Małe przetwornice napięcia o mocy do 50 W z izolacją galwaniczną

Niedawno dostałem kolejną paczkę z Tao i powoli zaczynam publikować recenzje produktów, które do mnie dotarły. Zacznę od małych płytek przetwornic, tym bardziej że pytaliście o nie.
W tej recenzji przyjrzymy się płytkom o napięciu wejściowym 36–75 V i mocy do 50 W.


Stosunkowo niedawno opublikowałem recenzję trzech płytek przetwornic o takich samych parametrach wejściowych — 36–75 V, czyli tak zwanym zasilaniu dystrybucyjnym. Chodzi o sytuację, gdy mamy bardzo mocny zasilacz, często 48–60 V, a wszystkie napięcia wtórne uzyskujemy z niego za pomocą małych przetwornic. Podobne napięcia stosuje się też w różnych pojazdach elektrycznych.
Tamtym razem były to mocne modele, zdolne pracować z mocą rzędu 200–300 W, tutaj mamy prostszy wariant, do 50 W. Nawiasem mówiąc, tamte rozwiązania były tańsze, ale przy zamówieniu z Tao, ze względu na większą wagę, prawdopodobnie kosztowałyby mniej więcej tyle samo.

Oczywiście przewiduję pytanie: widzieliśmy recenzje płytek przetwornic kilka razy tańszych, o mocy około 25–50 W. Dlaczego te są takie drogie?
To proste: te płytki mają izolację galwaniczną i w zasadzie są małymi zasilaczami, tyle że przystosowanymi do niższego napięcia wejściowego. Dzięki izolacji galwanicznej ich wyjścia można bez problemu łączyć szeregowo, aby uzyskać inne napięcia lub zasilanie symetryczne. Moim zdaniem najważniejsze jest jednak to, że ryzyko uszkodzenia urządzenia w razie awarii płytki jest tu mniej więcej o dwa rzędy wielkości mniejsze niż przy użyciu zwykłych przetwornic DC-DC Stepdown. A przyznacie, że to jednak warte swojej ceny.

Zamówiłem wiele różnych przetwornic, ale dziś będzie mowa o dwóch kupionych u tego samego sprzedawcy. W ofercie miał trzy warianty:
3,3 V 15 A
5 V 10 A
12 V 4,1 A

Nie mam pojęcia, do czego mógłbym wykorzystać w domu 3,3 V przy takim prądzie, ale 5 i 12 V są znacznie bliższe potrzebom zwykłego użytkownika, więc zamówiłem właśnie te dwie. W sklepie są oznaczone kolorami, zgodnie z powyższą listą: niebieski, zielony, czerwony. Zresztą same płytki też mają niemal takie kolory, choć moim zdaniem płytka 12 V jest bardziej żółta niż czerwona.


Pośrednik zapakował je w standardową kopertę, a same przetwornice umieścił w kawałku pianki polietylenowej.
Pierwsza myśl, gdy się na nie patrzy: jakie są małe! Ich rozmiar to mniej więcej połowa standardowego pudełka zapałek.


Płytki wyprodukowała firma ROAL Electronics. Moduł 12 V ma oznaczenie mod 223E, a moduł 5 V — mod 223.
Firma rzeczywiście istnieje i zajmuje się różnymi ciekawymi, ale wyspecjalizowanymi zasilaczami, a także… sterownikami LED. Niestety nie udało mi się znaleźć karty katalogowej tej serii modułów, a z opisami innych serii też jest problem.
Przypuszczalny rok produkcji to 2007 i 2004.


Różnice między płytkami są minimalne i widać je głównie od góry, a i to tylko po stronie wtórnej. Różnice między modelami 3,3 i 5 V są zresztą niemal zerowe, ale tego modułu nie mam.


Ważą niemal tyle samo i niezbyt dużo, co ma znaczenie przy zamówieniach z TaoBao.


Kilka zdjęć z różnych stron. Widać małe transformatory pomocnicze.


Zaciski mocy umieszczone po stronie wyjściowej mają wyraźnie większą średnicę, a same przetwornice są przystosowane do montażu w specjalnych panelach, umożliwiających szybką wymianę.


Podobnie jak poprzednio zastosowano transformator planarny, którego uzwojenia wykonano z wykorzystaniem wielowarstwowej płytki drukowanej. Pisałem o nich nieco szerzej w poprzedniej recenzji.


