Понижающий преобразователь своими руками: Импульсный понижающий dc преобразователь своими руками. Высоковольтный DC-DC преобразователь

DC в DC самодельный arduino

Понижающий преобразователь (понижающий преобразователь) — это силовой преобразователь постоянного тока в постоянный, который понижает напряжение (при повышении тока) от входа (источника питания) к выходу (нагрузки). Это класс импульсных источников питания (SMPS), обычно содержащий как минимум два полупроводника (диод и транзистор, хотя современные понижающие преобразователи часто заменяют диод вторым транзистором, используемым для синхронного выпрямления) и как минимум один элемент накопления энергии. , конденсатор, катушка индуктивности или их комбинация.Чтобы уменьшить пульсации напряжения, фильтры, изготовленные из конденсаторов (иногда в сочетании с катушками индуктивности), обычно добавляются к выходу (фильтр на стороне нагрузки) и входу (фильтр на стороне питания) такого преобразователя.

В этом руководстве мы узнаем, как построить и как работает понижающий преобразователь постоянного тока в постоянный. Схема очень проста, в ней используется всего один диод, катушка индуктивности и конденсатор. Переключателем будет MOSFET-транзистор, и для создания сигнала PWM мы будем использовать таймер 555 в конфигурации PWM, регулируемый контроллер повышения или один Arduino NANO.Но сначала давайте изучим немного теории. У нас есть схема понижающего преобразователя на следующем рисунке, где мы можем видеть переключатель, катушку индуктивности и конденсатор, и, конечно же, мы добавляем нагрузку на выход.

2.0 Теория понижающего преобразователя

Итак, у нас есть следующая схема. Чтобы изучить, как это работает, мы разделим его на два этапа. Стадии ВКЛ и ВЫКЛ. В части ON переключатель закрыт, как мы можем видеть на следующем рисунке, где диод открыт, потому что напряжение на катоде выше, чем на аноде.Когда переключатель в первый раз замкнут (во включенном состоянии), ток начнет увеличиваться, и катушка индуктивности будет создавать противоположное напряжение на своих выводах в ответ на изменение тока. Это падение напряжения противодействует напряжению источника и, следовательно, снижает сетевое напряжение на нагрузке. Со временем скорость изменения тока уменьшается, а затем уменьшается и напряжение на катушке индуктивности, увеличивая напряжение на нагрузке. В это время индуктор накапливает энергию в виде магнитного поля.Если переключатель разомкнут, пока ток все еще изменяется, то всегда будет падение напряжения на катушке индуктивности, поэтому сетевое напряжение на нагрузке всегда будет меньше, чем у источника входного напряжения. Когда переключатель находится в положении ON, индуктор будет заряжаться, и напряжение на индукторе будет разницей между выходом и входом. Но мы также знаем, что напряжение катушки индуктивности — это индуктивность L, умноженная на производную тока катушки индуктивности. Как видно на следующем рисунке, мы получаем ток включения через катушку индуктивности.

Когда переключатель снова разомкнут (выключенное состояние), источник напряжения будет удален из цепи, и ток уменьшится. Уменьшение тока вызовет падение напряжения на катушке индуктивности (противоположное падению во включенном состоянии), и теперь катушка индуктивности становится источником тока. Сохраненная энергия в магнитном поле индуктора поддерживает ток через нагрузку. Этот ток, протекающий при отключенном источнике входного напряжения, при соединении с током, протекающим во включенном состоянии, составляет в сумме ток, превышающий средний входной ток (равен нулю в выключенном состоянии).«Увеличение» среднего тока компенсирует снижение напряжения и в идеале сохраняет мощность, подаваемую на нагрузку. В выключенном состоянии катушка индуктивности разряжает накопленную энергию в остальную часть цепи. Если переключатель снова замкнут до того, как катушка индуктивности полностью разрядится (во включенном состоянии), напряжение на нагрузке всегда будет больше нуля.

В этом случае напряжение на катушке индуктивности является выходным напряжением. Итак, еще раз используя формулы следующего рисунка, мы получаем ток выключенной части.

Хорошо, теперь, если мы хотим получить выходной сигнал в зависимости от входа и рабочего цикла ШИМ, все, что нам нужно сделать, это сделать сумму включенного и выключенного тока равной 0. Это означает, что ток включения равен Отключенный ток. Так мы получим:

Итак, мы получаем, что выход — это вход, умноженный на рабочий цикл. Рабочий цикл ШИМ может иметь значения от 0 до 1. Таким образом, только возможный выход будет равен или ниже входного. Вот почему эта конфигурация называется понижающим преобразователем.

3.0 Понижающий преобразователь Arduino NANO

С уважением, у этой схемы нет другого смысла, кроме как учиться. Arduino NANO уже имеет линейный стабилизатор напряжения 5 В, который снижает эффективность схемы. Итак, основная цель — узнать, как работают схема, обратная связь и сигнал ШИМ, чтобы добиться желаемого результата.

3.1 НЕТ обратной связи

Как вы можете видеть на схеме выше, у нас есть потенциометр, подключенный к аналоговому входу A0.С помощью этого потенциометра мы выберем выходное значение от 1 до 12 В, поскольку максимальное входное напряжение в этом случае составляет 12 В. С помощью АЦП Arduino мы будем читать значение от 0 до 1024, затем в коде мы сопоставляем это значение от 1 до 244, которые являются значениями, используемыми с функцией analogWrite Arduino. При этом мы подадим сигнал ШИМ на вывод D3, где 1 — самый низкий рабочий цикл, а 244 — максимальный. Поскольку цифровое значение Arduino составляет 5 В, мы добавляем небольшой драйвер BJT, используя один S8050 NPN и два резистора 10k и 1k.Выход этого драйвера подключен к затвору P-MOSFET IRF4905.

Подключите все, как показано на схеме выше, загрузите следующий код в свой Arduino и начните перемещать потенциометр. Наблюдайте за выходом на осциллографе.

