Понизить напряжение имеющегося источника питания – задача не такая простая. Применение делителей (к которым можно отнести также параметрические и линейные стабилизаторы) ведет к резкому снижению КПД (например, если надо снизить уровень с 25 до 5 вольт, нагрузке достанется лишь 20% мощности источника питания). По этой причине для подобных задач используются импульсные стабилизаторы напряжения.
Работа импульсного стабилизатора, используемого в качестве DC-DC преобразователя, основана на перераспределении энергии источника во времени. Энергия запасается в дросселе и передается в нагрузку, а по мере уменьшения запаса он возобновляется. Преобразование осуществляется на достаточно высоких частотах (десятки и сотни килогерц), поэтому для сглаживания выходных пульсаций достаточно конденсатора небольшой ёмкости.
Подобные устройства имеют один недостаток – сложную схемотехнику, по этой причине удобно строить такие узлы на базе специализированных микросхем.
Такой микросхемой может служить, например, LM2596. Она имеет основные встроенные узлы:
- мощный ключ и схему управления ключом;
- формирователь опорного напряжения;
- устройство сравнения выходного уровня с опорным.
Чтобы создать базовый DC-DC преобразователь, надо добавить лишь:
- входные и выходные конденсаторы;
- дроссель для запасания энергии;
- диод, создающий путь для протекания тока и убирающий импульсы обратной полярности, возникающие при коммутации дросселя.
Кроме того, надо завести на соответствующий вывод напряжение на потребителе (непосредственно или с делителя).
Для различных целей используются микросхемы:
- LM2596-3.3 – на ней можно построить понижающий преобразователь с выходным уровнем 3,3 вольта.
- LM2596-5 (выходной уровень 5 вольт).
- LM2596-12 (12 вольт).
Помимо этого, существует версия микросхемы LM2596-ADJ, выходное напряжение которой можно регулировать в пределах 1,2..37 вольт.
Верхний предел регулировки напряжения в любом случае не может превышать входной уровень.
Основные характеристики
Главные характеристики микросхемы LM2596 можно посмотреть в таблице.
| Пределы входного напряжения | 3,3 | вольт | 4,75..45 |
| 5 | вольт | 7..45 | |
| 12 | вольт | 15..45 | |
| ADJ | вольт | 4,5…45 | |
| Предельный ток нагрузки | все | ампер | 3,0 |
| Ток, потребляемый по цепи обратной связи | ADJ | наноампер | не более 100 |
| Потребляемый ток | все | миллиампер | 5..10 |
| Потребляемый ток в режиме OFF | все | микроампер | не более 250 |
| Порог включения по входу ON/OFF | все | вольт | 0,6..2 |
| Рабочая частота | все | кГц | 150 |
| КПД | все | % | 73 (при входном напряжении 12 вольт, выходном – 3 вольта и токе 3 ампера) |
Выпускаются микросхемы в версии LM2596HV – они допускает входное напряжение до 60 вольт при тех же значениях выходных напряжений.
How to use LM2596 DC DC buck converter Step Down Voltage
Понижающий модуль LM2596 характеристики и установки
DC-DC преобразователи применяются мастерами в автомобилестроении, а также при изготовлении электроники, вычислительных машин, телекоммуникационного оборудования. Созданные по этому принципу микросхемы применяются для изменения напряжения до требуемых параметров. Одним из таких приборов является преобразователь постоянного напряжения LM2596. О функционировании подобных устройств и конкретных характеристиках этой модели мы расскажем далее.
Содержание
Типы преобразователей
Характеристики микросхемы LM2596
Регулировка и схемы включения
Принцип работы преобразователя
Монтаж
Типы преобразователей
Для потребителей выпускают конвертеры без индуктивности и вместе с ней. Первые используются только для маломощных нагрузок. С ними создают дешевые блоки питания, поскольку берутся самые простые компоненты. Эти преобразователи выпускаются с регулируемым и фиксируемым напряжением.
Модели приборов с индуктивностью больше распространены, они удобней, поскольку применяются без гальванической развязки. В этой цепи есть один источник питания, напряжение в котором понижается и повышается с обратной полярностью.
Индуктивные модули выпускаются нескольких видов:
Понижающие. У них напряжение на выходе ниже, чем на входе. Параметры устройств зависят от нагрузки и основных потребностей. Ключевым элементом является транзистор, который управляется через импульсный модулятор.
Повышающий. Здесь все наоборот: показатель на выходе больше, чем на входе. Уровень увеличивается в несколько раз, при этом его можно стабилизировать и настраивать.
С регулируемым напряжением. Эти детали используются в устройствах с ионной батареей, когда необходимо то повышенное, то пониженное напряжение. Потом устройство ослабевает, но оно все равно способно поддерживать необходимое значение.
С гальванической развязкой. С микросхемами используются импульсные трансформаторы на несколько обмоток. Благодаря этому нет связи между входной и выходной цепью. Разница между параметрами получается существенная, поэтому она используется для компонентов с высоким напряжением.
Для упрощения ремонта или создания деталей есть уже собранные регулируемые блоки питания, где основным элементом выступает микросхема LM2596. Ее наличие прописывают в наименовании товара.
Регулировка и схемы включения
Для получения необходимого уровня напряжения меняют сопротивление в собранной цепи. С этой целью придерживаются блок-схемы, которая предназначена для понижающего модуля. В этом случае контакт обратной связи подключают к резистору. В зависимости от типа микросхемы его подсоединяют к резистору или другой детали. При изменении сопротивления меняется и уровень выходного напряжения.
Монтаж
Для установки понижающего модуля в домашних условиях используют самодельные стойки, которые делают из луженого провода. Его диаметр не должен превышать 1 мм, поскольку сама деталь тоже выпускается в миниатюрном размере. Стойки удобны при использовании, они не смещаются от обычных штырей. Во время работы и припаивания деталей они нагреваются, но не очень сильно.
Похожая конструкция используется, когда к плате требуется припаять провода. Она обеспечивает жесткость и надежную фиксацию. При этом если понижающий модуль выйдет из строя, то не придется много всего переделывать для его замены. В таком случае во время монтажа плата получается по размерам примерно такой же, как у аналогового стабилизатора.
Преобразователь постоянного напряжения LM2596 считается более привлекательным в сравнении с другими деталями, поскольку работает в широком диапазоне напряжений. Даже при использовании минимальных показателей на выходе они увеличатся в несколько раз.
LM2596 2А DC-DC преобразователь понижающий регулируемый
Схемы преобразования напряжения существуют во множестве электронных устройств. Они способствуют уверенному функционированию электрических схем устройств от привычных источников питания, таких как бытовые или промышленные сети постоянного или переменного напряжения, или автономные батареи и аккумуляторы любых типов и размеров. Каждая отдельно взятая схема полностью законченного, готового к эксплуатации прибора, или проектируемого устройства, находящегося на этапах разработки, требует для себя определённого уровня напряжения. И этот необходимый уровень может порой сильно отличаться от многочисленных стандартов напряжения, предлагаемых унифицированными источниками электроэнергии.
Среди большого разнообразия, преобразователи напряжения широко распространены под видом самостоятельных модулей, со свойственными для каждой выбранной модели рабочими характеристиками. Наравне с интегрированными схемами, внешние модули предназначены для задач преобразования переменного или постоянного напряжения до нужного схеме устройства уровня, осуществляя его повышение или понижение. Модули преобразователей называются регулируемыми, потому что в их схемах реализованы возможности принудительного изменения уровня напряжения на выходе, в том числе и способом ручной механической подстройки. Наиболее частое применение подобные модули находят в области конструирования или замещения цепей питания приборов, используются в автоматике, микроэлектронике, робототехнике, а также в других направлениях.
