|
Met dit klein printje kunt u een gelijkspanning van minimaal 3,0 V omzetten in een uitgangsspanning van maximaal 40 V, althans volgens de specificaties. De maximale uitgangsstroom varieert van 2 A bij 35 V tot 1 A bij 5 V op de uitgang.
|
Kennismaking met de HW-637
Het printje van de HW/637
De HW-637 is in China te koop vanaf € 3,50 per stuk. Zoek op 'HW-637' of op 'DC-DC 3 V-35 V to 4 V-40 V Step Up Power Module Boost Converter'. Het printje wordt kant en klaar geleverd en heeft als afmetingen 37 mm bij 32 mm bij 15 mm. Aan één kant staan twee printkroonsteentjes voor het aansluiten van de ingangsspanning en het aftakken van de uitgangsspanning. De negatieve polen van beide spanningen zijn galvanisch met elkaar verbonden en vormen de gemeenschappelijke massa van de schakeling. Aan de andere kant vindt u een miniatuur multi-toeren trimmer, waarmee u de uitgangsspanning op de gewenste waarde kunt instellen. Het toegepaste type kunt u over 25 toeren verdraaien, zodat u de uitgangsspanning nauwkeurig kunt afregelen. Het ene IC, een LM2587S-ADJ in 5-pin DDPAK/TO-263 behuizing, is op het massa-vlak van het printje gesoldeerd. Dit vlak staat via een aantal doorgemetalliseerde gaatjes in contact met het massavlak op de achterzijde van het printje.
Tussen de twee printkroonsteentjes zit een heer klein rood LED'je dat via een serieweerstandje op de uitgangsspanning is aangesloten.
 |
| De twee zijden van het printje van de HW-637. (© 2020 Jos Verstraten) |
De LM2587S-ADJ
Deze chip is officieel een 'Step-Up Wide VIN Flyback Regulator'. Het intern blokschema is getekend in de onderstaande figuur. De interne schakelaar is geen MOSFET, zoals te verwachten is, maar een bipolaire NPN-transistor met een maximale collectorstroom van 5 A. De interne oscillator werkt op ongeveer 100 kHz. De schakeling is uitgerust met een soft-start functie, waardoor de uitgangsspanning met een zekere traagheid opkomt en grote inschakelstromen worden voorkomen. Een interne beveiliging reduceert het gedissipeerde vermogen door het verlagen van de uitgangsspanning als de chip warmer wordt dan +125°C. De uitgangsstabilisatie valt wel wat tegen. Volgens de specificaties daalt de uitgangsspanning bij een uitgangsspanning van 12,0 V met maximaal 100 mV bij een belasting met 1,75 A. Ook de schakelrimpel op de uitgang is vrij groot: het data-sheet vermeldt een waarde van minimaal 100 mVtop-tot-top bij 1 A. Het rendement van de chip ligt rond 70 %.
 |
| Het intern blokschema van de LM2587S-ADJ. (© 2019 Texas Instruments) |
Het schema van de HW-637
Aan de hand van de voorbeeldschakelingen in het data-sheet en de printsporen op het geleverde printje is het niet moeilijk het schema van de HW-637 te reconstrueren. Zoals uit de onderstaande figuur blijkt, houden de ontwerpers zich aan de richtlijnen van de fabrikant van de chip. Wat wél opvalt is dat hier en daar andere componentenwaarden worden toegepast dan voorgeschreven door de fabrikant.
De werking van de schakeling kan in het kort als volgt worden beschreven. Als de in de chip aanwezige NPN-eindtransistor in geleiding wordt gestuurd, gaat er stroom vloeien door de spoel L1. Deze stroom zal zaagtandvormig stijgen tot de maximale waarde, bepaald door de ingangsspanning en de inductie van de spoel. Er wordt dus elektrische energie in de spoel opgeslagen. Als de eindtransistor naar sper wordt gestuurd zal de over de spoel opgewekte tegen-emk er voor zorgen dat de spanning op pen 4 vele malen groter wordt dan de voedingsspanning. De schottky-diode D1 gaat geleiden en transporteert de spanning over de spoel naar de uitgangscondensator C4. Door de duty-cycle van de eindtransistor te variëren kunt u de uitgangsspanning op de gewenste waarde instellen.
