|
Met dit kleine en spotgoedkope printje kunt u een gelijkspanning tussen 10 V en 32 V omzetten in een HOGERE gelijkspanning tussen 12 V en 35 V met een maximale uitgangsstroom van 6 A.
|
Kennismaking met de QS-1224CBD DC/DC-converter
Fabrikant, leveranciers, prijzen
Deze module wordt gefabriceerd door QSKJ, een merknaam van de Chinese Satistronix Group Limited. Dit bedrijf is gespecialiseerd in de productie van dergelijke omvormers en heeft een heleboel typen op de site staan. Het door ons getest model, de QS-1224CBD, is zeer populair en te koop bij tientallen internet-aanbieders. Bij QSKJ zélf kunt u het printje bestellen voor $ 1.85. Bij AliExpress, Banggood en soortgelijke aanbieder betaalt u er ongeveer € 4,40 voor.
Wat is de QS-1224CBD?
Deze module is een zogenaamde 'ongeïsoleerde buck-boost step-up DC/DC-converter'. Ongeïsoleerd, omdat de in- en de uitgangsspanningen niet galvanisch gescheiden zijn maar de negatieve pool (de massa) gemeenschappelijk hebben. De module is een complete schakeling waarmee u een bepaalde gelijkspanning op de ingang omzet in een gelijkspanning met een andere grootte op de uitgang. De grootte van de uitgangsspanning kunt u instellen met een instelpotentiometertje op de print. De schakeling heet 'step-up', dat betekent dus echter wél dat de uitgangsspanning altijd groter zal zijn dan de ingangsspanning. U kunt de ingang bijvoorbeeld voeden uit een 12 V loodaccu en daaruit een 18,5 V of 24,0 V gelijkspanning afleiden voor het voeden van een laptop of een LED-strip.
De module, voorgesteld in de onderstaande foto, heeft als afmetingen 65 mm bij 47 mm bij 27 mm en weegt 60 gram. Twee halfgeleiders zijn op koelplaatjes van 46 mm bij 20 mm bij 10 mm geschroefd.
De specificaties van de QS-1224CBD
- Ingangsspanning: 10 Vdc ~ 32 Vdc
- Ingangsstroom: 10 A max. zonder extra koeling
- Ingangsstroom: 16 A max. met geforceerde koeling
- Uitgangsspanning: instelbaar, 12 Vdc ~ 35 Vdc
- Uitgangsstroom: 10 A max.
- Vermogen: 100 W max. zonder extra koeling
- Vermogen: 150 W max. met geforceerde koeling
- Rendement: 94 % typisch
- Uitgangsrimpel: 2 % max
- Ruststroom: 25 mA typisch
- Ingangsstabiliteit: ±0,5 % typisch
- Uitgangsstabiliteit: ±0,5 % typisch
- Temperatuur bij maximale belasting: 45 °C typisch
- Responsetijd: 200 μs typisch
Waarschuwing
De fabrikant waarschuwt op de site dat de QS-1224CBD geen kortsluitbeveiliging heeft en ook geen beveiliging tegen verkeerde polariteit op de ingang.
De elektronica van de QS-1224CBD
De schakeling van de QS-1224CBD is samengesteld rond een UC3843A van Texas Instruments. Dit is een stroomgestuurde PWM-controller. Deze chip werkt met een klokfrequentie van ongeveer 50 kHz waarmee een N-MOSFET wordt aangestuurd. De puls is in breedte regelbaar (Pulse Width Modulation), waardoor het regelsysteem ontstaat dat verantwoordelijk is voor het instellen van de uitgangsspanning.
Op de twee koelplaatjes zitten een HY1707 N-MOSFET met een RDS(ON) van slechts 6 mΩ en een Schottky-diode MBR2045CT. Dat is een dubbele diode waarvan er slechts één wordt gebruikt. Tussen de twee koelplaatjes zitten twee elco's van 1.000 μF geperst, wat bij ons alarmbellen doet rinkelen over de maximale temperatuur waaraan die onderdelen worden blootgesteld.
Op de andere zijde van de print, op de onderstaande foto in beeld gebracht, herkennen wij een 78L10 spanningsstabilisator, een UC3843A en een grote SMD-weerstand van 0,01 Ω als voornaamste onderdelen.
Aan de hand van het datasheet van de UC3843A en met behulp van een goed vergrootglas is het schema van deze module met vrij grote zekerheid nauwkeurig te reconstrueren. Onze poging is in het onderstaande schema samengevat, weerstands- en condensatorwaarden zijn helaas niet te achterhalen.
