Лабораторный блок питания на базе импульсного стабилизатора LM2576T-ADJ с регулировкой выходного напряжения 0-30В и тока 0-3А , с функцией ограничения выходного тока и индикацией режима ограничения при помощи светодиода.
Все мы очень давно знакомы с линейными стабилизаторами напряжения, особенно с трёхвыводными в корпусах TO-220 типа 7805, 7812, 7824 и LM317. Они недорогие и легко доступны. Их малошумящая и быстрая переходная характеристика делают их идеальными для многих применений. Но им присущ один недостаток - неэффективность (очень низкий КПД). Например, при подаче на стабилизатор 7805 напряжения 12В и при токе нагрузки 1А, на стабилизаторе будет рассеиваться мощность 7Вт при мощности нагрузки 5Вт. Поэтому требуется большой радиатор для охлаждения самого стабилизатора. Когда важна эффективность, например при работе от батареи, необходимо выбирать импульсный стабилизатор. Фактически, самое современное оборудование использует импульсные источники питания и импульсные регуляторы или стабилизаторы. Но много радиолюбители уклоняются от импульсных регуляторов, поскольку, например, использование популярной LM3524 требует большого количества внешних деталей и внешнего коммутационного транзистора. Кроме того строгие требования для катушки индуктивности. Как выбрать правильно, и где их взять? К счастью, более новый импульсный регулятор типа LM2576 от National Semiconductor"s позволяет собирать импульсный стабилизатор с высоким КПД так же легко, как и с помощью 7805 и т.п. Микросхема выпускается в пятивыводном привычном корпусе типа TO-220 и корпусе ТО-263 для поверхностного монтажа. Диапазон питающих напряжений 7-40В постоянного тока. КПД - до 80%. Выходной ток - до 3А и на несколько напряжений (3.3V, 5 V, 12V, 15V), а также и в версии регулируемого выходного напряжения, что представляет для нас особенный интерес. При проектировании с использованием импульсного стабилизатора получается малый размер платы, кроме того необходим радиатор с малой площадью поверхности, обычно не более 100 см. кв. Частота преобразования стабилизатора 52 кГц. Есть серия высоковольтных стабилизаторов с маркировкой HV с диапазоном входных напряжений 7-60В и возможностью регулировки выходного напряжения до 55В.
Приведенная на рисунка схема лабораторного блока питания на базе импульсного стабилизатора LM2576T-ADJ с регулировкой выходного напряжения в диапазоне 0-30В и возможностью ограничения тока нагрузки в диапазоне 0-3А найдена в сети Интернет и подробно рассмотрена на форуме сайта http://vrtp.ru. Кстати, замечательный сайт, рекомендую к посещению:) Свечение светодиода указывает на включение режима ограничения выходного тока, что очень удобно при проверке и ремонте радиоэлектроных устройств.
Чтобы облегчить режим работы стабилизатора 7805 (в корпусе ТО-92) и для повышения верхнего предела напряжения Uвх, последовательно с U2 установлен стабилитрон VD1. Схема регулирования тока и напряжения собрана на сдвоенном компараторе LM393. На первой половинке U3.1 собран регулятор напряжения, а на второй половинке U3.2 собран регулятор тока. На транзисторном ключе Q1 собран узел индикации включения режима ограничения выходного тока. Номинальный ток дросселя необходимо выбирать не менее тока нагрузки. Возможно пиатние слаботочной части схемы от отдельного источника напряжения с подачей его непосредственно на вход U2, при этом стабилитрон VD1 не устанавливается. Хорошо работает с низкоомной нагрузкой. Без изменения схемы, в ней можно применять импульсные стабилизаторы LM2596T-ADJ с частотой преобразования 150 кГц и диапазоном питающих напряжений 4,5-40В. Выходной ток - до 3А. КПД - до 90%.
