1. Про дела-заботы бытовые
Прошло уже несколько лет с тех пор, как я перестал покупать батарейки.
Как-то совсем незаметно в домашнем хозяйстве они стали не нужны.
Стационарные приборы дома работают от электросети.
Переносную аппаратуру с автономным питанием постепенно перевёл на питание от аккумуляторов.
Это удобно. Разрядились ‒ час-полтора на зарядке от любого USB-источника и устройство снова готово к работе.
Их даже из корпуса устройства зачастую вытаскивать не требуется, плата зарядного устройства стоит там же, внутри корпуса, из необходимых дополнений нужен только USB-шнур и свободный разъём USB. Или использую внешнее зарядное устройство, Liitokala Lii-500.
2. Про аккумуляторы, их зарядку и повышающие преобразователи
У аккумуляторов напряжение стандартное: для NiMh ‒ 1.2 вольт, для литий-ионных или литий-полимерных ‒ 3.7 вольт.
Различаются только оформление элементов, форм-факторы, габаритные размеры да ёмкость заряда.
Если используется один элемент питания для его зарядки вполне подходит стандартный модуль на микросхеме TP4056.
А если нужное нам устройство работает от иного значения напряжения?
Например от 5 вольт, 9 вольт или 12-ти?
В таком случае можно использовать несколько элементов, соединенных последовательно.
И для контроля напряжения и тока в процессе зарядки использовать соответствующие платы управления (BMS) и вместе с ними (или входящие в них) схемы-балансиры. Такое решение я когда-то использовал для управления резервным питанием моноблока.
Но есть и более простой способ. Для питания использовать всего один элемент аккумулятора напряжением 3.7 вольт и нужной зарядной ёмкости, а необходимое значение напряжения (5, 9, 12 вольт) получать, подключив его через плату повышающего преобразователя напряжения.
Есть даже несколько маломощных разновидностей подобных преобразователей:
- Для получения выходного напряжения в 5 вольт с заявленным (или пиковым?) током до 600 мА проще использовать модуль преобразователя напряжения для powerbank, с установленным USB-разъёмом или без него.
- Если нужен готовый модуль чуть большего размера, с выходным током до 2-x ампер, частотой переключения в 1.2 мГц и возможностью оперативной подстройки выходного напряжения ‒ лучше использовать преобразователь на микросхеме MT3608. Вот техническое описание данной микросхемы.
- В случае, когда ток потребления вашей конструкции не превышает 60-100 мА, необходимое напряжение питания выше 5 вольт, а использование модуля MT3608 не подходит из-за высокой частоты его работы (из-за возможного возникновения помех в радиочастотном диапазоне, проникающих по цепям питания) стоит обратить внимание на микросхему MC34063.
3. Про микросхему MC34063 и про ссылки на некоторые источники с описанием её работы
Микросхема эта далеко не новая, широко известна и успешно применяется ещё с 90-х годов. Есть даже полный отечественный аналог КР1156ЕУ5.
На её основе можно собирать как понижающие, так и повышающие импульсные преобразователи напряжения. А также инвертирующие.
В Интернете очень много информации по данной теме.
В частности, при подготовке данной статьи были изучены и использованы следующие материалы из всемирной паутины:
- Техническое описание микросхемы. MC3x063A 1.5-A Peak Boost/Buck/Inverting Switching Regulators
- Приложение по использованию микросхемы. Application of the MC34063 Switching Regulator
- Теория и применение микросхемы. Theory and Applications of the MC34063 and mA78S40 Switching Regulator Control Circuits
Возможно и вам информация из этих источников окажется полезной.
А обратить ваше внимание на схему такого повышающего преобразователя стоит ещё и потому, что уже несколько лет разработчиками из Поднебесной она выпускается в виде радиоконструктора. Это удобно ‒ комплектующие не нужно собирать по отдельности. Есть плата, есть отдельные детали, будет и возможность попрактиковаться в пайке. Да и спаять и настроить схему самостоятельно это всегда немного интереснее, чем покупать уже готовый модуль.
4. Про радиоконструктор
Приобрести такой конструктор можно (дороже, но с доставкой всего через несколько дней) например в TIXER.RU:
или (с более долгой доставкой, но значительно дешевле) на AliExpress:
Несколько лет назад я уже использовал подобный конструктор в домашних часах.
А теперь хочу рассмотреть его чуть внимательнее, чтобы понять насколько допустимо и приемлемо его использовать в разработке последующих конструкций.
Так что если есть несколько минут свободного времени и схожий интерес ‒ присоединяйтесь к чтению. Или непосредственно к процессу технического творчества.
