MC34063 Один из самых распространенных ШИМ (ЧИМ) контроллеров и небольшой экскурс в принципы работы DC-DC конвертеров. Импульсный преобразователь на MC34063A Схемы блока питания от аккумулятора на mc34063
MC34063 представляет собой достаточно распространенный тип микроконтроллера для построения преобразователей напряжения как с низкого уровня в высокий, так и с высокого в низкий. Особенности микросхемы заключаются в ее технических характеристиках и рабочих показателях. Устройство хорошо держит нагрузки с током коммутации до 1,5 А, что говорит о широкой сфере его использования в различных импульсных преобразователях с высокими практическими характеристиками.
Описание микросхемы
Стабилизация и преобразование напряжения — это немаловажная функция, которая используется во многих устройствах. Это всевозможные регулируемые источники питания, преобразующие схемы и высококачественные встраиваемые блоки питания. Большинство бытовой электроники сконструированного именно на этой МС, потому что она имеет высокие рабочие характеристики и без проблем коммутирует достаточно большой ток.
MC34063 имеет встроенный осциллятор, поэтому для работы устройства и старта преобразования напряжения в различные уровни достаточно обеспечить начальное смещение путем подключения конденсатора ёмкостью 470пФ. Этот контроллер пользуется огромной популярностью среди большого количества радиолюбителей. Микросхема хорошо работает во многих схемах. А имея несложную топологию и простое техническое устройство, можно легко разобраться с принципом ее работы.
Типовая схема включения состоит из следующих компонентов:
- 3 резистора;
- диод;
- 3 конденсатора;
- индуктивность.
Рассматривая схему на понижение напряжения или его стабилизации можно увидеть, что она оснащена глубокой обратной связью и достаточно мощным выходным транзистором, который прямотоком пропускает через себя напряжение.
Схема включения на понижение напряжения и стабилизации
Из схемы видно, что ток в выходном транзисторе ограничивается резистором R1, а времязадающим компонентов для установки необходимой частоты преобразования является конденсатор C2. Индуктивность L1 накапливает в себе энергию при открытом транзисторе, а по его закрытию разряжается через диод на выходной конденсатор. Коэффициент преобразования зависит от соотношения сопротивлений резисторов R3 и R2.
ШИМ-стабилизатор работает в импульсном режиме:
При открытии биполярного транзистора индуктивность набирает энергию, которая затем накапливается на выходной ёмкости. Такой цикл повторяется постоянно, обеспечивая стабильный выходной уровень. При условии наличия на входе микросхемы напряжения 25В на ее выходе оно составит 5 В с максимальным выходным током до 500мА.
Напряжение можно увеличить путем изменения типа отношения сопротивлений в цепи обратной связи, подключенной к входу. Также он используется в качестве разрядного диода в момент действия обратной ЭДС, накопленной в катушке в момент ее заряда при открытом транзисторе.
Применяя такую схему на практике, можно изготовить высокоэффективный понижающий преобразователь. При этом микросхема не потребляет избыток мощности, которая выделяется при снижении напряжения до 5 или 3,3 В. Диод предназначен для обеспечения обратного разряда индуктивности на выходной конденсатор.
Импульсный режим понижения напряжения позволяет значительно экономить заряд батареи при подключении устройств с низким потреблением. Например, при использовании обычного параметрического стабилизатора на его нагрев во время работы уходило по меньшей мере до 50% мощности. А что тогда говорить, если потребуется выходное напряжение в 3,3 В? Такой понижающий источник при нагрузке в 1 Вт будет потреблять все 4 Вт, что немаловажно при разработке качественных и надёжных устройств.
Как показывает практика применения MC34063, средний показатель потерь мощности снижается как минимум до 13%, что стало важнейшим стимулом для ее практической реализации для питания всех низковольтных потребителей. А учитывая широтно-импульсный принцип регулирования, то и нагреваться микросхема будет незначительно. Поэтому для ее охлаждения не потребуется радиаторов. Средний КПД такой схемы преобразования составляет не менее 87%.
