iemand op om converters samen te stellen met behulp van discrete elementen, of zoals ze vaak zeggen in "losse" vorm.
Bovendien kunnen kant-en-klare low-power-converters voor een lage prijs op AliExpress of Ebay worden gekocht. In dit geval is het voor installatie in een amateurontwerp voldoende om de ingangs- en uitgangsdraden op het bord te solderen en de vereiste uitgangsspanning in te stellen.
Maar laten we terugkeren naar figuur 3. In dit geval bepaalt de coëfficiënt D hoe lang het open (fase 1) of gesloten (fase 2) zal zijn. Voor deze twee fasen kan de schakeling in twee tekeningen worden weergegeven. De figuren tonen NIET de elementen die in deze fase niet worden gebruikt.
Afb.4. Fase 1
Wanneer de transistor open is, stroomt de stroom van de stroombron (galvanische cel, batterij, gelijkrichter) door de inductieve smoorspoel L, de belasting Rн en de laadcondensator Cout. Tegelijkertijd stroomt er stroom door de belasting, condensator Cout en inductor L accumuleren energie. De stroom iL neemt geleidelijk toe, als gevolg van de invloed van de inductantie van de inductor. Deze fase wordt pompen genoemd.
Nadat de belastingsspanning de ingestelde waarde heeft bereikt (bepaald door de instellingen van het besturingsapparaat), sluit de VT-transistor en gaat het apparaat naar de tweede fase: de ontladingsfase. De gesloten transistor in de figuur is helemaal niet weergegeven, alsof deze niet bestaat. Maar dit betekent alleen dat de transistor gesloten is.
Afb.5. Fase 2
Wanneer de VT-transistor gesloten is, vindt er geen energieaanvulling plaats in de inductor, aangezien de stroombron is uitgeschakeld. Inductantie L heeft de neiging veranderingen in de grootte en richting van de stroom (zelfinductie) die door de inductorwikkeling vloeit, te voorkomen.
Daarom kan de stroom niet onmiddellijk stoppen en wordt deze gesloten via het "diodebelasting" -circuit. Daarom wordt de VD-diode een ontladingsdiode genoemd. In de regel is dit een snelle Schottky-diode. Na de controleperiode, fase 2, schakelt het circuit over naar fase 1 en herhaalt het proces zich opnieuw. De maximale spanning aan de uitgang van het beschouwde circuit kan gelijk zijn aan de ingang, en niets meer. Om een uitgangsspanning te verkrijgen die groter is dan de ingang, worden boostconverters gebruikt.
Voor nu hoeven we u alleen maar te herinneren aan de hoeveelheid inductie, die de twee bedrijfsmodi van de helikopter bepaalt. Als de inductie onvoldoende is, zal de omzetter in de breekstroommodus werken, wat volkomen onaanvaardbaar is voor voedingen.
Als de inductantie groot genoeg is, vindt de werking plaats in de continue stroommodus, wat het mogelijk maakt om met behulp van uitgangsfilters een constante spanning te verkrijgen met een acceptabel rimpelniveau. Boostconverters, die hieronder zullen worden besproken, werken ook in de continue stroommodus.
Om de efficiëntie iets te verhogen, wordt de ontladingsdiode VD vervangen door een MOSFET-transistor, die op het juiste moment wordt geopend door het stuurcircuit. Dergelijke converters worden synchroon genoemd. Het gebruik ervan is gerechtvaardigd als het vermogen van de omzetter groot genoeg is.
Step-up- of boostconverters
Boostconverters worden voornamelijk gebruikt voor laagspanningsvoeding, bijvoorbeeld uit twee of drie batterijen, en sommige ontwerpcomponenten vereisen een spanning van 12...15V met een laag stroomverbruik. Heel vaak wordt een boost-converter kort en duidelijk het woord ‘booster’ genoemd.
Afb.6. Functioneel diagram van een boost-omzetter
De ingangsspanning Uin wordt aan het ingangsfilter Cin toegevoerd en aan de in serie geschakelde L en schakeltransistor VT geleverd. Op het verbindingspunt tussen de spoel en de drain van de transistor is een VD-diode aangesloten. De belasting Rн en de shuntcondensator Cout zijn verbonden met de andere aansluiting van de diode.
De VT-transistor wordt bestuurd door een stuurcircuit dat een stuursignaal produceert met een stabiele frequentie met een instelbare werkcyclus D, precies zoals hierboven beschreven bij het beschrijven van het choppercircuit (Fig. 3). De VD-diode blokkeert op de juiste momenten de belasting van de sleuteltransistor.
Wanneer de sleuteltransistor open is, is de rechteruitgang van spoel L volgens het diagram verbonden met de negatieve pool van de stroombron Uin. Een toenemende stroom (als gevolg van de invloed van inductie) van de stroombron stroomt door de spoel en de open transistor, en energie hoopt zich op in de spoel.
Op dit moment blokkeert de diode VD de belasting en de uitgangscondensator van het schakelcircuit, waardoor wordt voorkomen dat de uitgangscondensator zich ontlaadt via de open transistor. De belasting op dit moment wordt aangedreven door de energie die is verzameld in de condensator Cout. Uiteraard daalt de spanning over de uitgangscondensator.
Zodra de uitgangsspanning iets onder de ingestelde waarde daalt (bepaald door de instellingen van het stuurcircuit), sluit de sleuteltransistor VT en laadt de energie opgeslagen in de inductor, via de diode VD, de condensator Cout op, waardoor de laden. In dit geval wordt de zelfinductie-emf van de spoel L opgeteld bij de ingangsspanning en overgedragen naar de belasting, daarom is de uitgangsspanning groter dan de ingangsspanning.
Wanneer de uitgangsspanning het ingestelde stabilisatieniveau bereikt, opent het stuurcircuit de transistor VT en herhaalt het proces zich vanaf de energieopslagfase.
Universele converters - SEPIC (single-ended primaire inductorconverter of converter met een asymmetrisch geladen primaire inductantie).
Dergelijke converters worden voornamelijk gebruikt wanneer de belasting een onbeduidend vermogen heeft en de ingangsspanning verandert ten opzichte van de uitgangsspanning, omhoog of omlaag.
Afb.7. Functioneel diagram van de SEPIC-converter
Zeer vergelijkbaar met het boost-convertercircuit getoond in figuur 6, maar met extra elementen: condensator C1 en spoel L2. Het zijn deze elementen die zorgen voor de werking van de omzetter in de spanningsreductiemodus.
SEPIC-converters worden gebruikt in toepassingen waarbij de ingangsspanning sterk varieert. Een voorbeeld is een 4V-35V naar 1,23V-32V Boost Buck Voltage Step Up/Down converterregelaar. Het is onder deze naam dat de converter in Chinese winkels wordt verkocht, waarvan het circuit wordt weergegeven in figuur 8 (klik op de figuur om te vergroten).