Размеры печатной платыы блока питания 72х52 мм, расстояние между осями переменных резисторов 30 мм.:
Видео работы стабилизатора (без слов) приведено ниже. Поскольку сборка и проверка устройства велась в г. Донецке в то время, когда за окном рвались снаряды, то не было никакой охоты ничего рассказывать. Да и собирать его не хотелось, но нужно было как-то отвлечься от действительности. Надеюсь Вы меня поймёте.
Стоимость печатной платы с маской и маркировкой: закончились:)
Стоимость набора деталей с печатной платой для сборки блока питания (без радиатора): временно нет в наличии:(
Стоимость собранной и проверенной платы блока питания (без радиатора): временно нет в наличии:(
Краткое описание, схема и перечень компонентов набора
Для покупки печатных плат, наборов для сборки и готовых собранных блоков обращайтесь или
Всем удачи, мирного неба, добра, 73!
Как то достаточно давно, сидя в машине подумал: а чего это я заряжаю телефон через автомобильную зарядку установленную в прикуриватель. Ведь «потребителей» частенько бывает больше чем один, да и само гнездо прикуривателя бывает нужно. Сформулировал для себя ТЗ: питание от борт сети через замок зажигания, выход 1-3 порта с током до 2 А. Поискал в интернете и оказалось что я далеко не первый кто озадачился проблемой и даже больше, реализовал ее различными способами.
Для моей затеи нужен был стабилизатор напряжения выдерживающий напряжение бортсети и ток до 3 Ампер. Вариантов реализации на самом деле огромное количество, но все они сводятся к одному - импульсный понижающий преобразователь. Почему импульсный? Потому что у него КПД максимальное. Значить греться в преобразователе будет почти нечему и размеры обещают быть минимальные.
Понижающий преобразователь предназначен для понижения напряжения до необходимого значения. Его силовые элементы работают в ключевом режиме, по простому включено, выключено. В момент включения энергию накапливает дроссель (катушка на сердечнике), в момент когда силовой элемент (транзистор) выключен, дроссель отдает запасенную энергию в нагрузку. Как только дроссель отдаст накопленную энергию, схема контролирующая напряжение на выходе включит силовой транзистор и процесс повторится.
В настоящий момент все зарядные устройства для телефонов и планшетов вставляемые в гнездо прикуривателя выполнены по схеме с импульсным понижающим преобразователем.
Доставка и внешний вид:
Плата пришла в запаянном антистатическом пакете, вроде бы повод порадоваться, но на самом деле должно восприниматься как должное.
Качество пайки вполне себе качественное. Незначительные остатки флюса на обратной стороне на выводах переменного резистора.
Переменный резистор многооборотный, позволяет точно подстроить выходное напряжение.
Предусмотрены крепежные отверстия под винт. Клеммников нет, провода придется паять. Под микросхемой есть отверстия с металлизацией для дополнительного отвода тепла на обратную сторону платы.
Схема проще не придумаешь:
Единственное что у китайцев номиналы дросселя и конденсаторов отличаются. Видимо что есть в наличии, то и ставят. Хуже уже не будет.
На скорую руку припаял провода и нагрузку в виде проволочного резистора 2.2 Ом 10 Вт.
Для ограничения температуры при нагреве, резистор был помещен в воду.
На стенде доступно 2 напряжения 12 Вольт и 24 Вольта. Первое включение провел без нагрузки, для регулировки выходного напряжения, что бы не сжечь платку. Вращая винт резистора добился напряжения на выходе 5 Вольт.
Нагрузка 2.2 Ом подразумевает ток 2.27 Ампера, что укладывается в заявленные параметры платы а так же мои потребности с небольшим запасом, поскольку я раздобыл сдвоенный разъем с дохлой материнской платы:
По 1 Амперу на порт.
10 минут работы под нагрузкой и дикий нагрев платы. Фото с тепловизора:
Обратная сторона
Ахтунг! Температура 115С на диоде и 110С на микросхеме (сторона с деталями) и 105С с обратной стороны.
Температура дросселя около 70С, многовато, но в насыщение не входит.