Итак, эта схема может увеличивать и уменьшать напряжение и поддерживать это значение стабильным для той же НАГРУЗКИ, в данном случае резистора 100 Ом, как мы можем видеть на рисунке ниже. Но если мы изменим выходную нагрузку, время разряда выхода также изменится, поскольку для более низких нагрузок будет проходить большее количество тока.Поэтому, если время разряда больше или меньше, рабочий цикл также должен измениться. Для этого мы должны добавить в нашу схему систему обратной связи, которая будет определять выходное напряжение и корректировать режим ШИМ, чтобы поддерживать то же желаемое значение.

3.2 Обратная связь

Добавим обратную связь в нашу схему. Как вы можете видеть на схеме ниже, у нас есть потенциометр, подключенный к аналоговому входу A0, как и раньше. С помощью этого потенциометра мы выберем желаемое выходное значение от 1 до 12 В, поскольку максимальное входное напряжение в этом случае составляет 12 В.На выходе схемы у нас теперь есть делитель напряжения, который снизит напряжение с 12 В до менее 5 В, потому что это максимальное входное напряжение АЦП Arduino. Ознакомьтесь с приведенной ниже формулой, чтобы понять, как работает делитель напряжения. Если вы подаете на вход более высокое напряжение, чем 12 В, вам следует изменить значения R1 и R2, чтобы всегда иметь напряжение ниже 5 В для АЦП.

В коде мы сравниваем эти два напряжения и увеличиваем или уменьшаем ширину ШИМ, чтобы поддерживать постоянный выход.Просто скопируйте и загрузите следующий код в Arduino для этого примера.
Подключите все, как показано на схеме выше, загрузите следующий код в свой Arduino и начните перемещать потенциометр. Наблюдайте за выходом на осциллографе.

Загрузите код ОБРАТНОЙ СВЯЗИ здесь:

Понижающий преобразователь LM2576T-ADJ, схема

С этим компонентом у нас есть обратная связь, и результат останется прежним при разных нагрузках. Просто выполните соединения, добавьте входной конденсатор, чтобы вход был стабильным, и все готово.

Входное напряжение может находиться в диапазоне от 5 до 55 вольт. Не подавайте более высокое напряжение, иначе вы можете сжечь компонент LM2576T-ADJ. В этом случае нам не нужен внешний переключатель, поскольку он уже находится внутри LM2576T-ADJ. Когда вывод обратной связи подключен к делителю выходного напряжения, LM2576T-ADJ будет изменять ширину импульса в зависимости от выходного сигнала, чтобы поддерживать ее постоянной. В этом случае используйте выпрямительный диод с барьером Шоттки, поскольку он имеет низкое прямое напряжение. Когда переключатель разомкнут, через этот диод будет протекать ток.

3.0 Схема понижающего преобразователя 555 Таймер

Эта конфигурация 555 создаст сигнал ШИМ и подаст этот сигнал на затвор MOSFET. Схема работает нормально, но есть большая проблема. Выход изменится, если мы изменим выходную нагрузку, потому что схема не имеет обратной связи. Итак, мы будем использовать следующую схему для нашего понижающего преобразователя. Для создания сигнала ШИМ мы будем использовать таймер 555 с конфигурацией ШИМ. С помощью потенциометра P1 мы можем изменить рабочий цикл сигнала ШИМ и в то же время выходное значение.Для полевого МОП-транзистора вы можете использовать МОП-транзистор с каналом Р. IRF4905. Вы всегда можете попробовать разные значения индуктивности для катушки индуктивности и посмотреть результаты.

Входное напряжение может находиться в диапазоне от 5 до 15 вольт. Не применяйте более высокое напряжение, иначе вы можете сжечь таймер 555. Подключите PWM (контакт 3 таймера 555) к затвору MOSFET (переключателю). Добавьте выходную нагрузку и проверьте схему. Вы можете получить выходное значение от 1 В до 15 В.

Стр. Повышающего преобразователя:

Как создать улучшенный понижающий преобразователь для схем преобразования мощности

В другой жизни назад, когда я был молодым инженером, мне пришлось спроектировать систему преобразования энергии. Входная мощность поступала в виде чистой электроэнергии от реактивного двигателя во время полета. Выходная мощность подавалась на чувствительную электронику и системы приборов на самолете.

Первым этапом процесса преобразования энергии была очистка сырого, очень скачкообразного тока и напряжения, исходящих от реактивных турбин. Для этого потребовался набор изрядных конденсаторов для напряжения и катушек индуктивности для всплесков тока.

Связано: Как создать лучшую автомобильную радарную систему

Следующий этап преобразования был немного более сложным, требуя всех видов преобразователей, от аналогового к цифровому (AC / DC), от цифрового к цифровому (DC / DC) , понижающие преобразователи, повышающие и понижающие преобразователи и множество конденсаторов для защиты от заземления.

Позже я узнал, что наиболее часто используемым типом преобразования является преобразование постоянного тока в постоянный. Существует множество силовых электронных схем, используемых для преобразования одного постоянного напряжения в другое. Вероятно, наиболее широко используемым является простой «понижающий» (или понижающий) преобразователь. Понижающий преобразователь преобразует вход с более высоким напряжением (и более низким током) в выход с более низким напряжением (и пропорционально более высоким током).

Связано: Как создать лучшую электронику с помощью кабелей и разъемов

Понижающий преобразователь — это класс импульсных источников питания (SMPS), которые обычно содержат как минимум два полупроводника, например диод и транзистор.Современные понижающие преобразователи часто заменяют диод вторым транзистором, используемым для синхронного выпрямления). Кроме того, имеется по крайней мере один элемент накопления энергии, конденсатор, индуктор или оба вместе.

Фильтры на основе конденсаторов, иногда в сочетании с катушками индуктивности (например, RCL), включаются в цепи выхода (на стороне нагрузки) и входа (на стороне питания) преобразователя для уменьшения пульсаций напряжения.

Импульсные преобразователи, такие как понижающие устройства, обеспечивают гораздо большую энергоэффективность в качестве преобразователей постоянного тока в постоянный, чем линейные регуляторы, которые представляют собой более простые схемы, которые снижают напряжение за счет рассеивания мощности в виде тепла без увеличения выходного тока.

могут быть высокоэффективными и, следовательно, очень полезными для таких задач, как преобразование напряжения питания компьютера (часто 12 В) в более низкие напряжения, необходимые для USB, DRAM и ЦП (5 В, 3,3 В или 1,8 В). Видео Texas Instruments ниже дает хороший обзор конструкции понижающего преобразователя с компонентными системами.

Проектирование и моделирование понижающих преобразователей может показаться простым в теории, но часто может оказаться сложной и трудоемкой задачей.

Вместо того, чтобы переходить к физическому испытательному стенду для создания прототипа вашего следующего понижающего преобразователя, попробуйте использовать облачный виртуальный рабочий стол для моделирования схемы. Вы сможете проектировать, моделировать, просматривать результаты и настраивать до тех пор, пока не будете удовлетворены — и все это будет моделироваться в облаке.

Вот один пример, в котором моделирование используется для иллюстрации потенциальных переходных процессов в конструкции понижающей схемы. Схема использует выбор компонентов силового каскада. Результаты моделирования с использованием Mentor-Siemens SystemsVision точно соответствуют не только ожидаемым напряжениям и токам, но и расчетным уровням рассеиваемой мощности компонентов.Эффективность — ключевой показатель эффективности всей современной силовой электроники.

Эта конструкция включает контроллер, состоящий из идеальных нефизических блоков, представляющих функцию компенсации, генератор широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и драйвер затвора полевого МОП-транзистора. Эти математические элементы управления позволяют разработчикам проверять характеристики схемы с обратной связью перед проектированием реальных схем реализации.

Преимущество облачного интерактивного дизайна в том, что дизайнер может изменять ключевые параметры и сразу наблюдать за результатами.Например, можно настроить значение сопротивления нагрузки, что изменит выходной ток нагрузки. Или можно изменить значения L и C выходного фильтра, а также их паразитные сопротивления. Напряжение питания аккумулятора, а также частоту ШИМ также можно регулировать.

Изменяя эти параметры и выполняя новые модели, разработчик лучше понимает их влияние на пусковые характеристики схемы и КПД в установившемся режиме.

Облачные инструменты моделирования схем.

Джон Блайлер — старший редактор журнала Design News, освещающий электронику и передовые производственные площади. Имея степень бакалавра инженерной физики и степень магистра электротехники, он имеет многолетний опыт работы в области аппаратных, программных и сетевых систем в качестве редактора и инженера в области передового производства, Интернета вещей и полупроводников. Джон является соавтором книг по системной инженерии и электронике для IEEE, Wiley и Elsevier.

DIY: Учебное пособие по понижающему преобразователю

Если вы часто используете традиционный источник питания с линейным выходным током, то согласитесь, что он не так эффективен.В этом случае понижающий преобразователь является лучшим вариантом выходной мощности, поскольку он эффективно снижает входное напряжение. Но есть ли что-то еще от понижающего преобразователя, сделанного своими руками?

Да, это еще не все. Во-первых, в нем есть как минимум два полупроводника. А полупроводники действуют как диод и резистор. Но вы можете заменить диод вторым транзистором, что полезно для одновременного выпрямления.

Во-вторых, понижающий преобразователь отлично справляется с такими задачами, как изменение выходного напряжения питания компьютера на более низкие напряжения, которые необходимы таким устройствам, как ЦП, USB и DRAM.

Тем не менее, вы узнаете больше о понижающем преобразователе из этой статьи. По сути, мы расскажем, что это такое, как это работает и как вы можете это сделать.

Давай уже приступим!

Что такое понижающий преобразователь?

Ранее мы кратко говорили о понижающем преобразователе. Но мы подробно поговорим об этой теме здесь. Тем не менее, понижающий преобразователь больше похож на преобразователь мощности постоянного тока в постоянный или понижающий преобразователь мощности. Кроме того, его основная функция заключается в снижении напряжения от источника питания (входа) до нагрузки (выхода).

Поскольку устройство имеет как минимум два полупроводника, как мы уже упоминали, он относится к классу SMPS (импульсный источник питания).

Импульсный источник питания

Источник: Wikimedia Commons

Кроме того, помимо двух полупроводников, которые есть в устройстве, в нем есть по крайней мере один элемент накопления энергии.

Рассматриваемый элемент накопления энергии обычно представляет собой катушку индуктивности, конденсатор или их комбинацию.Таким образом, если вы планируете уменьшить пульсации напряжения силовых транзисторов, важно убедиться, что понижающий преобразователь имеет фильтры, состоящие из простых конденсаторов среднего значения (или иногда в сочетании с индукторами), добавленных к фильтрам на стороне питания и на стороне нагрузки.

Таким образом, неудивительно, что понижающие преобразователи отлично справляются с задачей обеспечения энергоэффективности в качестве преобразователей постоянного тока по сравнению с линейными источниками питания. Кроме того, стоит упомянуть, что это устройство имеет высокий КПД более чем на 90%, что повышает их эффективность при таких задачах, как замена солнечного зарядного устройства или напряжения питания компьютера.

Когда дело доходит до понижающих преобразователей, важно отметить, что работа схемы устройства зависит от состояния проводимости полевого МОП-транзистора. Другими словами, понижающий преобразователь работает в зависимости от своего состояния (выключено или включено).

Итак, ток в цепи равен нулю — если устройство выключено или переключатель разомкнут. Но, если переключатель замкнут или находится во включенном состоянии, ток увеличится. Кроме того, индуктор создаст на своих выводах противоположное напряжение в ответ на изменение тока.

В результате диапазон входного напряжения упадет, что будет противодействовать напряжению источника и уменьшит общее напряжение на нагрузке.

Со временем напряжение на катушке индуктивности и скорость изменения тока уменьшатся. Следовательно, напряжение на нагрузке увеличится. Пока это происходит, индуктор будет накапливать энергию. Таким образом, если переключатель размыкается при изменении тока, на катушке индуктивности падает напряжение. Кроме того, напряжение на входном фильтре источника будет больше, чем напряжение на нагрузке.

Если переключатель снова перейдет в выключенное состояние, источник напряжения выйдет из цепи

Что вызывает уменьшение тока. Когда это происходит, на катушке индуктивности снижается напряжение в результате уменьшения тока. Тогда индуктор станет источником тока.

