Данный обзор посвящён модулю импульсного стабилизатора, который предлагается интернет-магазинами под названием "5A Lithium Charger CV CC Buck Step Down Power Module LED Driver ". Таким образом модуль представляет собой импульсный понижающий преобразователь, предназначенный для зарядки литий-ионных аккумуляторов в режимах CV (постоянное напряжение) и СС (постоянный ток), а также для питания светодиодов. Стоит данное устройство около 2-х USD. Конструктивно модуль представляет собой печатную плату, на которой установлены все элементы, включая сигнальные светодиоды и органы регулировки. Внешний вид модуля представлен на рис.1.

Чертёж печатной платы представлен на рис. 2.

Согласно спецификации изготовителя модуль имеет следующие технические характеристики:

• Входное напряжение 6-38 В постоянного тока.
• Выходное напряжение регулируемое 1.25-36 В постоянного тока.
• Выходной ток 0-5 А (регулируемый).
• Мощность в нагрузке до 75 ВА.
• КПД более 96%.
• Имеется встроенная защита от перегрева и короткого замыкания в нагрузке.
• Размеры модуля 61.7х26.2х15 мм.
• Масса 20 грамм.

Сочетание невысокой цены, малых размеров и высоких технических характеристик вызвало у автора интерес и желание экспериментально определить основные характеристики модуля.
Производитель не приводит схему электрическую принципиальную, по этому её пришлось рисовать самостоятельно. Результат этой работы представлен на рис. 3.

Основой устройства является микросхема DA2 XL4015, представляющая собой оригинальную китайскую разработку. Данная микросхема весьма похожа на популярную LM2596, но отличается улучшенными характеристиками. Видимо это достигается применением в качестве силового ключа мощного полевого транзистора. Описание этой микросхемы приведено в Л1. В данном устройстве микросхема включена в полном соответствии с рекомендациями изготовителя. Переменный резистор “CV” является регулятором выходного напряжения. Цепь регулируемого ограничения выходного тока выполнена на операционном усилителе DA3.1. Этот усилитель сравнивает падение напряжения на токоизмерительном резисторе R9 с регулируемым напряжением, снимаемым с переменного резистора “CC”. С помощью этого резистора можно задать желаемый уровень ограничения тока в нагрузке стабилизатора.

Если заданное значение тока будет превышено, то на выходе усилителя появится сигнал высокого уровня, красный светодиод HL2 откроется и напряжение на входе 2 микросхемы DA2 повысится, что приведёт к снижению напряжения и тока на выходе стабилизатора. Кроме того свечение HL2 будет сигнализировать о том, что модуль работает в режиме стабилизации тока (СС). Конденсатор С5 должен обеспечивать устойчивость узла регулирования тока.

На втором операционном усилителе DA3.2 собран сигнализатор снижения тока в нагрузке до значения менее 9% от заданного максимального тока. Если ток превышает указанное значение, то светится синий светодиод HL3, в противном случае светится зелёный светодиод HL1. При зарядке литий-ионных аккумуляторов снижение зарядного тока является одним из признаков окончания зарядки.
На микросхеме DA1 собран стабилизатор с выходным напряжением 5В. Это напряжение используется для питания операционного усилителя DA3, также оно используется для формирования опорного напряжения ограничителя тока и сигнализатора снижения тока.

Падение напряжения на токоизмерительном резисторе никак не компенсируется, по этому с ростом тока в нагрузке выходное напряжение стабилизатора снижается. Чтобы уменьшить данный недостаток величина токоизмерительного резистора выбрана достаточно маленькой (0.05 Ома). Из-за этого дрейф операционного усилителя DA3 может вызвать заметную нестабильность как уровня ограничения выходного тока так и уровня срабатывания сигнализатора.
Испытания модуля показали, что выходное сопротивление стабилизатора в режиме стабилизации напряжения (CV) практически полностью определяется токоизмерительным резистором и составляет около 0.06 Ома.
Коэффициент стабилизации напряжения около 400.
Для оценки тепловыделения на вход модуля было подано напряжение 12В. На выходе было установлено напряжение 5В при нагрузке сопротивлением 2.5 Ома (ток 2А). Через 30 минут микросхема DA2, дроссель L1 и диод VD1 нагрелись до 71, 64 и 48 градусов Цельсия соответственно.

Работа в режиме стабилизации тока в нагрузке (СС) сопровождалась переходом микросхемы DA2 в режим формирования пачек импульсов. Частота следования и длительность пачек изменялись в широких пределах в зависимости от величины тока. Эффект стабилизации тока при этом имел место, но пульсации на выходе модуля существенно возрастали. Кроме того работа устройства в режиме СС сопровождалась довольно громким писком, источником которого являлся дроссель L1.
Работа сигнализатора снижения тока нареканий не вызвала. Модуль успешно выдерживал короткое замыкание в нагрузке.

Таким образом модуль работоспособен как в режиме CV, так и в режиме СС, но при его использовании следует учитывать вышеописанные особенности.
Данный обзор написан по результатам исследования одного экземпляра устройства, что делает полученные результаты чисто ориентировочными.
По мнению автора описанный импульсный стабилизатор может быть с успехом использован, если требуется дешёвый, компактный источник питания с удовлетворительными характеристиками.

