Spínané zvyšující měniče s výstupem 3,3 V nacházejí uplatnění především při napájení menších elektronických zařízení z baterií, konkrétně z jednoho nebo dvou primárních článků (většinou mikrotužkových nebo tužkových) i dvou NiCd nebo NiMH akumulátorů.
Základní výhodou je, že výstupní napětí je relativně přesné a stabilní bez ohledu na stav vybití článků, kromě toho se takto může vyčerpat téměř všechna energie. Stejné měniče se výhodně dají použít i při napájení z jednoho superkondenzátoru.
V současné době je možné se v souvislosti s elektronickými moduly a díly, které jsou na první pohled podobné nebo dokonce totožné, ale mají výrazně odlišnou cenu, celkem často setkat s názorem, že „je to stejně všechno jedna a tatáž Čína“. Něco pravdy na tom určitě je, je velký problém najít výrobek, který by v Číně nebyl vyroben, nebo nebyl alespoň sestaven z polotovarů (součástek) pocházejících z Číny.
Jenže je tu i druhý pohled na věc. Obchodníci, kteří osobně do Číny jezdí vybírat si a nakupovat zboží, tvrdí, že čínský pohled na kvalitu je dost odlišný od našeho. My ve výrobě v podstatě rozlišujeme zmetky (které se do prodeje zpravidla opravdu nedostanou), druhou třídu jakosti (vzhledové a nepodstatné funkční vady), první třídu jakosti (výrobek bez vady) a případně i výběrovou kvalitu. O ní se dnes moc nemluví, ale stále existuje, a jde především do vojenského případně kosmického výzkumu a výroby. Paměťníci z řad elektroniků si jistě vzpomenou, jaký byl ještě za socialismu obrovský rozdíl mezi elektronickými součástkami v obchodě a těmi, které „nějak“ unikly a měly na sobě natištěný symbol zkřížených mečů.
Čína rozlišuje mnohem víc stupňů kvality. Na jedné straně stupnice je to, co bychom my zcela bez pochyb označili za podvod (třeba prázdná plastová krabička na průchozím drátu označená jako filtr nebo zdroj), na opačném konci je to, co vyhovuje nejnáročnějším kritériím vojáků a kosmického programu. Rozdíl je v tom, že obchodník může nakoupit a dovézt jakýkoli stupeň kvality (pravděpodobně kromě těch nejvyšších), a pokud to dělá od stolu a zejména přes internet, ani se nemusí dozvědět, co vůbec kupuje. Nižší nákupní cena je buď výsledkem velkého objemu dodávky, nebo nižšího stupně kvality.
Zástupci velkých a zejména amerických firem (a přiznejme si, dnes v Číně vyrábí skoro všichni) si ale na místě buď hlídají už přímo výrobu, nebo přinejmenším kvalitu dodávek při přejímce. A výrobce nemá zájem na tom, aby velký obchod ztratil, na tu práci čekají jiní. Jakmile nakupujete v malém a bez možnosti kontroly, můžete dostat i kvalitní zboží za hodně nízkou cenu, ale musíte mít buď štěstí nebo známosti (zavedeného dlouhodobého partnera).
Trochu delší úvod vede k porovnání dvou spínaných zvyšujících měničů na napětí 3,3 V, a to typu U1V10F3 dodávaného americkou firmou Pololu a měniče Eletechsup CE012_8 , oba lze u nás zakoupit ve Snailshopu, tam vedou i uvedené odkazy.
U1V10F3 – foto z nabídky firmy Pololu
U1V10F3 má na stránkách výrobce udané parametry:
Napětí na vstupu: 0,5 - 5,5 V Maximální proud vstupu: 1,2 A Výstupní napětí: 3,3 V Maximální proud z výstupu: 500 mA Ochrana proti přepólování: Ne Odběr bez zatížení: max. 1 mA Rozměry: 9 x 12 x 2,5 mm
I když je na první pohled v údajích rozpor, buď může být spínaný zdroj zvyšující, nebo může pracovat při vstupu 5,5 s výstupním napětím 3,3 V, faktem je, že opravdu i se vstupem převyšujícím 3,3 V tento zdroj pracuje a stabilizuje napětí na výstupu. Ale platí, že zdroj by neměl být připojen (skokově) na napětí vyšší než 3,3 V. Typická účinnost se pohybuje podle režimu mezi 65 a 85%, podrobnosti ukazuje graf.
