Jeszcze inny najmniejszy regulowany impuls SMPS (bez SMD): 8 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:31

Pełna nazwa projektu:

Kolejny najmniejszy na świecie regulowany zasilacz impulsowy DC na DC z przetwornicą impulsową, wykorzystujący THT (technologia przewlekana) i bez SMD (urządzenie montowane powierzchniowo)

OK, ok, masz mnie. Może nie jest mniejszy niż ten stworzony przez firmę Murata Manufacturing, ale na pewno coś, co można zbudować samemu w domu przy użyciu powszechnie dostępnych elementów i narzędzi.

Moim pomysłem było stworzenie kompaktowego zasilacza impulsowego do moich małych projektów opartych na mikrokontrolerach.

Ten projekt to także swego rodzaju tutorial jak tworzyć ścieżki na PCB za pomocą litego drutu zamiast budowania ścieżek za pomocą lutu.

Zróbmy to!

Krok 1: Projekt

Można znaleźć wiele niestandardowych projektów zasilaczy kieszonkowych, ale większość z nich, które znalazłem, miała 2 największe wady:

• Są zasilaczami liniowymi, co oznacza, że nie są bardzo wydajne,
• Są albo nieuregulowane, albo regulowane etapami

Mój konwerter step-up to zasilacz impulsowy z płynnie regulowanym napięciem wyjściowym (poprzez regulowany rezystor). Jeśli chcesz przeczytać więcej, na microchip.com znajduje się doskonały dokument, który wyjaśnia różne architektury, zalety i wady korzystania z SMPS.

Jako podstawowy układ scalony dla mojego zasilacza impulsowego wybrałem bardzo popularny i powszechnie dostępny układ MC34063. Można go wykorzystać do zbudowania przetwornicy step-down (buck), step-up (boost) lub falownika napięcia poprzez dodanie kilku elementów zewnętrznych. Bardzo ładne wyjaśnienie, jak zaprojektować SMPS przy użyciu MC34063, zostało wykonane przez Dave'a Jonesa w swoim filmie na YouTube. Gorąco polecam obejrzeć go i śledzić obliczenia wartości każdego pierwiastka.

Jeśli nie chcesz tego robić ręcznie, możesz skorzystać z kalkulatora internetowego dla MC34063, który spełni Twoje potrzeby. Możesz użyć tego autorstwa Madis Kaal lub zaprojektowanego do wyższych napięć na changpuak.ch.

Wybrałem elementy tylko z grubsza trzymając się obliczeń:

Wybrałem największe kondensatory, które zmieściły się na płytce. Kondensatory wejściowe i wyjściowe to 220µF 16V. Potrzebujesz wyższego napięcia wyjściowego lub wyższego napięcia wejściowego, wybierz odpowiednie kondensatory

• Induktor L: 100µH, to był jedyny, jaki otrzymałem z rozmiarem samego chipa.
• Użyłem diody 1N4001 (1A, 50V) zamiast jakiejś diody Shotky'ego. Częstotliwość przełączania tej diody wynosi 15 kHz, czyli mniej niż moja częstotliwość przełączania, której użyłem, ale jakoś cały obwód działa dobrze.
• Kondensator przełączający Ct: 1nF (daje częstotliwość przełączania ~26kHz)
• Rezystor ochronny prądowy Rsc: 0,22Ω
• Rezystor zmienny reprezentujący stosunek rezystancji R2 do R1: 20kΩ

Porady

• Wybierz częstotliwość przełączania (wybierając odpowiedni kondensator przełączający) w zakresie swojej diody (wybierając diodę Shotky'ego zamiast diody ogólnego przeznaczenia).
• Wybierz kondensatory o wyższym napięciu maksymalnym niż chcesz podać jako wejście (kondensator wejściowy) lub wejdź na wyjście (kondensator wyjściowy). Np. Kondensator 16V na wejściu (o większej pojemności) i kondensator 50V na wyjściu (o mniejszej pojemności), ale oba stosunkowo tej samej wielkości.

Krok 2: Materiały i narzędzia

Zastosowane przeze mnie materiały, ale dokładne wartości mocno zależą od Twoich potrzeb:

• Chip MC34063 (Amazonka)
• Kondensator przełączający: 1nF
• Kondensator wejściowy: 16V, 220µF
• Kondensator wyjściowy: 16V, 220µF (polecam 50V, 4,7µF)
• Szybka dioda przełączająca: 1N4001 (niektóre diody Shotky są znacznie szybsze)
• Rezystor: 180Ω (wartość dowolna)
• Rezystor: 0,22Ω
• Rezystor zmienny: 0-20kΩ, ale możesz użyć 0-50kΩ
• Cewka: 100µH
• Prototypowa płytka PCB (BangGood.com)
• Kilka krótkich kabli

Potrzebne narzędzia:

• Stacja lutownicza (i narzędzia wokół niej: drut lutowniczy, w razie potrzeby żywica, coś do wyczyszczenia grota itp.)
• Szczypce, szczypce ukośne/obcinaki boczne
• Piła lub narzędzie obrotowe do cięcia płyty
• Plik
• Taśma klejąca (tak, jako narzędzie, nie jako materiał)
• Ty

Krok 3: Umieszczanie elementów - początek

Dużo czasu poświęcam na uporządkowanie elementów na tablicy w takiej konfiguracji, aby zajmowała jak najmniej miejsca. Po wielu próbach i niepowodzeniach ten projekt prezentuje to, na czym skończyłem. W tej chwili uważam, że jest to najbardziej optymalne rozmieszczenie elementów przy użyciu tylko 1 strony planszy.

Rozważałem umieszczenie elementów po obu stronach, ale potem:

• lutowanie byłoby naprawdę skomplikowane
• W rzeczywistości nie zajmuje mniej miejsca
• SMPS miałby mieć nieregularny kształt, dzięki czemu można go zamontować m.in. torfowisko lub na baterii 9V bardzo trudne do osiągnięcia

Do łączenia węzłów użyłem techniki gołego drutu, wygiąłem go w oczekiwany kształt ścieżki, a następnie przylutowałem do płytki. Wolę tę technikę zamiast lutowania, ze względu na:

• Używanie lutu do „połączenia kropek” na PCB uważam za szalone i jakoś niestosowne. Obecnie drut lutowniczy zawiera żywicę, która służy do odtleniania lutowia i powierzchni. Ale użycie lutowia do budowania ścieżek powoduje, że żywica paruje i pozostawia odsłonięte utlenione części, co moim zdaniem nie jest dobre dla samego obwodu.
• Na PCB, którego użyłem, połączenie 2 „kropek” lutem jest po prostu prawie niemożliwe. Lut przykleja się do „kropek” bez tworzenia między nimi zamierzonego połączenia. Jeśli użyjesz płytki drukowanej, w której "kropki" są wykonane z miedzi i są bardzo blisko siebie, to wykonanie połączeń wydaje się łatwiejsze.
• Używanie lutu do tworzenia ścieżek zużywa tylko… za dużo lutu. Korzystanie z drutu jest po prostu mniej „kosztowne”.
• W przypadku pomyłki może być naprawdę trudno usunąć starą ścieżkę lutowniczą i zastąpić ją nową. Korzystanie ze ścieżki drutowej jest stosunkowo łatwiejszym zadaniem.
• Korzystanie z przewodów zapewnia znacznie bardziej niezawodne połączenie.

Wadą jest to, że kształtowanie i lutowanie drutu zajmuje więcej czasu. Ale jeśli zdobędziesz trochę doświadczenia, nie jest to już trudne zadanie. Przynajmniej po prostu się do tego przyzwyczaiłem.

