Различные адаптеры и стабилизаторы напряжения являются одной из самых популярных тем среди радиолюбителей. Представленный в данной статье стабилизатор построен на популярной микросхеме LM2576, выпускаемой National Semiconductor. В своем корпусе она содержит практически все элементы высококачественного импульсного стабилизатора.
Микросхема LM2576 в своей структуре имеет систему защиты, которая предотвращает перегрев и повреждение структуры выходного транзистора вследствие перегрузки.
Особенность LM2576
- Версии с фиксированным выходным напряжением на 3,3 В, 5,0 В, 12 В, 15 В
- Версия с регулируемым напряжением: от 1,23 до 37 В ± 4%
- Выходной ток до 3,0 A
- Широкий диапазон входного напряжения: до 45В
- Для работы LM2576 достаточно всего четыре внешних компонента
- Фиксированная частота внутреннего генератора 52 кГц
- Высокая эффективность
- Применение легкодоступных типовых индуктивностей
- Защита по температуре и по току
Распиновка LM2576
Скачать dataseet LM2576 (244,4 Kb, скачано: 1 724)
Принципиальная схема применения LM2576 в качестве источника питания показана ниже.
В данном случае, к стандартной схеме подключения из datasheet, был добавлен выпрямительный мост, светодиод играющий роль индикатора и конденсатор C1 в качестве фильтра входного напряжения.
Выходное напряжение стабилизатора устанавливается с помощью потенциометра R2. Оно изменяется в соответствии с формулой:
Uвых = 1,23 [В] * (1 + R2/R3)
Максимальное напряжение, которое можно подать на вход микросхемы LM2576, не должно превышать 45 В. Монтажная схема стабилизатора показана на следующем рисунке. Вся схема собрана на небольшой односторонней печатной плате.
Резисторы R1 и R3 необходимо припаять со стороны пайки. Если схема стабилизатора будет работать с током нагрузки более 1 А, то необходимо LM2576 установить на небольшой радиатор.
Мы знакомы с линейным регуляторами, особенно трехвыводные TO-220 типа 7805 и LM317, Они являются недорогими, и их малошумящая и быстрая переходная характеристика делают их идеальными для многих приложений. Их один недостаток — неэффективность. Например, 7805, при входном напряжении 12В и токе 1А, на нагрузке будет 5 Ватт, и 7 Ватт рассеется на 7805. Плюс, требуется радиатор для охлаждения.
Когда важна эффективность — при работе от батареи — мы выбираем импульсный регулятор. Фактически, самое современное оборудование использует в виде автономных источников питания и импульсных регуляторов. Но много радиолюбителей, увлечённых своим хобби, уклоняются от импульсных регуляторов. Использование LM3524 требует большое количество внешних деталей, так-же и внешнего коммутационного транзистора. И большие требования для катушки индуктивности. Как выбрать правильно, и где их взять?
К счастью, более новый импульсный регулятор, типа LM2576 от National Semiconductor’s, позволяет собирать так же легко, как использование 7805.
Микросхема выпускается в пятивыводном корпусе типа TO-220 как показано на рис. 1, так же и ТО-263 для поверхностного монтажа. Выходной ток — до 3А и на несколько напряжений (3.3V, 5 V, 12V, 15V) и в версии регулируемого выхода.
При проектировании получается малый размер платы. Мы спроектируем схему, использующую LM2576T-AD (версия с регулируемым выходом в корпусе ТО-220). Схема показана на рис.2.
Перечень элементов
| Пункт | Описание |
| Катушка индуктивности | 220-330 мкГн 1A постоянного тока (см. текст) |
| R1 | Проволочный, 2 kОм |
| C1 | 330 мкФ 35VDC, с малым ESR |
| C2 | 1200 мкФ 35VDC |
| D1 | 1N4001 |
| D2 | 1N5819 |
| 1C | LM2576T-ADJ |
Немного теории
В линейных регуляторах внутренний транзистор всегда проводит ток. Но в импульсном регуляторе, внутренний транзистор работает в импульсном режиме.Когда транзистор полностью открыт, на нем почти не рассеивается мощность. Когда же он отключен, ток через него не проходит, и таким образом, Рассеиваемая мощность — 0. Но как получить регулируемое напряжение, если транзистор находится только во включенном и выключенном состоянии? Здесь нам поможет катушка индуктивности. Посмотрите Рис.3, здесь показана упрощенная версия нашей схемы.