При этом схема понижающего преобразователя работает в двух разных режимах: непрерывном и прерывистом. Непрерывный режим возникает, когда значение тока, проходящего через катушку индуктивности, никогда не падает до нуля в течение цикла коммутации.

В результате, когда переключатель замыкается, напряжение понижающего кристалла на катушке индуктивности составляет V _L = V _i — V _или . И пока падение напряжения почти постоянно, ток через катушку индуктивности будет расти линейно.

Кроме того, при размыкании переключателя диод будет смещен в прямом направлении. Таким образом, ток будет уменьшаться, и напряжение на катушке индуктивности будет V _L = -V _o . тогда энергия, которую накапливает индуктор L, равна:

E = ½ LI ² _L

Кроме того, энергия в катушке индуктивности уменьшается в выключенном состоянии и увеличивается во включенном состоянии.Кроме того, индуктор L полезен для передачи энергии от входа к выходу преобразователя. С другой стороны, прерывистый режим возникает, когда нагрузка требует очень небольшой энергии.

Таким образом, ток, проходящий через катушку индуктивности, упадет до нуля. Когда это происходит, выходной конденсатор разряжается в каждом цикле, что приводит к более высоким коммутационным потерям.

Прежде чем делать простой понижающий преобразователь, необходимо обратиться к принципиальной схеме.Итак, вы можете воспользоваться одним здесь.

Список необходимых вещей

диод Шоттки

Секция диода Шоттки

Источник: Wikimedia Commons

Потенциометр

Потенциометр

Источник: Wikimedia Commons

Входная батарея 12 В

1 Свинцовый аккумулятор 2 В

Однопанельный

Резистор (10 кОм, 100 Ом)

Резистор 10К

Ардуино UNO

Плата Arduino UDO

Источник: Wikimedia Commons

IRF540N

Двигатель (нагрузка)

Конденсатор (100 мкФ)

100 мкФ Конденсаторы

Индуктор (100Uh)

Малые индукторы 100uh

Чтобы сделать понижающий преобразователь, выполните следующие действия:

1. Начните с подключения концевых выводов потенциометра к выводу шины питания 5 В.Кроме того, вы должны подключить свой заземляющий контакт Arduino UNO соответственно, в то время как его контакт дворника идет к контакту аналоговой электроники A1.
2. Присоедините вывод 6 PWM Arduino к нижней части MOSFET.
3. Подключите положительный полюс батареи к стоку полевого МОП-транзистора. И повторите то же самое для отрицательного вывода на p-вывод диода Шоттки.
4. Подключите двигатель от клеммы p диода Шоттки последовательно с индуктором к клемме истока полевого МОП-транзистора.
5. Присоедините n-вывод диода Шоттки к выводу истока полевого МОП-транзистора.
6. К двигателю прикрепите конденсатор емкостью 47 мкФ.
7. Наконец, вы можете подключить вывод заземления Arduino к выводу истока MOSFET.

Целью использования полевого МОП-транзистора является изменение входного напряжения на высокой частоте. Кроме того, он обеспечивает меньшее тепловыделение при высоком токе. Кроме того, индуктор играет роль защиты полевого МОП-транзистора от скачков высокого напряжения (что типично для этого электронного проекта).

Arduino полезен из-за высокой скорости переключения MOSFET.А функция диода Шоттки состоит в том, чтобы помочь замкнуть контур для протекания тока. Итак, если при выключении полевого МОП-транзистора диода Шоттки нет, индуктор будет передавать свою энергию двигателю. Тогда это будет иметь незначительное влияние на нагрузку или совсем не повлиять на нее из-за неполного цикла.

Потенциометр — еще один жизненно важный компонент, который предлагает аналоговое значение для Arduino на основе напряжения ШИМ, которое клемма затвора MOSFET получает от контакта 6 PWM Arduino. С помощью этого значения можно управлять выходным напряжением на нагрузке.

Понижающий преобразователь весьма полезен для некоторых распространенных приложений, например:

Зарядные устройства

Аккумулятор Солнечное зарядное устройство

Большинство людей хотят, чтобы их портативный аккумулятор или смартфон заряжались быстро, не нагревая устройства. Итак, понижающий преобразователь — это ответ, и он обычно находится внутри мобильного устройства, поскольку порт зарядки — это порт micro USB.

Усилители мощности звука

Регулятор мощности и усилители звука

Силовой каскад аудиоусилителя мощности представляет собой понижающий преобразователь. И хорошим примером этого устройства, в котором используется понижающий преобразователь, являются усилители класса D.

Квадрокоптеры

Квадрокоптер Dji Phantom

Многоэлементные литиевые аккумуляторные батареи питают квадрокоптеры. И конфигурация блока обычно состоит из двух-шести последовательно соединенных ячеек. Кроме того, аккумуляторные батареи выдают напряжение в диапазоне от 6 до 25 В.Таким образом, понижающий преобразователь помогает снизить напряжение батареи примерно до 5 В или 3,3 В для использования контроллером полета устройства.

Понижающий преобразователь можно найти на макете печатной платы распределения питания, который управляет питанием батареи или электронными регуляторами скорости.

Понижающий преобразователь «сделай сам» — идеальный вариант, если вы ищете преобразователь постоянного тока в постоянный, который эффективно преобразует высокое напряжение в низкое. Плюс устройство пригодится для бытовой электроники, требующей стабилизации проседания напряжения АКБ под нагрузкой.

Что вы думаете о понижающих преобразователях? Вы планируете попробовать проект? Или есть вопросы? Пожалуйста, не стесняйтесь обращаться к нам.

DIY N-Channel понижающий преобразователь Проблема: ElectricalEngineering

Привет,

Я застрял на этом целую вечность, и меня просто тошнит от того, что я никуда не денусь. Я пытаюсь построить понижающий преобразователь для понижения 24 В до 0–23 В на нагрузке, и он либо никогда не работает, либо работает плохо. Что еще хуже, я использую LTSpice для моделирования схем.Затем я собираю схему, и тогда они либо не работают, либо работают очень плохо (перегрев, жарка моего маленького ШИМ, деградация преобразователя DC-DC 24 В — 12 В). Я не знаю, что мне делать. Я пробовал несколько конфигураций.