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Магазин	Мой блокнот
DA1	Линейный регулятор	LM317L	1			В блокнот
DA2	Микросхема	XL4015	1			В блокнот
DA3	Операционный усилитель	LM358	1			В блокнот
VD1	Диод Шоттки	SK54	1			В блокнот
HL1	Светодиод	Зеленый	1			В блокнот
HL2	Светодиод	Красный	1			В блокнот
HL3	Светодиод	Синий	1			В блокнот
С1, С6	Электролитический конденсатор	220 мкФ 50 В	2			В блокнот
С2-С4, С7	Конденсатор	0.47 мкФ	4			В блокнот
С5	Конденсатор	0.01 мкФ	1			В блокнот
R1	Резистор	680 Ом	1			В блокнот
R2	Резистор	220 Ом	1			В блокнот
R3	Резистор	330 Ом	1			В блокнот
R4	Резистор	18 кОм	1			В блокнот
R7	Резистор	100 кОм	1			В блокнот
R8	Резистор	10 кОм	1

Регулируемый импульсный стабилизатор напряжения предназначен как для установки в радиолюбительские устройства с фиксированным выходным напряжением, так для лабораторного блока питания с регулируемым выходным напряжением. Так как стабилизатор работает в импульсном режиме, он имеет высокий КПД и в отличие от линейных стабилизаторов не нуждается в большом теплоотводе. Модуль выполнен на плате с алюминиевой подложкой, что позволяет в течение продолжительного времени снимать выходной ток до 2 А без установки дополнительного теплоотвода. Для токов более 2 А к тыльной стороне модуля необходимо прикрепить радиатор площадью не менее 145 кв.см. Радиатор может быть прикреплен винтами, для этого в модуле предусмотрены два отверстия, для максимальной теплопередачи используйте пасту КПТ-8. В случае невозможности использовать крепежные винты, модуль может быть прикреплен к радиатору/металлической части устройства с использованием автогерметика. Для этого нужно нанести герметик в центр тыльной части модуля, притереть поверхности таким образом, чтобы зазор между ними был минимален и прижать на 24 часа. Устройство имеет тепловую защиту и ограничение по выходному току от 3 до 4 А. Выходное напряжение не может превышать напряжение на входе. Для того чтобы начать эксплуатировать стабилизатор необходимо припаять переменный резистор от 47 до 68 Ком к контактам на плате R1. Переменный резистор не следует подключать на длинных проводах. Для установки в устройства с фиксированным выходным напряжением на место R1 нужно установить постоянный резистор, используя формулу R1=1210(Uвых/1.23-1), где Uвых - требуемое выходное напряжение. Модуль может работать в режиме стабилизатора тока, для этого вместо R2 нужно установить внешний резистор, рассчитываемый по формуле R=1,23/I, где I - требуемый выходной ток. Резистор должен быть соответствующей мощности. При питании модуля от понижающего трансформатора и диодного моста, на выход диодного моста необходимо установить фильтрующий конденсатор не менее 2200 мкФ. Технические характеристики Параметр Значение Входное напряжение, не более 40 В Выходное напряжение 1,2..37 В Выходной ток во всем диапазоне напряжений, не более 3 А Ограничение выходного тока 3..4 А Частота преобразования 150 КГц Температура модуля без радиатора при tокр = 25° С, Uвх = 25 В, Uвых = 12 В при вых. токе 0,5 А 36° С при вых. токе 1 А 47° С при вых. токе 2 А 65° С при вых. токе 3 А 115° С КПД при Uвх = 25 В, Uвых = 12 В, Iвых = 3А 90% Диапазон рабочих температур -40..85° С Защита от переполюсовки нет Размеры модуля 43 х 40 х 12 мм Вес модуля 15 г Схема включения с вольтметром SVH0043 Схема включения стабилизатором тока 1,6 А Габаритные размеры

Приставка к блоку питания

Это преобразователь задумывался, как приставка, позволяющая расширить диапазон напряжений лабораторного блока питания, рассчитанного на выходное напряжение 12 вольт и ток 5 ампер. Принципиальная схема преобразователя показана на рисунке 1.

Основой устройства является микросхема однотактного широтно-импульсного контроллера UC3843N, включенная по типовой схеме. Непосредственно эта схема бала заимствована у немецкого радиолюбителя Георга Тиф (Tief G. Dreifacher Step-Up-Wandler. Stabile Spennunger fϋr den FieldDay). Данные на русском языке на эту микросхему можно посмотреть в справочнике «Микросхемы для импульсных источников питания и их применение» издательства «Додэка» на странице 103. Схема не сложная и при исправных деталях и правильном монтаже, начинает работать сразу же. Регулировка выходного напряжения преобразователя осуществляется при помощи подстроечного резистора R8. Но при желании, его можно поменять на резистор переменный. Величину выходного напряжения можно изменять от 15 до 40 вольт, при номиналах резисторов R8, R9, R10, указанных на схеме. Данный преобразователь был испытан с паяльником, рассчитанным на 24 вольта и мощностью 40 Вт.
И так:

Напряжение выхода ……………… 24 В
Ток нагрузки составил ……....... 1,68 А
Мощность нагрузки ………………. 40,488 Вт
Напряжение входа ………………... 10,2 В
Общий ток потребления ………. 4,65 А
Общая мощность …………………... 47,43 Вт
Получившийся КПД ………………... 85%
При этом температура активных компонентов схемы была в районе 50 градусов.

При этом ключевой транзистор и диод с барьером Шоттки имеют небольшие радиаторы. В качестве ключевого транзистора применен транзистор IRFZ34, имеющий сопротивление открытого канала 0,044 Ом, а в качестве диода применен один из диодов диодной сборки S20C40C, выпаянной из блока питания старого компьютера. На печатной плате предусмотрена коммутация диодов при помощи перемычки. Можно применить и другие диоды с барьером Шоттки с прямым током не менее чем в два раза превышающим ток нагрузки. Дроссель намотан на желтом с белым кольце из распыленного железа, так же взятым из блока питания ПК. Про такие сердечники можете почитать в брошюре Джима Кокса. Скачать ее можно из Сети. Вообще советую скачать эту статью и полностью прочитать. Много полезного материала по дросселям.

Магнитная проницаемость такого кольца равна 75, а его размеры – D = 26,9 mm; d = 14,5 mm; h = 11,1 mm. Обмотка дросселя имеет 24 витка любого обмоточного провода диаметром 1,5 мм.

Все детали стабилизатора установлены на печатной плате, причем с одной стороны установлены все «высокие» детали, а с другой – все, так сказать, «низкорослые». Рисунок печатной платы показан на рисунке 2.