Рис.3(A), выключатель закрыт. Ток проходит от источника питания, через катушку индуктивности, через нагрузку, и назад, к источнику питания. Магнитное поле повышается в катушке индуктивности, и на конденсаторе повышается напряжение. Поскольку ее магнитное поле расширяется с увеличением тока, катушка индуктивности противодействует потоку тока, генерируя обратный эдс, что обозначено положительным знаком. Заметьте, что диод подключен в обратной полярности и ток не проводит.
Рис.3(B), выключатель разомкнут. Ток не проходит через катушку индуктивности. Но магнитное поле запасло энергию в катушке индуктивности, и энергия не может просто исчезнуть. Таким образом магнитное поле катушки индуктивности генерирует напряжение, которое держит ток, текущий в том же самом направлении, что обозначено положительным знаком. Ток, протекающий при незамкнутом выключателе — свободная энергия передается от катушки индуктивности до нагрузки. Напряжение, генерируемое катушкой индуктивности будет проходить через диод и течет в замкнутом контуре.
При включении выключателя снова, цикл повторяется. Выходное напряжение определено рабочим циклом выключателя. Рабочий цикл установлен контуром обратной связи, не показанным в иллюстрации 3. Конденсатор понижает пульсации напряжения на нагрузке.
Рабочий цикл и Выходное напряжение
Давайте определять время цикла импульсов как инверсия частоты импульсов: T = 1/f. Тогда рабочий цикл (d) — отношение времени, пока импульсник закрыт для времени цикла.
В импульсном регуляторе отношения между выходным напряжением (Vout) и входным напряжением (Vin) зависит от рабочего цикла:
Vout = d x Vin
Теперь, когда мы знаем теорию, давайте соберем схему.
Построение
Перед созданием платы, соберем схему на макетной плате. На Рис.4 схема собрана на перфорированной макетной плате.
На Рис. 4, Вы можете видеть, что все связи спаяны с другой стороны монтажной платы. Токовые цепи пропаиваем толстым проводом для уменьшения сопротивления проводника. В Импульсном регуляторе важно соеденить все части заземления коротким проводом с низким сопротивлением. Если микросхема греется, необходимо установить нгебольшой радиатор.
Как только схема на макетной плате была проверена, можно собрать печатную плату, как показано на рис.5 (катушка индуктивности — за большим конденсатором в середине). И хотя на Рис. 5 показана двусторонняя печатная плата, на стороне монтажа — одна перемычка. Остальная часть со стороны монтажа — надписи (V и т.д.). Можно собрать односторонюю плату с единственной проволочной перемычкой.
Катушка индуктивности
Так как это — ключевой компонент, мы сначала обсудим ее. В даташите от National Semiconductor для LM2576 описано, как выбрать катушку индуктивности.
Мы собираем проект с током до 1 ампера и напряжением 12-32 В. Посмотрите на Рис.6, На графике видна зависимось индуктивности от тока и напряжения. Наша область применения лежит в пределах 220-330 мкГн. Заметьте, что более высокое входное напряжение требует большей индуктивности. Я фактически не подхожу к 40 В, таким образом мы выбираем индуктивность — 220 мкГн. (Можно использовать и 330 мкГн, ничего не сгорит, но изменится частота переключения.)
Диоды
Как упомянуто раньше, диод D1 защищает от входного напряжения обратной полярности. Можно использовать 1N4001 или подобный диод. Диод D2 — импульсный диод. Как обсуждалось, импульсный диод обеспечивает петлю для катушки индуктивности, когда выключатель открывается. В импульсном регуляторе выключатель открывается и закрывается намного быстрее чем 60 раз в секунду. LM2576 переключает с частотой 52 кГц; другие регуляторы переключают в частотах выше мегагерц, таким образом выбор импульсного диода важен.
В то время как диоды1N4001 прекрасно работают с частотой в 50-60 Гц, они не работают так хорошо над высокими частотами, используемыми в импульсных регуляторах. Определенное количество емкости связано со смещением диода. Время, требуемое для переключения диода, называют обратным временем восстановления (trr). Для 1N4001, trr — приблизительно 30 нСек.
