Универсальный понижающий преобразователь напряжения на LM2596

Универсальный понижающий преобразователь напряжения.

Характеристики от продавца:

• Питание: 5-35 В (постоянный ток)
• Выход: 1,25-30 В, 3 А (макс. 4 А). Для >15 Вт требуется теплоотвод
• Постоянное напряжение (CV)
• Постоянный ток (CC)
• Индикация заряда
• Предполагаемые способы использования:
  
  • Преобразователь для питания LED-ламп, лент и т.п.
  • Зарядка аккумуляторов постоянным током и напряжением с минимальной индикацией

Плата очень маленькая, влазит в спичечный коробок.

Моё применение - простейший маломощный лабораторный источник питания.  Ещё одну такую плату поставил в зарядное устройство для литиевой батареи шуруповёрта.

Постоянное напряжение

Устройство здесь выполняет роль стабилизатора напряжения. На вход подаём постоянное напряжение от 5 В до 35 В. На выходе получаем заранее заданное постоянное напряжение от 1,25 В до 30 В. Выходное напряжение не может быть больше входного минус некоторая разница (не менее 2 В). Таким образом, после настройки выходного напряжения Uвых входное Uвх можно менять в диапазоне примерно от Uвх + 2В до 35 В, выходное напряжение при этом не будет меняться.

Постоянный ток

Пока ток не превышает заданного максимума, плата выполняет роль стабилизатора напряжения, ток может быть любым, напряжение - строго заданное. Как только ток пытается подняться выше заданного, начинает работать ограничитель тока. Ток на выходе при этом фиксированный, а напряжение понижается так, чтобы через нагрузку шёл этот максимальный ток. Получается, что ни напряжение, ни ток не выходят за установленные значения.

Например, если по расчетам выходит, что выходной ток должен быть 2,5 А (например, при заданном Uвых = 5 В и нагрузке 2 Ом), но плата настроена на ограничение в 2 А, то на выходе будет 2 А и напряжение 4 В (2 А * 2 Ом), при этом будет гореть индикатор ограничения. Если теперь повысить сопротивление нагрузки до 3 Ом, то ток в выходной цепи будет идти без ограничений, напряжение снижаться не будет и будет равно заданному, ток -  5 В / 3 Ом = 1,67 А. Индикатор при этом гореть не будет.

Для настройки максимального тока закорачиваем выход через мультиметр в режиме измерения большого тока, обычно с пределом 10 А, которого здесь хватит с запасом, и выставляем крутилкой на плате необходимый ток.

Индикация заряда

Этот индикатор горит, пока ток в выходной цепи выше заданного значения. Это значение устанавливается относительно максимального тока. При установке большого максимального тока (единицы ампер) может не получиться установить индикацию на маленький ток (единицы и десятки мА).

Опыт применения

Попробовал в качестве CC+CV зарядки для лития. Фазы CC и CV работают, но процесс зарядки в конце не останавливается, просто гаснет индикатор заряда. Если конечное напряжение заряда устанавливать заведомо ниже предела для аккумулятора, ничего плохого в такой зарядке нет, в конце ток просто очень медленно упадёт до нуля. Но лучше реализовать на выходе ключ (реле, полевик), который бы отрубал зарядку при падении тока до заданного значения.

Еще один вариант использования - обычное зарядное устройство, за счёт низких пульсаций на выходе, довольно качественное. У меня как раз начал шалить зарядник от планшета - тач при зарядке плохо работал. Эксперимент оказался удачным, пульсации на выходе достаточно низкие, при зарядке планшета от этой платы всё работало нормально. Конечно, придётся также иметь/купить адаптер питания с выходным напряжением примерно от 9 В до 35 В и мощностью выше необходимой для заряжаемого устройства с запасом.

При большом токе и низком напряжении на выходе этот преобразователь сильно греется. Хотя по инструкции радиатор нужно ставить от 15 Вт, проблемы начинаются гораздо раньше, например уже при 5 В / 1 А. Можно поставить радиатор, но он должен быть с выпуклой контактной площадкой, возможно придётся его стачивать. Никаких приспособлений для крепления радиатора на плате нет, придётся клеить на теплопроводящий клей.

С другой стороны, при использовании в зарядном для шуруповёрта я настраивал выход на 16,4 В и 0,5 А, то есть на выходе была даже большая мощность, но плата была чуть тёплая. КПД и, соответственно, нагрев сильно зависят от выходного напряжения (больше - лучше) и относительно слабо от входного, подробности можно увидеть в даташите на LM2596 на графике Efficiency.

Возьмём для примера входное напряжение 25 В и пару выходных - 5 В и 20 В. КПД в первом случае будет около 82%, во втором - около 94%. При одинаковой мощности на выходе (например, 10 Вт) при 5 В будет рассеиваться 1,8 Вт, а при 20 В - всего 0,6 Вт. Если взять одинаковый ток на выходе, например 1 А, то разница будет с другим знаком (0,9 Вт и 1,2 Вт для 5 В и 20 В соответственно), но совсем небольшой. При этом снижение входного напряжения для входного 5 В не даст улучшения КПД (пик эффективности для этого напряжения как раз около 25 В).

Отсюда делаем вывод, что этот преобразователь больше подходит для относительно высоких выходных напряжений (например, 12 В и выше), но при этом он не способен работать с большими токами, т.к. рассеиваемая мощность, а значит и нагрев, при увеличении выходного тока будет всё равно только расти, а охлаждение платы минимально. Реальные характеристики преобразователя наверняка хуже заявленных, но для первичной оценки хватит и этой информации.

Есть множество вариантов исполнения этой платы, этот - самый маломощный. Есть с радиатором, залитые компаундом, с мощными дросселем и другими элементами. Но эти варианты намного дороже, и их использование оправдано только в случае работы в оптимальных, но максимальных, режимах преобразователя, иначе лучше подыскать решение на другой схеме. Нет смысла затыкать проблему КПД охлаждением, когда для необходимого выходного напряжения есть решения с лучшим КПД.

В целом, это интересное устройство. Можно использовать как простейший лабораторный источник питания за 2-3 доллара. Для тестов использовал БП от старого принтера, выдающего 33 В и 400 мА (13,2 Вт). С ним удавалось получить такие значения, как 12 В / 1 А, 5 В / 3 А (перегруз источника, но он справился). Максимальный ток видел 6,5 А на 1,25 В, скорее всего из-за ошибки в схеме (заявленный предел - 4 А), плата при этом сильно грелась. В таких платах может использоваться поддельный LM2596, либо перебитый LM2576, поэтому заявленным характеристикам сильно доверять не стоит.

Найти в магазинах можно по фразе "lm2596 cc cv", отбирать по картинкам с двумя или тремя (как у меня) потенциометрами. Цена - 2-3 доллара за штуку без претензий на оригинальность деталей.

Дополнение от 7 марта 2016 г.

Внёс несколько уточнений, добавил график напряжения/тока на выходе, убрал сомнительную информацию.

Дополнение от 4 апреля 2016 г.

График КПД (Efficiency) из даташита на LM2596: