Рынок электроники сегодня предоставляет много вариантов микросхем для стабилизации и преобразования напряжения. Я остановлюсь на самом пожалуй распространенном контроллере серии 34063.
Эта микросхема хороша тем что она доступна, на её базе легко изучить устройство и работу шим контроллеров. Сама микросхема копеечная так что если в ходе работы вы спалите пару штук, то будет не жалко.
Для MC34063 есть в сети много удобных калькуляторов где легко рассчитать нужные параметры вашего устройства.
У MC34063 масса аналогов, и даже есть отечественный — КР1156ЕУ5. Диапазон рабочих напряжений MC34063 от 3 до 40 вольт. Коммутируемый ток ключа MC34063 до 1.5 А. Данный контроллер почти так же популярен, как таймер 555 серии.
Собирая данное устройство вы получите массу опыта в налаживании подобных устройств и в дальнейшем перейдёте к более сложным схемам. Для запуска контроллера в работу потребуется сама микросхема MC34063, индуктивность, диод, пару конденсаторов на 100 — 500 мкф, и 3 — 4 резистора.
Теперь о том как это всё работает:
Смотрим на 1 схему step-down, это работает почти как обычный шим стабилизатор.
При уравнивании или снижении входного напряжения ниже заданного выходного, ключевой транзистор открывается и мы имеем прямой переток напряжения через ключ и индуктивность к выходу устройства.
Индуктивность и емкость в выходной цепи образуют фильтр.
При открытии ключа дроссель набирает энергию. При закрытии ключа микросхемы, обратная ЭДС дросселя фильтра разряжается через диод и конденсатор Co. Данный цикл постоянно повторяется с заданной частотой.
Такая схема хорошо подходит для того что бы снизить напряжение например с 12- 9 вольт на 5 или 3.3 вольта. Есть вариант поставить для этих целей обычный стабилизатор типа 7805. Но это не очень практично.
А если то же самое проделать с шим контроллером то потери упадут до 13%, плюс радиатор вам не понадобится. КПД данного вида преобразователя 87%. В реалии при замере у меня MC34063 в работе кушает 2-3 мА.
По паспорту 4 мА, что возможно так же зависит от производителя микросхемы.
Стабилизирует схема выходное напряжение, с помощью делителя на двух резисторах R1;R2 подключенных к 5 выводу микросхемы. Как только напряжение на 5 выводе превысит 1.25 вольта, компаратор переключит тригер и ключ микросхемы закроется. Так ограничивается рост напряжения на выходе устройства.
Меняя номиналы этих резисторов можно задавать напряжение выхода.
На практике часто ставится переменный резистор, средняя точка которого идёт к 5 выводу MC34063, а крайние выводы подключаются один к земле другой к выходному напряжению.
Резистор Rsc между 7 и 6 выводами задаёт максимальный ток ключа микросхемы. Защита срабатывает когда между выводами 7 и 6 напряжение подымается более 0.3 вольта.
На 3 выводе MC34063 стоит конденсатор задающий частоту внутреннего генератора. Максимальная частота по паспорту 100 кГц. Чем меньше индуктивность тем больше нужно частоту и наоборот.
Теперь рассмотрим схему 2 включения MC34063, Step-Up.По нашему, это преобразователь на обратной ЭДС
Внимание данная схема работает только на повышение входного напряжения!
Работает данная схема следующим образом: Как только включили питание, на конденсаторе Со сразу появляется напряжение 12 вольт которое протекает от входа через индуктивность и диод пока ключ закрыт.
Затем ключ контроллера открывается на короткое время, подавая минусовой потенциал на индуктивность L. При закрытии ключа ток с индуктивности L разворачивается в обратную сторону и через диод дозаряжает ёмкость Co до 28 вольт.
Такая схема хорошо подходит для повышения напряжения основного источника питания. Допустим, вам нужно поднять напряжение с двух элементов по 1.5 = 3 вольта до 9 вольт. Эта схема как раз справится с такой задачей. На практике MC34063 уверенно стартует с 2 вольт, при заявленном нижнем пороге в 3 вольта.