Я покажу вам последнюю схему и итерацию, и я надеюсь, что кто-то может указать мне правильное направление.

Вот схема LTSpice: http://prntscr.com/rinfqc

LTSpice сообщает мне, что это работает. Вот напряжение на нагрузке при рабочем цикле 50%: http: // prntscr.com / rinets Это то, что я ожидал, я знаю, как уменьшить рябь.

Вот верхняя часть моего физического понижающего преобразователя: http://prntscr.com/rinnus

Вот нижняя часть моего понижающего преобразователя: http://prntscr.com/rinzcf

Я попытался разместить как можно больше информации насколько возможно, чтобы кто-нибудь мог мне помочь. Найдены необходимые таблицы данных для драйвера затвора TC4432, преобразователя постоянного тока RECOM RI3 24 -> 12 В и полевого МОП-транзистора IRF530:

Причина, по которой у меня есть преобразователь постоянного тока RI3, заключается в том, чтобы подать 12 В на драйвер затвора, а затем получить затвор. Драйвер управляет затвором полевого МОП-транзистора с напряжением 12 В.

Я понимаю, что могу просто купить понижающий преобразователь LMxxxxx и просто следовать инструкциям по добавлению конденсаторов, резисторов и катушек индуктивности + обратная связь … Но мне НУЖНО построить его самостоятельно и узнать, как он работает.

Моя последняя итерация несколько сработала (источник не был заземлен и вместо этого подавался в схему фильтра, поэтому он был плавающим). Однако он был ужасно неэффективен ниже 12 В и создавал много тепла + продолжал жарить мой Teensy. Так было плохо.

Пожалуйста, помогите мне кто-нибудь, почему моя вышеуказанная схема просто не работает? Нет тока (0.014 Показание блока питания, когда оно должно быть 1,5 А +) и отсутствие напряжения на нагрузке.

Изготовление понижающего преобразователя — Becoming Maker

В моем предыдущем посте я объяснил, как решить, когда вам нужен понижающий преобразователь, а не линейный регулятор. В этом посте я собираюсь объяснить, как встроить конвертер доллара в ваш проект.

Выпадение замены

Самый простой вариант, если вы привыкли использовать линейный регулятор в корпусе ТО-220, — это купить капля на замену.Например, Adafruit продает понижающие преобразователи на 1 А 5 В и 1 А 3,3 В по цене чуть менее 15 долларов на момент написания. Или примерно за 4,30 доллара вы можете получить модуль muRata OKI-78SR 1.5A 5V или 1.5A 3.3V от DigiKey или Mouser.

Из Китая

Вы можете получить небольшие конвертеры доллара из Китая за доллар или меньше, например, выполните поиск по запросу конвертер доллара Mini-360. Обычно это небольшие печатные платы с соединительными отверстиями, подходящими для провода или штыря разъема. Расстояние между отверстиями редко совместимо с макетной платой, но вы можете прикрепить провода или осторожно согнуть длинные штыри.Как правило, они не поставляются с таблицами данных, поэтому вы можете протестировать их перед тем, как это сделать, в зависимости от максимальных заявленных характеристик. Доставка идет медленно, но вы не можете побить цену.

Сделай сам

Наконец, вы можете сделать собственный понижающий преобразователь. Несколько причин построить его самостоятельно:

• Это отличный опыт обучения
• У вас есть полный контроль и знание спецификаций
• Вы можете спроектировать понижающий преобразователь на той же печатной плате, что и остальная часть вашего проекта.

Комплектующие

Доступны тысячи микросхем понижающих преобразователей.Ваши требования к напряжению и току помогут сузить круг вопросов, но выбор все равно будет из большого числа. Другие соображения — это эффективность, частота, размер схемы, количество внешних компонентов, характеристики, доступность и цена.

Маленький, простой и дешевый

Обычно требуется схема, которая занимает относительно небольшой объем места на плате по разумной цене. Если вам не нужна большая мощность, понижающий преобразователь со встроенными полевыми МОП-транзисторами будет идеальным вариантом.Хотя модули «все в одном» действительно существуют, они в настоящее время намного дороже, поэтому следует ожидать наличия нескольких внешних компонентов, таких как катушка индуктивности, конденсаторы и резисторы.

КПД, частота и пакет

Повышенная эффективность означает, что выделяется меньше тепла, и требуется меньше места для управления температурой, по этой причине предпочтение следует отдавать синхронным схемам, которые заменяют второй МОП-транзистор менее эффективным обратным диодом. Более высокочастотное переключение позволяет использовать катушки индуктивности и конденсаторы меньшего размера, что приводит к уменьшению размера конструкции.Выберите пакет, соответствующий вашим навыкам, избегайте небольших пакетов, таких как BGA, если вы не привыкли с ними работать.

Удобный инструмент поиска

Texas Instruments имеет большое количество понижающих преобразователей и удобные инструменты для выбора проектов. Вы можете попробовать ввести свои критерии в инструмент Power Quick Search.

И победитель —

Моими критериями для недавнего проекта были вход 12 В, выход 5 В и ток <500 мА. Я выбрал Texas Instruments TPS560200 со следующими характеристиками:

• 4.Вход от 5 В до 17 В
• Выход от 0,8 В до 6,5 В
• Максимальный ток 500 мА
• Синхронный
• КПД 80%
• Частота коммутации 600 кГц
• Комплект СОТ-23
• Эффективность малой нагрузки, тепловая защита и защита от перегрузки по току
• Цена около 0,89 доллара за штуку, около 0,36 доллара за штуку 3000

Это пятиконтактный компонент SOT-23 для поверхностного монтажа с шагом выводов около 0,04 дюйма / 1 мм, который должен быть управляемым в качестве первой конструкции для поверхностного монтажа.

