Moduł DC-DC Step Down o deklarowanym prądzie 10 A

Jeszcze przed Nowym Rokiem czytelnicy poprosili mnie o recenzję kilku przetwornic.
W zasadzie nie było to dla mnie problemem, a sam byłem ciekaw, więc zamówiłem, odebrałem i przetestowałem.
Prawdę mówiąc, bardziej zainteresowała mnie nieco inna przetwornica, ale jakoś nie mogę się za nią zabrać, więc napiszę o niej innym razem.
A dziś recenzja prostej przetwornicy DC-DC o deklarowanym prądzie 10 A.

Z góry przepraszam wszystkich, którzy od dawna czekali na tę recenzję, za duże opóźnienie w jej publikacji.

Na początek parametry podane na stronie produktu, z krótkim objaśnieniem i korektą.
Napięcie wejściowe: 7-40 V
1. Napięcie wyjściowe: płynna regulacja (1,25-35 V)
2. Prąd wyjściowy: 8 A, maksymalnie 10 A. Przy temperaturze tranzystora mocy powyżej 65 stopni należy dodać wentylator chłodzący. Przy 24 V na wejściu, 12 V na wyjściu i prądzie 5 A można zwykle pracować w temperaturze pokojowej bez wentylatora.
3. Zakres regulacji prądu: 0,3-10 A. Jeśli temperatura modułu przekroczy 65 stopni, należy dodać wentylator.
4. Prąd, przy którym gaśnie kontrolka ładowania: wartość prądu × 0,1. W tej wersji jest to stała wartość 0,1 (w rzeczywistości próg zgaśnięcia kontrolki prawdopodobnie nie jest zbyt dokładny). Pełne instrukcje dotyczą ładowania.
5. Minimalny spadek napięcia: 1 V
6. Sprawność: do około 95% (im wyższe napięcie wyjściowe, tym większa sprawność)
7. Częstotliwość pracy: 300 kHz
8. Tętnienia napięcia wyjściowego: około 50 mV (bez szumów), przy paśmie 20 MHz (wartość orientacyjna). Pomiar przy napięciu wejściowym 24 V, wyjściowym 12 V i prądzie 5 A.
9. Temperatura pracy: klasa przemysłowa (od -40 ℃ do +85 ℃)
10. Prąd bez obciążenia: typowo 20 mA (przy przejściu z 24 V na 12 V)
11. Stabilizacja obciążeniowa: ±1% (stała)
12. Stabilizacja napięcia: ±1%
13. Stabilność prądu w funkcji temperatury: w rzeczywistym teście, gdy temperatura modułu zmieniała się od 25 do 60 stopni, zmiana prądu wyniosła mniej niż 5% (przy prądzie 5 A)

Przełożę to na nieco bardziej zrozumiały język.
1. Zakres regulacji napięcia wyjściowego: 1,25-35 V
2. Prąd wyjściowy: 8 A; można uzyskać 10 A, ale wymaga to dodatkowego chłodzenia wentylatorem.
3. Zakres regulacji prądu: 0,3-10 A
4. Próg wyłączenia kontrolki ładowania: 0,1 ustawionego prądu wyjściowego.
5. Minimalna różnica między napięciem wejściowym a wyjściowym: 1 V (przypuszczalnie)
6. Sprawność: do 95%
7. Częstotliwość pracy: 300 kHz
8. Tętnienia napięcia wyjściowego: 50 mV przy prądzie 5 A, napięciu wejściowym 24 V i wyjściowym 12 V.
9. Zakres temperatury pracy: od -40 ℃ do +85 ℃.
10. Pobór prądu przez sam moduł: do 20 mA
11. Dokładność stabilizacji prądu: ±1%
12. Dokładność stabilizacji napięcia: ±1%
13. Parametry sprawdzono w zakresie temperatur 25-60 stopni. Przy prądzie obciążenia 5 A zmiana wyniosła mniej niż 5%.

Przesyłka dotarła w standardowym foliowym woreczku, hojnie owiniętym taśmą z pianki polietylenowej. W transporcie nic się nie uszkodziło.
W środku znajdowała się moja płytka doświadczalna.


Pod względem wyglądu nie mam żadnych zastrzeżeń. Po prostu obracałem go w rękach i właściwie nie było się do czego przyczepić — wykonanie jest staranne. Gdyby jeszcze wymienić kondensatory na markowe, powiedziałbym, że wygląda świetnie.
Na jednej stronie płytki znajdują się dwie listwy zaciskowe: wejście i wyjście zasilania.


Po drugiej stronie są dwa potencjometry montażowe do regulacji napięcia i prądu wyjściowego.