 |
| Het schema van het HW-637 printje. (© 2020 Jos Verstraten) |
De HW-637 op de testbank
Bereik van de uitgangsspanning
Wij hebben het printje gevoed met 5,0 V en de instelpotentiometer over het volledige bereik verdraaid. De eindwaarden van de uitgangsspanning bij nullast waren:
- Minimale waarde: 4,80 V
- Maximale waarde: 30,95 V
Minimale ingangsspanning voor 30,0 V uitgangsspanning
De uitgangsspanning werd afgeregeld op 30,0 V bij 5,0 V aan de ingang. Bij nullast konden wij de ingangsspanning terugschroeven tot 2,91 V alvorens de uitgangsspanning ging dalen.
Eigen nullast verbruik van de schakeling
Een belangrijk gegeven is hoeveel de schakeling zélf verbruikt zonder uitgangsbelasting. Dat is zeker belangrijk bij batterijvoeding, waarbij deze omvormers vaak gebruikt worden. Het printje werd gevoed met 5,0 V en de uitgangsspanning werd op de gebruikelijke voedingsspanningen ingesteld. Gemeten werd de stroomopname uit de ingangsspanning. In de onderstaande tabel zijn deze metingen samengevat en wordt ook het eigen nullast verbruik berekend.
 |
| Het nullast verbruik van de HW-637. (© 2020 Jos Verstraten) |
Ingangsstabilisatie bij 30,0 V uitgang
Bij 5,0 V op de ingang werd de uitgangsspanning afgeregeld op 30,0 V. Nadien werd de ingangsspanning gevarieerd tussen 3,0 V en 24,0 V en werd de ingangsstabilisatie van de schakeling gemeten.
 |
| De ingangsstabilisatie van de HW-637. (© 2020 Jos Verstraten) |
Opmerking bij de volgende uitgangsstabilisatie tests
'Wat er achter uitkomt moet er eerst van voren ingestopt worden'. Een boerenwijsheid die ook hier van toepassing is. Als u de uitgangsspanning van de HW-637 instelt op 30,0 V en 1 A stroom trekt, dan levert de omvormer 30 W vermogen. Voor niets gaat alleen de zon op en dat vermogen moet u dus ook aan de ingang aanbieden. Als u de print voedt uit 5,0 V zal deze voeding dus minstens 6 A moeten leveren! Natuurlijk heeft ook deze schakeling een rendement dat kleiner is dan 100 %, dus reken op meer ingangsstroom dan het rekenvoorbeeld aangeeft.
Onze labvoeding levert een maximale stroom van 3 A. Vandaar dat wij de HW-637 niet onder alle omstandigheden tot zijn maximale stroom hebben kunnen testen. De drie voorbeelden van de geteste uitgangsstabilisatie zullen u echter tóch een goede indruk geven van de capaciteit van dit klein printje.
Uitgangsstabilisatie van 5,0 V naar 12,0 V
In de onderstaande tabel hebben wij de uitgangsstabilisatie getest bij 5,0 V aan de ingang en 12,0 V aan de uitgang. Wij hebben het printje belast met een digitaal instelbare stoomsink. In de tabel ziet u niet alleen de afwijking van de uitgangsspanning, 40 mV over 800 mA, maar ook de in- en uitgangsvermogens. Door een simpele deling kunt u uit deze twee gegevens het rendement van de schakeling berekenen.
 |
| Uitgangsstabilisatie van 5,0 V naar 12,0 V. (© 2020 Jos Verstraten) |
Uitgangsstabilisatie van 5,0 V naar 30,0 V
Dezelfde test met een uitgangsspanning van 30,0 V. Bij deze test liep onze ingangsvoeding al bij een uitgangsbelasting van 300 mA vast op zijn stroombegrenzing van 3,0 A.
 |
| Uitgangsstabilisatie van 5,0 V naar 30,0 V. (© 2020 Jos Verstraten) |
Uitgangsstabilisatie van 5,0 V naar 24,0 V
Tot slot van 5,0 V naar 24,0 V. Nu kan onze 3,0 A voeding het volhouden tot een uitgangsstroom van 400 mA. Zoals uit de tabel blijkt, gedraagt het printje zich ook nu keurig. Over 400 mA daalt de uitgangsspanning slechts met 50 mV.
