Блок питания на базе готового регулируемого DC-DC преобразователя

Простой блок питания 1,2 — 32V на базе DC-DC модуля (XL4015)

Один из самых востребованных приборов в мастерской начинающего радиолюбителя – это регулируемый блок питания. О том, как самостоятельно собрать регулируемый блок питания на микросхеме MC34063 я уже рассказывал. Но и у него есть ограничения и недостатки. Во-первых, это мощность. Во-вторых, отсутствие индикации выходного напряжения.

Здесь я расскажу о том, как с минимумом временных затрат и усилий собрать регулируемый блок питания 1,2 – 32 вольт и максимальным выходным током до 4-ёх ампер.

Для этого нам понадобится два очень важных элемента:

• Трансформатор, с выходным напряжением до ~25…26 вольт. О том, как его подобрать и где найти, я расскажу далее;
  
  
• Готовый модуль регулируемого DC-DC преобразователя со встроенным вольтметром на базе микросхемы XL4015.
  
  

Наиболее распространены и дёшевы модули на базе микросхем XL4015 и LM2956. Самый дешёвый вариант – это модуль без цифрового вольтметра. Для себя я купил несколько вариантов таких DC-DC преобразователей, но более всех мне понравился модуль на базе микросхемы XL4015 со встроенным вольтметром. О нём и пойдёт речь.

Вот так он выглядит. Покупал его на Алиэкспресс, вот ссылка. Можно подобрать подходящий по цене и модификации через поиск.



Обратная сторона платы и вид сбоку.



Основные характеристики модуля:

• Диапазон входных напряжений: 4…36V. Максимум 38…40V. Реально работает от 4,5…4,6 вольт. Если на входе 4 вольта, то индикация вольтметра засвечена не будет;
  
  
• Диапазон выходных напряжений (регулируется): 1,25…32V;
  
  
• Максимальный выходной ток: 5А. На самом деле, это максимальный ток диода SS54, что на плате. Рекомендуют нагружать током не более 4,5А, а на микросхему XL4015 приклеить радиатор, который идёт в комплекте.
  
  
  
  
• Диапазон измеряемого напряжения вольтметра: 0…40V;
  
  
• Точность показаний вольтметра: ±0,1V;
  
  
• Защита от переполюсовки на входе;
  
  
• Защита от короткого замыкания (КЗ) на выходе (Есть нарекания по работе защиты от короткого замыкания на выходе, поэтому специально устраивать КЗ не рекомендую);
  
  
• Встроенная защита от температурного перегрева.
  
  

Не будем забывать, что производители любят завышать характеристики своих изделий. Судя по отзывам, наиболее оптимальный вариант использования данного DC-DC модуля — это работа при входном напряжении до 30 вольт и потребляемом токе до 2 ампер.

Управление DC-DC модулем.

На печатной плате DC-DC модуля установлены две кнопки управления и регулятор выходного напряжения — обычный многооборотный переменный резистор.

• Короткое нажатие кнопки 1 отключает/включает индикацию вольтметра. Своеобразный диммер. Удобно при запитке от АКБ.
  
  
• Коротким нажатием на кнопку 2 можно переключать режим работы вольтметра, а именно, отображения входного или выходного напряжения на индикаторе. При использовании совместно с АКБ можно контролировать напряжение батареи и не допускать глубокого разряда.
  
  

Калибровка показаний вольтметра.

Сначала кнопкой 2 выбираем, какое напряжение отображать на дисплее вольтметра (входное или выходное). Затем мультиметром замеряем постоянное напряжение (входное или выходное) на клеммах. Если оно отличается от величины напряжения, отображаемого вольтметром, то начинаем калибровку.

Жмём 3-4 секунды на 2-ую кнопку. Показания на дисплее должны потухнуть. Отпускаем кнопку. При этом показания на дисплее появятся и начнут моргать.

Далее кратковременными нажатиями на кнопки 1 и 2 уменьшаем или увеличиваем величину отображаемого напряжения с шагом 0,1V. Если надо увеличить показания, например, с 12,0V до 12,5V, то жмём 5 раз на кнопку 2. Если надо уменьшить с 12V до 11,5V, то, соответственно, жмём 5 раз на кнопку 1.

После того, как калибровка завершена, жмём секунд 5 на кнопку 2. При этом показания на дисплее вольтметра перестанут моргать — калибровка завершена. Также можно ничего не делать и секунд через 10 вольтметр сам выйдет из режима калибровки.

Для того чтобы собрать блок питания, кроме самого DC/DC-модуля нам понадобится трансформатор, а также небольшая схема — диодный мост и фильтр.

Вот схема, которую нам предстоит собрать.