Комплектование пассивных компонентов

Понижающий контроллер обычно должен быть сопряжен со следующими компонентами:

• Входной конденсатор
• Индуктор
• Выходной конденсатор
• Резисторы делителя напряжения

В техническом описании содержится руководство по выбору компонентов. Если вы используете контроллер TI buck, вы также можете использовать его инструмент WeBench, который поможет вам выбрать правильные компоненты для вашего дизайна.

Я не рекомендую экспортировать схемы и макеты из WeBench. По моему опыту, ни один из проводов не был подключен в схеме, и макет платы не мог быть импортирован в бесплатную версию Eagle CAD.

Эквивалентное последовательное сопротивление

В силовых цепях конденсаторы обычно пропускают большой ток, поэтому эквивалентное последовательное сопротивление, ESR, становится важным фактором. Например, типичный электролитический конденсатор емкостью 22 мкФ может иметь ЭПС 10 Ом, тогда как многослойный керамический конденсатор может иметь ЭПС 10 мОм (1/1000).

Всего:

• Используйте керамические многослойные конденсаторы XR5 или XR7, поскольку они имеют очень низкое эквивалентное последовательное сопротивление. В противном случае ищите конденсаторы с низким ESR
.
• Обычно вы соединяете высокочастотный входной байпасный конденсатор, обычно 0,1 мкФ, с конденсатором большой емкости, например 10 мкФ
• Вы можете использовать два конденсатора параллельно, чтобы снизить ESR

Рекомендации по оформлению

При компоновке схемы необходимо учитывать несколько моментов:

Токовая петля имеет высокую скорость нарастания тока, поэтому ее необходимо сохранять как можно меньше, чтобы уменьшить паразитную индуктивность

• • Поместите входной байпасный конденсатор (малый, высокочастотный) рядом с IC
  • Входной конденсатор большой емкости должен быть достаточно близко к IC
  • Поместите выходной конденсатор рядом с катушкой индуктивности
  • Подключается напрямую к заземляющей пластине

Удаление тепла

• • Используйте медные заливки для улучшения теплоотвода
  • Используйте тепловые переходные отверстия для отвода тепла к нижней части платы

Остерегайтесь шума от переключения

• • Поместите индуктор рядом с IC
  • Не расширяйте медь до индуктора сверх того, что требуется для тока
  • Держите обратный путь обратной связи подальше от катушки индуктивности и входного конденсатора

Для повышения эффективности

• • Не прокладывайте заземляющий слой под индуктором

Применение правил на практике

Вот пример компоновки печатной платы понижающего преобразователя 5 В 500 мА с разъемами, совместимыми с макетной платой.U1 — это микросхема понижающего контроллера Texas Instruments TPS560200. C1 и C2 — выходные конденсаторы емкостью 10 мкФ. C3 — входной байпасный конденсатор 0,1 мкФ, а C4 — входной конденсатор большой емкости 10 мкФ. Резисторы R1 и R2 действуют как делитель напряжения на обратной связи от выхода к ИС. Коэффициент делителя напряжения определяет выходное напряжение.

Чтобы минимизировать паразитную индуктивность в токовой петле, катушка индуктивности и входные конденсаторы располагаются рядом с ИС, а выходные конденсаторы размещаются рядом с катушкой индуктивности.Эти компоненты токовой петли подключаются непосредственно к заливке заземления верхнего слоя, которая соединена с заземляющей плоскостью нижнего слоя множеством переходных отверстий.

Для максимального отвода тепла под ИС имеются тепловые переходные отверстия, а в земле заливка рядом с ИС, чтобы помочь отвести тепло к большой заземляющей пластине в нижней части платы. Поскольку в этом корпусе нет термопрокладки, около 40% тепла будет рассеиваться через контакты, поэтому к контакту заземления и контакту Vin присоединяются большие потоки.

Чтобы свести к минимуму коммутационные помехи, индуктор расположен близко к ИС, и соединение с ИС не было расширено до большой медной засыпки. Дорожки и резисторы делителя напряжения для сигнала обратной связи выведены от катушки индуктивности.

Эффективность оптимизируется за счет добавления выреза в плоскости заземления под катушкой индуктивности, чтобы избежать снижения эффективности катушки индуктивности из-за вихревых токов, образующихся в плоскости заземления.

Переходные отверстия с тентом

Некоторые тепловые переходные отверстия (зеленые кружки меньшего размера) расположены очень близко к контактным площадкам SMD.Это создает некоторый риск случайного подключения к земле, если припой от контактных площадок попадет на оголенную медь переходного отверстия. Чтобы избежать этого риска, мы можем сделать так, чтобы каждое переходное отверстие было покрыто паяльной маской, термин для этого — переходное отверстие.

На плате выше, заказанной в OSH Park, вы можете видеть 16-миллиметровые переходные отверстия. Кольцевые кольца малых переходных отверстий закрыты пурпурной паяльной маской, в то время как кольцевые кольца больших переходных отверстий штифтов коллекторов открыты.

Орел

Чтобы сделать переходные отверстия достаточно маленькими, чтобы поместиться под упаковку для вашей ИС, вам может потребоваться указать новый размер сверла, если один из размеров сверла по умолчанию не подходит. В Eagle CAD вы можете выбрать новый размер сверла 16 мил, выбрав:

Изменение -> Сверло ->… (Новое сверло)

Введите 0,016 (или 16 мил), а затем щелкните любое существующее переходное отверстие, размер которого вы хотите изменить, или используйте инструмент «Нарисовать переходное отверстие» для создания новых переходных отверстий.

Правила Eagle DRC (Design Rule Check) в Eagle обычно определяют, что переходные отверстия более определенного размера всегда должны иметь маску остановки.То есть медное кольцевое кольцо не должно быть покрыто паяльной маской.

Чтобы гарантировать, что тепловые переходы защищены (покрыты паяльной маской), вам следует изменить правила DRC, чтобы ограничительная маска автоматически применялась только к переходным отверстиям, размер которых превышает выбранный вами размер переходных отверстий, например 16мил

Инструменты -> DRC -> Маски -> Предел -> 16 мил

Затем для переходных отверстий 16 мил или меньше вы сможете включить или выключить маску остановки в свойствах переходного отверстия.