Особенности конструкции
 |
В основе настоящего модуля заложен однокристальный широтно-импульсный преобразователь постоянного напряжения LM2596S, зарекомендовавший себя недорогим и одновременно надёжным решением на протяжении более десятка лет со старта производства. Микросхема преобразователя содержит ШИМ-контроллер, управляющий интегрированным низкоомным МОП-транзистором, переключающим с частотой 150 ±15% кГц, и набор анализирующе-корректирующей логики. Модуль работает с входным постоянным напряжением от 3.5В до 40В, преобразовывая его в постоянные 1.25В ~ 32В на выходе. Верхний 40-вольтовый порог поддерживаемого LM2596S выходного напряжения ограничен установленным в схеме фильтрующим 35-вольтовыми электролитическим конденсатором. Преобразователь укомплектован информационным светодиодным индикатором, извещающем о наличии минимум 3-вольтового напряжения на выходе преобразователя.
Модуль HW-411 выдерживает нагрузки по току до 3А в импульсном, и до 1-1.5А в продолжительном режимах. В интервале токов от 1.5А до 3А модулю HW-411 необходимо усиленное охлаждение.
Отличительной чертой модуля понижающего преобразователя на чипе LM2596-ADJ является малый уровень падения напряжения на выходе. Разница между входом и выходом напряжения без учёта нагрузки не превышает более 2.5%.
На плате модуля нет заранее предусмотренных контуров защиты, предотвращающих возможное повреждение чипа LM2596S и его сопутствующих компонентов от неправильного подключения полюсов напряжения с обеих сторон. Режим блокировки микросхемы с отключением блока преобразования в LM2596S настроен на уровень входного напряжения менее 3.3В.
Подключение и регулировка напряжения на выходе преобразователя
Прямое подключение источника электроэнергии или питаемого устройства к HW-411 возможно через припайку плюсовых и минусовых контактов к соответствующим площадкам входной группы IN+/IN- и площадка группы выхода OUT+/OUT-. В случаях запланированного многократного отключения или подключения к HW-411 источника или потребителя, к выводам IN/OUT рекомендуется припайка соединительных электрических проводных разъёмов или клемм.
Выбор необходимого вольтажа на выходе регулятора HW-411 осуществляется плавным вращением винта подстроечного резистора. Направление по часовой стрелке — увеличение уровня напряжения, в обратном направлении — уменьшение. Для перехода через весь диапазон напряжений, от минимального до максимального значений (или наоборот), потребуется около 25 ± 3 полных оборота вокруг оси. Регулировка напряжения на выходе преобразователя выполняется без подключения нагрузки, замерами потенциала группы OUT при помощи любого вольтметра.
Эффективность преобразования
Коэффициент полезного действия LM2596S-ADJ может достигать 93%. КПД рассчитывается отношением показателей выходной мощности к входной, и напрямую зависит от параметров эксплуатации преобразователя. Понижающий импульсный преобразователь потребляет больше мощности со стороны источника напряжения, и вырабатывает меньше мощности для нагрузочной цепи. Наилучший показатель КПД определяется условием минимальной разницы напряжений между входом и выходом, с наименьшим нагрузочным током. Увеличение любого из этих двух параметров, в большей или меньшей степени приводит к снижению КПД. Более подробно в примерах о КПД преобразователя можно узнать из статьи.
Стабилизация напряжения
Чип понижающего регулятора LM2596S-ADJ выравнивает и стабилизирует напряжение на выходе, пока входное напряжение находится на уровне выше заданного на выходе. Когда напряжение на входе падает ниже установленного порога, напряжение на выходе приравнивается к входному.
Принципиальная схема HW-411
 |
Техническая документация
- Спецификация регулятора NS LM2596S-ADJ (англ., PDF)
Аналоги для замены, datasheet
Аналогами микросхемы считаются:
Хотя функционально эти микросхемы повторяют LM2596, они имеют незначительные отличия в характеристиках, а XL4015 имеет несколько отличающееся расположение выводов. Кроме того, у этой микросхемы вместо вывода управления ON/OFF есть вывод для подключения конденсатора для обхода внутреннего регулятора напряжения. Подробнее об этом можно прочитать в datasheet.