Данный параметр зависит от производителя микросхемы.
Что произойдёт, если в такой схеме мы подымем входное напряжение выше выходного? Напряжение свободно пройдёт через индуктивность и диод и окажется на выходе. Ключ при этом будет закрыт.
Другими словами данная схема не стабилизирует напряжение выше установленного на выходе.
Но если вам нужно стабилизировать напряжение в широком диапазоне, допустим от 15 до 3 вольт при заданном выходном 5 вольт то обе данные схемы не подходят под такую задачу.
Возможно для этого включить обе схемы последовательно, первую Step-Up — вторую Step-down. Но думаю это нам не понадобится так как для этого есть третий вариант включения MC34063, инвертором.
Название пошло от того, что мы получаем этим способом напряжение обратной полярности относительно общего провода питания. Принцип основан так же на работе с обратной ЭДС.
Разница здесь в том что мы заряжаем индуктивность L положительным потенциалом, а при выбросе обратной ЭДС, снимаем с дросселя отрицательный потенциал. Схема работает на чистой обратной ЭДС чем обусловлен её более низкий КПД по сравнению со схемой Step-Up (по паспорту 62%).
Соответственно в данном включении необходима большая ёмкость конденсаторов фильтра на выходе для сглаживания пульсаций напряжения.
Номиналы резисторов R1 и R2 для всех трёх схем идентичные, То есть, если к примеру делителем R1=1 кОм, R2= 3 кОм было задано 5 вольт, то во всех трёх вариантах на выходе при этих номиналах будет 5 вольт.
Внимание: в этой схеме инвертора резисторы R1 и R2 меняются местами, что хорошо видно на схеме!
Для снижения пульсаций по питанию при работе MC34063, производителем рекомендовано ставить дополнительный фильтр на выходе устройства, как показано справа на каждой схеме.
Питание схемы двухполярным напряжением от однополярного источника.
Для повышения КПД схем на MC34063 рекомендуется ставит на выходе, дополнительный мощный ключ с низким сопротивлением открытого перехода.
На практике приходилось встречаться только с вариантами источников питания
повышающих – Феликс 02К, цепь формирования 24В из 12В
понижающих – практически все фискальные регистраторы работающие от 24В, принтеры этикеток и прочее оборудование, где входное напряжение питания больше 5 вольт. Поэтому будем рассматривать только первые два варианта использования микросхемы MC34063A.
Мощный электронный ключ на составном транзисторе (VT1 и VT2), который соединен со схемой управления. На нее поступают импульсы синхронизации от генератора, скважность которых зависит от сигнала схемы ограничения по току. Также на схему управления подается сигнал обратной связи с компаратора. Он производит сравнение напряжения обратной связи с напряжением внутреннего источника опорного напряжения. Стабильность параметров выходного напряжения микросхемы полностью обеспечивает источник опорного напряжения, т.к. его напряжение не зависит от изменений температуры окружающей среды и колебания входного напряжения.
Timing Capacitor (OSC) Вывод для подключения времязадающего конденсатора.
Ground (Gnd) Общий вывод.
Vcc (Uin) Напряжение питания (3. 40В).
Ipk Sense (Rt) Вход схемы ограничения тока, сюда подключается токоограничивающий резистор. Ipk пиковый ток через индуктивность, где Ipk Схема подключения.
Микросхема МС34063A имеет два входа, которые можно использовать для стабилизации тока.
Один вход имеет пороговое напряжение 1.25В (5 нога), что для мощной нагрузки не выгодно из-за потерь мощности. Например, при токе 1000 мА имеем потери на резисторе-датчике тока величиной 1.25*1А=1.25Вт, что сопоставимо с потерями мощности на линейном стабилизаторе.
Второй вход микросхемы имеет пороговое напряжение 0.3В (7 нога), и предназначен для защиты встроенного транзистора от перегрузки по току.
Рис. Схема понижения (Step-down converter)
Рис. Схема повышения (Step-up converter)
С2– конденсатор задающий частоту преобразования.
