Обзор

Понижающий DC-DC преобразователь, по функциональности близкий к лабораторному блоку питания

Формально устройство, которое будет рассмотрено далее - понижающий DC-DC преобразователь (постоянного тока в постоянный). Но, благодаря возможностям регулировки выходного напряжения, уровня ограничения выходного тока и наличию индикации напряжения и тока это - почти полноценный лабораторный блок питания. До полной полноценности ему не хватает только возможности питания непосредственно от сетевого напряжения: питаться он должен от любого другого источника с выходным напряжением более высоким, чем требуется на выходе нашего преобразователя, хотя бы на 0.3 В.

На фото - преобразователь в работе. Верхний индикатор показывает напряжение на выходе, нижний - ток выхода.

Устройство может поставляться в двух вариантах.

Первый вариант - в полном комплекте (как на фото).

Второй вариант - одна нижняя плата (преобразователь как таковой), без верхней платы, отвечающей только за измерения.

Купить тестируемый DC-DC преобразователь можно на Алиэкспресс, например, по этой ссылке, а также и у многих других продавцов. Цена на дату обзора около $7.2 в полном комплекте (с учётом доставки); или $2 при покупке только платы преобразователя (без платы вольтметра и амперметра). В дальнейшем цены могут меняться в любую сторону, проверяйте!

Реклама. ООО "АЛИБАБА.КОМ (РУ)" ИНН 7703380158

   Оглавление:

   1. Внешний вид и технические характеристики понижающего DC-DC преобразователя с функциональностью лабораторного блока питания

   2. Тестирование

   3. Окончательный диагноз
 

Внешний вид, конструкция и технические характеристики понижающего DC-DC преобразователя с контролем напряжения и тока

Основные характеристики понижающего DC-DC преобразователя

Допустимое напряжение входа: 8 - 36 В

Напряжение выхода: от 1.25 В до входного напряжения минус 0.3 В

Регулировка тока выхода: 0 - 5 А* (*верхнее значение не подтвердилось для длительной работы)

Мощность выхода: до 75 Вт (в зависимости от режима)

Встроенная защита: от К.З. на выходе, перегрева, от превышения допустимого тока (не проверялись)

Размеры: 52 x 25 x 23 мм
 

Конструктивно DC-DC преобразователь выполнен в виде двухэтажной конструкции:

Верхний этаж отвечает за индикацию, а нижний является собственно преобразователем.

Назначение двух разъёмов на верхней плате неизвестно (нигде не описано).

На нижней плате расположены два многооборотных подстроечных резистора:

Резистор справа отвечает за регулировку напряжения, а второй резистор - за регулировку ограничения тока.

Платы легко отделяются друг от друга; причём нижняя плата (преобразователя) вполне работоспособна без верхней; только устанавливать её параметры в этом случае придётся с помощью внешних приборов.

Передача сигналов от нижней платы к верхней производится без разъёмов и пайки - через металлические стойки, которыми скрепляются платы.

Внешние соединения устройства осуществляются с помощью клеммников под винт; но и просто припаяться к контактам тоже никто не запрещает.

За измерение тока отвечает, помимо микроконтроллера на верхней плате, резистор номиналом 0.05 Ом на нижней стороне нижней платы:

Посмотрим теперь на обе платы со стороны элементов, и кратко пробежимся по этим элементам:

Основу преобразователя составляет модуль XL4015 (datasheet XL4015 и схема включения); применён вариант микросхемы XL4015E1 - с возможностью регулировки выходного напряжения.

Выпрямительный диод - типа SS54 (диод Шоттки, макс. прямой ток 5 А; макс. обратное напряжение 40 В).

Также на плате есть сдвоенный операционник LM358, стабилизатор напряжения 7805 и источник опорного напряжения TL431 на 2.5 В.

На плате DC-DC преобразователя расположены три светодиода индикации (обозначены на фото цифрами).

Светодиоды 1 и 2 взаимосвязаны и показывают, идет ли ток в нагрузку, или нет.  Если тока нет, то светит светодиод 1, а если ток идёт, то светит светодиод 2. Но ток - не любой (есть или нет), а с ощутимой величиной.  Порог срабатывания этой индикации - довольно высокий (где-то между 0.5 и 0.6 А). Так что вполне вероятна ситуация, когда нагрузка потреблять ток будет, а светодиоды на это никак не прореагирует (если ток будет ниже 0.5 А).

Светодиод 3 показывает, работает ли преобразователь в режиме стабилизации напряжения или тока. Если не светит - то стабилизирует напряжение; если светит - то сработало ограничение по току, и DC-DC преобразователь перешел в режим стабилизации тока.

На цифровой плате (плате индикации) имеются три чипа. Самый маленький - стабилизатор напряжения 3.3 В, неопознанный чип без маркировки - микроконтроллер (измеряет ток и напряжение), чип 74HC164D - сдвиговый регистр, участвующий в работе индикации.

После этого описания можно переходить к тестам.

Тестирование понижающего DC-DC преобразователя на XL4015E1

В программе испытаний - проверка нижнего и верхнего пределов установки напряжения, проверка точности измерения напряжения и тока, и проверка максимального выходного тока с одновременным контролем температурного режима.

Питание устройства в процессе тестирования  осуществлялось от "настоящего" лабораторного блока питания с максимальным напряжением выхода 32 В и током до 10 А.

Диапазон регулировки выходного напряжения при питании от источника 32 В составил 1.25 - 31.7 В (при нагрузке 0.5 А).

Одновременно с этой проверкой проверялась точность измерения напряжения. Она оказалась очень хорошей, ошибка не превышала 5% при напряжении до 3 В и 2% при напряжении выше 3 В.

Следующая проверка - на максимально отдаваемый ток.

Ограничивающими факторами будут максимально-допустимый выходной ток микросхемы и температурный режим как самой микросхемы, так и других элементов в сильноточных цепях: индуктивности и диода SS54.

Испытания показали, что температурный режим становится опасным раньше, чем ток выхода достигает максимально-допустимой величины для микросхемы XL4015, составляющий 5 А.

Тепловой снимок платы преобразователя при входном напряжении 24 В, выходном - 9 В и токе выхода 2.5 А:

Тепловой снимок сделан тепловизором Uti260M (обзор).

Температура микросхемы достигла 93 градусов, но сильнее всего нагрелся диод - до 99 градусов; индуктивность тоже сильно нагрелась.

Такой сильный нагрев этих элементов вполне логичен: практически никакого серьёзного теплоотвода они не имеют; и установить его здесь сложно.

Пульсации на выходе в этом режиме оставались в пределах приличий; осциллограмма:

Величина пульсаций пик-пик составила около 150 мВ; их частота - 194 кГц.

Если для какой-то аппаратуры такие пульсации велики, то их можно додавить подключением дополнительных конденсаторов на выходе (правда, из-за нехватки места они должны будут располагаться не на плате, а снаружи).

Вместе с этим испытанием была проверена точность измерения тока; она оказалась значительно хуже точности измерения напряжения.

При токе нагрузки до 70 мА индикатор показывал просто ноль; хотя при токе свыше 0.3 А и примерно до 3 А показаниям индикатора можно в какой-то степени доверять: ошибка укладывается в 10%.

Эта ситуация отражена на следующем графике, сделанном по нескольким точкам измерений (по оси X - величина тока, измеренная хорошим мультиметром; по оси Y - показания собственного амперметра преобразователя):

Бледно-голубым цветом для сравнения показан "идеальный" график (полное совпадение показаний, если бы оно случилось).

На всякий случай в течение 1 секунды была проверена возможность получения от преобразователя тока в 4 А. Эта проверка оказалась успешной (ничего не сгорело); можно считать допустимой импульсную нагрузку такой величины.

Что касается регулировки ограничения тока, то эта функция работает успешно.