Регулирование напряжения на выходе микросхемы осуществляется за счёт резистивного делителя. При его превышении выше номинального на 1,25В компоратор переключает триггер и закрывает транзистор. В этом описании рассмотрена схема на понижение напряжения с выходным уровнем 5В. Чтобы изменить его, повысить или уменьшить, необходимо будет изменить параметры входного делителя.
Для ограничения тока коммутационного ключа применяется входной резистор. Рассчитываемый как отношение входного напряжения к сопротивлению резистора R1. Чтобы организовать регулируемый стабилизатор напряжения к 5 выводу микросхемы подключается средняя точка переменного резистора. Один вывод к общему проводу, а второй к питанию. Работает система преобразования в полосе частот 100кГц, при изменении индуктивности она может быть изменена. При уменьшении индуктивности повышается частота преобразования.
Другие режимы работы
Кроме режимов работы на понижение и стабилизацию, также довольно часто применяется повышающий. отличается тем, что индуктивность находится не на выходе. Через нее протекает ток в нагрузку при закрытом ключе, который отпираясь, подаёт на нижний вывод индуктивности отрицательное напряжение.
Диод, в свою очередь, обеспечивает разряд индуктивности на нагрузку в одном направлении. Поэтому при открытом ключе на нагрузке формируется 12 В от источника питания и максимальный ток, а при закрытом на выходном конденсаторе оно повышается до 28В. КПД схемы на повышение составляет как минимум 83%. Схемной особенностью при работе в таком режиме является плавное включение выходного транзистора, что обеспечивается ограничением тока базы посредством дополнительного резистора, подключенного к 8 выводу МС. Тактовая частота работы преобразователя задаётся конденсатором небольшой ёмкости, преимущественно 470пФ, при этом она составляет 100кГц.
Выходное напряжение определяется по следующей формуле:
Uвых=1,25*R3 *(R2+R3)
Используя вышеуказанную схему включения микросхемы МС34063А, можно изготовить повышающий преобразователь напряжения с питанием от USB до 9, 12 и более вольт в зависимости от параметров резистора R3. Чтобы провести детальный расчет характеристик устройства, можно воспользоваться специальным калькулятором. Если R2 составляет 2,4кОм, а R3 15кОм, то схема будет преобразовать 5В в 12В.
Схема на MC34063A повышения напряжения с внешним транзистором
В представленной схеме использован полевой транзистор . Но в ней допущена ошибка. На биполярном транзисторе необходимо поменять местами К-Э. А ниже представлена схема из описания. Внешний транзистор выбирается исходя из тока коммутации и выходной мощности.
Довольно часто для питания светодиодных источников света применяется именно эта микросхема для построения понижающего или повышающего преобразователя. Высокий КПД, низкое потребление и высокая стабильность выходного напряжения – вот основные преимущества схемной реализации. Есть много схем драйверов для светодиодов с различными особенностями.
Как один из многочисленных примеров практического применения можно рассмотреть следующую схему ниже.
Схема работает следующим образом:
При подаче управляющего сигнала внутренний триггер МС блокирован, а транзистор закрыт. И через диод протекает зарядный ток полевого транзистора. При снятии импульса управления триггер переходит во второе состояние и открывает транзистор, что приводит к разряду затвора VT2. Такое включение двух транзисторов обеспечивает быстрое включение и выключение VT1, что снижает вероятность нагрева из-за практически полного отсутствия переменной составляющей. Для расчета тока, протекающего через светодиоды, можно воспользоваться: I=1,25В/R2.
Зарядное устройство на MC34063
Контроллер MC34063 универсален. Кроме, источников питания она может быть применена для конструирования зарядного устройства для телефонов с выходным напряжением 5В. Ниже представлена схема реализации устройства. Ее принцип работы объясняется как и в случае с обычным преобразованием понижающего типа. Выходной ток заряда аккумулятора составляет до 1А с запасом 30%. Для его увеличения необходимо использовать внешний транзистор, например, КТ817 или любой другой.
Необходимость наличия зарядного устройства вне доступа к розеткам трудно переоценить.
Взять те же международные поезда, поездка на которых может продлиться около суток-двух. Лидерство в сфере развлекательных устройств в дороге по-прежнему держат мобильники (aka. смартфоны, кому как угодно), а так же планшеты, ноутбуки и электронные книжки.
Так вот что касается ноутбуков - то количество поглощаемой энергии практически невосполнимо в дороге с помощью пальчиковых аккумуляторов либо батареек форм-фактора АА (пальчики) либо ААА (мизинцы). Что касается электронных книг - то их запаса энергии вполне хватает на месяц работы; разумеется, речь идёт об электронных книгах с технологией E-Ink (электронные чернила).
А вот мобильные устройства просто созданы для зарядки в дороге от батареек:)
Сразу скажу, чтобы не заморачиваться - можно купить дёшево крутое портативное зарядное устройство на свой вкус прямо в интернете!
Итак, небольшое отступление в теорию о ёмкости и живучести батареек.
Ёмкость среднестатистического смартфона составляет ~1500mAh при напряжении 3,7V; итого ~5,5W. Ссылаясь на википедию, приведу некоторые данные по типоразмеру "АА":
Угольно-цинковая (солевая) батарейка: 550-1100 мАч.
Щелочная, так называемая алкалиновая батарейка: 1700-3000 мАч.
Литиевая батарейка: 2500-3000 мАч.
Никель-кадмиевый аккумулятор: 600-1000 мАч.
Никель-металл-гидридный аккумулятор: 1400-3000 мАч.
Указанные значения ёмкости солевых и щелочных элементов справедливы при разряде малыми токами, не превышающими десятки мА. При разряде токами в сотни мА, ёмкость этих элементов снижается в несколько раз.
А при зарядке телефонов как раз потребляются сотни mA, из чего следует, что при зарядке аккумулятора мобильного телефона ёмкость батарейки АА упадёт приблизительно до 150-300mAh, что при напряжении 1,5V даст мощность ~0,45W.
Дальше, КПД импульсных преобразователей в среднем составляет 80%, поэтому до телефона дойдёт только ~0.35W. Теперь можно рассчитать, сколько приблизительно нужно таких батареек для одной полноценной зарядки смартфона: 5,5/0,35?16! Шеснадцать штук! Возьмём более конкретный пример: ёмкость аккумулятора моего уже не самого современного смартфона равна 2150mAh. Сколько батареек необходимо для стопроцентной зарядки? Правильно, 23. Поэтому батарейки - это, безусловно, широко доступно, но они отпадают.
Гораздо лучше дела обстоят у аккумуляторных батарей, похожих на "пальчики", но чуть больших по размерам - элементов 18650, средняя ёмкость которых варьируется в пределах 2700mAh при напряжении 3,7V. Средняя мощность таких аккумуляторов соответственно равна около 10W на штуку. Кстати, именно из таких элементов состоят батареи ноутбуков. Получается, что для одной полной зарядки практически любого смартфона хватит одного такого элемента.
Плюсы использования аккумуляторов типоразмера 18650 очевидны:
Достаточно одной - двух штук на две - шесть зарядок;
Перезаряжаемы, т.е. многоразовые;
Не занимают много места.
Минусы не столь очевидны, но всё же они есть:
Дорого;
Для зарядки нужно специальное зарядное устройство.
Итак, с типом источника энергии мы определились, осталось определиться с устройством, которое будет подавать энергию для телефона в удобном ему виде. Всем смартфонам для зарядки нужно 5V. А напряжение нашего источника меньше, поэтому нам необходим повышающий преобразователь. В качестве такового в этот раз выступает Step-Up Inverting Switching Regulator MC34063A.
Ничего страшного в этой микросхеме нет. Для расчётов можно, конечно, воспользоваться даташитом, кучей формул, которые там даны; а можно воспользоваться вот этой формой , введя данные в которую, вы получите список всех необходимых номиналов плюс схему, которая будет меняться на повышающую либо понижающую в зависимости от того, будет ли входное напряжение больше выходного или нет.
