Условия при постоянном токе
При рассмотрении коэффициента усиления по постоянному току помните, что цепь обратной связи схемы операционного усилителя со следящим питанием работает так же, как и любая другая схема усиления с операционным усилителем. Усиление схемы на Рисунке 1 просто AV = VOUT / VIN = 1 + RF / RG. В конфигурациях, в которых VCC — VEE меньше, чем удвоенное значение VCO — VEO, можно запускать схему с любым усилением, включая усиление с инвертированием. Но при больших напряжениях питания системы и для достижения больших диапазонов выходных напряжений необходимо использовать неинвертирующую конфигурацию и тщательно выбирать усиление. Если установить усиление слишком высоким, диапазон синфазного входного напряжения операционного усилителя будет превышен, что, вероятно, приведёт к защёлкиванию цепи управления питанием. Усиление больше показанного на Рисунке 2 привело бы к тому, что VCO на своём пике превысило VCM, и VCO превысит VCM на отрицательной стороне сигнала. Эта ситуация явно выходит за диапазон допустимых синфазных напряжений входа операционного усилителя, поскольку оба источника питания находятся дальше от земли, чем его вход. К счастью, этого состояния можно легко избежать. При достаточно низком усилении выходной каскад насыщается быстрее входного каскада, и напряжения на шинах питания прекращают увеличиваться до того, как они превысят входное напряжение (Рисунок 3).
Рисунок 3. Если усиление выбрано правильно, выход усилителя будет насыщен до того, как его допустимый диапазон входного синфазного напряжения будет превышен.
Предполагая наличие симметричной системы с положительным усилением (в которой RG «заземлён» на полпути между VCC и VEE, чтобы избежать вышеописанной ситуации достаточно соблюдения следующих двух условий:
(VCC — 0.6)
AV ≤ ————————————————————————————— (10)
(VCC — 0.6) — (VCO — VEO) + VIHRL
и
(VEE + 0.6)
AV ≤ ————————————————————————————— (11)
(VCC + 0.6) + (VCO — VEO) + VIHRL
VIHRH — это запас по входному напряжению операционного усилителя на верхней стороне, разность между его положительным напряжением питания и его результирующим максимальным синфазным входным напряжением, а VIHRL — запас по входному напряжению на нижней стороне питания.
Каскадированием можно добиться больших усилений, чем те, которые позволяют приведённые выше уравнения. В качестве альтернативы можно сконфигурировать один каскад для работы с более высоким усилением используя описанный ниже метод.
Напряжение выхода
Модуль производят в 4 вариантах:
- С напряжением — 3,3 В.
- 5 В.
- 12 В.
- LM2596ADJ — регулируемый вариант.
Повсеместно применяется настраиваемая версия, так как ее много на складах электронных фирм. Она не в дефиците, а дополнения к ней — самые простые, это всего лишь 2 дешевых резистора. Разумеется, популярен и вариант на 5 В.
Чтобы задать выходное напряжение, можно использовать DIP-переключатель или поворотник. И в том, и в другом случае, нужны точные резисторы. Напряжение настраивается без помощи вольтметров.
Как сгладить пульсации напряжения вход
Получается, что если использовать LM2596 как понижающий преобразователь, конденсатор входа, стоящий сразу за диодным мостом, обладает небольшой емкостью от 50 до 100 мкФ.
Конденсатор выхода
Если частота преобразования высока, конденсатор входа тоже должен обладать большой емкостью. Потребитель с высокой мощностью не сможет серьезно снизить работоспособность данного конденсатора в ходе одного цикла.
Ни в коем случае не делайте танталовые конденсаторы входными и выходными. В их даташит указано: “не для использования в цепи питания”, так как они сложно переносят даже небольшое увеличение напряжения, а также, высокий уровень импульсного тока. Пользуйтесь стандартными конденсаторами из алюминия и электролитов.
КПД, уровень эффективности и потери тепла
Коэффициент полезного действия — не самый высокий, так как мощным ключом является двухполярный транзистор. Его падение напряжения не равно нулю, оно составляет 1,2 В. Поэтому эффективность падает и при маленьких напряжениях.
Наибольшая эффективность становится возможной при разнице между напряжением входа и выхода на уровне 12 В. Иными словами, если его снизить на 12 В, большая часть энергии уйдет на тепло.
Будем считать, что когда 12 В преобразуются в 5 В, потери при токе выхода в микросхеме равны 1,3 Вт, ток входа составляет 0,52 А. Это эффективнее преобразователя линейного типа, дающего, как минимум, потерю в 7 Вт. Потребление из сети входа — вдвое больше.
У LM2577 — втрое меньшая частота. Она намного эффективнее, так как потери во время переходных процессов не так высоки. Но устройству требуется повышенные параметры дросселя и конденсатора выхода, что приводит к лишним затратам.
Светодиодный драйвер
Чтобы обеспечить стабильное электропитание, нужна специальная электросхема в виде блока или драйвера питания. Он называется led driver.
За счет электронной схемы обеспечивается стабилизация напряжения и тока, которые подводятся к кристаллу.
Данная схема автоматически не поддерживает ток. Он увеличивается при росте напряжения. Когда его допустимое значение будет превышено, кристалл разрушится от перегревания.
Этот вариант подходит для led-источников света с небольшой мощностью, но для мощных светоизлучателей он не годится категорически. Не путайте светодиодный драйвер с люминесцентной лампой, их принципы работы сильно отличаются.
Как появились стабилизаторы линейного типа
Сначала нужно разобраться, в чем главный минус стандартных линейных преобразователей наподобие LM78XX. Основной элемент такого устройства — сильный двухполярный транзистор, который изначально был управляемым резистором.
