Преобразователь питания на MC34063
Автор — Поляников Игорь (OldPol)
Предлагаю вашему вниманию простой, но довольно мощный понижающий ИП.
Целью разработки было создать ИП для питания компьютера в автомобиле. Малогабаритный и с хорошими характеристиками. Простой в изготовлении, используя подручные средства, т.е. элементы от старых РС БП или мамок, от ненужной телефонной зарядки и т.д., и т.п. и возможностью вырезать плату за 20 минут бормашиной, В результате родилась такая схема.
Управляющей микросхемой выбрана МС34063, за дешевизну доступность, удобный тип корпуса и главное наличие некоторого количества их у меня. Но можно было при должном подходе умощнить таким образом, любую микросхему с аналогичными функциями. Работу схемы рассказывать нет смысла, думаю, она очевидна, Остановлюсь только на важных, на мой взгляд, моментах.
Микросхему выпускают множество производителей, в моем распоряжении было три типа, выяснилось, что образец под гордым названием КА34063 склонен возбуждаться, визуально это выражалось в свисте дросселя, хотя свои параметры с незначительным ухудшением конструкция при этом сохраняла. Эффект был устранен установкой по питанию микросхемы дроссель. Это решение не принципиально, можно было обойтись и резистором или еще лучше кренкой вольт на 6-7-8-9.
Цепочка R3-VD1-R4 в базе КТ315, это попытка сэкономить несколько миллиампер, не открывая выходной транзистор микросхемы, используем только предвыходной. Для правильного понимания ситуации смотрите описание на микросхему.
Резистор R5 компромиссный вариант между хорошим фронтом на затворе полевого транзистора и потребляемым током в этой цепи, оптимально 1К. Резистор несколько греется, необходимая мощность 0,5Вт.
Для получения наилучшего КПД, необходимо максимально открыть полевой транзистор, для этого, в этом его включении, требуется подать на затвор импульс амплитудой выше, чем Uпит вольт на 10. Необходимое для этого напряжение снимается с дросселя дополнительной обмоткой. Такой вариант показал несколько лучшие результаты, чем традиционный способ, через емкость с истока полевого транзистора.
Отдельно остановлюсь на том, что с этой схемы, в дополнение к основному Uвых можно получить любые необходимые стабилизированные напряжения любой полярности. Идея заключается в том, что в дросселе DR3 присутствует импульс со стабилизированным действующим значением равным Uвых. Используя это, снимаем необходимые нам напряжения с дросселя вторичными обмотками. Направление намотки важно. Количество витков дополнительной обмотки рассчитывается довольно просто. Например, Uвых 5в, а намотано в основной обмотке, например 10 витков, следовательно, что бы получить 10в, на дополнительной обмотке нужно намотать 20витков.
Преобразователь предназначался, как я ранее говорил для питания компьютера в автомобиле. В одном из зксперементальных вариантов я с него получали 5В и дополнительно 12В 800ма для питания монитора по способу как на схеме >Uвых. Идея себя отлично оправдала. при Uвх от 6 до 29 вольт выходные напряжения оставались неизменными. Но решено было отказаться от такого питания монитора из соображений лишнего тепловыделения преобразователем. Стоит оговориться, что без нагрузки на Uвых идея не работает, в силу того, что микросхема выдает очень короткий импульс, годный только для зарядки выходного электролита до Uвых. Но при нагрузке уже в 0,1А все встает на свои места.
Фильтр по питанию в данный преобразователь сознательно не ставился. Для питания магнитолы монитора и компьютера у меня стоят дополнительный маленький аккумулятор выполняющий роль UPS и развязка с фильтрами на каждое из устройств, ставить еще один фильтр не было смысла.
Параметры схемы:
КПД 89%.
Uвх 6-40В (40в теоретически, реально пробовал до 29В, но не вижу причин схеме не работать и при напряжении до Vcc max микросхемы)
Uвых выбираем исходя из ваших потребностей. Задается делителем на резисторах R1 R2, они должны при вашем Uвых обеспечить на 5й ножке микросхемы 1.25В. И соответственно необходимо подобать число витков на дополнительной обмотке дросселя. Выходной ток, определятся только элементами VT2 VD3 DR3, и подходящим радиатором, для диода и транзистора. Конструкция рассчитывалась на ток нагрузки до 10А., но при экспериментах, в данном варианте преобразователь нагружался и до 20А, прекрасно выдерживал этот ток десятки минут. Правда, с падением КПД на пару процентов. Для долговременной работы с такой нагрузкой как минимум необходимо увеличить размер радиатора для силовых элементов.
