Понижающий DC-DC регулятор XL4015 5А 75Вт с ампервольтметром

Технические характеристики

DC-DC преобразователь

• Модель: HW-083
• Рабочее напряжение
  • на входе: 4В ~ 32В DC
  • на выходе: 1.5В ~ 30В DC
• Блокируемое напряжение: менее 3.3В DC
• Пропускной ток
  • продолжительный: до 4А
  • кратковременный: до 5А
• Мощность выхода, макс.: 75 Вт (требуется охлаждение)
• Чип преобразователя: XL4015 XLSEMI
• Коэффициент эффективности (КПД), макс.: 96%
• Частота преобразования ШИМ
  • рабочая: 180 ± 20% кГц
  • короткое замыкание: 48 кГц
• Регулировка: выходное напряжение и ток
• Способ настройки: вращение подстроечного винта многооборотного потенциометра
• Количество оборотов потенциометра: 25 ± 3
• Индикация состояний: перегрузка по току, граница уровней тока CC/CV
• Дополнительно: вольтметр, амперметр, управление чипом XL4015, поддержка функции заряда аккумуляторных батарей
• Защита от: короткого замыкания, перегрева
• Контактная группа: площадки под пайку с монтажными отверстиями 4 х Ø2.0 мм, винтовые клеммы-терминалы

Вольтметр-амперметр

• Модель: HW-035
• Питание: 5.0В ~ 32В DC
• Рабочее напряжение: 3.3В (ME6203A MicroOne)
• Диапазон измерений: 3.3В ~ 30В
• Экран вольтметра, экран амперметра
• конструкция: светодиодный четырёхсимвольный семисегментный GNQ-2841-BS
• диагональ: 33.9 мм (1.33 дюйма)
• цвет символов: ярко красный
• высота символов: 7.12мм (0.28 дюйма)

Общие

• Рабочая температура: 0℃ ~ +75℃
• Размеры: 51.2 х 26.3 х 21.0 мм
• Вес: 35 гр

Преобразователь XL4015 – это лёгкий в использовании, универсальный модуль питания, с возможностью понижения и плавной регулировки выходного напряжения до требуемого уровня. Модель HW-083 располагает дополнительными функциями регулировки нагрузочного тока и мониторингом процесса заряда аккумуляторных батарей. Предусмотрено внешнее управление рабочим режимом XL4015.

Преобразователь HW-083 позволяет подключать самые разные низковольтные электронные схемы, функционирующие от постоянного напряжения +1.5В ~ +30В, к стационарным источникам питания, сетевым адаптерам, или автономным батареям с напряжением в диапазоне +5В ~ +32В. Предельная проводимость нагрузочного тока у преобразователя XL4015 достигает внушительных 5А, продолжительная - до 4А. Модуль HW-083 очень часто находит применение в компактных электронных изделиях, так как обладает понятными элементами настройки/управления, простой схемой подключения, и малыми размерами. На элементной базе преобразователя HW-083 может быть собран низкобюджетный регулируемый блок питания, поддерживающий зарядку аккумуляторных батарей.

Плата вольтметра-амперметра HW-035 дополняет конструкцию понижающего преобразователями инструментом контроля рабочих параметров выходного напряжения и тока. Измерительный модуль является несложной самодостаточной надстройкой к преобразователю. Проводных соединений между платами нет, латунные стойки по углам связывают контактные площадки входа-выхода HW-083 с такими же площадками питания и измерительного входа HW-035.

Конструктивные особенности HW-083

В основе DC-DC преобразователя использована типовая схема сборки, опубликованная на страницах технической спецификации к чипу XL4015. Опорный вольтаж у микросхемы регулятора составляет 1.25В, которым ограничивается нижний порог доступного на выходе напряжения. Однако из-за особенностей элементной базы модуля, операции с регулировкой тока выходного напряжения ниже 1.5В затруднительны или невозможны. Внутренняя схема преобразователя XL4015 имеет очень небольшой процент падения напряжения, гораздо менее значимый, нежели у популярной LM2596.

Интегрированный в XL4015 мощный переключающий МОП-транзистор с фиксированной частотой 180 кГц выделяет много тепла и ощутимо горячо разогревает корпус микросхемы в нагрузках с током более 2.5А. Для эффективного охлаждения чипа XL4015, на его поверхность требуется установка теплоотводящиего радиатора. Если преобразователь эксплуатируется в продолжительных нагрузках с высокой мощностью, рекомендуется использование медного радиатора с большей площадью рассеивания тепла в среде с улучшенным охлаждением.

Панель вольтметра-амперметра HW-035

Информация о измеряемом уровне напряжения на выходе преобразователя, и величине протекающего к нагрузке тока, разнесена на два независимых четырехсимвольных светодиодных индикатора. Цифры простенького экрана красного свечения высокой яркости, хорошо различаемые на небольшом удалении даже при высоком уровне окружающего освещения. Показания замеров вольтметра и амперметра могут незначительно отличатся от действительного. Погрешность в результатах напряжения составляет ± 0.5 вольта, в результатах тока — ± 0.05 ампера.

Цифровой измерительный прибор способен работать на эквивалентном преобразователю входном напряжении. Органов ручного управления на плате не предусмотрено, модуль рассчитан на постоянное функционирование до тех пор, пока запитан от напряжения. Трёхвольтовый стабилизатор ME6203A, установленный в схему HW-035, обеспечивает необходимый логический уровень всех цифровых микросхем. Процесс вычислений параметров электроэнергии возложен на интегрированный микроконтроллер, использующий для вывода показаний вспомогательный 8-битный сдвиговый регистр TI SN74LS164, управляющий числовыми разрядами индикаторов GNQ-2841-BS.

