Імпульсний регулятор на lm2576 - джерела живлення - придністровський портал радіоаматорів

Ми знайомі з лінійним регуляторами, особливо трехвиводние TO-220 типу 7805 і LM317, Вони є недорогими, і їх малошумящими і швидка перехідна характеристика роблять їх ідеальними для багатьох додатків. Їх один недолік - неефективність. Наприклад, 7805, при вхідній напрузі 12В і струмі 1А, на навантаженні буде 5 Ватт, і 7 Ватт розсіється на 7805. Плюс, потрібно радіатор для охолодження.

Коли важлива ефективність - при роботі від батареї - ми вибираємо імпульсний регулятор. Фактично, найсучасніше обладнання використовує у вигляді автономних джерел живлення і імпульсних регуляторів. Але багато радіоаматорів, захоплених своїм хобі, ухиляються від імпульсних регуляторів. Використання LM3524 вимагає велику кількість зовнішніх деталей, так-же і зовнішнього комутаційного транзистора. І великі вимоги для котушки індуктивності. Як вибрати правильно, і де їх взяти?
На щастя, новіший імпульсний регулятор, типу LM2576 від National Semiconductor's, дозволяє збирати так само легко, як використання 7805.

Мікросхема випускається в пятівиводний корпусі типу TO-220 як показано на рис. 1, так само і ТО-263 для поверхневого монтажу. Вихідний струм - до 3А і на кілька напруг (3.3V, 5 V, 12V, 15V) і в версії регульованого виходу.
При проектуванні виходить малий розмір плати. Ми спроектуємо схему, яка використовує LM2576T-AD (версія з регульованим виходом в корпусі ТО-220). Схема показана на рис.2.

В лінійних регуляторах внутрішній транзистор завжди проводить струм. Але в імпульсному регуляторі, внутрішній транзистор працює в імпульсному режіме.Когда транзистор повністю відкритий, на ньому майже не розсіюється потужність. Коли ж він відключений, струм через нього не проходить, і таким чином, що розсіюється - 0. Але як отримати регульоване напруга, якщо транзистор знаходиться тільки у включеному і вимкненому стані? Тут нам допоможе котушка індуктивності. Подивіться Рис.3. тут показана спрощена версія нашої схеми.

Рис.3 (A). вимикач закритий. Струм проходить від джерела живлення, через котушку індуктивності, через навантаження, і тому, до джерела живлення. Магнітне поле підвищується в котушці індуктивності, і на конденсаторі підвищується напруга. Оскільки її магнітне поле розширюється зі збільшенням струму, котушка індуктивності протидіє потоку струму, генеруючи зворотний ЕРС, що позначено позитивним знаком. Зауважте, що діод підключений в зворотній полярності і струм не проводить.

Рис.3 (B), вимикач розімкнений. Струм не проходить через котушку індуктивності. Але магнітне поле запаслися енергію в котушці індуктивності, і енергія не може просто зникнути. Таким чином магнітне поле котушки індуктивності генерує напруга, яке тримає струм, поточний в тому ж самому напрямку, що позначено позитивним знаком. Струм, що протікає при незамкнутому вимикачі - вільна енергія передається від котушки індуктивності до навантаження. Напруга, що генерується котушкою індуктивності буде проходити через діод і тече в замкнутому контурі.
При включенні вимикача знову, цикл повторюється. Вихідна напруга визначено робочим циклом вимикача. Робочий цикл встановлений контуром зворотного зв'язку, що не показаним в ілюстрації 3. Конденсатор знижує пульсації напруги на навантаженні.

Робочий цикл і Вихідна напруга
Давайте визначати час циклу імпульсів як інверсія частоти імпульсів: T = 1 / f. Тоді робочий цикл (d) - відношення часу, поки імпульснік закритий для часу циклу.
В імпульсному регуляторі відносини між вихідною напругою (Vout) і вхідною напругою (Vin) залежить від робочого циклу:
Vout = d x Vin
Тепер, коли ми знаємо теорію, давайте зберемо схему.

побудова
Перед створенням плати, зберемо схему на макетної платі. На Рис.4 схема зібрана на перфорованої макетної платі.
На Рис. 4, Ви можете бачити, що всі зв'язки спаяні з іншого боку монтажної плати. Струмові кола пропоюємо товстим проводом для зменшення опору провідника. В імпульсний регулятор важливо з'єднати всі частини заземлення коротким проводом з низьким опором. Якщо мікросхема гріється, необхідно встановити нгебольшой радіатор.