Afb.8. Schematisch diagram van SEPIC-converter
Figuur 9 toont het uiterlijk van het bord met de aanduiding van de belangrijkste elementen.
Afb.9. Uiterlijk van de SEPIC-converter
De figuur toont de belangrijkste onderdelen volgens figuur 7. Merk op dat er twee spoelen L1 L2 zijn. Op basis van deze functie kunt u vaststellen dat dit een SEPIC-converter is.
De ingangsspanning van de kaart kan binnen 4…35V liggen. In dit geval kan de uitgangsspanning worden aangepast binnen 1,23…32V. De werkfrequentie van de converter is 500 KHz. Met kleine afmetingen van 50 x 25 x 12 mm levert het bord vermogen tot 25 W. Maximale uitgangsstroom tot 3A.
Maar hier moet wel een opmerking gemaakt worden. Als de uitgangsspanning is ingesteld op 10V, kan de uitgangsstroom niet hoger zijn dan 2,5A (25W). Met een uitgangsspanning van 5V en een maximale stroom van 3A bedraagt het vermogen slechts 15W. Het belangrijkste hier is om het niet te overdrijven: overschrijd het maximaal toegestane vermogen niet, of overschrijd niet de toegestane stroomlimieten.
LM2596 verlaagt de ingangsspanning (tot 40 V) - de uitgang wordt geregeld, de stroom is 3 A. Ideaal voor LED's in een auto. Zeer goedkope modules - ongeveer 40 roebel in China.
Texas Instruments produceert hoogwaardige, betrouwbare, betaalbare en goedkope, gebruiksvriendelijke DC-DC-controllers LM2596. Chinese fabrieken produceren op basis hiervan ultragoedkope gepulseerde stepdown-converters: de prijs van een module voor LM2596 is ongeveer 35 roebel (inclusief levering). Ik raad je aan om in één keer een partij van 10 stuks te kopen - ze zullen er altijd nut voor hebben, en de prijs zal dalen tot 32 roebel, en minder dan 30 roebel bij het bestellen van 50 stuks. Lees meer over het berekenen van de circuits van de microschakeling, het aanpassen van de stroom en spanning, de toepassing ervan en enkele nadelen van de omzetter.
De typische gebruiksmethode is een gestabiliseerde spanningsbron. Op basis van deze stabilisator is eenvoudig een schakelende voeding te maken; ik gebruik hem als een eenvoudige en betrouwbare laboratoriumvoeding die bestand is tegen kortsluiting. Ze zijn aantrekkelijk vanwege de consistentie van kwaliteit (ze lijken allemaal in dezelfde fabriek te zijn gemaakt - en het is moeilijk om fouten te maken in vijf delen) en volledige overeenstemming met het gegevensblad en de aangegeven kenmerken.
Een andere toepassing is een pulsstroomstabilisator voor voeding voor krachtige LED's. Met de module op deze chip kunt u een 10 watt LED-matrix voor auto's aansluiten, die bovendien bescherming tegen kortsluiting biedt.
Ik raad ten zeerste aan om er een tiental te kopen - ze zullen zeker van pas komen. Ze zijn uniek op hun eigen manier: de ingangsspanning bedraagt maximaal 40 volt en er zijn slechts 5 externe componenten vereist. Dit is handig: u kunt de spanning op de smart home powerbus verhogen tot 36 volt door de doorsnede van de kabels te verkleinen. Zo'n module installeren wij op de verbruikspunten en configureren deze op de benodigde 12, 9, 5 volt of naar behoefte.
Laten we ze eens nader bekijken.
Chip-eigenschappen:
- Ingangsspanning - van 2,4 tot 40 volt (tot 60 volt in de HV-versie)
- Uitgangsspanning - vast of instelbaar (van 1,2 tot 37 volt)
- Uitgangsstroom - tot 3 ampère (bij goede koeling - tot 4,5 A)
- Conversiefrequentie - 150 kHz
- Behuizing - TO220-5 (doorvoermontage) of D2PAK-5 (opbouwmontage)
- Efficiëntie - 70-75% bij lage spanningen, tot 95% bij hoge spanningen
- Gestabiliseerde spanningsbron
- Convertercircuit
- Data papier
- USB-oplader gebaseerd op LM2596
- Huidige stabilisator
- Gebruik in zelfgemaakte apparaten
- Aanpassing van uitgangsstroom en -spanning
- Verbeterde analogen van LM2596
Geschiedenis - lineaire stabilisatoren
Om te beginnen zal ik uitleggen waarom standaard lineaire spanningsomzetters zoals LM78XX (bijvoorbeeld 7805) of LM317 slecht zijn. Hier is het vereenvoudigde diagram.
Het belangrijkste element van een dergelijke omzetter is een krachtige bipolaire transistor, ingeschakeld in de "oorspronkelijke" betekenis - als een geregelde weerstand. Deze transistor maakt deel uit van een Darlington-paar (om de stroomoverdrachtscoëfficiënt te verhogen en het vermogen dat nodig is om het circuit te laten werken te verminderen). De basisstroom wordt ingesteld door de operationele versterker, die het verschil versterkt tussen de uitgangsspanning en de spanning ingesteld door de ION (referentiespanningsbron), d.w.z. het is aangesloten volgens het klassieke foutversterkercircuit.
De omzetter schakelt dus eenvoudigweg de weerstand in serie met de belasting in en regelt de weerstand ervan zo dat bijvoorbeeld precies 5 volt over de belasting wordt gedoofd. Het is eenvoudig te berekenen dat wanneer de spanning daalt van 12 volt naar 5 (een veel voorkomend geval van gebruik van de 7805-microschakeling), de ingangsspanning van 12 volt wordt verdeeld tussen de stabilisator en de belasting in de verhouding "7 volt op de stabilisator + 5 volt op de belasting.” Bij een stroomsterkte van een halve ampère komt er 2,5 watt vrij bij de belasting, en bij 7805 - maar liefst 3,5 watt.
Het blijkt dat de "extra" 7 volt eenvoudigweg op de stabilisator wordt gedoofd en in warmte verandert. Ten eerste levert dit problemen op met de koeling en ten tweede kost het veel energie van de stroombron. Bij stroomvoorziening via een stopcontact is dit niet erg eng (hoewel het nog steeds schade toebrengt aan het milieu), maar als het wordt gevoed door een batterij of oplaadbare batterij, kan dit niet worden genegeerd.
Een ander probleem is dat het over het algemeen onmogelijk is om met deze methode een boost-converter te maken. Vaak ontstaat zo'n behoefte, en pogingen om dit probleem twintig of dertig jaar geleden op te lossen zijn verbazingwekkend: hoe complex de synthese en berekening van dergelijke circuits was. Een van de eenvoudigste circuits van dit soort is een push-pull 5V->15V-omzetter.