KiCad

Создание тепловых переходных отверстий, также называемых сквозным сшиванием, может сбивать с толку в текущей версии KiCad, поскольку одиночные переходные отверстия, созданные инструментом Tracks And Vias, будут отключены от цепи GND, когда вы повторно заполните заполненные зоны или запустите DRC.Есть планы решить эту проблему в KiCad версии 5.0, но до тех пор есть несколько обходных путей.

Самый простой, если не самый красивый, — это убедиться, что ваши переходные отверстия подключены к контактной площадке GND с дорожкой. Дорожки будут поглощены заливкой меди (заполненной зоной), поэтому они не повлияют на окончательный КПБ.

Другое решение — создать новое посадочное место «переходного отверстия» в Footprint Editor и добавить это посадочное место прямо на вашу плату в PcbNew.

Для создания посадочного места:

• Запустить редактор Footprint
• Щелкните «Новый компонент»
• Сделать невидимыми имя и ссылочный текст
• Добавить площадку в начало координат (x = 0, y = 0)
• Отредактируйте пэд
• Установить медь для всех слоев меди
• Удалить F.Mask и B.Mask из Technical Layers, чтобы сделать переходной тент
• Установите размер отверстия (например, 0,016 дюйма) и размер контактной площадки (например, 0,03 дюйма)
• Установить соединение контактных площадок для медных зон на сплошное
• Сохранить в существующую или новую библиотеку с именем, например via-16mil

Для добавления посадочного места на вашу плату

• Щелкните Добавить посадочное место в Pcbnew
• Нажмите на доску и выберите новое посадочное место (например, via-16mil)
• Отредактируйте площадку (не посадочное место)
• Установите сетевое имя на GND

Вы можете сделать это снова, чтобы добавить еще одно переходное отверстие, или использовать Duplicate Footprint для копирования существующего переходного отверстия.

Готовый пример

Вот пример готового понижающего преобразователя 5В, совместимого с макетной платой.

Бак

Рис. 3.1.1 Понижающий преобразователь

• Изучив этот раздел, вы сможете:
• Понять принципы работы понижающих преобразователей.
• • Коммутационный транзистор.
• • Цепь маховика.
• Обратите внимание на ограничения выходного напряжения.
• Распознавайте разные источники входного сигнала.
• Поймите взаимосвязь между шириной импульса переключения и выходным напряжением.

Понижающий преобразователь

Понижающий преобразователь используется в цепях SMPS, где выходное напряжение постоянного тока должно быть ниже входного напряжения постоянного тока. Вход постоянного тока может быть получен от выпрямленного переменного тока или от любого источника постоянного тока.Это полезно там, где не требуется гальваническая развязка между коммутационной схемой и выходом, но если на входе используется выпрямленный источник переменного тока, изоляция между источником переменного тока и выпрямителем может быть обеспечена с помощью сетевого изолирующего трансформатора.

Коммутационный транзистор между входом и выходом понижающего преобразователя постоянно включается и выключается с высокой частотой. Чтобы поддерживать непрерывный выход, схема использует энергию, запасенную в катушке индуктивности L, во время периодов включения переключающего транзистора, чтобы продолжать питать нагрузку в периоды выключения.Работа схемы зависит от того, что иногда также называют схемой маховика. Это связано с тем, что схема действует скорее как механический маховик, который при регулярных импульсах энергии продолжает плавно вращаться (отдавать энергию) с постоянной скоростью.

Вход переменного или постоянного тока

Понижающий преобразователь — это форма преобразователя постоянного тока в постоянный, который может принимать входной сигнал непосредственно от источника постоянного тока, такого как аккумулятор. На входе также может быть постоянный ток, полученный от сети переменного тока (линии), как показано на рисунке 3.1.1 через цепь выпрямителя / накопительного конденсатора. Вход переменного тока в схему выпрямителя может быть переменным током высокого напряжения непосредственно от сети переменного тока или, альтернативно, с более низким напряжением через понижающий трансформатор. Как бы ни был получен постоянный ток, подаваемый на понижающий преобразователь, он затем преобразуется в высокочастотный переменный ток с помощью переключающего транзистора или «прерывателя», управляемого прямоугольной волной (обычно с широтно-импульсной модуляцией). Это приводит к возникновению высокочастотной волны переменного тока, которая затем может быть повторно преобразована в постоянный ток гораздо более эффективным способом, чем это было бы возможно в схемах, описанных в модуле источников питания 1.

Операция понижающего преобразователя

Рис. 3.1.2 Время включения транзистора

Как показано на рис. 3.1.1, схема понижающего преобразователя состоит из переключающего транзистора вместе со схемой маховика (D1, L1 и C1). Пока транзистор включен, через нагрузку через катушку индуктивности L1 проходит ток. Действие любого индуктора противодействует изменениям тока, а также действует как накопитель энергии. В этом случае предотвращается немедленное увеличение выходного сигнала переключающего транзистора до его пикового значения, поскольку в катушке индуктивности накапливается энергия, полученная от увеличивающегося выхода; эта накопленная энергия позже возвращается обратно в схему в качестве резервного e.м.ф. поскольку ток от переключающего транзистора быстро отключается.

Период включения транзисторного переключателя

Таким образом, как показано на рис. 3.1.2, когда переключающий транзистор включен, он снабжает нагрузку током. Первоначально ток в нагрузке ограничен, так как энергия также накапливается в L1, поэтому ток в нагрузке и заряд на C1 постепенно нарастают в течение периода «включения». Обратите внимание, что в течение всего периода включения на катоде D1 будет большое положительное напряжение, поэтому диод будет смещен в обратном направлении и, следовательно, не будет играть никакой роли в действии.

Рис. 3.1.3 Переключение периода «выключения» транзистора

Период выключения транзисторного переключателя

Когда транзистор выключается, как показано на рис. 3.1.3, энергия, запасенная в магнитном поле вокруг L1, возвращается обратно в цепь. Напряжение на катушке индуктивности (обратная ЭДС) теперь имеет обратную полярность по отношению к напряжению на L1 во время периода включения, и в сжимающемся магнитном поле доступно достаточно накопленной энергии, чтобы поддерживать ток в течение, по крайней мере, части времени. транзисторный ключ открыт.

