Spannungswandler ds ds erhöhen. Boost-Spannungsstabilisator (Troyka-Modul)

LM2596 reduziert die Eingangsspannung (auf 40 V) – der Ausgang ist geregelt, der Strom beträgt 3 A. Ideal für LEDs im Auto. Sehr günstige Module – etwa 40 Rubel in China.

Texas Instruments produziert hochwertige, zuverlässige, erschwingliche und kostengünstige, benutzerfreundliche DC/DC-Controller LM2596. Chinesische Fabriken produzieren darauf basierend ultragünstige gepulste Abwärtswandler: Der Preis eines Moduls für LM2596 beträgt etwa 35 Rubel (einschließlich Lieferung). Ich empfehle Ihnen, eine Charge von 10 Stück auf einmal zu kaufen – es wird immer eine Verwendung für sie geben und der Preis wird auf 32 Rubel sinken, bei einer Bestellung von 50 Stück auf weniger als 30 Rubel. Lesen Sie mehr über die Berechnung der Schaltung des Mikroschaltkreises, die Anpassung von Strom und Spannung, seine Anwendung und einige Nachteile des Wandlers.

Die typische Verwendungsmethode ist eine stabilisierte Spannungsquelle. Auf Basis dieses Stabilisators lässt sich leicht ein Schaltnetzteil herstellen, ich verwende es als einfaches und zuverlässiges Labornetzteil, das Kurzschlüssen standhält. Sie bestechen durch die gleichbleibende Qualität (sie scheinen alle in derselben Fabrik hergestellt zu werden – und es ist schwierig, bei fünf Teilen einen Fehler zu machen) und die vollständige Übereinstimmung mit dem Datenblatt und den angegebenen Eigenschaften.

Eine weitere Anwendung ist ein Impulsstromstabilisator für Netzteil für Hochleistungs-LEDs. Das Modul auf diesem Chip ermöglicht den Anschluss einer 10-Watt-Automobil-LED-Matrix und bietet zusätzlich einen Kurzschlussschutz.

Ich empfehle dringend, ein Dutzend davon zu kaufen – sie werden sich auf jeden Fall als nützlich erweisen. Sie sind auf ihre Art einzigartig – die Eingangsspannung beträgt bis zu 40 Volt und es sind nur 5 externe Komponenten erforderlich. Das ist praktisch: Sie können die Spannung am Smart-Home-Strombus auf 36 Volt erhöhen, indem Sie den Kabelquerschnitt reduzieren. Wir installieren ein solches Modul an den Verbrauchsstellen und konfigurieren es auf die erforderlichen 12, 9, 5 Volt oder nach Bedarf.

Schauen wir sie uns genauer an.

Chipeigenschaften:

• Eingangsspannung – von 2,4 bis 40 Volt (bis zu 60 Volt in der HV-Version)
• Ausgangsspannung – fest oder einstellbar (von 1,2 bis 37 Volt)
• Ausgangsstrom – bis zu 3 Ampere (bei guter Kühlung – bis zu 4,5 A)
• Konvertierungsfrequenz - 150 kHz
• Gehäuse – TO220-5 (Durchsteckmontage) oder D2PAK-5 (Aufputzmontage)
• Wirkungsgrad – 70–75 % bei niedrigen Spannungen, bis zu 95 % bei hohen Spannungen

1. Stabilisierte Spannungsquelle
2. Konverterschaltung
3. Datenblatt
4. USB-Ladegerät basierend auf LM2596
5. Stromstabilisator
6. Verwendung in selbstgebauten Geräten
7. Einstellung von Ausgangsstrom und -spannung
8. Verbesserte Analoga von LM2596

Geschichte – Linearstabilisatoren

Zunächst erkläre ich, warum Standard-Linearspannungswandler wie LM78XX (z. B. 7805) oder LM317 schlecht sind. Hier ist das vereinfachte Diagramm.

Das Hauptelement eines solchen Wandlers ist ein leistungsstarker Bipolartransistor, der in seiner „ursprünglichen“ Bedeutung eingeschaltet ist – als gesteuerter Widerstand. Dieser Transistor ist Teil eines Darlington-Paares (um den Stromübertragungskoeffizienten zu erhöhen und die zum Betrieb der Schaltung erforderliche Leistung zu reduzieren). Der Basisstrom wird vom Operationsverstärker eingestellt, der die Differenz zwischen der Ausgangsspannung und der vom ION (Referenzspannungsquelle) eingestellten Spannung verstärkt, d. h. Der Anschluss erfolgt nach der klassischen Fehlerverstärkerschaltung.

Der Wandler schaltet also einfach den Widerstand in Reihe mit der Last ein und regelt seinen Widerstand so, dass beispielsweise genau 5 Volt an der Last gelöscht werden. Es lässt sich leicht berechnen, dass bei einem Spannungsabfall von 12 Volt auf 5 (ein sehr häufiger Fall bei Verwendung der 7805-Mikroschaltung) die Eingangsspannung von 12 Volt im Verhältnis „7 Volt am Stabilisator + 5“ zwischen dem Stabilisator und der Last verteilt wird Volt an der Last.“ Bei einem Strom von einem halben Ampere werden an der Last 2,5 Watt abgegeben, bei 7805 sogar 3,5 Watt.

Es stellt sich heraus, dass die „zusätzlichen“ 7 Volt am Stabilisator einfach gelöscht werden und in Wärme umgewandelt werden. Dies führt erstens zu Problemen bei der Kühlung und zweitens wird der Stromquelle viel Energie entzogen. Bei Stromversorgung über eine Steckdose ist dies nicht sehr beängstigend (obwohl es dennoch umweltschädlich ist), bei Stromversorgung über Batterien oder wiederaufladbare Batterien ist dies jedoch nicht zu vernachlässigen.

Ein weiteres Problem besteht darin, dass es im Allgemeinen unmöglich ist, mit dieser Methode einen Aufwärtswandler herzustellen. Ein solcher Bedarf entsteht oft, und Versuche, dieses Problem vor zwanzig oder dreißig Jahren zu lösen, sind erstaunlich – wie komplex die Synthese und Berechnung solcher Schaltkreise war. Eine der einfachsten Schaltungen dieser Art ist ein Push-Pull-5V->15V-Wandler.

Es muss zugegeben werden, dass es für eine galvanische Trennung sorgt, aber es nutzt den Transformator nicht effizient aus – es wird immer nur die Hälfte der Primärwicklung genutzt.

Vergessen wir das wie einen bösen Traum und wenden wir uns den modernen Schaltkreisen zu.

Spannungsquelle

Planen

Die Mikroschaltung lässt sich bequem als Abwärtswandler verwenden: Im Inneren befindet sich ein leistungsstarker bipolarer Schalter. Es müssen nur noch die restlichen Komponenten des Reglers hinzugefügt werden – eine schnelle Diode, eine Induktivität und ein Ausgangskondensator sind ebenfalls möglich Installieren Sie einen Eingangskondensator - nur 5 Teile.

Die LM2596ADJ-Version erfordert außerdem einen Schaltkreis zur Einstellung der Ausgangsspannung, dabei handelt es sich um zwei Widerstände oder einen variablen Widerstand.

Abwärtsspannungswandlerschaltung basierend auf LM2596:

Das ganze Schema zusammen:

Hier kannst du Datenblatt für LM2596 herunterladen.