Toegegeven moet worden dat het galvanische isolatie biedt, maar de transformator niet efficiënt gebruikt - slechts de helft van de primaire wikkeling wordt op elk moment gebruikt.
Laten we dit vergeten als een nare droom en verder gaan met moderne circuits.
Voltage bron
Schema
De microschakeling is handig te gebruiken als een step-down-omzetter: er zit een krachtige bipolaire schakelaar in, het enige dat overblijft is het toevoegen van de resterende componenten van de regelaar - een snelle diode, een inductie en een uitgangscondensator, het is ook mogelijk om installeer een ingangscondensator - slechts 5 onderdelen.
De LM2596ADJ-versie heeft ook een uitgangsspanningsinstelcircuit nodig, dit zijn twee weerstanden of één variabele weerstand.
Step-down spanningsomzettercircuit gebaseerd op LM2596:
Het hele schema samen:
Hier kan je download het gegevensblad voor LM2596.
Werkingsprincipe: een krachtige schakelaar in het apparaat, bestuurd door een PWM-signaal, stuurt spanningspulsen naar de inductantie. Op punt A is x% van de tijd de volledige spanning aanwezig, en (1-x)% van de tijd is de spanning nul. Het LC-filter verzacht deze oscillaties door een constante component gelijk aan x * voedingsspanning te benadrukken. De diode voltooit het circuit wanneer de transistor wordt uitgeschakeld.
Gedetailleerde functiebeschrijving
Inductantie is bestand tegen de verandering in de stroom er doorheen. Wanneer er spanning verschijnt op punt A, creëert de inductor een grote negatieve zelfinductiespanning en wordt de spanning over de belasting gelijk aan het verschil tussen de voedingsspanning en de zelfinductiespanning. De inductiestroom en spanning over de belasting nemen geleidelijk toe.
Nadat de spanning op punt A is verdwenen, probeert de inductor de vorige stroom die van de belasting en de condensator vloeit te behouden, en sluit deze door de diode naar aarde - deze daalt geleidelijk. De belastingsspanning is dus altijd lager dan de ingangsspanning en hangt af van de werkcyclus van de pulsen.
Uitgangsspanning
De module is verkrijgbaar in vier versies: met een spanning van 3,3V (index –3,3), 5V (index –5,0), 12V (index –12) en een verstelbare versie LM2596ADJ. Het is logisch om de aangepaste versie overal te gebruiken, omdat deze in grote hoeveelheden verkrijgbaar is in de magazijnen van elektronische bedrijven en het onwaarschijnlijk is dat je er een tekort aan zult tegenkomen - en er zijn slechts twee cent extra weerstanden nodig. En natuurlijk is ook de 5 volt-versie populair.
Het aantal op voorraad staat in de laatste kolom.
De uitgangsspanning kun je instellen in de vorm van een DIP-schakelaar, een goed voorbeeld hiervan vind je hier, of in de vorm van een draaischakelaar. In beide gevallen heb je een batterij precisieweerstanden nodig, maar je kunt de spanning aanpassen zonder voltmeter.
Kader
Er zijn twee behuizingsopties: de TO-263 planaire montagebehuizing (model LM2596S) en de TO-220 behuizing met doorlopende gaten (model LM2596T). Ik geef er de voorkeur aan om de vlakke versie van de LM2596S te gebruiken, omdat in dit geval het koellichaam het bord zelf is en het niet nodig is om een extra extern koellichaam te kopen. Bovendien is de mechanische weerstand veel hoger, in tegenstelling tot de TO-220, die ergens op moet worden geschroefd, zelfs op een plank, maar dan is het gemakkelijker om de vlakke versie te installeren. Ik raad aan om de LM2596T-ADJ-chip in voedingen te gebruiken, omdat het gemakkelijker is om een grote hoeveelheid warmte uit de behuizing te verwijderen.
Rimpelafvlakking van de ingangsspanning
Kan worden gebruikt als effectieve “slimme” stabilisator na stroomrectificatie. Omdat de microschakeling de uitgangsspanning direct bewaakt, zullen schommelingen in de ingangsspanning een omgekeerd evenredige verandering in de conversiecoëfficiënt van de microschakeling veroorzaken, en zal de uitgangsspanning normaal blijven.
Hieruit volgt dat bij gebruik van de LM2596 als een step-down converter na een transformator en gelijkrichter, de ingangscondensator (dat wil zeggen degene die zich direct na de diodebrug bevindt) een kleine capaciteit kan hebben (ongeveer 50-100 μF).
Uitgangscondensator
Door de hoge conversiefrequentie hoeft de uitgangscondensator ook geen grote capaciteit te hebben. Zelfs een krachtige consument zal geen tijd hebben om deze condensator in één cyclus aanzienlijk te verminderen. Laten we de berekening uitvoeren: neem een condensator van 100 µF, een uitgangsspanning van 5 V en een belasting die 3 ampère verbruikt. Volledige lading van de condensator q = C*U = 100e-6 µF * 5 V = 500e-6 µC.
In één conversiecyclus zal de belasting dq = I*t = 3 A * 6,7 μs = 20 μC van de condensator afnemen (dit is slechts 4% van de totale lading van de condensator), en onmiddellijk zal een nieuwe cyclus beginnen, en de omzetter zal een nieuw deel van de energie in de condensator stoppen.
Het belangrijkste is om geen tantaalcondensatoren als ingangs- en uitgangscondensatoren te gebruiken. Ze schrijven precies in de datasheets - "niet gebruiken in stroomcircuits", omdat ze zelfs kortstondige overspanningen zeer slecht verdragen en niet van hoge pulsstromen houden. Gebruik gewone aluminium elektrolytische condensatoren.
Efficiëntie, efficiëntie en warmteverlies
De efficiëntie is niet zo hoog, omdat een bipolaire transistor wordt gebruikt als een krachtige schakelaar - en deze heeft een spanningsval die niet nul is, ongeveer 1,2 V. Vandaar de daling van de efficiëntie bij lage spanningen.
Zoals u kunt zien, wordt het maximale rendement bereikt als het verschil tussen de ingangs- en uitgangsspanning ongeveer 12 volt bedraagt. Dat wil zeggen, als u de spanning met 12 volt moet verlagen, gaat er een minimale hoeveelheid energie naar warmte.
Wat is omvormerefficiëntie? Dit is een waarde die stroomverliezen karakteriseert - als gevolg van warmteontwikkeling op een volledig open krachtige schakelaar volgens de wet van Joule-Lenz en soortgelijke verliezen tijdens transiënte processen - wanneer de schakelaar bijvoorbeeld slechts half open is. De effecten van beide mechanismen kunnen qua omvang vergelijkbaar zijn, dus we mogen beide verliespaden niet vergeten. Een kleine hoeveelheid stroom wordt ook gebruikt om de ‘hersenen’ van de converter zelf van stroom te voorzien.
