Простые повышающие DC/DC преобразователи своими руками для батарейного питания

Простые повышающие DC/DC преобразователи своими руками для батарейного питания

Устройствами с батарейным питанием сейчас уже никого не удивишь, всевозможных игрушек и гаджетов питающихся от аккумулятора или батарейки найдется с десяток в каждом доме. Между тем, мало кто задумывался над количеством разнообразных преобразователей, которые используются для получения необходимых напряжений или токов от стандартных батарей. Эти самые преобразователи делятся на несколько десятков различных групп, каждая со своими особенностями, однако в данный момент времени мы говорим про понижающие и повышающие преобразователи напряжения, которые чаще всего называются AC/DC и DC/DC преобразователями. В большинстве случаев для построения таких конвертеров используются специализированные микросхемы, позволяющие с минимальным количеством обвязки построить преобразователь определенной топологии, благо микросхем питания на рынке сейчас великое множество.

Рассматривать особенности применения данных микросхем можно бесконечно долго, особенно с учетом целой библиотеки даташитов и аппноутов от производителей, а также бесчисленного числа условно-рекламных обзоров от представителей конкурирующих фирм, каждая из которых старается представить свой продукт наиболее качественным и универсальным. В этот раз мы будем использовать дискретные элементы, на которых соберем несколько простейших повышающих DC/DC преобразователей, служащих для того, чтобы запитать небольшое маломощное устройство, к примеру, светодиод, от 1 батарейки с напряжением 1,5 вольт. Данные преобразователи напряжения можно смело считать проектом выходного дня и рекомендовать для сборки тем, кто делает свои первые шаги в удивительный мир электроники.

Итак, схема первая:

Рис. 1 — Схема простого DC/DC преобразователя №1

На данной схеме представлен релаксационный автогенератор, представляющий собой блокинг-генератор со встречным включением обмоток трансформатора. Принцип работы данного преобразователя следующий: при включении , ток протекающий через одну из обмоток трансформатора и эмиттерный переход транзистора – открывает его, в результате чего он открывается и больший ток начинает течь через вторую обмотку трансформатора и открытый транзистор. В результате в обмотке, подключенной к базе транзистора наводится ЭДС, запирающая транзистор и ток через него обрывается. В этот момент энергия, запасенная в магнитном поле трансформатора, в результате явления самоиндукции, высвобождается и через светодиод начинает протекать ток, заставляющий его светиться. Затем процесс повторяется.

Компоненты, из которых можно собрать этот простой повышающий преобразователь напряжения, могут быть совершенно различными. Схема, собранная без ошибок, с огромной долей вероятности будет корректно работать. Мы пробовали использовать даже транзистор МП37Б – преобразователь отлично функционирует! Самым сложным является изготовление трансформатора – его надо намотать сдвоенным проводом на ферритовом колечке, при этом количество витков не играет особой роли и находится в диапазоне от 15 до 30. Меньше – не всегда работает, больше – не имеет смысла. Феррит — любой, брать N87 от Epcos не имеет особого смысла, также как и разыскивать M6000НН отечественного производства. Токи в цепи протекают мизерные, поэтому размер колечка может быть очень небольшим, внешнего диаметра в 10 мм будет более чем достаточно. Резистор сопротивлением около 1 килоома (никакой разницы между резисторами номиналом в 750 Ом и 1,5 КОм обнаружено не было). Транзистор желательно выбрать с минимальным напряжением насыщения, чем оно меньше – тем более разряженную батарейку можно использовать. Экспериментально были проверены: МП 37Б, BC337, 2N3904, MPSH10. Светодиод – любой имеющийся, с оговоркой, что мощный многокристальный будет светиться не в полную силу.

Собранное устройство выглядит следующим образом:

Рис. 3 — Преобразователь, собранный по схеме № 1

Размер платы 15 х 30 мм, и может быть уменьшен до менее чем 1 квадратного сантиметра при использовании SMD-компонентов и достаточно маленького трансформатора. Без нагрузки данная схема не работает.

Вторая схема — это типовой степ-ап преобразователь, выполненный на двух транзисторах. Плюсом данной схемы является то, что при её изготовлении не надо мотать трансформатор, а достаточно взять готовый дроссель, но она содержит больше деталей, чем предыдущая.