VD1 – быстродействующий диод, практически вся схема зависит от быстродействия этого диода. При использовании диодов Шотки, диод должен выдерживать обратное напряжение вдвое превышающее выходное напряжение.
R1 – Токовый датчик, задает максимальный ток на выходе стабилизатора. При превышении максимального тока – микросхема отключится, фактически является защитой от короткого замыкания (перегрузки) на выходе. Обладает довольно большой рассеиваемой мощностью, от 0,5 Вт до 2Вт, на практике иногда выглядит в виде нескольких параллельно включенных резисторов.
R2, R3 — делитель напряжения, с помощью которого задается выходное напряжение.
Рис. Выходное напряжение, формула расчета.
Фильтр рассмотрим отдельно, так как именно фильтр является слабым звеном при эксплуатации.
L1 – накопительная и фильтрующая индуктивность. Данную индуктивность настоятельно не рекомендуется уменьшать, так же именно эта индуктивность задает выходной ток, поэтому толщина провода довольно критичный параметр. На практике такая схема фильтра довольно редкое явление, как правило ставится второй LC фильтр, индуктивности включаются встречно.
С3 – принцип такой же как у катушки индуктивности. Несмотря на расчеты, если нет ограничения по размерам, конденсатор на 470 мкФ увидеть здесь довольно редкое явление. А вот конденсатор на 1000 мкФ здесь общепринятый стандарт (рассматриваем схемы Uвх=24В, Uвых=5В). Конденсатор должен быть LOW ESR, однако на практике это довольно редкое явление, ставится обычный конденсатор. Хотя если поднять оборудование 2000-2002 г.в. то там можно встретить LOW ESR конденсаторы в фильтре. Некоторые производители ставят в параллель ВЧ конденсатор, однако это довольно спорное решение.
Конденсатор фильтра для понижающих (Step-down converter) источников питания не является обязательным элементом, при достаточно большой индуктивности фильтра.
Стабилизация и преобразование напряжения — это немаловажная функция, которая используется во многих устройствах. Это всевозможные регулируемые источники питания, преобразующие схемы и высококачественные встраиваемые блоки питания. Большинство бытовой электроники сконструированного именно на этой МС, потому что она имеет высокие рабочие характеристики и без проблем коммутирует достаточно большой ток.
MC34063 имеет встроенный осциллятор, поэтому для работы устройства и старта преобразования напряжения в различные уровни достаточно обеспечить начальное смещение путем подключения конденсатора ёмкостью 470пФ. Этот контроллер пользуется огромной популярностью среди большого количества радиолюбителей. Микросхема хорошо работает во многих схемах. А имея несложную топологию и простое техническое устройство, можно легко разобраться с принципом ее работы.
Как ШИМ рассматривать этот контроллер не стоит, так как в нем отсутствует немаловажный компонент – устройство коррекции ошибки. Из-за чего на выходе микросхемы может возникать погрешность. А для исключения ошибки на выходе рекомендуется подключать хотя бы простой LC-фильтр. Также она является одной из самых доступных в ценовом диапазоне, поэтому большинство полезных устройств сконструированы именно на этом контроллере.
Микросхема имеет небольшой запас по мощности, поэтому в критических режимах она вполне сможет выстоять, но кратковременно. Поэтому при разработке любых устройств на базе этого ШИМ следует грамотно выбирать параметры компонентов и производить расчет MC34063 в соответствии с режимами работы. А чтобы облегчить процесс расчета параметров устройств на базе этой интегральной схемы, можно воспользоваться mc34063 калькулятором.
Редакторы сайта советуют ознакомиться с основами теоретической электротехники для начинающих.
Расчет преобразователя на mc34063
MC34063 datasheet по-русски.
