Понижающий преобразователь: 12 вольт в 5 без перегрева

Светодиодная лента на 12 вольт и макетка жили от одного блока питания: ленту я повесил в шкаф, плату запитал тем же 12 В через DC-гнездо. Двадцать минут всё работало, потом скетч начал дёргаться, дисплей замерцал, а до стабилизатора на плате я не смог дотронуться — корпус держал палец ровно одну секунду. Первым делом я обвинил клон Uno: отнёс его в мастерскую, где измерили ровно то, что измерил бы я с мультиметром, если бы тогда умел мерить — ничего. Плата была исправна, исправность просто кончалась на входе двенадцати вольт и половине ампера.

Арифметика, которую я не сделал, умещается в одну строку: (12 − 5) × 0,5 А = 3,5 Вт. Столько тепла линейный стабилизатор платы обязан превратить в нагрев — это половина мощности маленького паяльника на корпусе размером с ноготь. Ни один стабилизатор такого не прощает, и никакой брак тут ни при чём: я просил деталь работать против её конструкции.

Разбираем, откуда берётся это тепло и почему понижающий преобразователь на LM2596 решает вопрос холодом: как он работает, как настроить выход на 5,0 вольт мультиметром до подключения платы, как проверить под нагрузкой. Источники и их коридоры напряжений мы прошли в уроке про внешнее питание — здесь та же история, но с силовой частью.

Линейный стабилизатор — это саморегулируемый резистор. Выход всегда 5 В, вход какой дали; разницу он глотает на себе, превращая её в тепло по формуле мощности из закона Ома. Числа с условиями: вход 9 В и ток 100 мА — 0,4 Вт, корпус тёплый, живём. Вход 12 В и 300 мА — 2,1 Вт, нужен радиатор, которого на плате нет. Вход 12 В и 500 мА — 3,5 Вт, отключение по перегреву. Формула одна, меняются только вход и ток, и каждый источник из прошлого урока можно прикинуть за десять секунд.

Импульсный преобразователь устроен иначе: транзистор щёлкает ключом 150 тысяч раз в секунду, дроссель и конденсаторы сглаживают эти порции в ровное напряжение. Это не резистор, а насос: он не глотает лишнее, а закачивает ровно столько, сколько нужно. КПД у LM2596 — 85–92 процента, и при тех же 12 В на входе и 0,5 А на выходе входной ток составляет около 0,23 А, а потери — треть ватта. Дотронуться можно, палец не пострадает.

Теперь анатомия модуля, потому что на плате уже есть всё нужное. Входной электролит сглаживает броски от провода к блоку, диод Шоттки и дроссель формируют порции, выходной электролит держит выход ровным, а подстроечник на 100 кОм задаёт точку. Ничего допаивать не надо; разбирать и проверять компоненты на глаз — тоже: у нормальных клонов они на месте, у совсем дешёвых иногда стоит дроссель меньше номинала, и тогда предел честных двух ампер падает до полутора. Мой тест простой: нагрузка в полтора ампера на полчаса — если дроссель не воет, а выход не плывёт больше чем на сотню милливольт, модуль годен.

И дисциплина силовых линий, о которой я жёг пальцы дважды: контактные лепестки макетки рассчитаны на ампер-полтора, а клеммы модуля — на три. Через рельсы макетки я однажды гнал два ампера на ленту: лепесток потеплел, пружина потеряла упругость, контакт стал плавать, и схема жила своей жизнью. С тех пор силовые провода идут винтовыми клеммами или пайкой, а через макетку — только логика после преобразователя: пара сотен миллиампер, для которых она и сделана.

Шаг первый: подать 12 В на клеммы IN, плюс к плюсу — полярность входа перепутать проще, чем кажется, и для неё работает вся дисциплина рейки и полярности. Шаг второй: мультиметр в режим DCV на предел 20 В, щупы на выход OUT. Как прибор включать и куда какие щупы — это следующий урок, про мультиметр целиком. Шаг третий: крутить подстроечный винт крестовой отвёрткой, пока на выходе не устоится 5,0–5,1 В.

Про винт — отдельно, потому что тут я потерял час. Подстроечник многооборотный: двадцать и больше оборотов от края до края, и в первой четверти хода напряжение почти не шевелится. Я крутил на четверть, убеждался, что «не работает», переключался на проверку схемы — и снова. Крутите медленно и долго, по одному обороту с паузой: прибор покажет движение. Шаг четвёртый — проверка под нагрузкой: без потребителя выход показывает 5,02, а с мотором может всплыть или просесть; нагрузка из лампочек или моторчика честнее холостого хода. На сервы и моторы оставляй запас: их пики — тема подключения серво.

После настройки пометь модуль: полоска малярного скотча с надписью «5.0» экономит следующий сеанс с прибором — винты в ящике имеют свойство крутиться. И посчитай вход, чтобы блок питания не работал на пределе: при выходе 0,5 А и КПД около 88 % от двенадцативольтового провода уйдёт примерно 0,29 А — хватит и самой дешёвой зарядки на ампер. Если же нагрузка вырастет до двух ампер, входной ток станет почти 1,2 А, и блок на 1 А начнёт проседать первым, притворяясь неисправным преобразователем.

Одна оговорка про честность этого вольтметра: на A0 нельзя подавать больше 5 В, а выход преобразователя — ровно 5, поэтому я ставлю делитель из двух одинаковых резисторов и умножаю показание на два; его расчёт был в уроке про делитель. И вторая — про помехи: ключи на 150 кГц просачиваются в провода, и АЦП рядом с преобразователем шумит единицами-десятками кодов. Для точных аналоговых экспериментов я перевешиваю питание на USB, а LM2596 оставляю силовым: моторы, реле, ленты. Держите его в 10–15 сантиметрах от аналоговой части и накиньте конденсатор 100 нФ прямо у входа датчика — этого хватает.

Типовая сборка, которая живёт у меня на столе: блок 12 В 2 А от ленты — на вход LM2596, выход — на рейки макетки, минус общий с платой, конденсатор 470 мкФ поперёк рейки рядом с потребителем. Плата при этом питается от своего гнезда от того же блока: у неё свой стабилизатор, у силовых органов — свой, и никто никого не тянет вниз. Один настроенный модуль пережил у меня три года перепроб: меняются схемы, а шина пять вольт на рейке остаётся.