Funktionsprinzip: Ein leistungsstarker Schalter im Inneren des Geräts sendet, gesteuert durch ein PWM-Signal, Spannungsimpulse an die Induktivität. Am Punkt A liegt x % der Zeit die volle Spannung an und (1-x) % der Zeit ist die Spannung Null. Der LC-Filter glättet diese Schwingungen, indem er eine konstante Komponente hervorhebt, die x * Versorgungsspannung entspricht. Die Diode schließt den Stromkreis, wenn der Transistor ausgeschaltet wird.

Ausführliche Stellenbeschreibung

Die Induktivität widersteht der Änderung des durch sie fließenden Stroms. Wenn am Punkt A Spannung auftritt, erzeugt die Induktivität eine große negative Selbstinduktionsspannung und die Spannung an der Last wird gleich der Differenz zwischen der Versorgungsspannung und der Selbstinduktionsspannung. Der Induktivitätsstrom und die Spannung an der Last nehmen allmählich zu.

Nachdem die Spannung am Punkt A verschwunden ist, versucht die Induktivität, den zuvor von der Last und dem Kondensator fließenden Strom aufrechtzuerhalten, und schließt ihn über die Diode mit Masse kurz – er fällt allmählich ab. Somit ist die Lastspannung immer kleiner als die Eingangsspannung und hängt vom Tastverhältnis der Impulse ab.

Ausgangsspannung

Das Modul ist in vier Versionen erhältlich: mit einer Spannung von 3,3 V (Index –3,3), 5 V (Index –5,0), 12 V (Index –12) und einer einstellbaren Version LM2596ADJ. Der Einsatz der maßgeschneiderten Variante ist überall sinnvoll, da sie in den Lagern der Elektronikfirmen in großen Mengen vorhanden ist und man kaum einen Mangel daran haben wird – und dafür nur zwei Penny-Widerstände zusätzlich benötigt werden. Und natürlich ist auch die 5-Volt-Variante beliebt.

Die vorrätige Menge steht in der letzten Spalte.

Sie können die Ausgangsspannung in Form eines DIP-Schalters einstellen, ein gutes Beispiel dafür finden Sie hier, oder in Form eines Drehschalters. In beiden Fällen benötigen Sie eine Batterie mit Präzisionswiderständen – Sie können die Spannung aber auch ohne Voltmeter einstellen.

Rahmen

Es gibt zwei Gehäuseoptionen: das TO-263-Planarmontagegehäuse (Modell LM2596S) und das TO-220-Durchsteckgehäuse (Modell LM2596T). Ich bevorzuge die planare Version des LM2596S, da in diesem Fall der Kühlkörper die Platine selbst ist und kein zusätzlicher externer Kühlkörper gekauft werden muss. Zudem ist seine mechanische Widerstandsfähigkeit wesentlich höher, anders als beim TO-220, der an irgendetwas, sogar an eine Platine, verschraubt werden muss – dann lässt sich die planare Version aber einfacher installieren. Ich empfehle die Verwendung des LM2596T-ADJ-Chips in Netzteilen, da er eine größere Wärmemenge einfacher aus seinem Gehäuse ableiten kann.

Glättung der Eingangsspannungswelligkeit

Kann nach Stromgleichrichtung als wirksamer „intelligenter“ Stabilisator verwendet werden. Da die Mikroschaltung die Ausgangsspannung direkt überwacht, führen Schwankungen der Eingangsspannung zu einer umgekehrt proportionalen Änderung des Umwandlungskoeffizienten der Mikroschaltung und die Ausgangsspannung bleibt normal.

Daraus folgt, dass bei Verwendung des LM2596 als Abwärtswandler nach einem Transformator und Gleichrichter der Eingangskondensator (d. h. derjenige, der sich unmittelbar nach der Diodenbrücke befindet) möglicherweise eine kleine Kapazität (ca. 50–100 μF) aufweist.

Ausgangskondensator

Aufgrund der hohen Wandlungsfrequenz muss der Ausgangskondensator auch keine große Kapazität haben. Selbst ein leistungsstarker Verbraucher wird keine Zeit haben, diesen Kondensator in einem Zyklus deutlich zu reduzieren. Machen wir die Rechnung: Nehmen wir einen 100-µF-Kondensator, eine Ausgangsspannung von 5 V und eine Last, die 3 Ampere verbraucht. Vollladung des Kondensators q = C*U = 100e-6 µF * 5 V = 500e-6 µC.

In einem Umwandlungszyklus entnimmt die Last dq = I*t = 3 A * 6,7 μs = 20 μC vom Kondensator (das sind nur 4 % der Gesamtladung des Kondensators), und sofort beginnt ein neuer Zyklus, und Der Konverter gibt eine neue Energiemenge in den Kondensator ein.

Das Wichtigste ist, keine Tantalkondensatoren als Eingangs- und Ausgangskondensatoren zu verwenden. Sie schreiben direkt in die Datenblätter: „Nicht in Stromkreisen verwenden“, da sie selbst kurzzeitige Überspannungen sehr schlecht vertragen und keine hohen Impulsströme mögen. Verwenden Sie normale Aluminium-Elektrolytkondensatoren.

Effizienz, Effizienz und Wärmeverlust

Der Wirkungsgrad ist nicht so hoch, da als leistungsstarker Schalter ein Bipolartransistor verwendet wird – und dieser einen Spannungsabfall ungleich Null aufweist, etwa 1,2 V. Daher der Wirkungsgradabfall bei niedrigen Spannungen.

Wie Sie sehen, wird die maximale Effizienz erreicht, wenn die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung etwa 12 Volt beträgt. Das heißt, wenn Sie die Spannung um 12 Volt reduzieren müssen, wird nur eine minimale Energiemenge in Wärme umgewandelt.

Was ist der Wandlerwirkungsgrad? Dies ist ein Wert, der Stromverluste charakterisiert – aufgrund der Wärmeentwicklung bei einem vollständig geöffneten leistungsstarken Schalter gemäß dem Joule-Lenz-Gesetz und aufgrund ähnlicher Verluste bei transienten Vorgängen – wenn der Schalter beispielsweise nur halb geöffnet ist. Die Auswirkungen beider Mechanismen können in ihrem Ausmaß vergleichbar sein, daher sollte man beide Verlustpfade nicht außer Acht lassen. Eine kleine Menge Strom wird auch verwendet, um das „Gehirn“ des Konverters selbst mit Strom zu versorgen.

Idealerweise ist bei der Umwandlung der Spannung von U1 in U2 und des Ausgangsstroms I2 die Ausgangsleistung gleich P2 = U2*I2, die Eingangsleistung ist gleich (Idealfall). Das bedeutet, dass der Eingangsstrom I1 = U2/U1*I2 beträgt.

In unserem Fall hat die Umwandlung einen Wirkungsgrad unter eins, sodass ein Teil der Energie im Gerät verbleibt. Beispielsweise beträgt bei einem Wirkungsgrad η die Ausgangsleistung P_out = η*P_in und die Verluste P_loss = P_in-P_out = P_in*(1-η) = P_out*(1-η)/η. Natürlich muss der Wandler den Eingangsstrom erhöhen, um den angegebenen Ausgangsstrom und die angegebene Ausgangsspannung aufrechtzuerhalten.

Wir können davon ausgehen, dass bei der Umwandlung von 12 V -> 5 V und einem Ausgangsstrom von 1 A die Verluste in der Mikroschaltung 1,3 Watt und der Eingangsstrom 0,52 A betragen. Auf jeden Fall ist dies besser als jeder lineare Wandler, der mindestens 7 Watt Verluste verursacht und 1 Ampere aus dem Eingangsnetzwerk verbraucht (einschließlich dieser nutzlosen Sache) - doppelt so viel.