Предельная температура для диода 150С, а для микросхемы 125С.
Ни в какие ворота не лезет. Начал думать что это брак или в очередной раз я купил дешевую фигню.
и обнаружил что этот преобразователь имеет паршивенькое КПД. А все из за того, что ключевой элемент в микросхеме является биполярный транзистор, который хоть и работает в ключевом режиме, но в открытом состоянии на нем падает прилично напряжения.
Повышение напряжения на входе до 24 Вольт ситуацию никак не спасло.
График КПД при токе нагрузки 3 Ампера:
Т.е. примерно 80% при питании от борт сети автомобиля. Выходит на микросхеме выделяется при нагрузке 3 А 3.7Вт, а еще греется диод и дроссель. Заменой диода (3А 40В) и дросселя (47мкГн), а так же установкой радиатора можно было бы решить проблему с нагревом, но к чему такие усилия, когда за те же деньги можно взять более продвинутые понижающие преобразователи.
Попытка исправить ситуацию:
На обратную сторону через теплопроводящий клей установил небольшой радиатор (распилил радиатор от неисправного блока питания компьютера).
Диод планировал брать там же из «дежурки» С дросселем немного сложнее, но думаю нашел бы с большим сечением обмоточного провода (учитывая приличный разброс индуктивности в применяемых китайцами дросселях).
Попытка включить и снять показания температуры привела к краху =) я перепутал полярность и спалил микросхему. Сэкономил, надо было штук 5 сразу брать на эксперименты, а лучше не брать вообще, ибо этот древний преобразователь настолько ужасен что в конкретно примененной плате даже 50% характеристик не отрабатывает.
На просторах сети обнаружил нетипичное применение микросхеме LM2596 - усилитель звуковой частоты класса D! Сигнал подается на вход 4 «обратная связь». Частота дискредитации правда не более 150 КГц. Ни в коем случае не призыв собирать усилитель на базе преобразователя, для этого есть специализированные микросхемы =)
Выводы неутешительны:
Плата в том виде, как она продается не оправдывает заявленные характеристики. Причем зависимость от тока нагрузки гораздо выше, чем от изменения напряжения. Доработать плату можно заменив половину деталей, но какой в этом смысл?
Все же если вам нужен понижающий преобразователь (step down), то лучшей альтернативой обозреваемому были бы преобразователи собранные на микросхемах: LM2577, LM 2678 и аналогичных. На данный момент я уже заказал несколько плат на пробу
Пока я очень долго планировал поставить на машину USB порты, моя машинка поехала в утиль:(
но все же нашлось еще место, куда бы я поставил преобразователь взамен трансформаторному блоку питания:
Это раз (там где креативненькая надпись):
Это два (передняя планка с USB портами выдрана из старого корпуса от компьютера стенки «корпуса» оргстекло):
Специально к обзору изготовил нагрузочную платку для проверки зарядных устройств (даже спалил парочку, не выдержали нагрузки). на али такие продаются готовые около 1$:
LM2596 — это импульсный понижающий регулируемый стабилизатор постоянного напряжения. Имеет высокий КПД. Меньше нагревается если сравнивать с модулями на линейных стабилизаторах. Источник питания может применяться в широком спектре устройств. К безусловным достоинствам относится работа в ощутимом диапазоне входного напряжения. Вместе с большим КПД это дает хорошие результаты при последовательном включении DC-DC LM2596 с химическими источниками тока, солнечными панелями или ветряными генераторами.
Дополнив преобразователь DC-DC LM2596 трансформатором, выпрямителем и фильтром получим блок питания. На входе стабилизатора напряжение должно быть большее выходного минимум на 1.5 В. При потреблении мощности от DC-DC LM2596 более десяти Вт следует применять средства охлаждения.
Предусмотрены крепежные отверстия под винт. Клеммников нет, провода придется паять. Под микросхемой есть отверстия с металлизацией для дополнительного отвода тепла на обратную сторону платы.
