Самодельный адаптер с 12 на 5 вольт. Блок питания

Сразу после первого вояжа на машине с семьёй на море возникла идея сделать в автомобиле стационарную разводу розеток под USB для зарядки мобильных устройств. Кстати сейчас новые автомобили стали уже комплектовать с инверторами на 220В и соответственно розетками на 5В.

Я таких машин ещё не встречал.
Да, в продаже если и есть адаптеры на для мобильных ПК то они предназначены для зарядки одного, максимум двух устройств при условии, что второе устройство не такое уж мощное. У меня в машине и так постоянно подключены 3 адаптера, но спрятаны они под колодкой предохранителей.

А пассажиры пользуются адаптером, который втыкается в разъём в пепельнице, что мне не очень удобно, так как его постоянно задеваю при переключении передач. После дня пути обычно у пассажиров разрежаются все устройства и начинается возня с зарядками мобильников. Приходится даже свой навигатор отключать, чтобы зарядить чьё-нибудь устройство.

Можно было сделать, как делают многие, покупают колодку на несколько адаптеров и сопли проводов тянутся по всему салону. И так требуется устройство выдающие положенные 5 вольт и мощностью 10 А. Много? Прикинем: 4 телефона, потребляют около 1 А каждый, планшет порядка 2 А, навигатор больше 0,5 А видеорегистратор тоже 0,5 А и радар-детектор около 0,5 А. И того 7, 5 А.

В процессе было собрано 3 преобразователя, но не один не мог выдерживать и 3 А продолжительное время. Один так вообще загорелся.

Нормально заработала только эта схема.

Схема преобразователя DC/DC на MC34063

Плата устройства

Сборочный чертёж

Да, моя плата далека от идеала, умение разводить плату сравнимо с талантом. Полевик с диодом расположил так, чтобы можно было прицепить практически любой радиатор, сделав плату чуть длиннее, а крепёж уже по месту. Специально подгонять плату под корпус не стал в виду отсутствия такового. Все детали нашлись в первом раскуроченном блоке питания компьютера.

Для изготовления устройства понадобилось:

1. Конденсатор керамический С1 470 пФ (1шт)
2. Конденсатор электролитический С3,С5,С6 1000 мкФ, 16В (3шт)
3. Конденсатор электролитический С2 100 мкФ, 16В (1шт)
4. Конденсатор электролитический С4 470 мкФ, 25В лучше 50В(1шт)
5. Индуктивности DR1, DR2 типа гантелька (2шт)
6. Трансформатор импульсный DR3 кольцевой (1шт)
7. Индуктивность типа пенёк DR4 (1шт)
8. Винтовой клемник J1 (1шт)
9. Резистор R1 1,2 кОм (1шт)
10. Резистор R2 3,6 кОм (1шт)
11. Резистор R3 5,6 кОм (1шт)
12. Резистор R4 2,2 кОм (1шт)
13. Резистор R5 2,2 кОм или 1 кОм на 1ват (1шт)
14. Микроконтроллер U1 MC34063
15. Диод VD1, VD3 FR155 (2шт)
16. Диод VD2 SBL25L25CT (1шт)
17. Транзистор биполярный VT1 2SC1846 (1шт)
18. Полевой транзистор IRL3302 (1шт)
19. Панелька DIP8 (1шт)
20. Корпус по произвольным размерам

Основные компоненты: это сама микросхема U1, импульсный трансформатор DR3, мощный N канальный полевик VT2(может быть любым используемый в цепях питания) и диодная сборка VD2. Трансформатор VD3 изготовил из такого же трансформатора с того самого БП. Кольцо из пресспермалоя, желтого цвета. 27мм. Первичную обмотку набил проводом 2мм 22 витка, вторичную обмотку намотал проводом тоньше, 0,55 мм 44 витка.

Индуктивности DR1 DR2 типа гантелька взял как есть из БП. Индуктивность типа пенёк DR4 тоже самое. Транзистор и диод разместил на радиаторе от того же БП.

Всё собрал на печатной плате собственной разработки. В ходе лабораторных испытаний пришлось внести изменения в предложенную автором схему. Дело в том что сам автор указывает на то что резистор R5 греется, даже замена на более мощный резистор проблему не решает. В течении часа резистор этот у меня почернел и обуглился.

