Двухполярный изолирующий DC-DC преобразователь: радикальное решение по избавлению от помех и высоких потенциалов источника питания

СмартПульс - держите руку на пульсе высоких технологий! Новости, статьи, обзоры мобильных устройств, компьютеров, комплектующих, радиолюбительских конструкций

Главная - Разное - Двухполярный изолирующий DC-DC преобразователь: радикальное решение по избавлению от помех и высоких потенциалов источника питания

Предисловие

Обзор посвящен двухполярному изолирующему DC-DC преобразователю; то есть такому, у которого вход гальванически изолирован от выхода, и который может выдержать значительное напряжение пробоя от входа к выходу.

Областей применения у таких преобразователей немного, но зато в этих областях такие преобразователи практически незаменимы.

Они могут применяться в тех случаях, когда между входом и выходом может быть значительная разность потенциалов (требуется "плавающий" источник питания для чего-либо); ещё могут быть полезны в случаях, когда первичный источник питания сильно "загрязнён" помехами (требуется развязать аппаратуру от них); а также с целью повышения электробезопасности питаемого устройства (если первичный источник питания не обеспечивает достаточную защиту от сетевого напряжения). Могут быть и комбинации из перечисленных факторов.

Внешний вид изолирующего DC-DC преобразователя (изображение со страницы продавца на Алиэкспресс, кликнуть для увеличения)

Примером использования изолирующего преобразователя в измерительной аппаратуре может быть портативный осциллограф Hantek 2D72 со встроенным мультиметром (обзор), у которого мультиметр изолирован от осциллографа (мультиметр может проводить любые измерения без отключения осциллографа от измеряемой схемы, и, соответственно, без опасности сделать К.З. и другие неприятности).

Далее будет рассмотрен изолирующий преобразователь небольшой мощности (6 Вт) с двухполярным выходом ±15 В. Производитель - китайская Guangzhou Nengda Power Technology Co., но его "клоны" выпускаются и под другими брендами (Mean Well, K-CUT, Otte, Mornsun и др.).

Технические характеристики, внешний вид и конструкция изолирующего DC-DC преобразователя

Основные характеристики преобразователя нанесены прямо на его корпусе; но, поскольку они не все там перечислены, то полностью все характеристики представлены в следующей таблице:

Технические характеристики биполярного изолированного DC-DC преобразователя WRA1215MD-6W (ND)

Напряжение входа (диапазон)	9 - 18 В
Номинальное выходное напряжение	±15 В
Максимальный ток нагрузки	200 мА
Максимальная мощность в нагрузке	6 Вт
КПД (типовое значение)	82%
Максимальная ёмкость нагрузки	220 мкФ
Защита от короткого замыкания	Есть
Напряжение изоляции	1500 В постоянного тока (VDC)
Диапазон рабочих температур	-40° - +85°С
Габариты	25.425.411.8 мм
Масса	12 г
Официальная страница	Ссылка (китайский язык, англ. нет)

К этому надо добавить, что точность формирования выходного напряжения на официальной странице не указана, но для аналогичного преобразователя фирмы Mornsun (datasheet, PDF) она заявлена не хуже 3% для положительного выходного напряжения и 5% - для отрицательного.

Кроме того, в этом документе указан и минимально-допустимый ток нагрузки (20 мА, при невыполнении этого требования не гарантируется выполнение остальных электрических характеристик).

Преобразователь представляет собой небольшую коробочку с 5-ю контактами. Вид сверху:

По фотографии может показаться, что корпус преобразователя - чёрный, а маркировка нанесена на изделие яркой светлой краской. На самом деле всё наоборот: корпус - металлический (алюминиевый); а там, где видна маркировка, он просто не закрашен. В результате от буквы до буквы корпус хорошо прозванивается мультиметром, который показывает нулевое сопротивление.

Контакты - довольно толстые, диаметр - 1 мм. Вокруг основания контактов виден изолирующий материал, не позволяющий контактам соприкоснуться с металлическим донышком.

И, для порядка, последний ракурс - вид по диагонали:

Этот преобразователь разборке не подвергался (пусть живёт, пригодится!), а о его начинке можно приблизительно судить по изображению начинки аналогичного преобразователя компании Mornsun (но не точно такого же):

Характерная особенность преобразователя - наличие трансформатора для передачи энергии и оптопары для передачи сигнала обратной связи (видна рядом с трансформатором). Остальная обвязка зависит от типа преобразователя (однополярный/биполярный), мощности и т.п.

