Добірка схем імпульсних перетворювачів напруги DC-DC. Підвищуючий DC-DC перетворювач
Іноді треба отримати високу напругу з низької. Наприклад, для високовольтного програматора, що живиться від 5ти вольтового USB, надибать десь 12 вольт.
Як бути? І тому існують схеми DC-DC перетворення. А також спеціалізовані мікросхеми, що дозволяють вирішити це завдання за десяток деталей.
Принцип роботи
Отже, як зробити з, наприклад, п'яти вольт щось більше, ніж п'ять? Способів можна вигадати багато — наприклад заряджати конденсатори паралельно, а потім перемикати послідовно. І так багато разів на секунду. Але є спосіб простіше з використанням властивостей індуктивності зберігати силу струму.
Щоб було гранично зрозуміло, покажу спочатку приклад для сантехніків.
Фаза 1
Заслінка різко закривається. Потоку більше подітися нікуди, а турбіна, розігнаною продовжує тиснути рідина вперед, т.к. не може миттєво встати. Причому тисне вона її з силою більшою ніж може розвинути джерело. Гонить жижу через клапан акумулятор тиску. Звідки ж частина (вже з підвищеним тиском) йде у споживач. Звідки завдяки клапану вже не повертається.
Фаза 3
І знову заслінка закривається, а турбіна починає люто продавлювати рідину в акумулятор. Поповнюючи втрати, які там утворилися на фазі 3.
Назад до схем
Вилазимо з підвалу, скидаємо фуфайку сантехніка, закидаємо газовий ключ у кут і з новими знаннями починаємо городити схему.
Замість турбіни у нас цілком підійде індуктивність у вигляді дроселя. Як заслінка звичайний ключ (на практиці - транзистор), як клапан природно діод, а роль акумулятора тиску візьме на себе конденсатор. Хто як не здатний накопичувати потенціал. Усі, перетворювач готовий!
Фаза 1
Ключ розмикається, але котушку не зупинити. Запасена в магнітному полі енергія рветься назовні, струм прагне підтримуватися тому ж рівні, що у момент розмикання ключа. В результаті, напруга на виході з котушки різко підскакує (щоб пробити шлях струму) і прорвавшись крізь діод, набивається в конденсатор. Та й частина енергії йде в навантаження.
Фаза 3
Ключ розмикається і енергія з котушки знову ломиться через діод в конденсатор, підвищуючи напругу, що просіла за час фази 3. Цикл замикається.
Як видно з процесу, видно, що за рахунок більшого струму з джерела ми набиваємо напругу на споживача. Так що рівність потужностей тут має дотримуватися залізно. В ідеальному випадку, при ККД перетворювача 100%:
U іст *I іст = U потр *I потр
Так що якщо наш споживач вимагає 12 вольт і їсть при цьому 1А, то з 5 вольтового джерела в перетворювач потрібно годувати цілих 2.4А. При цьому я не врахував втрат джерела, хоча зазвичай вони не дуже великі (ККД зазвичай близько 80-90%).
Якщо джерело слабке і віддати 2.4 ампера не в змозі, то на 12 вольтах підуть дикі пульсації і зниження напруги - споживач буде зжирати вміст конденсатора швидше ніж його туди закидатиме джерело.
Схемотехніка
Готових рішень DC-DC є дуже багато. Як у вигляді мікроблоків, так і спеціалізованих мікросхем. Я ж не мудруватиму і для демонстрації досвіду наведу приклад схеми на MC34063A, яку вже використовував у прикладі.
- SWC/SWE висновки транзисторного ключа мікросхеми SWC – це його колектор, а SWE – емітер. Максимальний струм, який він може витягнути - 1.5А вхідного струму, але можна підключити і зовнішній транзистор на будь-який бажаний струм (докладніше в датасіті на мікросхему).
- DRC - колектор складеного транзистора
- IPK - вхід струмового захисту. Туди знімається напруга з шунта Rsc якщо струм буде перевищений і напруга на шунті (Upk = I * Rsc) стане вище 0.3 вольта, то перетворювач заглухне. Тобто. для обмеження вхідного струму 1А треба поставити резистор на 0.3 Ом. У мене на 0.3 ома резистора не було, тому я поставив туди перемичку. Працюватиме, але без захисту. Якщо щось, то мікросхему в мене вб'є.
- TC – вхід конденсатора, що задає частоту роботи.
- CII – вхід компаратора. Коли цей вход напруга нижче 1.25 вольт — ключ генерує імпульси, перетворювач працює. Як тільки стає більше – вимикається. Сюди через дільник на R1 і R2 заводиться напруга зворотного зв'язку з виходу. Причому дільник підбирається таким чином, щоб коли на виході виникне потрібна нам напруга, то на вході компаратора виявиться 1.25 вольт. Далі все просто — напруга на виході нижча, ніж треба? Молотим. Дійшло до потрібного? Вимикаємось.