5. Про комплект входящих в конструктор радиодеталей и печатную плату
Внутри пакета с радиоконструктором находится готовая печатная плата и следующий комплект радиодеталей.
- 5 резисторов
- 1 индуктивность
- 1 быстродействующий диод Шоттки
- 3 обычных конденсатора, один электролитический
- 1 светодиод для индикации работы
- сама микросхема MC34063 и панелька для неё
- 2 колодки для подключения входных и выходных проводов
В целях простоты и экономии изготовители радиоконструктора не снабжают его бумажной инструкцией с электрической принципиальной схемой.
Да это, в общем-то и не нужно, информация о номинальных значениях используемых радиодеталей нанесена прямо на печатную плату методом шелкографии.
Для пайки этого вполне достаточно.
Обратная сторона печатной платы выглядит не менее достойно. Контактные площадки уже залужённые, глубокий синий цвет защитной маски отливает лаком, смотрится красиво.
6. Про схему, нарисованную самостоятельно
Для большего удобства, прозвонив дорожки платы омметром, я нарисовал и схему электрическую принципиальную.
От типовой схемы, описанной в техническом руководстве на микросхему, она отличается только нумерацией отдельных радиодеталей и некоторыми иными значениями их величин. Да наличием индикаторной цепи на светодиоде, подключённой к выходу.
Указанные на схеме значения в скобках ‒ это параметры отдельных радиодеталей после донастройки преобразователя, об этом чуть ниже.
7. Про монтаж и пайку.
При монтаже резисторов для определения значений их номиналов удобно использовать транзистор-тестер или мультиметр в режиме измерения сопротивлений. Так меньше вероятность их спутать, чем при определении сопротивления по цветным колечкам.
На пайку комплектующих уйдёт полчаса-час. Ещё несколько минут у вас займёт настройка и установка параметров выходного напряжения.
Вид спаянной платы повышающего преобразователя напряжения.
Один из конденсаторов ёмкостью 100 нФ в процессе сборки преобразователя был утерян, заменил его на конденсатор аналогичной ёмкости из домашних запасов. У светодиода не стал укорачивать выводы, всё равно впоследствии он будет выноситься за пределы платы, куда-нибудь на лицевую панель устройства.
После завершения пайки старой зубной щёткой прочистил-промыл плату изопропиловым спиртом от остатков канифоли.
Вид на спаянную плату со стороны печатных проводников.
Сравнение размеров платы нашего преобразователя с модулем повышающего преобразователя напряжения MT3608.
8. Про измерение напряжений при первом включении
Ну вот дошло дело и до измерений.
Для замеров входных-выходных напряжений и токов вместо отдельных вольтметра и амперметра удобно использовать "проточный" USB-тестер.
Подключим заряженный аккумулятор к преобразователю и замерим сначала напряжение на его входе. Есть напряжение! Аккумулятор жив!
Светодиод горит, то есть и на выходе преобразователя есть напряжение.
Замерим и его.
Преобразователь работает. Повышает. Значит спаяли правильно.
9. Про расчёт и настройку выходного напряжения
Выходное напряжение определяется соотношением резисторов R3 и R4 и, согласно документации на микросхему, рассчитывается по формуле:
Uвых=(R3/R4+1)*1.25
или (10000/1200+1)*1.25 = 11.66 вольт
С учетом допусков сопротивлений резисторов наше измеренное напряжение почти не отличается от расчётного. Но мне нужно, чтобы на выходе было не 11.60 вольт, а 9.0 ‒ для использования вместо очередной "Кроны".
Для этого нужно пересчитать формулу и заменить один из резисторов.
Можно и два сразу, но один как-то проще.
Можно заменить R4, поставив вместо 1.2 кОм сопротивление в 1600 Ом.
А можно установить сопротивление 7.5 кОм вместо 10 кОм, заменив резистор R3. Что я и сделал.
Из-за возможного допуска выбрал наиболее подходящий по сопротивлению резистор из нескольких, замеряя их омметром.
Можно было поставить и многооборотный подстроечный, для точной установки выходного напряжения, как это сделано в модуле MT3608, но у меня под руками такого не нашлось. Как, впрочем, и места для него на плате.
Теперь, после замены резистора R3, на выходе преобразователя напряжение 9.04 вольт. Это нормально.
10. Про необходимость проверки работы преобразователя под нагрузкой
Но это значение напряжения холостого хода. А будет ли оно стабильным под нагрузкой?
Для ответа на этот вопрос нам понадобится сама электронная нагрузка.