Решил попробовать увеличить сопротивление до 2,2кОм и всё греться он перестал. Транзистор VT1, перестраховался, заменил на более мощный. Трансформатор DR3 тоже сначала не много грелся, перемотал, добавил количество витков в первичную и во вторичную обмотки, стало 30 и 60.

Не знаю, что там с фронтами открытия полевого транзистора но схема работает нормально, при нагрузке в 2А устройство остаётся холодным. Радиаторы на транзистор и диод можно большие не ставить. Поставил на выходе +5В ферритовое кольцо, для уменьшения помех.

Вот мой первый, рабочий, испытательный прототип.

Испытание на сопротивление 1Ом сопротивление быстро нагрелось сила тока на фото.

И последние, кипятильник на 5В в работе. Смотрите силу тока на фото. Да вот тут уже начали греться транзистор с диодом.

Испытывал свой преобразователь на 5 А работал почти весь день так немного тёплый. Потом нашёл старый блок питания от монитора которого уже нет. Плату пустил в разбор, в корпус уместил свою схему. Транзистор и диод расположил на кулере от старого ноутбука. В противоположной стороне коробки просверлил ряд отверстий. Очень даже получилось ничего. Воздух будет прокачиваться через всю схему.

Готовое устройство на установку в автомобиль.

Розетки двойные под USB планирую врезать в одну в переднюю панель вместо кнопки-зглушки и вторую к задним пассажирам в подлокотник передних сидений. Также думаю одинарную розетку в панель передней левой стойки и подвести питание к видеорегистратору который находится у зеркала. По данной схеме можно собрать вообще универсальный блок питания, то есть добавить каскад преобразования из 12В в 19В для питания ноутбука, что планирую в будущем.

В настоящее время импульсные преобразователи используются практически везде и всё чаще заменяют классические линейные стабилизаторы, на которых при больших токах выделяется значительная мощность в виде тепловых потерь. Предлагаемая схема является простым понижающим преобразователем Step-Down с напряжения 12 В на стандартное для USB 5 В и собирается она на основе популярной микросхемы LM2576T.

Устройство предназначено для работы с автомобильной проводкой 12 В и может использоваться для зарядки или питания GPS-навигаторов, мобильных телефонов, планшетов оснащенных разъемом USB .

В состоянии покоя система полностью отключена от питания авто, а во время работы выключается сразу же после отключения тока, потребляемого с его выхода (например, при отключении провода от USB-разъема). Запуск системы осуществляется через кратковременное нажатие на кнопку, но если в данный момент выход не подключен — преобразователь снова автоматически выключится.

Принципиальная схема преобразователя LM2576T

Основой является уже упомянутый ранее чип U1 (LM2576T-ADJ), дроссель L1 (100uH) и диод Шоттки D1 (1N5822). Конденсатор C1 (100uF) фильтрует напряжение питания. Выходной фильтр представляет собой конденсатор C4 (470uF), а стабилитрон D4 (BZX85C5V1) мощностью 1.3 Ватт может защитить систему от возможного кратковременного повышения напряжения питания (жалко будет спалить дорогой смартфон из-за случайных ошибок).

Принцип действия устройства

Для начала стоит написать несколько слов о самой микросхеме LM2576T — контроллере преобразователя. Схема обеспечивает превосходную альтернативу для типовых 3-х контактных линейных стабилизаторов семейства LM317, предлагая гораздо более высокую эффективность и позволяя снизить потери. Очень большое преимущество микросхемы LM2576T — возможность отключения и перехода в режим Standby, в котором потребляемый ток всего 50 мкА. Эта функция не используется в данной схеме преобразователя, но стоит иметь в виду на будущее. LM2576T содержит в своем составе все необходимые компоненты для преобразователя, вместе с силовым транзисторным ключом, который может работать с токами до 3 А. Сборка требует подключения только нескольких внешних компонентов.

Важным элементом является делитель напряжения R10 (1,2 k), R11 (3,6 к), так как он отвечает за величину выходного напряжения. Степень деления подобрана так, чтобы при выходном напряжении 5 В на входе компаратора микросхемы U1 присутствовало напряжение 1.23 В. Внутренний компаратор микросхемы управляет транзистором, чтобы напряжение на выходе достигло нужного значения. Всё это дело стабилизирует напряжение и при изменении тока нагрузки.