Первое включение собранного устройства можно производить без ключевого транзистора и убедиться в работоспособности ШИМ-контроллера. При этом на выводе 8 микросхемы должно быть напряжение 5 вольт, это напряжение внутреннего источника опорного напряжения ИОН. Оно должно быть стабильны при изменении напряжения питания микросхемы. Стабильной должна быть и частота, и амплитуда пилообразного напряжения на выходе 4 DA1. Убедившись в работоспособности контроллера можно впаять и мощный транзистор. Все должно работать.

Не забывайте, что ток нагрузи стабилизатора, должен быть меньше тока, на который рассчитан ваш блок питания и его величина зависит от выходного напряжения стабилизатора. Без нагрузки на выходе стабилизатор потребляет ток примерно равный 0,08 А. Частота импульсной последовательности управляющих импульсов без нагрузки, находится в районе 38 кГц. И еще немного, если будете рисовать печатную плату сами, ознакомьтесь с правилами монтажа микросхемы по ее документации. Стабильная и безотказная работа импульсных устройств зависит не только от качественных деталей, но и в правильной разводке проводников печатной платы. Успехов. К.В.Ю.

Из этой статьи вы узнаете о:

Каждый из нас в своей жизни использует большое количество различных электроприборов. Очень большое их число нуждается в низковольтном питании. Другими словами они потребляют электроэнергию, которая не характеризуется напряжением в 220 вольт, а должна иметь от одного до 25-ти вольт.

Конечно, для подачи электроэнергии с таким количеством вольт используются специальные приборы. Однако, проблема возникает не в понижении напряжения, а в соблюдении ее стабильного уровня.

Для этого можно воспользоваться линейными стабилизационными устройствами. Однако такое решение будет очень громоздким удовольствием. Данную задачу идеально выполнит любой импульсный стабилизатор напряжения.

Разобранный импульсный стабилизатор

Если сравнивать импульсные и линейные стабилизационные приборы, то главное их отличие заключается в работе регулирующего элемента. В первом типе приборов этот элемент работает как ключ. Другими словами он находится или в замкнутом, или в разомкнутом состоянии.

Главными элементами импульсных стабилизационных устройств являются регулирующий и интегрирующий элементы. Первый обеспечивает подачу и прерывания подачи электрического тока. Задачей второго является накопление электроэнергии и постепенная ее отдача в нагрузку.

Принцип работы импульсных преобразователей

Принцип работы импульсного стабилизатора

Главный принцип работы заключается в том, что при замыкании регулирующего элемента электроэнергия накапливается в интегрирующем элементе. Это накопление наблюдается повышением напряжения. После того, когда регулирующий элемент отключается, т.е. размыкает линию подачи электричества, интегрирующий компонент отдает электричество, постепенно снижая величину напряжения. Благодаря такому способу работы импульсное стабилизационное устройство не тратит большого количества энергии и может иметь небольшие габариты.

Регулирующий элемент может представлять собой тиристор, биполярный транзитор или полевой транзистор. В качестве интегрирующих элементов могут использоваться дроссели, аккумуляторы или конденсаторы.

Заметим, что импульсные стабилизационные устройства могут работать двумя различными способами. Первый предполагает использование широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Второй - триггера Шмитта. Как ШИМ, так и триггер Шмитта используются для управления ключами стабилизационного устройства.

Стабилизатор с использованием ШИМ

Импульсный стабилизатор постоянного напряжения, который работает на основе ШИМ, кроме ключа и интегратора в своем составе имеет:

1. генератор;
2. операционный усилитель;
3. модулятор

Работа ключа напрямую зависит от уровня напряжения на входе и скважности импульсов. Влияние на последнюю характеристику осуществляют частота генератора и емкость интегратора. Когда ключ размыкается, начинается процесс отдачи электричества из интегратора в нагрузку.

Принципиальная схема стабилизатора ШИМ

При этом операционный усилитель сравнивает уровни выходного напряжения и напряжения сравнения, определяет разницу и передает необходимую величину усиления на модулятор. Этот модулятор осуществляет преобразование импульсов, которые выдает генератор, на прямоугольные импульсы.

Конечные импульсы характеризуются таким же отклонением скважности, которое пропорционально разности выходного напряжения и напряжения сравнения. Именно эти импульсы и определяют поведение ключа.

То есть при определенной скважности ключ может замыкаться, или размыкаться. Получается, что главную роль в этих стабилизаторах играют импульсы. Собственно от этого и пошло название этих устройств.

Преобразователь с триггером Шмитта

В тех импульсных стабилизационных приборах, которые используют триггер Шмитта, уже нет такого большого количества компонентов, как в предыдущем типе устройства. Здесь главным элементом является триггер Шмитта, в состав которого входит компаратор. Задачей компаратора является сравнение уровня напряжения на выходе и максимально допустимого ее уровня.

Стабилизатор с триггером Шмитта

Когда напряжение на выходе превысило свой максимальный уровень, триггер переключается в нулевую позицию и приводит к размыканию ключа. В это время дроссель или конденсатор разряжаются. Конечно, за характеристиками электрического тока постоянно следит вышеупомянутый компаратор.

И тогда, когда напряжение падает ниже требуемого уровня, фаза «0» меняется на фазу «1». Далее ключ замыкается, и электрический ток поступает в интегратор.

Преимуществом такого импульсного стабилизатора напряжения является то, что его схема и конструкция являются достаточно простыми. Однако он не может применяться во всех случаях.

Стоит отметить, что импульсные стабилизационные устройства могут работать только в отдельных направлениях. Здесь имеется в виду, что они могут быть как сугубо понижающими, так и сугубо повышающими. Также выделяют еще два типа таких приборов, а именно инвертирующий и устройство, которые могут произвольно изменять напряжение.