Idealiter is bij het omzetten van de spanning van U1 naar U2 en de uitgangsstroom I2 het uitgangsvermogen gelijk aan P2 = U2*I2, het ingangsvermogen is daaraan gelijk (ideaal geval). Dit betekent dat de ingangsstroom I1 = U2/U1*I2 zal zijn.
In ons geval heeft de conversie een rendement lager dan één, waardoor een deel van de energie in het apparaat achterblijft. Met efficiëntie η zal het uitgangsvermogen bijvoorbeeld P_out = η*P_in zijn, en de verliezen P_loss = P_in-P_out = P_in*(1-η) = P_out*(1-η)/η. Uiteraard zal de omzetter de ingangsstroom moeten verhogen om de gespecificeerde uitgangsstroom en -spanning te behouden.
We kunnen aannemen dat bij het converteren van 12V -> 5V en een uitgangsstroom van 1A de verliezen in de microschakeling 1,3 watt zullen zijn en de ingangsstroom 0,52A. In ieder geval is dit beter dan welke lineaire converter dan ook, die minstens 7 watt aan verliezen zal opleveren en 1 ampère uit het ingangsnetwerk zal verbruiken (inclusief voor dit nutteloze ding) - twee keer zoveel.
Trouwens, de LM2577-microschakeling heeft een drie keer lagere werkfrequentie en de efficiëntie is iets hoger, omdat er minder verliezen zijn bij voorbijgaande processen. Er zijn echter drie keer hogere nominale waarden van de inductor en de uitgangscondensator nodig, wat extra geld en bordgrootte betekent.
Uitgangsstroom verhogen
Ondanks de toch al vrij grote uitgangsstroom van de microschakeling is soms zelfs nog meer stroom nodig. Hoe kom je uit deze situatie?
- Er kunnen meerdere converters worden geparalleliseerd. Uiteraard moeten ze op exact dezelfde uitgangsspanning worden ingesteld. In dit geval kun je niet rondkomen met eenvoudige SMD-weerstanden in het feedback-spanningsinstelcircuit; je moet weerstanden gebruiken met een nauwkeurigheid van 1%, of de spanning handmatig instellen met een variabele weerstand.
USB-oplader voor LM2596
U kunt een zeer handige USB-reislader maken. Om dit te doen, moet u de regelaar instellen op een spanning van 5V, deze voorzien van een USB-poort en de oplader van stroom voorzien. Ik gebruik een lithium-polymeerbatterij van het radiomodel, gekocht in China, die 5 ampère-uren levert bij 11,1 volt. Dit is veel – genoeg 8 keer een gewone smartphone opladen (zonder rekening te houden met efficiëntie). Rekening houdend met de efficiëntie, zal dit minimaal 6 keer zijn.
Vergeet niet de D+ en D- pinnen van de USB-aansluiting kort te sluiten om de telefoon te laten weten dat deze is aangesloten op de oplader en dat de overgedragen stroom onbeperkt is. Zonder deze gebeurtenis zal de telefoon denken dat hij op de computer is aangesloten en gedurende een zeer lange tijd zal worden opgeladen met een stroomsterkte van 500 mA. Bovendien compenseert een dergelijke stroom mogelijk niet eens het huidige verbruik van de telefoon en wordt de batterij helemaal niet opgeladen.
Je kunt ook een aparte 12V-ingang van een auto-accu voorzien van een sigarettenaanstekeraansluiting - en de bronnen schakelen met een soort schakelaar. Ik raad u aan een LED te installeren die aangeeft dat het apparaat aan staat, om niet te vergeten de batterij uit te schakelen nadat deze volledig is opgeladen - anders zullen de verliezen in de converter de back-upbatterij binnen een paar dagen volledig leegmaken.
Dit type batterij is niet erg geschikt omdat deze is ontworpen voor hoge stromen. U kunt proberen een batterij met een lagere stroomsterkte te vinden, maar deze zal kleiner en lichter zijn.
Huidige stabilisator
Uitgangsstroom aanpassing
Alleen verkrijgbaar met versie met instelbare uitgangsspanning (LM2596ADJ). Overigens maken de Chinezen ook deze versie van het bord, met regeling van spanning, stroom en allerlei indicaties - een kant-en-klare stroomstabilisatormodule op LM2596 met kortsluitbeveiliging kan worden gekocht onder de naam xw026fr4.
Als je geen kant-en-klare module wilt gebruiken en deze schakeling zelf wilt maken, is er niets ingewikkelds, met één uitzondering: de microschakeling heeft niet de mogelijkheid om de stroom te regelen, maar je kunt deze wel toevoegen. Ik zal uitleggen hoe je dit moet doen en onderweg de moeilijke punten verduidelijken.
Sollicitatie
Een stroomstabilisator is nodig om krachtige LED's van stroom te voorzien (trouwens, mijn microcontrollerproject krachtige LED-drivers), laserdiodes, galvaniseren, opladen van de batterij. Net als bij spanningsstabilisatoren zijn er twee soorten van dergelijke apparaten: lineair en gepulseerd.
De klassieke lineaire stroomstabilisator is de LM317, en deze is redelijk goed in zijn klasse, maar de maximale stroom is 1,5 A, wat niet genoeg is voor veel krachtige LED's. Zelfs als je deze stabilisator van stroom voorziet met een externe transistor, zijn de verliezen erop simpelweg onaanvaardbaar. De hele wereld maakt zich druk over het energieverbruik van stand-by-lampen, maar hier werkt de LM317 met een rendement van 30%. Dit is niet onze methode.
Maar onze microschakeling is een handige driver voor een pulsspanningsomzetter die veel bedrijfsmodi heeft. De verliezen zijn minimaal, omdat er geen lineaire bedrijfsmodi van transistors worden gebruikt, alleen de belangrijkste.
Het was oorspronkelijk bedoeld voor spanningsstabilisatiecircuits, maar verschillende elementen maken er een stroomstabilisator van. Feit is dat de microschakeling volledig afhankelijk is van het "Feedback" -signaal als feedback, maar wat we ermee moeten voeden, is aan ons.
In het standaard schakelcircuit wordt spanning aan deze tak geleverd via een resistieve uitgangsspanningsdeler. 1,2V is een balans; als de feedback minder is, verhoogt de driver de duty-cycle van de pulsen; als deze meer is, wordt deze verlaagd. Maar u kunt spanning op deze ingang toepassen via een stroomshunt!