На AliExpress можно встретить самые разнообразные конструкции подобных USB-нагрузок, например из мощных резисторов с переключателями или регулируемые, но для данного случая они слишком мощные, рассчитаны на большой ток.
Поэтому нагрузку соберём самостоятельно. Так даже интереснее.
И будет она у нас с настоящей градуированной шкалой!
11. Про сборку самодельной нагрузки. Кустарно и на коленке
Понадобится для этого один или пара мощных резисторов. У меня нашлись пятиваттные проволочные цементные по 7.5 Ом каждый.
Да ещё переменный резистор сопротивлением в несколько сотен Ом.
Тот, который использовал я, слишком маломощный. Всего 0.1 Ватт мощности.
Он сдвоенный, на 1 кОм. Я подключил оба его сопротивления параллельно, но этого всё равно было недостаточно, при прохождении тока свыше 100-150 мА резистор начинал ощутимо нагреваться, поэтому измерения пришлось проводить побыстрее.
Лучше использовать переменные резисторы мощностью в 1, 2 или 3 ватта, как например старые советские СП-1 или современные китайские WTH118. Подойдут и современные проволочные переменные, но они и стоят дороже.
Еще понадобится пара отрезков монтажного провода, отрезок медного обмоточного провода диаметром 0.8-1.0 мм для скобок, кусочек тонкого, но плотного и твёрдого картона да круглая пластиковая ручка для переменного резистора.
Картонку я взял от упаковок аккумуляторов, а в ручку переменного резистора впаял по диаметру стрелку-указатель из отрезка залуженного медного провода.
Собирал нагрузку вот по такой схеме.
По закону Ома при подаваемых на нагрузку 9-ти вольтах с выхода преобразователя, проходящий через неё расчётный ток составит от 17.5 мА до 600 мА при крайних положениях ручки переменного резистора.
На картонке установил 4 скобки залуженного провода, к ним подпаял постоянные мощные резисторы. Корпуса этих резисторов являются основанием конструкции. По центру установлен сдвоенный переменный резистор с включёнными параллельно (и по схеме реостата) выводами.
С обратной стороны ручка регулировки со стрелкой-указателем да круглая шкала на наложенном белом листе плотной бумаги, которую надо проградуировать.
12. Про градуировку нагрузки на глаз
Отметки градуировки лучше нанести с помощью транспортира, начиная от крайних положений ручки переменного резистора. Но я наносил их на глаз, последовательно разделяя отрезки измерительной шкалы пополам.
Большая точность здесь не нужна, достаточно просто получить 10-20 точек отсчёта.
После разбиения шкалы на отсчёты подключил нагрузку к мультиметру в режиме измерения сопротивлений и проставил на шкале измеренное значение сопротивления для каждого отсчёта.
Можно было просто пронумеровать отсчёты от 1 до 17, но с измерением сопротивления мне показалось увлекательнее.
В результате получилось так.
Добавлю, что конечно можно было сделать и распечатать всё красиво на компьютере, но это дополнительное время на второстепенную операцию.
Да так и больше похоже на "теплые ламповые 80-е", когда о свободном доступе к персональным компьютерам и принтерным распечаткам многие из нас могли лишь мечтать.
13. Про тестовый стенд, снятие показаний и вольт-амперную характеристику
А затем собираем тестовый стенд и снимаем ряд показаний, фиксируя ток потребления нагрузки и напряжение на выходе преобразователя.
Начиная от самого большого значения сопротивления нагрузки.
Результаты измерений сведём в таблицу...
...и построим в виде графика.
14. Про анализ полученных данных
Полученная выходная вольт-амперная характеристика особо не радует.
Выясняется, что собранный нами преобразователь поддерживает более-менее стабильное выходное напряжение при выходном токе примерно до 60 мА.
При более высоких значениях тока нагрузки он просто пытается соответствовать выполнению закона Ома, занижая напряжение на выходе.
Начиная приблизительно со 130 мА становится заметен постепенный нагрев микросхемы преобразователя.
После 200 мА микросхема уже ощутимо нагревается, напряжение на выходе преобразователя проседает c 9-ти до 3.5 вольт.
Дальше увеличивать ток потребления (например закоротив один из постоянных резисторов нагрузки) я не стал, особого смысла долговременной эксплуатации преобразователя в таком режиме скорее всего нет.
15. Про попытку номер два
А затем я снова полез в документацию к микросхеме. И вычитал, что за ограничение пикового потребляемого тока в схеме преобразователя отвечает резистор R2. Изначально в составе радиоконструктора он поставляется с сопротивлением 1 Ом.
Причём в техническом руководстве на микросхему в типовой схеме повышающего преобразователя значение данного резистора указано как 0.22 Ома.
