Предисловие
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 $5 в полном комплекте (с учётом доставки); или $2.5 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
Технические характеристики, внешний вид и конструкция 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 короткого замыкания на выходе, от перегрева, от превышения допустимого тока (не проверялись).
Размеры: 52*25*23 мм
Конструктивно DC-DC преобразователь выполнен в виде двух плат, расположенных одна над другой в бескорпусном исполнении:
Верхняя плата отвечает за индикацию, а нижняя является собственно преобразователем.
Назначение двух белых разъёмов на верхней плате неизвестно (нигде не описано).
На нижней плате расположены два многооборотных подстроечных резистора:
Резистор справа отвечает за регулировку напряжения, а резистор слева - за регулировку ограничения тока.
Платы легко отделяются друг от друга; причём нижняя плата (преобразователя) вполне работоспособна без верхней; разве что настраивать её параметры (напряжение выхода и ток ограничения) 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. Так что у них двойное назначение: и как конструктивный элемент, и как проводники.
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 со схемой включения); применён вариант микросхемы XL4015E1 - с возможностью регулировки выходного напряжения.
Интересно, что ранее этот же преобразователь выпускался на основе чипа XL4005. Принципиальных отличий между ними нет, но XL4015 допускает на 3 В более высокое входное напряжение; но и минимальное выходное напряжение у неё тоже чуть выше (1.25 В против 0.8 В у XL4005). Кроме того, у них различаются частоты встроенных генераторов ШИМ: 300 кГц у XL4005 и 180 кГц у XL4015.
Выпрямительный диод на плате преобразователя - 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 (управляемый стабилитрон) 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 испытаниям.
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 лабораторного блока питания с максимальным напряжением выхода 32 В и током до 10 А.
Диапазон регулировки выходного напряжения тестируемого DC-DC 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 (измерительная плата снята):
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 преобразователя, 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 укладывалась 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 готово!
Ток ограничения остается практически постоянным независимо от вида нагрузки - резистивная, просто короткое замыкание, или какое-либо реальное устройство.
Под конец этой главы - немного дополнительных тестов.
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 - для этого практически нет пространства.
Так что самый верный способ улучшить теплоотвод - сделать для устройства хорошие воздушные зазоры со всех сторон; можно ещё одновременно с этим положить устройство набок, что улучшит условия естественной конвекции (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).
Также в минусы запишем сложность упаковки устройства в какой-либо корпус: может ухудшиться доступ к резисторам настройки напряжения и тока.
А в "плюсы" записываем хорошие характеристики при работе в пределах безопасных параметров 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
Весь раздел "Сделай сам! (DIY)" сайта Smartpuls.ru - здесь.