Задний э.д.с. от L1 теперь заставляет ток течь по цепи через нагрузку и D1, который теперь смещен в прямом направлении. Как только индуктор вернул в цепь большую часть своей запасенной энергии и напряжение нагрузки начинает падать, заряд, накопленный в C1, становится основным источником тока, поддерживая ток, протекающий через нагрузку, до начала следующего периода включения.

Общий эффект этого заключается в том, что вместо большой прямоугольной волны, появляющейся на нагрузке, остается только волновая форма волны, т.е.е. треугольная волна высокой частоты с малой амплитудой и уровнем постоянного тока:

V _OUT = V _IN x (Время включения сигнала переключения (t _ON ) / периодическое время сигнала переключения (T))

или:

Рис. 3.1.4 Работа понижающего преобразователя

Следовательно, если форма волны переключения имеет отношение метки к пространству 1: 1, выходной сигнал V _OUT от схемы понижающего преобразователя будет иметь значение V _IN x (0,5 / 1) или половину от V _IN .Однако, если отношение метки к пространству сигнала переключения изменяется, возможно любое выходное напряжение от приблизительно 0 В до В _IN .

Просмотрите пути тока в периоды включения и выключения переключающего транзистора.

Посмотрите, как магнитное поле вокруг индуктора растет и схлопывается, и наблюдайте за изменением полярности напряжения на L.

Наблюдайте за эффектом пульсации во время включения и выключения переключающего транзистора.

Обратите внимание, что действия, показанные на рис.3.1.4 сильно тормозят; транзитор обычно включается и выключается с частотой 20 кГц или быстрее.

Рис. 3.1.5 Понижающий преобразователь для отрицательных материалов

Во многих сложных схемах основной источник постоянного тока может иметь слишком высокое напряжение для некоторых частей схемы. Например. напряжение питания 24 В постоянного тока для выходного каскада может потребоваться понизить до 5 В или 3,3 В для логических схем, управляющих выходным каскадом. В некоторых цепях может также потребоваться устранение отрицательных напряжений. Для таких обстоятельств схема, показанная на рис.3.1.5 можно использовать. Это включает в себя изменение положения L1 и D1 и изменение полярности C по сравнению со схемой на рис. 3.1.2. Эта разновидность базового понижающего преобразователя теперь инвертирует положительный вход постоянного тока для создания отрицательного напряжения в диапазоне от 0 В до -В _IN .

Как работает Рис. 3.1.5

Когда транзисторный ключ включается, на L1 подается положительное напряжение питания. В этот момент диод D1 смещен в обратном направлении, поэтому ток питания не может достичь выхода, но заряжает L1, создавая вокруг него магнитное поле.Обратите внимание, что напряжение на L1 в это время заставляет верх индуктора быть положительным по отношению к линии 0 В.

Однако, когда входной транзистор выключается, магнитное поле вокруг L1 начинает разрушаться, вызывая изменение напряжения на L1, которое теперь делает верхнюю часть L1 отрицательной по отношению к 0 В. В это время D1 становится смещенным в прямом направлении и проводит ток, заставляя конденсатор C1 повышать напряжение, создавая отрицательное выходное напряжение на нагрузке. Фактическое значение отрицательного выходного напряжения будет обратным некоторой части входного напряжения и будет зависеть от отношения метки к пространству входного переключателя, подаваемого прямоугольным сигналом, который будет сигналом с широтно-импульсной модуляцией, обычно работающим с постоянной частотой. на десятках кГц.

Изготовление понижающего преобразователя 50А + .. возможно

Пришлось гуглить, что такое variac .. не подходит для моего проекта, если только они не делают smd версии
Я планировал немного понизить напряжение, на самом деле не хочу просто рассеивать его, но, эй, если это сработает, все будет хорошо?

Думаю, я собираюсь проверить идею линейного управления напряжением, пытаясь добиться наименьших потерь.
Я читал, что LT1084 — более эффективный регулятор, и для того, чтобы он был маленьким, может быть, несколько сетевых узлов BU208D подключены параллельно?

Если кто-нибудь может указать мне на схему эффективного линейного регулятора напряжения небольшого размера / smd с триггером мгновенного действия, я был бы очень рад помочь.

И снова здравствуйте,

К сожалению, не существует такого понятия, как «эффективный» линейный регулятор. Линейные регуляторы по самой своей конструкции неэффективны, как указал доктор Пеппер, за исключением самого редкого случая, когда входное напряжение не намного превышает выходное напряжение, например, в LDO (стабилизатор с низким падением напряжения), но который также должен иметь вход напряжение, которое не намного превышает выходное напряжение. Чтобы прояснить этот момент, давайте рассмотрим несколько примеров. Поскольку ключевым моментом здесь является зависимость входного напряжения от выходного напряжения, мы рассмотрим несколько случаев входного и выходного напряжения.Ток нагрузки будет целевым током нагрузки для этого проекта, 50 ампер.
Во всех случаях потеря мощности составляет:
PL = (Vin-Vout) * Iout = (Vin-Vout) * 50
, а мощность на выходе составляет:
Pout = Vout * Iout
и мощность на входе составляет приблизительно:
Pin = Vin * Iout
, а эффективность, выраженная в долях (0,60 означает 60 процентов), составляет:
Eff = Pout / Pin

[1] Vin = 10,1 В, Vout = 10 В, PL = (10,1-10) * 50 = 0,1 * 50 = 5 Вт, Pin = 10,1 * 50 = 505 Вт, Pout = 10 * 50 = 500 Вт, Eff = 500/505 = 0/99

[2] Vin = 10.2v, Vout = 10v, PL = (10,2-10) * 50 = 0,2 * 50 = 10 Вт, Pin = 510, Pout = 500, Eff = 0,98

[3] Vin = 11v, Vout = 10v, PL = 50 , Pin = 550, Pout = 500, Eff = 0,91

[4] Vin = 20 В, Vout = 10 В, PL = 500, Pin = 1000, Pout = 500, Eff = 0,50

Обратите внимание, насколько плох # 4, потому что там большой перепад входного / выходного напряжения.