Na zdjęciach w sklepie płytka wydaje się całkiem duża.
Dwa poprzednie zdjęcia również zrobiłem z bliska. Dopiero gdy położymy obok pudełko zapałek, widać, jaka jest naprawdę.
Płytka jest naprawdę mała. Nie sprawdzałem wymiarów przed zamówieniem, ale z jakiegoś powodu wydawało mi się, że będzie znacznie większa. :)
Wymiary płytki: 65 × 37 mm
Wymiary przetwornicy: 65 × 47 × 24 mm


Płytka jest dwuwarstwowa, elementy zamontowano po obu stronach.
Do jakości lutowania również nie mam zastrzeżeń. Czasem zdarza się, że masywne wyprowadzenia są słabo przylutowane, ale na zdjęciu widać, że tutaj nie ma tego problemu.
Co prawda elementy nie są oznaczone, ale chyba nie ma w tym nic strasznego — układ jest dość prosty.


Oprócz elementów mocy na płytce znajduje się też wzmacniacz operacyjny zasilany ze stabilizatora 78L05. Jest tu również prosty źródło napięcia odniesienia zbudowane na układzie TL431.


Na płytce zamontowano wydajny kontroler PWM XL4016E1, a mimo to został on odizolowany od radiatora.
Nie wiem, dlaczego producent odizolował układ od radiatora, skoro pogarsza to odprowadzanie ciepła. Być może chodzi o bezpieczeństwo, ale ponieważ płytka zwykle jest gdzieś zabudowana, wydaje mi się to zbędne.


Ponieważ płytka jest przeznaczona do pracy z dość dużym prądem wyjściowym, jako diodę mocy zastosowano wydajny zespół diod MBR20100CT, który również zamontowano na radiatorze i odizolowano od niego.
Moim zdaniem to bardzo dobre rozwiązanie, ale można by je nieco ulepszyć, stosując zespół na 60 V zamiast na 100 V.

Dławik nie jest zbyt duży, ale na tym zdjęciu widać, że uzwojenie nawinięto dwoma przewodami, co już jest całkiem niezłe.


1, 2 Na wejściu zamontowano dwa kondensatory 470 µF × 50 V, a na wyjściu dwa po 1000 µF, ale na 35 V.
Jeśli kierować się listą deklarowanych parametrów, napięcie znamionowe kondensatorów na wyjściu jest dobrane na styk. Mało kto będzie jednak obniżał napięcie z 40 do 35 V, nie mówiąc już o tym, że 40 V to maksymalne napięcie wejściowe układu.
3. Złącza wejściowe i wyjściowe są opisane, co prawda od spodu płytki, ale nie ma to większego znaczenia.
4. Za to potencjometry montażowe nie są w żaden sposób oznaczone.
Po lewej reguluje się maksymalny prąd wyjściowy, po prawej — napięcie.


A teraz przyjrzyjmy się deklarowanym parametrom i temu, co mamy w rzeczywistości.
Wspominałem wyżej, że w przetwornicy zastosowano wydajny kontroler PWM, a dokładniej kontroler PWM ze zintegrowanym tranzystorem mocy.
Przytoczyłem też wyżej deklarowane parametry płytki. Spróbujmy się im przyjrzeć.
Deklaracja — Output voltage: continuously adjustable (1.25-35V)
Tu nie ma wątpliwości: przetwornica zapewni 35 V, a teoretycznie nawet 36 V.
Deklaracja — Output Current: 8A, 10A maximum
Tu pojawia się pytanie. Producent układu wyraźnie podaje maksymalny prąd wyjściowy 8 A. W danych układu jest wprawdzie pozycja „ograniczenie maksymalnego prądu” — 10 A. To jednak nie jest maksymalny prąd roboczy, lecz wartość graniczna.
Deklaracja — Operating frequency: 300KHZ
300 kHz to oczywiście świetna sprawa — można zastosować mniejszy dławik. Ale przepraszam, w nocie katalogowej jednoznacznie podano stałą częstotliwość 180 kHz. Skąd więc 300?
Deklaracja — Conversion efficiency: up to about 95%
No, tu wszystko się zgadza: sprawność do 95%. Producent deklaruje nawet do 96%, ale to wartość teoretyczna, osiągana przy określonym stosunku napięcia wejściowego do wyjściowego.


Oto schemat blokowy kontrolera PWM, a nawet przykład jego zastosowania.
Nawiasem mówiąc, dobrze widać tu, że przy prądzie 8 A stosuje się dławik o prądzie znamionowym co najmniej 12 A, czyli 1,5 raza większym od prądu wyjściowego. Ja zwykle zalecam dwukrotny zapas.
Pokazano tu również, że dioda wyjściowa może mieć napięcie znamionowe 45 V. Diody na 100 V mają zwykle większy spadek napięcia, a tym samym obniżają sprawność.
Jeśli chcemy zwiększyć sprawność tej płytki, możemy wydłubać ze starych komputerowych zasilaczy diody na 20 A i 45 V, a nawet na 40 A i 45 V.


Początkowo nie chciałem rysować schematu — płytka jest od góry zasłonięta elementami, soldermaską, a do tego jeszcze nadrukiem. Potem jednak uznałem, że przerysowanie schematu jest całkiem realne, więc postanowiłem nie zmieniać tradycji :)
Indukcyjności dławika nie mierzyłem; 47 µH podano w nocie katalogowej.
W układzie zastosowano podwójny wzmacniacz operacyjny. Pierwsza część służy do regulacji i stabilizacji prądu, a druga do sygnalizacji. Widać, że wejście drugiego WO jest podłączone przez dzielnik 1:11. W opisie podano wprawdzie 1:10, ale myślę, że nie ma to większego znaczenia.


Pierwsza próba bez obciążenia. Początkowo płytka jest ustawiona na napięcie wyjściowe 5 V.
Napięcie pozostaje stabilne w zakresie napięć zasilania 12–26 V. Pobór prądu jest mniejszy niż 20 mA, bo amperomierz zasilacza go nie rejestruje.


Dioda LED świeci na czerwono, gdy prąd wyjściowy przekracza 1/10 (1/11) ustawionej wartości.
Taką sygnalizację stosuje się przy ładowaniu akumulatorów, ponieważ jeśli w trakcie ładowania prąd spadnie poniżej 1/10, zwykle uznaje się, że ładowanie dobiegło końca.
Czyli ustawiamy prąd ładowania 4 A, a dioda świeci na czerwono, dopóki prąd nie spadnie poniżej 400 mA.
Jest jednak pewne zastrzeżenie: płytka jedynie sygnalizuje spadek prądu. Prąd ładowania nie zostaje wtedy odłączony, tylko nadal maleje.


Do testów zmontowałem niewielkie stanowisko, w którego skład weszły:
regulowany zasilacz
obciążenie elektroniczne
oscyloskop
multimetr
termometr bezdotykowy
kamera termowizyjna
Długopis i kartka, zgubiłem link :)

W trakcie testów musiałem jednak skorzystać także z tego regulowanego zasilacza, bo okazało się, że moje eksperymenty zaburzyły liniowość pomiaru i ustawiania prądu w zakresie 1–2 A w mocnym zasilaczu.
Najpierw przeprowadziłem więc testy nagrzewania i oceniłem poziom tętnień.


Tym razem testy przebiegały nieco inaczej niż zwykle.
Mierzyłem temperaturę radiatorów w miejscach położonych blisko elementów mocy, ponieważ ze względu na ciasny montaż trudno było zmierzyć temperaturę samych elementów.
Sprawdziłem też działanie w następujących trybach:
Wejście — wyjście — prąd
14 V — 5 V — 2 A
28 V — 12 V — 2 A
14 V — 5 V — 4 A
I tak dalej, aż do prądu 7,5 A.

Dlaczego testy przeprowadzałem w tak nietypowy sposób?
1. Nie byłem pewien niezawodności płytki, więc stopniowo zwiększałem prąd, na przemian sprawdzając różne tryby pracy.
2. Wybrałem konwersję z 14 V na 5 V oraz z 28 V na 12 V, bo to jedne z najczęściej używanych trybów: 14 V (przybliżone napięcie instalacji elektrycznej samochodu osobowego) na 5 V (napięcie do ładowania tabletów i telefonów) oraz 28 V (napięcie instalacji elektrycznej samochodu ciężarowego) na 12 V (po prostu często używane napięcie).
3. Początkowo planowałem testować, aż układ się wyłączy albo spali, ale plany się zmieniły i pojawiły się inne pomysły na wykorzystanie elementów z tej płytki. Dlatego testowałem tylko do 7,5 A. Ostatecznie nie wpłynęło to jednak na rzetelność testu.

Poniżej kilka zdjęć pokazujących testy przy 5 V i 2 A oraz 5 V i 7,5 A, a także odpowiadający im poziom tętnień.
Tętnienia przy prądach 2 A i 4 A były podobne, podobnie jak przy 6 A i 7,5 A, dlatego nie pokazuję wyników pośrednich.


To samo co wyżej, ale napięcie wejściowe wynosi 28 V, a wyjściowe 12 V.


