В магазинах можно найти достаточно много зарядных устройств, работающих от сети 220В или от бортовой сети автомобиля (12В). В тоже время, иногда бывают ситуации, когда под рукой нет ни розетки, ни автомобиля, например, где-нибудь в походе. В этом случае для подзарядки различных устройств, таких как КПК или сотовые телефоны можно использовать обычные батарейки.
Представленная ниже схема разрабатывалась как зарядное устройство для КПК (5В; 0,5А), работающее как от аккумулятора автомобиля, так и от батареек, но может быть легко переделана на другое выходное напряжение и использоваться для зарядки от батареек или аккумуляторов любых других устройств.
Данная схема позволяет при входном напряжении +4..+14В получить на выходе стабильное напряжение +5В и ток нагрузки до 0,5А.
В качестве топологии преобразователя была выбрана топология SEPIC, поскольку она позволяет как повышать, так и понижать входное напряжение и, кроме того, обеспечивает сравнительно небольшие пульсации входного тока, что особенно важно в случае батарейного питания.
За основу преобразователя была взята хорошо известная микросхема MC34063.
В качестве силового ключа используется n-канальный MOSFET как наиболее экономичное с точки зрения КПД решение. У этих транзисторов минимальное сопротивление в открытом состоянии и как следствие — минимальный нагрев (минимальная рассеиваемая мощность).
Схема :
Для управления полевым транзистором используется узел на элементах T2, R3, D2. Он работает следующим образом: при включении MOSFET затвор заряжается через диод, биполярный транзистор при этом закрыт, а при отключении MOSFET биполярный транзистор открывается и затвор разряжается через него. Этот узел предназначен для обеспечения максимальной крутизны фронтов открытия и закрытия полевого транзистора.
L1, L2 — катушки индуктивности по 80 мкГн (56 витков провода ПЭТВ2, диаметром 0,315 мм, намотанных на гантельке (рис. справа), диаметром 6 мм и высотой 8 мм).
С1 — входной фильтр, электролит 100 мкФ/16В
С2 — керамика на 10 мкФ (можно взять с плат сломанных винчестеров, там обычно стоят толстые керамические кондёры на 10 мкФ и на 22 мкФ)
С3 — выходной фильтр, электролит 470 мкФ/16В
С4 — времязадающий конденсатор, керамика 270 пФ
D1, D2 — диоды Шоттки1N5817 (с материнки)
R1, R2 — делитель напряжения. Для выхода 5В резисторы имеют номиналы 3 кОм и 1 кОм, соответственно.
R3 — резистор 4,7 кОм
T1 — силовой транзистор MOSFET, 60N03S (с материнки). Можно взять любой MOSFET с логическим уровнем управления затвором.
T2 — pnp транзистор. Подойдут, например, наш КТ361, буржуйский 2PA733 или подобные.
Готовый девайс .
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.
Основные технические характеристики MC34063
- Широкий диапазон значений входных напряжений: от 3 В до 40 В;
- Высокий выходной импульсный ток: до 1,5 А;
- Регулируемое выходное напряжение;
- Частота преобразователя до 100 кГц;
- Точность внутреннего источника опорного напряжения: 2%;
- Ограничение тока короткого замыкания;
- Низкое потребление в спящем режиме.
- Источник опорного напряжения 1,25 В;
- Компаратор, сравнивающий опорное напряжение и входной сигнал с входа 5;
- Генератор импульсов сбрасывающий RS-триггер;
- Элемент И объединяющий сигналы с компаратора и генератора;
- RS-триггер устраняющий высокочастотные переключения выходных транзисторов;
- Транзистор драйвера VT2, в схеме эмиттерного повторителя, для усиления тока;
- Выходной транзистор VT1, обеспечивает ток до 1,5А.
MC34063 повышающий преобразователь
Например я данную микросхему использовал чтобы получить 12 В питание интерфейсного модуля от ноутбучного порта USB (5 В), таким образом интерфейсный модуль работал когда работал ноутбук ему не нужен был свой источник бесперебойного питания.Также имеет смысл использовать микросхему для питания контакторов, которым нужно более высокое напряжение, чем другим частям схемы.
Хотя MC34063 выпускается давно, но возможность работы от 3 В, позволяет её использовать в стабилизаторах напряжения питающихся от литиевых аккумуляторов.
Рассмотрим пример повышающего преобразователя из документации. Эта схема рассчитана на входное напряжение 12 В, выходное — 28 В при токе 175мА.
- C1 – 100 мкФ 25 В;
- C2 – 1500 пФ;
- C3 – 330 мкФ 50 В;
- DA1 – MC34063A;
- L1 – 180 мкГн;
- R1 – 0,22 Ом;
- R2 – 180 Ом;
- R3 – 2,2 кОм;
- R4 – 47 кОм;
- VD1 – 1N5819.
