Kurs elektroniki II – #10 – przetwornice impulsowe

Kurs elektroniki II – #10 – przetwornice impulsowe

Nadszedł czas, aby na łamach kursu elektroniki rozszerzyć temat zasilania układów.

Teraz zajmiemy się przetwornicami impulsowymi, które są alternatywą dla używanych przez nas wcześniej stabilizatorów liniowych. Przekonasz się, że ich możliwości są zdecydowanie większe!

Stabilizatory linowe - szybka powtórka

Stabilizatory liniowe utrzymują stałe napięcie wyjściowe dzięki elementowi (np.: tranzystorowi), na którym odkłada się nadmiar napięcia. Układ regulacyjny stale nadzoruje napięcie wyjściowe i koryguje spadek napięcia na tym elemencie. Wiąże się to z pewnymi zaletami:

  • brak zakłóceń wprowadzanych przez stabilizator do zasilania,
  • niska cena i prostota działania.

Niestety, ma to również znaczące wady:

  • nadwyżka napięcia jest zamieniana na ciepło,
  • nie ma możliwości podnoszenia napięcia.
Przykładowy stabilizator 7805

Przykładowy stabilizator 7805

Rozwiązaniem alternatywnym jest zastosowanie przetwornicy impulsowej. Jak sama nazwa sugeruje, wykorzystuje ona pracę impulsową. Nie będziemy tutaj szczegółowo omawiać różnych typów przetwornic, skupimy się na parametrach oraz wykorzystywaniu gotowych modułów.

Przetwornica impulsowa - zasada działania

Zacznijmy od prostego zjawiska fizycznego, które jest podstawą działania wielu przetwornic impulsowych: samoindukcji. Wyobraź sobie cewkę, przez którą płynie prąd, np. z baterii.

Gdy przerwiemy ten obwód, to prąd nagle przestanie płynąć. Jednak w polu magnetycznym, wyindukowanym wokół cewki, zgromadzona jest pewna energia, która musi znaleźć ujście.

Zanikające pole magnetyczne powoduje powstawanie napięcia na zaciskach cewki. To napięcie "próbuje podtrzymać" przepływ prądu przez cewkę. Oczywiście, energia pola magnetycznego zanika i po chwili zanika również to napięcie, zwane napięciem samoindukcji.

Przykład ten pokazany został na poniższej animacji:

Animacja ilustrująca powyższe zjawisko.

Animacja ilustrująca powyższe zjawisko.

Samoindukcja ma również swoje niepożądane oblicze, które pojawia się np. podczas wyłączania przekaźnika zasilanego tranzystorem. Indukujące się wtedy napięcie może mieć wartość tak dużą, że uszkodzi ono tranzystor.

Przetwornica podwyższająca/obniżająca napięcie

Przetwornica impulsowa, to układ elektroniczny zawierający cewkę, którą się cyklicznie dołącza i odłącza od źródła zasilania. Jeżeli indukowane w niej napięcie dodaje się do napięcia wejściowego, to uzyskamy układ podwyższający napięcie.

Jeżeli zaś tak włączymy cewkę, aby indukowane w niej napięcie się odejmowało od zasilającego, wówczas będzie to układ obniżający napięcie.


Z takim układem jest jednak spory problem: cewka wymaga cyklicznego ładowania prądem. W tym czasie nie może zasilać odbiornika dołączonego do wyjścia. Dlatego potrzebny jest kondensator, który będzie filtrował te tętnienia i utrzymywał stałe napięcie wyjściowe.

Zestaw elementów do kursu

Gwarancja pomocy na forum Błyskawiczna wysyłka

Elementy konieczne do wykonania ćwiczeń zebrane zostały w gotowe zestawy, które można nabyć w Botlandzie. W wygodnym kuferku znajdziecie ponad 160 części elektronicznych!

Kup w Botland.com.pl

Zastosowanie przetwornic

Przetwornice służą do konwersji napięcia stałego. Czynią to z dużą sprawnością, czyli straty mocy są niewielkie. Dzięki temu, idealnie nadają się do układów zasilanych z baterii.

Zakładając, że elektronika pobiera 200mA, daje to moc 5V · 200mA = 1W. Gdyby do obniżenia napięcia użyć stabilizatora 7805, pobrana z akumulatora moc wyniosłaby 12V · 200mA = 2,4W. Moc, której nie pobierze odbiornik, czyli 1,4W, zostanie zamieniona na ciepło, a stabilizator będzie bardzo gorący.