Die Mikroschaltung LM2577 hat übrigens eine dreimal niedrigere Betriebsfrequenz und einen etwas höheren Wirkungsgrad, da bei transienten Vorgängen weniger Verluste auftreten. Allerdings sind dreimal höhere Nennwerte der Induktivität und des Ausgangskondensators erforderlich, was zusätzliche Kosten und Platinengröße bedeutet.

Steigender Ausgangsstrom

Trotz des ohnehin schon recht großen Ausgangsstroms der Mikroschaltung wird manchmal noch mehr Strom benötigt. Wie kommt man aus dieser Situation heraus?

1. Mehrere Konverter können parallelgeschaltet werden. Natürlich müssen sie auf genau die gleiche Ausgangsspannung eingestellt sein. In diesem Fall kommt man mit einfachen SMD-Widerständen im Rückkopplungsspannungs-Einstellkreis nicht aus; man muss entweder Widerstände mit einer Genauigkeit von 1 % verwenden oder die Spannung manuell mit einem variablen Widerstand einstellen.

Wenn Sie sich nicht sicher sind, ob die Spannungsspreizung gering ist, ist es besser, die Wandler über einen kleinen Shunt in der Größenordnung von mehreren zehn Milliohm parallel zu schalten. Andernfalls fällt die gesamte Last auf die Schultern des Wandlers mit der höchsten Spannung und dieser kann möglicherweise nicht damit umgehen. 2. Sie können eine gute Kühlung verwenden – einen großen Kühler, eine mehrschichtige Leiterplatte mit großer Fläche. Dadurch wird es möglich, den Strom auf 4,5 A zu erhöhen. 3. Schließlich können Sie den leistungsstarken Schlüssel (#a7) außerhalb des Mikroschaltungsgehäuses bewegen. Dies ermöglicht die Verwendung eines Feldeffekttransistors mit einem sehr geringen Spannungsabfall und erhöht sowohl den Ausgangsstrom als auch den Wirkungsgrad erheblich.

USB-Ladegerät für LM2596

Sie können ein sehr praktisches USB-Reiseladegerät herstellen. Dazu müssen Sie den Regler auf eine Spannung von 5 V einstellen, ihn mit einem USB-Anschluss versehen und das Ladegerät mit Strom versorgen. Ich verwende eine in China gekaufte Lithium-Polymer-Batterie eines Radiomodells, die 5 Amperestunden bei 11,1 Volt liefert. Das ist viel – genug, um 8 Mal Laden Sie ein normales Smartphone auf (ohne Berücksichtigung der Effizienz). Unter Berücksichtigung der Effizienz wird es mindestens das 6-fache sein.

Vergessen Sie nicht, die D+- und D--Pins der USB-Buchse kurzzuschließen, um dem Telefon mitzuteilen, dass es an das Ladegerät angeschlossen ist und der übertragene Strom unbegrenzt ist. Ohne dieses Ereignis denkt das Telefon, dass es mit dem Computer verbunden ist und wird mit einem Strom von 500 mA geladen – und das für sehr lange Zeit. Darüber hinaus kann ein solcher Strom möglicherweise nicht einmal den Stromverbrauch des Telefons ausgleichen und der Akku wird überhaupt nicht aufgeladen.

Sie können auch einen separaten 12-V-Eingang von einer Autobatterie mit einem Zigarettenanzünderanschluss bereitstellen – und die Quellen mit einer Art Schalter umschalten. Ich empfehle Ihnen, eine LED zu installieren, die signalisiert, dass das Gerät eingeschaltet ist, um nicht zu vergessen, den Akku nach dem vollständigen Laden auszuschalten. Andernfalls wird der Backup-Akku durch die Verluste im Konverter in wenigen Tagen vollständig entladen.

Dieser Batterietyp ist nicht sehr geeignet, da er für hohe Ströme ausgelegt ist. Sie können versuchen, eine Batterie mit niedrigerem Strom zu finden, diese ist dann kleiner und leichter.

Stromstabilisator

Einstellung des Ausgangsstroms

Nur verfügbar mit der Version mit einstellbarer Ausgangsspannung (LM2596ADJ). Übrigens stellen die Chinesen auch diese Version der Platine her, mit Spannungs-, Strom- und allerlei Anzeigenregelung – ein fertiges Stromstabilisierungsmodul auf LM2596 mit Kurzschlussschutz gibt es unter der Bezeichnung xw026fr4 zu kaufen.

Wenn Sie kein vorgefertigtes Modul verwenden und diese Schaltung selbst herstellen möchten, gibt es nichts Kompliziertes, mit einer Ausnahme: Die Mikroschaltung verfügt nicht über die Fähigkeit, den Strom zu steuern, aber Sie können sie hinzufügen. Ich erkläre Ihnen, wie das geht, und kläre nebenbei die schwierigen Punkte.

Anwendung

Ein Stromstabilisator wird benötigt, um leistungsstarke LEDs mit Strom zu versorgen (übrigens mein Mikrocontroller-Projekt). Hochleistungs-LED-Treiber), Laserdioden, Galvanik, Batterieladung. Wie bei Spannungsstabilisatoren gibt es zwei Arten solcher Geräte: lineare und gepulste.

Der klassische lineare Stromstabilisator ist der LM317, und er ist in seiner Klasse recht gut – allerdings beträgt sein maximaler Strom 1,5 A, was für viele Hochleistungs-LEDs nicht ausreicht. Selbst wenn Sie diesen Stabilisator mit einem externen Transistor versorgen, sind die Verluste einfach inakzeptabel. Die ganze Welt macht Aufregung über den Energieverbrauch von Standby-Glühbirnen, aber hier arbeitet der LM317 mit einem Wirkungsgrad von 30 %. Das ist nicht unsere Methode.

Aber unsere Mikroschaltung ist ein praktischer Treiber für einen Impulsspannungswandler, der über viele Betriebsarten verfügt. Die Verluste sind minimal, da keine linearen Betriebsarten der Transistoren verwendet werden, sondern nur Schlüsselbetriebsarten.

Ursprünglich war es für Spagedacht, aber mehrere Elemente machen es zu einem Stromstabilisator. Tatsache ist, dass die Mikroschaltung vollständig auf das „Feedback“-Signal als Rückmeldung angewiesen ist, aber was wir ihr zuführen, liegt bei uns.

Im Standardschaltkreis wird diesem Zweig Spannung von einem ohmschen Ausgangsspannungsteiler zugeführt. 1,2 V ist ein Gleichgewicht; wenn die Rückkopplung geringer ist, erhöht der Treiber den Arbeitszyklus der Impulse; wenn er höher ist, verringert er ihn. Sie können diesen Eingang jedoch über einen Stromshunt mit Spannung versorgen!

Shunt

Bei einem Strom von 3 A müssen Sie beispielsweise einen Shunt mit einem Nennwert von nicht mehr als 0,1 Ohm verwenden. Bei einem solchen Widerstand wird dieser Strom etwa 1 W abgeben, das ist also viel. Es ist besser, drei solcher Shunts parallel zu schalten, um einen Widerstand von 0,033 Ohm, einen Spannungsabfall von 0,1 V und eine Wärmeabgabe von 0,3 W zu erreichen.

Allerdings benötigt der Feedback-Eingang eine Spannung von 1,2V – und wir haben nur 0,1V. Es ist irrational, einen höheren Widerstand einzubauen (die Wärme wird 150-mal mehr freigesetzt), es bleibt also nur noch, diese Spannung irgendwie zu erhöhen. Dies geschieht mithilfe eines Operationsverstärkers.

