Сегодня мы рассмотрим несколько схем несложных, даже можно сказать - простых, импульсных преобразователей напряжения DC-DC (преобразователей постоянного напряжения одной величины, в постоянное напряжение другой величины)

Чем хороши импульсные преобразователи. Во-первых, они имеют высокий КПД, и во-вторых могут работать при входном напряжении ниже выходного. Импульсные преобразователи подразделяются на группы:

• - понижающие, повышающие, инвертирующие;
• - стабилизированные, нестабилизированные;
• - гальванически изолированные, неизолированные;
• - с узким и широким диапазоном входных напряжений.

Для изготовления самодельных импульсных преобразователей лучше всего использовать специализированные интегральные микросхемы - они проще в сборке и не капризны при настройке. Итак, приводим для ознакомления 14 схем на любой вкус:

Этот преобразователь работает на частоте 50 кГц, гальваническая изоляция обеспечивается трансформатором Т1, который наматывается на кольце К10х6х4,5 из феррита 2000НМ и содержит: первичная обмотка - 2х10 витков, вторичная обмотка - 2х70 витков провода ПЭВ-0,2. Транзисторы можно заменить на КТ501Б. Ток от батареи, при отсутствии нагрузки, практически не потребляется.

Трансформатор Т1 наматывается на ферритовом кольце диаметром 7 мм, и содержит две обмотки по 25 витков провода ПЭВ=0,3.

Двухтактный нестабилизированный преобразователь на основе мультивибратора (VТ1 и VТ2) и усилителя мощности (VТ3 и VТ4). Выходное напряжение подбирается количеством витков вторичной обмотки импульсного трансформатора Т1.

Преобразователь стабилизирующего типа на микросхеме MAX631 фирмы MAXIM. Частота генерации 40…50 кГц, накопительный элемент - дроссель L1.

Можно использовать одну из двух микросхем отдельно, например вторую, для умножения напряжения от двух аккумуляторов.

Типовая схема включения импульсного повышающего стабилизатора на микросхеме MAX1674 фирмы MAXIM. Работоспособность сохраняется при входном напряжении 1,1 вольта. КПД - 94%, ток нагрузки - до 200 мА.

Позволяет получать два разных стабилизированных напряжения с КПД 50…60% и током нагрузки до 150 мА в каждом канале. Конденсаторы С2 и С3 - накопители энергии.

8. Импульсный повышающий стабилизатор на микросхеме MAX1724EZK33 фирмы MAXIM

Типовая схема включения специализированной микросхемы фирмы MAXIM. Сохраняет работоспособность при входном напряжении 0,91 вольта, имеет малогабаритный SMD корпус и обеспечивает ток нагрузки до 150 мА при КПД - 90%.

Типовая схема включения импульсного понижающего стабилизатора на широкодоступной микросхеме фирмы TEXAS. Резистором R3 регулируется выходное напряжение в пределах +2,8…+5 вольт. Резистором R1 задается ток короткого замыкания, который вычисляется по формуле: Iкз(А)= 0,5/R1(Ом)

Интегральный инвертор напряжения, КПД - 98%.

Два изолированных преобразователя напряжения DA1 и DA2, включенных по “неизолированной” схеме с общей “землей”.

Индуктивность первичной обмотки трансформатора Т1 - 22 мкГн, отношение витков первичной обмотки к каждой вторичной - 1:2.5.

Типовая схема стабилизированного повышающего преобразователя на микросхеме фирмы MAXIM.

Это преобразователь питания, выдающий выходное напряжение, которое больше входного. Как и у обычных стабилизаторов, у повышающего выходное напряжение не зависит от входного.

Пример использования

Питание Arduino от 2 батареек

Для того, чтобы запитать Arduino от 2 батареек АА или ААА, необходимо:

Подключить отсек с батарейками к Vin стабилизатора

Подключить к Vout вольтметр

Поворотом триммера выставить 5 вольт на Vout, ориентируясь на показания вольтметра

Отключить вольтметр и соединить Vout стабилизатора с пинами 5V и GND на Arduino

После этого вне зависимости от уровня заряда батарей, плата будет получать ровные, стабильные 5 вольт.

Эффективность

Стабилизатор не является источником энергии, поэтому мощность на его выходе всегда не больше мощности на входе. В действительности формула такая: .

где K - коэффициент полезного действия, - мощность. Для нашего модуля K = 0,8…0,9. Ток, который может быть получен на выходе, будет не более .

Уменьшение потребляемого тока

На плате предусмотрен светодиод, показывающий наличие напряжения на выходе. Это напряжение может достигать 28 В. Чтобы светодиод не сгорел от такого напряжения, собрана схема, поддерживающая ток на светодиоде постоянным вне зависимости от напряжения.

Эта схема потребляет ток равный . Например при выходе 5 В, она потребляет 5 мА. С таким током трудно делать долгоживущие автономные устройства. Но можно выломать или отпаять светодиод и транзистор обозначенные на чертеже, и холостой ток снизится до 0,5 мА.

Повышающий DC-DC преобразователь 5-12 вольт, проще всего собрать на LM2577, которая обеспечивает выход 12V, используя входной сигнал 5V и максимальный ток нагрузки 800 мА. М\С LM2577 - это повышающий прямоходовый импульсный преобразователь. Она доступна в трех различных версиях выходного напряжения: 12 В, 15 В и регулируемая. Вот подробная документация .

Схема на ней требует минимального количества внешних компонентов, а также такие регуляторы экономически эффективным и простые в использовании. Другие особенности: встроенный генератор на фиксированной частоте 52 кГц, который не требует никаких внешних компонентов, мягкий режим запуска для снижения пускового тока и режим регулирования по току для улучшения отклонении входного напряжения и выходной переменной нагрузки.

Характеристики преобразователя на LM2577

• Входное напряжение 5 В постоянного тока
• Выходное 12 В постоянного тока
• Нагрузочный ток 800 мА
• Функция плавного пуска
• Отключение при перегреве

Здесь применена регулируемая микросхема LM2577-adj . Для получения других выходных напряжений надо изменить величину резистора обратной связи R2 и R3. Выходное напряжение рассчитывается по формуле:

V Out = 1.23V (1+R2/R3)

В общем LM2577 стоит недорого, дроссель в этой схеме унифицированный - на 100 мкГн и предельный ток 1 А. Благодаря импульсной работе каких-то больших радиаторов для охлаждения не требуется - так что эту схему преобразователя можно смело рекомендовать для повторения. Особенно она пригодится в случаях, когда из USB выхода надо получить 12 вольт.

Благодаря развитию современной электроники, в большом количестве выпускаются специализированные микросхемы стабилизаторы тока и напряжения. Они делятся по функционалу на два основных вида, DC DC повышающий преобразователь напряжения и понижающие. Некоторые совмещают в себе оба типа, но это сказывается на КПД не в лучшую сторону.

Когда то многие радиолюбители мечтали о импульсных стабилизаторах, но они были редкими и дефицитными. Особенно радует ассортимент в китайских магазинах.

• 1. Применение
• 2. Популярные преобразования
• 3. Повышающие преобразователи напряжения
• 4. Примеры повышателей
• 5. Tusotek
• 6. На XL4016
• 7. На XL6009
• 8. MT3608
• 9. Высоковольтные на 220
• 10. Мощные преобразователи

Применение

Недавно я закупил много различных светодиодов на 1W, 3W, 5W, 10W, 20W, 30W, 50W, 100W. Все они низкого качества, для сравнения их с качественными. Чтобы всю эту кучу подключить и запитать у меня есть блоки питания от ноутбуков на 12 В и 19V. Пришлось активно полистать Aliexpress в поисках низковольтных светодиодных драйверов.

Были куплены современные повышающие преобразователи напряжения DC DC и понижающие, на 1-2 Ампера и мощные на 5-7 ампер. К тому же они отлично подойдут для подключения ноутбука к 12В в автомобиле, 80-90 ватт потянут. Они вполне подойдут в качестве зарядного устройства для автомобильных аккумуляторов на 12В и 24В.

В китайских интернет-магазинах немного подороже стабилизаторов напряжения.

Популярными микросхемами для повышающих импульсных стабилизаторов стали:

1. LM2577, устаревшая с низким КПД;
2. XL4016, в 2 раза эффективней 2577;
3. XL6009;
4. MT3608.

Стабилизаторы обозначаются таким образом AC-DC, DC-DC. АС – это переменный ток, DC – это постоянный. Это облегчит поиск, если указать в запросе.

Делать DC DC повышающий преобразователь своими руками не рационально, потрачу слишком много времени на сборку и настройку. У китайцев можно купить за 50-250руб, эта цена включает и доставку. За эту сумму получу почти готовое изделие, которое можно максимально быстро доработать.

Данные импульсные ИМС используются совместно с другими, написал характеристики и datasheet к популярным ИМС для питания , .

Популярные преобразования

Стабилизаторы-повышатели классифицируются на низковольтные и высоковольтные от 220 до 400 вольт. Конечно есть готовые блоки с фиксированным значением повышения, но я предпочитаю настраиваемые, у них более широкий функционал.

Чаще всего востребованы преобразования:

1. 12В — 19V;
2. 12 — 24 Вольт;
3. 5 — 12V;
4. 3 — 12В
5. 12 — 220В;
6. 24В — 220В.

Повышающие называют автомобильными инверторами.

