مبدل DC-DC چیست؟ تفاوت ماژول افزاینده و کاهنده ولتاژ و راهنمای انتخاب

مبدل DC-DC قطعه‌ای است که یک ولتاژ مستقیم را به ولتاژ مستقیم دیگری تبدیل می‌کند: 12 ولت باتری خودرو را به 5 ولت برای شارژ گوشی، 3.7 ولت یک باتری لیتیومی را به 12 ولت برای نوار LED، یا 24 ولت را به 12 ولت. اگر تا حالا با رگولاتور 7805 کار کرده باشید، دیده‌اید که چقدر داغ می‌شود. ماژول‌های DC-DC همان کار را با راندمانی تا 96 درصد و تقریباً بدون گرما انجام می‌دهند.

در این راهنما تفاوت ماژول افزاینده (Boost)، کاهنده (Buck) و کاهنده-افزاینده (Buck-Boost) را یاد می‌گیرید، چهار عددی را که هنگام خرید باید چک کنید می‌شناسید و با ابزار انتخاب مبدل، ماژول مناسب پروژه‌تان را پیدا می‌کنید.

خلاصه: اگر ولتاژ منبع همیشه بیشتر از خروجی است، کاهنده بخرید. اگر همیشه کمتر است، افزاینده. اگر گاهی بیشتر و گاهی کمتر است (مثل باتری در حال تخلیه)، کاهنده-افزاینده. ماژول را طوری انتخاب کنید که حداکثر 75 درصد جریان اسمی‌اش را بکشید.

رگولاتور خطی یا مبدل سوئیچینگ؟

رگولاتورهای خطی مثل 7805 اضافه‌ی ولتاژ را به گرما تبدیل می‌کنند. اگر با 7805 از 12 ولت، 5 ولت 1 آمپر بگیرید، 7 وات گرما تولید می‌شود؛ بیشتر از توانی که به مصرف‌کننده می‌رسد. مبدل‌های DC-DC سوئیچینگ با یک سلف، یک دیود یا ماسفت و روشن و خاموش شدن سریع (ده‌ها تا صدها هزار بار در ثانیه) انرژی را جابه‌جا می‌کنند و فقط درصد کمی تلف می‌شود.

رگولاتور خطی هنوز برای جریان‌های خیلی کم و مدارهای حساس به نویز کاربرد دارد، ولی برای هر چیزی بالاتر از چند صد میلی‌آمپر، مبدل سوئیچینگ انتخاب درست است.

ماژول کاهنده ولتاژ (Buck) چیست؟

کاهنده، ولتاژ ورودی را پایین می‌آورد و تقریباً به همان نسبت جریان خروجی را بالا می‌برد. شرط اصلی‌اش این است که ورودی همیشه کمی بیشتر از خروجی باشد؛ در ماژول‌های رایج مثل LM2596 حدود 1.5 ولت. کاربردهای معمول:

• گرفتن 5 ولت USB از باتری 12 ولت خودرو یا موتور
• تبدیل آداپتور 24 ولت به 12 ولت
• تغذیه‌ی آردوینو، ESP و رزبری‌پای از منبع 12 ولت
• شارژ باتری با جریان ثابت (با ماژول‌های دارای CC)

ماژول‌های محبوب: LM2596 سه آمپر برای کارهای عمومی (و راهنمای راه‌اندازی LM2596)، XL4015 پنج آمپر با نمایشگر برای جریان بیشتر، MP1584EN و MINI-360 برای جاهای تنگ و XL4016 نه آمپر برای بارهای سنگین.

ماژول افزاینده ولتاژ (Boost) چیست؟

افزاینده، ولتاژ را بالا می‌برد. چون انرژی از جایی نمی‌آید، جریان ورودی بیشتر از جریان خروجی می‌شود. این مهم‌ترین نکته‌ی افزاینده‌هاست: اگر از 12 ولت، 24 ولت 3 آمپر (72 وات) بگیرید، منبع 12 ولتی باید حدود 7 آمپر جریان بدهد. کاربردهای معمول:

• گرفتن 5، 9 یا 12 ولت از یک باتری لیتیومی 3.7 ولت
• راه‌اندازی لپ‌تاپ 19 ولتی یا تجهیزات 24 ولتی با باتری 12 ولت
• تغذیه‌ی نوار LED یا مودم از پاوربانک

ماژول‌های محبوب: MT3608 برای بارهای سبک، XL6009 و XL6009 با نمایشگر تا حدود 15 وات، و برای توان‌های بالا افزاینده 150 وات، 250 وات و 600 وات.

کاهنده-افزاینده (Buck-Boost) کی لازم است؟

فرض کنید پک 3 سل لیتیومی دارید که از 12.6 ولت (پر) تا حدود 9 ولت (خالی) تغییر می‌کند و مصرف‌کننده‌تان دقیقاً 12 ولت می‌خواهد. کاهنده در نیمه‌ی دوم تخلیه کم می‌آورد و افزاینده در ابتدای کار ولتاژ را بیش از حد بالا می‌برد. اینجاست که ماژول کاهنده و افزاینده LM2596-LM2577 در کل بازه خروجی ثابت 12 ولت می‌دهد.

