Regulowany konwerter napięcia typu step-up (0.7-5.5V na 2.7-5.5V)
Wprowadzenie:
Konwerter napięcia typu step-up jest obwodem, który podnosi napięcie. Może zamieniać napięcia w następujący sposób: AC/AC, AC/DC, DC/AC lub DC/DC.
Konwerter przedstawiony w tym artykule jest konwerterem typu DC/DC z możliwością regulacji napięcia. Zazwyczaj stabilizator napięcia jest zasilany wyższym napięcie, niż napięcie wyjściowe, na przykład 9V IN jest zamieniane na 5V OUT. Ten obwód zamienia niższe napięcie wejściowe (co najmniej 0,7V) na wyższe napięcie wyjściowe (regulowane w zakresie 2,7-5,5V). Napięcie na wyjściu konwertera będzie stałe, bez względu na to, jakie doprowadzimy do niego napięcie zasilające (z przedziału 0,7-5,5V) tak długo, dopóki napięcie wyjściowe będzie wyższe od wejściowego. Czy jest jakikolwiek mikrokontroler, który posiadałby obie te funkcje na raz?
Autor zbudował to urządzenie w celu użycia go w poniższym projekcie:
Link
Podsumowanie:
Jest to typowy obwód wykorzystywany w urządzeniach zasilanych jednocześnie z baterii, portu USB i ładowarki. Na przykład, dwa ogniwa typu AA (3V) dostarczające napięcie zasilające portu USB 5V. Jest bardzo wiele DIY pokazujących jak zbudować coś takiego. Jest to jednak często rozwiązane w bardzo trudny i zawiły sposób. Ten obwód może zostać wykorzystany, jako element innych konstrukcji. Sporo urządzeń pracuje pod napięciem 3-5V i bardzo często chcemy zasilić je z innych źródeł, o niższym napięciu.
Kilka przykładów urządzeń generujących napięcie wejściowe:
-Panele solarne
-Generatory
-Ogniwa
-Moduły Peltiera
Kilka przykładów urządzeń pobierających napięcie wyjściowe
-Mikrokontrolery
-Wyświetlacze
-Silniki
-Diody LED
Koszt:
Wszystkie elementy kosztowały około 7€, jednak bardzo możliwe jest, że ty znajdziesz je gdzie indziej, taniej.
Jeśli chcesz wykonać takie samo urządzenie, czytaj dalej.
Krok 1: Specyfikacje
Projekt ten oparty jest na mikrokontrolerze Max757. Są inne moduły przetwornika step-up DC-DC, jednak ten wydaje się być najlepszy do tego zastosowania. Ma on wysoką wydajność oraz niskie napięcie zasilające. Jeśli chcesz uzyskać stałe napięcie wyjściowe o wartości 3.3V lub 5V, użyj Max756. Max757 posiada regulowane napięcie wyjściowe. Jeśli chcesz mniej się napracować nad tym urządzeniem oraz wystarczy ci napięcie wyjściowe bez możliwości regulacji, możesz kupić kompletny kit (wersja 3) z mikrokontrolerem LT1302 produkcji Adafruit. Urządzenie to jest sporo mniejsze niż to wykonane w projekcie. Autor kupił ten kit, ponieważ miał wyższą moc wyjściową niż to na Max757, jednak nie był usatysfakcjonowany, zostanie to bliżej wyjaśnione w ostatnim kroku. Jeśli potrzebujesz większej mocy, Max 1771 powinien być odpowiedni (napięcie wejściowe z zakresu 2-16,5V oraz regulowane napięcie wyjściowe lub 12V na stałe). Maksymalna moc wynosi zatem 24W.
Możesz również kupić urządzenie zwane "awaryjną przenośną ładowarką ogniw AA" i wykorzystać elektronikę znajdującą się wewnątrz jej. Autor projektu kupił dla zabawy takie urządzenia za 1€, dlatego, że przesyłka z Chin do Szwecji była darmowa. Wewnątrz urządzenia jest coś w rodzaju tzw. złodzieja dżuli (z ang. Joule-thief), może nie jest to idealny układ dla naszego zastosowania, jednak jest całkiem wydajny w porównaniu do jego rozmiarów.