Схемы подключения
Базовая схема подключения LM2596 с регулируемым выходным уровнем, приводится в datasheet на микросхему. Входное напряжение подается на выводы 1 и 3 (с соблюдением полярности). Конденсатор Cin на входе улучшает стабильность работы. Рекомендуемое значение ёмкости для различных сочетаний входных и выходных напряжений можно найти в datasheet на микросхему (то же самое относится к конденсатору Cout).
Энергия для питания потребителя запасается в катушке индуктивности L1. Значения индуктивности для соответствующих входных и выходных уровней также имеются в datasheet.
Уменьшенное значение индуктивности приведет к просадке напряжения при токах нагрузки, близких к верхнему пределу. Увеличенная индуктивность приведет к увеличению габаритов.
На выходе установлен диод D1, создающий путь для протекания тока, когда внутренний ключ микросхемы закрыт, и поглощающий импульс обратной полярности, возникающий при коммутации индуктивности. Выходной конденсатор Cout сглаживает неровности выходного напряжения. Вход управления ON/OFF в данном примере соединен с общим проводом и не используется (преобразователь включен всегда).
Обратная связь, посредством которой устанавливается выходное напряжение, организована посредством делителя на резисторах R1R2. Уровень на нагрузке определяется по формуле U=Vref*(1+R2/R1), где Vref – опорное напряжение, равное 1,23 вольта.
Производитель рекомендует выбирать сопротивление R1 равное строго 1 кОм, причем с точностью 1%.
По тому же принципу подключаются микросхемы с фиксированным выходным напряжением. Единственное отличие – вывод 4 (обратная связь) должен быть подключен непосредственно к нагрузке без делителя напряжения.
Применение недорогих импульсных стабилизаторов напряжения в качестве понижающих DC-DC преобразователей нивелирует сложность изготовления и повышенную стоимость подобных электронных узлов по сравнению с линейными регуляторами. А выпуск готовых модулей на базе этих микросхем еще более упрощает их использование.
Напряжение выхода
Модуль производят в 4 вариантах:
- С напряжением — 3,3 В.
- 5 В.
- 12 В.
- LM2596ADJ — регулируемый вариант.
Повсеместно применяется настраиваемая версия, так как ее много на складах электронных фирм. Она не в дефиците, а дополнения к ней — самые простые, это всего лишь 2 дешевых резистора. Разумеется, популярен и вариант на 5 В.
Чтобы задать выходное напряжение, можно использовать DIP-переключатель или поворотник. И в том, и в другом случае, нужны точные резисторы. Напряжение настраивается без помощи вольтметров.
Как сгладить пульсации напряжения вход
Получается, что если использовать LM2596 как понижающий преобразователь, конденсатор входа, стоящий сразу за диодным мостом, обладает небольшой емкостью от 50 до 100 мкФ.
Конденсатор выхода
Если частота преобразования высока, конденсатор входа тоже должен обладать большой емкостью. Потребитель с высокой мощностью не сможет серьезно снизить работоспособность данного конденсатора в ходе одного цикла.
Ни в коем случае не делайте танталовые конденсаторы входными и выходными. В их даташит указано: “не для использования в цепи питания”, так как они сложно переносят даже небольшое увеличение напряжения, а также, высокий уровень импульсного тока. Пользуйтесь стандартными конденсаторами из алюминия и электролитов.
КПД, уровень эффективности и потери тепла
Коэффициент полезного действия — не самый высокий, так как мощным ключом является двухполярный транзистор. Его падение напряжения не равно нулю, оно составляет 1,2 В. Поэтому эффективность падает и при маленьких напряжениях.
Наибольшая эффективность становится возможной при разнице между напряжением входа и выхода на уровне 12 В. Иными словами, если его снизить на 12 В, большая часть энергии уйдет на тепло.
Будем считать, что когда 12 В преобразуются в 5 В, потери при токе выхода в микросхеме равны 1,3 Вт, ток входа составляет 0,52 А. Это эффективнее преобразователя линейного типа, дающего, как минимум, потерю в 7 Вт. Потребление из сети входа — вдвое больше.