Nicht invertierender Operationsverstärker

Klassisches Schema, was könnte einfacher sein?

Wir vereinen uns

Jetzt kombinieren wir eine herkömmliche Spannungswandlerschaltung und einen Verstärker mit einem LM358-Operationsverstärker, an dessen Eingang wir einen Stromshunt anschließen.

Ein leistungsstarker 0,033-Ohm-Widerstand ist ein Shunt. Es kann aus drei parallel geschalteten 0,1-Ohm-Widerständen bestehen. Um die zulässige Verlustleistung zu erhöhen, verwenden Sie SMD-Widerstände in einem 1206-Gehäuse, platzieren Sie sie mit einem kleinen Abstand (nicht dicht beieinander) und versuchen Sie, möglichst viel Kupferschicht um sie herum zu belassen Widerstände und unter ihnen wie möglich. An den Feedback-Ausgang ist ein kleiner Kondensator angeschlossen, um einen möglichen Übergang in den Oszillatormodus zu verhindern.

Wir regeln sowohl Strom als auch Spannung

Verbinden wir beide Signale mit dem Feedback-Eingang – sowohl Strom als auch Spannung. Um diese Signale zu kombinieren, verwenden wir den üblichen Schaltplan „AND“ für Dioden. Ist das Stromsignal höher als das Spannungssignal, dominiert es und umgekehrt.

Ein paar Worte zur Anwendbarkeit der Regelung

Sie können die Ausgangsspannung nicht anpassen. Obwohl es unmöglich ist, sowohl den Ausgangsstrom als auch die Spannung gleichzeitig zu regeln, sind sie proportional zueinander, mit einem Koeffizienten des „Lastwiderstands“. Und wenn das Netzteil ein Szenario wie „Konstante Ausgangsspannung, aber wenn der Strom übersteigt, beginnen wir, die Spannung zu reduzieren“ implementiert, d. h. CC/CV ist bereits ein Ladegerät.

Die maximale Versorgungsspannung für die Schaltung beträgt 30 V, da dies die Grenze für den LM358 ist. Sie können diese Grenze auf 40 V (oder 60 V bei der LM2596-HV-Version) erweitern, wenn Sie den Operationsverstärker über eine Zenerdiode mit Strom versorgen.

Bei letzterer Option ist es notwendig, eine Diodenanordnung als Summierdioden zu verwenden, da beide Dioden darin im selben technologischen Prozess und auf demselben Siliziumwafer hergestellt werden. Die Streuung ihrer Parameter wird viel geringer sein als die Streuung der Parameter einzelner diskreter Dioden – dadurch erreichen wir eine hohe Genauigkeit der Tracking-Werte.

Sie müssen außerdem sorgfältig sicherstellen, dass die Operationsverstärkerschaltung nicht erregt wird und in den Lasermodus wechselt. Versuchen Sie dazu, die Länge aller Leiter und insbesondere der an Pin 2 des LM2596 angeschlossenen Leiterbahn zu reduzieren. Platzieren Sie den Operationsverstärker nicht in der Nähe dieser Spur, sondern platzieren Sie die SS36-Diode und den Filterkondensator näher am LM2596-Gehäuse und stellen Sie sicher, dass eine Mindestfläche der Erdungsschleife mit diesen Elementen verbunden ist – es ist notwendig, eine Mindestlänge der zu gewährleisten Rückstrompfad „LM2596 -> VD/C -> LM2596“.

Anwendung von LM2596 in Geräten und unabhängiges Platinenlayout

Ich habe ausführlich über die Verwendung von Mikroschaltungen in meinen Geräten gesprochen, die nicht in Form eines fertigen Moduls vorliegen ein weiterer Artikel, in dem Folgendes behandelt wird: die Wahl der Diode, der Kondensatoren, der Induktorparameter sowie die richtige Verkabelung und einige zusätzliche Tricks.

Möglichkeiten zur Weiterentwicklung

Verbesserte Analoga von LM2596

Der einfachste Weg nach diesem Chip ist der Wechsel zu LM2678. Im Wesentlichen handelt es sich um denselben Abwärtswandler, nur mit einem Feldeffekttransistor, wodurch der Wirkungsgrad auf 92 % steigt. Es hat zwar 7 statt 5 Beine und ist nicht Pin-zu-Pin-kompatibel. Dieser Chip ist jedoch sehr ähnlich und stellt eine einfache und praktische Option mit verbesserter Effizienz dar.

L5973D– ein ziemlich alter Chip, der bis zu 2,5 A und einen etwas höheren Wirkungsgrad liefert. Außerdem verfügt es über eine fast doppelt so hohe Wandlungsfrequenz (250 kHz) – daher sind niedrigere Induktor- und Kondensatornennwerte erforderlich. Allerdings habe ich gesehen, was damit passiert, wenn man es direkt an das Autonetzwerk anschließt – oft werden dadurch Störungen ausgeschaltet.

ST1S10- hocheffizienter (90 % Wirkungsgrad) DC-DC-Abwärtswandler.

• Benötigt 5–6 externe Komponenten;

ST1S14- Hochspannungsregler (bis 48 Volt). Hohe Betriebsfrequenz (850 kHz), Ausgangsstrom bis zu 4 A, Power Good-Ausgang, hoher Wirkungsgrad (nicht schlechter als 85 %) und eine Schutzschaltung gegen übermäßigen Laststrom machen ihn wahrscheinlich zum besten Konverter für die Stromversorgung eines Servers mit 36 ​​Volt Quelle.

Wenn maximale Effizienz erforderlich ist, müssen Sie auf nicht integrierte DC-DC-Abwärtsregler zurückgreifen. Das Problem bei integrierten Controllern besteht darin, dass sie nie über kühle Leistungstransistoren verfügen – der typische Kanalwiderstand beträgt nicht mehr als 200 mOhm. Wenn Sie jedoch einen Controller ohne eingebauten Transistor nehmen, können Sie jeden Transistor wählen, sogar AUIRFS8409–7P mit einem Kanalwiderstand von einem halben Milliohm

DC-DC-Wandler mit externem Transistor

Nächster Teil

Dies ist ein DC-DC-Spannungswandler mit 5-13-V-Eingang, 12-V-Ausgang DC 1,5 A. Der Wandler empfängt eine niedrigere Spannung und liefert einen höheren Ausgang, der verwendet werden kann, wenn die Spannung unter den erforderlichen 12 Volt liegt. Es wird häufig verwendet, um die Spannung vorhandener Batterien zu erhöhen. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um einen integrierten DC-DC-Wandler. Es gibt beispielsweise einen 3,7-V-Lithium-Ionen-Akku, dessen Spannung mit dieser Schaltung geändert werden kann, um die erforderlichen 12 V bei 1,5 A bereitzustellen.

Der Konverter ist einfach selbst zu bauen. Die Hauptkomponente ist der MC34063, der aus einer Spannungsreferenz (temperaturkompensiert), einem Komparator, einem Oszillator mit aktiver Spitzenstrombegrenzungsschaltung, einem UND-Gatter, einem Flip-Flop und einem Hochleistungs-Ausgangsschalter mit Treiber und nur besteht Damit der Kabelbaum fertig ist, müssen noch einige zusätzliche elektronische Komponenten eingebaut werden. Diese Chipserie wurde speziell für den Einbau in verschiedene Konverter entwickelt.

