Мощный понижающий преобразователь напряжения dc dc схема

Мощный понижающий преобразователь напряжения dc dc схема

Сразу после первого вояжа на машине с семьёй на море возникла идея сделать в автомобиле стационарную разводу розеток под USB для зарядки мобильных устройств. Кстати сейчас новые автомобили стали уже комплектовать с инверторами на 220В и соответственно розетками на 5В. Я таких машин ещё не встречал.
Да, в продаже если и есть адаптеры на для мобильных ПК то они предназначены для зарядки одного, максимум двух устройств при условии, что второе устройство не такое уж мощное. У меня в машине и так постоянно подключены 3 адаптера, но спрятаны они под колодкой предохранителей. А пассажиры пользуются адаптером, который втыкается в разъём в пепельнице, что мне не очень удобно, так как его постоянно задеваю при переключении передач. После дня пути обычно у пассажиров разрежаются все устройства и начинается возня с зарядками мобильников. Приходится даже свой навигатор отключать, чтобы зарядить чьё нибудь устройство. Можно было сделать, как делают многие, покупают колодку на несколько адаптеров и сопли проводов тянутся по всему салону. И так требуется устройство выдающие положенные 5 вольт и мощностью 10А. Много? Прикинем: 4 телефона, потребляют около 1А каждый, планшет порядка 2А, навигатор больше 0,5А видеорегистратор тоже 0,5А и радар-детектор около 0,5А. И того 7, 5 А. В процессе было собранно 3 преобразователя, но не один не мог выдерживать и 3А продолжительное время. Один так вообще загорелся.

Нормально заработала только эта схема, взятая с сайта РадиоКот www.radiokot.ru/circuit/power/converter/11/ автор которой Поляников Игорь (OldPol).
Так же на этой странице подробное описание процесса изготовления DC/DC преобразователя. Я не стал слепо копировать, перечертил схему устройства в DipTrace и сам развёл плату.

Схема преобразователя DC/DC на MC34063

Да, моя плата далека от идеала, умение разводить плату сравнимо с талантом. Полевик с диодом расположил так, чтобы можно было прицепить практически любой радиатор, сделав плату чуть длиннее, а крепёж уже по месту. Специально подгонять плату под корпус не стал в виду отсутствия такового. Нет принципиальной важности, использовать именно те детали, что использовал Игорь. У меня почти всё нашлось в первом раскуроченном блоке питания от компьютера. Не поспешил бы я выбросить сам корпус от БП можно было схему уместить в нём.

Для изготовления устройства понадобилось:
1. Конденсатор керамический С1 470 пФ (1шт)
2. Конденсатор электролитический С3,С5,С6 1000 мкФ, 16В (3шт)
3. Конденсатор электролитический С2 100 мкФ, 16В (1шт)
4. Конденсатор электролитический С4 470 мкФ, 25В лучше 50В(1шт)
5. Индуктивности DR1, DR2 типа гантелька (2шт)
6. Трансформатор импульсный DR3 кольцевой (1шт)
7. Индуктивность типа пенёк DR4 (1шт)
8. Винтовой клемник J1 (1шт)
9. Резистор R1 1,2 кОм (1шт)
10. Резистор R2 3,6 кОм (1шт)
11. Резистор R3 5,6 кОм (1шт)
12. Резистор R4 2,2 кОм (1шт)
13. Резистор R5 2,2 кОм или 1 кОм на 1ват (1шт)
14. Микроконтроллер U1 MC34063
15. Диод VD1, VD3 FR155 (2шт)
16. Диод VD2 SBL25L25CT (1шт)
17. Транзистор биполярный VT1 2SC1846 (1шт)
18. Полевой транзистор IRL3302 (1шт)
19. Панелька DIP8 (1шт)
20. Корпус по произвольным размерам

Основные компоненты: это сама микросхема U1, импульсный трансформатор DR3, мощный N канальный полевик VT2(может быть любым используемый в цепях питания) и диодная сборка VD2. Трансформатор VD3 изготовил из такого же трансформатора с того самого БП. Кольцо из пресспермалоя, желтого цвета. 27мм. Первичную обмотку набил проводом 2мм 22 витка, вторичную обмотку намотал проводом тоньше, 0,55мм 44 витка.
Индуктивности DR1 DR2 типа гантелька взял как есть из БП. Индуктивность типа пенёк DR4 тоже самое. Транзистор и диод разместил на радиаторе от того же БП.
Всё собрал на печатной плате собственной разработки. В ходе лабораторных испытаний пришлось внести изменения в предложенную автором схему. Дело в том что сам автор указывает на то что резистор R5 греется, даже замена на более мощный резистор проблему не решает. В течении часа резистор этот у меня почернел и обуглился. Решил попробовать увеличить сопротивление до 2,2кОм и всё греться он перестал. Транзистор VT1, перестраховался, заменил на более мощный. Трансформатор DR3 тоже сначала не много грелся, перемотал, добавил количество витков в первичную и во вторичную обмотки, стало 30 и 60. Не знаю что там с фронтами открытия полевого транзистора но схема работает нормально, при нагрузке в 2А устройство остаётся холодным. Радиаторы на транзистор и диод можно большие не ставить. Поставил на выходе +5В ферритовое кольцо, для уменьшения помех.

Вот мой первый, рабочий, испытательный прототип.

Испытание на сопротивление 1Ом сопротивление быстро нагрелось сила тока на фото.

И последние, кипятильник на 5В в работе. Смотрите силу тока на фото. Да вот тут уже начали греться транзистор с диодом.

Читайте также:  Заливное из мяса говядины с желатином рецепт

Испытывал свой преобразователь на 5А работал почти весь день так немного тёплый. Потом нашёл старый блок питания от монитора которого уже нет. Плату пустил в разбор, в корпус уместил свою схему. Транзистор и диод расположил на кулере от старого ноутбука. В противоположной стороне коробки просверлил ряд отверстий. Очень даже получилось ничего. Воздух будет прокачиваться через всю схему.

Готовое устройство на установку в автомобиль.

Розетки двойные под USB планирую врезать в одну в переднюю панель вместо кнопки-зглушки и вторую к задним пассажирам в подлокотник передних сидений. Также думаю одинарную розетку в панель передней левой стойки и подвести питание к видеорегистратору который находится у зеркала. По данной схеме можно собрать вообще универсальный блок питания, то есть добавить каскад преобразования из 12В в 19В для питания ноутбука, что планирую в будущем.

Если вам нужен мощный и эффективный преобразователь низкого напряжения, например нужно получить +12в из имеющихся на борту камаза +24в и при этом нужна защита от превышения выходного тока и ещё и нельзя разрывать минусовой, общий провод то эта статья для вас.

Входное напряжение 15. 30в

Выходное напряжение 2. 15в

Выходной ток 20а (легко поднять вплоть до 50а)

Эффективность более 90%

Основное ТЗ: преобразователь из +24в в +12в для питания нагрузки (10. 250Вт) в грузовик с потерями на преобразование менее 10% и защитой выхода от перегрузки по току путём ограничения тока.

Сразу к делу, вот такая получилась у меня схемка:

Чтобы не было вопросов вроде "А почему тут такой компонент, почему тут такой номинал, почему тут такое количество ?" и тп. отвечу сразу: Делал из того что было в наличии по тем знаниям которые имел.

ШИМ U2 применён UC3843 как самый полнофункциональный и оптимальный по соотношению ценавозможности. Драйвер U4 IR2104 как самый дешёвый (надо всё же их куда то девать) вполне нормально прокачивает силовой ключь IRF3205 (почемуто люблю я именно их 110а 8мОм), выходной выпрямитель D3 я поставил MBR20100C который в паре с полевым транзистором (который управляется нижним плечём драйвера) и берёт на себя большую часть выходного тока. Такая парочка обеспечивает на выходе более чем достаточный для нагрузки ток, т.к. шоттки D3 работает только в короткий промежуток времени когда основной ключь Q1 уже закрылся а нижний ключ Q2 благодаря имеющейся в U4 задержке в 520 нсек ещё не открылся. Можно нижний ключь Q2 не ставить и всю работу на себя возмёт D2. В моём примере разводки платы предусмотрено два посадочных места для двух полевых транзисторов Q2, и я впаял на одно место полевик на другое место шоттки в аналогичном корпусе (ТО220). Короче, чтоб не загружать вам мозг ток диода D3 составляет менее 13 выходного тока.

Немного о контроле выходного тока.