Я попробовал заменить этот резистор, поставив вместо 1 Ома резистор в 0.33 Ома, собранного из трёх параллельно соединённых одноомных.
После чего снял вольт-амперную характеристику заново.
Получилась вот такая таблица.
И вот такой график.
16. Про очередной анализ по результатам второй попытки
На первый взгляд изменения незначительны, но при более внимательном рассмотрении видно, что участок резкого падения выходного напряжения при повышении тока нагрузки теперь начинается примерно от 94 мА (было 60 мА).
И это хорошо!
Также микросхема начинает нагреваться на один отсчет-градацию раньше.
Максимальный ток нагрузки при уже хорошо ощутимом нагреве микросхемы по прежнему около 200 мА.
17. Про пульсации на выходе преобразователя
По техническому описанию без использования выходного фильтра (которого в данном радиоконструкторе нет) уровень выходных пульсаций (при выходном напряжении 12 вольт и токе 175 мА) может достигать 400 мВ. Для их снижения я заменил выходной электролитический конденсатор. Вместо изначального, ёмкостью 47 мкФ установил конденсатор ёмкостью 1000 мкФ х 16V. Рабочее напряжение конденсатора должно быть в два раза выше выходного напряжения схемы. Но здесь возникает вопрос габаритов самого конденсатора. Также для замены желательно использовать конденсаторы с низким значением ESR.
Замеренные после этого пульсации на выходе. Осциллограмма снималась при токе в нагрузке около 60 мА и выходном напряжении чуть ниже 9-ти вольт.
Получилось около 100 милливольт, в среднем. И около 250 милливольт, если учитывать более редкие максимальные пиковые отклонения.
Позже я попытался рассмотреть пульсации на выходе преобразователя на другом, уже более серьезном аппарате ‒ осциллографе FNIRSI-1C15. Смотрел в режиме измерения переменного тока, устанавливая вручную значения по амплитуде и периоду для получения похожей картинки и замеряя показатель Pk-Pk.
Но, получив значение размаха пульсаций в 48 милливольт, понял, что это слишком хорошо, чтобы быть правдой и что, я , вероятно, делаю, что-то не так. На радостях даже фотографировать не стал.
18. Про частоту преобразования
К сожалению не удалось измерить реальную частоту, на которой работает преобразователь. На осциллограммах у обоих осциллографов значения измеренной частоты сигнала хаотично менялись.
В техническом описании указано, что микросхема работает на частоте до 100 кГц.
Сама частота преобразования задаётся конденсатором С3.
19. И, наконец, про выводы
По результатам пробного рассмотрения можно сделать следующие (пока предварительные) выводы:
- Повышающий преобразователь напряжения на микросхеме MC34063 может быть пригоден для перевода на литий-ионные аккумуляторы систем электропитания маломощных устройств.
- Этому способствует как широкая доступность самой микросхемы, так и всего радиоконструктора (в данное время), а также простота его сборки и окончательной настройки.
- При токах потребления до 60 мА данный радиоконструктор может использоваться "как есть", с комплектующими из пакета поставки.
- При токах потребления от 60 до 100 мА возможно потребуется подобрать отдельные номиналы радиодеталей, в частности токоограничительного резистора R2 и индуктивности L1.
- При токах потребления от 100 до 200 мА придётся учитывать работоспособность конструкции при пониженном напряжения питания на выходе преобразователя. Или, быть может изначально задавать с помощью делителя (R3-R4) требуемое напряжение питания при уже подключённой нагрузке.
- При токе потребления свыше 200 мА микросхема преобразователя греется, хоть и не слишком сильно, но долговременное её использование в таком режиме остаётся под вопросом. В таком случае наверное лучше использовать другую схему бустера, например модуль MT3608.
- Для снижения пульсаций выходного напряжения лучше заменить выходной электролитический конденсатор на более ёмкий, желательно Low ESR. При нежелательности помех работающем устройству по цепям питания добавить выходной фильтр, состоящий из дополнительной индуктивности и ещё одного электролитического конденсатора в соответствии с техническим описанием микросхемы.
В общем, с учётом вышеперечисленного, похоже вполне подходящая для замены "Кроны" схема.
Простая, пока доступная и относительно не дорогая.
Посмотрим, как она себя поведёт в реальных конструкциях.
Но об этом, наверное, напишу уже потом, дополнительно.
28 октября 2020 года.
С уважением, Ваш @mp42b.
<-- Предыдущая статья | Содержание 2019-2020 | Следующая статья -->
#простые вещи #mp42b #электропитание_mp42b