Vorteile des MC34063A-Chips

• Betrieb von 3 bis 40 V Eingang
• Niedriger Standby-Strom
• Derzeitige Begrenzung
• Ausgangsstrom bis 1,5 A
• Ausgangsspannung einstellbar
• Betrieb im Frequenzbereich bis 100 kHz
• Genauigkeit 2 %

Beschreibung von Radioelementen

• R- Alle Widerstände haben eine Leistung von 0,25 W.
• T- TIP31-NPN-Leistungstransistor. Der gesamte Ausgangsstrom fließt durch ihn.
• L1- 100 µH Ferritspulen. Wenn Sie es selbst machen müssen, müssen Sie ringförmige Ferritringe mit einem Außendurchmesser von 20 mm und einem Innendurchmesser von 10 mm kaufen, ebenfalls 10 mm hoch und 1 - 1,5 mm dick und 0,5 Meter lang, und 5 Windungen machen gleiche Abstände. Die Abmessungen des Ferritrings sind nicht allzu kritisch. Ein Unterschied von wenigen (1-3 mm) ist akzeptabel.
• D- Es muss eine Schottky-Diode verwendet werden
• TR- variabler Widerstand mit mehreren Windungen, der hier zur Feinabstimmung der 12-V-Ausgangsspannung verwendet wird.
• C- C1 und C3 sind Polarkondensatoren, achten Sie also darauf, wenn Sie sie auf der Platine platzieren.

Liste der zu montierenden Teile

1. Widerstände: R1 = 0,22 Ohm x1, R2 = 180 Ohm x1, R3 = 1,5K x1, R4 = 12K x1
2. Regler: TR1 = 1 kOhm, Multiturn
3. Transistor: T1 = TIP31A oder TIP31C
4. Drossel: L1 = 100 µH am Ferritring
5. Diode: D1 – Schottky 1N5821 (21 V – 3 A), 1N5822 (28 V – 3 A) oder MBR340 (40 V – 3 A).
6. Kondensatoren: C1 = 100 uF / 25 V, C2 = 0,001 uF, C3 = 2200 uF / 25 V
7. Chip: MC34063
8. Leiterplatte 55 x 40 mm

Beachten Sie, dass am T1-TIP31-Transistor ein kleiner Aluminiumkühlkörper installiert werden muss, da dieser Transistor sonst durch erhöhte Erwärmung, insbesondere bei hohen Lastströmen, beschädigt werden kann. Datenblatt und Leiterplattenzeichnung

Manchmal muss Hochspannung aus Niederspannung gewonnen werden. Für einen Hochspannungs-Programmierer, der über einen 5-Volt-USB-Anschluss mit Strom versorgt wird, benötigen Sie beispielsweise etwa 12 Volt.

Was soll ich machen? Hierfür gibt es DC-DC-Umwandlungsschaltungen. Sowie spezielle Mikroschaltungen, mit denen Sie dieses Problem in einem Dutzend Teilen lösen können.

Arbeitsprinzip
Wie macht man beispielsweise aus fünf Volt etwas mehr als fünf? Es gibt viele Möglichkeiten – zum Beispiel Kondensatoren parallel zu laden und sie dann in Reihe zu schalten. Und so oft pro Sekunde. Es gibt jedoch einen einfacheren Weg, die Eigenschaften der Induktivität zu nutzen, um die Stromstärke aufrechtzuerhalten.

Um es ganz deutlich zu machen, zeige ich zunächst ein Beispiel für Klempner.

Phase 1

Die Klappe schließt schlagartig. Die Strömung kann nirgendwo anders hin, und die beschleunigte Turbine drückt die Flüssigkeit weiter vorwärts, weil kann nicht sofort aufstehen. Darüber hinaus drückt es mit einer Kraft darauf, die größer ist, als die Quelle entwickeln kann. Treibt die Gülle durch das Ventil in den Druckspeicher. Wohin gelangt ein Teil davon (bereits mit erhöhtem Druck) zum Verbraucher? Von dort kehrt es dank des Ventils nicht mehr zurück.

Phase 3

Und wieder schließt sich die Klappe und die Turbine beginnt, Flüssigkeit heftig in die Batterie zu drücken. Aufholen der dort entstandenen Verluste in Phase 3.

Zurück zu den Diagrammen
Wir klettern aus dem Keller, ziehen das Klempner-Sweatshirt aus, werfen den Gasschlüssel in die Ecke und beginnen mit neuem Wissen mit der Konstruktion des Diagramms.

Anstelle einer Turbine ist auch eine Induktivität in Form einer Drossel durchaus geeignet. Als Dämpfer dient ein gewöhnlicher Schlüssel (in der Praxis ein Transistor), als Ventil natürlich eine Diode und als Druckspeicher übernimmt ein Kondensator. Wer außer ihm ist in der Lage, Potenzial anzuhäufen. Fertig, der Konverter ist fertig!

Phase 1

Der Schlüssel öffnet sich, aber die Spule kann nicht gestoppt werden. Die im Magnetfeld gespeicherte Energie strömt heraus, der Strom bleibt tendenziell auf dem gleichen Niveau wie zum Zeitpunkt des Öffnens des Schlüssels. Infolgedessen springt die Spannung am Ausgang der Spule stark an (um Platz für den Strom zu machen) und wird durch Durchbrechen der Diode in den Kondensator gepackt. Nun ja, ein Teil der Energie fließt in die Ladung.

Phase 3

Der Schlüssel öffnet sich und die Energie von der Spule bricht erneut durch die Diode in den Kondensator ein, wodurch sich die Spannung erhöht, die während Phase 3 abgefallen ist. Der Zyklus ist abgeschlossen.

Wie aus dem Prozess hervorgeht, ist klar, dass wir aufgrund des größeren Stroms von der Quelle die Spannung am Verbraucher erhöhen. Daher muss hier unbedingt auf die Machtgleichheit geachtet werden. Idealerweise bei einem Wandlerwirkungsgrad von 100 %:

U-Quelle *I-Quelle = U-Verbrauch *I-Verbrauch

Wenn unser Verbraucher also 12 Volt benötigt und 1 A verbraucht, müssen von einer 5-Volt-Quelle bis zu 2,4 A in den Konverter eingespeist werden. Gleichzeitig habe ich die Verluste der Quelle nicht berücksichtigt, obwohl sie normalerweise vorhanden sind sind nicht sehr groß (der Wirkungsgrad liegt normalerweise bei etwa 80-90 %).

Wenn die Quelle schwach ist und keine 2,4 Ampere liefern kann, kommt es bei 12 Volt zu wilden Wellen und einem Spannungsabfall – der Verbraucher frisst den Inhalt des Kondensators schneller auf, als die Quelle ihn dorthin wirft.

Schaltungsdesign
Es gibt viele vorgefertigte DC-DC-Lösungen. Sowohl in Form von Mikroblöcken als auch spezialisierten Mikroschaltungen. Ich werde keine Haarspalterei betreiben und um meine Erfahrungen zu demonstrieren, werde ich ein Beispiel für eine Schaltung auf dem MC34063A geben, die ich bereits im Beispiel verwendet habe.