Но при частоте 52 кГц, время цикла — T — 1 / (52 x 1000) который является приблизительно 19 нСек. Что случилось бы, Если бы мы использовали 1N4001 как импульсный диод в нашей схеме? Со временем восстановления почти в два раза больше, чем время цикла, диод никогда не прекращал бы проводить. Мы могли бы также заменить это частью провода! Очевидно, мы нуждаемся в более быстром диоде. Есть несколько типов импульсных диодов, разработанных, чтобы использовать как импульсные диоды; они имеют маленький trr. Один тип, обычно используемый — диод Шотки. В этом проекте мы будем использовать 1N5819 диод Шотки, который имеет trr меньше чем 10 наносекунд и падение напряжения 0.6 В при одном ампере. Для сравнения, диод 1N4001 имеет падение напряжения 1.1 В при 1 А.
Конденсаторы
В нашем регуляторе требуется два электролитических конденсатора, C1 и C2. C2 должен отфильтровывать пульсации выходного напряжения. Так как у нас частота переключения 52 кГц, требования к C2 меньше чем, если бы он отфильтровывал при частоте в 50-60 Гц при линейном регуляторе напряжения. Рис.8 показывает пульсации, которые отфильтровывает C2. С другой стороны, функция C1 должна гасить импульсы тока при работе LM2576. Рис.9 показывает, как проходил бы ток LM2576. Отметьте быстрое время переключения. Без C1, индуктивность в проводе между Vin и LM2576 вызывала бы снижение напряжения каждый раз при переключении, и схема будет непостоянна.
Как и с диодами, подходят не все электролитические конденсаторы. Два важных параметра для конденсаторов фильтра — ток пульсаций и эквивалентное сопротивление (ESR).
Для C2, мы можем использовать универсальный алюминиевый электролитический конденсатор. Я использовал 1200 uF.
Посмотрите еще раз на Рис.9. Та квадратная волновая форма означает высокий ток пульсаций, таким образом C1 должен иметь очень низкий ESR, чтобы препятствовать конденсатору нагреваться. (Я видел, что конденсаторы становятся настолько горячими, что обжигали палец.).
Обратная связь
Потенциометр R1 параллельно выходному напряжению обеспечивает обратную связь, требуемую LM2576 для поддержки выходного напряжения постоянным. Значение R1 важно. Если будет слишком большим, то выходное напряжение понизится при увеличении тока. Если будет слишком маленьким, Вы теряете мощность. Значение 2 кОма будет оптимальным. Я использовал проволочное сопротивление.
Диапазон Напряжений
Выходное напряжение может быть отрегулировано от минимума приблизительно 1.2 вольта до максимума близко к входному напряжению. Стандартная версия LM2576 рассчитана на 40 вольт. Версия HV имеет максимальное напряжение 60 вольт. Для этого проекта, Vin ограничено в 35В конденсаторами.
В статье описаны простые импульсные регулируемые стабилизаторы напряжения (понижающие, step-down) на 1.2 .. 40В, с током защиты 3А. Они основаны на микросхемах LM2576T-ADJ и LM2596T-ADJ компании National Semiconductor.
Схема электрическая принципиальная EK-2596Kit
Модуль может работать в режиме стабилизатора тока, что может использоваться для заряда аккумуляторов стабильным током, питания различных нагрузок, питания мощного светодиода или группы светодиодов.
Для включения модуля стабилизатором тока необходимо параллельно резистору R1 установить резистор, номинал которого вычисляется по формуле: R=1.23/I
| Параметр | Значение |
| Входное напряжение, не более | 40В |
| Выходное напряжение | 1. 40В |
| Выходной ток во всем диапазоне напряжений, не более | 3А |
| Срабатывание защиты по выходному току | 3А |
| Частота преобразования | 150 кГц |
| Размеры: Д, Ш, В | 49х27х25мм |
| Масса | 30 г |
Перечень элементов стабилизатора напряжения
| Позиция | Номинал | Количество |
| C1 | 470 мкФ х 50В | 1 шт. |
| C2 | 470 мкФ х 50В | 1 шт. |
| R1 | 1.2 кОм | 1 шт. |
| D1 | 1N5822 | 1 шт. |
| IC1 | LM2596T-ADJ | 1 шт. |
| L1 | 120 uH | 1 шт. |
| Печатная плата | 1 шт. | |
| PLS-06R | 1 шт. |
Работа устройства и рекомендации
Модуль является более миниатюрным аналогом модуля EK-2576 за счет большей частоты преобразования. И имеет меньшую амплитуду пульсаций на выходе.
