W poniższym artykule opisany jest projekt źródła stałoprądowego. Poprzedni artykuł autora traktował o wykorzystaniu źródła stałoprądowego opartego o układ LM317, które to nie działało tak dobrze, jak się tego spodziewano - dzięki pomocy czytelników udało się jednak stworzyć lepszy projekt. Autor zdecydował się wykorzystać do pracy jako źródło stałoprądowe przetwornicę DC-DC. Ponieważ wykorzystywał w swoich innych projektach układ TPS54232, postanowił użyć go także i tutaj. Zaprezentowane rozwiązanie może być także przystosowane do innych przetwornic DC-DC, pod warunkiem lepszego poznania tematu.
Autor przygotowania rozpoczął od zapoznania się z notą aplikacyjną SLVA374 umieszczoną na stronach TI, która opisywała przetwornicę step-down do zasilania diod LED, opartą na układzie przetwornicy DC-DC TPS54160, zwykle używanym w stabilizatorach napięcia typu buck. Schemat z noty aplikacyjnej po niewielkich zmianach może być łatwo przystosowany do opisywanego urządzenia, wystarczy dodać tylko rezystor pomiarowy i kondensator na wyjściu.
Autor potrzebował źródła prądowego 1,12A do zasilania dwóch bloków diod LED połączonych równolegle. Producent układu podał prostą zależność na znajdowanie wartości rezystora pomiarowego: R = Vref/Io. W opisywanym przypadku Vref wynosi 0,8V (zgodnie z kartą katalogową układu TPS54232), a Io to pożądany prąd, czyli 1,12A. Wstawiając takie wartości do wzoru otrzymujemy R = 0,71Ω. Nie jest to typowa wartość, ale zbliżony opór można uzyskać łącząc dwa 1,5-omowe rezystory równolegle (R1, R2), uzyskując tym samym opór 0,75Ω. Z rezystorem pomiarowym o wartości 0,75Ω prąd na wyjściu wynosił 1,06A, co - po podzieleniu przez 56, czyli liczbę zastosowanych białych diod - daje prąd 18,9 mA na każdą diodę.
Należy też uwzględnić rozpraszanie mocy w rezystorach, jest ono łatwe do wyliczenia: Pdis = Vref^2/R. W opisywanym przypadku Pdis = 0,8^2/0,75 = 0,85W. Jedyne dostępne autorowi rezystory miały moc 5W, stąd konieczność uwzględnienia ich rozmiarów przy projektowaniu urządzenia. Pin EN służy do uaktywniania i sterowania zabezpieczeniem podnapięciowym (UVLO), ale autor zrezygnował z jego wykorzystania, ponieważ był pewien, że układ będzie zawsze zasilany dostatecznie dużym napięciem. The resistors are placed on the pcb anyways so you could use those pads and soldere the necessary resistors.
Należy także rozważyć rozpraszanie mocy w diodzie po stronie niskoprądowej. W czasie pracy przetwornicy prąd płynie przez wewnętrzny tranzystor kluczujący FET. W czasie, kiedy tranzystor nie jest kluczowany, prąd płynie przez diodę. Średnia moc wydzielana na diodzie opisana jest równaniem: Pdiody = (1-Vo,LED/Vin) * Vfd * Io, gdzie: Vfd jest napięciem wstecznym diody LED, Vo,LED jest doprowadzanym napięciem zasilający, którego wartość można oszacować następująco: Vo,LED = NLED * VLED + Vref, gdzie: NLED to liczba diod LED, VLED to spadek napięcia na każdej z diod. W przypadku autora moc wydzielana na diodzie wynosiła Pdiody = (1-(4,2/12))*0,75*1,06 = 0,51 W, więc w urządzeniu wykorzystano diodę Schottky'ego na napięcie 40V i prąd 2A, o symbolu CDBA240-G.
Należy także dobrać odpowiednią cewkę oraz kondensatory na wejściu i wyjściu przetwornicy, informacje na ten temat są zamieszczone w karcie katalogowej układu TPS54232 i we wzmiankowanej nocie aplikacyjnej. Po rozważeniu projektu układu autor zaprojektował płytkę i przygotował ją metodą fotochemiczną. Do zmontowania tak małej płytki wystarczyła zwykła lutownica; część elementów montowana jest powierzchniowo, a część przewlekanie, ale całość pasuje do siebie nawzajem całkiem dobrze.
Krople cyny od spodu płytki to rodzaj samodzielnie wykonanych przelotek termicznych. Autor nie jest przekonany, jak wydajne są one, ale postanowił mimo wszystko wypróbować to rozwiązanie. Pod rezystorami umieszczone zostało pole miedzi. Następnie autor nawiercił otwory o średnicy 0,7 mm i przewlekł przez nie drut miedziany o takiej samej średnicy, lutując go obustronnie. Konieczne jest zastosowanie małego i płaskiego lutu, aby elementy nie odstawały zbytnio od płytki. Mimo braku dokładnej informacji na temat sprawności takich przelotek, można poczuć, że ciepło przenosi się szybciej z jednej strony płytki na drugą. Można więc wypróbować takie rozwiązanie w swoich urządzeniach.
Testy źródła przebiegły bez problemu, diody LED zaświeciły się od razu po podłączeniu. W czasie prób autor zwrócił uwagę, że jeśli przewody zasilające nie są dokładnie przymocowane i zabezpieczone w złączu wejściowym, przetwornica ma mniejszą wydajność i daje prąd o natężeniu mniejszym, niż ustalone. Autor nie jest pewien przyczyny takiego stanu, podejrzewa, że może za to odpowiadać niewykorzystane zabezpieczenie podnapięciowe. W prezentowanym urządzeniu jednak nie stanowiło to większego problemu, po dobrym umocowaniu przewodów zasilających przetwornica pracowała poprawnie. Wykorzystano lutowane złącza kablowe do przyłączania przewodów do płytki, aby uniknąć późniejszych nieprzyjemnych niespodzianek.
Ostatnią rzeczą było zabezpieczenie układu przed niekorzystnymi warunkami atmosferycznymi, jako że miał on pracować na zewnątrz. W tym celu autor wykorzystał klej Bison, który jest przezroczysty, i pokrył nim ścieżki na płytce drukowanej. Kiedy klej stwardniał, zabezpieczenie wyglądało tak, że najpewniej płytki można by było zanurzyć w wodzie bez większego uszczerbku. Oczywiście nie dotyczy to złącz kablowych zamontowanych na płytce. Pomimo to autor jest pewien, że urządzenie będzie pracowało bezawaryjnie przez kilka lat.
Autor, wykorzystując równanie z karty katalogowej układy TPS54232 wyliczył sprawność przetwornicy na 75,36%. Sprawność po podłączeniu modułów z diodami LED wynosiła 79,01%. Można wprowadzić też pewne modyfikacje zwiększające sprawność układu. Na przykład należy obniżyć straty mocy w rezystorach poprzez zmniejszenie napięcia na nich.
Źródło
Fajne? Ranking DIY