Napětí naprázdno je kolem 3,32 V a měřitelnou závislostí na vstupním napětí. Zvlnění bez zátěže se pohybuje kolem 20 mV(šš) při frekvenci 500 – 600 Hz, při typickém odběru 250 mA (a vstupu 2,4 V) je frekvence měniče kolem 170 kHz a zvlnění na výstupu do 80 mV(šš). Modul byl při tomto proudu jen vlažný (39°C). Při vstupu 3 V a odběru 500 mA se pracovní frekvence vyšplhala na 1,4 MHz, zvlnění kleslo pod 35 mV(šš) a ustálená teplota modulu nepřesáhla 43°C, účinnost orientačně vyšla 84%.
Zvlnění 35 mV(šš) při plném zatížení zdroje
Výrobce jasně uvádí, že maximálního výstupního proudu 500 mA nejde dosáhnout za všech podmínek, reálný je při vstupním napětí nad 2,4 V. Třeba při vstupu 1,0 V nejde odebírat větší proud než asi 150 mA. Měnič opravdu pracuje od 0,45 V, ale odběr z výstupu nesmí převyšovat přibližně 20 mA. Je k dispozici i kompletní schéma zapojení. Podle zkušeností deklarované údaje odpovídají skutečnosti.
Účinnost v závislosti na vstupním napětí a výstupním proudu (graf z nabídky Pololu)
Schéma zapojení z nabídky Pololu
Měnič se dodává jako osazený plošný spoj bez připájených vývodů, přiloženy jsou jak rovné tak zahnuté kolíky a uživatel použije ty, které se mu hodí. Je velmi plochý a na základním (přístrojovém) plošném spoji se vejde všude tam, kde mohlo být standardní pouzdro TO220 bez chladiče.
Měnič Eletechsup CE012_8
Měnič Eletechsup CE012_8 se od čínského prodejce typicky nakupuje v pásku po osmi kusech a láká především nízkou jednotkovou cenou. Základní technické údaje jsou k dispozici, některé ale jemně řečeno postrádají hodnověrnost už na první pohled, třeba údaj o výstupním výkonu 50 W:
Výstupní výkon: 50 W Výrobce: Eletechsup Model: CE012_8 Výstupní proud: 500 mA Výstupní napětí: 3,3 V Vstupní napětí: 0,8 - 3,3 V Pracovní frekvence: 150 kHz Účinnost: 85% Velikost: 11 x 10,5 x 7,5 mm
V dalším textu je rozumně uvedeno, že měnič nasazuje při napětí 0,8 V, ale je možné z něj odebírat jen 10 mA (ponechme stranou drobnost, že proud je v originále udáván v MA – tedy milionech ampérů, nikoli mA – tisícinách ampéru), v rozmezí 1 – 1,5 V lze odebírat 50 – 110 mA, od 1,5 do 2,0 V proud 110 – 160 mA, od 2,0 do 3 V proud 160 – 400 mA a konečně nad 3 V proud 400 – 500 mA. Vstupní napětí musí být nižší než výstupní. Jako typické použití se uvádí napájení bezdrátových modulů, Arduina, LED, MP3 a MP4 přehrávačů a podobně.
Porovnání obou spínaných zdrojů z profilu
Porovnání rozměrů obou měničů vyzní zajímavě zejména při pohledu z profilu, který úkáže, že při velmi podobných rozměrech plošného spoje zabírá CE012_8 přibližně 3x větší objem. Vývody mají stejné rozložení.
Bez odběru respektive při malém odběru dává měnič výstupní napětí 3,28 V, ale na výstupním napětí jsou s frekvencí přibližně 8 Hz ostré špičky s amplitudou přes 50 mV.
Průběh napětí bez odběru
Při zatížení typickým proudem 250 mA (vstup 2,4 V) je na výstupu zvlnění na frekvenci 10 kHz a s rozkmitem 230 mV(šš), což už je při napětí 3,3 V docela dost. Při tomto odběru (polovině maxima) se modul už během několika sekund silně zahřívá, není na něm možné udržet prst. Měření ukázalo teplotu 76°C. Ač je to uváděno jako typické užití, tak velké zvlnění a na 10 KHz by nepochybně vadilo jakékoli audiotechnice, která by při napájení z tohoto měniče pískala.
Výstup zdroje při plném zatížení
Při plném zatížení výstupním proudem kolem 500 mA při vstupu 3,0 V bylo na výstupu zvlnění 300 mV(šš) (!) a modul se zahřál na 86°C, nicméně vydržel i pár desítek minut chodu.
Ještě je nutné doplnit poznámku k pracovní frekvenci, ta neodpovídá zvlnění na výstupu! Pracovní frekvence se při plném zatížení pohybovala kolem 500 kHz (to neodpovídá údajům) a je vidět i na snímku z osciloskopu jako spousta špiček („chlupů“) ve spodní části průběhu. Zvlnění způsobuje to, že tento režim pracovní frekvence je řídícím obvodem přerušován.
Oba zdroje jsou schopné funkce a jejich udávané parametry jsou velmi podobné, přes to se v praxi dost liší. Rozdíl v rozměrech a objemu je zřejmý. Funkčně je důležité zvlnění napětí na výstupu. Zatímco zdroj Pololu používá podstatně vyšší frekvenci (až v řádu MHz) a vyhoví tak jak je, zdroj Eletechsup pracuje na 100x nižší frekvenci a bez vnějšího elektrolytického kondenzátoru 100 až 330 µF (pokud možno low ESR) se prakticky neobejde. Ten přidaný kondenzátor bude téměř stejně velký jako samotný modul zdroje.
Dalo by se předpokládat, že zdroj pracující s nižší frekvencí (Eletechsup – 500 kHz) může mít výhodu nižšího vyzařování rušení, opak je bohužel pravdou. Na napětí jsou ostré špičky s vysokým obsahem vyšších harmonických složek a zdroj ruší až do oblasti stovek MHz.
A konečně zahřívání. Dosažení teploty přes 85°C na povrchu modulu CE012_8 dává najevo, že uvnitř polovodičů se může teplota hodně blížit dovolené mezi, za níž se obvykle považuje 105 – 110°C. Vždy platí, že čím nižší teplota, tím lepší spolehlivost a životnost. Navíc v souvislosti se silným zahříváním se jeví údaj o účinnosti 85% značně nevěrohodný. Je možné, že této hodnoty zdroj v nějakém režimu dosahuje, ale při plném zatížení a v režimu, který je v podstatě optimální, vyšla účinnost sotva 60%.
Když dva dělají totéž, není to zkrátka totéž. Ale je dobře, že každý má možnost volby. Který z těchto dvou spínaných zdrojů byste si vybrali pro svůj projekt vy? Pololu U1V10F3 za 129 Kč nebo Eletechsup CE012_8 za 72 Kč?
Předchozí text může být současně odpovědí na to, proč jsem v článcích o superkondenzátorech nebo třeba v konstrukci vibrobotu používal spínané zdroje Pololu včetně typu U1V10F3. Když chcete ukázat, co kondenzátory zvládnou, nedáte k nim zkrátka měnič s účinností nižší o 24%, který navíc vyčerpá méně energie. Ale přiznejme si, jako hračka, u níž je cena důležitá, by právě vibrobot mohl dostatečně dobře fungovat i s levnějším měničem Eletechsup.