Pełna specyfikacja mikrokontrolera Max757 znajdują się w tym pliku PDF:
Link
• Minimum start-up voltage (@10mA load): 1.1V
• Minimum start-up voltage (@300mA load): 1.7V
• Minimum operating voltage (@20mA load): 0.7V
• Input voltage range: -0.3 to +7V
• Output voltage range: 2.7 to 5.5V
• Maximum output load (@input voltage=2V): 200mA@5V, 300mA(_at_)3.3V
• Maximum output load (@input voltage=1V): 50mA@5V, 75mA(_at_)3.3V
• Efficiency: Max 87% (depends on input voltage and output load
• Quiscent current (@no load, 2V input, 3.3V output): 60µA
• Operating temperature: 0ºC to +70ºC (Using Max75_C__)
Aby dowiedzieć się więcej, warto spojrzeć na wykresy graficzne.
Fizyczny rozmiar finalnej wersji płytki (szerokość X długość X wysokość): 30x47x27mm (bez cewki, wysokość 17mm).
Krok 2: Materiały
Autor podczas doboru elementów kierował się specyfikacją mikrokontrolera Max757. Wybierał również elementy, które były aktualnie w magazynie oraz były jak najtańsze. Zwróć uwagę na to, że wybór innych komponentów może okazać się wyborem lepszym. Spójrz na obrazek zawierający schemat obwodu. Autor naniósł kilka modyfikacji w oryginalnym layoucie. Dowiedział się, że aby mikrokontroler pracował poprawnie pin 1 (SHDN) musi być podłączony do pinu 6 (OUT). Jeśli pozostanie on niepodłączony, obwód będzie bardzo niestabilny. Jeśli zaś zostanie uziemiony, wzmacniacz zpozostanie wyłączony.
Cewka:
Musi przewodzić prąd do 1,2A (przynajmniej) oraz mieć małą rezystancję DC (<0.03 Ω), dla jak najlepszej wydajności. Autor znalazł cewkę 4.6A/0,031 Ω.
Kondensatory:
Powinny mieć niską wartość ESR (wypadkowa rezystancja szeregowa), dla jak najlepszej wydajności. Autor zastosował jeden kondensator foliowy (C3=0.1µF) I dwa aluminiowe kondensatory elektrolityczne (C1=150µF i C2=100µF). Oraz dodatkowo jeden kondensator foliowy (C4=1µF) połączony równolegle z kondensatorem C2, dla filtrowania wysokich częstotliwości.
Dioda prostownicza:
Zaleca się zamontowania przełączającej diody Shottky’ego dla jak najlepszej wydajności. Autor zastosował 1N5817.
Rezystory:
Ich dokładne wartości nie mają aż tak dużego znaczenia. Prąd powinien być bardzo mały. Napięcie wyjściowe jest wyznaczane z zależności:
VOUT = (VREF) [(R1 + P1) / R1], gdzie VREF = 1.25V. Oraz prościej P1 = (R1) [(VOUT / VREF) - 1]
R1 oraz P1 powinny mieć typowe wartości od 10kΩ do 200kΩ. Autor wybrał wartość R1=47kΩ. Chciał uzyskać przedział napięcia pomiędzy 2,7V, a 5,5V. A więc P1 powinien przyjmować wartości z przedziału od 55kΩ do 160kΩ. Aby to osiągnąć autor połączył dwa rezystory (P1R1 & P1R2), 47kΩ i 10kΩ (rezystor 57kΩ byłby najbardziej odpowiedni, jednak autor nie posiadał takiego) w szereg z potencjometrem o wartości 100kΩ. To zaś daje przedział 57-157kΩ i napięcie wyjściowe od 2,77V do 5,43V.