Преимуществом данной схемы является возможность автоматического выключения питания после отключения тока, потребляемого от преобразователя. Отвечает за это транзистор T1 (BD140), а также резисторы R6 (10k) и R4 (1k). В выключенном состоянии резистор R6 обеспечивает правильное отключение транзистора T1. Запуск системы осуществляется через кратковременное замыкание кнопки S1 (типа сенсорная). Преобразователь включается, а транзистор T4 (2N7000) поддерживает далее низкий потенциал на базе T1. Резистор R4 ограничивает ток базы транзистора Т1.

Для контроля тока потребляемого нагрузкой, используется операционный усилитель U2 (LM358), в котором задействуется только одна половина. Он работает с усилением, равным 1000, установленным через резисторы R12 (100k) и R13 (100 Ом). Конденсатор C2 (100nF) фильтрует напряжение питания усилителя. Для управления транзистором T4 используется делитель напряжения R9 (10k), R7 (10k), осуществляющий деление выходного напряжения ОУ на 2.

Незначительное падение напряжения на измерительном резисторе R14 (0,2 Ома) порядка 5 мВ, нужно для поддержания работы преобразователя. Таким образом, для поддержания включенного состояния инвертора, достаточно потребляемого нагрузкой тока 25 мА.

Двухцветный светодиод D2 выполняет роль индикатора питания.

Когда же напряжение на выходе слишком высокое, открывается стабилитрон D3 (BZX55C5V1), а на резисторе R8 (2,2 k) появляется потенциал, достаточный для открытия транзистора T3 (2N7000). Сразу T2 (2N7000) будет закрыт и загорится красный светодиод. Ток светодиодов ограничен через резисторы R2 (560 Ом) и R3 (1k). При нормальной работе транзистор T2 пропускает ток (через R5) и горит зеленый светодиод.

Печатная плата инвертора 12/5 вольт

Печатная плата в PDF доступна для всем посетителям сайта . Монтаж преобразователя не сложен, все помещается на односторонней печатке. Пайку следует начинать с маленьких радиоэлементов — резисторов, потом диоды, транзисторы, и заканчивая конденсаторами и разъемами. Под микросхему не следует использовать панельки, особенно если система будет работать в автомобиле, так как из-за вибраций м/с может вылететь из гнезда. Если схема будет работать постоянно и в сложных условиях, без притока воздуха, то стоит прикрутить небольшой радиатор (кусок пластины) на транзистор Т1.

Как упростить конструкцию

Как уже говорилось, DC-DC инвертор имеет функцию автоматического отключения. Но можно при желании от нее отказаться, что неплохо упростит конструкцию. Резистор R14 тогда надо заменить перемычкой, а операционный усилитель U2 и элементы, которые с ним работают, не будут нужны вообще. Не нужна также установка транзистора T4. Вместо кнопки можно использовать любой переключатель соответствующей мощности, что позволит включить преобразователь тумблером. В случае, если схема будет работать в постоянном режиме, не нужен и транзистор T1 — соедините его эмиттер с коллектором с помощью перемычки.

Специализированный инвертирующий импульсный регулятор MC34063A разработан специально для преобразования входного напряжения низкого значения до более высокого. Микросхема включенная по этой схеме, предполагает диапазон входного напряжения от 4.5 до 6 В, а на выходе - 12 В 100 мА. MC34063A представляет собой монолитную цепь управления, содержащую основные функции, необходимые для DC-DC преобразователя - устройство состоит из блока внутренней температурной компенсации, опорного напряжения, компаратора, управляемого генератора с активной схемой ограничения тока, драйвер и транзисторы на выходе переключателя. Эта микросхема специально разработана, чтобы быть использована как понижающий, повышающий и инвертирующий преобразователь с минимальным числом внешних компонентов.

Особенности схемы

• Вход 4.5 - 6V
• Выход -12 В DC 100 мА
• Регулируется по напряжению
• Низкий ток в режиме ожидания нагрузки
• Низкий уровень пульсаций выходного напряжения
• Размеры печатной платы 32 х 35 мм

Таким образом, получается очень маленькая, простая в сборке и настройке конструкция, способная из стандартных 5-ти вольт от USB выхода получать 12 В, которые часто требуются для питания различных схем. Причём это значение можно настроить и на другой вольтаж. Правда ток выходной всего 0,1 А и заряжать автомобильные аккумуляторы от этой схемы точно не получится))

Такой преобразователь может понадобиться для питания сильноточных 5-вольтовых схем от автомобильного аккумулятора, зарядки от него же литиевых аккумуляторов (тогда выходное напряжение придется уменьшить до 4 В); в авторском же варианте используется для питания внешнего компьютерного DVD-RW (USB) от автомобильного аккумулятора. Этот привод и сам по себе довольно сильно греется в процессе работы, поэтому охлаждать еще и микросхему линейного стабилизатора просто нечем. А импульсники знамениты своей экономичностью.

На микросхеме DDI собраны умножитель напряжения и тактирующий генератор (рис. 1.10).

Умножитель необходим из-за того, что в схеме используются более дешевые и распространенные полевые транзисторы с каналом n-типа. Для полного отпирания полевого транзистора с изолированным затвором и индуцируемым каналом (к этому типу относятся все транзисторы серии IRF) напряжение на его затворе нужно поднять на 3…5 В выше напряжения на стоке – так что здесь без умножителя не обойтись.

Умножитель собран на элементах СЗ, VD1, VD2 и фильтрующем конденсаторе С4 по типовой схеме. Для ограничения напряжения (оно может подняться до 22 В, а для микросхемы 555 напряжение выше 18 В опасно) добавлен резистор R5. Благодаря ему напряжение на конденсаторе С4 составляет около 17…18 В, этого достаточно для нормальной работы полевого транзистора и недостаточно для пробоя микросхемы. Конденсатор СЗ может быть или многослойным керамическим (в виде параллелепипеда, для поверхностного монтажа), или пленочным, но не дисковым керамическим! Иначе, из-за значительного внутреннего сопротивления конденсатора, напряжение на С4 не повысится выше 15… 16 В даже без резистора R5, и ключевой транзистор будет сильно греться. Конденсатор С4 может быть рассчитан на 16 В.

Собственно широтно-импульсный модулятор собран на таймере DD2. Через конденсатор С2 и транзистор VT1 на вход S таймера поступают очень короткие синхроимпульсы с выхода генератора – чем они короче, тем лучше (иначе выход таймера может возбуждаться). Емкости 10 пФ вполне достаточно, ее можно даже уменьшить до 5 пФ.

Регулировка длительности выходных импульсов производится через вход REF (вывод 5 микросхемы). Длительность выходного импульса равняется времени, за которое конденсатор С5 заряжается от нуля до напряжения на этом входе, то есть при уменьшении напряжения REF длительность импульсов (и напряжение на выходе) уменьшается, при напряжении менее 1,5 В она становится равной нулю.

Принцип работы устройства

Преобразователь напряжения построен по классической схеме m полевом транзисторе VT2 и дросселе L1. В качестве обратноходово- го диода используется транзистор VT3. В мощных понижающю импульсниках в этом месте лучше всего ставить именно транзисто ры – так как ток обратного хода практически равен прямому току, и если падение напряжения на ключевом транзисторе (VT2 по схеме) легко уменьшить до минимума, то с диодами все гораздо сложнее. В итоге получается парадокс: ключевой транзистор – холодный, дроссель почти не греется, зато диод – как утюг! А ведь чем меньше нагрев – тем выше КПД схемы, и с отводом тепла меньше проблем.

Транзистор VT3 работает в противофазе с ключевым транзистором VT2 благодаря инвертору на микросхеме DD3. Так как обрат- ноходовой диод должен быть открыт не все время простоя ключевого транзистора, а только небольшое (иначе он будет замыкать через дроссель выход схемы) время сразу после закрытия ключевого транзистора (именно в это время импульс тока обратного хода имеет наибольшую амплитуду), в схему добавлен конденсатор С6 и – для точной настройки – подстроечный резистор R8. Все остальное время транзистор VT3 работает как диод – благодаря встроенному мощному защитному диоду между выводами стока и истока. То есть от замены диода транзистором хуже точно не будет.

Стабилизатор напряжения собран на стабилитроне VD3 и транзисторе VT4. Точность и величина выходного напряжения зависят только от качества и напряжения стабилизации стабилитрона. Его можно заменить микросхемой TL431.