De voeding voor de UC3843A wordt verzorgd door de 10 V stabilisator 78L10. De grote elco's tussen de koelplaten zijn uiteraard de condensatoren C1 en C6. Zij staan tussen de ingangsspanning en de massa en tussen de uitgangsspanning en de massa. Met de instelpotentiometer R7 wordt een deel van de uitgangsspanning teruggekoppeld naar pen 2 van de UC3843A.
De werking van de schakeling is als volgt. Zoals reeds geschreven levert de UC3843A op pen 6 een in breedte gemoduleerde puls. De aan/uit-verhouding van die puls bepaalt de grootte van de uitgangsspanning. Als deze puls 'H' is wordt de MOSFET T2 in geleiding gestuurd. Er gaat dan een zeer grote stroom vloeien van de VIN+ via de spoel L1, de MOSFET T2 en de weerstand R6 (0,01 Ω) naar VIN-. De spoel L1 verzet zit echter tegen het opkomen van die stroom door een grote tegenspanning over zichzelf op te bouwen. De linkerkant wordt negatief, de rechterkant positief. De diode D1 verhindert dat de uitgangsspanning via de geleidende MOSFET wordt kortgesloten naar de massa.
Als de puls 'L' is gaat de MOSFET sperren. De spanning over L1 staat nu in serie met de ingangsspanning tussen de massa en de anode van de diode D1. Deze diode gaat geleiden en de uitgangsspanning wordt dus groter dan de ingangsspanning. Deze uitgangsspanning wordt nog eens afgevlakt met condensator C6.
Testcondities
Omdat de QS-1224CBD wordt aangeprezen als een module waarmee u allerlei apparatuur kunt voeden uit een 12 V accu hebben wij deze situatie als uitgangspunt voor onze tests genomen. De module wordt gevoed uit een 12 V voeding die 30 A kan leveren, zie:
Aanklikbare link ➡ Hobby-lab: bouw een 12 V - 30 A voeding
Deze voeding wordt afgesloten met een condensatorbank van 10 x 1.000 μF. Op deze bank wordt de ingang van de QS-1224CBD aangesloten. De in- en uitgangen worden, op het printkroonsteentje, nog eens afgesloten met condensatoren van 100 nF.
De uitgang wordt belast met een constante stroomsink van het type EBD-A20H.
Besloten is de tests uit te voeren met een uitgangsspanning van 24,0 V. Dat betekent dat de module de ingangsspanning moet verdubbelen en dit moet ongetwijfeld een goede indruk geven van de capaciteiten van deze schakeling.
Uitgangsspanningsbereik onbelast
Bij een ingangsspanning van 12,05 V kunnen wij met de instelpotentiometer op de print de uitgangsspanning instellen tussen 11,85 V en 35,78 V. Dat is conform de specificaties, maar hierbij moeten wij toch wel een kritische kanttekening plaatsen. De uitgangscondensator C6 heeft een bedrijfsspanning van slechts 35 V, het is dus niet erg verstandig om de uitgangsspanning hoger in te stellen dan 30 V.
De uitgangsstabiliteit
De uitgangsstabiliteit geeft de constantheid van de uitgangsspanning weer in functie van de grootte van de uitgangsstroom. Uit de daling van de uitgangsspanning kunt u met de wet van ohm de inwendige weerstand van de converter berekenen. Omdat het maximale vermogen wordt gespecificeerd als 100 W zonder extra koeling wordt de uitgangsstroom begrensd op 5 A. De resultaten zijn samengevat in de onderstaande tabel.
Over een belastingsbereik van 0 A tot 5,00 A daalt de uitgangsspanning met 127 mV. Dat komt overeen met een inwendige weerstand van 25,4 mΩ.
De ruis en rimpel op de uitgangsspanning
De uitgangsspanning wordt op het kroonsteentje gemeten met de 1/10 probe van een oscilloscoop. In de onderstaande afbeelding worden de resultaten getoond zonder belasting (links) en met een belasting van 100 W (rechts). Let op dat de gevoeligheid op beide oscillogrammen niet identiek staat ingesteld: 200 mV/div onbelast versus 500 mV/div belast.
De resultaten van deze meting zijn nogal schokkend:
- Onbelast: 507,0 mV top-tot-top en 47,49 mV effectief
- Belast: 1,537 V top-tot-top en 199,5 mV effectief
De lange termijn stabiliteit
Bij deze test wordt de uitgangsspanning van de module in koude toestand ingesteld op 24,0 V en wordt een belasting van 100 W (4,3 A) ingeschakeld. De stabiliteit van de uitgangsspanning wordt gemeten in functie van de tijd. Uit de onderstaande grafiek blijkt dat de module een negatieve temperatuurscoëfficiënt heeft. De uitgangsspanning daalt in dertig minuten met ongeveer 190 mV en blijft nadien vrij stabiel.
Thermisch gedrag
Ondanks dat een hoog rendement van 94 % wordt gespecificeerd is het logisch dat er, bij maximale belasting, behoorlijk wat warmte in de onderstaande onderdelen wordt gedissipeerd:
- de schottky-diode D1
- de MOSFET T2
- de elco C6 over de uitgang
- het spoeltje L1
Die onderdelen staan dicht bij elkaar op het printje, dus zijn wij erg benieuwd hoe de module zich thermisch gedraagt bij de maximale belasting met 100 W bij 24 V uitgangsspanning. Wij hebben de module dus een half uurtje belast met een stroom van 4,3 A en nadien de temperatuur op de relevante punten opgemeten met een klein thermokoppel. De resultaten zijn samengevat in de onderstaande illustratie.
Wat is de QS-1224CBD?
Deze module is een zogenaamde 'ongeïsoleerde buck-boost step-up DC/DC-converter'. Ongeïsoleerd, omdat de in- en de uitgangsspanningen niet galvanisch gescheiden zijn maar de negatieve pool (de massa) gemeenschappelijk hebben. De module is een complete schakeling waarmee u een bepaalde gelijkspanning op de ingang omzet in een gelijkspanning met een andere grootte op de uitgang. De grootte van de uitgangsspanning kunt u instellen met een instelpotentiometertje op de print. De schakeling heet 'step-up', dat betekent dus echter wél dat de uitgangsspanning altijd groter zal zijn dan de ingangsspanning. U kunt de ingang bijvoorbeeld voeden uit een 12 V loodaccu en daaruit een 18,5 V of 24,0 V gelijkspanning afleiden voor het voeden van een laptop of een LED-strip.
De module, voorgesteld in de onderstaande foto, heeft als afmetingen 65 mm bij 47 mm bij 27 mm en weegt 60 gram. Twee halfgeleiders zijn op koelplaatjes van 46 mm bij 20 mm bij 10 mm geschroefd.
 |
| De QS-1224CBD module. (© 2022 Jos Verstraten) |
De specificaties van de QS-1224CBD
- Ingangsspanning: 10 Vdc ~ 32 Vdc
- Ingangsstroom: 10 A max. zonder extra koeling
- Ingangsstroom: 16 A max. met geforceerde koeling
- Uitgangsspanning: instelbaar, 12 Vdc ~ 35 Vdc
- Uitgangsstroom: 10 A max.
- Vermogen: 100 W max. zonder extra koeling
- Vermogen: 150 W max. met geforceerde koeling
- Rendement: 94 % typisch
- Uitgangsrimpel: 2 % max
- Ruststroom: 25 mA typisch
- Ingangsstabiliteit: ±0,5 % typisch
- Uitgangsstabiliteit: ±0,5 % typisch
- Temperatuur bij maximale belasting: 45 °C typisch
- Responsetijd: 200 μs typisch
Waarschuwing
De fabrikant waarschuwt op de site dat de QS-1224CBD geen kortsluitbeveiliging heeft en ook geen beveiliging tegen verkeerde polariteit op de ingang.
De elektronica van de QS-1224CBD
De schakeling van de QS-1224CBD is samengesteld rond een UC3843A van Texas Instruments. Dit is een stroomgestuurde PWM-controller. Deze chip werkt met een klokfrequentie van ongeveer 50 kHz waarmee een N-MOSFET wordt aangestuurd. De puls is in breedte regelbaar (Pulse Width Modulation), waardoor het regelsysteem ontstaat dat verantwoordelijk is voor het instellen van de uitgangsspanning.
Op de twee koelplaatjes zitten een HY1707 N-MOSFET met een RDS(ON) van slechts 6 mΩ en een Schottky-diode MBR2045CT. Dat is een dubbele diode waarvan er slechts één wordt gebruikt. Tussen de twee koelplaatjes zitten twee elco's van 1.000 μF geperst, wat bij ons alarmbellen doet rinkelen over de maximale temperatuur waaraan die onderdelen worden blootgesteld.
Op de andere zijde van de print, op de onderstaande foto in beeld gebracht, herkennen wij een 78L10 spanningsstabilisator, een UC3843A en een grote SMD-weerstand van 0,01 Ω als voornaamste onderdelen.
 |
| De onderdelen van het regelsysteem. (© 2022 Jos Verstraten) |
Aan de hand van het datasheet van de UC3843A en met behulp van een goed vergrootglas is het schema van deze module met vrij grote zekerheid nauwkeurig te reconstrueren. Onze poging is in het onderstaande schema samengevat, weerstands- en condensatorwaarden zijn helaas niet te achterhalen.
De voeding voor de UC3843A wordt verzorgd door de 10 V stabilisator 78L10. De grote elco's tussen de koelplaten zijn uiteraard de condensatoren C1 en C6. Zij staan tussen de ingangsspanning en de massa en tussen de uitgangsspanning en de massa. Met de instelpotentiometer R7 wordt een deel van de uitgangsspanning teruggekoppeld naar pen 2 van de UC3843A.
De werking van de schakeling is als volgt. Zoals reeds geschreven levert de UC3843A op pen 6 een in breedte gemoduleerde puls. De aan/uit-verhouding van die puls bepaalt de grootte van de uitgangsspanning. Als deze puls 'H' is wordt de MOSFET T2 in geleiding gestuurd. Er gaat dan een zeer grote stroom vloeien van de VIN+ via de spoel L1, de MOSFET T2 en de weerstand R6 (0,01 Ω) naar VIN-. De spoel L1 verzet zit echter tegen het opkomen van die stroom door een grote tegenspanning over zichzelf op te bouwen. De linkerkant wordt negatief, de rechterkant positief. De diode D1 verhindert dat de uitgangsspanning via de geleidende MOSFET wordt kortgesloten naar de massa.
Als de puls 'L' is gaat de MOSFET sperren. De spanning over L1 staat nu in serie met de ingangsspanning tussen de massa en de anode van de diode D1. Deze diode gaat geleiden en de uitgangsspanning wordt dus groter dan de ingangsspanning. Deze uitgangsspanning wordt nog eens afgevlakt met condensator C6.
 |
| Het schema van de QS-1224CBD. (© 2022 Jos Verstraten) |
Het testen van de QS-1224CBD
Testcondities
Omdat de QS-1224CBD wordt aangeprezen als een module waarmee u allerlei apparatuur kunt voeden uit een 12 V accu hebben wij deze situatie als uitgangspunt voor onze tests genomen. De module wordt gevoed uit een 12 V voeding die 30 A kan leveren, zie:
Aanklikbare link ➡ Hobby-lab: bouw een 12 V - 30 A voeding
Deze voeding wordt afgesloten met een condensatorbank van 10 x 1.000 μF. Op deze bank wordt de ingang van de QS-1224CBD aangesloten. De in- en uitgangen worden, op het printkroonsteentje, nog eens afgesloten met condensatoren van 100 nF.
De uitgang wordt belast met een constante stroomsink van het type EBD-A20H.
Besloten is de tests uit te voeren met een uitgangsspanning van 24,0 V. Dat betekent dat de module de ingangsspanning moet verdubbelen en dit moet ongetwijfeld een goede indruk geven van de capaciteiten van deze schakeling.
Uitgangsspanningsbereik onbelast
Bij een ingangsspanning van 12,05 V kunnen wij met de instelpotentiometer op de print de uitgangsspanning instellen tussen 11,85 V en 35,78 V. Dat is conform de specificaties, maar hierbij moeten wij toch wel een kritische kanttekening plaatsen. De uitgangscondensator C6 heeft een bedrijfsspanning van slechts 35 V, het is dus niet erg verstandig om de uitgangsspanning hoger in te stellen dan 30 V.
De uitgangsstabiliteit
De uitgangsstabiliteit geeft de constantheid van de uitgangsspanning weer in functie van de grootte van de uitgangsstroom. Uit de daling van de uitgangsspanning kunt u met de wet van ohm de inwendige weerstand van de converter berekenen. Omdat het maximale vermogen wordt gespecificeerd als 100 W zonder extra koeling wordt de uitgangsstroom begrensd op 5 A. De resultaten zijn samengevat in de onderstaande tabel.
Over een belastingsbereik van 0 A tot 5,00 A daalt de uitgangsspanning met 127 mV. Dat komt overeen met een inwendige weerstand van 25,4 mΩ.
 |
| De uitgangsstabiliteit van de QS-1224CBD. (© 2022 Jos Verstraten) |
De ruis en rimpel op de uitgangsspanning
De uitgangsspanning wordt op het kroonsteentje gemeten met de 1/10 probe van een oscilloscoop. In de onderstaande afbeelding worden de resultaten getoond zonder belasting (links) en met een belasting van 100 W (rechts). Let op dat de gevoeligheid op beide oscillogrammen niet identiek staat ingesteld: 200 mV/div onbelast versus 500 mV/div belast.
De resultaten van deze meting zijn nogal schokkend:
- Onbelast: 507,0 mV top-tot-top en 47,49 mV effectief
- Belast: 1,537 V top-tot-top en 199,5 mV effectief
 |
| Ruis en rimpel op de uitgangsspanning. (© 2022 Jos Verstraten) |
De lange termijn stabiliteit
Bij deze test wordt de uitgangsspanning van de module in koude toestand ingesteld op 24,0 V en wordt een belasting van 100 W (4,3 A) ingeschakeld. De stabiliteit van de uitgangsspanning wordt gemeten in functie van de tijd. Uit de onderstaande grafiek blijkt dat de module een negatieve temperatuurscoëfficiënt heeft. De uitgangsspanning daalt in dertig minuten met ongeveer 190 mV en blijft nadien vrij stabiel.
 |
| De lange termijn stabiliteit. (© 2022 Jos Verstraten) |
Thermisch gedrag
Ondanks dat een hoog rendement van 94 % wordt gespecificeerd is het logisch dat er, bij maximale belasting, behoorlijk wat warmte in de onderstaande onderdelen wordt gedissipeerd:
- de schottky-diode D1
- de MOSFET T2
- de elco C6 over de uitgang
- het spoeltje L1
Die onderdelen staan dicht bij elkaar op het printje, dus zijn wij erg benieuwd hoe de module zich thermisch gedraagt bij de maximale belasting met 100 W bij 24 V uitgangsspanning. Wij hebben de module dus een half uurtje belast met een stroom van 4,3 A en nadien de temperatuur op de relevante punten opgemeten met een klein thermokoppel. De resultaten zijn samengevat in de onderstaande illustratie.
Hoewel moderne elco´s volgens diverse specificaties een werktemperatuur van 105 °C mogen hebben voelen wij ons toch niet helemaal gelukkig bij het meten van dergelijke temperaturen. Alle onderdelen die op de bovenzijde van de print zitten worden flink heet en het is logisch dat als u de module ergens inbouwt de temperaturen nog meer zullen oplopen.
Bij deze test wreekt zich dat alle onderdelen zo dicht op elkaar zitten en minimale afmetingen hebben. Zou men elco´s met een werkspanning van 50 V toepassen, dan zouden die onderdelen een veel groter koeloppervlak hebben en minder heet worden. Hetzelfde geldt uiteraard voor de twee koelplaatjes. Een groter printje, waardoor de hete onderdelen wat verder van elkaar af staan, zou ook helpen om de temperatuur van het geheel wat te verlagen.
 |
| De temperaturen na een half uur vol vermogen. (© 2022 Jos Verstraten) |
De ingangsstabiliteit
De ingangsstabiliteit geeft de constantheid van de uitgangsspanning weer in functie van de grootte van de ingangsspanning. Gelet het gegeven dat deze module is ontwikkeld voor het verhogen van een 12 V accuspanning is dat een belangrijk gegeven. De spanning over een loodaccu kan immers variëren van 10,8 V tot 13,8 V. Over dit bereik moet een goede DC/DC-converter zijn uitgangsspanning constant houden.
Omdat onze regelbare voeding niet in staat is voldoende stroom te leveren bij een belasting met 100 W hebben wij deze meting uitgevoerd met een uitgangsstroom van 2,0 A. De resultaten zijn weer samengevat in de onderstaande tabel.
 |
| De ingangsstabiliteit van de QS-1224CBD. (© 2022 Jos Verstraten) |
Ons oordeel over de QS-1224CBD
Wij zouden het niet aandurven een dure laptop via deze module te voeden uit een loodaccu. Hoewel de gemeten temperaturen de gespecificeerde grenzen van de onderdelen niet overschrijden vinden wij tóch dat de totale module te warm wordt om betrouwbaar te zijn. De test is uitgevoerd bij een kamertemperatuur van 23,5 °C. Vergeet niet dat de temperatuur in een auto in de zomer kan oplopen tot wel 80 °C! Het zal duidelijk zijn dat de onderdelen dan nog veel heter gaan worden.
Ook de zeer grote hoogfrequente oscillaties op de uitgangsspanning zijn een reden om deze module niet te gebruiken voor het voeden van gevoelige en/of dure schakelingen.
Als u echter op een camping feestje een paar 24 V LED-slingers wilt voeden uit een 12 V loodaccu, dan kunt u deze module zonder problemen gebruiken.
QS-1224CBD DC-DC-convertor