Как известно для контроля выходного тока в плюсовом проводе есть много разных способов, самы доступный это низкоомный резистор падение напряжения на котором в дальнейшем усиливают и подают в цепь ОС, есть две основные схемы:

Дифференцианальный усилитель и преобразователь ток-напряжение , поигравшись с дифференциональным усилителем я пришёл к выводу что искат для него точные резисторы с допуском 1% и потом подстраивать ещё и многооборотным подстроечником это слишком кропотливо для такого простого применения, поэтому применил преобразователь ток-напряжение . В таком случае нам не потребуется двухполярное питание и всё что нужно это простое однополярное питание главное чтобы оно было хотя бы на пару вольт выще контролируемого, т.е. при выходном напряжении например +12в питание ОУ должно быть не ниже +14в что очень легко обеспечить имея на входе +24в.

Коэффициент усиления такой схемы Ку = R6*(R10/R9) , а напряжение на резисторе R10 = Ку*выходной ток. т.е. если R10 = 1.2кОм, R9 = 104ом, R6 = 0.0333ом, Ку = 0,3845 что при выходном токе 1,8а даст 0,7в на резисторе R10, соответственно при 18а на R10 будет .

Питание U3 производится через резистор R11 и ограничено стабилитроном D4 на 20в, это не обязательные элементы, я например D4 вообще не стал впаивать зная что входное напряжение не превысит 30в.

Токовый вход U2 имеет порог 1.0в, для настройки тока огранияения служит подстроечник RV1, на который поступает напряжение с повторителя напряжения выполненного на втором компараторе имеющемся в 8ногом корпусе LM358.

Цепь стабилизации напряжения это делитель выходного напряжения на резисторах R2 и R3 с выхода делителя напряжение поступает на вход ОС по напряжению U2 на этом входе напряжение сравнивается с ИОН имеющем потенциал 2,5в соответственно делитель расчитываем исходя из опорного 2,5в, для делителя R3 9.1кОм и R2 2.2кОм расчётное выходное напряжение преобразователя составляет 12,8в.

D2 показывает что сервисное питание +12в имеется

Читайте также:  Как выбрать цифровой приемник для телевизора

D5 показывает что выходное напряжение +13в также имеется

Диод D1 для тех кто любит путать полярность питающих проводов и задумка здесь в том чтобы летящие искры заствалили любителя путать полярность задуматся, впаивается вместо одного из входных электролитов.

Стабилизатор U1 на +12в обеспечивает питанием ШИМ U2 UC3843 и драйвер U4 IR2104. Есть 4 вида этого ШИМа что даёт вам дополнительные возможности:

  1. UC1842A — максимальный КЗ = 100% UVLO On = 16в UVLO Off = 10в
  2. UC1843A — максимальный КЗ = 100% UVLO On = 8,5в UVLO Off = 7,9в
  3. UC1844A — максимальный КЗ = 50% UVLO On = 16в UVLO Off = 10в
  4. UC1845A — максимальный КЗ = 50% UVLO On = 8,5в UVLO Off = 7,9в

UVLO Off — это напряжение питания при падении до которого ШИМ блокирует внутренюю логику, соответственно UVLO On — это напряжение при достижении которого выходная логика разблокируется это даёт вам возможность сделать БП который будет выключатся при падении напряжения питания до величины 10 или 7,9в и автоматического запуска при увеличении питающего напряжения до 16 и 8,5в соответственно, для этого нужно запитать ШИМ контролируемым напряжением, при этом учтите что высота выходных импульсов для UC384х в 8ногом корпусе будет равна напряжению на выводе питания (7я нога).

Пару слов о драйвере, здесь всё стандартно, нужно зашунтировать питание С17 и вольтодобавку С19, диод через который подпитывется конденстаор С19 должен успевать это делать поэтому лучше забудте о всяких там 1N4007.

С описанием схемы закончил, теперь немного о моём варианте разводки платы.

  • Основные требования исходя из которых я разводил плату:
  • обеспечить 4 посадочных места для входных электролитов диаметром до 13мм каждый
  • обеспечить 4 посадочных места для входных электролитов диаметром до 13мм каждый
  • обеспечить 4 посадочных места для низкоомных резисторов шунта в стандартном керамическом корпусе 5Вт
  • микросхемы ШИМа, драйвера и ОУ в корпусах SO8, резисторы smd 0603 и 1206
  • силовые ключи паралельно плате фланцем наружу для возможности закрепления их в виже "бутерброда" плата — ключ — радиатор
  • обеспечить возможность применения резистора R3 как в smd исполнении так и в виде подстроечника

Не скажу что плата получилась совершенно оптимальной, многое можно было ещё более оптимизировать, но в итоге имеем вот что:


Скажу предупрежу что первый вариант платы был разведён по схеме имеющейся только в голове что вылилось в банальную ошибку, были перепутаны выводы 2 и 3 ОУ, пришлось исправлять на уже готовой плате, после чего разводка была исправлена но пока больше не повторялась, поэтому возможно имеются недоделки и в принципиальной схеме, поэтому просьба если кто заметит косяки сразу сообщайте буду оперативно исправлять.