Дроссель L1 можно намотать на каркасе трансформатора от старой радиоточки. Берем провод диаметром 1 мм (для тока нагрузки до 2 А) и мотаем до заполнения каркаса (около сотни витков). Так как дроссель работает на постоянном токе, то между пластинами обязателен диэлектрический зазор – то есть засовываем все Ш-об- разные пластины в одном направлении и между ними и «палочками» прокладываем 1-2 слоя газетной бумаги (или трансформаторной, если у вас есть), после чего все это дело очень хорошо сжимаем. Можно намотать дроссель и на ферритовом кольце диаметром примерно 30…40 мм, но опять-таки его лучше разрезать и снова склеить, или взять специальный разрезной сердечник (ферритовые чашки – диаметром 20…30 мм и высотой 15…20 мм, примерно 50…80 витков).

Налаживание

Полностью собираем схему, не впаиваем только транзисторы VT2 и VT3. Подключаем питание – напряжение на выводах питания DD2 должно быть на 4…6 В больше напряжения питания; если оно меньше – убеждаемся в наличии генерации (напряжение на выходе генератора должно равняться половине питающего), уменьшаем сопротивление резистора R5, если это не помогает – ставим более качественный конденсатор СЗ. Если напряжение питания DD2 больше 18 В – увеличиваем сопротивление резистора R5. После этого впаиваем оба транзистора и уменьшаем сопротивление R8 до нуля. К выходу подключаем мощную нагрузку (рекомендуется – автомобильную лампочку на 12 В, 20 Вт) и подаем питание +12 В через подключенный амперметр. Если все работает нормально, напряжение на лампочке будет примерно равно напряжению стабилизации стабилитрона, а потребляемый схемой ток будет раза в два меньше тока через лампочку (в авторском варианте – 0,5 А). Теперь отключаем лампочку-нагрузку. Напряжение на выходе должно увеличиться не более чем на 0,2…0,3 В, а напряжение на входе REF DD2 должно быть в пределах 0,8…2,5 В относительно общего провода. Если оно близко к нулю, следует уменьшить емкость конденсатора С5 раза в два.

Включите-отключите нагрузку: дроссель при этом должен коротко «стукать» (это цепь обратной связи отрабатывает резкое изменение тока нагрузки), никаких свистов (самовозбуждения) быть не должно. Если возникает возбуждение – скорее всего, неправильно нарисованы дорожки.

После этого можно начинать настройку «умного диода» (VT3). Медленно вращайте движок подстроечного резистора R8 – потребляемый схемой ток (+12 В) начнет уменьшаться – примерно на 5…10%. Этот ток раньше расходовался исключительно на нагрев корпуса транзистора VT3. Но в какое-то время может возникнуть самовозбуждение выходного каскада – потребляемый схемой ток резко возрастает в 2…3 раза. Движок R8 нужно установить в такое положение, при котором потребляемый ток уменьшился, но до возбуждения еще далеко. Снова отключите-включите нагрузку, отклю- чите-включите питание: возбуждения выхода и свиста в дросселе (даже очень короткого!) быть не должно. Если это не так – нужно чуть уменьшить сопротивление R8 и повторить провокацию.

Благодаря такой схеме в^слючения транзистора VT3 он хоть и греется, но заметно слабее, чем хороший диод Шоттки (КД213, 1N5822). При токе нагрузки до 1…1,5 А радиаторы для обоих транзисторов не нужны, при токе до 3 А к корпусу VT3 нужно прикрутить небольшую пластин- ку-теплоотвод (КРЕН с такой силой греется уже при токе 0,2 А).

КТ315 можно заменить любыми кремниевыми структуры п-р-п. Электролиты С7 и С8 желательно набрать из нескольких соединенных параллельно меньшей емкости, параллельно им можно включить парочку пленочных или многослойных керамических конденсаторов емкостью 0,1 мкФ и более.

При повторении схемы особое внимание нужно уделить проводам питания – все элементы и все провода должны быть подключены именно так, как показано на рисунке! Не экономьте на спичках – иначе замучитесь с настройкой! Дорожки, нарисованные на рисунке более толстой линией, должны быть потолще – минимум 1,5…2 мм.