Shunt
Bij een stroomsterkte van 3A moet u bijvoorbeeld een shunt nemen met een nominale waarde van niet meer dan 0,1 Ohm. Bij een dergelijke weerstand zal deze stroom ongeveer 1 W vrijgeven, dus dat is veel. Het is beter om drie van dergelijke shunts parallel te plaatsen, waardoor een weerstand van 0,033 Ohm, een spanningsval van 0,1 V en een warmteafgifte van 0,3 W worden verkregen.
De Feedback-ingang vereist echter een spanning van 1,2 V - en we hebben slechts 0,1 V. Het is irrationeel om een hogere weerstand te installeren (de warmte zal 150 keer meer vrijkomen), dus het enige dat overblijft is om deze spanning op de een of andere manier te verhogen. Dit gebeurt met behulp van een operationele versterker.
Niet-inverterende op-amp-versterker
Klassiek schema, wat is eenvoudiger?
Wij verenigen ons
Nu combineren we een conventioneel spanningsomvormercircuit en een versterker met behulp van een LM358 op-amp, op de ingang waarvan we een stroomshunt aansluiten.
Een krachtige weerstand van 0,033 Ohm is een shunt. Het kan worden gemaakt van drie parallel geschakelde weerstanden van 0,1 Ohm, en om de toegestane vermogensdissipatie te vergroten, gebruikt u SMD-weerstanden in een 1206-verpakking, plaatst u ze met een kleine opening (niet dicht bij elkaar) en probeert u zoveel mogelijk koperlaag rond de weerstanden achter te laten. weerstanden en eronder mogelijk. Op de Feedback-uitgang is een kleine condensator aangesloten om een mogelijke overgang naar de oscillatormodus te elimineren.
Wij regelen zowel stroom als spanning
Laten we beide signalen verbinden met de Feedback-ingang - zowel stroom als spanning. Om deze signalen te combineren, gebruiken we het gebruikelijke bedradingsschema “AND” op diodes. Als het stroomsignaal hoger is dan het spanningssignaal, zal het domineren en omgekeerd.
Een paar woorden over de toepasbaarheid van de regeling
U kunt de uitgangsspanning niet aanpassen. Hoewel het onmogelijk is om zowel de uitgangsstroom als de spanning tegelijkertijd te regelen, zijn ze evenredig aan elkaar, met een coëfficiënt van "belastingsweerstand". En als de stroomvoorziening een scenario implementeert als ‘constante uitgangsspanning, maar wanneer de stroom groter wordt, beginnen we de spanning te verlagen’, d.w.z. CC/CV is al een lader.
De maximale voedingsspanning voor het circuit is 30V, aangezien dit de limiet is voor de LM358. U kunt deze limiet uitbreiden tot 40 V (of 60 V met de LM2596-HV-versie) als u de op-amp voedt via een zenerdiode.
Bij de laatste optie is het noodzakelijk om een diodesamenstel te gebruiken als somdiodes, omdat beide diodes erin zijn gemaakt binnen hetzelfde technologische proces en op dezelfde siliciumwafel. De spreiding van hun parameters zal veel kleiner zijn dan de spreiding van parameters van individuele discrete diodes - hierdoor zullen we een hoge nauwkeurigheid van de volgwaarden verkrijgen.
Je moet er ook zorgvuldig voor zorgen dat het op-amp-circuit niet opgewonden raakt en in de lasermodus gaat. Probeer hiervoor de lengte van alle geleiders te verkleinen, en vooral het spoor dat is aangesloten op pin 2 van de LM2596. Plaats de opamp niet in de buurt van dit spoor, maar plaats de SS36-diode en filtercondensator dichter bij de LM2596-behuizing en zorg voor een minimaal oppervlak van de aardlus die op deze elementen is aangesloten. Het is noodzakelijk om een minimale lengte van de aardlus te garanderen. retourstroompad “LM2596 -> VD/C -> LM2596”.
Toepassing van LM2596 in apparaten en onafhankelijke bordindeling
Ik sprak gedetailleerd over het gebruik van microschakelingen in mijn apparaten, niet in de vorm van een voltooide module nog een artikel, waarin wordt behandeld: de keuze van de diode, condensatoren, inductorparameters, en ook over de juiste bedrading en een paar extra trucs.
Mogelijkheden voor verdere ontwikkeling
Verbeterde analogen van LM2596
De eenvoudigste manier na deze chip is om over te schakelen naar LM2678. In wezen is dit dezelfde stepdown-omzetter, alleen met een veldeffecttransistor, waardoor het rendement stijgt tot 92%. Toegegeven, het heeft 7 poten in plaats van 5, en het is niet pin-to-pin-compatibel. Deze chip lijkt echter sterk op elkaar en zal een eenvoudige en handige optie zijn met verbeterde efficiëntie.
L5973D– een vrij oude chip, die tot 2,5 A levert, en een iets hogere efficiëntie. Het heeft ook bijna tweemaal de conversiefrequentie (250 kHz) - daarom zijn lagere spoel- en condensatorwaarden vereist. Ik heb echter gezien wat ermee gebeurt als je het rechtstreeks op het autonetwerk aansluit - vaak wordt de interferentie uitgeschakeld.
ST1S10- zeer efficiënte (90% efficiëntie) DC-DC stepdown-omzetter.
- Vereist 5–6 externe componenten;
ST1S14- hoogspanningsregelaar (tot 48 volt). Hoge werkfrequentie (850 kHz), uitgangsstroom tot 4A, vermogen Goede output, hoog rendement (niet slechter dan 85%) en een beveiligingscircuit tegen overmatige belastingsstroom maken het waarschijnlijk de beste converter voor het voeden van een server vanaf een 36 volt bron.
Als maximale efficiëntie vereist is, zult u zich moeten wenden tot niet-geïntegreerde stepdown DC-DC-controllers. Het probleem met geïntegreerde controllers is dat ze nooit coole vermogenstransistors hebben: de typische kanaalweerstand is niet hoger dan 200 mOhm. Als u echter een controller zonder ingebouwde transistor neemt, kunt u elke transistor kiezen, zelfs AUIRFS8409–7P met een kanaalweerstand van een halve milliohm
DC-DC-converters met externe transistor
Volgend deel
Ingangsspanningen tot 61 V, uitgangsspanningen vanaf 0,6 V, uitgangsstromen tot 4 A, de mogelijkheid om de frequentie extern te synchroniseren en aan te passen, evenals de begrenzingsstroom aan te passen, de softstarttijd aan te passen, uitgebreide belastingsbeveiliging, een brede bedrijfstemperatuurbereik - al deze kenmerken van moderne voedingen zijn haalbaar met behulp van de nieuwe lijn DC/DC-converters geproduceerd door .