Технические характеристики преобразователя LM2596
- Эффективность преобразования (КПД) : до 92%
- Частота переключения : 150 кГц
- Рабочая температура : от -40 до + 85 °C
- Влияние изменения входного напряжения на уровень выхода : ± 0.5%
- Поддержание установленного напряжения с точностью : ± 2.5%
- Входное напряжение : 3-40 В
- Выходное напряжение : 1.5-35 В (регулируемое)
- Выходной ток : номинальный до 1А, от 1 до 2А заметно возрастает нагрев, предельный 3A (требуется дополнительный радиатор)
- Размер : 45x20x14 мм
Принципиальная схема преобразователя LM2596
В некоторых модулях защитный диод D1 включен обратно-параллельно на входе, но в таком случае не нужно забывать подсоединить и предохранитель на входе, который сгорит, если перепутать полярность, также этот диод защищает от всплесков напряжения на выходе.
Существуют варианты с прямым включением диода D1 (SS34, SS54) на входе, обычно это диоды Шоттки, у этих диодов есть два положительных качества: весьма малое прямое падение напряжения (0.2-0.4 вольта) на переходе и очень высокое быстродействие.
Но дешёвые модули на базе LM2596 не имеют защитного диода, с одной стороны — это минус, так как случайно можно убить преобразователь перепутав полярность на входе, а с другой стороны — это плюс, потому что на диоде будет падать некоторое напряжение и греться при больших токах.
Подключается преобразователь очень просто, не стабилизированное напряжение подается на контакты модуля +IN, –IN (плюс и минус соответственно), а выходное напряжение снимается с контактов платы +OUT, -OUT.
С обратной стороны есть стрелка, что указывает в какую сторону идёт преобразование.
Фото галерея
LM2596 - понижающий преобразователь постоянного тока, он выпускается часто в виде готовых модулей, около 1 доллара ценой (в поиске LM2596S DC-DC 1.25-30 В 3A). Заплатив же 1,5 доллара, на Али можно взять похожий модуль с LED индикацией об входном и выходном напряжении, выключение выходного напряжения и точной настройкой кнопками с отображением значений на цифровых индикаторах. Согласитесь - предложение более чем заманчивое!
Ниже приводится принципиальная схема данной платы преобразователя (ключевые компоненты отмечены на картинке в конце). На входе есть защита от переполюсовки - диода D2. Это позволит предотвратить повреждения регулятора неправильно подключенным входным напряжением. Несмотря на то, что микросхема lm2596 может обрабатывать согласно даташита входные напряжения вплоть до 45 В, на практике входное напряжение не должно превышать 35 В при длительном использовании.
Для lm2596, выходное напряжение определяется уравнением, приведённым ниже. Резистором R2 выходное напряжение можно регулировать в пределах от 1.23 до 25 В.
Хотя микросхема lm2596 рассчитана на максимальный ток 3 А непрерывной работы, малая поверхность фольги-массы не достаточна, чтобы рассеять выделяемое тепло во всём диапазоне работы схемы. Также отметим, что КПД этого преобразователя варьируется весьма сильно в зависимости от входного напряжения, выходного напряжения и тока нагрузки. Эффективность может колебаться от 60% до 90% в зависимости от условий эксплуатации. Поэтому теплоотвод является обязательным, если непрерывная работа идёт при токах более чем 1 А.
Согласно даташиту, конденсатор прямой связи необходимо устанавливать параллельно резистору R2, особенно когда напряжение на выходе превышает 10 В - это нужно для обеспечения стабильности. Но этот конденсатор часто не присутствует на китайских недорогих платах инверторов. В ходе экспериментов были проверены несколько экземпляров DC преобразователей в различных условиях эксплуатации. В итоге пришли к выводу, что стабилизатор на ЛМ2596 хорошо подходит для низких и средних токов питания цифровых схем, но для более высоких значений выходной мощности необходим теплоотвод.
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.
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 , 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.
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).
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.
