Układy energoelektroniki są często wykorzystywane w przemysłowych systemach automatyki, w tym w sterowaniu napędami elektrycznymi, ale także w energetyce odnawialnej, komputerach osobistych i ładowarkach do urządzeń mobilnych. Obok takich urządzeń jak prostowniki i falowniki do przekształcania napięcia i prądu elektrycznego często używa się przetwornic typu step-down, których zadaniem jest dostarczenie odbiornikowi napięcia o obniżonej wartości względem źródła.
Przykładem takiej przetwornicy jest moduł zbudowany w oparciu o układ scalony LM2596 – impulsowo sterowany regulator przekształcający napięcie stałe ze źródła na napięcie stałe o wartości obniżonej odpowiednio dla odbiornika. Głównymi atutami modułu jest szeroki zakres napięć zasilających oraz płynna regulacja napięcia wyjściowego – dzięki temu moduł przetwornicy DC-DC na układzie LM2596 może być zastosowany do zasilania układów elektronicznych wymagających standardowo napięć 3,3 V, 5,0 V, 12,0 V i 15,0 V, a także układów wymagających zasilania symetrycznego wykorzystujących połączenie masy pozornej. Maksymalna wydajność prądowa modułu wynosi 3 A, dzięki czemu może on stanowić bazę do budowy praktycznych ładowarek i zasilaczy.
Jak działa przekształtnik napięcia stałego typu step-down?
Na rys.1 został przedstawiony schemat ideowy najprostszego przekształtnika DC-DC typu step-down. Układ jest zbudowany ze źródła napięcia stałego “E”, diody krzemowej “D”, cewki “L”, rezystora “R”, kondensatora “C” oraz przełącznika “SW”, który w rzeczywistych układach jest implementowany najczęściej jako klucz tranzystorowy sterowany sygnałem PWM. Zasada działania takiego przekształtnika jest następująca: kiedy przełącznik “SW” jest zamykany, obwód zostaje zamknięty, źródło napięcia “E” wymusza przepływ prądu przez rezystor “R” i cewkę “L”, a dioda “D” zostaje spolaryzowana zaporowo. Przepływający przez cewkę prąd powoduje powstanie na niej napięcia. Ładowany jest również kondensator “C”. Następnie, kiedy przełącznik “SW” zostaje rozwarty, zgromadzona w cewce “L” energia pola magnetycznego powoduje podtrzymanie przepływającego prądu, a dioda “D” zostaje spolaryzowana w kierunku przewodzenia. Kiedy napięcie na kondensatorze “C” i rezystorze “R” spadnie do poziomu progowego, klucz “SW” zostaje załączony ponownie.
Poniżej przekształtnik DC-DC obniżający napięcie
W rezultacie prąd płynący przez cewkę ma przebieg zbliżony do piłokształtnego, w wyniku czego na obciążeniu (tu reprezentowanym przez rezystor “R”) mogą powstawać niepożądane tętnienia napięcia. Temu zjawisku ma za zadanie zapobiegać kodensator “C” równolegle włączony do obciążenia. Poza redukcją tętnień zapewnia on także podtrzymanie napięcia na obciążeniu na stałym poziomie w czasie. Kiedy przez cewkę “L” przepływ prądu jest utrzymywany, przekształtnik pracuje w cyklu ciągłym. Natomiast kiedy prąd na cewce spada do zerowej wartości, tj. przestaje płynąć, oznacza to, że przekształtnik pracuje w trybie przerywanym – wówczas kondensator “C” dostarcza obciążeniu niezbędne napięcie na czas przerwy bezprądowej.
Przetwornica step-down LM2596 3,2V-35V 3A – specyfikacja techniczna
- Rodzaj przekształtnika: DC-DC step-down
- Wymiary modułu: 44 mm x 20 mm x 13 mm
- Masa modułu: 11 g
- Średnica otworów montażowych: ⌀3 mm
- Maksymalna sprawność modułu: 92%
- Częstotliwość przełączania: 150 kHz
- Dokładność regulacji napięcia: ±0,5%
- Dokładność regulacji obciążenia: ±0,5%
- Czas odpowiedzi układu: 200µs ±5,0%
- Zakres napięć wejściowych; 3,2 V – 40,0 V
- Zakres napięć wyjściowych; 3,2 V – 40,0 V nastawialne potencjometrem (napięcie wyjściowe nie może być wyższe od napięcia wejściowego ze źródła)
- Maksymalny prąd wyjściowy: 3 A (zalecany montaż radiatora)
- Typ układu prostownikowego: asynchroniczny
- Typ zabezpieczenia: zwarciowe kasowalne
- Zakres temperatury roboczej otoczenia: -40°C – +85°C (przy poborze mocy ≤10W)
Opis wyprowadzeń:
- IN+ – napięcie wejściowe – biegun dodatni
- IN- – napięcie wejściowe – masa
- OUT+ – napięcie wyjściowe – biegun dodatni
- OUT- – napięcie wyjściowe – masa
Przetwornica step-down LM2596 3,2V-35V 3A – przykłady zastosowań
Moduł przetwornicy step-down na układzie LM2596 ma szeroki zakres zastosowań i dzięki potencjometrycznej regulacji napięcia wyjściowego umożliwia zasilenie układów wymagających niestandardowego napięcia zasilania. W oparciu o ten moduł przetwornicy DC-DC step-down możesz zbudować m.in. ładowarkę do baterii, akumulatorów i powerbanków. Zakres napięć wejściowych i wyjściowych modułu obejmuje także napięcie 5 V, które typowo występuje w portach USB.
Równie ciekawym i praktycznym zastosowaniem modułu na układzie LM2596 może być ładowarka fotowoltaiczna, która może funkcjonować niezależnie od sieci elektroenergetycznej. Za jej pomocą możemy naładować telefon, np. w warunkach polowych na biwaku. Innym przykładem praktycznego wykorzystania przetwornicy jest zasilanie urządzeń elektroakustycznych, takich jak wzmacniacze audio klasy D, które w przeciwieństwie do większości wzmacniaczy klasy A/B nie wymagają zasilania symetrycznego.