Понижающий преобразователь на МС34063
Понизить напряжение значительно проще – существует большое количество компенсационных стабилизаторов не требующих катушек индуктивности, требующих меньшего количества внешних элементов, но и для импульсного преобразователя находиться работа когда выходное напряжение в несколько раз меньше входного, либо просто важен КПД преобразования.В технической документации приводиться пример схемы с входным напряжение 25 В и выходным 5 В при токе 500мА.
- C1 – 100 мкФ 50 В;
- C2 – 1500 пФ;
- C3 – 470 мкФ 10 В;
- DA1 – MC34063A;
- L1 – 220 мкГн;
- R1 – 0,33 Ом;
- R2 – 1,3 кОм;
- R3 – 3,9 кОм;
- VD1 – 1N5819.
МС34063 схема инвертирующего преобразователя
Третья схема используется реже двух первых, но не менее актуальна. Для точного измерения напряжений или усиления аудио сигналов часто требуется двуполярное питание, и МС34063 может помочь в получении отрицательных напряжений.В документации приводиться схема позволяющая преобразовать напряжение 4,5 .. 6.0 В в отрицательное напряжение -12 В с током 100 мА.
- C1 – 100 мкФ 10 В;
- C2 – 1500 пФ;
- C3 – 1000 мкФ 16 В;
- DA1 – MC34063A;
- L1 – 88 мкГн;
- R1 – 0,24 Ом;
- R2 – 8,2 кОм;
- R3 – 953 Ом;
- VD1 – 1N5819.
Аналоги микросхемы MC34063
Если MC34063 предназначена для коммерческого применении и имеет диапазон рабочих температур 0 .. 70°C, то её полный аналог MC33063 может работать в коммерческом диапазоне -40 .. 85°C.Несколько производителей выпускают MC34063, другие производители микросхем выпускают полные аналоги: AP34063, KS34063. Даже отечественная промышленность выпускала полный аналог К1156ЕУ5 , и хотя эту микросхему купить сейчас большая проблема, но вот можно найти много схем методик расчетов именно на К1156ЕУ5, которые применимы к MC34063.
Если необходимо разработать новое устройство и какжется MC34063 подходит как нельзя лучше, то соит обратить внимание на более современные аналоги, например: NCP3063 .
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.
MC34063 – популярная микросхема для конструирования небольших схем бестрансформаторных преобразователей напряжения. Она универсальна, поскольку на ее базе можно сделать повышающие, понижающие и инвертирующие DC-DC преобразователи напряжения. Диапазон входных и выходных напряжений позволяет с легкостью собрать на базе этой микросхемы ряд преобразователей напряжения с минимальными затратами, которые незаменимы в быту.
Разумеется, все эти конструкции можно купить в Китае, в готовом виде, но об этом мы сегодня беседовать не станем, в Китае можно все купить, но своими руками – интересней.
Рассмотрим мы конструкцию понижающего преобразователя напряжения, на вход которого можно подавать напряжение от 5/6 до 40 Вольт, при этом выходное напряжение всегда будет держаться стабильным, на уровне 5 Вольт. от 5 Вольт заряжаются все мобильные телефоны, планшеты, некоторые плееры и проигрыватели.
Микросхема пользуется широкой популярностью среди радиолюбителей именно по той причине, что стоит копейки и содержит минимальную обвязку.
Дроссель, выпрямительный диод (шоттки) и несколько пассивных компонентов. Выходное напряжение может быть и другим, существует куча программ и формул для расчета инверторов на этой микросхеме. Выходное напряжение зависит от соотношения резисторов R3/R2.
Диод в принципе тоже не критичен и можно взять обычные импульсные, можно из линейки FR/UF/HER/SF и т.п.
Диод нужен с током выше 1,5 Ампер, лучше 3, поскольку выходной ток с микросхемы может доходить до 1,5 Ампер. Сам дроссель намотан на ферритовой гантельке, можно и кольцо, обмотка намотана проводом 0,6-0,8 мм и состоит из 15-20 Витков. Можно взять готовый дроссель из некоторых компьютерных блоков питания.
Конденсатор C1 отвечает за рабочую частоту встроенного в микросхему генератора, советуется запускать микросхему на частотах 40-60 кГц.
К стати, на указанной микросхеме реализуются и однотактные трансформаторные преобразователи напряжения, для получения более широкого диапазона выходного напряжения и обеспечения гальванической развязки. Мощность при этом тоже тоже можно поднять, ведь в таком случае выход микросхемы усилен мощным транзистором.