Co ciekawe, moduły mają izolację galwaniczną, ale nie ma w nich typowego transoptora sprzężenia zwrotnego. Są za to dwa transformatory i przypuszczam, że całe sterowanie odbywa się za ich pośrednictwem od strony wtórnej. Każdy transformator ma 6 wyprowadzeń i na oko są identyczne.


Płytki wyglądają na lekko przetarte, a na kołnierzach tranzystorów mocy widać niewielkie ślady utlenienia. Być może leżały na otwartym powietrzu, mimo że były zapakowane.
1. Strona pierwotna i wtórna płytki 12 V
2. To samo, ale 5 V.


Nie będę już przedłużać, przejdę do testów. Podobnie jak poprzednie płytki, te również mają styk sterujący. Aby je uruchomić, trzeba połączyć go z ujemnym stykiem wejścia, czyli płytka jest włączana stanem niskim. Napięcie na tym styku wynosi około 8 V.

Podobnie jak w przypadku większych płytek, widzimy ten sam problem, a może „cechę”: duży pobór prądu bez obciążenia.

Płytka 12 V. U góry pobór prądu w trybie „uśpienia”, na dole przy aktywnym wyjściu; napięcie wejściowe wynosi odpowiednio 36 i 62 V.
W trybie czuwania jest jeszcze całkiem nieźle, ale 1,5–1,8 W podczas pracy to już trochę za dużo.


Kolejne testy przeprowadziłem z użyciem mocnego zasilacza, oscyloskopu i obciążenia elektronicznego. Tym razem postanowiłem nie używać multimetru. Na tle całego tego sprzętu płytka wygląda wręcz mikroskopijnie. :)


Przetwornica startuje przy napięciu 33 V, a bez obciążenia wyłącza się, gdy napięcie spadnie do 30 V. Deklarowany zakres pracy zaczyna się od 36 V, ale przy 33 V przetwornica jest w stanie zasilać pełne obciążenie. Dopiero przy obciążeniu powyżej około 60% napięcie zaczyna nieco spadać.
Na zdjęciu widać, że po uruchomieniu na wyjściu pojawiają się wyraźne zakłócenia. To na pewno nie mój zasilacz, bo przed uruchomieniem wszystko jest ciche.


Charakterystyka obciążeniowa przy napięciu wejściowym 36 V.


To samo przy napięciu wejściowym 62 V. Napięcie jest utrzymywane idealnie: przy prądzie obciążenia 100 mA napięcie wyjściowe wynosi 11,878 V, a przy 4,5 A (przeciążenie o 10%) — 11,85 V.


Za to tętnienia na wyjściu wyglądają znacznie gorzej. Wszystkie pokazane dalej przebiegi oscyloskopowe zarejestrowałem w czterech punktach: bez obciążenia oraz przy obciążeniu 33%, 66% i 100%. W oscyloskopie włączone było ograniczenie pasma do 20 MHz, sonda była ustawiona na 1:10 i włączona była odpowiednia korekcja.
Napięcie wejściowe 36 V. Na ostatnim zrzucie ekranu musiałem nawet zwiększyć skalę V/działkę, bo przebieg nie mieścił się na ekranie.
Podsumowując:
Bez obciążenia — 450 mV międzyszczytowo
33% — 900 mV międzyszczytowo
66% — 1,4 V międzyszczytowo
100% — 1,5 V międzyszczytowo


Przy napięciu wejściowym 62 V sytuacja jest nieco lepsza. Wszystkie zrzuty ekranu wykonano przy skali 200 mV/działkę.


Nagrzewanie — tutaj robi się ciekawiej. Na stronie sklepu podano, że bez chłodzenia maksymalna moc wynosi 15 W, a przy okazji zasugerowano, że są moduły o tej samej mocy. Zakładam, że chodzi o to: kupcie tańsze moduły, które zapewnią te same 15 W i których sprzedawca ma pewnie więcej. :)


Test przeprowadziłem na module, który zdążył się już rozgrzać podczas wcześniejszych prób. Najpierw obciążyłem go mocą 15 W, odczekałem około 10 minut i ponownie sprawdziłem temperaturę. Maksymalnie wyniosła 60 stopni.


Pomyślałem: no dobrze, a co, jeśli zwiększyć moc?
Ustawiłem obciążenie 25 W. Po 8 minutach temperatura wynosiła 72 stopnie. Spodobało mi się to, więc zwiększyłem moc obciążenia do 35 W. Wtedy moduł zaczął już wyraźnie się nagrzewać — do 97 stopni. Wszystko to jednak bez dodatkowego chłodzenia.