Повышающие преобразователи напряжения

Мой лабораторный блок питания работает от блока ноутбука на 19V 90W, но этого не хватает для проверки последовательно подключенных светодиодов. Последовательная LED цепочка требует от 30В до 50В. Покупать готовый блок на 50-60 Вольт и 150W оказалось дороговато, около 2000 руб. Поэтому заказал первый повышающий стабилизатор за 500 руб. с повышением до 50В. После проверки оказалось, что он максимум до 32В, потому что на входе и выходе стоят конденсаторы на 35V. Убедительно написал продавцу своё возмущение, и через пару дней мне вернули денежку.

Заказал второй до 55V под брендом Tusotek за 280руб, повышатель оказался отличный. С 12В легко повышает до 60V, выше крутить построечный резистор не стал, вдруг сгорит. Радиатор приклеен на теплопроводящий клей, поэтому маркировку микросхемы посмотреть не удалось. Охлаждение сделано немного неправильно, теплоотводная площадка диода Шотки и контроллера прикреплена к плате, а не к радиатору.

Примеры повышателей

XL4016

Рассмотрим 4 модели, которые у меня есть в наличии. Тратить время на фото не стал, взял и продавцов.

Характеристики.

У меня большой опыт работы с китайскими товарами, большинство из них сразу имеют недостатки. Перед эксплуатацией их осматриваю и дорабатываю для увеличения надежности всей конструкции. В основном это проблемы сборки, которые возникают при быстрой сборке изделий. Дорабатываю светодиодные прожекторы, лампы для дома, автомобильные лампы ближнего и дальнего света, контроллеры для управления дневными ходовыми огнями ДХО. Рекомендую это делать всем, за минимум потраченного времени срок службы можно увеличить вдвое.

Будьте бдительны, не все имеют защиту от короткого замыкания, перегрева, перегрузки и неправильного подключения.

Реальная мощность зависит от режима, в спецификациях указывают максимальную. Характеристики конечно у каждого производителя будут отличаться, они ставят разные диоды, дроссель мотают проводом разной толщины.

Tusotek

На мой взгляд, самый лучший из всех повышающих стабилизаторов. У некоторых бывает элементы не имеют запаса по характеристикам или они ниже чем у ШИМ микросхем, из-за чего они не могут дать и половины обещанного тока. У Tusotek на входе стоит конденсатор 1000мФ 35V, на выходе 470мФ 63V. Теплоотводной стороной с металлической пластиной они припаяны к плате. Но припаяны плохо и косо, на плате лежит только один край, под другим щель. Без разбора не понятно, насколько хорошо они запаяны. Если совсем плохо, то лучше их демонтировать и поставить этой стороной на радиатор, охлаждение улучшится в 2 раза.

Переменным резистором выставляется необходимое количество вольт. Оно останется неизменным, если менять напряжение на входе, оно от него не зависит. Например, ставил на выходе 50В, на входе с 5В повышал до 12В, поставленные 50V не менялись.

На XL4016

Этот преобразователь имеет такую особенность, что может повышать только до 50% от входного количества вольт. Если подключить 12В, то максимальное увеличение будет 18В. В описании было указано, что его можно применять для ноутбуков, которые питаются максимум от 19V. Но его главное предназначение оказалось работа с ноутбуками от автомобильного аккумулятора. Наверное отграничение в 50% можно убрать, изменив резисторы, которые задают этот режим. Вольты на выходе напрямую зависят от количества входящих.

Отвод тепла сделан гораздо лучше, радиаторы поставлены правильно. Только вместо термопасты теплопроводящая прокладка, чтобы избежать электрического контакта с радиатором. На входе конденсатор 470мФ 50V, на другом конце 470мФ на 35V.

На XL6009

Представитель современных эффективных преобразователей, как и устаревшие модели на LM2596 выпускается с нескольких вариантах, от миниатюрных до моделей с индикаторами напряжения.

Пример эффективности:

• 92% при преобразовании 12V в 19V, нагрузка 2А.

В даташите сразу указана схема использования в качестве питания ноутбука в автомобиле от 10V до 30V. Так же на XL6009 легко реализовать двуполярное питания на +24 и -24В. Как у большинства преобразователей КПД снижается, чем выше разница напряжений и больше Ампер.

MT3608

Миниатюрная модель с хорошим КПД до 97%, частота ШИМ 1,2 МГц. Эффективность повышается при увеличении входящего напряжения и падает при увеличении тока. На повышающем преобразователе MT3608 можно рассчитывать на небольшой ток, внутренне ограничение 4А на случай замыкания. По вольтам желательно не превышать 24.

Высоковольтные на 220

Блоки преобразования с 12, 24 вольт на 220 широко распространены у автолюбителей как . Используются для подключения приборов с питанием на 220В. У китайцев в основном продаются 7-10 моделей таких модулей, остальное это готовые устройства. Цена от 400 руб. Отдельно хочу отметить, если например на готовом блоке указано 500W, то это часто будет кратковременная максимальная мощность. Реальная долговременная будет около 240W.