Jeśli potrzebujesz dodatkowo detektora niskiego poziomu naładowania baterii (pin-LBI), powinieneś zamontować 2 dodatkowe rezystory. Napięcie progowe jest wyznaczane wtedy przez wartości rezystorów R3 i R4, zgodnie z następującą zależnością:
R3 = [(VIN / VREF) - 1] (R4)
Gdzie VIN jest oczekiwaną wartością napięcia progowego dla detektora niskiego poziomu naładowania baterii, R3 i R4 tworzą dzielnik wejściowy na LBI, a VREF jest wewnętrznym napięciem odniesienia o wartości 1,25V. R3 i R4 standardowo powinny mieć wartości od 10kΩ do 200kΩ. W tym projekcie zostało to jednak pominięte. Zajrzyj do pliku PDF specyfikacji układu Max757.
W prezentowanym układzie została dodatkowo zamontowana czerwona diode LED połączona szeregowo z rezystorem o wartości 470Ω (R2), aby sygnalizować stan pracy OK/ON.
Podstawka pod mikrokontroler:
Warto jest zamontować podstawkę pod mikrokontroler. W razie gdyby uległ awarii lub uszkodzeniu bardzo łatwo jest go wymienić .
Płytka (prototypowa płytka uniwersalna):
Autor w swoim projekcie wykorzystał fabryczna prototypową płytkę uniwersalną ze starego projektu. Płytka jest fragmentem większego arkusza o wymiarach 100x160mm, który kosztował 3€.
Można ją kupić na stronie farell.com. Numery elementów podane są w nawiasach. Autor w projekcie wykorzystał nieco inną płytkę, rezystory, potencjometry i złącza niż te podane poniżej, jednak są one bardzo podobne do tych wypisanych na liście.
• IC (DC-DC step-up): MAX757CPA+ - IC, DC/DC UP CONVERTER, DIP8, 757 [1290852]
• Socket (DIP8): TE CONNECTIVITY / AMP - 1-390261-2 - SOCKET IC, DIL, 0.3", 8WAY [1101345]
• C1 (150µF): PANASONIC - EEUFR1H151, RADIAL, 50V, 150UF [1800679]
• C2 (100µF): PANASONIC - EEUFC1H101, RADIAL, 50V, 100UF [1848464]
• C3 (0.1µF): EPCOS - B32529C104J, FILM, 0.1UF, 63V, RADIAL [2112914]
• C4 (1µF): EPCOS - B32529C105J, FILM, 1UF, 63V, BOXED [1692372]
• D1 (1N5817): VISHAY FORMERLY I.R. - VS-1N5817, SCHOTTKY, 1A, 20V [1463212]
• D2 (LED): MULTICOMP - 703-0100, 5MM, RED, 400MCD, 643NM [2112111]
• L1 (22µH): PANASONIC - ELC16B220L, 22UH, 4.6A, 0R031 [1749170]
• P1R1 (10kΩ): MULTICOMP - MF25 10K, 10K, 0.25W, 1% [9341110]
• R1&P1R2 (47kΩ): MULTICOMP - MF25 47K, 47K, 0.25W, 1% [9341960]
• R2 (470Ω): MULTICOMP - MF25 470R, 470R, 0.25W, 1% [9341943]
• P1(100kΩ): TE CONNECTIVITY / CITEC - CB10LH104M, SIDE, 100K [1227527]
• Terminal block: IMO PRECISION CONTROLS - 20.101M/2, PCB, 2WAY, 22-12AWG [9632670]
• Prototype board: ROTH ELEKTRONIK - RE523-HP - PCB, FR2, STRIPES, 2.54MM [1172112]
Potrzebne narzędzia:
-Lutownica
-Szczypce lub kombinerki
-Ostry przedmiot (np. Nóż)
-Mała piłka do cięcia
Krok 3: Wstępne testy
Autor projektu pisze, że zawsze testuje montowane obwody jeszcze przed całkowitym ich polutowaniem, aby upewnić się, że działają one zgodnie z oczekiwaniami. Jeśli masz taką możliwość, postępuj tak samo.