Рынок электроники сегодня предоставляет много вариантов микросхем для стабилизации и преобразования напряжения. Я остановлюсь на самом пожалуй распространенном контроллере серии 34063. Эта микросхема хороша тем что она доступна, на её базе легко изучить устройство и работу шим контроллеров. Сама микросхема копеечная так что если в ходе работы вы спалите пару штук, то будет не жалко. Для MC34063 есть в сети много удобных калькуляторов где легко рассчитать нужные параметры вашего устройства. У MC34063 масса аналогов, и даже есть отечественный — КР1156ЕУ5. Диапазон рабочих напряжений MC34063 от 3 до 40 вольт. Коммутируемый ток ключа MC34063 до 1.5 А. Данный контроллер почти так же популярен как таймер 555 серии. Собирая данное устройство вы получите массу опыта в налаживании подобных устройств и в дальнейшем перейдёте к более сложным схемам. Для запуска контроллера в работу потребуется сама микросхема MC34063, индуктивность, диод, пару конденсаторов на 100 — 500 мкф, и 3 — 4 резистора. Теперь о том как это всё работает: Смотрим на 1 схему step-down, это работает почти как обычный шим стабилизатор.
Параметры микросхемы
MC34063 реализован в стандартном DIP-8 корпусе с 8 выводами. Также имеются компоненты для поверхностного монтажа без конкурса. ШИМ-контроллер MC34063 изготовлен достаточно качественно, о чем говорят немалые параметры, позволяющие создавать многофункциональные устройства с широкими возможностями. К основным рабочим характеристикам относятся:
Выбирая за основу этот ШИМ-контроллер, вы обеспечите себя надёжным практическим макетом, который даст возможность качественно изучить особенности работы импульсных устройств и преобразователей напряжения.
Применяется микросхема во многих устройствах:
MC34063API
Эта микросхема позволяет преобразовывать напряжение от 3В до 40В, ток коммутации внутреннего ключа до 1А. Как видим, внутри располагается источник опорного напряжения 1.
Полезная вещь, чтобы не сгорела часть схемы или сама микросхема MC Более подробно описано в даташите MC Существует, конечно, большое количество аналогов данной микросхемы, например, LM, готовыми преобразователями которой, завален весь китайский интернет.
Типовая схема включения
Чтобы запустить контроллер достаточно обеспечить несколько условий, реализовать которые можно, имея в кармане пару конденсаторов, индуктивность, диод и несколько резисторов. Схема подключения контроллера зависит от требований, которые будут предъявлены к ней. Если необходимо изготовить ШИМ-стабилизатор, что довольно часто применяется на практике. Схема работает исключительно на понижение выходного напряжения, которое зависит от отношения сопротивлений, включенных в обратной связи. Выходное напряжение формируется делителем в соотношении 1:3 и поступает на вход внутреннего компаратора.
Типовая схема включения состоит из следующих компонентов:
Рассматривая схему на понижение напряжения или его стабилизации можно увидеть, что она оснащена глубокой обратной связью и достаточно мощным выходным транзистором, который прямотоком пропускает через себя напряжение.
Схема включения на понижение напряжения и стабилизации
Из схемы видно, что ток в выходном транзисторе ограничивается резистором R1, а времязадающим компонентов для установки необходимой частоты преобразования является конденсатор C2. Индуктивность L1 накапливает в себе энергию при открытом транзисторе, а по его закрытию разряжается через диод на выходной конденсатор. Коэффициент преобразования зависит от соотношения сопротивлений резисторов R3 и R2.
ШИМ-стабилизатор работает в импульсном режиме:
При открытии биполярного транзистора индуктивность набирает энергию, которая затем накапливается на выходной ёмкости. Такой цикл повторяется постоянно, обеспечивая стабильный выходной уровень. При условии наличия на входе микросхемы напряжения 25В на ее выходе оно составит 5 В с максимальным выходным током до 500мА.
Напряжение можно увеличить путем изменения типа отношения сопротивлений в цепи обратной связи, подключенной к входу. Также он используется в качестве разрядного диода в момент действия обратной ЭДС, накопленной в катушке в момент ее заряда при открытом транзисторе.
Применяя такую схему на практике, можно изготовить высокоэффективный понижающий преобразователь. При этом микросхема не потребляет избыток мощности, которая выделяется при снижении напряжения до 5 или 3,3 В. Диод предназначен для обеспечения обратного разряда индуктивности на выходной конденсатор.
Импульсный режим понижения напряжения позволяет значительно экономить заряд батареи при подключении устройств с низким потреблением. Например, при использовании обычного параметрического стабилизатора на его нагрев во время работы уходило по меньшей мере до 50% мощности. А что тогда говорить, если потребуется выходное напряжение в 3,3 В? Такой понижающий источник при нагрузке в 1 Вт будет потреблять все 4 Вт, что немаловажно при разработке качественных и надёжных устройств.
Как показывает практика применения MC34063, средний показатель потерь мощности снижается как минимум до 13%, что стало важнейшим стимулом для ее практической реализации для питания всех низковольтных потребителей. А учитывая широтно-импульсный принцип регулирования, то и нагреваться микросхема будет незначительно. Поэтому для ее охлаждения не потребуется радиаторов. Средний КПД такой схемы преобразования составляет не менее 87%.
Регулирование напряжения на выходе микросхемы осуществляется за счёт резистивного делителя. При его превышении выше номинального на 1,25В компоратор переключает триггер и закрывает транзистор. В этом описании рассмотрена схема на понижение напряжения с выходным уровнем 5В. Чтобы изменить его, повысить или уменьшить, необходимо будет изменить параметры входного делителя.
Для ограничения тока коммутационного ключа применяется входной резистор. Рассчитываемый как отношение входного напряжения к сопротивлению резистора R1. Чтобы организовать регулируемый стабилизатор напряжения к 5 выводу микросхемы подключается средняя точка переменного резистора. Один вывод к общему проводу, а второй к питанию. Работает система преобразования в полосе частот 100кГц, при изменении индуктивности она может быть изменена. При уменьшении индуктивности повышается частота преобразования.
Модуль лабораторного блока питания на MC34063
Модуль выполнен на широко распространенных электронных компонентах зарубежного производства и практически не содержит дефицитных деталей. В качестве ШИ-контроллера используется микросхема MC34063 (U1). Управляющий импульс отрицательной полярности с выводов U1 (1, подается на преобразователь уровня, выполненный на транзисторе Q2, с коллектора которого, преобразованный по уровню управляющий импульс подается на входы эмиттерных повторителей (Q1, Q6), обеспечивающих управление затворами мощных полевых транзисторов (Q3, Q4). При спаде импульса и нахождении его полки в области отрицательных значений относительно баз транзисторов Q1, Q6, транзисторы эти заперты и по цепи: общий провод-выводы 8,1 (U1)-R4-ЭК (Q2)-D1(D2)-R2 (R3), — происходит подача отрицательного напряжения на затворы Q3, Q4. Q3, Q4 отпираются и находятся в этом состоянии до того, пока напряжение на «прямом» входе элемента U3.2 не станет выше напряжения на инверсном входе этого же элемента. В этом случае, соответственно, на выходе элемента U3.2 пропорционально (на разницу уровней прямого и инверсного входов кратно коэффициенту усиления ОУ) повысится напряжение, обуславливающее увеличение напряжения и на входе ОС микросхемы U1 (вывод 5). Выходной транзистор U1 (выводы 2-1,8) закроется и обесточит цепь подачи напряжения на затворы силовых ключей (Q3, Q4). Эмиттерные повторители (Q1, Q6) в этот момент откроются током через резистор R1, разряжая затворные емкости силовых ключей, обеспечивая быстрое запирание Q3, Q4 до момента, пока напряжение на прямом входе элемента U3.2 не станет ниже значения на инверсном входе этого же элемента. После чего цикл коммутации силовых ключей повторится. Таким образом производится регулирование напряжения на выходе модуля, где значение выходного напряжения определяется опорным значением напряжения, регулируемым с помощью потенциометра PR2. Регулировка ограничения тока производится потенциометром PR3, с движка которого снимается установочное значение опорного напряжения и подается на прямой вход элемента U3.1. Как только падение напряжения на инверсном входе U3.1 начнет превалировать над опорным значением, напряжение на выходе этого элемента уменьшится пропорционально (с учетом коэффициента усиления ОУ, определяемого отношением резисторов R16, R18) в соответствии с разницей значений на прямом и инверсном входах, увеличивая разницу напряжений на входах U3.2, тем самым увеличивая уровень напряжения на входе ОС U1 (вывод 5) и запирание силовых ключей.
Включение микросхемы U1 — практически стандартное, но снабженное преобразователем уровня на транзисторе Q2 для возможности работы модуля с относительно высокими входными напряжениями, непозволительными для самой MC34063. Микросхема в этом случае может быть запитана напряжением 5-15В и работает в облегченных режимах, как по напряжению, так и по току. Вывод 7 микросхемы не задействован, но может быть использован для плавного запуска модуля или как порт для выключения модуля, подключения дополнительных защитных схем. Стабилизатор питания U1 выполнен на транзисторе Q5, стабилитроне VZ2, ток стабилизации через который определяется резистором R11. R10 — балластный и ограничивает мощность, рассеиваемую на транзисторе Q5. Питание сдвоенного ОУ осуществляется стабилизатором U4. Его выходное напряжение используется и в качестве опорного.
Выходное напряжение модуля определяется шириной импульсов управления и параметрами элементов «шлюза» (дроссель L1, конденсатор C11). Ширина импульсов управления зависит от разницы уровней напряжения на входах элементов U3. Ток зарядки конденсатора C11 определяется индуктивностью дросселя L1 и временем открытых ключей Q3, Q4. Разряд определяется сопротивлением нагрузки. Следует так же учесть, что частота коммутации ключей так же будет зависеть от нагрузки и параметров «шлюза». Процесс работы связки КЛЮЧ-ДРОССЕЛЬ-КОНДЕНСАТОР, понятно, описан здесь максимально поверхностно, но достаточно подробно подобные процессы описаны в литературе о силовой электронике. Расчет дросселя не производился, а режимы нормальной работы модуля подбирались под выбранные элементы «шлюза» изменением частоты генератора U1. Индуктивность дросселя варьировалась от 22 до 47uH (микроГенри), а при испытании подбирались готовые дроссели с необходимыми массогабаритными показателями сердечников и достаточным сечением обмоточного провода. Большинство таких дросселей применяется в компьютерных БП. От параметров дросселя будет зависеть во многом КПД модуля, нагрев силовых ключей и самого дросселя. Подробно о расчете дросселя в ШИ-преобразователях с фиксированной частотой можно прочесть здесь: https://www.compel.ru/lib/ne/2007/8/7-sovetyi-po-proektirovaniyu-ponizhayushhih-preobrazovateley.
Для модуля разработана и изготовлена двусторонняя печатная плата под SMD-компоненты размером 53Х50мм. Силовые ключи Q3, Q4 и транзистор стабилизатора Q5 расположены в ряд для возможности установки на общий радиатор подходящих размеров с площадью охлаждения не менее 50см2, если модуль предназначен для долговременной или непрерывной эксплуатации. Максимальные размеры дросселя (проекции) для размещения на плате могут составлять 16Х24мм. Плата снабжена установочными местами под ножевые клеммы (входные и выходные напряжения) дублирующими и отверстиями для провода диаметром до 1,2мм. Регулировочные потенциометры (ток, напряжение) для установки на плату использованы вертикальные многооборотные, но могут быть использованы при выносе за пределы платы (проводниками минимальной длины) и другие типы потенциометров. Резистор R10 (мощностью не менее 2Вт) следует распаивать на высоте не менее 5мм от платы. Резистор R4 может иметь мощность 0,25-0,5Вт. Резистор R20 составной и дополнительным резисторам на плате присвоены позиционные обозначения R201, R202, R203. Сборка и наладка не представляет трудностей и модуль начинает работать сразу после сборки.
При налаживании, подключив вольтметр, необходимо определить диапазон регулировки выходного напряжения вращением штифта потенциометра PR2 в ту или иную стороны, подбирая необходимый диапазон регулирования резисторами R15, соотношением резисторов делителя ОС R12, R13. Диапазон регулировки ограничения тока подбирается резистором R19.
повышающих (Step-up converter)