Ввиду проведённых производителями многочисленных модификаций в аппаратной части с момента первых ревизий устройства, в настоящем варианте исполнения упразднены ранее существовавшие интерфейсы UART (3-пиновый разъём B3B-XH-A с выводами GND, RXD, TXD) и I2C (2-пиновый разъём B2B-XH-A). Внутрисхемные соединительные линии последнего полностью обесточены. В угоду удешевления и оптимизации конструкции, оригинальный контроллер STM8S003F3 заменён на близкий аналог N76E003.

Протокол последовательной связи через шину TTL/UART на скорости 9600 бод (бит/сек), в двух вариантах прошивок, только для ранних ревизий:

Команда запроса значений:

• BB CC ADDR 00 XX XX CRC — тока
• BB CC ADDR 01 XX XX CRC — напряжения

Формат команды:

• BB CC — 2-байтный заголовок
• ADDR — 1-байтный адрес устройства
• 00/01 — 1-байтный флаг считывания тока/напряжения
• XX XX — 2-байтное произвольное значение
• CRC — 1-байтное проверочное число (контрольная сумма)

Вариант 1:

• BBCC00000000B4 - ток (алгоритм CRC-8)
• BBCC00010000DF - напряжение (алгоритм CRC-8)

Вариант 2:

• BBCC0100000088 - ток (BB+CC+01+00+00+00 = 0188, CRC = 0x88)
• BBCC0101000089 - напряжение (BB+CC+01+01+00+00 = 0189, CRC = 0x89)

Нужные показатели содержаться в пятом и шестом значимом байте возвращаемой строки, в милливольтах и миллиапмерах. Например, BBCC00012825.

Подключение HW-083, регулировка выходного напряжения

Контакты источника входного напряжения и тока припаиваются к специальным площадкам HW-083, или зажимаются в винтовой клемме входной группы IN+/IN-. Цепь нагрузки присоединяется с противоположной стороны OUT+/OUT-. Максимальное вниманием к соблюдению полярности крайне важно, защита от переполюсовки в преобразователе отсутствует.

В контуре обратной связи HW-083 установлены переменные резисторы "CV" и "CV", определяющие уровни напряжения и тока на выходе. Оба потенциометра имеют вращаемые винтовые головки многооборотной настройки. Поворотами вокруг оси по часовой стрелке регулируемое значение потенциометров увеличивается, в обратном направлении - плавно уменьшается. Область доступных потенциометром изменений, от минимальных значений до максимальных, требует около 25 ± 3 полных оборотов на 360 градусов. Регулировка выходного напряжения осуществляется показаниями замеров группы контактов OUT произвольным вольтметром, без подключения нагрузочной цепи.

Стабилизация напряжения

Понижающий преобразователь HW-083 удерживает постоянным уровень напряжение на выходе до тех пор, пока входное напряжение превышает заданный потенциометром "CV" порог. Снижение входного напряжения ниже установленной для выхода отметки приводит к пропорциональному снижению нагрузочного напряжения.

Регулировка тока на выходе, настройка индикаторов

Схема HW-083 расширена отдельным стабилизатором 78L05, стоящим в связке со сдвоенным компаратором LM358. Модуль преобразователя не может влиять на величину проходимого тока, однако способен его ограничивать. Эта задача возложена на один из сравнивающих блоков LM358, выполняющих оценку измеряемого тока на интегрированном шунтирующем резисторе с обратной стороны платы. При достижении заданной величины ограничения тока, микросхема XL4015 блокируется, снижается напряжение и ток на выходе, включается индикатор перегрузки.

Заряд батареи с помощью HW-083

Второй блок компаратора применяется для определения величины проходимого тока, когда преобразователь выступает в роли зарядного устройства для аккумуляторной батареи. Получаемые с шунтирующего резистора показатели тока сравниваются с параметрами ограничения тока, и делятся в соотношении 9% к 91%. Результатами определяется управление встроенными индикаторами "Идёт заряд батареи" и "Заряд батареи окончен" (метод заряда постоянным током CC / постоянным напряжением CV). Например, если нагрузочный ток ограничен 2-мя амперами, точкой переключения индикаторов станет 200 мА.

Настоятельно рекомендуется заряжать аккумуляторные сборки только со встроенными контроллерами и/или балансировочными схемами. Номинальное напряжение и ток для каждой батареи устанавливается согласно рекомендациям их производителя.

Эффективность преобразования

Коэффициент полезного действия XL4015 может достигать 96%. КПД напрямую связан с параметрами эксплуатации преобразователя, и рассчитывается делением выходной мощности на входную. Практически любой преобразователь потребляет больше электроэнергии на стороне источника входного напряжения, в отличии от выдаваемой на выходе. Наилучший показатель КПД достигается минимальной разницей напряжений между входом и выходом, с наименьшим нагрузочным током. Увеличение любого из этих двух параметров, в большей или меньшей степени приводит к снижению КПД.

Принципиальная схема преобразователя HW-083 XL4015E1

Принципиальная схема вольтметра-амперметра HW-035

Техническая документация

1. Спецификация XL4015 XLSEMI v1.5 datasheet (англ., PDF)