Регулируемый импульсный стабилизатор напряжения предназначен как для установки в радиолюбительские устройства с фиксированным выходным напряжением так для лабораторного блока питания с регулируемым выходным напряжением. Так как стабилизатор работает в импульсном режиме, он имеет высокий КПД и, в отличие от линейных стабилизаторов, не нуждается в большом теплоотводе. Как правило, достаточно радиатора 100 см 2 . Устройство имеет тепловую защиту и защиту по выходному току = 3А. Внимание! Выходное напряжение не может превышать напряжение на входе. Для того чтобы начать эксплуатировать стабилизатор необходимо припаять переменный резистор = 47 Ком (для установки в устройства с фиксированным выходным напряжением — постоянный резистор) резистор не следует устанавливать на длинные провода.
1 и 2 — контакты подключения подстроечного/переменного резистора.
3 — выход плюс.
4 — выход минус.
5 — питание минус.
6 — питание плюс.
Внимание! При подключении соблюдайте полярность!
Габаритный чертеж и расположение элементов на печатной плате EK-2596Kit
Лабораторный блок питания с цифровой индикацией выходного напряжения. (EK2596 + SVH0001)
Включение модуля стабилизатором тока для питания группы 3W светодиодов
Схема электрическая принципиальная регулируемого импульсного стабилизатора
| Параметр | Значение |
| Входное напряжение, не более | 40 В |
| Выходное напряжение | 1. 40 В |
| Выходной ток во всем диапазоне напряжений, не более | 3 А |
| Срабатывание защиты по выходному току | 3 А |
| Частота преобразования | 52 КГц |
Перечень элементов стабилизатора напряжения
| Позиция | Номинал | Количество |
| C1 | 2200 мкФ х 50 В | 1 шт. |
| C2 | 2200 мкФ х 50 В | 1 шт. |
| R1 | 1.2 КОм | 1 шт. |
| D1 | 1N5822 | 1 шт. |
| DA1 | LM2576T-ADJ | 1 шт. |
| L1 | 100 uH | 1 шт. |
| Печатная плата | 1 шт. |
Порядок работы устройства и рекомендации
Регулируемый импульсный стабилизатор напряжения предназначен как для установки в радиолюбительские устройства с фиксированным выходным напряжением так для лабораторного блока питания с регулируемым выходным напряжением. Так как стабилизатор работает в импульсном режиме, он имеет высокий КПД и, в отличие от линейных стабилизаторов, не нуждается в большом теплоотводе. Как правило, достаточно радиатора 100 см 2 . Устройство имеет тепловую защиту и защиту по выходному току = 3А. Выходное напряжение не может превышать напряжение на входе. Для того чтобы начать эксплуатировать стабилизатор необходимо припаять переменный резистор = 47 Ком (для установки в устройства с фиксированным выходным напряжением — постоянный резистор) резистор не следует устанавливать на длинные провода.
1. Подключить питание на входа "+Вход" и "-Вход"
2. Подключить переменный резистор на контакты "R" и "R"
3. Подключить нагрузку на выхода "+Вых" и "-Вых"
Для конструирования лабораторного блока питания с регулируемым выходным напряжением рекомендуется использовать цифровой встраиваемый вольтметр EK-2501.
Внимание! При подключении соблюдайте полярность!
Лабораторный блок питания с цифровой индикацией выходного напряжения
Расположение элементов на печатной плате
1. LM2596 — SIMPLE SWITCHER Power Converter 150 KHz 3A Step-Down Voltage Regulator.
2. Утилита для разработки стабилизаторов напряжения (и не только их) — WEBENCH® Power & LED Designer.
3. MAX710, MAX711 — 3.3V/5V or Adjustable, Step-Up/Down DC-DC Converters (автопереключение преобразования напряжения Step-Up/Down, вх. напряжение +1.8 V..+11 V, выходное напряжение 5 V/250 mA при вх.=1.8 V, 5 V/500 mA при вх.=3.6 V, не нужны внешние FET транзисторы, в режиме Shutdown отключение от вх. напряжения, потребление от вх. 200 μA без нагрузки (вх.=4 V), 7 μA в режиме Standby, 0.2 μA в выкл. режиме, режимы Low-Noise и High-Efficiency).
4. MC34063AB — MC34063AC, MC34063EB — MC34063EC, DC/DC converter control circuits (выходной ток ключа 1.5 A, 2% точность, типичный ток потребления 2.5 mA, вх. напряжение 3..40 V, частота преобразования до 100 кГц, ограничение выходного тока).
5. Высокоэффективный понижающий преобразователь с использованием синхронного контроллера LT1773.
