Przetwornice napięcia — kompaktowe, wydajne, z izolacją galwaniczną

W dzisiejszej recenzji przyjrzymy się mało popularnym, specyficznym, ale czasem bardzo potrzebnym urządzeniom — kompaktowym przetwornicom napięcia dużej mocy. Są specyficzne przede wszystkim dlatego, że mają rzadko spotykany wśród majsterkowiczów zakres napięcia wejściowego 36–75 V. O takie przetwornice pytano mnie jednak już kilka razy, więc postanowiłem nadrobić tę lukę, bo nie natknąłem się dotąd na recenzje podobnych urządzeń.


Najpierw o tym, do czego w ogóle potrzebne są takie przetwornice.
1. Do coraz popularniejszych pojazdów elektrycznych, skuterów, rowerów itp.
2. Do zasilania urządzeń, które stawiają wysokie wymagania niezawodności przetwornicy.

Wielokrotnie pytano mnie o przetwornice do małych pojazdów elektrycznych. Akumulator ma tam często napięcie około 60 V, a większość dostępnych w sprzedaży przetwornic nie może pracować przy takim napięciu.
Pojawia się też kwestia zabezpieczenia przed przebiciem tranzystora kluczującego, jeśli mówimy o przetwornicy obniżającej. Dlatego zwykle radziłem kupić przetwornicę z izolacją galwaniczną, ale nie ze względu na samą izolację, tylko dlatego, że w takich przetwornicach ryzyko pojawienia się czegoś niebezpiecznego na wyjściu jest o rząd wielkości mniejsze.

W końcu zamówiłem trzy warianty przetwornic, tym bardziej że kosztują naprawdę grosze. Dwie zamówiłem u jednego sprzedawcy, a jedną u drugiego, dlatego przyszły w dwóch paczkach. Każda przetwornica leżała w oryginalnej wkładce wyciętej ze spienionego polietylenu. Właśnie w takich wkładkach są fabrycznie pakowane, tylko większych.


A więc przedstawiam uczestników testu.
1. RBQ-31251 — napięcie wyjściowe 9,7 V, prąd do 40 A, cena $2.81, link.
2. QBW018A0B, napięcie wyjściowe 12 V, prąd do 18 A, cena $5.47, link
3. RBQ-8,2/45 — napięcie wyjściowe 8,2 V, prąd do 45 A, cena $3.12, link.

Według kart katalogowych (o nich później) wszystkie przetwornice mają taki sam zakres napięcia wejściowego 36–75 V i takie same wymiary: 57,9 × 36,8 mm. Co najmniej dwie spełniają też przemysłowy standard Quarter brick: (57.9x 36.810.6 mm).


To dość ciężkie moduły — ważą od 50 do prawie 100 g.


Opis zacznę od modeli RBQ-31251 i RBQ-8,2/45. Początkowo nie zwróciłem na to uwagi, ale gdy je dostałem, zrozumiałem, że w zasadzie to ten sam model, różniący się tylko napięciem wyjściowym i obecnością radiatora w RBQ-31251.


Od spodu płytki są identyczne.


Można by przypuszczać, że oznaczenia też będą bardzo podobne, ale nic z tego — łączy je tylko producent i seria RBQ.
A skoro mowa o producencie, o ile dobrze się orientuję, w tym przypadku jest to produkt bardzo znanej firmy Murata. Szansa na podróbkę jest znikoma, bo podrabianie urządzeń tej klasy, żeby potem sprzedawać je za kilka dolarów, po prostu się nie opłaca.


Jako pierwszy RBQ-8,2/45. Na początek opis z karty katalogowej producenta. Nie jest to karta dokładnie tego modelu, tylko innego z tej samej serii. Przy okazji: w karcie widnieje adnotacja „Discontinued”, czyli oficjalnie ta przetwornica nie jest już produkowana, a w sprzedaży są zapasy magazynowe.


A tak wygląda w rzeczywistości.



Wymiary płytki drukowanej i przeznaczenie wyprowadzeń.


Mimo dość prostej funkcjonalności urządzenia zamontowano całkiem sporo komponentów, a część z nich osłonięto niewielkim radiatorem.


Transformator i dławik dodatkowo unieruchomiono uszczelniaczem.


Wyprowadzenia są dość masywne, ewidentnie miedziane i, jak się wydaje, pozłacane. Ale jaka jest ich przewodność cieplna... Musiałem użyć mocnej lutownicy, żeby przylutować przewody testowe do wyprowadzeń wyjściowych. Przy tym zauważalnie nagrzała się większa część płytki.
Wejście jest po lewej, wyjście po prawej.