Porady

• Główną zasadą umieszczania elementów jest docięcie nadmiarowych nóżek z drugiej strony deski, jak najbliżej deski. Pomoże nam później, gdy umieścimy drut do budowania ścieżek.
• Nie używaj nóg elementu do tworzenia ścieżek. Generalnie jest to dobry pomysł, ale jeśli się pomylisz lub Twój element wymaga wymiany (np. jest uszkodzony) to jest to naprawdę trudne. I tak będziesz musiał przeciąć przewód, a ponieważ nogi są wygięte, wyciągnięcie elementu z deski może być trudne.
• Staraj się budować ścieżki z wnętrza obwodu na zewnątrz lub z jednej strony na drugą. Staraj się unikać sytuacji, gdy musisz stworzyć ścieżkę, ale inne ścieżki wokół są już utworzone. Trzymanie przewodu prowadzącego może być trudne.
• Nie przycinaj przewodu ścieżki do końcowej długości/kształtu przed lutowaniem. Weź dłuższy przewód ścieżki, ukształtuj go, użyj taśmy, aby przytrzymać przewód ścieżki w pozycji na płycie, przylutuj go i na koniec przytnij na żądany punkt (sprawdź zdjęcia).

Krok 4: Umieszczanie elementów - zadanie główne

Wystarczy postępować zgodnie ze schematem i umieszczać element po kolei, wycinając nadmiar nóżek, przylutować go jak najbliżej płytki, ukształtować ścieżkę, przylutować i przeciąć. Powtórz z innym elementem.

Wskazówka:

Jak umieściłem każdy element, możecie sprawdzić na zdjęciach. Spróbuj po prostu postępować zgodnie z podanym schematem. W niektórych skomplikowanych obwodach zajmujących się wysokimi częstotliwościami itp., cewki indukcyjne są umieszczane na płytce oddzielnie ze względu na pole magnetyczne, które może zakłócać inne elementy. Ale w naszym projekcie po prostu nie dbamy o ten przypadek. Dlatego umieściłem cewkę bezpośrednio na chipie MC34063 i nie przejmuję się żadnymi zakłóceniami

Krok 5: Cięcie deski

Musisz wiedzieć wcześniej, że płytki PCB są naprawdę twarde i przez to trudne do cięcia. Najpierw próbowałem użyć narzędzia obrotowego (zdjęcie). Linia cięcia jest bardzo gładka, ale jej cięcie trwało bardzo długo. Postanowiłem przesiąść się na zwykłą piłę do cięcia metalu i dla mnie wszystko działało w porządku.

Porady:

• Wytnij płytkę przed wlutowaniem wszystkich elementów. Najpierw ułóż wszystkie elementy (bez lutowania), zaznacz miejsca cięcia, usuń wszystkie elementy, wytnij płytkę, a następnie włóż elementy z powrotem i przylutuj. Podczas wycinania należy zadbać o już zlutowane elementy.
• Wolałbym używać piły zamiast narzędzia obrotowego, ale to chyba sprawa indywidualna.

Krok 6: Kształtowanie

Po wycięciu pilnikiem wygładziłem krawędzie i zaokrągliłem rogi.

Ostateczny rozmiar deski to 2,5 cm długości, 2 cm szerokości i 1,5 cm wysokości.

Projekt w stanie surowym jest gotowy. Czas na testy…

Krok 7: Testowanie działania

Płytkę podłączyłem do taśmy LED (12 diod), która wymaga zasilania 12V. Ustawiam wejście 5V (udostępniane przez port USB) i za pomocą rezystora regulowanego ustawiam wyjście 12V. Działa doskonale. Ze względu na stosunkowo wysoki pobierany prąd układ MC34063 nagrzewał się. Zostawiłem obwód z włączonym paskiem LED na kilka minut i był stabilny.

Krok 8: Wynik końcowy

Uważam za duży sukces, że tak mały zasilacz impulsowy może zasilić taki prąd, jak 12 diod LED.