У LM2577 — втрое меньшая частота. Она намного эффективнее, так как потери во время переходных процессов не так высоки. Но устройству требуется повышенные параметры дросселя и конденсатора выхода, что приводит к лишним затратам.
Преобразователь DC-DC LM2596 (HW-411) (вход 3.2 – 40В, вых до 1.25 – 35В, 3А)
Понижающий DC-DC преобразователь напряжения питания с регулируемым выходным напряжением на чипе LM2596S-ADJ. Регулировка напряжения осуществляется при помощи подстроечного резистора, установленного на модуле. Входное напряжение 3.2 – 40 В, выходное 1.25 – 35 В, которое всегда меньше входного. Максимальный выходной ток до 3 А при достаточном охлаждении.
Артикул: d-09-17 Категория: Регуляторы
Описание
Характеристики
Входное напряжение: 3.2 – 40 В;
Выходное напряжение: 1.25 – 35 В (всегда меньше входного не менее чем на 1.5 В)
Максимальный выходной ток: 2 А;
Максимальный пиковый выходной ток: 3 А;
Частота преобразования: 150 кГц;
Эффективность преобразования, максимальная: 92%;
Размеры: 43 x 21 x 14 мм;
Отзывов пока нет.
Будьте первым, кто оставил отзыв на “Преобразователь DC-DC LM2596 (HW-411) (вход 3.2 – 40В, вых до 1.25 – 35В, 3А)” Отменить ответ
Для отправки отзыва вам необходимо авторизоваться.
Основные характеристики
Главные характеристики микросхемы LM2596 можно посмотреть в таблице.
| Пределы входного напряжения | 3,3 | вольт | 4,75..45 |
| 5 | вольт | 7..45 | |
| 12 | вольт | 15..45 | |
| ADJ | вольт | 4,5…45 | |
| Предельный ток нагрузки | все | ампер | 3,0 |
| Ток, потребляемый по цепи обратной связи | ADJ | наноампер | не более 100 |
| Потребляемый ток | все | миллиампер | 5..10 |
| Потребляемый ток в режиме OFF | все | микроампер | не более 250 |
| Порог включения по входу ON/OFF | все | вольт | 0,6..2 |
| Рабочая частота | все | кГц | 150 |
| КПД | все | % | 73 (при входном напряжении 12 вольт, выходном – 3 вольта и токе 3 ампера) |
Выпускаются микросхемы в версии LM2596HV – они допускает входное напряжение до 60 вольт при тех же значениях выходных напряжений.
Маркировка и производители
Микросхема LM2596 выпускается в различных вариантах корпуса. Есть версии для монтажа в отверстия печатной платы, есть для SMD-монтажа.
В любом варианте на корпус наносится маркировка, содержащая название прибора, а также дополнительные сведения в формате AWLYWWG, где:
- A – локация изготовления;
- WL – номер партии;
- Y – год выпуска;
- WW – номер рабочей недели;
- G – индекс упаковки, не содержащей свинца.
Количеству букв соответствует количество цифр. Год обозначается одной буквой, поэтому цифра 3 может означать как 2023, так и 2013, 2003 годы и т.п.
Разработчиком микросхемы считается фирма Texas Instruments, и название модуля обычно ассоциируют с этим производителем. На самом деле LM2596 в настоящее время выпускается многими известными и не очень заводами, многие из которых расположены в Юго-Восточной Азии.
Тестирование понижающего DC-DC преобразователя на LM2596 со встроенным вольтметром
Тестирование начинаем с измерения потребляемого тока на холостом ходу (без нагрузки).
Ток холостого хода измерялся при установке выходного напряжения на 5 В.
При входном напряжении 10 В потребляемый ток составил 24 мА, при входном напряжении 32 В потребляемый ток составил 29 мА.
При этом можно предположить, что значительную часть этого тока потребляет встроенный вольтметр.
Следующая проверка — на точность работы встроенного вольтметра.
Сравнение его показаний с показаниями мультиметра показало, что расхождение между ними при высоких напряжениях (20-30 В) не превосходит 1.5%.
При низких напряжениях ограничением точности становится цена деления младшего разряда, составляющая 0.1 В.
Теперь проверим работу преобразователя под нагрузкой в двух вариантах: при токе в 0.5 от максимально-допустимого и равном максимально-допустимому.
В качестве нагрузки использовался мощный резистор номиналом 2 Ом; результаты приведены в таблице:
| Входное напряжение | Входной ток | Выходное напряжение | Выходной ток | КПД |
| 10 В | 0.63 А | 3 В | 1.5 А | 71% |
| 10 В | 2.35 А | 6 В | 3 А | 77% |
КПД преобразователя примерно соответствует КПД, заявленному производителем для LM2596 и составляющему от 73% при выходном напряжении 3 В и до 90% при выходном напряжении 12 В.
Осциллограмма напряжения в точке соединения микросхемы LM2596S с индуктивностью оказалась необычна:
Импульсы преобразования, как оказалось, идут не одиночные, а пачками по три импульса.
Соответствующую форму имеют и пульсации на выходе преобразователя:
Осциллограммы сняты при входном напряжении 10 В, выходном 3 В и токе выхода 1.5 А.
Возможно, это особенность протестированного экземпляра; но она работе устройства не вредит и представляет только научно-познавательный интерес.
В datasheet для дальнейшего снижения пульсаций рекомендуется использовать дополнительные LC- фильтры.
Теперь посмотрим на тепловые снимки преобразователя для оценки допустимых режимов его работы.
Первый снимок — в режиме тока выхода 1.5 А (входное напряжение 10 В, выходное — 3 В):
Самые яркие (горячие) точки на снимке — это ожидаемо сама микросхема LM2596 и выпрямительный диод SS36 .
Максимальная температура составила 68 градусов. Это, хотя уже и очень тепло, но вполне допустимо.
Теперь — второй теплоснимок, сделанный при токе выхода 3 А (входное напряжение 10 В, выходное — 6 В):
В этом режиме наиболее горячий элемент — уже только один, микросхема LM2596 . Её температура составила почти 120 градусов!
Такая температура уже вплотную подбирается к максимально-допустимой в 125 градусов. Иными словами, такой режим опасен для здоровья и жизни преобразователя.
На этом можно перейти к окончательным итогам.
Окончательный диагноз DC-DC преобразователя на LM2596 со встроенным вольтметром
Преобразователь представляет собой законченное устройство, сразу готовое к работе.
Из особенностей, в первую очередь, надо отметить, что не следует этот преобразователь использовать в режиме с током выхода, равным максимально-допустимому току в 3 А: возможен перегрев и выход из строя.
Правильнее всего его будет эксплуатировать в соответствии с исторически сложившейся и рекомендованной для повышения надёжности традицией: использовать по максимально-допустимым параметрам не более, чем на 75-80%. В данном случае это будет означать, что выходной ток не должен превышать 2.4 А.
Также для улучшения работы и дополнительного подавления пульсаций можно использовать дополнительные конденсаторы, подключенные снаружи со стороны входа и выхода.
Купить протестированный преобразователь можно на Алиэкспресс здесь или здесь, а также и у многих других продавцов.
Если наличие вольтметра не обязательно, то можно купить плату преобразователя с такими же параметрами дешевле, например, здесь (и сама плата будет меньше по габаритам).
Реклама. ООО «АЛИБАБА.КОМ (РУ)» ИНН 7703380158
Весь раздел «Сделай сам! ( DIY) » — здесь.
Ваш Доктор.
03 января 2022 г.
Вступайте в группу SmartPuls.Ru Контакте! Анонсы статей и обзоров, актуальные события и мысли о них.
Порекомендуйте эту страницу друзьям и одноклассникам
Доктора! (Администрация сайта — контакты и информация)
Группа SmartPuls.Ru Контакте — анонсы обзоров, актуальные события и мысли о них