Схема снижающего импульсного стабилизационного прибора

В дальнейшем рассмотрим схему снижающего импульсного стабилизационного прибора. Он состоит из:

1. Регулирующего транзистора или любого другого типа ключа.
2. Катушки индуктивности.
3. Конденсатора.
4. Диода.
5. Нагрузки.
6. Устройства управления.

Узел, в котором будет накапливаться запас электроэнергии, состоит из самой катушки (дросселя) и конденсатора.

В то время, когда ключ (в нашем случае транзистор) подключен, ток движется к катушке и конденсатору. Диод находится в закрытом состоянии. То есть он не может пропускать ток.

За исходной энергией следит устройство управления, которое в нужный момент отключает ключ, то есть переводит его в состояние отсечки. Когда ключ находится в этом состоянии, происходит уменьшение тока, который проходит через дроссель.

Снижающий импульсный стабилизатор

При этом в дросселе меняется направление напряжения и результате ток получает напряжение, величина которого является разницей между электродвижущей силой самоиндукции катушки и количеством вольт на входе. В это время открывается диод и дроссель через него подает ток в нагрузку.

Когда запас электроэнергии исчерпывается, то происходит подключение ключа, закрытия диода и зарядка дросселя. То есть все повторяется.
Повышающий импульсный стабилизатор напряжения работает подобным образом, как и понижающий. Аналогичным алгоритмом работы характеризуется и инвертирующий стабилизационный прибор. Конечно, его работа имеет свои отличия.

Главное отличие импульсного повышающего устройства заключается в том, то в нем входное напряжение и напряжение катушки имеют одно и тот же направление. В результате они суммируются. В импульсном стабилизаторе сначала размещается дроссель, затем транзистор и диод.

В инвертирующем стабилизационном устройстве направление ЭДС самоиндукции катушки является таковым, как и в понижающем. В то время, когда подключается ключ и закрывается диод, питание обеспечивает конденсатор. Любой из таких приборов можно собрать собственноручно.

Полезный совет: вместо диодов можно использовать и ключи (тиристорные или транзисторные). Однако они должны выполнять операции, которые являются противоположными основном ключу. Другими словами, когда основной ключ закрывается, то ключ вместо диода должен открываться. И наоборот.

Выходя из вышеопределенного строения стабилизаторов напряжения с импульсным регулированием, можно определить те особенности, которые относятся к преимуществам, а которые к недостаткам.

Преимущества

Преимуществами этих устройств являются:

1. Достаточно легкое достижение такой стабилизации, которая характеризуется очень высоким коэффициентом.
2. КПД высокого уровня. Благодаря тому, что транзистор работает в алгоритме ключа, происходит малое рассеивание мощности. Это рассеяние значительно меньше, чем в линейных стабилизационных устройствах.
3. Возможность выравнивания напряжения, которое на входе может колебаться в очень большом диапазоне. Если ток является постоянным, то этот диапазон может составлять от одного до 75-ти вольт. Если же ток является переменный, то этот диапазон может колебаться в пределах 90-260 вольт.
4. Отсутствие чувствительности к частоте напряжения на входе и к качеству электропитания.
5. Конечные параметры на выходе являются достаточно устойчивыми даже при условии, если происходят очень большие изменения в токе.
6. Пульсация напряжения, которое выходит из импульсного устройства, всегда находится в пределах миливольтового диапазона и не зависит от того, какую мощность имеют подключенные электроприборы или их элементы.
7. Стабилизатор включается всегда мягко. Это означает, что на выходе ток не характеризуется прыжками. Хотя надо отметить, при первом включении выброс тока является высоким. Однако для нивелирования этого явления применяются термисторы, которые имеют отрицательный ТКС.
8. Малые величины массы и размеров.

Недостатки

1. Если же говорить о недостатках этих стабилизационных приборов, то они кроются в сложности устройства. Из-за большого количества различных компонентов, которые могут выйти из строя довольно быстро, и специфического способа работы прибор не может похвастаться высоким уровнем надежности.
2. Он постоянно сталкивается с высоким напряжением. Во время работы часто происходят переключения и наблюдаются сложные температурные условия для кристалла диода. Это однозначно влияет на пригодность к выпрямлению тока.
3. Частое переключение коммутирующих ключей создает частотные помехи. Их число очень велико и это является негативным фактором.

Полезный совет: для устранения этого недостатка нужно воспользоваться специальными фильтрами.

1. Их устанавливают как на входе, так и на выходе.В том случае, когда нужно сделать ремонт, то он также сопровождается сложностями. Здесь стоит отметить, что неспециалист поломку устранить не сможет.
2. Ремонтные работы может осуществить тот, кто хорошо разбирается в таких преобразователях тока и имеет необходимое количество навыков. Иными словами, если такой прибор сгорел и его пользователь не имеет никаких знаний об особенностях прибора, то лучше отнести на ремонт в специализированные компании.
3. Также для неспециалистов сложно настраивать импульсные стабилизаторы напряжения, в которые может входить 12 вольт или иное количество вольт.
4. В том случае, если выйдет из строя тиристор или любой другой ключ, могут возникнуть очень сложные последствия на выходе.
5. К минусам относится и потребность в использовании приборов, которые будут компенсировать коэффициент мощности. Также некоторые специалисты отмечают, что такие стабилизационные устройства стоят дорого и не могут похвастаться большим количеством моделей.

Сферы применения

Но, несмотря на это, такие стабилизаторы могут применяться в очень многих сферах. Однако наиболее употребляются они в радионавигационном оборудовании и электронике.

Кроме этого, их часто применяют для телевизоров с жидкокристаллическим дисплеем и жидкокристаллических мониторов, источников питания цифровых систем, а также для промышленного оборудования, которое нуждается в токе с низким количеством вольт.

Полезный совет: часто импульсные стабилизационные устройства используют в сетях с переменным током. Сами устройства превращают такой ток в постоянный и в том случае, если нужно подключить пользователей, нуждающихся в переменном токе, то на входе нужно подключить фильтр сглаживания и выпрямитель.

Стоит отметить, что любой низковольтный прибор требует использования таких стабилизаторов. Также их можно использовать для непосредственной подзарядки различных аккумуляторов и питания мощных светодиодов.

Внешний вид

Как уже отмечалось выше, преобразователи тока импульсного типа характеризуются небольшими размерами. В зависимости от того, на какой диапазон входных вольт они рассчитаны, зависит их размер и внешний вид.

Если они предназначены для работы с очень малой величиной входного напряжения, то они могут представлять собой малую пластмассовую коробку, от которой отходит определенное количество проводов.

Стабилизаторы, рассчитанные на большое количество входных вольт, представляют собой микросхему, в которой находятся все провода и к которой подключаются все компоненты. О них вы уже узнали.

Внешний вид этих стабилизационных устройств также зависит и от функционального назначения. Если они обеспечивают выход регулируемого (переменного) напряжения, то резиторный делитель размещают вне интегральной схемы. В том случае, если из прибора будет выходить фиксированное количество вольт, то этот делитель уже находится в самой микросхеме.

Важные характеристики

При подборе импульсного стабилизатора напряжения, который может выдавать постоянные 5в или иное количество вольт, обращают внимание на ряд характеристик.

Первой и самой важной характеристикой являются величины минимального и максимального напряжения, которое будет входить в сам стабилизатор. О верхних и нижних границах этой характеристики уже отмечалось.

Вторым важным параметром является наиболее высокий уровень тока на выходе.

Третьей важной характеристикой является номинальный уровень выходного напряжения. Иными словами спектр величин, в рамках которого оно может находиться. Стоит отметить, что многие эксперты утверждают, что максимальное входное и выходное напряжения равны.

Однако в реальности это не так. Причиной этого является то, что входные вольты уменьшаются на ключевом транзисторе. В результате на выходе получается несколько меньшее количество вольт. Равенство может быть только тогда, когда ток нагрузки являются очень малым. То же самое касается и минимальных значений.

Важной характеристикой любого импульсного преобразователя является точность напряжения на выходе.

Полезный совет: на этот показатель следует обращать внимание тогда, когда стабилизационное устройство обеспечивает выход фиксированного количества вольт.

Причиной этого является то, что резистор находится в середине преобразователя и точные его работы определяются в производства. Когда число выходных вольт регулируется пользователем, то регулируется и точность.

LM2596 понижает входное (до 40 В) напряжение - выходное регулируется, ток 3 А. Идеален для светодиодов в машине. Очень дешёвые модули - около 40 рублей в Китае.

Компания Texas Instruments выпускает качественные, надежные, доступные и дешёвые, удобные в применении DC-DC контроллеры LM2596. Китайские заводы выпускают на её основе сверхдешёвые импульсные понижающие (stepdown) конвертеры: цена модуля на LM2596 примерно 35 рублей (вместе с доставкой). Я советую купить сразу партию в 10 штук - для них всегда найдётся применение, при этом цена опустится до 32 рублей, и меньше 30 рублей при заказе 50 штук. Подробнее о расчёте обвязки микросхемы, регулировке тока и напряжения, его применении и о некоторых минусах конвертера.

Типичный метод использования - стабилизированный источник напряжения. На основе этого стабилизатора легко сделать импульсный блок питания, я применяю её как простой и надёжный лабораторный блок питания, выдерживающий короткое замыкание. Они привлекательны постоянством качества (похоже, все они делаются на одном заводе - да и сложно сделать ошибки в пяти деталях), и полным соответствием даташиту и заявленным характеристикам.

Другая область применения - импульсный стабилизатор тока для питания мощных светодиодов . Модуль на этой микросхеме позволит вам подключить автомобильную светодиодную матрицу на 10 Ватт, дополнительно обеспечив защиту от КЗ.

Крайне рекомендую купить их десяток штук - обязательно пригодятся. Они по–своему уникальны - входное напряжение вплоть до 40 вольт, и требуется лишь 5 внешних компонентов. Это удобно - можно поднять напряжение на шине электропитания умного дома до 36 вольт, уменьшив сечение кабелей. В точках потребления ставим такой модуль и настраиваем его на нужные 12, 9, 5 вольт или сколько понадобится.

Рассмотрим их подробнее.

Характеристики микросхемы:

• Входное напряжение - от 2.4 до 40 вольт (до 60 вольт в версии HV)
• Выходное напряжение - фиксированное либо регулируемое (от 1.2 до 37 вольт)
• Выходной ток - до 3 ампер (при хорошем охлаждении - до 4.5А)
• Частота преобразования - 150кГц
• Корпус - TO220-5 (монтаж в отверстия) либо D2PAK-5 (поверхностный монтаж)
• КПД - 70-75% на низких напряжениях, до 95% на высоких

1. Источник стабилизированного напряжения
2. Схема преобразователя
3. Даташит
4. USB-зарядник на основе LM2596
5. Стабилизатор тока
6. Применение в самодельных устройствах
7. Регулировка выходного тока и напряжения
8. Улучшенные аналоги LM2596

История - линейные стабилизаторы

Для начала, объясню чем плохи стандартные линейные преобразователи напряжения вроде LM78XX (например 7805) или LM317. Вот его упрощённая схема.

Главный элемент такого преобразователя - мощный биполярный транзистор, включенный в своём «исконном» значении - как управляемый резистор. Этот транзистор входит в состав пары Дарлингтона (для увеличения коэффициента передачи по току и снижения мощности, необходимой на работу схемы). Базовый ток задаётся операционным усилителем, который усиливает разность между выходным напряжением и заданным с помощью ИОН (источник опорного напряжения), т.е. он включен по классической схеме усилителя ошибки.