Od strony wejścia są trzy wyprowadzenia. Środkowe służy do włączania przetwornicy. Tu mała uwaga: niektóre przetwornice włącza się stanem wysokim, a inne niskim — zależy to od indeksu. Na początku podłączyłem zasilanie do pierwszej przetwornicy, ale nie działała. Potem do drugiej i pomyślałem, że jest uszkodzona. Kiedy nie chciała zadziałać również trzecia, stało się jasne, że po prostu robię coś nie tak. Okazało się, że te modele włącza się stanem niskim, czyli aby włączyć, trzeba połączyć środkowy styk z minusem wejścia.

Winny jest schemat z noty katalogowej, na którym pokazano logikę dla innego rodzaju sygnału sterującego :)


Pracą zasilacza steruje kontroler PWM LM5035.


Kontroler ten steruje zarówno stroną pierwotną, jak i wtórną, a dokładniej pracą prostownika synchronicznego.


Pomiar prądu odbywa się za pomocą specjalnego transformatora.


W zasadzie ta płytka to zwykły zasilacz, tyle że przystosowany do niskiego napięcia wejściowego. Jest tu typowy transoptor i kondensator międzyuzwojeniowy.
Po stronie wtórnej jest kilka miejsc na rezystory. Przypuszczam, że w ten sposób ustawia się napięcie wyjściowe.


Na stronie sprzedawcy jest też kilka zdjęć. Na pierwszym pokazano rezystor o wartości 2 kΩ zamontowany na płytce.


Dalej sprzedawca radzi, że jeśli zamiast tego rezystora włączyć szeregowo rezystor stały 1,5 kΩ i potencjometr 4,7 kΩ, napięcie wyjściowe będzie można regulować w zakresie 6–10 V. Na stronie przetwornicy o napięciu wyjściowym 9,7 V podany jest zakres 6–10 V, a w modelu 8,2 V jest on przesunięty w dół i wynosi 3,4–8,7 V. Potrzebne są jednak nie rezystory 1,5 kΩ + 4,7 kΩ, lecz 2 kΩ i 10 kΩ.

Podsumowując:
Model o napięciu wyjściowym 9,7 V można regulować w zakresie 6–10 V za pomocą rezystorów 1,5 kΩ i 4,7 kΩ.
Model o napięciu wyjściowym 8,2 V można regulować w zakresie 3,4–8,7 V za pomocą rezystorów 2 kΩ i 10 kΩ.


Na wyjściu zastosowano tranzystory AON6240, 40 V, 85 A, 1,6 mΩ.
Po stronie wejściowej są FDMS86322, 80 V, 60 A, 7,65 mΩ.
No i jeszcze różne drobiazgi.


Druga przetwornica jest niemal identyczna. Kluczowa różnica polega na tym, że ma niewielki radiator zakrywający jedną stronę płytki.


Pod radiatorem znajduje się taka sama płytka jak pokazana wyżej; zdjęcie pochodzi ze strony produktu.


Są dodatkowe tulejki dystansowe, a wyprowadzenia do podłączenia są dłuższe.




Pewnie zwróciliście już uwagę na nietypowo grubą płytkę drukowaną. Zmierzona grubość wynosi około 3,5 mm, w porównaniu z 1,5 mm w zwykłych płytkach. Jak się domyślacie, nie bez powodu.


Chodzi o to, że w tych przetwornicach transformator i dławik wyjściowy są zintegrowane z płytką drukowaną. Nie ma tu więc typowego przewodu — jego rolę pełni wielowarstwowa płytka drukowana.


Takie rozwiązanie stosuje się tam, gdzie potrzebna jest kompaktowa i wydajna konstrukcja, a także w sprzęcie wojskowym.


Zalet jest wiele.
1. Lepsze sprzężenie między uzwojeniami
2. Mniejsza indukcyjność rozproszenia
3. Możliwość zmniejszenia grubości urządzenia
4. Łatwiejsza produkcja.

Można przy tym zintegrować nie tylko uzwojenia, ale też układ ich chłodzenia — jeśli można to tak nazwać. Więcej informacji tutaj.


Najczęściej stosuje się rdzenie w kształcie litery E.