Wyniki:
Napięcie wyjściowe jest takie samo, jakie autor założył przy projektowaniu obwodu, czyli od 2,77V do 5,39V. Jeśli napięcie maksymalne jest zbyt niskie, może być to spowodowane niedokładnością potencjometru, powinieneś znaleźć inny, o wartości jak najbardziej zbliżonej do 100kΩ. Natężenie prądu, który może być pobrany z obwodu przy różnych napięciach wejściowych jest automatycznie ograniczany, zgodnie z wykresem graficznym. Kiedy prąd rośnie, napięcie spada. Jeśli potrzebujesz na przykład prądu o natężeniu 500mA przy napięciu 5V, napięcie wejściowe musi wynosić co najmniej 4V.
Krok 4: Konstruowanie obwodu
Projektowanie:
Autor rozpoczął projektowanie od rozmieszczenia elementów w sprytny i efektywny sposób. Ścieżki przewodzące powinny być w miarę możliwości maksymalnie wykorzystane, maksymalnie dwie ścieżki mogą zostać przecięte i można wykorzystać maksymalnie trzy zewnętrzne przewody. Stworzenie jak najbardziej zoptymalizowanego layoutu płytki z jak najmniejszą ilością dodatkowych przewodów jest chyba największym wyzwaniem (być może istnieje jakieś oprogramowanie, które zrobi to za nas). Można tego uniknąć jeśli użyjemy zwykłej płytki drukowanej. Jeśli nie chcesz tworzyć własnego projektu płytki, skorzystaj z tego, wykonanego przez autora projektu. Należy zwrócić jednak uwagę na to, że gdzieniegdzie jest bardzo mało miejsca, więc zamontowanie niektórych elementów może być problematyczne, trzeba to zrobić w sposób sprytny i umiejętny.
Rozmieszczenie elementów (kolor niebieski):
Rozmieść wszystkie elementy w odpowiednich miejscach I przytwierdź je za pomocą taśmy (aby uniknąć ich wypadania podczas obracania i poruszania płytką). Spoglądaj na ilustrację, aby umieścić w odpowiednim miejscu każdy element. Upewnij się, że zamontowane kondensatory elektrolityczne i diody mają odpowiednią biegunowość. Podstawka pod mikrokontroler również musi być odpowiednio usytuowana.
Lutowanie:
Powinieneś mieć podstawowe umiejętności w lutowaniu. Płytka prototypowa może okazać się zawiła dla początkujących. W tym kroku przylutuj wszystkie komponenty od razu. Dwukrotnie sprawdź poprawność wszystkich połączeń oraz umiejscowienie elementów. Przewody utnij tak krótko, jak się da.
Przecięcia (kolor czerwony):
Trzeba przerwać kilka ścieżek, aby płytka działała poprawnie z tym layoutem. Użyj czegoś wąskiego i ostrego, aby przeciąć ścieżkę na szerokość około 0.5-1mm. Spójrz na obrazki przedstawiające gdzie należy dokonać cięć. Jest ich 10.
Zewnętrzne przewody (kolor zielony):
Konieczne będzie zamontowanie kilku dodatkowych przewodów, tak jak pokazano to na ilustracji. Autor musiał wykorzystać dodatkowo 7 przewodów. Bezpieczniej jest umieścić je na płytce po stronie elementów, aby przez przypadek nie doprowadzić do zwarcia. Przewód W3 jest bardzo trudny to zamontowania, dlatego też autor przylutował go w sposób specjalny (poprzez nóżkę od starego rezystora przylutowaną do przewodu). Przewód W7 został przylutowany po stronie ścieżek, bez izolacji. Niektóre z przewodów, dla zoptymalizowania wydajności obwodu powinny być nieco grubsze (autor użył przewodów ze starego zasilacza komputerowego ATX):
1. Pomiędzy wspólną masą [W1]
2. Pomiędzy pinem 8 (LX) i L1 [W2]
3. Pomiędzy pinem 6 (OUT) i D1 [W3]
Krok 5: Testowanie oraz zakończenie
Podłącz źródło napięcia do zacisku wejściowego i powoli zwiększaj napięcie (z nieobciążonym wyjściem). Mikrokontroler uruchomi się, a dioda LED powinna zaświecić się po osiągnięciu wartości około 1V. Jeśli nie uruchomi się przy wartości 2V, coś jest na pewno nie tak, odłącz napięcie wejściowe, aby nie uszkodzić mikrokontrolera.