Таким образом, преобразователь просто включает резистор последовательно с нагрузкой, и управляет его сопротивлением чтобы на нагрузке гасилось, к примеру, ровно 5 вольт. Нетрудно посчитать что при понижении напряжения с 12 вольт до 5 (очень частый случай применения микросхемы 7805) входные 12 вольт распределяются между стабилизатором и нагрузкой в отношении «7 вольт на стабилизаторе + 5 вольт на нагрузке». На токе в полампера на нагрузке выделяется 2.5 ватта, а на 7805 - целых 3.5 ватта.

Получается что «лишние» 7 вольт просто гасятся на стабилизаторе, превращаясь в тепло. Во-первых, из-за этого возникают проблемы с охлаждением, а во-вторых на это уходит много энергии из источника питания. При питании от розетки это не очень страшно (хотя всё равно наносится вред экологии), а при батарейном или аккумуляторном питании об этом нельзя не помнить.

Другая проблема - таким методом вообще невозможно сделать повышающий преобразователь. Часто такая потребность возникает, и попытки решить этот вопрос двадцать-тридцать лет назад поражают - насколько сложен был синтез и расчёт таких схем. Одна из простейших схем такого рода - двухтактный преобразователь 5В->15В.

Нужно признать, что он обеспечивает гальваническую развязку, однако он неэффективно использует трансформатор - каждый момент времени задействована лишь половина первичной обмотки.

Забудем это как страшный сон и перейдём к современной схемотехнике.

Источник напряжения

Схема

Микросхема удобна в применении в качестве step–down конвертера: мощный биполярный ключ находится внутри, осталось добавить остальные компоненты регулятора - быстрый диод, индуктивность и выходной конденсатор, также возможно поставить входной конденсатор - всего 5 деталей.

В версии LM2596ADJ также потребуется схема задания выходного напряжения, это два резистора или один переменный резистор.

Схема понижающего преобразователя напряжения на основе LM2596:

Вся схема вместе:

Здесь можно скачать даташит/datasheet на LM2596 .

Принцип работы: управляемый ШИМ–сигналом мощный ключ внутри устройства посылает импульсы напряжения на индуктивность. В точке А x% времени присутствует полное напряжение, и (1–x)% времени напряжение равно нулю. LC–фильтр сглаживает эти колебания, выделяя постоянную составляющую, равную x * напряжение питания. Диод замыкает цепь, когда транзистор выключен.

Подробное описание работы

Индуктивность противится изменению тока через неё. При появлении напряжения в точке А дроссель создаёт большое отрицательное напряжение самоиндукции, и напряжение на нагрузке становится равно разности напряжения питания и напряжения самоиндукции. Ток индуктивности и напряжение на нагрузке постепенно растут.

После пропадания напряжения в точке А дроссель стремится сохранить прежний ток, текущий из нагрузки и конденсатора, и замыкает его через диод на землю - он постепенно падает. Таким образом, напряжение на нагрузке всегда меньше входного напряжения и зависит от скважности импульсов.

Выходное напряжение

Модуль выпускается в четырёх версиях: с напряжением 3.3В (индекс –3.3), 5В (индекс –5.0), 12В (индекс –12) и регулируемая версия LM2596ADJ. Имеет смысл везде применять именно настраиваемую версию, поскольку она в большом количестве есть на складах электронных компаний и вы вряд ли столкнётесь с её дефицитом - а она требует дополнительно лишь два копеечных резистора. Ну и конечно, версия на 5 вольт тоже пользуется популярностью.

Количество на складе - в последнем столбце.

Можно сделать задание выходного напряжения в виде DIP-переключателя, хороший пример этого приведён здесь, либо в виде поворотного переключателя. В обоих случаях потребуется батарея точных резисторов - зато можно настраивать напряжение без вольтметра.

Корпус

Существует два варианта корпусов: корпус для планарного монтажа TO–263 (модель LM2596S) и корпус для монтажа в отверстия TO–220 (модель LM2596T). Я предпочитаю применять планарную версию LM2596S, поскольку в этом случае радиатором является сама плата, и отпадает необходимость покупать дополнительный внешний радиатор. К тому же её механическая стойкость гораздо выше, в отличие от TO-220, которую обязательно надо к чему–то привинчивать, хотя бы даже к плате - но тогда проще установить планарную версию. Микросхему LM2596T-ADJ я рекомендую использовать в блоках питания, потому что с её корпуса легче отвести большое количество тепла.

Сглаживание пульсаций входного напряжения

Можно использовать как эффективный «интеллектуальный» стабилизатор после выпрямления тока. Поскольку микросхема следит непосредственно за величиной выходного напряжения, колебания входного напряжения вызовут обратно пропорциональное изменение коэффициента преобразования микросхемы, и выходное напряжение останется в норме.

Из этого следует, что при использовании LM2596 в качестве понижающего преобразователя после трансформатора и выпрямителя, входной конденсатор (т.е. тот который стоит сразу после диодного моста) может иметь небольшую ёмкость (порядка 50-100мкФ).

Выходной конденсатор

Благодаря высокой частоте преобразования выходной конденсатор тоже не обязан иметь большую ёмкость. Даже мощный потребитель не успеет значительно посадить этот конденсатор за один цикл. Проведём расчёт: возьмём конденсатор в 100мкФ, 5В выходного напряжения и нагрузку, потребляющую 3 ампера. Полный заряд конденсатора q = C*U = 100e-6 мкФ * 5 В = 500e-6 мкКл.

За один цикл преобразования нагрузка заберёт из конденсатора dq = I*t = 3 А * 6.7 мкс = 20 мкКл (это всего 4% от полного заряда конденсатора), и тут же начнётся новый цикл, и преобразователь засунет в конденсатор новую порцию энергии.

Самое главное - не используйте в качестве входного и выходного конденсатора танталовые конденсаторы. У них прямо в даташитах пишут - «не использовать в цепях питания», потому что они очень плохо переносят даже кратковременные превышения напряжения, и не любят высокие импульсные токи. Используйте обычные алюминиевые электролитические конденсаторы.

Эффективность, КПД и тепловые потери

КПД не так высок, поскольку в качестве мощного ключа используется биполярный транзистор - а он имеет ненулевое падение напряжения, порядка 1.2В. Отсюда и падение эффективности при маленьких напряжениях.

Как видим, максимальная эффективность достигается при разности входного и выходного напряжений порядка 12 вольт. То есть, если нужно уменьшить напряжение на 12 вольт - в тепло уйдёт минимальное количество энергии.

Что такое эффективность преобразователя? Это величина, характеризующая токовые потери - на выделение тепла на полностью открытом мощном ключе по закону Джоуля-Ленца и на аналогичные потери при переходных процессах - когда ключ открыт, допустим, лишь наполовину. Эффекты от обоих механизмов могут быть сравнимы по величине, поэтому не нужно забывать про оба пути потерь. Небольшая мощность идёт также на питание самих «мозгов» преобразователя.

В идеальном случае, при преобразовании напряжения с U1 до U2 и выходном токе I2 выходная мощность равна P2 = U2*I2, входная мощность равна ей (идельный случай). Значит, входной ток составит I1 = U2/U1*I2.

В нашем же случае преобразование имеет эффективность ниже единицы, поэтому часть энергии останется внутри прибора. Например, при эффективности η выходная мощность составит P_out = η*P_in, а потери P_loss = P_in-P_out = P_in*(1-η) = P_out*(1-η)/η. Конечно, преобразователь вынужден будет увеличить входной ток, чтобы поддерживать заданные выходные ток и напряжение.

Можно считать, что при преобразовании 12В -> 5В и выходном токе 1А потери в микросхеме составят 1.3 ватта, а входной ток будет равен 0.52А. В любом случае это лучше любого линейного преобразователя, который даст минимум 7 ватт потерь, и потребит из входной сети (в том числе на это бесполезное дело) 1 ампер - в два раза больше.

Кстати, микросхема LM2577 имеет в три раза меньшую частоту работы, и её эффективность несколько выше, поскольку меньше потерь в переходных процессах. Однако, ей нужны в три раза более высокие номиналы дросселя и выходного конденсатора, а это лишние деньги и размер платы.

Увеличение выходного тока

Несмотря на и так довольно большой выходной ток микросхемы, иногда требуется ещё бОльший ток. Как выйти из этой ситуации?

1. Можно запараллелить несколько преобразователей. Конечно, они должны быть настроены точно на одно и то же выходное напряжение. В таком случае нельзя обойтись простыми SMD-резисторами в цепи задания напряжения Feedback, нужно использовать либо резисторы с точностью 1%, либо вручную задавать напряжение переменным резистором.

Если нет уверенности в маленьком разбросе напряжений — лучше параллелить преобразователи через небольшой шунт, порядка нескольких десятков миллиом. Иначе вся нагрузка ляжет на плечи преобразователя с самым высоким напряжением и он может не справиться. 2. Можно использовать хорошее охлаждение — большой радиатор, многослойная печатная плата большой площади. Это даст возможность [поднять ток](/lm2596-tips-and-tricks/ "Применение LM2596 в устройствах и разводка платы") до 4.5А. 3. Наконец, можно [вынести мощный ключ](#a7) за пределы корпуса микросхемы. Это даст возможность применить полевой транзистор с очень маленьким падением напряжения, и здорово увеличит как выходной ток, так и КПД.

USB-зарядник на LM2596

Можно сделать очень удобный походный USB-зарядник. Для этого необходимо настроить регулятор на напряжение 5В, снабдить его USB-портом и обеспечить питание зарядника. Я использую купленный в Китае радиомодельный литий-полимерный аккумулятор, обеспечивающий 5 ампер-часов при напряжении 11.1 вольта. Это очень много - достаточно для того чтобы 8 раз зарядить обычный смартфон (не учитывая КПД). С учётом КПД получится не меньше 6 раз.

Не забудьте замкнуть контакты D+ и D- гнезда USB, чтобы сообщить телефону что он подключен к заряднику, и передаваемый ток неограничен. Без этого мероприятия телефон будет думать, что он подключен к компьютеру, и будет заряжаться током в 500мА - очень долго. Более того, такой ток может даже не скомпенсировать ток потребления телефона, и аккумулятор вовсе не будет заряжаться.

Также можно предусмотреть отдельный вход 12В от автомобильного аккумулятора с разъёмом прикуривателя - и переключать источники каким-либо переключателем. Советую установить светодиод, который будет сигнализировать что устройство включено, чтобы не забыть выключить батарею после полной зарядки - иначе потери в преобразователе полностью посадят резервную батарею за несколько дней.

Такой аккумулятор не слишком подходит, потому что он рассчитан на высокие токи - можно попробовать найти менее сильноточную батарею, и она будет иметь меньшие размеры и вес.

Стабилизатор тока

Регулировка выходного тока

Возможна только в версии с настраиваемым выходным напряжением (LM2596ADJ). Кстати, китайцы делают и такую версию платы, с регулировкой напряжения, тока и всевозможной индикацией - готовый модуль стабилизатора тока на LM2596 с защитой от КЗ, можно купить под названием xw026fr4.

Если вы не хотите применять готовый модуль, и желаете сделать эту схему самостоятельно - ничего сложного, за одним исключением: у микросхемы нет возможности управления током, однако её можно добавить. Я объясню, как это сделать, и попутно разъясню сложные моменты.

Применение

Стабилизатор тока - штука, нужная для питания мощных светодиодов (кстати - мой проект микроконтроллерного драйвера мощного светодиода ), лазерных диодов, гальваники, заряда аккумуляторов. Как и в случае со стабилизаторами напряжения, есть два типа таких устройств - линейный и импульсный.

Классический линейный стабилизатор тока - это LM317, и он вполне хорош в своём классе - но его предельный ток 1.5А, для многих мощных светодиодов этого недостаточно. Даже если умощнить этот стабилизатор внешним транзистором - потери на нём просто неприемлемы. Весь мир катит бочку на энергопотребление лампочек дежурного питания, а тут LM317 работает с КПД 30% Это не наш метод.