Temperatura podczas pracy przy napięciu wejściowym 28 V i wyjściowym 12 V.
Widać, że dalsze zwiększanie prądu nie ma sensu — kamera termowizyjna pokazuje już 101°C na sterowniku PWM.
Na własny użytek przyjmuję pewien limit: temperatura podzespołów nie powinna przekraczać 100°C. Oczywiście zależy to od samych podzespołów. Na przykład tranzystory i zespoły diod można bezpiecznie eksploatować w wyższych temperaturach, ale w przypadku układów scalonych lepiej nie przekraczać tej wartości.
Na zdjęciu nie widać tego zbyt dobrze — płytka jest bardzo kompaktowa, a na żywo było to trochę lepiej widoczne.


Ponieważ uznałem, że tej płytki można używać jako ładowarki, sprawdziłem, jak będzie działać w trybie, w którym na wejściu jest 19 V (typowe napięcie zasilacza do laptopa), a na wyjściu 14,3 V i 5,5 A (typowe parametry ładowania akumulatora samochodowego).
Tutaj wszystko poszło bez problemów, no, prawie bez problemów — ale o tym później.


Wyniki pomiarów temperatur zebrałem w tabeli.
Na podstawie wyników testów zalecałbym nie używać płytki przy prądzie powyżej 6 A, przynajmniej bez dodatkowego chłodzenia.


Wspomniałem wcześniej o pewnych problemach — już wyjaśniam.
Podczas testów zauważyłem, że w określonych sytuacjach płytka zachowuje się trochę nieprzewidywalnie.
1.2 Ustawiłem napięcie wyjściowe na 12 V, prąd obciążenia wynosił 6 A. Po 15–20 sekundach napięcie wyjściowe spadło poniżej 11 V i trzeba było je skorygować.
3,4 Na wyjściu ustawione było 5 V, na wejściu 14 V. Zwiększyłem napięcie wejściowe do 28 V, a wyjściowe spadło do 4 V. Na zdjęciu po lewej prąd wynosi 7,5 A, po prawej 6 A, ale prąd nie miał tu znaczenia — przy zwiększaniu napięcia pod obciążeniem płytka „obniża” napięcie wyjściowe.


Potem postanowiłem sprawdzić sprawność urządzenia.
Producent podał wykresy dla różnych trybów pracy. Interesują mnie wykresy dla napięcia wyjściowego 5 i 12 V oraz wejściowego 12 i 24 V, bo są najbardziej zbliżone do warunków moich testów.
Konkretnie deklarowana sprawność wynosi:
Dla napięcia wejściowego 12 V i wyjściowego 5 V
2 A — 91%
4 A — 88%
6 A — 87%
7,5 A — 85%

Dla napięcia wejściowego 24 V i wyjściowego 12 V.
2 A — 94%
4 A — 94%
6 A — 93%
7,5 A — brak deklaracji.


Dalej przeprowadziłem w zasadzie prosty test, ale z kilkoma niuansami.
Test przy 5 V przebiegł bez problemów.


Test przy 12 V miał już pewne problemy, opiszę je po kolei.
1. Napięcie wejściowe 28 V, wyjściowe 12 V, prąd 2 A — wszystko w porządku.
2. Napięcie wejściowe 28 V, wyjściowe 12 V, prąd 4 A — wszystko w porządku.
3. Zwiększamy prąd obciążenia do 6 A — napięcie wyjściowe spada do 10,09 V.
4. Korygujemy je, ponownie ustawiając 12 V.
5. Zwiększamy prąd obciążenia do 7,5 A — napięcie znów spada i znów trzeba je skorygować.
6. Zmniejszamy prąd obciążenia do 2 A bez korekty — napięcie wyjściowe rośnie do 16,84 V.
Początkowo chciałem pokazać, jak bez obciążenia wzrosło do 17,2 V, ale uznałem, że to nie będzie miarodajne, więc zamieściłem zdjęcie z podłączonym obciążeniem.
No cóż, kiepsko :(


Przy okazji sprawdziłem sprawność podczas ładowania akumulatora samochodowego z zasilacza od laptopa.
Ale i tutaj nie obyło się bez niespodzianek. Najpierw ustawiłem na wyjściu 14.3 V, przeprowadziłem test nagrzewania i odłożyłem płytkę. Potem jednak przypomniałem sobie, że chciałem sprawdzić również sprawność.
Podłączam ostygniętą płytkę i obserwuję napięcie wyjściowe wynoszące około 14.59 V. W miarę nagrzewania spadło ono do 14.33–14.35 V.
Czyli w praktyce okazuje się, że napięcie wyjściowe płytki jest niestabilne. O ile w przypadku akumulatorów kwasowo-ołowiowych takie wahania nie są aż tak krytyczne, o tyle akumulatorów litowych pod żadnym pozorem nie wolno ładować tą płytką.


Wykonałem dwa testy sprawności.
Opierają się na dwóch wynikach pomiarów, choć ostatecznie różnią się niezbyt mocno.
P wyj. — obliczona moc wyjściowa, wartość pobieranego prądu zaokrąglono; P wyj. DCL — moc wyjściowa zmierzona obciążeniem elektronicznym. Napięcie wejściowe i wyjściowe mierzono bezpośrednio na zaciskach płytki.
Otrzymałem więc dwa wyniki pomiaru sprawności. W każdym razie widać, że sprawność jest zbliżona do deklarowanej, choć nieco niższa.
Przypomnę dane podane w nocie katalogowej:
Napięcie wejściowe 12 V, wyjściowe 5 V:
2 A — 91%
4 A — 88%
6 A — 87%
7.5 A — 85%

Napięcie wejściowe 24 V, wyjściowe 12 V:
2 A — 94%
4 A — 94%
6 A — 93%
7.5 A — nie podano.

A oto wyniki w praktyce. Myślę, że po wymianie mocnej diody na jej odpowiednik o niższym napięciu i zastosowaniu dławika przystosowanego do większego prądu udałoby się uzyskać jeszcze kilka procent.


To chyba wszystko. Wiem nawet, co myślą czytelnicy:
Po co nam tyle testów i niezrozumiałych zdjęć? Powiedz po prostu, czy się nadaje, czy nie :)
I do pewnego stopnia czytelnicy mają rację. W zasadzie recenzję można skrócić dwu- lub trzykrotnie, usuwając część zdjęć z testów, ale już się do tego przyzwyczaiłem, wybaczcie.

A więc podsumowanie.
Zalety
Całkiem solidne wykonanie
Niewielkie wymiary
Szeroki zakres napięć wejściowych i wyjściowych.
Wskaźnik zakończenia ładowania (spadku prądu ładowania)
Płynna regulacja prądu i napięcia (bez problemu można ustawić napięcie wyjściowe z dokładnością do 0.1 V)
Świetne opakowanie.

Wady.
Przy prądach powyżej 6 A warto zastosować dodatkowe chłodzenie.
Maksymalny prąd wynosi nie 10, lecz 8 A.
Niska dokładność stabilizacji napięcia wyjściowego; może ono zależeć od prądu obciążenia, napięcia wejściowego i temperatury.
Czasami płytka zaczynała „piszczeć”. Działo się to w bardzo wąskim zakresie regulacji: na przykład zmieniam napięcie wyjściowe od 5 do 12 V i przy 9.5–10 V słychać ciche piszczenie.

Ważne przypomnienie:
Płytka jedynie sygnalizuje spadek prądu, ale nie potrafi przerwać ładowania — to po prostu przetwornica.

Moja opinia. Szczerze mówiąc, kiedy wziąłem płytkę do ręki i obracałem ją, oglądając ze wszystkich stron, miałem ochotę ją pochwalić. Wykonana starannie, nie miałem większych zastrzeżeń. Po podłączeniu też nie chciałem specjalnie narzekać: no, grzeje się, ale wszystkie takie urządzenia się grzeją, to normalne.
Ale kiedy zobaczyłem, jak napięcie wyjściowe skacze pod wpływem wszystkiego, co tylko możliwe, rozczarowałem się.
Nie zamierzam prowadzić dochodzenia w sprawie tych problemów, bo powinien się tym zająć producent, który na tym zarabia. Mogę jednak przypuszczać, że przyczyna tkwi w trzech rzeczach:
1. Długa ścieżka sprzężenia zwrotnego, biegnąca niemal po obwodzie płytki
2. Potencjometry montażowe umieszczone tuż przy gorącym dławiku
3. Dławik znajduje się dokładnie nad sekcją, w której skupiona jest „delikatna” elektronika.
4. W obwodach sprzężenia zwrotnego zastosowano rezystory nieprecyzyjne.

Wniosek: do mało wymagającego obciążenia nada się całkiem dobrze, na pewno do 6 A. Działa nieźle. Można też użyć płytki jako sterownika mocnych diod LED — sprawdzi się dobrze.
Używanie jej jako ładowarki jest dość wątpliwe, a w niektórych przypadkach niebezpieczne. Akumulator kwasowo-ołowiowy powinien znieść takie wahania, ale litowych nie wolno ładować — przynajmniej bez przeróbek.

To już wszystko. Jak zawsze czekam na komentarze, pytania i uzupełnienia.

Produkt udostępnił do recenzji sklep.