KKM: LM2596 buck converter

Početnik si s Croduinom. Ili s elektronikom? Za oko ti je zapeo određeni modul, ali ne znaš kako ga koristiti? Bez brige, tu je KKM! Kako Koristiti Module (KKM) je serija blog tutorijala e-radionice na kojoj ćeš pronaći sve što ti treba kako bi započeo rad sa svojim omiljenim modulom. Tutorijali obuhvaćaju: tehničke karakteristike, princip rada, upute kako povezati modul s Croduinom te osnovni kod. Sve ostalo prepuštamo tebi na maštu.

UVOD

U ovom tutorijalu vidjet ćemo na koji način možemo prilagoditi napon za naše projekte. Sigurno ste imali situacija kada vam je za neki dio bio potreban određeni napon, bilo koja vrijednost...
No što ćemo ako nam je pri ruci samo izvor puno većeg napona nego što nam je potrebno, štoviše, ako takav napon može oštetiti elektroniku.
Tu nam u pomoć uskaču tzv. buck converteri, to su DC-DC converteri, dakle pretvaraju istosmjerni napon određene vrijednosti u istosmjerni napon manje vrijednosti. Postoje još i boost converteri, o kojima možete više pročitati na linku.

• Ulaz 3V - 40V
• Izlaz 1.5V - 35V
• Max. struja na izlazu 3A

KAKO RADI?

Dakle, buck converteri ili step-down converteri kao što i sam naziv govori mogu samo sniziti napon, te je pri tome potrebno osigurati ulazni napon koji je barem 0.7V veći od željenog izlaznog napona (u slučaju LM2596 modula), zbog gubitaka u samom modulu.

Pogledajmo najprije pojednostavljenu shemu buck convertera općenito, najbolje da prvo naučimo osnovni koncept rada ovih pretvarača.

Na slici vidimo da se buck converteri sastoje od nekoliko osnovnih komponenata: zavojnice, kondenzatora, diode i prekidača (najčešće mosfet). Za rad je potreban također signal koji će upravljati prekidačem. Najčešći je slučaj gdje imamo upravljački čip koji proizvodi PWM signal i tako upravlja mosfetom. Za lakše razumijevanje rada ovih pretvarača možemo promatrati dva slučaja.

 

1. SLUČAJ:
U prvom slučaju prekidač je zatvoren i struja počinje teći zavojnicom, puni ju magnetskom energijom te dolazi do pada napona na zavojnici. Napon na izlazu biti će manji upravo zbog toga što se zavojnica drugačije ponaša u AC uvjetima, npr. kada se događaju neke promjene u mreži puput switchanja. Zavojnica u tom slučaju neće biti kratki spoj kao u DC uvjetima, već će imati određenu impedanciju koja uzrokuje pad napona. No, ako držimo prekidač predugo zatvorenim, zavojnica će doći do zasićenja i napon na izlazu će biti jednak naponu izvora, zato moramo brzo otvoriti prekidač kako bi dobili manji napon. Ako vas ne zanima čemu služi pojedina komponenta, već samo želite shvatiti osnovnu teoriju rada, preskočite na 2.SLUČAJ.

Sigurno vam se javljaju brojna pitanja, poput: „Zašto uopće imamo zavojnicu, zašto na njeno mjesto ne stavimo otpornik”.

Točno je da na izlazu možemo dobiti manji napon i na taj način, ali je to vrlo neučinkovit način. Ostvarenje nižeg napona dobiva se disipacijom energije u obliku toplinske energije i to je način na koji rade linearni regulatori. Zavojnica povećava tu efikasnost tako što će ulaznu energiju pretvoriti u magnetsku energiju (a ne toplinsku), zatim akumuliranu magnetsku energiju pustiti nazad u krug te tako osigurati konstantni tok struje.
 
Još jedno pitanje koje si možda postavljate je: „Zašto ne bi onda izbacili i zavojnicu i taj otpornik koji smo mislili staviti na njeno mjesto? Ako samo pulsiramo ulazni napon, na izlazu imamo manji napon, jer je srednja vrijednost manja?” U tom slučaju dobili bismo kapacitivnu petlju, u kojoj je naponsko trošilo (kondenzator) spojeno na naponski izvor.

U trenutku uklapanja sklopke, doći će do skoka napona na kondenzatoru, kondenzator u tom trenutku predstavlja kratki spoj za DC struju ako je prazan, a biti će jer ga prazni paralelno spojeni otpornik (teret), što znači vrlo velika struja iz izvora (u teoriji beskonačna). U praksi to je malo drugačije, jer postoje razni otpori samih elemenata: unutarnji napon izvora, serijski otpor kondenzatora, otpori vodiča, itd. Zbog toga kapacitivna petlja u praksi izgleda blaže, ali svakako nije poželjna i vrlo je vjerojatno da će se nešto uništiti. Dodavanjem zavojnice ograničavamo struju te grane te tada imamo strujno trošilo (a ne naponsko).

Nadalje, možemo li onda izbaciti i kondenzator? Ako sada pulsiramo ulaznu snagu, imat ćemo manji napon na izlazu (srednja vrijednost), a izbjegli smo kapacitivnu petlju?

Za neke primjene to je možda dobro, npr. kontrola svjetlosti LED-ice i slično, ali na izlazu tada više nemamo stabilni DC napon, već pulsirajući signal i onda više ne govorimo o buck converterima. U digitalnoj elektronici bi imali velike probleme kada bi nam napon izvora padao na nulu, naš mikrokontroler bi se konstantno resetirao. Također, maksimalne vrijednosti napona bi tada bile jednake naponu izvora, ako raspolažemo samo većim naponom no što nam treba, mikrokontroler sigurno neće biti zadovoljan.

Onda možemo vratiti zavojnicu? Ona će akumulirati energiju, neće dopustiti da struja/napon padne na nulu? Trebamo li kondenzator?

Zapravo, bez kondenzatora na kraju bi i mogli, uz dovoljno visoku frekvenciju upravljanja prekidačem, struja/napon na izlazu ne bi padali na nulu, međutim izlazni signal bio bi nešto poput trokutastog signala...kondenzator je tu da „ispegla” napon.
Zanimljivo je još da se povećanjem frekvencije mogu smanjiti fizičke dimenzije zavojnice. LM2596 modul tako, na primjer koristi fiksnu frekvenciju oscilatora od 150 kHz.

Zaključili smo sada zašto kod buck convertera moramo imati zavojnicu, zašto kondenzator i zašto ne možemo bez njih. Idemo promotriti drugi slučaj i saznati čemu nam služi dioda.

 

2. SLUČAJ
U drugom slučaju prekidač isklapa, izvor je isključen iz kruga. Znamo da se zavojnica opire promjeni struje pa će sada akumuliranu energiju nastaviti predavati trošilu, odnosno ima funkciju izvora.

Vidimo da bez diode ne bi postojao zatvoreni strujni krug, a zavojnica ima hrpu magnetske energije koju želi pretvoriti u električnu, želi ju izbaciti iz sebe. Na switchu bi se tada pojavio kratak impuls velikog negativnog napona što bi lako moglo oštetiti switch(mosfet).

Zato spajamo diodu na takav način da u prvom slučaju neće voditi, a u drugom će omogućiti zavojnici zatvoreni strujni krug.
 
I na kraju bacimo pogled malo na datasheet LM2596 modula. Dana je tipična topologija LM2596 convertera. Vidimo sve prijašnje komponente uz jedan jednostavan, ali vrlo važan dodatak. To su feedback otpornici, koji nadziru izlazni napon i kao naponsko djelilo pružaju informaciju modulu kako treba kontrolirati switch. Jako su bitni jer će tako izlazni napon uvijek biti isti i ako se promijeni ulazni napon ili se promijeni teret. Datasheet također navodi da efikasnost ovog modula dostiže 73%.

KAKO SPOJITI?

Spajanje ovog modula je vrlo jednostavno, sve četiri priključnice su označene na pločici, no ipak, treba paziti dobro da ne zamijenimo polaritet jer modul nema zaštitnu diodu.
U ovom primjeru spojili smo bateriju od 12V te na izlazu voltmetar, kojim smo promatrali izlazni napon. Napon podešavamo pomoću promjenjivog otpornika na pločici.
IN+ ===> +12V
IN- ===> minus (gnd)

Leave a Reply