A jak wygląda sprawność? Na początek prosta tabelka dla czterech kluczowych punktów: 25%, 50%, 75% i 100% obciążenia:
Napięcie wejściowe 36 V
25% — 88,6%
50% — 91,6%
75% — 91,3%
100% — 90,0%

Napięcie wejściowe 62 V
25% — 86,5%
50% — 89,8%
75% — 90,1%
100% — 89,1%

Widać, że przy niższym napięciu wejściowym sprawność jest nieco wyższa. Poniżej kilka zdjęć z pomiarów w skrajnych, kluczowych punktach.


Płytka 5 V. Wszystkie testy są identyczne jak poprzednio, z uwzględnieniem różnicy w prądzie obciążenia.
Pobór prądu przy różnym napięciu wejściowym, w trybie czuwania i podczas pracy bez obciążenia.


Stabilność napięcia wyjściowego jest znakomita zarówno przy napięciu wejściowym 36 V, jak i 62 V.




Tętnienia. Powoli przyzwyczajam się do nowego oscyloskopu i mam nadzieję, że przebieg jest teraz czytelniejszy.
Same tętnienia są jednak oczywiście duże i wynoszą:
Przy napięciu wejściowym 36 V:
Bez obciążenia — 800 mV międzyszczytowo
33% — 850 mV międzyszczytowo
66% — 1,2 V międzyszczytowo
100% — 1,4 V międzyszczytowo


Przy napięciu wejściowym 62 V sytuacja pogorszyła się jeszcze bardziej, choć w przypadku poprzedniej przetwornicy było odwrotnie. Pierwsze trzy zrzuty ekranu: 200 mV/działkę, czwarty: 500 mV/działkę.


Napięcie wejściowe podczas testu wynosiło 48 V.
Przy obciążeniu mocą 15 W (prąd 3 A) temperatura również wynosi 60 stopni.


Przy mocy 25 W i 35 W temperatura jest o kilka stopni wyższa niż w wersji 12 V.


No i oczywiście pomiar sprawności.
Napięcie wejściowe 36 V
25% - 89,3%
50% - 91,3%
75% - 90,7%
100% - 89,2%

Napięcie wejściowe 62 V
25% - 87,8%
50% - 90,4%
75% - 89,5%
100% - 88,6%

Średnio wychodzi mniej więcej tak samo: w jednym trybie nieco lepiej, w innym nieco gorzej. Zwróćcie jednak uwagę, że w zakresie obciążenia 2,5–10 A i napięcia wejściowego 36–62 V napięcie wyjściowe stoi jak wryte.


A jak tu nie zrobić wspólnego zdjęcia w porównaniu z mocniejszymi „braćmi” :)


A to zasilacz przeznaczony do zasilania takich i podobnych modułów, o mocy do 2000 W i napięciu 48 V. Osobne podziękowania dla jednego z moich stałych czytelników za taki prezent :)


Co napisać we wnioskach? Na początek: obie przetwornice działają, a to już dobrze. Bez dodatkowego chłodzenia zapewniają moc do 25 W, a przy niewielkim nawiewie do 35 W. Pełną moc można pobierać przez dłuższy czas przy odpowiednim chłodzeniu. Krótkotrwale bez problemu oddają swoje 50 W, zapewniając bardzo dobrą stabilność napięcia wyjściowego przy napięciu wejściowym od 36 do co najmniej 62 V.
Jedyny zarzut dotyczy tętnień napięcia na wyjściu — są naprawdę duże i nie używałbym tych przetwornic bez dodatkowego filtra LC na wyjściu, przynajmniej w przypadku mniej więcej wrażliwych obciążeń.
Zaletą takich przetwornic jest pełna izolacja galwaniczna i większe bezpieczeństwo zasilanego obciążenia.

Poza tym to bardzo przydatna rzecz. Jeśli kupować na Tao, to opłaca się dorzucić ją do jakiegoś zamówienia albo od razu kupić większą liczbę sztuk. Wtedy cena wychodzi naprawdę korzystnie. Są bardzo lekkie — na kilogram przypada około 70 sztuk, więc nawet przy koszcie wysyłki 20 USD za kilogram jedna sztuka wychodzi 4,5 USD.