• SWC/SWE-Pins des Transistorschalters des Chips. SWC ist sein Kollektor und SWE ist sein Emitter. Der maximale Strom, den er ziehen kann, beträgt 1,5 A Eingangsstrom, Sie können aber auch einen externen Transistor für jeden gewünschten Strom anschließen (weitere Einzelheiten finden Sie im Datenblatt des Chips).
• DRC – Verbundtransistor-Kollektor
• Ipk – Stromschutzeingang. Dort wird die Spannung vom Shunt Rsc entfernt; wenn der Strom überschritten wird und die Spannung am Shunt (Upk = I*Rsc) höher als 0,3 Volt wird, kommt es zum Stillstand des Wandlers. Diese. Um den Eingangsstrom auf 1A zu begrenzen, müssen Sie einen 0,3-Ohm-Widerstand installieren. Ich hatte keinen 0,3-Ohm-Widerstand, also habe ich dort eine Brücke angebracht. Es wird funktionieren, aber ohne Schutz. Wenn überhaupt, wird es meinen Mikroschaltkreis zerstören.
• TC ist der Eingang des Kondensators, der die Betriebsfrequenz festlegt.
• CII ist der Komparatoreingang. Wenn die Spannung an diesem Eingang unter 1,25 Volt liegt, erzeugt die Taste Impulse und der Wandler wird aktiviert. Sobald es größer wird, schaltet es sich ab. Hier wird über einen Teiler an R1 und R2 die Rückkopplungsspannung vom Ausgang angelegt. Darüber hinaus ist der Teiler so gewählt, dass bei Auftreten der von uns benötigten Spannung am Ausgang genau 1,25 Volt am Eingang des Komparators anliegen. Dann ist alles ganz einfach: Ist die Ausgangsspannung niedriger als nötig? Wir dreschen. Haben Sie bekommen, was Sie brauchten? Lasst uns abschalten.
• Vcc – Schaltkreisleistung
• GND – Masse

Alle Formeln zur Berechnung der Nennwerte finden Sie im Datenblatt. Ich kopiere daraus hier die für uns wichtigste Tabelle:

Geätzt, gelötet...

So ist das. Ein einfaches Schema, mit dem Sie jedoch eine Reihe von Problemen lösen können.

Hallo zusammen. Ich möchte Ihnen von einem kleinen Booster-Modul erzählen ... Ich habe ähnliche Module verwendet, als ich das zusammengebaut habe. Daher habe ich es „in Reserve“ genommen, da es im Amateurfunk immer Anwendungen geben wird, insbesondere dort, wo Batteriestrom verwendet wird ... Wer Interesse hat, ist herzlich willkommen bei Cat.

Der Verkäufer gibt auf der Website folgende Merkmale an:
1. Moduleigenschaften: nicht isoliertes Boost-Modul (BOOST) 2. Eingangsspannung: 1–5 V 3. Ausgangsspannung: 5,1–5,2 V 4. Ausgangsstrom: Nennwert 1 A–1,5 A (Einzeleingangs-Lithiumbatterie) 5. Umwandlungseffizienz : bis zu 96 % (Eingangsspannung, desto höher der Wirkungsgrad) 6. Schaltfrequenz: 500 kHz 7. Ausgangswelligkeit: mV (max.) 20 M Bandbreite (Eingang 4 V, Ausgang 5,1 V 1 A) 8. Spannungsanzeige: LED leuchtet bei Last ( Eingangsspannung niedriger als 2,7 V (LED-Anzeige aus) 9. Betriebstemperatur: Industriequalität (-40 °C bis +85 °C) 10. Temperaturanstieg bei Volllast: 30 °C 11. Ruhestrom: 130 uA 12. Lastregelung: ± 1 % 13 . Spannungsregelung: ± 0,5 % 14. Dynamische Reaktionsgeschwindigkeit: 5 % 200uS 15. Kurzschlussschutz: Nein
Das Modul kam innerhalb eines Monats bei mir an. Der Track wurde nicht verfolgt... Er war in einem normalen gelben Umschlag mit einer Luftpolsterfolie darin verpackt...
Hier ist ein echtes Foto des Moduls:


Das Modul ist wirklich klein, hier ein Vergleich mit einem anderen Boost-Modul auf dem XL6009


Auf dem SOT23-6-Chip befindet sich eine Markierung 31=N10. Laut dieser Markierung führt die Suche zu diesem. Es sieht so aus, als wäre es genau dieser Step-up DC/DC Converter RT9266
Hier ist ein schematisches Diagramm dieses Moduls (entnommen aus dem Datenblatt):


Überprüfen Sie die Ausgangsspannung. Etwas mehr als 5V... Die Spannung bleibt im Bereich von 0,8V bis 4,5V (ich habe sie nicht höher eingestellt)






Überprüfen wir nun den maximalen Strom, den das Modul liefern kann. Wir schließen ein Amperemeter und einen variablen Drahtwiderstand an den Ausgang an. Wir stellen die Spannung der geladenen Lithiumbatterie auf 3,9 V ein.


Bei einem Ausgangsstrom von 200 mA beträgt der Batterieverbrauch 370 mA


Bei einem Strom von 300 mA beträgt der Stromverbrauch der Batterie 610 mA


Bei einem Ausgangsstrom von 370mA ging die Mikroschaltung in den Schutz... Eigentlich habe ich am Ausgang keine 1 Ampere gesehen... Was ich im Prinzip im Voraus vermutet habe... Aber für die Stromversorgung von Geräten mit geringem Stromverbrauch die 5V von einer Lithiumbatterie benötigen, ist geeignet...

Das ist alles... Ziehen Sie Ihre eigenen Schlussfolgerungen.
Vorteile:
1.) Mir gefiel die geringe Größe des Moduls.
2.) Ich habe keine besonderen Störungen am Ausgang des Oszilloskops gesehen, normale Nadeln ...
Von den Minuspunkten:
Der von den Chinesen deklarierte 1A-Strom erzeugt nicht...
Friede und Güte für alle... Frohe bevorstehende Feiertage am 1. Mai!!! Hurra, Kameraden!!!

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DC/DC-Wandler werden häufig zur Stromversorgung verschiedener elektronischer Geräte verwendet. Sie werden in Computergeräten, Kommunikationsgeräten, verschiedenen Steuer- und Automatisierungskreisen usw. verwendet.

Transformator-Netzteile

Bei herkömmlichen Transformator-Stromversorgungen wird die Spannung des Versorgungsnetzes mithilfe eines Transformators auf den gewünschten Wert umgewandelt, meist reduziert. Die reduzierte Spannung wird durch einen Kondensatorfilter geglättet. Bei Bedarf wird nach dem Gleichrichter ein Halbleiterstabilisator eingebaut.

Transformatornetzteile sind in der Regel mit Linearstabilisatoren ausgestattet. Solche Stabilisatoren haben mindestens zwei Vorteile: niedrige Kosten und eine geringe Anzahl von Teilen im Kabelbaum. Diese Vorteile werden jedoch durch einen geringen Wirkungsgrad zunichte gemacht, da ein erheblicher Teil der Eingangsspannung zur Erwärmung des Steuertransistors verwendet wird, was für die Stromversorgung tragbarer elektronischer Geräte völlig inakzeptabel ist.

DC/DC-Wandler

Wenn das Gerät mit galvanischen Zellen oder Batterien betrieben wird, ist die Spannungsumwandlung auf das erforderliche Niveau nur mit Hilfe von DC/DC-Wandlern möglich.

Die Idee ist ganz einfach: Gleichspannung wird in Wechselspannung umgewandelt, meist mit einer Frequenz von mehreren zehn oder sogar hundert Kilohertz, erhöht (erniedrigt) und dann gleichgerichtet und der Last zugeführt. Solche Wandler werden oft als Impulswandler bezeichnet.

Ein Beispiel ist ein Aufwärtswandler von 1,5 V auf 5 V, also genau die Ausgangsspannung eines Computer-USB. Ein ähnlicher Low-Power-Konverter wird auf Aliexpress verkauft.