Потребляемый ток без нагрузки менее 25мА
Конструкция:
Плата в зеркальном виде под ЛУТ. размер 34Х84 мм.
Сразу после первого вояжа на машине с семьёй на море возникла идея сделать в автомобиле стационарную разводу розеток под USB для зарядки мобильных устройств. Кстати сейчас новые автомобили стали уже комплектовать с инверторами на 220В и соответственно розетками на 5В. Я таких машин ещё не встречал.
Да, в продаже если и есть адаптеры на для мобильных ПК то они предназначены для зарядки одного, максимум двух устройств при условии, что второе устройство не такое уж мощное. У меня в машине и так постоянно подключены 3 адаптера, но спрятаны они под колодкой предохранителей. А пассажиры пользуются адаптером, который втыкается в разъём в пепельнице, что мне не очень удобно, так как его постоянно задеваю при переключении передач. После дня пути обычно у пассажиров разрежаются все устройства и начинается возня с зарядками мобильников. Приходится даже свой навигатор отключать, чтобы зарядить чьё нибудь устройство. Можно было сделать, как делают многие, покупают колодку на несколько адаптеров и сопли проводов тянутся по всему салону. И так требуется устройство выдающие положенные 5 вольт и мощностью 10А. Много? Прикинем: 4 телефона, потребляют около 1А каждый, планшет порядка 2А, навигатор больше 0,5А видеорегистратор тоже 0,5А и радар-детектор около 0,5А. И того 7, 5 А. В процессе было собранно 3 преобразователя, но не один не мог выдерживать и 3А продолжительное время. Один так вообще загорелся.
Нормально заработала только эта схема, взятая с сайта РадиоКот www.radiokot.ru/circuit/power/converter/11/ автор которой Поляников Игорь (OldPol).
Так же на этой странице подробное описание процесса изготовления DC/DC преобразователя. Я не стал слепо копировать, перечертил схему устройства в DipTrace и сам развёл плату.
Схема преобразователя DC/DC на MC34063
Да, моя плата далека от идеала, умение разводить плату сравнимо с талантом. Полевик с диодом расположил так, чтобы можно было прицепить практически любой радиатор, сделав плату чуть длиннее, а крепёж уже по месту. Специально подгонять плату под корпус не стал в виду отсутствия такового. Нет принципиальной важности, использовать именно те детали, что использовал Игорь. У меня почти всё нашлось в первом раскуроченном блоке питания от компьютера. Не поспешил бы я выбросить сам корпус от БП можно было схему уместить в нём.
Для изготовления устройства понадобилось:
1. Конденсатор керамический С1 470 пФ (1шт)
2. Конденсатор электролитический С3,С5,С6 1000 мкФ, 16В (3шт)
3. Конденсатор электролитический С2 100 мкФ, 16В (1шт)
4. Конденсатор электролитический С4 470 мкФ, 25В лучше 50В(1шт)
5. Индуктивности DR1, DR2 типа гантелька (2шт)
6. Трансформатор импульсный DR3 кольцевой (1шт)
7. Индуктивность типа пенёк DR4 (1шт)
8. Винтовой клемник J1 (1шт)
9. Резистор R1 1,2 кОм (1шт)
10. Резистор R2 3,6 кОм (1шт)
11. Резистор R3 5,6 кОм (1шт)
12. Резистор R4 2,2 кОм (1шт)
13. Резистор R5 2,2 кОм или 1 кОм на 1ват (1шт)
14. Микроконтроллер U1 MC34063
15. Диод VD1, VD3 FR155 (2шт)
16. Диод VD2 SBL25L25CT (1шт)
17. Транзистор биполярный VT1 2SC1846 (1шт)
18. Полевой транзистор IRL3302 (1шт)
19. Панелька DIP8 (1шт)
20. Корпус по произвольным размерам
Основные компоненты: это сама микросхема U1, импульсный трансформатор DR3, мощный N канальный полевик VT2(может быть любым используемый в цепях питания) и диодная сборка VD2. Трансформатор VD3 изготовил из такого же трансформатора с того самого БП. Кольцо из пресспермалоя, желтого цвета. 27мм. Первичную обмотку набил проводом 2мм 22 витка, вторичную обмотку намотал проводом тоньше, 0,55мм 44 витка.
Индуктивности DR1 DR2 типа гантелька взял как есть из БП. Индуктивность типа пенёк DR4 тоже самое. Транзистор и диод разместил на радиаторе от того же БП.
Всё собрал на печатной плате собственной разработки. В ходе лабораторных испытаний пришлось внести изменения в предложенную автором схему. Дело в том что сам автор указывает на то что резистор R5 греется, даже замена на более мощный резистор проблему не решает. В течении часа резистор этот у меня почернел и обуглился. Решил попробовать увеличить сопротивление до 2,2кОм и всё греться он перестал. Транзистор VT1, перестраховался, заменил на более мощный. Трансформатор DR3 тоже сначала не много грелся, перемотал, добавил количество витков в первичную и во вторичную обмотки, стало 30 и 60. Не знаю что там с фронтами открытия полевого транзистора но схема работает нормально, при нагрузке в 2А устройство остаётся холодным. Радиаторы на транзистор и диод можно большие не ставить. Поставил на выходе +5В ферритовое кольцо, для уменьшения помех.
Вот мой первый, рабочий, испытательный прототип.
Испытание на сопротивление 1Ом сопротивление быстро нагрелось сила тока на фото.
И последние, кипятильник на 5В в работе. Смотрите силу тока на фото. Да вот тут уже начали греться транзистор с диодом.
Испытывал свой преобразователь на 5А работал почти весь день так немного тёплый. Потом нашёл старый блок питания от монитора которого уже нет. Плату пустил в разбор, в корпус уместил свою схему. Транзистор и диод расположил на кулере от старого ноутбука. В противоположной стороне коробки просверлил ряд отверстий. Очень даже получилось ничего. Воздух будет прокачиваться через всю схему.
Готовое устройство на установку в автомобиль.
Розетки двойные под USB планирую врезать в одну в переднюю панель вместо кнопки-зглушки и вторую к задним пассажирам в подлокотник передних сидений. Также думаю одинарную розетку в панель передней левой стойки и подвести питание к видеорегистратору который находится у зеркала. По данной схеме можно собрать вообще универсальный блок питания, то есть добавить каскад преобразования из 12В в 19В для питания ноутбука, что планирую в будущем.
Эта схема является универсальным преобразователем напряжения, который идеально подходит например для изготовления часов на лампах Nixie. Преобразователь работает на базе популярной и недорогой м/с MC34063 и для работы требует лишь несколько внешних компонентов. В схеме применен усиливающий ключ — высоковольтный полевой транзистор MOSFET STP6NK60Z. Устройство предназначено для входного питания напряжением 12 В. Выходное напряжения порядка 150 В с максимальным током нагрузки 3 мА.
Схема проекта
Основой преобразователя является многим уже хорошо известная микросхема MC34063, которая представляет собой чип-контроллер, содержащий основные компоненты, необходимые для изготовления преобразователей DC-DC. Система компенсируется термически, имеет источник опорного напряжения, компаратор и генератор с регулировкой.
Конденсатор C3 (1nF) определяет частоту внутреннего генератора. При такой емкости частота колебаний будет порядка 40 кГц. Конденсатор C1 (470uF/25V) фильтрует напряжение питания, а C2 (1nF) фильтрует напряжение, отвечающее требованиям внутреннего компаратора с делителя R1 (10k) к R3 (1М) + PR1 (1М). На ножке 5 микросхемы U1 при стабильной работе держится напряжение 1.25 В. И теперь считаем теоретический диапазон выходных напряжений: 125 В (потенциометр к 0) до 250 В (потенциометр на максимальное значение).
Резистор R2 (2,2 Ома) небольшого сопротивления работает как датчик тока, ограничивая амплитуду тока на входе, а, следовательно, энергоэффективность системы. Преобразователь работает в двух циклах:
- В первом, когда транзистор T2 (STP6NK60Z) замкнут, энергия накапливается в дросселе L1 (470uH).
- Во втором цикле ключ будет отключен и высокое индуцированное напряжение в катушке, заряжает конденсатор C4 (MKPX2 100nF/275VAC) через диод D2 (UF4007). Светодиод препятствует разрядке конденсатора.
Печатная плата не имеет перемычек, а ее монтаж очень простой. Порядок пайки элементов, в принципе, любой, однако стоит начать с самых маленьких. Следует обратить особое внимание на качество сборки, особенно это касается делителя обратной связи. Без него выходное напряжение может вырасти до больших значений, повредив конденсатор и даже ключевой транзистор. Выходную мощность преобразователя можно увеличить, применив резистор R2 меньшего значения. При величине этого резистора на уровне 1 Ом, сила выходного тока вырастет примерно до 8 мА.