Настройка ограничения тока производится очень легко.

Сначала устанавливаем ограничение на минимум, а выходное напряжение - на небольшую величину (около 3 В).

Затем выключаем устройство, делаем короткое замыкание на выходе, регулировкой тока выхода устанавливаем требуемую величину ограничения тока, и вуаля!

Ток ограничения остается практически постоянным независимо от вида нагрузки - резистивная, просто короткое замыкание, или какое-либо реальное устройство.

Под занавес этой главы - немного дополнительной информации.

Формально для микросхемы XL4015E1 минимально-допустимое напряжение указано в datasheet на уровне 8 В; но испытания показали, что преобразователь полностью работоспособен от напряжения 7 В.

При более низких напряжениях он тоже работает, но при этом перестаёт работать функция ограничения выходного тока. В принципе, преобразователь можно питать даже от обычной телефонной зарядки с напряжением 5 В (проверено), если функция ограничения тока не нужна.

Собственное потребление устройства (без нагрузки) не превышает 35 мА.

На этом можно перейти к окончательным итогам.

Окончательный диагноз понижающего DC-DC преобразователя на XL4015 с функциями лабораторного блока питания

Протестированный мини лабораторный блок питания показал функциональность, соответствующую заявленной, а также хорошее соответствие характеристикам в тех пределах, которые не приводят к опасным температурным режимам.

И вот здесь надо отметить, что перегрев схемы наступает раньше, чем устройство достигает заявленного максимального выходного тока. Реально не следует пытаться нагружать устройство током свыше 2.5 А. Сработает ли в микросхеме встроенная тепловая защита, или же чип при перегрузке просто сгорит - не знаю, не проверял (и Вам не советую). Хорошая защита от такой ситуации - установить порог ограничения тока на уровне 2.5 - 2.8 А; если по ситуации не требуется более низкий порог (и не предполагается более высокого потребления в импульсе).

Существенно улучшить теплоотвод от элементов платы собственно преобразователя с помощью радиаторов вряд ли получится.

Так что самый верный способ улучшить теплоотвод - сделать для устройства хорошие воздушные зазоры со всех сторон; можно ещё одновременно с этим положить устройство набок (не забывая о зазоре снизу). И, наконец, самый радикальный способ - устроить принудительную вентиляцию.

Тем не менее, записываем в недостатки тот факт, что максимальный выходной ток этого понижающего DC-DC преобразователя оказался ниже заявленного (по крайней мере, в отношении длительной работы без принудительной вентиляции).

А в "плюсы" записываем хорошие характеристики при работе в пределах возможного и наглядную индикацию режимов работы (претензии к точности измерения тока были изложены выше).

Возможные области применения: настройка и ремонт различной электронной аппаратуры; работа в качестве зарядного устройства для любых видов аккумуляторов (в этом случае требуется только установить требуемые для аккумулятора напряжение и ток заряда).

Не исключены и экзотические применения протестированного DC-DC преобразователя, например, в качестве драйвера для светодиодной планки с последовательно-параллельным соединением светодиодов (при  небольшом числом последовательных секций, чтобы требуемое напряжение уложилось в допустимое на выходе преобразователя).

Купить протестированный понижающий DC-DC преобразователь с функциями лабораторного блока питания можно на Алиэкспресс, например, по этой ссылке.

Реклама. ООО "АЛИБАБА.КОМ (РУ)" ИНН 7703380158

При тестировании преобразователя использовался осциллограф Hantek DSO5102P (обзор) и тепловизор Uti260M (обзор).

Весь раздел "Сделай сам! (DIY)" - здесь.

  Ваш Доктор.
 25 мая 2023 г.

Вступайте в группу SmartPuls.Ru  Контакте! Анонсы статей и обзоров, актуальные события и мысли о них.

  Комментарии вКонтакте:

При копировании (перепечатке) материалов ссылка на источник (сайт SmartPuls.ru) обязательна!