Принцип работы сводится к тому, что ток через дроссель периодически прерывается транзистором VT2, а энергия самоиндукции направляется через диод в конденсатор C1 и отдается в нагрузку. Опять же, схема работоспособна с совершенно различными компонентами и номиналами элементов. Транзистор VT1 может быть BC556 или BC327, а VT2 BC546 или BC337, диод VD1 – любой диод Шоттки, например, 1N5818. Конденсатор C1 – любого типа, емкостью от 1 до 33 мкФ, больше не имеет смысла, тем более, что можно и вовсе обойтись без него. Резисторы – мощностью 0,125 или 0,25 Вт (хотя можно поставить и мощные проволочные, ватт эдак на 10, но это скорее расточительство чем необходимость) следующих номиналов: R1 — 750 Ом, R2 — 220 КОм, R3 – 100 КОм. При этом, все номиналы резисторов могут быть совершенно свободно заменены на имеющие в наличии в пределах 10-15% от указанных, на работоспособности правильно собранной схемы это не сказывается, однако влияет на минимальное напряжение, при котором может работать наш преобразователь.

Напряжение на выходе можно стабилизировать, установив стабилитрон необходимого номинала параллельно конденсатору C1, однако следует помнить, что при подключении потребителя напряжение может проседать и становиться недостаточным. ВНИМАНИЕ! Без нагрузки данная схема может вырабатывать напряжение в десятки или даже сотни вольт! В случае использования без стабилизируещего элемента на выходе, конденсатор C1 окажется заряжен до максимального напряжения, что в случае последующего подключения нагрузки может привести к её выходу из строя!

Преобразователь также выполнен на плате размером 30 х 15 мм, что позволяет прикрепить его на батарейный отсек типа размера AA. Разводка печатной платы выглядит следующим образом:

Обе простые схемы повышающих преобразователей можно сделать своими руками и с успехом применять в походных условиях, например в фонаре или светильнике для освещения палатки, а также в различных электронных самоделках, для которых критично использование минимального количества элементов питания.

Глава 5 — Сборка макета и тестирование работы преобразователя

Приступаем к самой интересной и красочной стадии, а именно к сборке макета и проверке работоспособности. В начале статьи я упомянул о родстве buck и boost топологий, давайте сейчас это разберем, т.к. на модуле полумоста это крайне наглядно. Первым делом давайте посмотрим на схему buck преобразователя:

Зеленая рамка выделяет компоненты, которые установлены на силовом модуле полумоста, как видите тут С1 выполняет роль входной емкости, а конденсатор С2 роль выходной. Теперь давайте изобразим схему boost преобразователя:

Кто внимательный и заметил что изменилось? Да в принципе ничего не поменялось как ни странно, единственное отличие — местами поменялись вход и выход. Как видите сами топологии являются идентичными, а отсюда вытекает еще одно интересное свойство — если применена синхронная топология, то преобразователь можно работать как двунаправленный преобразователь!

Пример? Легко! Представим портативное устройство с USB и Li-ion аккумулятором. Когда USB подключен, то преобразователь работает в режиме buck и заряжает АКБ, как только отключили кабель USB преобразователь переходит в режим boost и из 4.2В поднимает в 5В от которых питается устройство. Круто же! И подобных задач, где пригодится данная особенность достаточно много.

Макет я собрал по второй схеме, а в ней конденсатор С1 это как раз выходная емкость, то есть она уже установлена и на модуль достаточно накинуть дроссель, который мы изготовили и входную емкость. В роли входной емкости С2 я применил пару электролитических конденсаторов на 4700 мкФ 25В и в итоге получился вот такой макет силовой части:

Теперь подключаем к силовой части модуль управления и источник питания, в данном случае лабораторный блок питания:

Теперь зальем прошивку в микроконтроллер, подадим питание с лабораторника, установим коэффициент заполнения 30000 из 45000, что согласно нашей формуле увеличит входное напряжение в 3 раза: Vout = 12В / (1 — 0,66) = 12/0,33 = 36,36В. После этого увидим, что лампа ярко загорелась:

Теперь подключаем осциллограф все к тем же точкам и видим следующий результат:

Как видно устройство работает корректно: напряжение действительно выросло в 3 раза, на входе потребление около 60 Вт (да, я в курсе что лампе надо 36В «переменки»

), сама лампа потребляет ток 1,61 А. Для наглядности оставлю небольшое видео в работе:
Осталось выяснить насколько сильно нагревается преобразователь в данных условиях. Я предположил, что перегрев будет минимальным, т.к. все посчитано корректно, а компоненты взяты с запасом, поэтому поместил преобразователь в окружающую среду с температурой примерно +10 oС, чтобы усилить контраст температурного поля.
Методика для тестирования у меня проста и состоит из трех стадий:

• Помещаю преобразователь в среду с температурой +10 oС и жду пока он охладится и станет практически неразличимым в тепловизоре на общем фоне;
• Включаю преобразователь, даю ему поработать 5 минут и измеряю общий вид преобразователя и отдельно силовые компоненты;
• Оставляю преобразователь работать еще на 1 час и снова измеряю, смотрю насколько сильно выросли температуры компонентов.