Собственно, вот и всё, что можно рассказать о конструкции преобразователя.

Тест изолированного DC-DC преобразователя WRA1215MD-6W

1. Проверка точности формирования выходных напряжений, максимальной мощности на выходе, КПД и температурного режима

Эта проверка проводилась при входном напряжении 12 (номинальное для преобразователя, хотя он может работать и в широком диапазоне напряжений).

Проверка проводилась при установке максимально-допустимого тока выхода (200 мА) по обеим полярностям.

Напряжение на положительном плече составило +15.06 В, на отрицательном - минус 15.11 В.

Ток входа при этом составил 0.64 А, входная мощность - 7.68 Вт, выходная - 6 Вт, КПД - 78%.

КПД получился немного ниже заявленного производителем (82%), но при этом следует иметь в виду, что производитель указал типовое (а не точное) значение: в реальности КПД будет зависеть от входного напряжения (в меньшей степени - от температуры среды). При снижении входного напряжения КПД будет падать, а при повышении - подниматься.

Тепловое фото преобразователя после перехода в установившийся температурный режим (примерно через 25 мин. после включения; температура окружающей среды 21 градус):

Температура корпуса поднялась до 62 градусов; это вполне приемлемое значение. При этом следует иметь в виду, что тест проводился на открытом пространстве со свободной конвекцией воздуха. При установке в корпусе какого-либо устройства тепловой режим преобразователя может оказаться более тяжелым.

2. Проверка пульсаций выходного напряжения

Пульсации на выходе изолированного DC-DC преобразователя оказались настолько низкими, что, если бы не "иголочные" выбросы на фронтах импульсов, то их вообще трудно было бы обнаружить:

Частота преобразования оказалась около 300 кГц (что полезно для уменьшения габаритов индуктивных элементов и трансформатора в преобразователе).

3. Проверка точности выходных напряжений при работе с несимметричной нагрузкой

Для этой проверки поочередно положительное и отрицательное плечо нагружались током 100 мА.

При нагрузке только на положительном плече напряжение на нём составило +15.06 В, на отрицательном плече -15.64 В.

При нагрузке только на отрицательном плече напряжение на нём составило -14.59 В, а на положительном плече +15.08 В.

Как видно из полученных результатов, напряжение на положительном плече - стабильно и почти не меняется под нагрузкой; а на отрицательном может в небольших пределах отклоняться.

Из этого следует, что (ожидаемо) положительное плечо является здесь ведущим, и именно оно участвует в контуре стабилизации.

4. Проверка минимального напряжения работоспособности

Проверка проводилась при нагрузке 50 мА на каждом плече (0.25 от максимальной мощности).

Преобразователь включается в работу при условии, что напряжение на входе составляет 8.4 В или выше (но не свыше предельно-допустимого).

Но выключается преобразователь при гораздо более низком напряжении (2.5 В). Таким образом, кратковременные, но даже значительные по величине, провалы в питающем напряжении не будут приводить к провалам выходного напряжения.

Защита срабатывает при коротком замыкании в любом плече выхода преобразователя. При срабатывании защиты входной ток снижается до 0.1 - 0.2 А (в зависимости от входного напряжения).

После снятия короткого замыкания напряжение на выходе восстанавливается к номиналу.

Окончательный диагноз

В данном случае произошло почти что чудо: в изделии китайского производства практически не нашлось поводов придраться!

Пожалуй, единственным недостатком протестированного биполярного изолирующего DC-DC преобразователя является его цена: она довольно значительна и составляет около $9.

- соответствие заявленному уровню мощности;

- металлический корпус, улучшающий теплоотвод от преобразователя.

Как всегда, следует внимательно относиться к тепловому режиму устройства, особенно при установке в тесном корпусе по соседству с другими нагревающимися элементами.

Также не следует долговременно нагружать преобразователь на 100% номинальной мощности (что также справедливо для любых источников питания), рекомендуется ограничиться на уровне около 80% (примерно до 5 Вт).

Купить протестированный изолированный двухполярный преобразователь можно на Aliexpess; также можно найти на Алиэкспресс и другие изолирующие преобразователи (на другую мощность и другие напряжения входа/выхода).

Вступайте в группу SmartPuls.Ru

Контакте! Анонсы статей и обзоров, актуальные события и мысли о них.