А вот наша микросхема - удобный драйвер импульсного преобразователя напряжения, имеющий много режимов работы. Потери минимальны, поскольку не применяется никаких линейных режимов работы транзисторов, только ключевые.

Изначально она предназначалась для схем стабилизации напряжения, однако несколько элементов превращают её в стабилизатор тока. Дело в том, что микросхема всецело полагается на сигнал «Feedback» в качестве обратной связи, а вот что на него подавать - это уже наше дело.

В стандартной схеме включения на эту ногу подаётся напряжение с резистивного делителя выходного напряжения. 1.2В - это равновесие, если Feedback меньше - драйвер увеличивает скважность импульсов, если больше - уменьшает. Но ведь можно на этот вход подать напряжение с токового шунта!

Шунт

Например, на токе 3А нужно взять шунт номиналом не более 0.1Ом. На таком сопротивлении этот ток выделит около 1Вт, так что и это много. Лучше запараллелить три таких шунта, получив сопротивление 0.033Ом, падение напряжения 0.1В и выделение тепла 0.3Вт.

Однако, вход Feedback требует напряжение 1.2В - а мы имеем лишь 0.1В. Ставить бОльшее сопротивление нерационально (тепла будет выделяться в 150 раз больше), поэтому остаётся как-то увеличить это напряжение. Делается это с помощью операционного усилителя.

Неинвертирующий усилитель на ОУ

Классическая схема, что может быть проще?

Объединяем

Теперь объединяем обычную схему преобразователя напряжения и усилитель на ОУ LM358, к входу которого подключаем токовый шунт.

Мощный резистор 0.033 Ом - это и есть шунт. Его можно сделать из трёх резисторов 0.1 Ом, соединённых параллельно, а для увеличения допустимой рассеиваемой мощности - используйте SMD-резисторы в корпусе 1206, поставьте их с небольшим промежутком (не вплотную) и постарайтесь максимально оставить слой меди вокруг резисторов и под ними. На выход Feedback подключен небольшой конденсатор, чтобы устранить возможный переход в режим генератора.

Регулируем и ток и напряжение

Давайте заведём на вход Feedback оба сигнала - и ток, и напряжение. Для объединения этих сигналов воспользуемся обычной схемой монтажного «И» на диодах. Если сигнал тока выше сигнала напряжения - он будет доминировать и наоборот.

Пару слов о применимости схемы

Вы не можете регулировать выходное напряжение. Хотя невозможно регулировать одновременно и выходной ток, и напряжение - они пропорциональны друг другу, с коэффициентом «сопротивление нагрузки». А если блок питания реализует сценарий вроде «постоянное выходное напряжение, но при превышении тока начинаем уменьшать напряжение», т.е. CC/CV - то это уже зарядное устройство.

Максимальное напряжение питания схемы - 30В, поскольку это предел для LM358. Можно расширить этот предел до 40В (или 60В с версией LM2596-HV), если питать ОУ от стабилитрона.

В последнем варианте в качестве суммирующих диодов необходимо использовать диодную сборку, поскольку в ней оба диода сделаны в рамках одного технологического процесса и на одной пластине кремния. Разброс их параметров будет гораздо меньше разброса параметров отдельных дискретных диодов - благодаря этому мы получим высокую точность отслеживания значений.

Также нужно внимательно следить за тем, чтобы схема на ОУ не возбудилась и не перешла в режим генерации. Для этого старайтесь уменьшить длину всех проводников, а особенно дорожки, подключенной к 2 выводу LM2596. Не располагайте ОУ вблизи этой дорожки, а диод SS36 и конденсатор фильтра расположите ближе к корпусу LM2596, и обеспечьте минимальную площадь петли земли, подключенной к этим элементам - необходимо обеспечить минимальную длину пути возвратного тока «LM2596 -> VD/C -> LM2596″.

Применение LM2596 в устройствах и самостоятельная разводка платы

О применении микросхемы в своих устройствах не в виде готового модуля я подробно рассказал в другой статье , в которой рассмотрены: выбор диода, конденсаторов, параметров дросселя, а также рассказал про правильную разводку и несколько дополнительных хитростей.

Возможности дальнейшего развития

Улучшенные аналоги LM2596

Проще всего после этой микросхемы перейти на LM2678 . По сути - это тот же самый stepdown преобразователь, только с полевым транзистором, благодаря которому КПД поднимается до 92%. Правда, у него 7 ног вместо 5, и он не pin-to-pin совместимый. Тем не менее эта микросхема очень похожа, и будет простым и удобным вариантом с улучшенной эффективностью.

L5973D – довольно старая микросхема, обеспечивающая до 2.5А, и немного более высокий КПД. Также у неё почти в два раза выше частота преобразования (250 кГц) - следовательно, требуются меньшие номиналы индуктивности и конденсатора. Однако, я видел что с ней происходит, если поставить её напрямую в автомобильную сеть - довольно часто выбивает помехами.

ST1S10 - высокоэффективный (КПД 90%) DC–DC stepdown преобразователь.

• Требует 5–6 внешних компонентов;

ST1S14 - высоковольтный (до 48 вольт) контроллер. Большая частота работы (850 кГц), выходной ток до 4А, выход Power Good, высокий КПД (не хуже 85%) и схема защиты от превышения тока нагрузки делают его, наверное, лучшим преобразователем для питания сервера от 36–вольтового источника.

Если требуется максимальный КПД - придётся обращаться к неинтегрированным stepdown DC–DC контроллерам. Проблема интегрированных контроллеров в том, что в них никогда не бывает классных силовых транзисторов - типичное сопротивление канала не выше 200мОм. Однако если взять контроллер без встроенного транзистора - можно выбрать любой транзистор, хоть AUIRFS8409–7P с сопротивлением канала в пол–миллиома

DC-DC преобразователи с внешним транзистором

Следующая часть