После этого эксперимента можно будет сделать примерные выводы о возможности эксплуатации преобразователя в длительных режимах, а так же понять насколько перегревается устройство относительно температуры окружающей среды, что позволит спрогнозировать поведение устройства на более высоких температурах окружающей среды. И так приступим:

• Измерение №1 — преобразователь поместили в окружающую среду с температурой около +10 oС:

  Тут видно, что платы практически полностью слились с окружающей средой, а значит можно включать и приступать к оценке температур преобразователя уже под номинальной нагрузкой.

• Измерение №2 — преобразователь работает на 100% номинальной нагрузке в течение 5 минут, температура окружающей среды около +10 oС:

  После 5 минут работы картинка стала более контрастной и на ней отчетливо видно как сам преобразователь, так и основные нагревающиеся компоненты. Рекордсменами по перегреву стали изолированные dc/dc для драйверов транзисторов с температурой +29 oС, но тут ничего странного нет, т.к. температура перегрева +20…30 oС является для них номинальной о чем отражено в документации. Второе место занимается дроссель, температура которого составляет +28…29 oС, что более чем хорошо, т.к. часто рабочая дросселей вполне может достигать планки и в +80…100 oС. Температура радиатора составляет +20…21 oС, а транзисторы горячее всего на градус, а может и меньше, т.к. любой тепловизор на самом деле не самый точный на свете прибор.

• Измерение №3 — преобразователь работает на 100% номинальной нагрузке в течение 1 часа, температура окружающей среды около +10 oС:

  Через час работы температуры подросли и устаканились, пробовал еще измерять через 3 часа, но результат не изменился, вернее изменения на уровне погрешности измерения, поэтому эту стадию не стал добавлять. Пока же давайте посмотрим на температуры после выхода преобразователя на крейсерскую скорость в номинальный режим.

  Температура радиатора подросла на +4 oС, а транзисторы «слились» с ним, т.к. все прогрелось и тепловой поток равномерно распределился. Температура на изолированных dc/dc подросла на +9 oС и они вышли на паспортные показатели перегрева, даже запас остался в пару градусов. Температура дросселя выросла на +3 oС.

Давайте подведем итог… Температура транзисторов в норме, значит потери мизерные и сам силовой модуль работает корректно, нет сквозных токов, нет проблем с монтажом транзисторов, они, кстати, сидят на керамической подложке в капелькой термопасты MX-4, много пасты не надо добавлять — будет хуже.
Температура дросселя так же в норме, а значит индуктивность рассчитали верно и сердечник по габаритам так же применили подходящий ну да, с 5-ти кратным запасом:)), то есть он не насыщается и обмотка не перегревается с текущим значением плотности тока.

Бонус любознательным

Держите лампочку в тепловизоре :))

Использование трансивера

Понижающий преобразователь напряжения своими руками можно собрать с использованием понижающего напряжение трансформатора. В этом случае понадобится три усилителя. Один из них устанавливают непосредственно за индуктором. Другие два располагают за трансформатором. Для успешной работы прибора будет достаточно одного фильтра. Трансивер подключается к преобразователю через дроссель.

Для повышения проводимости тока можно использовать стабилитрон. Регулятор частоты должен быть установлен, если катушка доступна при 50 А. В других случаях необходимости распределять нагрузку нет. Фильтр обеспечит безопасную работу устройства.

Трансформатор с открыты выпрямителем

Собрать такой преобразователь своими руками очень просто. Сначала нужно установить катушку с первичной обмоткой. Выбирайте те, которая выдержит напряжение больше 30Ом. Сам выпрямитель монтируется по соседству с тетродом.

Резисторы лучше выбирать открытого вида. В этой схеме усилитель устанавливать нельзя. Если вы собираете прибор на 60 А, они должны быть припаяны рядом с катушкой. Когда все готово, закрепляются клеммные колодки.