Reis. 1. Konverter 1,5V/5V

Impulswandler sind gut, weil sie einen hohen Wirkungsgrad haben, der zwischen 60 und 90 % liegt. Ein weiterer Vorteil von Pulswandlern ist der große Eingangsspannungsbereich: Die Eingangsspannung kann niedriger als die Ausgangsspannung oder deutlich höher sein. Generell lassen sich DC/DC-Wandler in mehrere Gruppen einteilen.

Klassifizierung von Konvertern

Senkung, in der englischen Terminologie „Step-Down“ oder „Buck“.

Die Ausgangsspannung dieser Wandler ist in der Regel niedriger als die Eingangsspannung: Ohne nennenswerte Erwärmungsverluste des Steuertransistors kann man bei einer Eingangsspannung von 12...50V eine Spannung von nur wenigen Volt erreichen. Der Ausgangsstrom solcher Wandler hängt vom Lastbedarf ab, der wiederum das Schaltungsdesign des Wandlers bestimmt.

Eine andere englische Bezeichnung für einen Abwärtswandler ist Chopper. Eine der Übersetzungsmöglichkeiten für dieses Wort ist Unterbrecher. In der Fachliteratur wird ein Abwärtswandler manchmal als „Chopper“ bezeichnet. Erinnern wir uns zunächst einmal an diesen Begriff.

Zunehmend, in der englischen Terminologie „Step-up“ oder „Boost“.

Die Ausgangsspannung dieser Wandler ist höher als die Eingangsspannung. Beispielsweise kann bei einer Eingangsspannung von 5 V die Ausgangsspannung bis zu 30 V betragen und eine stufenlose Regelung und Stabilisierung ist möglich. Oftmals werden Aufwärtswandler auch Booster genannt.

Universelle Konverter - SEPIC

Die Ausgangsspannung dieser Wandler wird auf einem bestimmten Niveau gehalten, wenn die Eingangsspannung entweder höher oder niedriger als die Eingangsspannung ist. Empfohlen in Fällen, in denen die Eingangsspannung innerhalb erheblicher Grenzen schwanken kann. In einem Auto kann die Batteriespannung beispielsweise zwischen 9 und 14 V schwanken, Sie müssen jedoch eine stabile Spannung von 12 V erreichen.

Invertierende Wandler

Die Hauptfunktion dieser Wandler besteht darin, eine Ausgangsspannung mit umgekehrter Polarität im Verhältnis zur Stromquelle zu erzeugen. Sehr praktisch, wenn beispielsweise eine bipolare Stromversorgung erforderlich ist.

Alle genannten Wandler können stabilisiert oder unstabilisiert sein, die Ausgangsspannung kann galvanisch mit der Eingangsspannung verbunden sein oder über eine galvanische Spannungstrennung verfügen. Es hängt alles von dem spezifischen Gerät ab, in dem der Konverter verwendet wird.

Um zu einer weiteren Geschichte über DC/DC-Wandler überzugehen, sollten Sie die Theorie zumindest allgemein verstehen.

Abwärtswandler-Chopper – Tiefsetzsteller

Das Funktionsdiagramm ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Die Pfeile auf den Drähten zeigen die Richtung der Ströme an.

Abb.2. Funktionsdiagramm des Häckslerstabilisators

Die Eingangsspannung Uin wird dem Eingangsfilter-Kondensator Cin zugeführt. Als Schlüsselelement kommt der VT-Transistor zum Einsatz, der die hochfrequente Stromumschaltung durchführt. Es kann beides sein. Zusätzlich zu den angegebenen Teilen enthält die Schaltung eine Entladediode VD und einen Ausgangsfilter - LCout, von dem aus die Spannung an die Last Rн geliefert wird.

Es ist leicht zu erkennen, dass die Last in Reihe mit den Elementen VT und L geschaltet ist. Daher ist die Schaltung sequentiell. Wie kommt es zu einem Spannungsabfall?

Pulsweitenmodulation – PWM

Die Steuerschaltung erzeugt Rechteckimpulse mit konstanter Frequenz oder konstanter Periode, was im Wesentlichen dasselbe ist. Diese Impulse sind in Abbildung 3 dargestellt.

Abb. 3. Steuerimpulse

Dabei ist t die Impulszeit, der Transistor ist offen, t ist die Pausenzeit und der Transistor ist geschlossen. Das Verhältnis ti/T wird Tastverhältnis genannt, mit dem Buchstaben D bezeichnet und in %% oder einfach in Zahlen ausgedrückt. Wenn D beispielsweise 50 % beträgt, ergibt sich D=0,5.

Somit kann D von 0 bis 1 variieren. Bei einem Wert von D=1 befindet sich der Schlüsseltransistor in einem vollständig leitenden Zustand, und bei D=0 in einem abgeschalteten Zustand ist er, vereinfacht gesagt, geschlossen. Es ist nicht schwer zu erraten, dass bei D=50 % die Ausgangsspannung der Hälfte der Eingangsspannung entspricht.

Es ist ganz offensichtlich, dass die Ausgangsspannung durch Änderung der Breite des Steuerimpulses t und tatsächlich durch Änderung des Koeffizienten D geregelt wird. Dieses Regelungsprinzip wird (PWM) genannt. Bei fast allen Schaltnetzteilen wird mit Hilfe von PWM die Ausgangsspannung stabilisiert.

In den in den Abbildungen 2 und 6 gezeigten Diagrammen ist die PWM in Rechtecken mit der Bezeichnung „Steuerkreis“ „versteckt“, die einige zusätzliche Funktionen ausführt. Dies kann beispielsweise ein Sanftanlauf der Ausgangsspannung, ein Ferneinschalten oder ein Kurzschlussschutz des Wandlers sein.

Im Allgemeinen sind Konverter so weit verbreitet, dass Hersteller elektronischer Komponenten damit begonnen haben, PWM-Controller für alle Gelegenheiten herzustellen. Das Sortiment ist so groß, dass man allein für die Auflistung ein ganzes Buch bräuchte. Daher kommt es niemandem in den Sinn, Konverter aus diskreten Elementen zusammenzubauen, oder wie es oft heißt, in „loser“ Form.

Darüber hinaus können fertige Low-Power-Konverter günstig bei Aliexpress oder Ebay erworben werden. In diesem Fall reicht es für den Einbau im Amateurdesign aus, die Eingangs- und Ausgangsdrähte an die Platine anzulöten und die erforderliche Ausgangsspannung einzustellen.

Aber kehren wir zu unserer Abbildung 3 zurück. In diesem Fall bestimmt der Koeffizient D, wie lange es geöffnet (Phase 1) oder geschlossen (Phase 2) sein wird. Für diese beiden Phasen kann die Schaltung in zwei Zeichnungen dargestellt werden. Die Abbildungen zeigen NICHT die Elemente, die in dieser Phase nicht verwendet werden.

Abb.4. Phase 1

Wenn der Transistor geöffnet ist, fließt der Strom von der Stromquelle (galvanische Zelle, Batterie, Gleichrichter) durch die induktive Drossel L, die Last Rн und den Ladekondensator Cout. Gleichzeitig fließt Strom durch die Last, der Kondensator Cout und die Induktivität L sammeln Energie. Der Strom iL nimmt aufgrund des Einflusses der Induktivität des Induktors allmählich zu. Diese Phase wird Pumpen genannt.

Nachdem die Lastspannung den eingestellten Wert erreicht hat (bestimmt durch die Einstellungen des Steuergeräts), schließt der VT-Transistor und das Gerät geht in die zweite Phase – die Entladephase. Der geschlossene Transistor in der Abbildung ist überhaupt nicht dargestellt, als ob er nicht existieren würde. Dies bedeutet aber nur, dass der Transistor geschlossen ist.