Устройство включено в пару Дарлингтона. Основной ток задает операционный усилитель. Он увеличивает разницу между напряжением выхода и тем, которое задается ИОН, — источником опорного напряжения. Он подключается по стандартной схеме усилителя ошибки.
Схема подключения первых преобразователей
Итак, резистор включается с помощью преобразователя по последовательной схеме, при наличии нагрузки. Он контролирует сопротивление для гашения на нагрузке определенного количества Вольт. При подсчете можно установить, что, если напряжение снижается, например, с 12 до 5 В, происходит распределение входных 12 В на нагрузку и стабилизатор с отношением 7:5.
Происходит гашение “избыточных” 7 В и их превращение в тепло. Это приводит к проблемам с охлаждением, и на это тратится большое количество энергии ИП. Если питание поступает от розетки, в этом нет ничего опасного, но если от батареи или аккумулятора, данный фактор нужно учитывать.
Описанным способом вряд ли получилось бы изготовить преобразователь, увеличивающий напряжение. Лет 30 назад рассчитать такие схемы было крайне сложно. Простейшая схема этого типа — 2-тактный преобразователь с 5 до 15 В.
Такое устройство дает гальваническую развязку, но эффективность использования им трансформатора — крайне мала. Активно используется только 1⁄2 первичной обмотки.
Но это, скажем так, прототип. А теперь поговорим о современных устройствах.
Схема современного преобразователя
Микросхему удобно использовать как конвертерный step–down. сильный двухполярный ключ размещен внутри, нужно только дополнить регулятор еще несколькими компонентами — быстрым диодом, выходным и входным конденсаторами и т.д.
В вариации LM2596ADJ необходима схема обеспечения напряжения выхода: 2 резистора, либо 1 плазморезистор.
LM2596 изнутри выглядит примерно так:
ШИМ-сигнал управляется мощным ключом изнутри прибора. Точка А х% времени обладает полным напряжением, при (1–x)% — нулевое напряжение. Колебания сглаживаются LC-фильтром. Он выделяет неизменный компонент напряжения питания.
Зарядное usb-устройство на LM2596
Можно соорудить качественный переносной зарядник. Настройте регулятор на уровень напряжения 5В, добавить к нему USB-порт и обеспечьте питание зарядного устройства. например, мне встречался аккумулятор из литий-полимера, который обеспечивает 5 ампер-часов, когда напряжение составляет 11,1 В. Этого хватит для восьмикратной разрядки обычного смартфона без учета КПД. Если его учесть, выйдет около 6 раз, не менее.
Обязательно замкните два контакта — D+ и D- usb-гнезда для сообщения телефону о его подключении к зарядному устройству и неограниченности передаваемого тока. Если же это не сделать, в “мозгу” устройства сложится информация о его подключении к ПК и зарядке током около 500 мА, то есть очень слабым. Но таким током не компенсируется энергопотребление телефона, и зарядка аккумулятора невозможна.
Предусмотрите наличие отдельного входа 12 В от машинного аккумулятора с гнездом для прикуривателя и используйте переключатель для переключения источников. Установите светодиод, сигнализирующий о включении устройства. Иначе вы забудете о выключении батареи, когда она полностью зарядится, и из-за потерь в преобразователе она полностью сядет в течение нескольких дней.
Этот аккумулятор — не лучший вариант, он работает при высоком токе. Найдите батарею с более или менее сильным током, с меньшими размерами или массой.
lm2596 hw 411
Рассмотрим еще один понижающий модуль. Его эффективность составляет 80-92%. Он применяется в разных приборах, снижающих напряжение. Он может быть блоком питания, зарядкой, контрольным преобразователем сигналов. Применяется в автомобилях для зарядки оборудования.
Напряжение входа постоянного тока составляет 4-40 В, выхода — 1,5-35 В. Самое высокое значение тока — 3 А, если он больше 1 А, нужно воспользоваться дополнительным охлаждением.
Dc Dc преобразователь
Питание электроаппаратуры успешно обеспечивается с помощью dc dc преобразователей. Это устройство применяется в вычислительной технике, приборах связи, разных контролирующих системах, автоматике.
Это довольно простая идея: происходит преобразование постоянного напряжения в переменное, обычно, с частотой не в одну сотню килогерц. Оно увеличивается, а затем выпрямляется и поступает в нагрузку. Такое устройство — это импульсный преобразователь.
Главный плюс устройства — в его высоком КПД, от 60 до 90%. Также удобно то, что разброс входных напряжений довольно широк.
Возрастание тока выхода
Ток микросхемы довольно высок, но иногда требуется еще больше.
Запараллельте преобразователи, настроенные на одинаковое напряжение выхода. При таких обстоятельствах нельзя использовать простые резисторы smd в цепи, задающей напряжение, Feedback. Применяйте резисторы с точностью до 1% или задавайте напряжение самостоятельно с помощью переменного резистора.
Если вы не уверены, что разброс напряжения мал, параллельте преобразователи с помощью небольшого шунта с сопротивлением несколько десятков мОм. Тогда всю нагрузку возьмет на себя преобразователь с наибольшим напряжением, и не факт, что он выдержит.
Можно воспользоваться высоким уровнем охлаждения с помощью большого радиатора или многослойной печатной платы крупной площади. Это помогает повысить ток.
Есть еще вариант — вынесение мощного ключа за корпус микросхемы. Поэтому есть возможность использования полевого резистора с небольшим падением напряжения, повысить КПД и ток выхода.
Источник: