Przetwornica obniżająca ze stabilizacją napięcia i prądu, sterowana cyfrowo

Dzisiaj do zabaw z elektroniką często wystarcza zasilanie z portu USB komputera czy ładowarki smartfona. Problem pojawia się, gdy potrzebujemy napięcie stabilizowane 7, 9 czy 15V lub co gorsza – stabilizator prądu, choćby do testów diod LED dużej mocy. Podejście ambitne, to budowa zasilacza ze stabilizacją napięcia i prądu, rozwiązanie kosztowne to zakup gotowego urządzenia, a pośrednie (proste i tanie) – nabycie opisanego niżej modułu przetwornicy obniżającej (step-down) ze stabilizacją napięcia CV (constans voltage) i prądu CC (constans current). Dodatkową zaletą jest cyfrowe sterowanie i odczyt z przyzwoitą dokładnością.

Chińska przetwornica ze sterowaniem cyfrowym B3606

Opisywany moduł to dość popularny na chińskich portalach zakupowych (aliexpress, ebay) układ o oznaczeniu B3606 w cenie ok. 20$, czyli ~80zł. Przetwornica wygląda tak:

Całość jest wykonana całkiem nieźle, chociaż elementy o dużych gabarytach (cewka, złącza śrubowe) mogłyby być przylutowane staranniej. Do gniazda po lewej stronie dołączamy napięcie wejściowe o wartości 6-40V, na wyjściu po prawej możemy uzyskać 0-36V z dokładnością 10mV i 0-6A z dokładnością 1mA. Do ustawiania parametrów służą 4 mikroswitche, do komunikacji wykorzystano czterocyfrowy wyświetlacz 7-segmentowy i 3 diody LED. Ścieżki PCB, przez które przepływają duże prądy, zostały wzmocnione cyną. Tulejki dystansowe pełnią rolę stopek modułu.

Boki i tył przetwornicy oraz widok PCB po zdjęciu sterownika:

Na większym radiatorze znajduje się układ stabilizatora impulsowego XL4016E1, na mniejszym dioda gasząca Schottky’iego MBR1060. Elektrolit filtrujący napięcie wejściowe ma pojemność 470μF/50V, na wyjściu zastosowano takie dwa, połączone równolegle. Bocznik do pomiaru prądu posiada niewielką rezystancję 0,01Ω. Napięcie wejściowe i wyjściowe dołącza się do złącz śrubowych, co jest dosyć wygodnym rozwiązaniem. Pod sterownikiem znajdziemy ponadto wzmacniacze operacyjne 272C i MCP6002 (Microchip) na których zrealizowano pomiar i stabilizację napięcia/prądu oraz sterownik przetwornicy pomocniczej XL1509.

Sam sterownik jest używany w kilku innych przetwornicach. Został oznaczony symbolem 2P524A. Jego sercem jest mikrokontroler 8S003F3P6 (ST Microelectronics). Do sterowania wyświetlaczem, diodami led i klawiatury użyto dwóch układów 74HC595. Na płytce znajduje się również stabilizator liniowy 3,3V.

Układ z wyłączonym wyjściem pobiera niewiele prądu, bo ok. 20mA przy napięciu zasilającym wynoszącym 18V.

Przetwornica, według deklaracji producenta, pracuje z częstotliwością 180kHz. Maksymalna sprawność wynosi 92%. Zrobiłem test: na wejście podałem 18V, ustawiłem napięcie 4V, wyjście obciążyłem żarówką H7 12V/55W. Sprawność wyniosła 80%. Następnie ustawiłem stabilizację prądu na 1A, a do wyjścia podłączyłem diodę Power LED 10W – sprawność wyniosła 91%.

Przetwornica B3606 w akcji czyli jak to działa

Tradycyjnie kupując takie układy na ebayu czy aliexpress dostajemy wersję “bulk” czy OEM, czyli golas, bez instrukcji. Tą na szczęście łatwo wygooglować, chociaż znajdowane opisy i pliki pdf są w języku angielskim. Obsługa nie jest trudna. Po włączeniu, urządzenie wyświetla ostatnio ustawione napięcie (kropka na drugiej cyfrze wyświetlacza), wyjście jest wyłączone, znajdujemy się w trybie ustawiania. Za pomocą klawiszy [⇓] (drugi) i [⇑] (trzeci) ustawiamy pożądaną wartość wyjściową. Na zdjęciu jest to 7,55V.

Po naciśnięciu klawisza [SET] (pierwszy) ustawienie jest zapamiętane (na wyświetlaczy pojawią się – – – –) i pojawia się wartość prądu wyjściowego (kropka na pierwszej cyfrze), regulowana w ten sam sposób. Przyciśnięcie [SET] spowoduje zapamiętanie wartości i ponowne przejście do ustawiania napięcia.

