Cyfrowa przetwornica podwyższająca (boost) ze stabilizacją napięcia

Mikrokontroler PIC16F18146 wyposażono w kilka interesujących, wbudowanych urządzeń peryferyjnych. Zauważyliśmy, że połączenie kilku z nich z niewielką liczbą elementów zewnętrznych pozwala zbudować samodzielnie działającą, programowaną przetwornicę podwyższającą ze stabilizacją napięcia. Co istotne, do jej działania nie jest potrzebna żadna ingerencja procesora w czasie pracy.

Niewielka płytka opisana w artykule pozwala zarówno na eksperymenty z przyjętym rozwiązaniem, jak i na praktyczne zastosowanie gotowego układu. Ponieważ użyty mikrokontroler 8-bitowy dysponuje 20 wyprowadzeniami, wszystkie zostały doprowadzone do złączy, co umożliwia szeroką integrację ze światem zewnętrznym.

Inspiracją dla projektu była nasza wcześniejsza analiza 8-bitowych układów PIC, zwieńczona recenzją. Recenzja ta opublikowana została w numerze z października 2022 roku.

Dołożyliśmy niewielki wyświetlacz LED oraz kilka pól dotykowych, dzięki czemu powstał w pełni autonomiczny, cyfrowo sterowany zasilacz stabilizowany oparty na przetwornicy podwyższającej (boost) z cyfrową prezentacją nastaw. Jeśli jesteś programistą systemów wbudowanych płytka może okazać się wygodna do użycia w Twoich własnych projektach. Bez wątpienia stanowi dobrą bazę do budowy urządzeń różnego typu i przeznaczenia.

W razie potrzeby większość elementów można pominąć i używać płytki do pracy z „gołym” mikrokontrolerem, choć wcześniej przedstawiliśmy już prostszą płytkę demonstracyjną przeznaczoną do tego celu. Większość nowych 8-bitowych mikrokontrolerów PIC w obudowach 20-wyprowadzeniowych ma podobny układ pinów, dzięki czemu nasza płytka może współpracować również z nimi.

Do tego projektu – i być może także do wykorzystania w innych projektach – zakupiliśmy kilka układów PIC16F18146 w obudowach typu SOIC. Zdecydowaliśmy się na ten mikrokontroler, ponieważ oferuje więcej wbudowanych funkcji niż np. PIC16F18045, a co istotne, był wówczas dostępny w wersji SOIC, która jest stosunkowo łatwa do przylutowania.

Układ PIC16F17146 różni się od niego jedynie tym, że zawiera dodatkowo wewnętrzny wzmacniacz operacyjny. Może on okazać się użyteczny w niektórych konstrukcjach.
Płytka drukowana o nazwie „Cyfrowy stabilizator podwyższający napięcie” (w oryginale PCB Digital Boost Regulator) jest zgodna ze wszystkimi trzema wspomnianymi modelami układów. Można zatem przeprowadzać na nich własne eksperymenty.

Inne modele mikrokontrolerów będą jednak wymagały częściowej modyfikacji programu sterującego. Pozostawiamy to jako zadanie dla Czytelnika.

Zasada działania przetwornicy podwyższającej napięcie zastosowanej w tym układzie nie jest nowa ani szczególnie oryginalna. Różnica polega na tym, że zamiast korzystać ze specjalizowanego układu scalonego przetwornicy, funkcję tę realizują odpowiednio skonfigurowane, wbudowane peryferia mikrokontrolera PIC16F18146.

Większość gotowych układów scalonych do przetwornic zawiera dodatkowe zabezpieczenia, takie jak ograniczenie prądu czy ochrona przed zwarciem, których nasz projekt nie przewiduje. Celowo zrezygnowaliśmy z tych funkcji, by zachować możliwie prostą konstrukcję.

Warto pamiętać, że specjalizowane układy przetwornic zazwyczaj dysponują bardziej dopracowanym sposobem sterowania, co przekłada się na dokładniejszą stabilizację napięcia. Choć nasza konstrukcja nie jest całkowicie odporna na błędy, stanowi działający prototyp, który można wykorzystać w wielu praktycznych zastosowaniach.

Projekt ten pokazuje, jak cenne mogą być zaawansowane układy peryferyjne. Szczególnie cenne okazują się konfigurowalne układy logiczne (CLC), które pozwalają reagować na określone zdarzenia bez angażowania samego procesora.

W naszym rozwiązaniu wykorzystujemy jedynie niewielką część dostępnych w mikrokontrolerze peryferiów, dzięki czemu nie ogranicza to jego możliwości w przypadku, gdy miałby zostać użyty jako centralny element bardziej złożonego urządzenia. Dla przykładu: mikrokontroler PIC16F18146 wyposażono w dwa przetworniki cyfrowo-analogowe oraz dwa komparatory, z których używamy tylko jednego.

Przetwornica podwyższająca napięcie (boost)

Gdy przełącznik pozostaje zwarty, tak jak pokazano w górnej części rysunku, prąd zasilający przepływa przez cewkę L1 do masy, co powoduje gromadzenie energii w postaci pola magnetycznego. Po rozwarciu przełącznika cewka nadal wymusza przepływ prądu, który teraz kierowany jest przez diodę D1 do kondensatora oraz do odbiornika po prawej stronie schematu.

Rozważmy sytuację, w której przełącznik pozostaje stale rozwarty. Ze względu na spadek napięcia na diodzie, napięcie po stronie wyjściowej ustabilizuje się nieco poniżej napięcia wejściowego. To wartość minimalna, jaką można uzyskać na wyjściu – taki układ nie jest w stanie wytworzyć napięcia niższego niż napięcie zasilające.

Jeśli natomiast przełącznik przez część czasu pozostaje zwarty, średni prąd cewki jest wyższy, a tym samym wzrasta napięcie wyjściowe. W teorii, z pominięciem strat takich jak rezystancja elementów czy spadki napięcia na diodzie, maksymalne napięcie wyjściowe jest równe napięciu zasilania podzielonemu przez proporcję czasu, w którym przełącznik pozostaje zamknięty w każdym cyklu pracy.

Jeśli współczynnik wypełnienia wynosi 50%, napięcie wyjściowe jest (teoretycznie) dwukrotnie wyższe od napięcia wejściowego.

W teorii, gdy przełącznik pozostaje otwarty tylko przez 10% czasu (co oznacza, że przez 90% czasu jest zamknięty), napięcie na wyjściu może być dziesięciokrotnie wyższe od napięcia wejściowego. Jednak przy tak dużym wzmocnieniu prąd przepływający przez cewkę osiąga bardzo wysokie wartości, przez co napięcie wyjściowe znacznie odbiega od wartości teoretycznej.

Aby przeczytać ten artykuł kup e-wydanie

Kup teraz