Мощные преобразователи

Для особых случаев бывают нужны мощные DC-DC повышающие преобразователи на 10-20А и до 120В. Покажу несколько популярных и доступных моделей. Они в основном не имеют маркировки или продавец её скрывает, чтобы не покупали в другом месте. Лично не тестировал, по вольтажу они сосуществуют по обещанным характеристикам. А вот ампер будет немного поменьше. Хотя изделия такой ценовой категории у меня всегда держат заявленную нагрузку, покупал похожие аппараты только с ЖК экранами.

600W

Мощный №1:

1. power 600W;
2. 10-60V преобразует в 12-80V;
3. цена от 800руб.

Найти можно по запросу «600W DC 10-60V to 12-80V Boost Converter Step Up»

400W

Мощный №2:

1. power 400W;
2. 6-40V преобразует в 8-80V;
3. на выходе до 10А;
4. цена от 1200руб.

Для поиска укажите в поисковике «DC 400W 10A 8-80V Boost Converter Step-Up»

B900W

Мощный №3:

1. power 900W;
2. 8-40V преобразует в 10-120V;
3. на выходе до 15А.
4. цена от 1400руб.

Единственный блок который обозначают как B900W и его можно легко найти.

Представляю обзор микромощного преобразователя напряжения, который мало на что сгодится.

Собран довольно неплохо, размер компактный 34х15х10мм




Заявлено:
Входное напряжение: 0.9-5В
С одной батареи АА выходной ток до 200мА
С двух батарей АА выходной ток 500 ~ 600мA
КПД до 96%
Реальная схема преобразователя


В глаза сразу бросается очень малая ёмкость входного конденсатора - всего-то 0.15мкФ. Обычно ставят больше раз в 100, видимо наивно рассчитывают на низкое внутреннее сопротивление батареек:) Ну поставили такой и бог с ним, при необходимости можно и поменять - себе сразу поставил 10мкФ. Снизу на фото валяется родной конденсатор.


Габариты дросселя также весьма невелики, что заставляет призадуматься насчёт правдивости заявленных характеристик
На входе преобразователя подключен красный светодиод, который начинает светиться при входном напряжении более 1,8В

Проверку проводил для следующих стабилизированных входных напряжений:
1,25В - напряжение Ni-Cd и Ni-MH аккумулятора
1,5В - напряжение одного гальванического элемента
3,0В - напряжение двух гальванических элементов
3,7В - напряжение Li-Ion аккумулятора
При этом нагружал преобразователь до падения напряжения до разумных 4,66В

Напряжение холостого хода 5,02В
- 0,70В - минимальное напряжение, при котором преобразователь начинает работать на холостом ходу. Светодиод при этом естественно не светится - напряжения не хватает.
- 1,25В ток холостого хода 0,025мА, максимальный выходной ток всего 60мА при напряжении 4,66В. Входной ток при этом 330мА, КПД около 68%. Светодиод при таком напряжении естественно не светится.


- 1,5В ток холостого хода 0,018мА, максимальный выходной ток 90мА при напряжении 4,66В. Входной ток при этом 360мА, КПД около 77%. Светодиод при таком напряжении естественно не светится


- 3,0В ток холостого хода 1,2мА (потребляет в основном светодиод), максимальный выходной ток 220мА при напряжении 4,66В. Входной ток при этом 465мА, КПД около 74%. Светодиод при таком напряжении светится нормально.


- 3,7В ток холостого хода 1,9мА (потребляет в основном светодиод), максимальный выходной ток 480мА при напряжении 4,66В. Входной ток при этом 840мА, КПД около 72%. Светодиод при таком напряжении светится нормально. Преобразователь начинает незначительно греться.


Для наглядности, свёл результаты в таблицу.


Дополнительно при входном напряжении 3,7В проверил зависимость КПД преобразования от тока нагрузки
50мА - КПД 85%
100мА - КПД 83%
150мА - КПД 82%
200мA - КПД 80%
300мA - КПД 75%
480мА - КПД 72%
Как несложно заметить, чем меньше нагрузка, тем выше КПД
До заявленных 96% сильно не дотягивает

Пульсации выходного напряжения при нагрузке 0,2А


Пульсации выходного напряжения при нагрузке 0,48А


Как нетрудно заметить, на максимальном токе амплитуда пульсаций очень велика и превышает 0,4В.
Скорее всего это происходит из-за выходного конденсатора небольшой ёмкости с высоким ESR (измерил 1,74Ом)
Рабочая частота преобразования около 80кГц
Запаял дополнительно керамику 20мкФ на выход преобразователя и получил снижение пульсаций при максимальном токе в 5 раз!




Вывод: преобразователь является весьма маломощным - это обязательно следует учитывать, выбирая его для питания Ваших устройств