Vin - входное напряжение;
Vout - выходное напряжение;
Iout - выходной ток;
Vripple - это напряжение пульсаций;
Fmin - минимальная частота преобразователя.
Я по этой форме и рассчитывал номиналы. Оставалось только купить детальки, вытравить плату и спаять.
Плата получилась такая:
Безусловно, на моих фотографиях надписи с адресом сайта на печатной плате нет:) Но мне будет весьма приятно, если вы её оставите:). Эту плату зарядки для мобильных телефонов на MC34063A можно скачать по этой ссылке. Как видите, на ней присутствует светодиод для индикации наличия выходного напряжения.
По традиции процесс травления:
По завершению которого мы получаем на блюдечке вилочке практически готовую плату:)
Стираем тонер, сверлим, любуемся голой платой с дырками в последний раз...
И аккуратно припаиваем все компоненты на места. В результате получилось вот так:
Да, можно было бы конденсаторы и дроссель положить, но это бессмысленно, так как элемент 18650 будет даже немного выше, так что в один корпус войдёт хорошо:)
Я рассчитывал на входное напряжение три Вольта. Свои пять на выходе получил, и заявленный ток в 200mA устройство выдаёт замечательно.
И вот, наступило время теста. Включаю преобразователь, подключаю телефон через USB и наслаждаюсь радостным свечением индикатора зарядки на телефоне! А помните, я писал, что добавил к схеме светодиод для индикации? Так вот, он заставил меня усомниться в правдивости процесса зарядки.
В отсутствие подключения телефона он просто горит, показывая тем самым, что выходное напряжение присутствует, а когда ставлю телефон на зарядку - светодиод на преобразователе начинает мерцать, что говорит о непостоянстве выходного напряжения.
Оказалось, что батарейки типоразмера ААА, которые я использовал для тестирования очень быстро подсели, так как смартфон требует ток зарядки 500mA.
Поэтому было принято решение отложить испытания до приобретения парочки новых элементов 18650, а так же схема и плата будут модифицироваться добавлением туда полевого транзистора, который примет на себя основную работу по перекачке энергии, да и теплоотвод сделать будет проще.
Некоторое время назад я уже публиковал обзор, где показал как при помощи КРЕН5 сделать ШИМ стабилизатор. Тогда же я упомянул о одном из самых распространенных и наверное самых дешевых контроллеров DC-DC преобразователей. Микросхеме МС34063.
Сегодня я попробую дополнить предыдущий обзор.
Вообще, данную микросхему можно считать устаревшей, но тем не менее она пользуется заслуженной популярностью. В основном из-за низкой цены. Я их до сих пор иногда использую в своих всяких поделках.
Собственно потому я и решил прикупить себе сотню таких микрух. Обошлись они мне в 4 доллара, сейчас у того же продавца они стоят 3.7 доллара за сотню, это всего 3.7 цента за штуку.
Найти можно и дешевле, но я заказывал их в комплект к другим деталям (обзоры зарядного для литиевого аккумулятора и стабилизатор тока для фонарика). Есть еще четвертый компонент, который я заказал там же, но о нем в другой раз.
Ну я наверное уже утомил длинным вступлением, потому перейду к обзору.
Предупрежу сразу, будет много всяких фото.
Пришло это все в пакетиках, замотанное в ленту из пупырки. Такая себе кучка:)
Сами микросхемы аккуратно запакованы в пакетик с защелкой, на него наклеена бумажка с наименованием. Написано от руки, но проблемы распознать надпись, думаю не возникнет.
Данные микросхемы производятся разными производителями и маркируются так же по разному.
MC34063
KA34063
UCC34063
И т.д.
Как видно, меняются только первые буквы, цифры остаются неизменными, потому обычно ее называют просто 34063.
Мне достались первые, MC34063.
Фото рядом с такой же микрухой, но другого производителя.
Обозреваемая выделяется более четкой маркировкой.
Что дальше можно обозреть я не знаю, потому перейду ко второй части обзора, познавательной.
DC-DC преобразователи используются во многих местах, сейчас наверное уже тяжело встретить электронное устройство, где их нет.