W przypadku użycia przetwornicy, sytuacja wygląda znacznie lepiej. Dla przykładowego modułu o sprawności 90%, moc pobrana z akumulatora to 1,11W, czyli straty wyniosą zaledwie 0,11W.

Przetwornice są również nieodzowne, jeżeli zachodzi konieczność podniesienia napięcia. Przykładowo, gdy w urządzeniu znajduje się akumulator litowo-jonowy o napięciu 3,6V oraz wyświetlacz LCD, który jest przystosowany do zasilania napięciem 5V.

Istnieją również układy, które potrafią automatycznie się przełączać (między konfiguracją obniżającą, a podwyższającą), aby uzyskać zadane napięcie wyjściowe. Nadają się idealnie do pracy w układach, gdzie napięcie zasilania (np. 3,6V) niewiele różni się od żądanego (np. 3,3V).

 

Moduł Pololu S7V7F5 - przetwornica step-up/step-down

W komplecie części do kursu elektroniki znajduje się niewielka płytka z trzema wyprowadzeniami. Jest to bardzo mały układ scalony z kilkoma niezbędnymi elementami dyskretnymi (kondensatory, cewka). Całość stanowi kompletną przetwornicę impulsową.

Przetwornica S7V7F5. Źródło zdjęcia: POLOLU (strona producenta).

Przetwornica S7V7F5. Źródło zdjęcia: POLOLU (strona producenta).

Najważniejsze z parametrów:

  • napięcie wejściowe: 2,7V - 11,8V,
  • napięcie wyjściowe: 5V nieregulowane, maksimum 5,2V,
  • sprawność: opisana wykresem (omówiony niżej),
  • maksymalny prąd wyjściowy: 1A przy pracy obniżającej, 0,5A przy pracy podwyższającej - wartości te są zalecane przed producenta całego modułu.,
  • zabezpieczenie przed przegrzaniem.

Płytka posiada miejsce na wlutowanie złącza 3 pinowego:

Wyprowadzenia S7V7F5.

Wyprowadzenia S7V7F5.

Ich zastosowanie jest następujące:

  • VIN - wejście dla szyny dodatniego napięcia ze źródła zasilania,
  • GND - masa układu,
  • VOUT - wyjście dla szyny dodatniej - 5V.

Jak wynika z wcześniej przedstawionych parametrów, jest to przetwornica, która potrafi zarówno obniżać, jak i podnosić napięcie. Dzięki temu niezależnie od napięcia wejściowego, na wyjściu otrzymamy dokładnie 5V.

Wykresy sprawności przetwornicy

Pora wrócić do wcześniej wspomnianych wykresów, z których możemy odczytać najwięcej na temat charakterystyki tej przetwornicy. Pierwszy wykres przedstawia sprawność przetwornicy, w zależności od napięcia zasilającego. Jak widać w konfiguracji obniżającej sprawność ta jest znacznie wyższa.

Pololu_S7V7F5

Co w praktyce daje nam powyższy wykres? Powinniśmy rozumieć go tak, że im wyższe będzie napięcie wejściowe, tym więcej prądu możemy pobrać z przetwornicy. Natomiast, jeśli nasz układ będzie pobierał stosunkowo mało prądu, to nie musimy się aż tak bardzo przejmować napięciem wejściowym dostarczanym do przetwornicy.

Maksymalny prąd wyjściowy również nie jest określony jedną liczbą. Swoje maksimum osiąga dla napięcia wejściowego ok. 6V i spada dla innych napięć. Informację tę możemy również odczytać z drugiego wykresu:

Pololu_S7V7F5_2

Przetwornica - doświadczenie praktyczne

Przetestujmy, jak zachowuje się moduł przetwornicy w sytuacji, gdy napięcie wejściowe jest inne niż 6V, którego dostarcza komplet czterech baterii. Elementy potrzebne do wykonania tego zadania:

  • płytka stykowa,
  • przewody połączeniowe,
  • koszyk na baterie 4xAA (+ baterie),
  • moduł przetwornicy S7V7F5,
  • dwa rezystory 330Ω,
  • dwie diody świecące,
  • cztery diody 1N4148,
  • cztery przełączniki,
  • multimetr.

Schemat połączeń:

Schemat układu do testowania przetwornicy

Schemat układu do testowania przetwornicy.

Zestaw układ na płytce stykowej, na przykład tak, jak na zdjęciu. Pamiętaj, aby przestawić multimetr w tryb pomiaru napięcia stałego. Zwróć też szczególną uwagę na odpowiednie podłączenie modułu przetwornicy!

Działanie układu bez wciskania przycisków.

Działanie układu bez wciskania przycisków.

Jeśli układ został złożony poprawnie, to na wyjściu powinniśmy otrzymać 5V. Diody świecącej mają za zadanie jedynie obciążyć wyjście przetwornicy prądem ok. 20mA. Natomiast wciśnięcie przycisków powoduje zwarcie każdej diody krzemowej i podniesienie napięcia wejściowego dla przetwornicy o ok. 0,7V. Miernik pozwala na sprawdzenia napięcia wyjściowego podczas zmian napięcia wejściowego.

przetwornica_1_2

Działanie układu z jednym wciśniętym przyciskiem.

Sprawdź, czy i jak zmiana wejścia wpływa na napięcie wyjściowe - swoimi spostrzeżeniami podziel się w komentarzach do artykułu!

Parametry przetwornic impulsowych

Teraz, gdy sprawdziliśmy zachowanie układu w praktyce warto poznać najważniejsze parametry tych niezwykle przydatnych modułów. Przetwornicę impulsową, jak każdy układ zasilający, można opisać kilkoma podstawowymi właściwościami. Oto, moim zdaniem, najważniejsze z nich:

Napięcie wyjściowe - może być stałe (nieregulowane) bądź ustawiane w pewnym przedziale. Jeżeli jest stałe, producent powinien podać z jakim błędem jest ono ustalone, np. 5V +/- 0,2V. Podczas naszego eksperymentu użyliśmy przetwornicy właśnie, ze stałym napięciem wyjściowym.

Maksymalny prąd wyjściowy - prąd, jaki można w sposób ciągły pobierać z wyjścia przetwornicy. Będzie on zależny od napięcia wejściowego, wartość dla konkretnej sytuacji odczytamy z wykresu.

Napięcie wejściowe - w zależności od typu przetwornicy, musi być:

  • niższe od wyjściowego, jeżeli układ jest typu step-up (boost),
  • wyższe od wyjściowego, jeżeli układ jest typu step-down (buck).
  • wyższe bądź niższe, ale mieszczące się w przedziale (step-up/down lub SEPIC).

W przypadku dwóch pierwszych konfiguracji, producent musi określić również minimalne napięcie, jakie musi się odłożyć między wejściem i wyjściem przetwornicy. Jak było widać na wykresach, użyta przez nas przetwornica jest typu step-up/step-down, ponieważ radzi sobie zarówno z niższym, jak i wyższym napięciem.

Trzecia konfiguracja ma podany przedział, w jakim musi mieścić się napięcie wejściowe. Decyzję o podniesieniu lub obniżeniu podejmie samodzielnie.

Sprawność - należy ją rozumieć jako stosunek mocy wyjściowej do wejściowej. Różnica między tymi mocami to straty, które wydzielą się w postaci ciepła. Wyrażana jest w procentach.

Ponadto, sprawność zależy od warunków pracy. Dlatego należy uważnie studiować noty katalogowe producentów w poszukiwaniu wykresów. Może się okazać, że bardzo droga przetwornica ma parametry gorsze od znacznie tańszej, zoptymalizowanej pod kątem pracy przy innym napięciu zasilania.

W przypadku stabilizatorów liniowych, sprawność zależy od różnicy między napięciem wejściowym i wyjściowym. Im ta różnica jest większa, tym większą moc musimy wytracić w układzie. Dla stabilizatora liniowego, rozważanego w poprzednim akapicie, sprawność wyniosła zaledwie 42%.

Prosta, zapasowa ładowarka USB

Moduł przetwornicy impulsowej, dostarczający stabilizowanego napięcia wyjściowego 5V, jest idealny do zbudowania prostej ładowarki USB. Do zasilenia posłuży nam koszyk baterii. Za pomocą gniazda USB można ładować dowolne urządzenie do tego przystosowane, np. telefon.

Tym razem potrzebujemy:

  • płytki stykowej i przewodów połączeniowych,
  • koszyka dla baterii 4xAA (z bateriami),
  • modułu przetwornicy S7V7F5,
  • gniazda USB do płytek stykowych,
  • dwóch kondensatorów 100nF,
  • dwóch kondensatorów 220μF,
  • rezystora 1kΩ,
  • diody świecącej,
  • ładowanego urządzenia wraz z odpowiednim przewodem (brak w zestawie).

Łączymy je bardzo prosto:

Schemat ładowarki USB

Schemat ładowarki USB.

Montując układ na płytce stykowej zadbaj o to, aby C1 i C2 były możliwie blisko przetwornicy, a C3 i C4 blisko złącza USB. Włączenie zasilania układu będzie sygnalizowała dioda LED.

Złożona ładowarka może wyglądać następująco:

Ładowanie może trwać długo, ponieważ urządzenie wykryje jedynie napięcie na liniach zasilających, bez dodatkowych sygnałów. W tym trybie pracy, pobór prądu z ładowarki nie będzie przekraczał 100mA. Ładowarki sieciowe wykonują dodatkowe zabiegi z liniami danych, np. łączą je ze sobą przez rezystor o niewielkiej wartości. Jest to znak dla kontrolera ładowania, że może ładować nominalnym prądem.

Współczesne urządzenia, w trybie szybkiego ładowania, potrafią pobierać nawet 1,5A - jest to prąd przekraczający możliwości naszej przetwornicy.

Dla ciekawskich: zakłócenia od przetwornic

Jak wcześniej wspomniałem, przetwornice impulsowe wprowadzają zakłócenia do napięcia wyjściowego. Dokonam tutaj porównania dwóch układów: stabilizatora liniowego 7805 oraz opisanej wyżej przetwornicy. Obydwa będą pracowały w identycznych warunkach.

Układ testowy

Układ testowy.

Przez rezystor 330Ω będzie płynął niewielki prąd, rzędu 15mA. To wystarczy, aby zasymulować obciążenie. Kondensatory ceramiczne zostały dodane dla zapewnienia poprawnej pracy układu 7805. Zasilanie bateryjne izoluje od zakłóceń sieciowych, które mogłyby mieć znaczący wpływ na wynik obserwacji.

Oglądanie przebiegu czasowego napięcia wyjściowego odbywało się przy odcięciu napięcia stałego, wynoszącego około 5V. W ten sposób, doskonale widoczne są zakłócenia o amplitudzie kilkudziesięciu miliwoltów.

Najpierw przebieg czasowy składowej zmiennej na wyjściu. W przypadku przetwornicy, mamy do czynienia z sygnałem piłokształtnym o wartości międzyszczytowej ok. 40mV i częstotliwości 25kHz. Jest to niewątpliwie częstotliwość przełączania cewki przez układ sterujący. Na wyjściu 7805 obserwujemy jedynie szum, generowany po części przez sam oscyloskop.

Znacznie ciekawsze od przebiegu czasowego jest widmo sygnału, czyli jego rozkład na poszczególne częstotliwości. Przetwornica generuje sporo zakłóceń o częstotliwości będącej wielokrotnością częstotliwości kluczowania, czyli 25kHz.

W przypadku stabilizatora liniowego, mamy do czynienia z szumem i losowymi zakłóceniami, pochodzącymi od okolicznych urządzeń elektronicznych. Brak tutaj dominującej częstotliwości.

Podsumowanie

W tej części kursu elektroniki dowiedziałeś się, w jaki sposób działają przetwornice impulsowe oraz czym się charakteryzują. Zobaczyłeś, że z ich zasady działania wynika emitowanie zakłóceń. Dlatego nie należy unikać ich stosowania, lecz należy czynić to z rozwagą.

Stosowanie przetwornic impulsowych jest wskazane przede wszystkim tam, gdzie mamy do czynienia z układem pobierającym spory prąd, zasilanym z baterii lub akumulatorów. Zwłaszcza wtedy, gdy różnica napięć jest duża (jak w omawianym przykładzie z akumulatorem 12V) i straty mocy na stabilizatorze powodowałyby znaczące skrócenie czasu działania robota.

Nawigacja kursu

Zagadnienie samodzielnego budowania przetwornic (nawet z gotowych układów scalonych) zostało pominięte celowo, ponieważ jest to zagadnienia skomplikowane, wykraczające poza zakres kursu i w tych czasach coraz mniej potrzebne początkującym.

Nie chcesz przeoczyć kolejnych części kursu? Skorzystaj z poniższego formularza i zapisz się na powiadomienia o nowych artykułach!

Autorzy: Michał (futrzaczek) Kurzela
Redakcja, zdjęcia: Damian (Treker) Szymański

elektronika, kursElektroniki2, pololu, przetwornica, step-down, step-up

Komentarze

Dodaj komentarz