Momenteel kunt u met het assortiment schakelende microschakelingen geproduceerd door STMicro (Figuur 1) voedingen (PS) creëren met ingangsspanningen tot 61 V en uitgangsstromen tot 4 A.
De taak van spanningsconversie is niet altijd eenvoudig. Elk specifiek apparaat heeft zijn eigen eisen aan de spanningsregelaar. Soms spelen prijs (consumentenelektronica), omvang (draagbare elektronica), efficiëntie (apparaten op batterijen) of zelfs de snelheid van productontwikkeling een grote rol. Deze eisen spreken elkaar vaak tegen. Om deze reden bestaat er geen ideale en universele spanningsomvormer.
Momenteel worden verschillende soorten converters gebruikt: lineaire (spanningsstabilisatoren), gepulseerde DC/DC-converters, ladingsoverdrachtscircuits en zelfs voedingen op basis van galvanische isolatoren.
De meest voorkomende zijn echter lineaire spanningsregelaars en step-down schakelende DC/DC-converters. Het belangrijkste verschil in de werking van deze regelingen blijkt uit de naam. In het eerste geval werkt de aan / uit-schakelaar in lineaire modus, in het tweede geval in sleutelmodus. De belangrijkste voordelen, nadelen en toepassingen van deze regelingen worden hieronder weergegeven.
Kenmerken van de lineaire spanningsregelaar
Het werkingsprincipe van een lineaire spanningsregelaar is algemeen bekend. De klassieke geïntegreerde stabilisator μA723 werd in 1967 ontwikkeld door R. Widlar. Ondanks dat de elektronica sindsdien een lange weg heeft afgelegd, zijn de werkingsprincipes vrijwel onveranderd gebleven.
Een standaard lineair spanningsregelaarcircuit bestaat uit een aantal basiselementen (Figuur 2): vermogenstransistor VT1, een referentiespanningsbron (VS) en een compensatiefeedbackcircuit op een operationele versterker (OPA). Moderne regelaars kunnen extra functionele blokken bevatten: beveiligingscircuits (tegen oververhitting, tegen overstroom), stroombeheercircuits, enz.
Het werkingsprincipe van dergelijke stabilisatoren is vrij eenvoudig. Het feedbackcircuit op de op-amp vergelijkt de waarde van de referentiespanning met de spanning van de uitgangsdeler R1/R2. Er ontstaat een mismatch aan de op-amp-uitgang, die de gate-source-spanning van vermogenstransistor VT1 bepaalt. De transistor werkt in lineaire modus: hoe hoger de spanning aan de uitgang van de op-amp, hoe lager de gate-source-spanning en hoe groter de weerstand van VT1.
Met dit circuit kunt u alle veranderingen in de ingangsspanning compenseren. Stel inderdaad dat de ingangsspanning Uin is toegenomen. Dit zal de volgende reeks veranderingen veroorzaken: Uin verhoogd → Uout zal toenemen → de spanning op de deler R1/R2 zal toenemen → de uitgangsspanning van de op-amp zal toenemen → de gate-source-spanning zal afnemen → de weerstand VT1 zal verhogen → Uout zal afnemen.
Als gevolg hiervan verandert de uitgangsspanning enigszins wanneer de ingangsspanning verandert.
Wanneer de uitgangsspanning afneemt, treden omgekeerde veranderingen in spanningswaarden op.
Kenmerken van de werking van een step-down DC/DC-omzetter
Een vereenvoudigd circuit van een klassieke step-down DC/DC-converter (type I-converter, buck-converter, step-down-converter) bestaat uit verschillende hoofdelementen (Figuur 3): vermogenstransistor VT1, stuurcircuit (CS), filter (Lph -Cph), omgekeerde diode VD1.
In tegenstelling tot het lineaire regelcircuit werkt transistor VT1 in schakelmodus.
De bedrijfscyclus van het circuit bestaat uit twee fasen: de pompfase en de afvoerfase (Figuur 4...5).
In de pompfase is transistor VT1 open en stroomt er stroom doorheen (Figuur 4). Energie wordt opgeslagen in de spoel Lf en condensator Cf.
Tijdens de ontladingsfase is de transistor gesloten, er stroomt geen stroom doorheen. De Lf-spoel fungeert als stroombron. VD1 is een diode die nodig is om tegenstroom te laten stromen.
In beide fasen wordt een spanning gelijk aan de spanning op de condensator Sph op de belasting aangelegd.
Het bovenstaande circuit zorgt voor regeling van de uitgangsspanning wanneer de pulsduur verandert:
Uuit = Uin × (ti/T)
Als de inductantiewaarde klein is, heeft de ontlaadstroom door de inductantie de tijd om nul te bereiken. Deze modus wordt de intermitterende stroommodus genoemd. Het wordt gekenmerkt door een toename van de stroom- en spanningsrimpel op de condensator, wat leidt tot een verslechtering van de kwaliteit van de uitgangsspanning en een toename van circuitruis. Om deze reden wordt de intermitterende stroommodus zelden gebruikt.
Er is een type convertercircuit waarin de "inefficiënte" diode VD1 wordt vervangen door een transistor. Deze transistor opent in tegenfase met de hoofdtransistor VT1. Zo'n converter wordt synchroon genoemd en heeft een groter rendement.
Voor- en nadelen van spanningsconversiecircuits
Als een van de bovenstaande schema's absolute superioriteit zou hebben, zou de tweede veilig worden vergeten. Dit gebeurt echter niet. Dit betekent dat beide regelingen voor- en nadelen hebben. De analyse van regelingen moet worden uitgevoerd op basis van een breed scala aan criteria (tabel 1).
Tabel 1. Voor- en nadelen van spanningsregelaarcircuits
| Kenmerkend | Lineaire regelaar | Buck DC/DC-converter |
| Typisch ingangsspanningsbereik, V | tot 30 | tot 100 |
| Typisch uitgangsstroombereik | honderden mA | eenheden A |
| Efficiëntie | kort | hoog |
| Nauwkeurigheid van de uitgangsspanningsinstelling | eenheden % | eenheden % |
| Stabiliteit van de uitgangsspanning | hoog | gemiddeld |
| Gegenereerde ruis | kort | hoog |
| Complexiteit van circuitimplementatie | laag | hoog |
| Complexiteit van PCB-topologie | laag | hoog |
| Prijs | laag | hoog |
Elektrische kenmerken. Voor elke converter zijn de belangrijkste kenmerken efficiëntie, belastingsstroom, ingangs- en uitgangsspanningsbereik.
De efficiëntiewaarde voor lineaire regelaars is laag en omgekeerd evenredig met de ingangsspanning (Figuur 6). Dit komt door het feit dat alle “extra” spanning over de transistor valt die in lineaire modus werkt. Het vermogen van de transistor komt vrij als warmte. Een laag rendement leidt ertoe dat het bereik van ingangsspanningen en uitgangsstromen van de lineaire regelaar relatief klein is: tot 30 V en tot 1 A.