Существует три основные схемы преобразования, все они описаны в к 34063, а так же в по ее применению, ну и в еще одном .
Все описанные схемы не имеют гальванической развязки. Так же, если вы посмотрите внимательно все три схемы, то заметите, что они очень похожи и отличаются перестановкой местами трех компонентов, дросселя, диода и силового ключа.
Сначала самая распространенная.
Step-down или понижающий ШИМ преобразователь.
Применяется там, где надо понизить напряжение, причем сделать это с максимальным КПД.
Напряжение на входе всегда больше, чем на выходе, обычно минимум на 2-3 Вольта, чем больше разница, тем лучше (в разумных пределах).
При этом ток на входе меньше, чем на выходе.
Такую схемотехнику применяют часто на материнских платах, правда преобразователи там обычно многофазные и с синхронным выпрямлением, но суть остается прежней, Step-Down.
В этой схеме дроссель накапливает энергию при открытом ключе, а после закрытия ключа напряжение на дросселе (за счёт самоиндукции) заряжает выходной конденсатор
Следующая схема применяется немного реже первой.
Ее часто можно встретить в Power-bank, где из напряжения аккумулятора в 3-4.2 Вольта получается стабилизированные 5 Вольт.
При помощи такой схемы можно получить и больше, чем 5 Вольт, но надо учитывать, что чем больше разница напряжений, тем тяжелее работать преобразователю.
Так же есть одна не очень приятная особенность данного решения, выход нельзя отключить «программно». Т.е. аккумулятор всегда подключен к выходу через диод. Так же в случае КЗ ток будет ограничен только внутренним сопротивлением нагрузки и батареи.
Для защиты от этого применяют либо предохранители, либо дополнительный силовой ключ.
Так же как и в прошлый раз, при открытом силовом ключе сначала накапливается энергия в дросселе, после закрытия ключа ток на дросселе меняет свою полярность и суммируясь с напряжением батареи поступает на выход через диод.
Напряжение на выходе такой схемы не может быть ниже напряжения на входе минус падение на диоде.
Ток на входе больше чем на выходе (иногда значительно).
Третья схема применяется довольно редко, но не рассмотреть ее будет неправильно.
Это схема имеет на выходе напряжение обратной полярности, чем на входе.
Называется - инвертирующий преобразователь.
В принципе данная схема может как повышать, так и понижать напряжение относительно входного, но из-за особенностей схемотехники чаще используется только для напряжений больше или равных входному.
Преимущество данной схемотехники - возможность отключения напряжения на выходе при помощи закрытия силового ключа. Это так же умеет делать и первая схема.
Как и в предыдущих схемах, энергия накапливается в дросселе, а после закрытия силового ключа поступает в нагрузку через обратно включенный диод.
Когда я задумывал данный обзор, то не знал, что лучше выбрать для примера.
Были варианты сделать понижающий преобразователь для РоЕ или повышающий для питания светодиода, но как то все это было неинтересно и совсем скучно.
Но несколько дней назад позвонил товарищ и попросил помочь ему с решением одной задачки.
Надо было получить выходное стабилизированное напряжение независимо от того, входно больше или меньше выходного.
Т.е. нужен был повышающе-понижающий преобразователь.
Топология данных преобразователей называется (Single-ended primary-inductor converter).
Еще пара неплохих документов по данной топологии. , .
Схема данного типа преобразователей заметно сложнее и содержит дополнительный конденсатор и дроссель.
Вот по этой схеме я и решил делать
Для примера я решил делать преобразователь, способный давать стабилизированные 12 Вольт при колебаниях входного от 9 до 16 Вольт. Правда мощность преобразователя невелика, так как используется встроенный ключ микросхемы, но решение вполне работоспособно.
Если умощнить схему, поставить дополнительный полевой транзистор, дроссели на больший ток и т.д. то такая схема может помочь решить проблему питания 3,5 дюйма жесткого диска в машине.
Так же, такие преобразователи могут помочь решить проблему получения, ставшего уже популярным, напряжения 3.3 Вольт от одного литиевого аккумулятора в диапазоне 3-4.2 Вольта.
Но для начала превратим условную схему в принципиальную.
После этого превратим ее в трассировку, не будем же мы на монтажной плате все ваять.
Ну дальше я пропущу этапы, описанные в одном из моих , где я показал, как изготавливать печатную плату.
В итоге получилась небольшая платка, размеры платы 28х22.5, толщина после запайки деталей - 8мм.
Нарыл по дому всяких разных деталек.
Дроссели у меня были в одном из обзоров.
Резисторы всегда есть.
Конденсаторы частично были, а частично выпаял из разных устройств.
Керамический на 10мкФ выпаял из старого жесткого диска (еще они водятся на платах мониторов), алюминиевый SMD взял из старого CD-ROMа.
Спаял платку, получилось вроде аккуратно. Надо было сделать фото на каком нибудь спичечном коробке, но забыл. Размеры платы примерно в 2.5 раза меньше спичечного коробка.
Плата поближе, старался компоновать плату поплотнее, свободного месте не очень много.
Резистор 0.25 Ома образован четырьма по 1 Ом параллельно в 2 этажа.
Фотографий много, потому убрал под спойлер
Проверял в четырех диапазонах, но случайно получилось в пяти, не стал этому противиться, а просто сделал еще одно фото.
У меня не было резистора на 13КОм, пришлось впаять на 12, поэтому на выходе напряжение несколько занижено.
Но так как плату я делал просто для проверки микросхемы (т.е. сама по себе эта плата больше для меня никакой ценности не несет) и написания обзора, то не стал заморачиваться.
В качестве нагрузки была лампа накаливания, ток нагрузки около 225мА
На входе 9 Вольт, на выходе 11.45
На входе 11 Вольт, на выходе 11.44.
На входе 13 вольт, на выходе все те же 11.44
На входе 15 Вольт, на выходе опять 11.44. :)
После этого думал закончить, но так как в схеме указал диапазон до 16 Вольт, то и проверить решил на 16.
На входе 16.28, на выходе 11.44
Так как я разжился цифровым осциллографом, то решил снять осциллограммы.
Я их так же спрятал под спойлер, так как их довольно много
Это конечно игрушка, мощность преобразователя смешная, хотя и полезная.
Но товарищу я подобрал несколько более на Алиэксрессе.
Возможно кому то будет и полезно.
- 20.09.2014
Триггер — это уст-во с двумя устойчивыми состояниями равновесия, предназначенные для записи и хранения информации. Триггер способен хранить 1 бит данных. Условное обозначение триггера имеет вид прямоугольника, внутри которого пишется буква Т. Слева к изображению прямоугольника подводятся входные сигналы. Обозначения входов сигнала пишутся на дополнительном поле в левой части прямоугольника. …
- 21.09.2014
Однотактовый выходной каскад лампового усилителя содержит минимум деталей и прост в сборке и регулировке. Пентоды в выходном каскаде могут использоваться только ультралинейном включении, триодном или обычном режимах. При триодном включении экранирующая сетка соединяется с анодом через резистор 100…1000Ом. В ультралинейном включении каскад охвачен ОС по экранирующей сетке, что дает снижение …
- 04.05.2015
На рисунке показана схема простого инфракрасного пульта и приемника исполнительным элементом которого является реле. Из-за простоты схемы пульта уст-во может выполнять только два действия, это включить реле и выключить его отпустив кнопку S1, что может быть достаточно для определенных целей (гаражные ворота, открывание электромагнитного замка и др.). Настройка схемы очень …
- 05.10.2014
Схема выполнена на сдвоенном ОУ TL072. На А1.1 сделан предварительный усилитель с коэф. усиления заданным отношением R2\R3. R1-регулятор громкости. На ОУ А1.2 выполнен активный трех полосовой мостовой регулятор тембра. Регулировки осуществляются переменными резисторами R7R8R9. Коэф. передачи этого узла 1. Наряженные питания предварительного УНЧ может быть от ±4В до ±15В Литература …
