Przetwornice impulsowe (step up/step down) – Jak to działa?

Przed kilkudziesięciu laty większość urządzeń elektronicznych była zasilana za pomocą kilku standardowych napięć, a wymogi związane z dokładnością stabilizacji czy wydajnością zasilaczy były w większości przypadków znacznie niższe, niż na początku XXI wieku. Przez ten czas zmieniły się nie tylko zakresy wartości wykorzystywanych napięć zasilania – obecnie dbamy także o oszczędność energii, co przekłada się zarówno na niższe opłaty (w przypadku urządzeń sieciowych), jak i na dłuższy czas pracy (w przypadku urządzeń zasilanych bateryjnie lub akumulatorowo). Stabilizatory liniowe, pozwalające obniżyć i ustabilizować („wygładzić”) napięcie zasilania, są doskonałe w przypadku układów o niewielkim poborze prądu (najczęściej do jednego ampera). Zaletą scalonych regulatorów napięcia jest niewątpliwie niski poziom wahań napięcia wyjściowego i łatwość zastosowania w dowolnym układzie elektronicznym. Największy problem stanowią jednak spore straty mocy – proporcjonalne do wartości prądu wyjściowego oraz różnicy pomiędzy napięciem wejściowym, a wyjściowym układu. Duża ilość wydzielanego ciepła wymaga już stosowania radiatora – w przeciwnym razie stabilizator stanie się gorący, co może spowodować szereg problemów w późniejszej eksploatacji urządzenia. Taka sytuacja jest też bardzo niekorzystna z punktu widzenia strat energii, pobieranej ze źródła zasilania – jeżeli urządzenie jest zasilane z baterii lub akumulatora, czas pracy tego urządzenia skróci się o ponad połowę w porównaniu do sytuacji, w której zastosowane byłoby inne rozwiązanie obniżające napięcie zasilania. Ale jakie to rozwiązanie?

Przetwornica DC/DC

Najbardziej efektywnym sposobem na zmniejszenie strat przy obniżaniu napięcia jest… przełączanie go (naprzemienne włączanie i wyłączanie). Oczywiście, musi to się dziać na tyle szybko, aby czynność ta nie zakłócała pracy zasilanego układu. Jeżeli pierwszym skojarzeniem, jakie przyszło Ci do głowy jest modulacja PWM (stosowana np. do zmiany jasności diody LED czy prędkości obrotowej silnika DC) to bardzo dobrze! Wiele przetwornic działa właśnie na takiej zasadzie. Samo kluczowanie jednak nie wystarczy – potrzebne są jeszcze elementy, które zapewnią „wygładzenie” przebiegu napięcia – dlatego w przetwornicach stosowane są, nierzadko sporych rozmiarów, kondensatory oraz cewki (dławiki). O ile jednak kondensatory stanowią pewien rodzaj filtru, o tyle zastosowanie elementów indukcyjnych jest nieco inne – pełnią one rolę magazynu energii, który gromadzi ją w momentach, gdy jest podłączony do napięcia zasilania, a oddaje po odłączeniu.

Do prawidłowego działania przetwornica DC/DC wymaga więc – oprócz sterownika w postaci układu scalonego oraz wspomnianych kondensatorów i (przynajmniej jednej) cewki – także elementu, który pełni rolę przełącznika. W tej funkcji najlepiej sprawdzają się tranzystory MOSFET, z uwagi na możliwość przewodzenia nawet dużego prądu bez wprowadzania istotnych strat energii. Prawidłowo zaprojektowana przetwornica generuje zatem nieporównanie mniej ciepła, niż niewielki nawet stabilizator liniowy (w tych samych warunkach pracy). Konieczna jest także dioda krzemowa, która umożliwi kontrolę przepływu prądów płynących w obwodzie we właściwym kierunku.