Abb.5. Phase 2

Wenn der VT-Transistor geschlossen ist, erfolgt keine Energieauffüllung in der Induktivität, da die Stromquelle ausgeschaltet ist. Die Induktivität L verhindert tendenziell Änderungen in der Größe und Richtung des durch die Induktorwicklung fließenden Stroms (Selbstinduktion).

Daher kann der Strom nicht sofort stoppen und wird durch den „Diodenlast“-Stromkreis geschlossen. Aus diesem Grund wird die VD-Diode als Entladediode bezeichnet. In der Regel handelt es sich hierbei um eine Hochgeschwindigkeits-Schottky-Diode. Nach der Steuerperiode, Phase 2, schaltet die Schaltung auf Phase 1 um und der Vorgang wiederholt sich erneut. Die maximale Spannung am Ausgang der betrachteten Schaltung kann gleich der am Eingang sein und nicht mehr. Um eine höhere Ausgangsspannung als die Eingangsspannung zu erhalten, werden Aufwärtswandler verwendet.

Zunächst müssen wir Sie nur an die Größe der Induktivität erinnern, die die beiden Betriebsmodi des Zerhackers bestimmt. Reicht die Induktivität nicht aus, arbeitet der Wandler im Abschaltstrommodus, was für Stromversorgungen völlig inakzeptabel ist.

Wenn die Induktivität groß genug ist, erfolgt der Betrieb im Dauerstrommodus, der es ermöglicht, mithilfe von Ausgangsfiltern eine konstante Spannung mit akzeptabler Welligkeit zu erhalten. Aufwärtswandler, auf die weiter unten eingegangen wird, arbeiten ebenfalls im Dauerstrommodus.

Um den Wirkungsgrad leicht zu steigern, wird die Entladediode VD durch einen MOSFET-Transistor ersetzt, der im richtigen Moment von der Steuerschaltung geöffnet wird. Solche Wandler werden als synchron bezeichnet. Ihr Einsatz ist gerechtfertigt, wenn die Leistung des Wandlers groß genug ist.

Aufwärts- oder Aufwärtswandler

Aufwärtswandler werden hauptsächlich für die Niederspannungsversorgung verwendet, beispielsweise aus zwei oder drei Batterien, und einige Konstruktionskomponenten erfordern eine Spannung von 12...15 V bei geringem Stromverbrauch. Sehr oft wird ein Aufwärtswandler kurz und deutlich mit dem Wort „Booster“ bezeichnet.

Abb.6. Funktionsdiagramm eines Aufwärtswandlers

Die Eingangsspannung Uin wird an den Eingangsfilter Cin angelegt und dem in Reihe geschalteten L- und Schalttransistor VT zugeführt. Eine VD-Diode ist an den Verbindungspunkt zwischen der Spule und dem Drain des Transistors angeschlossen. Die Last Rн und der Parallelkondensator Cout sind mit dem anderen Anschluss der Diode verbunden.

Der VT-Transistor wird von einer Steuerschaltung gesteuert, die ein Steuersignal mit stabiler Frequenz und einem einstellbaren Tastverhältnis D erzeugt, genau wie oben bei der Beschreibung der Chopper-Schaltung beschrieben (Abb. 3). Die VD-Diode blockiert zum richtigen Zeitpunkt die Last vom Schlüsseltransistor.

Bei geöffnetem Schlüsseltransistor ist der rechte Ausgang der Spule L gemäß Diagramm mit dem Minuspol der Stromquelle Uin verbunden. Ein zunehmender Strom (aufgrund des Einflusses der Induktivität) von der Stromquelle fließt durch die Spule und den offenen Transistor und Energie sammelt sich in der Spule.

Zu diesem Zeitpunkt blockiert die Diode VD die Last und den Ausgangskondensator vom Schaltkreis und verhindert so, dass sich der Ausgangskondensator über den offenen Transistor entlädt. Die Last wird in diesem Moment durch die im Kondensator Cout gespeicherte Energie gespeist. Natürlich sinkt die Spannung am Ausgangskondensator.

Sobald die Ausgangsspannung leicht unter den eingestellten Wert fällt (bestimmt durch die Einstellungen des Steuerkreises), schließt der Schlüsseltransistor VT und die in der Induktivität gespeicherte Energie lädt über die Diode VD den Kondensator Cout wieder auf, der den mit Strom versorgt Belastung. In diesem Fall wird die Selbstinduktions-EMK der Spule L zur Eingangsspannung addiert und auf die Last übertragen, daher ist die Ausgangsspannung größer als die Eingangsspannung.

Wenn die Ausgangsspannung den eingestellten Stabilisierungspegel erreicht, öffnet die Steuerschaltung den Transistor VT und der Vorgang wiederholt sich ab der Energiespeicherphase.

Universelle Wandler – SEPIC (Single-Ended Primary Inductor Converter oder Wandler mit asymmetrisch belasteter Primärinduktivität).

Solche Wandler werden hauptsächlich dann verwendet, wenn die Last eine unbedeutende Leistung hat und sich die Eingangsspannung relativ zur Ausgangsspannung nach oben oder unten ändert.

Abb.7. Funktionsdiagramm des SEPIC-Konverters

Sehr ähnlich der in Abbildung 6 gezeigten Aufwärtswandlerschaltung, jedoch mit zusätzlichen Elementen: Kondensator C1 und Spule L2. Es sind diese Elemente, die den Betrieb des Wandlers im Spannungsreduzierungsmodus gewährleisten.

SEPIC-Wandler werden in Anwendungen eingesetzt, bei denen die Eingangsspannung stark schwankt. Ein Beispiel ist ein 4-V-35-V-zu-1,23-V-32-V-Boost-Buck-Spannungs-Aufwärts-/Abwärtswandler-Regler. Unter diesem Namen wird der Konverter in chinesischen Geschäften verkauft, dessen Schaltung in Abbildung 8 dargestellt ist (zum Vergrößern auf die Abbildung klicken).

Abb.8. Schematische Darstellung des SEPIC-Konverters

Abbildung 9 zeigt das Aussehen der Platine mit der Bezeichnung der Hauptelemente.

Abb.9. Aussehen des SEPIC-Konverters

Die Abbildung zeigt die Hauptteile gemäß Abbildung 7. Beachten Sie, dass es zwei Spulen L1 L2 gibt. Anhand dieser Funktion können Sie feststellen, dass es sich um einen SEPIC-Konverter handelt.

Die Eingangsspannung der Platine kann zwischen 4 und 35 V liegen. In diesem Fall kann die Ausgangsspannung im Bereich von 1,23 bis 32 V eingestellt werden. Die Arbeitsfrequenz des Konverters beträgt 500 KHz. Bei geringen Abmessungen von 50 x 25 x 12 mm liefert die Platine eine Leistung von bis zu 25 W. Maximaler Ausgangsstrom bis zu 3A.

Aber hier sollte eine Bemerkung gemacht werden. Wenn die Ausgangsspannung auf 10 V eingestellt ist, darf der Ausgangsstrom nicht höher als 2,5 A (25 W) sein. Bei einer Ausgangsspannung von 5 V und einem maximalen Strom von 3 A beträgt die Leistung nur 15 W. Hier gilt es vor allem nicht zu übertreiben: Entweder die maximal zulässige Leistung nicht überschreiten oder die zulässigen Stromgrenzen nicht überschreiten.