Як тільки схема на макетної платі була перевірена, можна зібрати друковану плату, як показано на рис.5 (котушка індуктивності - за великим конденсатором в середині). І хоча на Рис. 5 показана двостороння друкована плата, на стороні монтажу - одна перемичка. Інша частина з боку монтажу - написи (V і т.д.). Можна зібрати односторонньому плату з єдиною дротяної перемичкою.

Котушка індуктивності
Так як це - ключовий компонент, ми спочатку обговоримо її. У даташіте від National Semiconductor для LM2576 описано, як вибрати котушку індуктивності.
Ми збираємо проект зі струмом до 1 ампера і напругою 12-32 В. Подивіться на Рис.6, На графіку видно залежність індуктивності від струму і напруги. Наша область застосування лежить в межах 220-330 мкГн. Зауважте, що більш високий вхідний напруга вимагає більшої індуктивності. Я фактично не підходжу до 40 В, таким чином ми вибираємо індуктивність - 220 мкГн. (Можна використовувати і 330 мкГн, нічого не згорить, але зміниться частота перемикання.)

діоди
Як згадано раніше, діод D1 захищає від вхідної напруги зворотної полярності. Можна використовувати 1N4001 або подібний діод. Діод D2 - імпульсний діод. Як обговорювалося, імпульсний діод забезпечує петлю для котушки індуктивності, коли вимикач відкривається. В імпульсному регуляторі вимикач відкривається і закривається набагато швидше ніж 60 раз в секунду. LM2576 перемикає з частотою 52 кГц; інші регулятори перемикають в частотах вище мегагерц, таким чином вибір імпульсного діода важливий.
У той час як діоди1N4001 прекрасно працюють з частотою в 50-60 Гц, вони не працюють так добре над високими частотами, що використовуються в імпульсних регуляторах. Певна кількість ємності пов'язано зі зміщенням діода. Час, необхідний для перемикання діода, називають зворотним часом відновлення (trr). Для 1N4001, trr - приблизно 30 нсек.
Але при частоті 52 кГц, час циклу - T - 1 / (52 x 1000) який є приблизно 19 нсек. Що сталося б, Якби ми використовували 1N4001 як імпульсний діод в нашій схемі? Згодом відновлення майже в два рази більше, ніж час циклу, діод ніколи не припиняв б проводити. Ми могли б також замінити це частиною дроти! Очевидно, ми потребуємо більш швидкому діоді. Є кілька типів імпульсних діодів, розроблених, щоб використовувати як імпульсні діоди; вони мають маленький trr. Один тип, що часто використовується - діод Шотки. У цьому проекті ми будемо використовувати 1N5819 діод Шотки, який має trr менше ніж 10 наносекунд і падіння напруги 0.6 В при одному ампер. Для порівняння, діод 1N4001 має падіння напруги 1.1 В при 1 А.

конденсатори
У нашому регуляторі потрібно два електролітичні конденсатори, C1 і C2. C2 повинен фільтрувати пульсації вихідної напруги. Так як у нас частота перемикання 52 кГц, вимоги до C2 менше ніж, якби він вифільтрував при частоті в 50-60 Гц при лінійному регуляторі напруги. Рис.8 показує пульсації, які відфільтровує C2. З іншого боку, функція C1 повинна гасити імпульси струму при роботі LM2576. Рис.9 показує, як проходив би ток LM2576. Відзначте швидкий час перемикання. Без C1, індуктивність в проводі між Vin і LM2576 викликала б зниження напруги кожен раз при перемиканні, і схема буде непостійна.
Як і з діодами, підходять не всі електролітичні конденсатори. Два важливі параметри для конденсаторів фільтра - струм пульсацій і еквівалентний опір (ESR).
Для C2, ми можемо використовувати універсальний алюмінієвий електролітичний конденсатор. Я використовував 1200 uF.

Подивіться ще раз на Рис.9. Та квадратна хвильова форма означає високий струм пульсацій, таким чином C1 повинен мати дуже низький ESR, щоб перешкоджати конденсатору нагріватися. (Я бачив, що конденсатори стають настільки гарячими, що обпалювали палець.).

Зворотній зв'язок
Потенціометр R1 паралельно вихідній напрузі забезпечує зворотний зв'язок, необхідну LM2576 для підтримки вихідної напруги постійним. Значення R1 важливо. Якщо буде занадто великим, то вихідна напруга знизиться при збільшенні струму. Якщо буде занадто маленьким, Ви втрачаєте потужність. Значення 2 кома буде оптимальним. Я використовував дротове опір.

діапазон напруги
Вихідна напруга може бути відрегульовано від мінімуму приблизно 1.2 вольта до максимуму близько до вхідній напрузі. Стандартна версія LM2576 розрахована на 40 вольт. Версія HV має максимальне напруження 60 вольт. Для цього проекту, Vin обмежена в 35В конденсаторами.