Podział przetwornic DC/DC

Do tej pory omówiliśmy tylko jedno zastosowanie przetwornic DC/DC, określanych jako step-down lub buck – czyli obniżających napięcie względem wartości napięcia dostarczanego przez źródło. Odpowiednia zmiana podłączenia elementów (tranzystora kluczującego, cewki oraz diody) pozwala na uzyskanie działania dokładnie przeciwnego – zwiększanie napięcia do wartości (nawet wielokrotnie) wyższej od napięcia zasilającego przetwornicę. Takie układy nazywamy przetwornicami typu step-up lub inaczej boost. Niektóre przetwornice są także w stanie pracować w obu wymienionych konfiguracjach, automatycznie przełączając „rodzaj pracy” w zależności od tego, czy napięcie wejściowe jest aktualnie niższe, czy wyższe od określonego napięcia wyjściowego. Układy takie nazywamy buck-boost. W nielicznych przypadkach konieczne jest uzyskanie napięcia o polaryzacji przeciwnej do zasilającego, czyli – najprościej mówiąc – „odwrócenie jego biegunów”. Taka sytuacja ma miejsce w urządzeniach, które do poprawnego działania wymagają nie tylko napięcia dodatniego względem masy układu, ale także ujemnego (określamy je układami o zasilaniu symetrycznym). Przetwornice odwracające (ang. inverting DC/DC) są zdecydowanie najrzadziej stosowaną, choć bardzo przydatną odmianą przetwornicy impulsowej.

Inny podział można wprowadzić ze względu na konstrukcję układu. Dawniej spotykane były przetwornice, budowane z zestawu wielu elementów półprzewodnikowych (tranzystorów, diod, czasem też prostych układów scalonych) oraz pasywnych (rezystorów, kondensatorów i cewek). Upowszechnienie się na rynku scalonych sterowników przetwornic impulsowych spowodowało, że do budowy funkcjonalnego i stabilnego urządzenia potrzeba tylko jednej „kostki” i kilku.. kilkunastu elementów zewnętrznych.

Takie rozwiązanie jest szczególnie lubiane przez konstruktorów, którzy chcą samodzielnie zintegrować przetwornicę z pozostałymi obwodami urządzenia na jednej płytce drukowanej. Jednak nawet zastosowanie gotowego sterownika wymaga od projektanta sporej wiedzy na temat czyhających na niego pułapek i sposobów rozwiązywania określonych problemów praktycznych. Najprostszą metodą jest zatem użycie gotowego modułu przetwornicy DC/DC – tą właśnie drogą podążają dzisiaj tysiące elektroników, ponieważ umożliwia ona uniknięcie problemów ze stabilnością czy wydajnością układu, znacznie skracając przy tym czas budowy urządzenia, a zazwyczaj także obniżając koszty elementów.

W rzeczywistości kwestia konstrukcji przetwornic DC/DC jest bardziej złożona – w każdej z wymienionych grup można znaleźć układy zbudowane na całkowicie różne sposoby. Przykładowo, rolę przetwornicy buck-boost może pełnić specjalny rodzaj przetwornicy, zwany SEPIC lub – złożony, ale też niezwykle elastyczny – układ typu Flyback. Co bardzo ważne, aby móc stosować przetwornice możemy zatem podzielić ze względu na pełnioną funkcję:

• przetwornice podwyższające (step-up),
• przetwornice obniżające napięcie (step-down),
• przetwornice obniżająco-podwyższające (buck-boost),
• przetwornice odwracające (inverting DC/DC),

oraz ze względu na konstrukcję układu:

• przetwornice z elementów dyskretnych i mieszane (z kontrolerami scalonymi),

przetwornice modułowe w budowanych samodzielnie urządzeniach nie trzeba wcale dysponować szczegółową wiedzą na temat zagadnień konstrukcyjnych – w przypadku gdy zdecydujesz się na użycie przetwornicy modułowej wystarczy, abyś zwrócił uwagę na kilka podstawowych parametrów.

Parametry przetwornic DC/DC

Najważniejsze parametry każdej przetwornicy DC/DC to oczywiście zakresy napięć wejściowego (zasilającego przetwornicę) oraz wyjściowego, a także maksymalny prąd wyjściowy, jaki może być dostarczony przez moduł. Niektóre moduły są wyposażone w miniaturowy potencjometr, pozwalający na samodzielne ustawienie dowolnej wartości napięcia wyjściowego (należącej jednak do oferowanego przez przetwornicę zakresu). Należy oczywiście wziąć pod uwagę rodzaj przetwornicy. Przykładowo, doskonała przetwornica step-down firmy Pololu o oznaczeniu D24V22F6 generuje napięcie wyjściowe o stałej wartości równej 6V, ale wymaga zasilania jej napięciem wyższym przynajmniej o 0,4 V (ale nie wyższym, niż 36 V).