Понижающие DC-DC преобразователи все чаще и чаще находят свое применение в быту, хозяйстве, автомобильной технике, а также в качестве регулируемых блоков питания в домашней лаборатории.

К примеру, на большегрузном автомобиле напряжение бортовой кабельной сети может составлять +24В, а вам необходимо подключить автомагнитолу или другое устройство с входным напряжение +12В, тогда такой понижающий преобразователь вам очень пригодится.

Множество людей заказывают с различных китайских сайтов понижающие DC-DC преобразователи, но их мощность довольно таки ограничена, ввиду экономии китайцами на сечении обмоточного провода, полупроводниковых приборах и сердечниках дросселей, ведь чем мощнее преобразователь, тем он дороже. Поэтому, предлагаю вам собрать понижающий DC-DC самостоятельно, который превзойдет по мощности китайские аналоги, а также будет экономически выгоднее. По моему фотоотчету и представленной схеме видно, что сборка не займет много времени.

Микросхема LM2596 есть ни что иное, как импульсный понижающий регулятор напряжения. Она выпускается как на фиксированное напряжение (3.3В, 5В, 12В) так и на регулируемое напряжение (ADJ). На базе регулируемой микросхемы и будет построен наш понижающий DC-DC преобразователь.

Рекомендую к прочтению статью "Регулируемый стабилизатор напряжения на LM2576", микросхемы LM2576 и LM2596 практически идентичны, расположение выводов и обвязка одинаковые, разница в частоте генератора и некоторых параметров.

Схема преобразователя

Основные параметры регулятора LM2596

Входное напряжение………. до +40В

Максимальное входное напряжение ………. +45В

Выходное напряжение………. от 1.23В до 37В ±4%

Частота генератора………. 150кГц

Выходной ток………. до 3А

Ток потребления в режиме Standby………. 80мкА

Рабочая температура от -45°С до +150°С

Тип корпуса TO-220 (5 выводов) или TO-263 (5 выводов)

КПД (при Vin= 12В, Vout= 3В Iout= 3А). 73%

Хотя КПД может и достигать 94%, он зависит от входного и выходного напряжения, а также от качества намотки и правильности подбора индуктивности дросселя.

Согласно графика, взятого из даташита, при входном напряжении +30В, выходном +20В и токе нагрузки 3А, КПД должен составить 94%.

Также у микросхемы LM2596 есть защита по току и от перегрева. Замечу, что на неоригинальных микросхемах данные функции могут работать некорректно, либо вовсе отсутствуют. Короткое замыкание на выходе преобразователя приводит к выходу из строя микросхемы (проверил на двух LM-ках), хотя тут удивляться и нечему, производитель не пишет в даташите о присутствии защиты от КЗ.

Читайте также:  Организационные мероприятия в электроустановках новые правила

Элементы схемы

Все номиналы элементов указаны на схеме электрической принципиальной. Напряжение конденсаторов С1 и С2 выбирается в зависимости от входного и выходного напряжения (напряжение входа (выхода) + запас 25%), я установил конденсаторы с запасом, на напряжение 50В.

Конденсатор C3 — керамический. Номинал его выбирается согласно таблицы из даташита. Согласно этой таблицы емкость C3 подбирается для каждого отдельного выходного напряжения, но так как преобразователь в моем случае регулируемый, то я применил конденсатор средней емкости 1нФ.

Диод VD1 должен быть диодом Шоттки, или другим сверхбыстрым диодом (FR, UF, SF и др.). Он должен быть рассчитан на ток 5А и напряжение не меньше 40В. Я установил импульсный диод FR601 (6А 50В).

Дроссель L1 должен быть рассчитан на ток 5А и иметь индуктивность 68мкГн. Для этого берем сердечник из порошкового железа (желто-белого цвета), наружный диаметр 27мм, внутренний 14мм, ширина 11мм, ваши размеры могут отличаться, но чем больше они будут, тем лучше. Далее мотаем двумя жилами (диаметр каждой жилы 1мм) 28 витков. Я мотал одиночной жилой диаметром 1,4мм, но при большой выходной мощности (40Вт) дроссель грелся сильно, в том числе и из-за недостаточного сечения жилы. Если мотать двумя жилами, то в один слой обмотку положить не удастся, поэтому нужно мотать в два слоя, без изоляции между слоями (если эмаль на проводе не повреждена).

Через резистор R1 протекает малый ток, поэтому его мощность 0,25Вт.

Резистор R2 подстроечный, но может быть заменен на постоянный, для этого его сопротивление рассчитывается на каждое выходное напряжение по формуле:

Где R1 = 1кОм (по даташиту), Vref = 1,23В. Тогда, посчитаем сопротивление резистора R2 для выходного напряжения Vout = 30В.

R2 = 1кОм * (30В/1,23В — 1) = 23,39кОм (приведя к стандартному номиналу, получим сопротивление R2 = 22кОм).

Таким образом, можно рассчитать сопротивление резистора R2 для любого выходного напряжения (в рамках возможного диапазона).

Также, зная сопротивление резистора R2, можно рассчитать выходное напряжение.

Испытания понижающего DC-DC преобразователя на LM2596

При испытаниях на микросхему был установлен радиатор площадью ≈ 90 см² .

Испытания я проводил на нагрузке сопротивлением 6,8 Ом (постоянный резистор, опущенный в воду). Изначально на вход преобразователя я подал напряжение +27В, входной ток составил 1,85А (входная мощность 49,95Вт). Выходное напряжение я выставил 15,5В, ток нагрузки составил 2,5А (выходная мощность 38,75Вт). КПД при этом составил 78%, это очень даже неплохо.

После 20 мин. работы понижающего преобразователя диод VD1 нагрелся до температуры 50°С, дроссель L1 нагрелся до температуры 70°С, сама микросхема нагрелась до 80°С. То есть, во всех элементах есть резерв по температуре, кроме дросселя, 70 градусов для него многовато.

Поэтому для эксплуатации данного преобразователя на выходной мощности 30-40Вт и более, необходимо мотать дроссель двумя (тремя) жилами и выбирать больший по размерам сердечник. Диод и микросхема могут долговременно держать температуру 100-120°С без каких-либо опасений (кроме нагрева всего что рядом находится, в том числе и корпуса). При желании можно установить на микросхему больший по размеру радиатор, а у диода VD1 можно оставить длинные выводы, тогда будет тепло отводиться лучше, либо прикрепить (припаять к одному из выводов) небольшую пластинку (радиатор). Также нужно как можно лучше залудить дорожки печатной платы, либо пропаять по ним медную жилу, это обеспечит меньший нагрев дорожек при долгой работе на большую выходную мощность.

Испытания продолжаются…

Подав на вход преобразователя напряжение +12В, входной ток составил 1,75А (потребляемая мощность 21Вт). Выходное напряжение я выставил 5,3 Вольт, выходной ток составил 2,5А (выходная мощность 13,25Вт), КПД при этом составил уже 63%.

После 20 мин. работы преобразователя дроссель L1 нагрелся до температуры 45°С, микросхема LM2596 нагрелась до температуры 70°С, температуру диода VD1 я не стал измерять, так как он был чуть горячим.

Пару слов о печатной плате…

В даташите представлен эскиз исполнения LM2596 в корпусе TO-220 с загнутыми выводами.

Я же покупал микросхему с прямыми выводами и сам их подгибал.

Так вот, перегнул я их не как в даташите, а наоборот. Соответственно печатную плату развел под неправильный изгиб выводов, но эта печатная плата оказалась удобнее. Даташитовский вариант мне не нравится вовсе, так как невозможно LM-ку установить на стенку корпуса блока питания или другого устройства. Поэтому я развел плату и под стандартный изгиб выводов, с возможностью установки большого радиатора или крепления к стенке корпуса. Поэтому, для вас в архиве лежат две рабочие печатные платы. Перемычки устанавливать как можно толще (диаметром не менее 1мм).

Печатная плата понижающего DC-DC преобразователя на LM2596 СКАЧАТЬ

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector