Każdy sprzęt elektroniczny musi być w jakiś sposób zasilany, bez odpowiedniego napięcia nie będzie działać wcale lub zadziała, ale tylko przez ułamek sekundy. Istnieje całkiem sporo rozwiązań i konstrukcji, których zadaniem jest doprowadzić energię do zaprojektowanego obwodu. Jednymi z najczęściej stosowanych są stabilizatory liniowe oraz przetwornice napięcia. Stabilizatory zostawimy sobie na inny materiał, natomiast dziś chciałbym opowiedzieć wam nieco o działaniu i budowie przetwornic. Poza tym przyjrzymy się też ich problemom i spróbujemy je rozwiązać.
Zazwyczaj przetwornice napięcia przybierają formę elektronicznych modułów, na osobnych płytkach PCB. Jest to całkiem praktyczne rozwiązanie, gotowy moduł można bez problemu dołączyć do zaprojektowanego wcześniej obwodu lub zasilać za jego pomocą prototypowy układ zbudowany na płytce stykowej. Z przetwornicami możemy spotkać się też przy okazji większych obwodów drukowanych. Producenci sprzętu nie raz decydują się na zastosowanie tych konstrukcji do zasilania poszczególnych elementów większego systemu.
Niezależnie jaką formę będzie mieć przetwornica napięcia, jej zadanie jest tak naprawdę jedno – przekształcić napięcie, wynika z niego również główny podział przetwornic:
- przetwornica step-down (buck) – obniżająca napięcie,
- przetwornica step-up (boost) – podwyższająca napięcie,
- przetwornica step-up/down (SEPIC) – moduł taki może zarówno podwyższać, jak i obniżać napięcie wejściowe.
Koncept przetwornic napięcia stałego DC/DC najlepiej rozważać jest jako zwyczajny czwórnik z wejściem i wyjściem po przeciwnej stronie. Każda przetwornica potrzebuje własnego napięcia zasilania, na podstawie którego wygenerowane zostanie napięcie wyjściowe. Może być ono wyższe lub niższe względem potencjału na wejściu, zależy to od konkretnego rodzaju przetwornicy. Dość częstym zabiegiem stosowanym przez producentów jest możliwość regulacji napięcia wyjściowego poprzez potencjometr lub zworkę umieszczoną bezpośrednio na laminacie. Przetwornice napięcia występują w różnych wariacjach, zazwyczaj spotkać można elementy, na których wyjściu uzyskujemy napięcie niższe lub wyższe względem zasilania. Poza tym istnieją też urządzenia, które na wyjściu utrzymywać będą zawsze stałą wartość napięcia, niezależnie od wartości podanej na wejście.
Jak działa przetwornica napięcia?
Chcąc zrozumieć, jak działa przetwornica napięcia musimy zrozumieć ideę działania prostego układu, którego schemat możecie zobaczyć powyżej. Składa się on z czterech elementów: tranzystora, diody, cewki i kondensatora. Taki układ możemy już w gruncie rzeczy nazwać prostą przetwornicą napięcia, typy i wartości elementów nie mają na ten moment większego znaczenia, nie będziemy takiej konstrukcji uruchamiać w rzeczywistości, chodzi tylko o zrozumienie idei działania.
Chcąc w kilku słowach opisać działanie przetwornic DC/DC można powiedzieć, że opierają się one na zjawisku przełączania. Umieszczony w obwodzie tranzystor, dzięki doprowadzonemu do bramki sygnałowi PWM jest bardzo szybko przełączany ze stanu nasycenia na zatkania i odwrotnie. Na początek rozważmy pierwszy przypadek, gdy na bramce tranzystora pojawi się stan wysoki, abstrahując już od konkretnych wartości napięć, to zachowa się on po prostu jak przewód łączący wejście i wyjście układu. Pojawienie się napięcia na prawo od źródła tranzystora wywoła przepływ prądu, na początku swojej drogi nośniki ładunku napotkają cewkę, która w obwodach prądu stałego ma charakter czysto rezystancyjny i w tym momencie nie wpłynie zbyt wiele na całość obwodu. Kolejny jest kondensator, który zacznie się ładować i gromadzić energię, która przyda się za chwilę. Natomiast na wyjściu przetwornicy pojawi się „jakieś” napięcie.
W tym momencie następuje zmiana wartości na bramce tranzystora, co wówczas się zadzieje? Obwód zostanie rozłączony, napięcie, które jeszcze przed momentem było na prawo źródła tranzystora, zniknęło. Do gry wkracza kondensator i cewka, elementy te będą próbować za wszelką cenę potrzymać przy życiu obciążenie podpięte do wyjścia przetwornicy. Kondensator będzie oddawać zgromadzona energię, tym samym podtrzymując napięcie, natomiast cewka, która jeszcze chwilę wcześniej nie pełniła w zasadzie, żadnej roli będzie próbować podtrzymać przepływ prądu. Pamiętajmy, że napięcie z wejścia zniknęło, układ, który rozważamy, już nie do końca jest obwodem prądu stałego. W takim przypadku cewka zaczyna ujawniać swój indukcyjny charakter, działając niczym koło zamachowe. Jednak zanim kondensator i cewka wytracą całą swoją energię, tranzystor po raz kolejny się załączy, a cały cykl się powtórzy.
Działanie przetwornic impulsowych, bo tak też możemy je nazywać, opiera się właśnie na bardzo szybkim przełączaniu. Dzięki temu zjawisku, na wyjściu układu można uzyskać różne wartości napięć, większe i mniejsze względem źródła. Na schemacie zobaczyć możemy jeszcze jeden element – diodę półprzewodnikową. Pominąłem ją celowo, ale gdy znamy już procesy działające w przetwornicach napięcia, możemy przyjrzeć się też temu elementowi. Zadaniem diody swobodnego końca, bo tak możemy ją nazywać (spotykane też jest dioda zwrotna lub dioda recyrkulacyjna) jest czuwać nad prawidłowym przepływem prądu, w momencie, gdy tranzystor jest zablokowany. Dzięki niej prąd generowany przez cewkę i kondensator trafi na pewno do odbiornika, i nie uszkodzi tranzystora.
Charakterystyka przetwornic DC/DC
Omawiając przetwornice napięcia warto też poznać kilka parametrów charakterystycznych, typowych dla tego typu konstrukcji, są to:
- Zakres napięcia wejściowego – jest to zakres napięcia określający jaką wartość przetwornica może przyjąć na wejściu i nadal działać prawidłowo. Jest to ważne, ponieważ różne przetwornice mają różne zakresy napięcia wejściowego, a przekroczenie tych granic może bezpowrotnie uszkodzić całą konstrukcję.
- Zakres napięcia wyjściowego – to wartość napięcia, jakie przetwornica jest w stanie dostarczyć na wyjściu. Przetwornice mogą mieć stałe napięcie wyjściowe lub być regulowane w określonym zakresie.
- Maksymalny prąd wyjściowy – określa wartość prądu jaką w stanie jest dostarczyć przetwornica
Dość ważnym aspektem w przypadku przetwornic jest ich sprawność. Parametr ten określa, jak skutecznie przetwarzana jest energia. Innymi słowy, jest to stosunek mocy na wyjściu do mocy na wejściu, wyrażany często w procentach. Wyższa sprawność oznacza mniejsze straty energii w przetwarzaniu i lepszą wydajność. Na rysunku powyżej możecie zobaczyć przykładową charakterystykę sprawności przetwornicy, wartość ta jak widać, zależy od napięcia wejściowego oraz dostarczanego przez układ prądu.
Klasyczna niebieska przetwornica
Znamy już ogólną zasadę działania przetwornic napięcia, dlatego możemy przyjrzeć się bliżej jednej z popularniejszych „niebieskich” konstrukcji opartych na układzie LM2596. Ta prosta obniżająca napięcie przetwornica, jak na swoje wymiary ma całkiem spore możliwości. Na jej wejście możemy podać maksymalnie 40V, uzyskując na wyjściu napięcie z zakresu 1,2V do 35V przy maksymalnie 3A. Napięcie regulowane jest za pomocą potencjometru. Konstrukcja ta, ze względu na swoją cenę jest często wykorzystywana przez wielu niedzielnych majsterkowiczów.
Trzeba przyznać, że schemat nie jest zbyt skomplikowany i przypomina ogólny koncept przetwornicy, który pokazałem wam wcześniej. Całość opiera się na chipie LM2596. Na wejście Vin podajemy napięcie zasilające, które filtrowane jest przez dodatkowy kondensator Cin. Poza tym układ ma też oczywiście wyprowadzenie masowe oraz pin ON/OFF podłączone na stałe do ujemnego bieguna zasilania, tym samym wymuszając stałą pracę tego elementu. Na wyjściu Output pojawia się wygenerowane przez chip napięcie, które bazuje na sygnale Feedback. Jest ono pochodną napięcia wyjściowego przetworzonego przez parę rezystor-potencjometr. Kręcąc potencjometrem, modyfikujemy właśnie jego wartość, na co LM2596 reaguje, zmieniając wartość napięcia wyjściowego. Elementami przetwornicy są też cewka, kondensator i dioda, których zadanie jest identyczne jak we wcześniej opisanym przykładzie. Poza tym na schemacie znalazł się też opcjonalny filtr złożony z cewki i kondensatora. Jego zadaniem jest eliminacja tętnień, o których opowiem więcej w dalszej części materiału.
W pierwszym przykładzie elementem, który był cały czas przełączany przez sygnał PWM, był tranzystor. Tutaj jednak nie mamy żadnego tranzystora, ani żadnego sygnału PWM. Wszystko to zostało zamknięte w pojedynczym układzie scalonym, wspomnianym już wcześniej LM2596. Jest to dość prosta i wiekowa już konstrukcja, ale mimo tego nadal się ją wykorzystuje. Jak widać na blokowym schemacie powyżej, we wnętrzu tego chipa umieszczono wszystkie elementy potrzebne do budowy przetwornicy.
Napięcie wejściowe trafia tutaj na parę tranzystorów sterowanych przez układ złożony z przerzutnika i kilku wzmacniaczy operacyjnych. Nasz wcześniejszy sygnał PWM ma tutaj formę wewnętrznego 150 kHz oscylatora. Poza tym aktywny udział w sterowaniu tranzystorami bierze też sygnał Feedback porównywalny z wewnętrznym referencyjnym napięciem 1,235V. Warto zwrócić też uwagę, że ostatnim elementem sterującym tranzystorami jest zabezpieczenie temperaturowe, powinno ono zadziałać w momencie osiągnięcia przez układ 125°C, ale z moich praktycznych testów wynika, że działa ono w zasadzie jak chce.
Trzeba przyznać, że tego typu przetwornica nie jest wcale skomplikowanym urządzeniem. W dalszej części artykułu wszystkie testy i opisy opierać się będą na właśnie takiej przetwornicy.
Zakłócenia na wyjściu przetwornicy
Jednym z problemów pojawiających się w przypadku korzystania z przetwornic impulsowych są zakłócenia. Wiemy już, że tego typu konstrukcje bazują na ciągle przełączającym się tranzystorze, niestety taki stan rzeczy powoduje, że generowane napięcie wyjściowe nigdy nie będzie idealnie stałe. Zawsze pojawiać się będą mniejsze lub większe zakłócenia, zwane też szumami lub tętnieniami.
Na zdjęciu powyżej możecie zobaczyć przebieg z wyjścia prezentowanej wcześniej klasycznej „niebieskiej” przetwornicy, bez obciążenia, tak naprawdę zasila ona tylko wlutowaną na płytce diodę LED. Konstrukcja zasilana jest napięciem 12V, a na wyjściu ustawiłem 5V. Jak widać, sygnał jest dość stabilny, wahania napięcia peak to peak osiągają maksymalnie 100mV.
Sytuacja zmienia się, gdy do wyjścia przetwornicy podpiąłem kilka rezystorów mocy, które wywołują prąd o wartości około 1,4A. Jak widać przebieg, uległ lekkiej zmianie i już gołym okiem można dostrzec niewielkie tętnienia. Osiągają one maksymalnie wartość peak to peak 800mV, także taki sygnał ciężko już nazwać stabilnym.
Wniosek z tego taki, że szumy rosną wraz z obciążeniem układu i jest to cecha większości przetwornic napięcia. Oczywiście zależnie od konstrukcji będą one miały różną wartość, ale zawsze będą niepożądane. Budując moduł zasilający, zależy nam na stabilnym napięciu, niezależnie od obciążenia. Nie zwracając uwagi na tętnienia, możemy w prosty sposób doprowadzić do nieprawidłowego działania zasilanego układu, bądź nawet w skrajnych przypadkach jego uszkodzenia.
W takim rzazie zastanówmy się, czy szumy można w jakiś sposób wyeliminować. Oczywiście, że tak, najłatwiejszym sposobem będzie dołączenie równolegle do wyjścia przetwornicy kondensatora, który złagodzi tętnienia. Pojedynczy element pojemnościowy to tak naprawdę minimum, znacznie lepszym rozwiązaniem byłoby dodanie odpowiednio dobranego filtra LC, który w porównaniu do samego kondensatora znacznie lepiej radziłby sobie z wysokimi częstotliwościami na wyprowadzeniach przetwornicy. Niepożądane zakłócenia mogą być też efektem wątpliwej jakości komponentów zastosowanych przez producenta modułu. Tutaj również mam na myśli elementy pojemnościowo/indukcyjne, warto jest poeksperymentować zmieniając je na coś lepszej jakości.
Przetwornica nie działa, dlaczego?
Początkowo w tej części artykułu planowałem umieścić opis typowych usterek związanych z przetwornicami napięcia, ale w trakcie zbierania materiałów i praktycznych testów okazało się, że przetwornic impulsowe to całkiem wytrzymałe konstrukcje. Mimo że w pewnym momencie całkiem świadomie podłączałem zasilanie odwrotnie, wywoływałem zwarcia i przeciążenia rzędu 200% mocy, to po tym wszystkim konstrukcje nadal działają. Jedynym ciekawym efektem moich testów, było odlutowanie się elementów pod wpływem płynącego prądu.
Wspomniany efekt możecie zobaczyć na filmie powyżej. Wyjście tej niewielkiej przetwornicy było zwarte do masy, przez co pobierała ona z mojego zasilacza laboratoryjnego około 4A prądu. Pierwsze efekty temperatury wywołanej przez takie natężenie prądu można zobaczyć już w 6 sekundzie filmu, wówczas lekko w dół osuwa się cewka. W dalszej części widać, że cyna pracuje w okolicach zewnętrznych wyprowadzeń oraz ceramicznych kondensatorów, aż w końcu jedno z połączeń nie wytrzymuje i przetwornica spada w dół.
Wróćmy jednak do głównego nurtu tego akapitu. Przetwornice napięcia to w gruncie rzeczy całkiem wytrzymałe konstrukcje, które uszkadzają się dość często zero-jedynkowo, przestają generować napięcie i tyle. Problemu zazwyczaj trzeba szukać w głównym układzie scalonym, to właśnie on pada najczęściej. Poza tym trzeba też szukać fizycznych oznak uszkodzenia. Pozbawiony zewnętrznej obudowy kondensator dość jasno zasygnalizuje nam, że zasilanie podłączyliśmy odwrotnie, wówczas nie obejdzie się bez jego wymiany. Tak naprawdę warto jest zastanowić się nad inną kwestią – jak korzystać z przetwornic napięcia? Jest to dość ciekawy temat, nad którym większość osób nawet się nie zastanawia. W dalszej części opisze wam pewne zagadnienie, które roboczo nazwałem „problemem zasilacza laboratoryjnego”.
„Problem zasilacza laboratoryjnego”
Niech pierwszy rzuci kamień, ten kto nic nigdy nie robił pod napięciem. Każdy elektronik wie, że wszelkie modyfikacje obwodów powinno wykonywać się bez podłączonego zasilania, ale jak jest rzeczywistość, wszyscy doskonale wiemy. Sam muszę się przyznać, że do tej reguły nie stosuje się zbyt często, czego efektem jest masa uszkodzonych elektronicznych elementów. Jednak mimo wszystko dobrym nawykiem jest odłączać napięcie, nawet jeśli jest ono bardzo niski. Sądzę, że jednym z powodów częstej pracy pod napięciem są poniekąd zasilacze laboratoryjne, a w zasadzie ich funkcjonalność. Można by powiedzieć, że przecież mają one zabezpieczenie przed zwarciem i przeciążeniem, nawet jeśli coś pójdzie nie tak, to przecież nic się nie stanie, ale jednak rzeczywistość nie raz weryfikuje ten pogląd.
Zasilacze laboratoryjne posiadają wiele różnego rodzaju zabezpieczeń, ale impulsowe przetwornice napięcia już nie. Problem polega na tym, że nie raz tego rodzaju proste moduły traktujemy trochę jak wspomniane profesjonalne konstrukcje. Już kompletnym absurdem są dostępne w Internecie projekty „domowych” zasilaczy laboratoryjnych opartych właśnie na takich przetwornicach napięcia. Problemem, który nie raz powoduje spalenie się modułu, jest jej obciążenie, dołączane w nieprawidłowy sposób. Przy profesjonalnych zasilaczach możemy sobie pozwolić na naprzemienne dołączanie i odłączanie nawet dość prądożernych obciążeń, ale w przypadku przetwornic DC/DC może być to zabójcze. Tego typu proste moduły, są uniwersalnymi konstrukcjami, które projektowane są do pracy z podłączonym na stałe obciążeniem, które poza tym powinno pobierać w miarę stałą wartość prądu.
Wyobraźmy sobie, że do uruchomionej przetwornicy dołączamy nagle obciążenie o dużej mocy na przykład zwykłą żarówkę. Działająca przetwornica generuje na wyjściu pewne napięcie, które w jednym momencie przenosi się na wolframowy żarnik. W pierwszej chwili, z poziomu przetwornicy, żarówka wygląda niemal jak zwarcie, dopiero po chwili, gdy żarnik osiągnie już jakąś temperatur, jego rezystancja rośnie. Ważne są jednak pierwsze milisekundy, nagłe obciążenie dla działającej przetwornicy jest dość sporym problemem, ponieważ musi ona nagle dostarczyć bardzo duży prąd. Najbardziej obciążonym elementem jest oczywiście cewka, a w zasadzie jej rdzeń. Dobierając ten element, projektant uniwersalnej przetwornicy założył sobie jakąś obciążalność i prąd nasycenia, problem jednak w tym, że cewka może okazać się za słaba. Rdzeń się nasyca, napięcie spada, prąd rośnie w sposób niekontrolowany, można powiedzieć lawinowo, mamy gotowy scenariusz katastrofy.
Jak uniknąć takiego uszkodzenia? Nie dołączać dużego obciążenia do działającej przetwornicy. Znacznie lepszym rozwiązaniem będzie uruchomić obciążenie razem z przetwornicą. Nawet proste i tanie moduły obsługują coś takiego jak „soft-start”, czyli mechanizm, który uruchomi przetwornicę w sposób kontrolowany, dostosowując jej pracę od razu do dołączonego obciążenia, nawet jeśli będzie ono na początku wymagać bardzo dużych ilości prądu.
W kilku słowach na koniec mogę powiedzieć, że przetwornice napięcia to całkiem złożony temat, którego na pewno nie wyczerpałem. Poznaliśmy pewne podstawy, poza tym opowiedziałem wam o pewnym ciekawym problemie przetwornic napięcia, ale jest jeszcze masa wiedzy, którą warto poznać. Być może w przyszłości wrócę jeszcze do tego tematu, ale na ten moment mogę tylko zachęcić do zabawy elektroniką i niebania się przetwornic impulsowych, jak wiadomo każdy problem może być ciekawą lekcją na przyszłość.
Zobacz też:
W zimny grudniowy poranek w czeskiej wsi Březolupy pewien mężczyzna zatrzymuje swoją ciężarówkę przed XVII wiecznym zamkiem. Zakłada grube rękawice, wysiada z ciężarówki i otwiera tylną klapę. Następnie bardzo ostrożnie, rozładowuje kolejne skrzynie z ciężkim sprzętem i szkłem.
Jakiś czas temu na mojej stronie pojawił się pierwszy materiał o tranzystorach bipolarnych. Opowiedziałem wam w nim trochę o ich historii, budowie, uruchomiliśmy wspólnie pierwszy układ, a także zajrzeliśmy do wnętrza tego niezwykłego elementu. Dzisiaj po raz kolejny bierzemy na warsztat ten element, ale przyjrzymy się bliżej jego działaniu. Opowiem wam o podstawowym układzie pracy tranzystora, sprawdzimy jego działanie, a na koniec go podpalimy.
Źródła:
- https://en.wikipedia.org/wiki/Voltage_converter
- https://en.wikipedia.org/wiki/DC-to-DC_converter
- https://botland.com.pl/blog/przetwornice-impulsowe-step-up-step-down-jak-to-dziala/
- https://elektronikab2b.pl/technika/54784-przetwornice-dc-dc-podstawowe-zasady-projektowania-rodzaje-kryteria-selekcji
- https://forbot.pl/blog/kurs-elektroniki-ii-przetwornice-impulsowe-id9923
- https://www.youtube.com/watch?v=6bicunweBAQ&ab_channel=GreatScott%21
- https://interelcom.com/baza-wiedzy/przetwornica-napiecia-czy-regulator-liniowy-ktore-rozwiazanie-wybrac/
- https://www.pololu.com/product/4082
- https://solderingmind.com/dc-dc-buck-converter-using-lm2596-ic/