Wartość maksymalnego prądu wyjściowego przetwornicy jest najczęściej podawana dla optymalnych warunków pracy – tj. określonego zakresu napięć wejściowych (a także wyjściowych w przypadku przetwornic regulowanych). Dla dokładnego określenia tzw. punktu pracy konieczne jest zapoznanie się z wykresami, pokazującymi możliwe do uzyskania parametry wyjściowe w zależności od „sytuacji układowej”.

Zmiana wartości napięcia a moc

Istotnym aspektem, którego nie sposób pominąć podczas stosowania przetwornic impulsowych, jest kwestia mocy pobieranej ze źródła oraz dostarczanej. Przetwornica obniżająca napięcie podwyższa jednocześnie wartość maksymalnego prądu, jaki może pobrać z jej wyjścia obciążenie i – analogicznie – przetwornica podwyższająca oferuje – za cenę wyższego napięcia – mniejszy zakres dopuszczalnych obciążeń. W dużym przybliżeniu można przyjąć, że dobra przetwornica, pracująca w optymalnych dla niej warunkach, dostarcza tyle samo mocy do obciążenia, ile pobrała ze źródła. Przykładowo, jeżeli układ elektroniczny pobiera 0,5 A prądu przy napięciu zasilania równym 12 V, to moc (równa iloczynowi prądu i napięcia) wynosi 6 W. Jeżeli przetwornica step-down jest zasilana napięciem 24 V, pobór prądu na wejściu będzie w przybliżeniu równy 0,25 A (gdyż 24 V * 0,25 A = 6 W). Jak to zwykle w życiu bywa, sytuacja nie jest aż tak idealna, jak mogłoby się wydawać – do rachunku trzeba bowiem wliczyć nieuchronne straty mocy.

Sprawność, czyli jak nie stracić zbyt dużo energii

Jak już wiesz, największą wadą stabilizatorów liniowych są duże straty mocy, związane z koniecznością rozproszenia jej nadmiaru w postaci ciepła. Choć przetwornice DC/DC są pod tym względem znacznie bardziej oszczędne, należy pamiętać, że żadnego elementu ani układu elektronicznego (z wyjątkiem tak zwanych nadprzewodników) nie należy traktować jako elementu (lub układu) idealnego. Sprawność przetwornicy, czyli kolejny istotny parametr każdego układu tego typu, jest (wyrażonym w procentach) stosunkiem mocy wyjściowej do mocy pobranej przez przetwornicę ze źródła. Jeżeli przetwornica w danych warunkach pracy ma sprawność równą 85% to oznacza to, że 15% energii jest tracone w postaci ciepła przez jej elementy (głównie tranzystor przełączający i dławik). Powracając do przykładu z poprzedniego akapitu, możesz łatwo obliczyć rzeczywistą wartość mocy pobieranej przez przetwornicę ze źródła o napięciu 24 V – wystarczy podzielić moc wyjściową (6 W) przez sprawność (przyjmijmy tutaj 85%), wyrażoną jako ułamek (tj. 0,85). W wyniku otrzymujemy 7,06 W. Oznacza to, że prąd pobierany przez przetwornicę wyniesie: 7,06 W / 24 V = 0,29 A. Warto wiedzieć, że sprawność przetwornicy zależy od aktualnych warunków pracy, w tym przede wszystkim wartości napięcia zasilania, napięcia wyjściowego oraz prądu obciążenia (w niektórych sytuacjach trzeba też uwzględnić temperaturę otoczenia czy tryb pracy – o ile dane takie zostały określone przez producenta w nocie katalogowej przetwornicy).

Praktyczne uwagi do stosowania przetwornic impulsowych

Zakłócenia i jak im przeciwdziałać

Ponieważ – jak sama nazwa wskazuje – przetwornica jest układem o działaniu impulsowym, należy zawsze brać pod uwagę konsekwencje zakłóceń generowanych przez moduł. O ile w przypadku użycia przetwornic DC/DC do zasilania silników, oświetlenia czy elektromagnesów, a nawet większości układów cyfrowych (np. Arduino czy Raspberry Pi) poziom szumów i wahań napięcia wyjściowego przetwornicy nie jest parametrem krytycznym, o tyle w przypadku układów wrażliwych na zmiany napięcia zasilającego trzeba zastosować odpowiednie środki zaradcze. W przypadku układów o małym poborze mocy (np. przedwzmacniaczy audio czy układów pomiarowych z przetwornikami analogowo-cyfrowymi i/lub cyfrowo-analogowymi) najlepszym wyjściem jest zastosowanie „lokalnego” stabilizatora liniowego, który wrażliwym obwodom zapewni „czyste” napięcie zasilania i zredukuje do minimum wpływ impulsów zakłócających.