- Vcc - Живлення схеми
- GND - Земля
Усі формули з розрахунку номіналів наведені у датасіті. Я ж скопіюю з нього сюди найважливішу для нас таблицю:
Витруїв, спаяв…
Ось так ось. Проста схемка, а дозволяє вирішити низку проблем.
Це пристрій, покликаний з напруги одного рівня отримати одну або кілька напруг іншого рівня. Іноді це буває абсолютно необхідно в нашій практиці, наприклад, якщо ми конструюємо пристрій з низьковольтним живленням від Li-Ion акумулятора, а в схемі цього пристрою є операційні підсилювачі, що вимагають живлення від двополярного джерела ∓ 15в. Або інший приклад. Припустимо, нам потрібно живити пристрій на мікроконтролері з номінальною напругою 5 вольт від літій іонного акумулятора. У цьому та подібних випадках на розробнику доводиться використовувати перетворювачі постійної напруги.
У цій статті йтиметься про імпульсні перетворювачі, які мають очевидні переваги, головна з яких - високий ККД. Імпульсні перетворювачі - це дуже широкий клас пристроїв. Вони можуть бути стабілізовані або нестабілізовані, з гальванічною розв'язкою входу від виходу або без. також перетворювачі можна розділити на підвищувальні, знижувальні та інвертуючі (наприклад, перетворювач, який, живлячись від напруги +5В дає на виході напругу -5В)
Зараз виробники електронних компонентів випускають велику низку спеціальних мікросхем для використання у додатках DC-DC. Перетворювачі, зібрані на таких чіпах, мають стабільні характеристики та високу надійність. проте імпульсний перетворювач можна зібрати і звичайних дискретних транзисторах. У цій статті наводяться дуже простих схем, які можна використовувати для вирішення нескладних конструкторських завдань.
Дуже поширена мікросхема MAX232 служить перетворення інтерфейсу UART в сигнали стандарту інтерфейсу RS232. У складі цієї мікросхеми вже є вбудовані перетворювачі напруги, які ми можемо використовувати у своїх корисливих цілях.
Схема 1. Незвичайне використання мікросхеми MAX232
такий перетворювач може забезпечити напругу∓ 9В при невеликому струмі 5..8 мА. Такий перетворювач можна використовуватиме живлення одного - двох операційних підсилювачів. основна перевага – це простота. Доцільно застосовувати цю схему якщо щось потрібно зробити швидко, а під рукою немає нічого, крім мікросхеми MAX232
Схема 2. Простий нестабілізований перетворювач на двох транзисторах
Одна із найпростіших схем. параметри такого перетворювача залежать від параметрів транзисторів, частоти перетворення і характеристик трансформатора. Схема, зображена малюнку працює на частоті близько 50 кГц.
Трансформатор T1 – саморобний. Його можна намотати на феритовому кільці з матеріалу 2000НМ розміром 10х6х4. первинна обмотка складається з 20 витків із відведенням від середини. Вторинна - 140 витків також із відведенням від середини. Діаметр дроту – не менше 0.2 мм. Транзистори можна замінити на BC546 чи інші. якщо до перетворювача не підключено навантаження, він практично не споживає струм джерела живлення. У цьому одна з його переваг (крім простоти).
Схема 3. Простий нестабілізований перетворювач – мультивібратор.
Наступна практична схема – це двотактний перетворювач на чотирьох транзисторах. серцем схеми є звичайний мультивібратор на двох транзисторах VT1 та VT2.
Драйверами для обмоток імпульсного трансформатора є транзистори VT3 і VT4. До вторинної обмотки імпульсного трансформатора підключений однополуперіодний випрямляч на діоді VD3. Пульсації вихідної напруги згладжуються конденсатором C3. Вихідну напругу цього перетворювача можна змінювати в широких межах зміною числа витків вторинної обмотки трансформатора.
Схема 4. Стабілізований перетворювач двох транзисторах.
Цікава схема, що дозволяє живити від низьковольтного джерела (наприклад від одного лужного елемента 1.5 В.), наприклад, невеликий пристрій на мікроконтролері, що вимагає живлення 5 В. Схема намагається підтримувати на виході постійну напругу близько 4.7 В. Сигнал зворотного зв'язку знімається з резистора R2 і подається з урахуванням першого транзистора VT1. трансформатор Т1 можна намотати на феритовому кільці діаметром 7 мм. Обидві обмотки однакові, по 20 витків дроту діаметром 0,3 мм. Можна намотати обмотки у два дроти. При підключенні необхідно враховувати початок та кінець обмоток. Якщо помилитись, то перетворювач не запрацює. У цьому випадку поміняйте місця проводу однієї з обмоток. Котушка L1 – будь-який дросель з індуктивністю в районі 10 мкГн. Дросель можна використовувати промисловий або намотати самому. Виміряти індуктивність можна за допомогою цього недорогого приладу . Дросель спільно з конденсатором C3 згладжує пульсації вихідної напруги.