Istnieje też kilka wariantów wykonania.
1. Transformator jako osobny element.
2. Jak w punkcie 1, ale rdzeń jest zagłębiony w wycięciu płytki drukowanej.
3. Wariant hybrydowy: część uzwojeń znajduje się na osobnej płytce, a część jest zintegrowana z płytką główną. Moim zdaniem lepiej sprawdza się w urządzeniach wysokonapięciowych.
4. W pełni zintegrowany transformator/dławik, w którym wszystkie uzwojenia są częścią płytki głównej. W omawianych przetwornicach zastosowano właśnie ten wariant.


Do takich zastosowań produkuje się również specjalne rdzenie o niewielkiej wysokości. Więcej można przeczytać tutaj. To bardzo przydatny artykuł na stronie jednej z charkowskich firm.


Wspomniałem wyżej o lepszym sprzężeniu między uzwojeniami. Spróbuję wyjaśnić tę kwestię dosłownie w kilku słowach.
1. Najgorszy wariant rozmieszczenia uzwojeń: na różnych częściach tego samego rdzenia. Nie nadaje się do techniki impulsowej. Jeśli spróbujecie zrobić w ten sposób jakiś transformator do impulsowego zasilacza, to najpewniej jego życie będzie krótkie, choć intensywne.

Dalej widzimy przekrój karkasu i warstwy uzwojeń.
2. Najprostszy wariant: jedno uzwojenie nad drugim. Działa, ale przy małych mocach. Problemy w zasadzie nie zależą od mocy, po prostu przy dużej mocy są bardziej widoczne — zwykle w postaci nadmiernego nagrzewania się snubbera (układu tłumiącego przepięcia), ponieważ z powodu słabego sprzężenia między uzwojeniami energia wolniej trafia do obciążenia, a dość duża jej część wraca na stronę pierwotną (mocno to uprościłem).
3. Żeby poprawić sytuację, często nawija się najpierw pierwszą część uzwojenia pierwotnego, potem wtórne, a następnie drugą część pierwotnego. W ten sposób uzwojenie pierwotne niejako "obejmuje" wtórne i zapewnia lepsze sprzężenie między uzwojeniami, czyli w chwili przełączania tranzystora falownika prąd szybciej popłynie do obciążenia (jeśli można tak powiedzieć), a snubber będzie miał mniej pracy.
4. A to przykład "nawinięcia" transformatora planarnego. Można uzyskać coś, czego prawie nigdy nie stosuje się w zwykłych transformatorach — wielowarstwową kanapkę. Przy tradycyjnym nawijaniu trudno to zrealizować pod względem technologicznym, natomiast w transformatorze planarnym nie stanowi to problemu. Sprzężenie między uzwojeniami jest tu niemal idealne, więc takie rozwiązanie ma wyższą sprawność, a także mniejsze przepięcia po stronie pierwotnej i mniej pracy dla snubbera.

Nawiasem mówiąc, nieprawidłowe nawinięcie transformatora to częsty błąd początkujących, którzy jeszcze nie rozumieją, że liczy się nie tylko stosunek liczby zwojów uzwojeń, ale też ich prawidłowe ułożenie. Im większa moc zasilacza, tym bardziej daje się we znaki ten problem. W gruncie rzeczy to mniej więcej tak samo jak z prowadzeniem ścieżek na płytce: nie wystarczy połączyć elementów zgodnie ze schematem, trzeba też uwzględnić wzajemne oddziaływanie ścieżek.


Przejdźmy do drugiego typu przetwornicy. W tym przypadku jest ona przystosowana do bardziej popularnego napięcia 12 V i zapewnia prąd do 18 A.
W tym przypadku sytuacja jest nieco prostsza, mamy oryginalną kartę katalogową.


Wygląd niewiele różni się od poprzedniej, format jest taki sam, podobnie jak napięcie wejściowe.


Nawiasem mówiąc, jeśli chodzi o napięcie wejściowe, w opisie podano zakres 36–75 V, a w rubryce z wartościami maksymalnymi również 75 V oraz 80 V, gdy przetwornica znajduje się w trybie "uśpienia". Niektórzy sprzedawcy odradzają podawanie napięcia wyższego niż 60 V. Ja zalecałbym nie przekraczać 65 V, a maksymalnie 70 V.


Transformator jest tu mniejszy, ale moc również jest prawie dwukrotnie niższa — około 200 W.


Na płytce nie ma już radiatorów.


Ponieważ format przetwornicy jest standardowy, jej wymiary są takie same jak poprzedniej.


Złącza są tu nieco prostsze. Co ciekawe, czoło wyprowadzenia przewodzi prąd, ale w środku wygląda ono jak tekstolitowy pręt owinięty folią. Nie da się go lutować, ale ma doskonałe przewodnictwo cieplne.


Płytka ma dokładnie taki sam układ styków i ich przeznaczenie, więc można wylutować jeden moduł i bez problemu wlutować inny, jeśli potrzebne są inne parametry.


Ponadto przetwornice tego typu czasem można łączyć równolegle. W niektórych wersjach jest do tego odpowiedni styk synchronizujący ich pracę. Dzięki temu płytki można układać w kanapkę.
Nawiasem mówiąc, szukając przykładu, natrafiłem na płytkę taką jak pokazana wcześniej, produkcji Murata.


Jak już pisałem, nie ma tu radiatorów, więc wszystkie elementy są "jak na dłoni". Po lewej stronie wejście, po prawej wyjście.


Na zdjęciu powyżej widać oznaczenie modułu. Ciekawe, że najpierw znalazłem kartę katalogową takiego samego modułu, ale innego producenta, a dopiero później pobrałem kartę ze strony sprzedawcy. Jak to mówią — znajdź różnice.
Chociaż karta katalogowa Tyco została wydana 4 lata wcześniej, a w ogóle mamy tu ciekawą sytuację: od 14 lat produkowane są interesujące, wysokosprawne przetwornice napięcia, a „na rynek masowy” trafia zwykle coś w superoszczędnych wersjach.


Zastosowano tu również transformator planarny i dławik.


O komponentach nie ma wiele do powiedzenia. Zwrócę tylko uwagę, że płytka ma dwa transoptory: jeden do sprzężenia zwrotnego, drugi do zabezpieczenia przed zbyt wysokim napięciem na wyjściu.



A teraz testy. Zacznę od modelu RBQ-8,2/45. Nie widzę większego sensu w testowaniu modelu RBQ-31251, bo są jak bliźniaki. No, chyba że w wersji z radiatorem uda się uzyskać nieco większą moc bez wymuszonego chłodzenia.

Na początek małe rozczarowanie: pobór mocy.
W trybie czuwania pobór wynosi około pół wata. Im wyższe napięcie wejściowe, tym mniejszy pobór mocy. Moim zdaniem to sporo, zwłaszcza przy zasilaniu autonomicznym. Poza tym miałem nadzieję, że wejście startu można wykorzystać do przełączania w tryb bardzo niskiego poboru, zamiast rozłączać obwód zasilania. Możecie zapytać: dlaczego po prostu nie przerwać obwodu zasilania? Właśnie w tym problem — styki zwykłych wyłączników i przekaźników są przystosowane maksymalnie do 30 V napięcia stałego, a tutaj napięcie może być z łatwością dwa razy wyższe.


Łączymy wejście sterujące z minusem zasilania i przetwornica startuje. Na wyjściu jest 8.271 V.



Zaskoczył mnie za to pobór mocy bez obciążenia — około 4 W. Co ciekawe, wraz ze wzrostem napięcia wejściowego prąd maleje, ale moc i tak nieco rośnie.
Pod obciążeniem dzieje się mniej więcej to samo: przy spadku napięcia wejściowego moc nieco maleje, a przy wzroście — rośnie.


Można teraz z grubsza ocenić sprawność i zależność napięcia wyjściowego od pobieranego prądu.
Na wejściu mamy 70.3 W, na wyjściu 65.1 W przy prądzie pobieranym wynoszącym prawie 8 A. Sprawność wynosi około 92.6%.
Przy prądzie 16 A na wejściu mamy 136.7 W, a na wyjściu 130.8 W. Sprawność wynosi około 95.7%.


Po 20 minutach przetwornica nagrzała się do prawie 90 stopni, po czym temperatura przestała rosnąć.


Do testów przy większych prądach musiałem użyć mocniejszego zasilacza i obciążenia, które może pobierać prąd do 40 A przy mocy do 300 W.
Wyniki:
Prąd wyjściowy 23.9 A, napięcie 8.195 V, sprawność około 98%.
Przy prądzie 31.9 A napięcie spadło do 8.163 V, a sprawność wyniosła 97.7%.

Przy takiej mocy potrzebne jest już aktywne chłodzenie. Przetwornica ma wprawdzie wysoką sprawność, ale po pewnym czasie zaczyna się przegrzewać.


Maksymalne obciążenie, jakie udało mi się uzyskać, to prąd 37.9 A. Moc wyniosła około 300 W, a sprawność około 97.9%.