Wybór modułu – wymiary i sposób montażu

Do niewielkich urządzeń (np. przenośnych) warto wybrać miniaturowe przetwornice (np. Pololu), podłączane do układu docelowego za pomocą goldpinów. Takie rozwiązanie świetnie sprawdzi się również przy współpracy z płytkami stykowymi. Do większych układów o poborze prądu rzędu kilku amperów warto zastosować solidną, dużą przetwornicę – takie moduły (np. Przetwornica step-up 50W regulowana 12V-35V / 6A ) najczęściej są przeznaczone do montażu za pomocą dwóch lub czterech śrubek (warto rozważyć użycie plastikowych tulejek dystansowych) i wyposażone w złącza śrubowe do podłączenia przewodów wejściowych i wyjściowych. W niektórych zastosowaniach przydatny okaże się wbudowany wyświetlacz, ułatwiający nastawienie wartości napięcia wyjściowego oraz monitorowanie bieżącego napięcia wejściowego (np. Przetwornica step-down LM2596 3,2V-35V 3A z wyświetlaczem).

Dobór typu przetwornicy do układów z zasilaniem bateryjnym / akumulatorowym

Wybór właściwej konstrukcji (tzw. topologii) przetwornicy jest szczególnie istotny – nie istnieje jedna, uniwersalna przetwornica do wszystkich zastosowań. Wyjątkowo dużo uwagi należy poświęcić na dobieranie modułu przeznaczonego do współpracy z akumulatorem, baterią (lub innym źródłem zasilania, którego wartość może istotnie zmieniać się podczas pracy urządzenia). Przykładowo, jeżeli chcesz zasilać 5-woltowe Arduino za pomocą czterech szeregowych ogniw (baterii LR6 albo LR03), nie możesz zastosować zwykłej przetwornicy obniżającej napięcie – pomimo że świeży zestaw baterii będzie miał napięcie wyjściowe równe prawie 7 V, to po pewnym czasie rozładowywania baterii ich sumaryczne napięcie spadnie poniżej 5 V. W takich przypadkach należy rozważyć zastosowanie przetwornicy buck-boost, która doskonale poradzi sobie z zasilaniem układu nawet w bardzo szerokim zakresie napięć wejściowych. Trzeba tylko pamiętać, że pełen zakres napięcia możliwy do osiągnięcia przez źródło rozciąga się od napięć zbliżonych do granicy rozładowania (wartość ta zależy od rodzaju baterii lub akumulatora) do napięcia „świeżego” zestawu, przekraczającego sumę napięć nominalnych. W przypadku wspomnianych czterech baterii LR6 lub LR03, można przyjąć, że sumaryczne napięcie zestawu wyniesie od 3,2 V do 7 V. Trzeba też pamiętać, że nieco odmienne napięcia nominalne – w porównaniu do zwykłych baterii – mają ogniwa i akumulatory NiMH (1,2 V zamiast 1,5 V). Koniecznie trzeba też wziąć pod uwagę, że napięcie źródła będzie dodatkowo spadało pod większym obciążeniem. Dlatego zawsze warto dobierać parametry elementów urządzenia z pewnym zdroworozsądkowym zapasem.

Podsumowanie

Przetwornice DC/DC potrafią z łatwością zaradzić problemom z dostosowaniem napięć zasilania do potrzeb urządzeń budowanych przez elektroników. Możliwość praktycznie dowolnego podwyższenia lub obniżenia napięcia pozwala na projektowanie efektywnych układów zasilania, a przy użyciu gotowych modułów zadanie to sprowadza się praktycznie tylko do podłączenia do układu niewielkiej płytki za pomocą trzech lub czterech przewodów. Pamiętając o opisanych w tym artykule podstawowych zasadach i parametrach będziesz w stanie dobrać przetwornicę idealną do Twoich potrzeb – podwyższającą napięcie (step-up) albo też obniżającą je (step-down). Szczegółowe zastosowanie wszystkich wymienionych typów przetwornic omówione zostało powyżej. Już teraz rozpocznij swój projekt i sprawdź bogatą ofertę przetwornic DC/DC w sklepie Botland – wybierz moduł, który spełni wszystkie Twoje oczekiwania.