Преобразователь напряжения для питания ноутбука от автомобильного аккумулятора

С. МУРАЛЕВ, г. Димитровград Ульяновской обл.

Предлагаемый преобразователь напряжения предназначен для питания ноутбука от бортовой сети автомобиля, В статье приведены пример расчета такого преобразователя и вариант его конструктивного исполнения. Предложенная методика применима для расчета аналогичных преобразователей напряжения мощностью до 60 Вт.

Для автомобильного путешествия потребовался повышающий преобразователь напряжения 12/18 В с выходным током до 3,2 А, который бы обеспечивал питание ноутбука Iru Stilo 1514 от автомобильной аккумуляторной батареи.
Такое устройство можно сделать на основе популярной отечественной микросхемы КР1156ЕУ5 или ее иностранном аналоге МС34063 [1,2]. Схема преобразователя напряжения, отвечающего этим требованиям, показана на рис - 1.

Рис.1

Технические характеристики устройства
Входное напряжение, В  ........................12...14
Выходное напряжение, В   .................18 В ±1%
Максимальный выходной ток, А...................3,2
Максимальная выходная мощность, Вт......57,6
КПД, %.........................................................85
Частота преобразования, кГц.........................40
Пульсации выходного напряжения, В..........0,18
Габаритные размеры, мм ...................115x90x55
Масса, кг .....................................................0,6

Для выбора номиналов, типов элементов и их конструктивного исполнения была использована методика, изложенная далее. Сначала определяют сопротивления резисторов R1 R3, емкость конденсаторов СЗ—С5 и индуктивность дросселя L1 [3, 4]. Расчет проводят в следующей последовательности.
Рассчитывают соотношение

где tвкл, tвыкл — интервалы времени, в течение которых транзистор VT1 открыт и закрыт соответственно; Uвх, — входное напряжение (12 В); Uвых — выходное напряжение (18 В); Uд — падение напряжения на выпрямительном диоде VD2 (0,6 В); Uнас — напряжение насыщения транзистора VT1 (0,3 В).

Пиковый ток Iпик. транзистора VT1:

где Iвых— выходной ток (3,2 А).
Полученное значение следует учитывать при выборе типа транзистора VT1.

Далее находят сопротивление резистора R1:

Резистор такого сопротивления можно изготовить из отрезка нихромовой проволоки диаметром 2 и длиной 95 мм.
Для расчета индуктивности дросселя L1 можно воспользоваться он-лайн калькулятором "Boost Converter" [5]. Выбрав частоту преобразования F = 40 кГц, в соответствии с рекомендациями [3], и подставив значения входного напряжения и выходных тока и напряжения, получим L1 = 172 мкГн, что близко к рекомендованному значению (180мкГн) [4]. Был выбран тороидальный альси-феровый магнитопровод К45х28х20 с начальной магнитной проницаемостью µ = 35. Длина средней магнитной линии магнитопровода

где Dвнеш, Dвнутр — внешний и внутренний диаметры магнитопровода. Расчет числа витков выполнен с помощью программы "LFerrum v2.2" , полученное значение N = 51 виток. Для намотки применен провод ПЭВ-2 0,8. витки следует равномерно распределить по магнитопроводу — это рекомендуется делать для снижения потерь.
Далее следует найти максимальную магнитную индукцию Вмакс в магнито-проводе, чтобы определить, не будет ли он входить в насыщение:

где µо — абсолютная магнитная проницаемость вакуума
Bмакс должна быть менее 0,3 Тл для ферритовых магнитопроводов и менее 1 Тл для магнитопроводов из альсифера [3]. Полученное значение удовлетворяет этим требованиям.
Сопротивления резисторов R2, R3 определяют из соотношения

Приняв R3 = 30 кОм, получим R2=2,2kOm.
Конденсаторами СЗ и С4 устанавливают частоту преобразования, их емкость (пФ) находят из соотношений

В   заключение   расчетов   находят емкость конденсатора С5:

где Un.вых — амплитуда пульсаций выходного напряжения.
Приняв амплитуду пульсаций 1 % от выходного напряжения, получим С5 = 160 мкФ и выбираем 220 мкФ.
Светодиод HL1 индицирует включение преобразователя напряжения, диод VD1 защищает светодиод от обратного напряжения.
Большинство деталей монтируют на печатной плате из односторонне фольгированного стеклотекстолита, чертеж которой показан на рис. 2. Транзистор VT1 и диод VD2 через теплопроводящие изолирующие прокладки устанавливают на ребристом теплоотводе размерами 55x20x30 мм, который затем крепят на плате.

Рис.2

Применены постоянные резисторы МЛТ, С2-23, оксидные конденсаторы К50-35 или импортные, подстроечный TZ03R121E169 фирмы Murata, конденсаторе! — К73-17, СЗ — К10-17. Транзистор КТ854АМ можно заменить на КТ854БМ, КТ819БМ с коэффициентом передачи по току не менее 15. Диодную сборку SBL2040CT — на сборку MBR1535CT-MBR1560CT, КД270ВС-КД270ЕС. Светодиод может быть любой из серий АЛ307, КИПД21, КИПД24, диод VD1 — любой маломощный выпрямительный.
Налаживание сводится к установке частоты преобразования, соответствующей максимальному КПД. Для этого вход преобразователя через амперметр подключают к источнику постоянного напряжения 12 В и мощностью не менее 100 Вт, в качестве которого можно применить импульсный блок питания от компьютера. К выходу преобразователя подключают нагрузочный резистор сопротивлением 5,1 Ом и мощностью 50 Вт (например. ПЭВ-50) и параллельно ему — вольтметр постоянного тока. Плавно изменяя конденсатором С4 частоту преобразования, добиваются минимального значения входного тока при неизменном выходном напряжении. Если не требуется получить максимальный КПД преобразователя, конденсатор С4 можно не устанавливать, но емкость конденсатора СЗ должна быть 360 пф.

Печатную плату размещают в литом алюминиевом корпусе (наименование G113. производитель — фирма Gainta) размерами 115x90x55 мм (рис. 3). Для подключения к бортовой сети автомобиля применена вилка прикуривателя с внутренним предохранителем, для подключения к ноутбуку — вилка NP-117A, ее центральный контакт соединяют с "+" конденсатора С5. Для соединения использован медный многожильный провод в ПХВ изоляции сечением не менее 2,5 мм2.
Эксплуатация преобразователя в шестнадцатидневном автомобильном путешествии показала его высокую надежность и подтвердила правильность приведенных расчетов.

ЛИТЕРАТУРА
1.  Семенов Б. Ю- Силовая электроника для любителей и профессионалов. — М.: Солон, 2001.
2.  Бирюков С. Преобразователи напряжения на микросхеме КР1156ЕУ5. — Радио. 2001, №11, с. 38,39,42.
3.  Кузнецов А. Трансформаторы и дроссели для импульсных источников питания. — http://members.kern.com.au/users/akouz/chokes.html
4.  Theory and Applications of the MC34063 and uA78S40 Switching Regulator Control Circuits - http://www.onsemi.com/pub/Collateral/AN920-D.PDF
5.  Он-лайн калькулятор расчета индуктивности для повышающего преобразователя "Boost Converter". — http://schmidt-walter.eit.h-da.de/smps_e/aww_smps_e.html