 |
| Uitgangsstabilisatie van 5,0 V naar 24,0 V. (© 2020 Jos Verstraten) |
Het temperatuurgedrag van de HW-637
Bij een ingangsspanning van 5,0 V werd de uitgangsspanning ingesteld op 12,0 V. Bij vier belastingsstromen werd de maximale temperatuur gemeten op het oppervlak van de LM2587S-ADJ. Gebruik werd gemaakt van een type-K thermokoppel dat via koelpasta op de behuizing werd gedrukt. De onderstaande gegevens zijn uiteraard de uitgestabiliseerde temperaturen, het duurt soms wel meer dan tien minuten voor de chip deze eindtemperatuur heeft bereikt:
- 500 mA: +52,0 °C
- 600 mA: +65,6 °C
- 700 mA: +75,4 °C
- 800 mA: +88,9 °C
Het rendement van de schakeling
Het rendement is niet meer dan de deling van het vermogen dat de schakeling levert door het vermogen dat u in de schakeling moet stoppen. Hoe hoger het rendement, hoe minder vermogen er in de schakeling verloren gaat en hoe langer de batterijen meegaan. Uit de vorige drie tabellen blijkt dat het gemeten rendement varieert tussen 63 % en 70 %, waarden die conform de specificaties zijn.
Het ruis- en rimpelgedrag van de HW-637
Het toegepaste schakelprincipe heeft tot gevolg dat er altijd wat residu van de schakelfrequentie op de uitgang is terug te vinden. Echter: hoe minder, hoe beter!
Bij een ingangsspanning van 5,0 V werd de uitgangsspanning ingesteld op 24,0 V. Het printje werd belast met 400 mA. De ruis en rimpel op de uitgangsspanning werden rechtstreeks op de klemmen van het printkroonsteentje gemeten met de oscilloscoop, zie onderstaande foto's. Met een top-tot-top waarde van meer dan 400 mV kan niet bepaald van een rimpelloze uitgangsspanning worden gesproken. In het rechter oscillogram werd de periode van de rimpel gemeten als 20,80 μs, waaruit een schakelfrequentie van 48,0 kHz wordt berekend. Dat is vreemd, want deze waarde valt ver buiten de in het data-sheet gespecificeerde waarde van 100 kHz. De metingen werden herhaald bij andere combinaties van in- en uitgangsspanningen en belastingen, maar steeds werd een waarde rond 50 kHz gemeten.
 |
| Ruis en rimpel op de 24,0 V uitgang bij 5,0 V ingang en 400 mA belasting. (© 2020 Jos Verstraten) |
Het dynamisch gedrag van de HW-637
Als laatste test werd het printje belast met een rechthoekvormige stroompuls met een waarde van 400 mA en een frequentie van 1 kHz, bij 24 V op de uitgang en 5 V op de ingang. In het onderstaande oscillogram ziet u in de onderste trace het basissignaal van de 2N3055 die wij als belasting gebruikten en boven de rimpel op de uitgangsspanning van de HW-637. Een rimpel van bijna 2 V op een uitgangsspanning van 24,0 V is uiteraard vrij veel! Om de 1 kHz rimpel duidelijk zichtbaar te maken werd de 'Average'-modus van de oscilloscoop ingeschakeld, waardoor de niet gesynchroniseerde 50 kHz rimpel van de interne schakelaar werd uitgemiddeld in het beeld.
 |
| Het dynamisch gedrag bij 1 kHz, 5 V in, 24 V uit en 400 mA pulsstroom. (© 2020 Jos Verstraten) |
Onze conclusie over de HW-637
Als u een schakeling moet ontwerpen die uit batterijen wordt gevoed en die een hogere voedingsspanning nodig heeft dan de batterijen leveren, kunt u dit HW-637 printje zonder veel problemen inzetten voor het genereren van deze hogere voedingsspanning. Goedkoper kunt u het zélf niet maken! Vanwege de toch wel vrij hoge rimpel op de uitgang moet u echter dan wel extra afvlakking en misschien zelfs stabilisatie toepassen op de voedingsspanning van gevoelige schakelingen.
HW-637 step-up boost-converter