Autor ponownie zmierzył napięcia wyjściowe, aby ustalić czy zakres pozostał bez zmian (od 2,77V do 5,39V). Następnie zmierzył wydajność przy wejściowym napięciu 2,5V/340mA oraz wyjściowym 4,94V/150mA. Wyliczył z tych wartości moc, (4,94*0,150)/(2,5*0,340)=0,74/0,85W, co daje wydajność rzędu 87%. Taki rezultat jest całkiem zadowalający. Wydajność maleje przy niższym napięciu wyjściowym, jednak mimo to jest nadal akceptowalna. Aby osiągnąć pełną wydajność, należałoby użyć lepszych elementów oraz zmodyfikować layout. Niektóre połączenia nie powinny przekraczać 5mm, tak jak uwzględniono to na oryginalnym schemacie w pliku PDF. Pozostały dwie wolne ścieżki, które mogłyby zostać wykorzystane jako wspólna baza, autor próbował zastosować to rozwiązanie, jednak rezultaty były te same. Może to być również wina przestarzałego 10-letniego miernika, którym posługiwano się w trakcie pomiarów przy tym projekcie.
Zmierzono również wydajność przy maksymalnym napięciu wejściowym I wyjściowym. Czyli 3V/900mA na wejściu I 4,66V/460mA na wyjściu. Po obliczeniu mocy (4,66-0,46)/(3*0,9)=2,14/2,7W, co daje wydajność na poziomie 79%.
Autorowi projektu udało się za pomocą tego urządzenia naładować iPhone’a 4S. Urządzenia ładowało prądem 500mA przy wejściowym napięciu 3V i wyjściowym napięciu 4,7V. Obniżenie napięcia wejściowego do 2V dało 4,4V na wyjściu oraz prąd 300mA (ładowanie przy takich wartościach prądu i napięcia było dość wolne). Maksymalny prąd i napięcie ładowania dla iPhone’a to 5V/1A, pochodzące ze standardowej ładowarki. Ten obwód nie jest w stanie uzyskać takich wartości wyjściowych, w razie potrzeby warto więc zainteresować się wspomnianym wcześniej wydajniejszym układzie scalonym.
Autor porównał swoją konstrukcję z układem Mintyboost, wersja 3 kitu od Adafruit. Naładował iPhone’a i zmierzył rezultaty dla 3 różnych napięć wejściowych, 2, 3 i 4 woltów.
MintyBoost:
2V in => 4.4V*300mA=1.3W out
3V in => 4.5V*400mA=1.8W out
4V in => 4.6V*470mA=2.2W out
Prezentowana konstrukcja:
2V in => 4.4V*300mA=1.3W out
3V in => 4.7V*500mA=2.35W out
4V in => 4.95V*500mA=2.5W out
Wyniki były podobne przy 2V, jednak prezentowana konstrukcja była wydajniejsza przy wyższych napięciach. Te wartości mogą być inne podczas ładowania innych telefonów, ponieważ produkty Apple są całkiem ciężkie do współpracy…
Zakończenie:
W ostatnim kroku należy przyciąć płytkę za pomocą małej piłki. Można wywiercić również dwa otwory, w razie potrzeby przymocowania gdzieś urządzenia.
Źródło:Link
Cool? Ranking DIY