Het rendement van een schakelende regelaar is veel hoger en minder afhankelijk van de ingangsspanning. Tegelijkertijd zijn ingangsspanningen van meer dan 60 V en belastingsstromen van meer dan 1 A niet ongebruikelijk.
Als er gebruik wordt gemaakt van een synchrone omzetterschakeling, waarbij de inefficiënte vrijloopdiode wordt vervangen door een transistor, dan zal het rendement nog hoger zijn.
Nauwkeurigheid en stabiliteit van de uitgangsspanning. Lineaire stabilisatoren kunnen een extreem hoge nauwkeurigheid en stabiliteit van parameters hebben (fracties van een procent). De afhankelijkheid van de uitgangsspanning van veranderingen in de ingangsspanning en van de belastingsstroom bedraagt niet meer dan enkele procenten.
Volgens het werkingsprincipe heeft een pulsregelaar aanvankelijk dezelfde foutenbronnen als een lineaire regelaar. Bovendien kan de afwijking van de uitgangsspanning aanzienlijk worden beïnvloed door de hoeveelheid stroom die vloeit.
Geluidskenmerken. De lineaire regelaar heeft een matige geluidsrespons. In de uiterst nauwkeurige meettechniek worden stille precisieregelaars gebruikt.
De schakelstabilisator zelf is een krachtige bron van interferentie, aangezien de vermogenstransistor in schakelmodus werkt. Gegenereerde ruis wordt onderverdeeld in geleide (overgebracht via hoogspanningslijnen) en inductieve (overgebracht via niet-geleidende media).
Geleide interferentie wordt geëlimineerd met behulp van laagdoorlaatfilters. Hoe hoger de werkfrequentie van de omzetter, hoe gemakkelijker het is om van interferentie af te komen. In meetcircuits wordt vaak een schakelende regelaar gebruikt in combinatie met een lineaire stabilisator. In dit geval wordt het interferentieniveau aanzienlijk verminderd.
Het is veel moeilijker om van de schadelijke effecten van inductieve interferentie af te komen. Dit geluid vindt zijn oorsprong in de inductor en wordt overgedragen via lucht en niet-geleidende media. Om ze te elimineren, worden afgeschermde inductoren en spoelen op een toroïdale kern gebruikt. Bij het aanleggen van het bord gebruiken ze een doorlopende aardevulling met een polygoon en/of kiezen ze bij meerlaagse borden zelfs voor een aparte laag aarde. Bovendien bevindt de pulsomvormer zelf zich zo ver mogelijk verwijderd van de meetcircuits.
Prestatiekenmerken. Vanuit het oogpunt van de eenvoud van de circuitimplementatie en de lay-out van de printplaat zijn lineaire regelaars uiterst eenvoudig. Naast de geïntegreerde stabilisator zelf zijn slechts een paar condensatoren nodig.
Voor een schakelende converter is minimaal een extern L-C-filter vereist. In sommige gevallen zijn een externe vermogenstransistor en een externe vrijloopdiode vereist. Dit leidt tot de behoefte aan berekeningen en modellering, en de topologie van de printplaat wordt aanzienlijk gecompliceerder. Extra complexiteit van het bord ontstaat als gevolg van EMC-vereisten.
Prijs. Het is duidelijk dat een pulsomzetter vanwege het grote aantal externe componenten hoge kosten zal hebben.
Concluderend kunnen de voordelige toepassingsgebieden van beide typen omvormers worden geïdentificeerd:
- Lineaire regelaars kunnen worden gebruikt in circuits met laag vermogen en lage spanning met hoge nauwkeurigheid, stabiliteit en lage geluidseisen. Een voorbeeld hiervan zijn meet- en precisiecircuits. Bovendien kunnen het kleine formaat en de lage kosten van de uiteindelijke oplossing ideaal zijn voor draagbare elektronica en goedkope apparaten.
- Schakelregelaars zijn ideaal voor laag- en hoogspanningscircuits met hoog vermogen in de auto-, industriële en consumentenelektronica. Door het hoge rendement is het gebruik van DC/DC vaak geen alternatief voor draagbare apparaten en apparaten die op batterijen werken.
Soms wordt het nodig om lineaire regelaars te gebruiken bij hoge ingangsspanningen. In dergelijke gevallen kunt u stabilisatoren gebruiken die zijn geproduceerd door STMicroelectronics en die bedrijfsspanningen hebben van meer dan 18 V (Tabel 2).
Tabel 2. STMicroelectronics lineaire regelaars met hoge ingangsspanning
| Naam | Beschrijving | Uin max, V | Uout nom, V | Iuit naam, A | Eigen laten vallen, B |
| 35 | 5, 6, 8, 9, 10, 12, 15 | 0.5 | 2 | ||
| 500 mA precisieregelaar | 40 | 24 | 0.5 | 2 | |
| 2 Een regelaar | 35 | 0.225 | 2 | 2 | |
| , | Verstelbare regelaar | 40 | – | 0.1; 0.5; 1.5 | 2 |
| 3 Een regelaar | 20 | – | 3 | 2 | |
| 150 mA precisieregelaar | 40 | – | 0.15 | 3 | |
| KFxx | 20 | 2.5: 8 | 0.5 | 0.4 | |
| Ultra-low self-drop-regelaar | 20 | 2.7: 12 | 0.25 | 0.4 | |
| 5 Een regelaar met lage uitval en aanpassing van de uitgangsspanning | 30 | – | 1.5; 3; 5 | 1.3 | |
| LExx | Ultra-low self-drop-regelaar | 20 | 3; 3.3; 4.5; 5; 8 | 0.1 | 0.2 |
| Ultra-low self-drop-regelaar | 20 | 3.3; 5 | 0.1 | 0.2 | |
| Ultra-low self-drop-regelaar | 40 | 3.3; 5 | 0.1 | 0.25 | |
| 85 mA-regelaar met lage zelfuitval | 24 | 2.5: 3.3 | 0.085 | 0.5 | |
| Precisie negatieve spanningsregelaar | -35 | -5; -8; -12; -15 | 1.5 | 1.1; 1.4 | |
| Negatieve spanningsregelaar | -35 | -5; -8; -12; -15 | 0.1 | 1.7 | |
| Instelbare negatieve spanningsregelaar | -40 | – | 1.5 | 2 |
Als er wordt besloten een gepulseerde voeding te bouwen, moet een geschikte converterchip worden geselecteerd. De keuze wordt gemaakt rekening houdend met een aantal basisparameters.
Belangrijkste kenmerken van DC/DC-converters met step-down-puls
Laten we de belangrijkste parameters van pulsconverters opsommen.
Ingangsspanningsbereik (V). Helaas is er altijd een beperking, niet alleen op de maximale, maar ook op de minimale ingangsspanning. De waarde van deze parameters wordt altijd met enige marge geselecteerd.
Uitgangsspanningsbereik (V). Vanwege beperkingen op de minimale en maximale pulsduur is het bereik van uitgangsspanningswaarden beperkt.
Maximale uitgangsstroom (A). Deze parameter wordt beperkt door een aantal factoren: de maximaal toegestane vermogensdissipatie, de uiteindelijke waarde van de weerstand van de stroomschakelaars, enz.
Werkfrequentie van de omvormer (kHz). Hoe hoger de conversiefrequentie, hoe gemakkelijker het is om de uitgangsspanning te filteren. Dit maakt het mogelijk om interferentie tegen te gaan en de waarden van de externe L-C-filterelementen te verlagen, wat leidt tot een toename van de uitgangsstromen en een verkleining van de afmetingen. Een verhoging van de conversiefrequentie vergroot echter de schakelverliezen van vermogensschakelaars en vergroot de inductieve component van interferentie, wat duidelijk ongewenst is.
Rendement (%) is een integrale indicator van efficiëntie en wordt weergegeven in de vorm van grafieken voor verschillende spanningen en stromen.
De overige parameters (kanaalweerstand van geïntegreerde stroomschakelaars (mOhm), eigenstroomverbruik (μA), thermische weerstand van de behuizing, enz.) zijn minder belangrijk, maar er moet ook rekening mee worden gehouden.
De nieuwe converters van STMicroelectronics hebben een hoge ingangsspanning en efficiëntie, en hun parameters kunnen worden berekend met behulp van de gratis eDesignSuite-software.
Lijn van gepulseerde DC/DC van ST Microelectronics
Het DC/DC-portfolio van STMicroelectronics breidt zich voortdurend uit. Nieuwe converter-microschakelingen hebben een uitgebreid ingangsspanningsbereik tot 61 V ( / / ), hoge uitgangsstromen, uitgangsspanningen vanaf 0,6 V ( / / ) (Tabel 3).
Tabel 3. Nieuwe DC/DC STMicro-elektronica
| Kenmerken | Naam | |||||||
| L7987; L7987L | ||||||||
| Kader | 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 |
| Ingangsspanning 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 |
| Uitgangsstroom, A | 4 | 3 | 4 | 2 | 2 | 3 | 3 | 2 (L7987L); 3 (L7987) |
| Uitgangsspanningsbereik, 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 |
| Bedrijfsfrequentie, kHz | 500 | 850 | 850 | 250…2000 | 250…1000 | 250…1000 | 250…1000 | 250…1500 |
| Externe frequentiesynchronisatie (max), kHz | Nee | Nee | Nee | 2000 | 1000 | 1000 | 1000 | 1500 |
| Functies | Vlotte start; overstroombeveiliging; bescherming tegen oververhitting | |||||||
| Extra functies | INSCHAKELEN; PGOED | INSCHAKELEN | LNM; LCM; VERBIEDEN; Overspanningsbeveiliging | INSCHAKELEN | PGOED; bescherming tegen spanningsdalingen; uitschakelstroom aanpassing | |||
| Kristal bedrijfstemperatuurbereik, °C | -40…150 | |||||||
Alle nieuwe pulsomzettermicrocircuits zijn voorzien van softstart-, overstroom- enies.
Dit is een DC-DC-spanningsomvormer met een ingang van 5-13 V, naar een uitgang van 12 V DC 1,5 A. De omvormer ontvangt een lagere spanning en geeft een hogere uitgang, die kan worden gebruikt als er een spanning is die lager is dan de vereiste 12 volt. Het wordt vaak gebruikt om de spanning van bestaande batterijen te verhogen. Dit is in wezen een geïntegreerde DC-DC-omzetter. Er is bijvoorbeeld een lithium-ionbatterij van 3,7 V, en de spanning ervan kan met behulp van dit circuit worden gewijzigd om de vereiste 12 V bij 1,5 A te leveren.
De converter is eenvoudig zelf te bouwen. Het hoofdonderdeel is de MC34063, die bestaat uit een spanningsreferentie (temperatuurgecompenseerd), een comparator, een oscillator met een actieve piekstroombegrenzingsschakeling, een EN-poort, een flip-flop en een hoogvermogen uitgangsschakelaar met driver en alleen Er zijn een paar extra elektronische componenten in het harnas nodig, zodat deze klaar is. Deze serie chips is speciaal ontworpen om in diverse converters te worden opgenomen.
Voordelen van de MC34063A-chip
- Werking van 3 tot 40 V ingang
- Lage standby-stroom
- Huidige limiet
- Uitgangsstroom tot 1,5 A
- Uitgangsspanning instelbaar
- Werking in het frequentiebereik tot 100 kHz
- Nauwkeurigheid 2%
Beschrijving van radio-elementen
- R- Alle weerstanden zijn 0,25 W.
- T- TIP31-NPN vermogenstransistor. Alle uitgangsstroom loopt er doorheen.
- L1- 100 µH ferrietspoelen. Als je het zelf moet doen, moet je torusvormige ferrietringen kopen met een buitendiameter van 20 mm en een binnendiameter van 10 mm, ook 10 mm hoog en draad van 1 - 1,5 mm dik bij 0,5 meter, en 5 slagen maken bij gelijke afstanden. De afmetingen van de ferrietring zijn niet al te kritisch. Een verschil van enkele (1-3 mm) is acceptabel.
- D- er moet een Schottky-diode worden gebruikt
- TR- multi-turn variabele weerstand, die hier wordt gebruikt om de 12 V-uitgangsspanning te verfijnen.
- C- C1 en C3 zijn polaire condensatoren, let hier dus op bij het plaatsen ervan op de print.
Lijst met onderdelen voor montage
- Weerstanden: R1 = 0,22 ohm x1, R2 = 180 ohm x1, R3 = 1,5K x1, R4 = 12K x1
- Regelaar: TR1 = 1 kOhm, multiturn
- Transistor: T1 = TIP31A of TIP31C
- Choke: L1 = 100 µH op ferrietring
- Diode: D1 - Schottky 1N5821 (21V - 3A), 1N5822 (28V - 3A) of MBR340 (40V - 3A)
- Condensatoren: C1 = 100 uF / 25V, C2 = 0,001 uF, C3 = 2200 uF / 25V
- Chip: MC34063
- Printplaat 55 x 40 mm
Merk op dat het noodzakelijk is om een klein aluminium koellichaam op de T1 - TIP31-transistor te installeren, anders kan deze transistor beschadigd raken door verhoogde verwarming, vooral bij hoge belastingsstromen. Datasheet en PCB-tekening