Wciśnięcie klawisza [OK] (ostatni, czwarty) przeniesie nas do trybu stabilizacji, czyli podanie napięcia na wyjście i zapalenie czerwonej diody LED. Będzie ono (napięcie) wzrastać od 0 do momentu osiągnięcia ustawionej wartości, co spowoduje zaświecenie się zielonej diody oznaczającej stabilizację napięcia (ustawiona wartość 4,00V):

Jeśli podczas wzrastania napięcia wcześniej zostanie osiągnięta ustawiona wartość prądu, zapali się pomarańczowa dioda (stabilizacja natężenia). Ponowne wciśnięcie przycisku [OK] spowoduje wyświetlenie prądu pobieranego przez obciążenie (tutaj ustawiony 1,000A):

Podczas pracy z włączonym wyjściem (tryb stabilizacji) możemy nadal regulować napięcie i prąd za pomocą klawiszy [⇓] i [⇑]. Dłuższe przytrzymanie guzika [OK] spowoduje naprzemienne, cykliczne wyświetlanie prądu i napięcia podawanego na obciążenie. Naciśniecie przycisku [SET] wyłączy wyjście i przejdziemy do trybu ustawiania.

Kalibracja sterownika przetwornicy B3606

Fabryczne ustawienia mojej przetwornicy są całkiem niezłe, dokładność napięcia jest na poziomie 10-20mV, prądu ok. 4mA. Jeśli okaże się, że ustawiane i wyświetlane wartości prądu i napięcia znacznie odbiegają od zmierzonych wzorcowym multimetrem, można przeprowadzić kalibrację sterownika. W tym celu należy przytrzymać przycisk [SET], aż na wyświetlaczu pojawi się – F1 –. Przyciski [⇓] i [⇑] pozwalają na przechodzenie do kolejnych funkcji F1…F6, przycisk [OK] wejście do funkcji, przycisk [SET] wyjście z trybu kalibracji.

Funkcja F1 umożliwia kalibrację stabilizatora napięcia. Na wejście podajemy min. 28V. Do wyjścia podłączamy woltomierz. Na wyświetlaczu pojawi się 2V, za pomocą klawiszy [⇓] i [⇑] ustawiamy wartość wskazywaną przez woltomierz. Po zatwierdzeniu klawiszem OK, na wyświetlaczu pojawi się 24V, tu również ustawiamy wartość odczytaną z multimetru. Podczas ustawiania przetwornica musi znajdować się w trybie stabilizacji napięcia (zielona dioda). Wciśnięcie [OK] spowoduje wyjście do wyboru funkcji.

Funkcja F2 pozwala na kalibrację stabilizatora prądu. Do wyjścia podłączmy amperomierz, który pozwoli na pomiar min. 3A. Po wejściu do funkcji wyświetlacz wskaże 0,200A, za pomocą [⇓] i [⇑] ustawiamy wartość z amperomierza. Wciskamy [OK], na wyświetlaczu pojawi się 2,800A, ponownie ustawiamy prąd z miernika wzorcowego. Podczas kalibracji moduł musi się znajdować w trybie stabilizacji prądu, czyli świeci pomarańczowy LED. Zatwierdzamy również guzikiem [OK].

Funkcja F3 – kalibracja woltomierza. Do wyjścia podłączamy woltomierz wzorcowy. Dokonujemy regulacji tak, by wskazania modułu i wzorca pokrywały się dla 2 i 24V. Układ musi się znajdować w trybie stabilizacji napięcia, a podłączone źródło musi pozwalać na osiągnięcie 24V na wyjściu (na zdjęciu widać, że jest za mało):

Funkcja F4 – kalibracja amperomierza. Do wyjścia podłączmy amperomierz wzorcowy. Zrównujemy wskazania dla 0,200A i 2,800A. Miernik musi się znajdować w trybie stabilizacji prądu.

Funkcja F5 – zapis ustawień. Do wyboru mamy SA – N, czyli nie zapisujemy (Save No) i SA – Y – zapis kalibracji do pamięci (Save Yes).

Funkcja F6 – reset do ustawień fabryczny. Do wyboru mamy r – – N (Reset no) i r – – Y (Reset Yes).

Sterownik posiada jeszcze ukryte menu rozszerzające jego możliwości, ale przedstawię je przy okazji opisu bliźniaczej przetwornicy podwyższającej.

Dla zainteresowanych – instrukcja obsługi w języku angielskim – B3606 user manual.

Podsumowanie – B3606

Na zakończenie kilka słów o pracy z przetwornicą. Używałem ją na wiele sposobów – od zwykłego zasilacza ze stabilizacją napięcia po źródło prądowe i ładowarkę. We wszystkich zastosowaniach spisywała się dobrze. Ze względu na sposób stabilizacji (narastanie napięcia), udało mi się wzbudzić układ za pomocą diody LED, która zaczęła migać z częstotliwością ok. 1Hz. Układ nadaje się do ładowania akumulatorów. Ustawiamy prąd ładowania i napięcie końcowe. Przy obciążeniu ok. 3A radiatory są dosyć ciepłe, ale temperatura jest bezpieczna dla półprzewodników. Podczas pracy nie słychać dźwięków generowanych przez cewkę. Moim zdaniem zakup takiej przetwornicy w cenie ok. 80zł jest opłacalny.