Oczywiście obliczenie sprawności obarczone jest dużym błędem, bo wpływa na nie dokładność pomiaru aż czterech parametrów, ale wynik i tak jest niezły.


Przy chłodzeniu niewielkim wentylatorem i mocy wyjściowej 300 W temperatura wyniosła około 60 stopni.


Amplituda i kształt tętnień są niemal identyczne zarówno bez obciążenia, jak i przy prądzie 38 A.
Przebiegi oscyloskopowe uzyskano przy prądach: 0, 8, 16, 24, 32, 38 A.


Testy drugiej przetwornicy będą nieco krótsze.
1. W trybie „uśpienia” pobiera dwa razy więcej, co jest dość przygnębiające :(
2, 3, 4. W trybie pracy bez obciążenia pobór mocy jest większy niż w poprzednim modelu i również zależy od napięcia wejściowego.


Bez obciążenia napięcie wyjściowe jest nieco wyższe od deklarowanego i wynosi prawie 12.2 V.


Sprawność i napięcie wyjściowe przy prądzie obciążenia 6, 12 i 18 A.
1. 95,4%
2. 95%
3. 95.5%


Kształt i amplituda tętnień w ogóle się nie zmieniają — ani przy pracy bez obciążenia, ani przy maksymalnym prądzie. Wynoszą około 100 mV.


Test przegrzewania przeprowadzono przy prądzie 10 A i chłodzeniu pasywnym.


Wyniki są takie sobie: po około 15 minutach przetwornica rozgrzała się do 102 stopni, a po pewnym czasie do 111. Później temperatura prawie się nie zmieniała.


Nagrzewanie wpływa również na napięcie wyjściowe. Różnica między stanem zimnym a gorącym wyniosła około 0,1 V.


Przy połowie obciążenia przetwornica pracuje stabilnie w zakresie 36–60 V. Pobór mocy w zakresie 48–60 V się nie zmienia, a przy 36 V nieco spada.


Przy pełnym obciążeniu przetwornica pracowała stabilnie tylko przy napięciu wejściowym 44–45 V. Po dalszym obniżeniu napięcia zadziałało zabezpieczenie. Pobór mocy (a więc i sprawność) jest taki sam w zakresie 45–60 V.


Poza tym druga przetwornica została przypadkowo sprawdzona pod kątem zabezpieczenia przed zwarciem. Zadziałało bez zarzutu: przetwornica przeszła w tryb ochronny i czekała na ponowne włączenie zasilania.

Dostępne są też wersje podobnych przetwornic z większym radiatorem, które mogą dostarczyć do 500 W.


Czas podsumować. Kiedy zaczynałem pisać tę recenzję, myślałem, że będzie trzy razy krótsza, ale jakoś niespodziewanie się rozrosła :(

A teraz o przetwornicach.
Pierwsza ma niezbyt wygodne warianty napięcia wyjściowego, ale przynajmniej były dostępne i kosztowały niewiele. Za to są to markowe urządzenia o wysokiej sprawności, dużym prądzie wyjściowym i solidnym wykonaniu.
W temperaturze pokojowej RBQ-8,2/45 może dostarczyć do 15–16 A bez dodatkowego chłodzenia.
W przypadku RBQ-31251 można chyba liczyć na 20, a może nawet 25 A, ponieważ ma dodatkowy radiator.
O cenie nie ma nawet co mówić — za te pieniądze zwykle sprzedaje się coś opartego na chińskich sterownikach PWM i o gorszych parametrach.

Z QBW018A0B (12 V, 18 A) jest gorzej. Myślę, że bez wymuszonego chłodzenia trudno będzie przez dłuższy czas pobierać ponad 8 A. Można na przykład zamontować na nim radiator.

Do wszystkich przetwornic mam tylko jedno poważne zastrzeżenie: pobór prądu w trybie „czuwania” oraz podczas pracy bez obciążenia. Moim zdaniem 0,5–1 W w stanie wyłączonym i około 4 W bez obciążenia to bardzo dużo. Z pierwszym można się jeszcze jakoś pogodzić, choćby montując elektroniczny wyłącznik, ale drugiego problemu nie da się rozwiązać — te modele są wyraźnie przeznaczone do pracy przy dużych prądach.

To już wszystko. Mam nadzieję, że udało mi się zdobyć przydatne informacje i że komuś się przydadzą.


Sponsorem tej recenzji był pośrednik yoybuy.com, który pokrył koszty wysyłki. Link partnerski do rejestracji; dla nowych użytkowników kupon bonusowy 10 od 50.