(Картинка кликабельна. По клику откроется в новом окне)

О трансформаторе Т1 я расскажу чуть позднее, а сейчас разберёмся с диодным мостом VD1-VD4 и фильтром C1. Эту часть схемы я буду называть выпрямителем. Далее на фото — необходимые детали для его сборки.



Разводку будущих печатных дорожек на плате я рисовал маркером для печатных плат. Перед этим сделал набросок расположения элементов на плате, развёл соединительные проводники. Затем по шаблону отметил на заготовке места сверления. Сверлил до травления в хлорном железе, так как, если сверлить после травления, могут остаться зазубрины вокруг отверстий и легко повредить окантовку около отверстий.

Затем высушил заготовку после травления, смыл защитный слой лака от маркера "Уайт-спиритом". После этого вновь отмыл и высушил заготовку, зачистил медные дорожки мелкой наждачной бумагой и залудил все дорожки припоем. Вот, что получилось.



Немного о просчётах. Так как делал всё быстро и на коленке, то без "косяков", естественно, не обошлось. Во-первых, сделал плату двухсторонней, а не надо было. Дело в том, что отверстия то без металлизации, и запаять потом тот же разъём в такую двухстороннюю печатную плату непростая задача. С одной стороны контакты запаяешь без проблем, а вот с другой стороны платы уже никак. Так что намучился.

Готовый выпрямитель.



Вместо сетевого выключателя SA1 временно впаял перемычку. Установил входные и выходные разъёмы, а также разъём для подключения трансформатора. Разъёмы устанавливал в расчёте на модульность и удобство пользования, чтобы впредь можно было быстро и без пайки соединять блок выпрямителя с разными DC-DC модулями.

В качестве плавкого предохранителя FU1 использовал готовый с держателем. Очень удобно. И контакты под напряжением прикрыты, и предохранитель заменить без пайки не проблема. По идее подойдёт предохранитель в любом исполнении и типе корпуса.

В качестве диодного моста (VD1 — VD4) я использовал сборку RS407 на максимальный прямой ток 4 ампера. Аналоги диодного моста RS407 — это KBL10, KBL410. Диодный мост можно собрать и из отдельных выпрямительных диодов.

Тут стоит понимать, что сам регулируемый DC-DC модуль рассчитан на максимальный ток 5 ампер, но такой ток он сможет выдержать только в том случае, если на микросхему XL4015 установить радиатор, да, и для диода SS54, что на плате, ток в 5А — максимальный!

Также не будем забывать, что производители склонны завышать возможности своих изделий и срок их службы при таких нагрузках. Поэтому для себя я решил, что такой модуль можно нагружать током до 1 — 2 ампер. Речь идёт о постоянной, долгосрочной нагрузке, а не периодической (импульсной).

При таком раскладе, диодный мост можно выбрать на прямой ток 3-4 ампера. Этого должно хватить с запасом. Напомню, что если собирать диодный мост из отдельных диодов, то каждый из диодов, входящих в состав моста должен выдерживать максимальный потребляемый ток. В нашем случае это 3-4 ампера. Вполне подойдут диоды 1N5401 — 1N5408 (3А), КД257А (3А) и др.

Также для сборки потребуется электролитический конденсатор C1 ёмкостью 470 — 2200 мкФ. Конденсатор лучше выбрать на рабочее напряжение 63V, так как максимальное входное напряжение DC-DC преобразователя может быть до 36V, а то и 38…40V. Поэтому разумней поставить конденсатор на 63V. С запасом и надёжно.

Тут опять же стоит понимать, что всё зависит от того, какое напряжение у вас будет на входе DC-DC модуля. Если, например, планируется использовать модуль для питания 12-ти вольтовой светодиодной ленты, а на входе DC-DC модуля будет напряжение только 16 вольт, то электролитический конденсатор можно поставить с рабочим напряжением 25 вольт или более.

Я же поставил по максимуму, так как данный модуль и собранный выпрямитель, я планировал использовать с разными трансформаторами, у которых разное выходное напряжение. Следовательно, чтобы каждый раз не перепаивать конденсатор, установил конденсатор на 63V.



В качестве трансформатора T1 подойдёт любой сетевой трансформатор с двумя обмотками. Первичная обмотка (Ⅰ) сетевая и должна быть рассчитана на переменное напряжение 220V, вторичная обмотка (Ⅱ) должна выдавать напряжение не более 25 ~ 26 вольт.

Если взять трансформатор, на выходе которого будет более 26 вольт переменного напряжения, то после выпрямителя напряжение может быть уже более 36 вольт. А, как мы знаем, модуль DC-DC преобразователя рассчитан на входное напряжение до 36 вольт. Также стоит учитывать тот момент, что в бытовой электросети 220V иногда бывает чуть завышенное напряжение. Из-за этого, пусть и кратковременно, на выходе выпрямителя может образоваться довольно существенный "скачок" напряжения, который превысит допустимое напряжение в 38…40 вольт для нашего модуля.

Далее вы поймёте, зачем я всё это разжёвываю.

Ориентировочный расчёт выходного напряжения U_вых после диодного выпрямителя и фильтра на конденсаторе:

U_вых = (U_T1 — V_F)*1,41.

Переменное напряжение на вторичной обмотке трансформатора T1 (Ⅱ) — U_T1;

Падение напряжения (Forward Voltage Drop) на диодах выпрямителя — V_F. Поскольку в диодном мосте в каждый полупериод ток течёт через два диода, то V_F умножаем на 2. Для диодных мостов обычно указывают величину падения напряжения для всей сборки.

Так, для RS407 в даташите я нашёл такую строчку: Maximum forward Voltage drop per bridge element at 3.0A peak — 1 Volt. Что означает, что при прямом токе 3А через диодный мост на нём будет теряться 1 вольт напряжения (per bridge element — для мостового элемента). То есть берём значение V_F = 1V и на два не умножаем, так как здесь указаны данные уже для сборки вцелом.

Вообще, чтобы не ломать голову полезно знать, что V_F для выпрямительных диодов обычно составляет около 0,5 вольт.

Так как на электролитическом конденсаторе С1 выделяется пиковое значение выпрямленного (пульсирующего) напряжения, то итоговое напряжение, которое мы получим после диодного моста (U_T1 — V_F) необходимо умножить на квадратный корень из 2, а именно √2 ~ 1.41.

Таким образом, с помощью этой простой формулы мы сможем определить выходное напряжение на выходе фильтра. Теперь осталось дело за малым — найти подходящий трансформатор.

В качестве трансформатора я использовал силовой броневой трансформатор ТП114-163М.



К сожалению, точных данных на него я не нашёл. Выходное напряжение на вторичной обмотке без нагрузки ~19,4V. Ориентировочная мощность данного трансформатора ~7 Вт. Считал по вот этой методике.

Кроме этого решил сравнить полученные данные с параметрами трансформаторов серии ТП114 (ТП114-1, ТП114-2,…,ТП114-12). Максимальная выходная мощность данных трансформаторов — 13,2 Вт. Наиболее подходящим к трансформатору ТП114-163М по параметрам оказался ТП114-12. Напряжение на вторичной обмотке в режиме холостого хода — 19,4V, а под нагрузкой — 16V. Номинальный ток нагрузки — 0,82А.

Также в моём распоряжении оказался ещё один трансформатор, также серии ТП114. Вот такой.



Судя по выходному напряжению (~22,3V) и лаконичной маркировке 9М, это модификация трансформатора ТП114-9. Параметры ТП114-9 такие: номинальное напряжение — 18V; номинальный ток нагрузки — 0,73А.

На базе первого трансформатора (ТП114-163М) мне удастся сделать регулируемый блок питания 1,2…30 вольт, но это без нагрузки. Понятно, что при подключенной нагрузке (потребителе тока) напряжение на выходе трансформатора просядет, и результирующее напряжение на выходе DC-DC преобразователя также уменьшится на несколько вольт. Поэтому, этот момент надо учитывать и иметь ввиду.

На базе второго трансформатора (ТП114-9) уже получится регулируемый блок питания на 1,2…25 вольт. Это также без нагрузки.

Про выходной ток. Производителем заявлено, что максимальный выходной ток DC-DC преобразователя — 5А. Судя по отзывам, максимум 2А. Но, как видим, трансформаторы мне удалось найти достаточно маломощные. Поэтому выжать даже 2 ампера мне вряд ли получится, хотя всё зависит от выходного напряжения DC-DC модуля. Чем меньше оно будет, тем больший ток удастся получить.

Для всякого маломощного "разносола" данный блок питания подойдёт на ура. Вот запитка "веселящего шарика" напряжением 9V и током около 100 mA.



А это уже запитка 12-ти вольтовой светодиодной ленты длиной около 1 метра.



Также существует облегчённая, Lite-версия данного DC-DC преобразователя, которая собрана также на микросхеме XL4015E1. Единственное отличие, это отсутствие встроенного вольтметра.





Параметры аналогичные: входное напряжение 4…38V, максимальный ток 5А (рекомендуется не более 4,5А). Реально же использовать при входном напряжении до 30V, 30V с небольшим. Ток нагрузки не более 2…2,5А. Если нагружать сильнее, то ощутимо греется и, естественно, снижается срок службы и надёжность.