Цей якісний і зручний перетворювач побудований на основі спеціалізованої мікросхеми від компанії MAXIM. Можна застосувати для отримання напруги +12 вольт у пристрої, що працює від єдиного джерела живлення з напругою від 3 до 5 вольт. Дросель L1 можна намотати на невеликому феритовому кільці або маленькому феритовому стрижні. Індуктивність котушок зручно вимірювати ці приладчиком. Схема забезпечує вихід струм 120 мА. Мікросхему MAX734.
Схема 5. Дуже простий перетворювач на спеціалізованому чипі.
Ще один DC-DC перетворювач із використанням мікросхеми від MAXIM. Головна перевага - виняткова простота та невибагливість цієї схеми. У пристрої всього 4 деталі, включаючи мікросхему МАХ631. Головне і очевидне призначення такого перетворювача - живлення схеми, розрахованої на 5 Ст від джерела з нижчою напругою 3.2 вольта. Наприклад, від одного Li-Ion акумулятора.
Схема 6. Стабілізований DC-DC перетворювач із двополярним виходом
∓
12 В
Ця дуже корисна схема може стати в нагоді якщо у вашій конструкції є тільки одне джерело живлення 4..5 вольт, але вам необхідно використовувати компоненти, що вимагають двополярного живлення. наприклад, операційні підсилювачі (ОУ). Серцем перетворювача є мікросхема LM2587-12. Імпульсний трансформатор можна реалізувати на феритовому кільці або на броньовому сердечнику. Індуктивність первинної обмотки має бути близько 22 мкГ (виміряти можна цим приладом), а відношення чисел витків первинної обмотки до вторинних = 1:2.5. Тобто, наприклад, індуктивність 22 мкГ на сердечнику який є у вас в наявності виходить при числі витків 50. Тоді число витків кожної з вторинних обмоток буде 2.5*50 = 125
Схема 7. Стабілізований DC-DC перетворювач на дві різні напруги
Якщо у вашій конструкції є цифрові мікросхеми з напругою живлення як 5 так і 3.3, то може знадобитися цей перетворювач. Схема працює від напруги в районі 3 і дозволяє отримати на виході напруги 3.3 і 5 В. Струм навантаження по кожному виходу може досягати 150 мА. Як бачимо зі схеми, у пристрої застосовуються 2 мікросхеми MCP1252 від компанії MICROCHIP
Схема 8. DC-DC перетворювач на дві різні напруги на мікросхемах компанії YCL Elektronics
DC-DC перетворювачі на різну напругу можна зібрати на чіпах, які випускає компанія YCL Elektronics. В даному випадку це мікросхеми DC-102R в каналі мінус 5 В і DC-203R в каналі +12 В. По виходу -5 струм навантаження може досягати 360 мА. По виходу +12 струм менше - 150 мА.
Схема 9. DC-DC підвищуючий перетворювач на MAX1724EZK33
Цей DC-DC перетворювач на мікросхемі
Вихідні дані: мотор-редуктор робоча напруга у якого 5 Вольт при струмі 1 А і мікроконтролер ESP-8266 з чутливою на зміну робочою напругою живлення 3,3 Вольт і з піковим струмом до 600 міліампер. Все це необхідно врахувати та запитати від однієї акумуляторної літій-іонної батареї 18650 напругою 2,8 -4,2 Вольт.
Збираємо схему наведену нижче: акумулятор літій-іонний 18650 напругою 2К,8 -4,2 Вольт без внутрішньої схеми зарядного пристрою -> приєднуємо модуль на мікросхемі TP4056 призначений для зарядки літій-іонних акумуляторів з функцією 2 від короткого замикання (не забуваємо що цей модуль запускається при включеному акумуляторі та короткочасній подачі живлення 5 Вольт на вхід модуля від USB зарядного пристрою, це дозволяє не використовувати вимикач живлення, струм розряду в режимі очікування не дуже великий і при довгому не використання всього пристрою воно само вимкнутись при падінні напруги на акумуляторі нижче 2,8 Вольт)
До модуля TP4056 підключаємо модуль на мікросхемі MT3608 - DC-DC (постійний в постійний струм), що підвищує стабілізатор і перетворювач напруги з 2,8 -4,2 Вольт акумулятора до стабільних 5 Вольт 2 Ампера - живлення мотор-редуктора.
Паралельно до виходу модуля MT3608 підключаємо понижувальний DC-DC стабілізатор-перетворювач на мікросхемі MP1584 EN, призначений для стабільного живлення 3,3 Вольта 1 Ампер мікропроцесора ESP8266.
Стабільна робота ESP8266 залежить від стабільності напруги живлення. Перед підключенням послідовно модулів DC-DC стабілізаторів-перетворювачів не забудьте налаштувати змінними опорами потрібну напругу, поставте конденсатор паралельно клемам мотор-редуктора щоб той не створював високочастотних перешкод роботі мікропроцесору ESP8266.
Як бачимо зі показань мультиметра при приєднанні мотор-редуктора напруга живлення мікроконтролера ESP8266 НЕ ЗМІНИЛОСЯ!
Навіщо потрібний СТАБІЛІЗАТОР НАПРУГИ. Як використовувати стабілізатори напруги
Знайомство зі стабілітронами, розрахунок параметричного стабілізатора; використання інтегральних стабілізаторів; конструкція простого тестера стабілітронів та інше.
AMS1117 Технічний паспорт
| Найменування | AMS1117 |  Kexin Промислові |
||
| Опис | Лінійний регулятор напруги DC-DC з малим внутрішнім падінням напруги, вихід 800мА, 3.3В, SOT-223
З керованим чи фіксованим режимом регулювання |
|||
| AMS1117 Технічний паспорт PDF (datasheet) : | ||||
|
||||
RT9013 Технічний паспорт
| Найменування |  Richtek технології |
|||
| Опис | Стабілізатор-перетворювач на навантаження зі струмом споживання 500мА, з малим падінням напруги, низьким рівнем власних шумів, надшвидкодіючий, із захистом виходу по струму та від короткого замикання, CMOS LDO. | |||
| RT9013 PDF Технічний паспорт (datasheet) : | ||||
|
||||
| Найменування |  Монолітні Power Systems |
|||
| Опис | 3А, 1.5MHz, 28В Step-Down конвертер | |||
| (datasheet) : | ||||
|
||||
**Придбати можна у магазині Your Cee
| Найменування | Монолітні Power Systems |
|||
| Опис | 3A, від 4.75 Вольт до 23 Вольт, 340KHz, знижуючий перетворювач | |||
| MP2307 Специфікація PDF (datasheet) : | ||||
|
||||
*Придбати можна в магазині Your Cee
LM2596 Технічний паспорт
| Найменування |  По-перше компонентів Міжнародної |
|||
| Опис | Простий знижувальний стабілізатор-перетворювач живлення 3A із внутрішньою частотою 150 кГц | |||
| LM2596 Технічний паспорт PDF (datasheet) : | ||||
|
||||
Типове підключення: 
MC34063A Технічний паспорт
| Найменування | MC34063A |  Крило Шинг International Group |
| Опис | DC-DC керований перетворювач | |
| MC34063A Технічний паспорт PDF (datasheet) : | ||
Це перетворювач живлення, що видає вихідну напругу, яка більша за вхідну. Як і у звичайних стабілізаторів, у підвищує вихідну напругу не залежить від вхідної.
Приклад використання
Живлення Arduino від 2 батарейок
Для того, щоб запитати Arduino від 2 батарейок АА або ААА, необхідно:
Підключити відсік із батареями до Vin стабілізатора
Підключити до Vout вольтметр
Поворотом тримера виставити 5 вольт на Vout, орієнтуючись на показання вольтметра
Вимкнути вольтметр і з'єднати Vout стабілізатора з пінами 5V та GND на Arduino
Після цього незалежно від рівня заряду батарей, плата отримуватиме рівні, стабільні 5 вольт.
Ефективність
Стабілізатор не є джерелом енергії, тому потужність на його виході завжди не більша за потужність на вході. Насправді формула така: .
де K – коефіцієнт корисної дії, – потужність. До нашого модуля K = 0,8…0,9. Струм, який може бути отриманий на виході, буде не більше 
.
Зменшення споживаного струму
На платі передбачено світлодіод, що показує наявність напруги на виході. Ця напруга може досягати 28 В. Щоб світлодіод не згорів від такої напруги, зібрана схема, що підтримує струм на світлодіоді постійним незалежно від напруги.
Ця схема споживає струм рівний. Наприклад, при виході 5 В, вона споживає 5 мА. З таким струмом важко робити довготривалі автономні пристрої. Але можна виламати або відпаяти світлодіод та транзистор позначені на кресленні, і холостий струм знизиться до 0,5 мА.