ابزار انتخاب مبدل DC-DC

بازه‌ی ولتاژ منبع، ولتاژ و جریان خروجی را وارد کنید. ابزار نوع مبدل، توان و جریان ورودی را حساب می‌کند و ماژول‌های مناسب را همراه با موجودی لحظه‌ای فروشگاه نشان می‌دهد.

چهار عددی که هنگام خرید مبدل باید چک کنید

1. بازه‌ی ولتاژ ورودی: کمترین و بیشترین ولتاژ منبع باید داخل بازه‌ی ماژول باشد. باتری خودرو در حال روشن بودن موتور تا 14.4 ولت هم می‌رسد.
2. بازه‌ی ولتاژ خروجی: مثلاً MT3608 خروجی کمتر از 5 ولت نمی‌دهد و LM2596 خروجی‌اش همیشه دست‌کم 1.5 ولت کمتر از ورودی است.
3. جریان خروجی واقعی: عدد روی ماژول‌ها معمولاً حداکثر جریان با هیت‌سینک و در شرایط ایده‌آل است. برای کار دائم، حداکثر 70 تا 75 درصد آن را بکشید.
4. توان و جریان ورودی (برای افزاینده‌ها): توان خروجی را حساب کنید و ببینید منبع و سیم‌ها جریان ورودی را تحمل می‌کنند یا نه.

کنترل جریان (CC) چیست و کی لازم است؟

ماژول‌های دارای CC یک پتانسیومتر دوم برای محدود کردن جریان خروجی دارند. وقتی مصرف‌کننده بیش از حد تعیین‌شده جریان بخواهد، ماژول ولتاژ را پایین می‌آورد تا جریان ثابت بماند. این قابلیت برای دو کار ضروری است:

• شارژ باتری: ولتاژ را روی ولتاژ شارژ کامل (مثلاً 12.6 ولت برای 3 سل) و جریان را روی جریان شارژ مجاز تنظیم کنید. یک شارژر CC/CV ساده ساخته‌اید.
• LED پرقدرت: LEDها با جریان کنترل می‌شوند، نه ولتاژ. بدون محدودیت جریان، با کمی گرم شدن جریان بالا می‌رود و LED می‌سوزد.

ماژول‌های CC فروشگاه: XL4015 پنج آمپر، LM2596 با کنترل جریان و XL4016 در دسته‌ی کاهنده‌ها، و 250 وات و 600 وات در افزاینده‌ها.

مقایسه‌ی ماژول‌های محبوب

تنظیم و راه‌اندازی ماژول DC-DC

1. ماژول را بدون بار به منبع وصل کنید.
2. مولتی‌متر را روی خروجی بگذارید و پیچ مولتی‌ترن را بچرخانید تا به ولتاژ دلخواه برسید. در بیشتر ماژول‌ها چرخش ساعتگرد ولتاژ را بالا می‌برد. پیچ‌های مولتی‌ترن چند ده دور دارند؛ اگر در چند دور اول تغییری ندیدید، ادامه دهید.
3. در ماژول‌های CC، خروجی را با آمپرمتر اتصال کوتاه کنید و پیچ جریان را روی جریان دلخواه تنظیم کنید.
4. حالا مصرف‌کننده را وصل کنید و ولتاژ را زیر بار دوباره بسنجید.

یک نکته‌ی مهم درباره‌ی افزاینده‌ها: وقتی خاموش‌اند یا ولتاژ خروجی پایین‌تر از ورودی تنظیم شده، ولتاژ ورودی (منهای افت دیود) مستقیم به خروجی می‌رسد. افزاینده نمی‌تواند خروجی را کمتر از ورودی کند.

اشتباهات رایج

• وصل کردن مصرف‌کننده قبل از تنظیم ولتاژ: ماژول‌ها ممکن است با ولتاژ خروجی بالا از کارخانه بیایند و مصرف‌کننده‌ی 5 ولتی را بسوزانند.
• جابه‌جا بستن ورودی و خروجی یا مثبت و منفی: بیشتر ماژول‌ها محافظ پلاریته ندارند.
• کار دائم با حداکثر جریان بدون هیت‌سینک: ماژول داغ می‌شود و راندمانش افت می‌کند یا می‌سوزد.
• نادیده گرفتن جریان ورودی افزاینده: آداپتور یا باتری ضعیف زیر بار ولتاژش افت می‌کند و ماژول ناپایدار کار می‌کند.

سوالات متداول

جمع‌بندی

انتخاب مبدل DC-DC در سه قدم خلاصه می‌شود: نوع را با مقایسه‌ی ولتاژ منبع و خروجی تعیین کنید، جریان را با 25 درصد حاشیه انتخاب کنید و در افزاینده‌ها جریان ورودی را فراموش نکنید. ابزار بالای همین صفحه این حساب‌ها را برایتان انجام می‌دهد. برای دیدن ولتاژ و جریان مدارتان روی پنل، راهنمای انتخاب ولت‌متر و آمپرمتر پنلی را بخوانید.