Convertidor CC/CC QS-1224CBD
Con este módulo pequeño y muy económico puedes convertir una tensión DC entre 10 V y 32 V en una tensión DC MÁS ALTA entre 12 V y 35 V con una corriente de salida máxima de 6 A.
Fabricante, proveedores, precios.
Este módulo es fabricado por QSKJ, una marca de China Satistronix Group Limited. Esta empresa se especializa en la producción de este tipo de inversores y ofrece una amplia gama de modelos en su sitio web. El modelo que probamos, el QS-1224CBD, es muy popular y se vende en docenas de proveedores de internet. En QSKJ, puede pedir la PCB por 1,85 $. En AliExpress, Banggood y proveedores similares, cuesta unos 4,40 €.
¿Qué es el QS-1224CBD?
Este módulo es un convertidor CC/CC elevador-reductor sin aislamiento . No está aislado porque las tensiones de entrada y salida no están aisladas galvánicamente, sino que comparten el polo negativo (tierra). El módulo es un circuito completo que permite convertir una tensión CC específica en la entrada en una tensión CC de diferente valor en la salida. El valor de la tensión de salida se puede ajustar con un potenciómetro en la PCB. El circuito se denomina " elevador ", lo que significa que el voltaje de salida siempre será mayor que el de entrada. Por ejemplo, se puede suministrar la entrada desde una batería de plomo-ácido de 12 V y derivar un voltaje de CC de 18,5 V o 24,0 V para alimentar un portátil o una tira de LED.
El módulo, que se muestra en la foto inferior, mide 65 mm x 47 mm x 27 mm y pesa 60 gramos. Dos semiconductores están atornillados a disipadores de 46 mm x 20 mm x 10 mm.
Especificaciones del QS-1224CBD
- Voltaje de entrada: 10 V CC ~ 32 V CC
- Corriente de entrada: 10 A máx. sin refrigeración adicional
- Corriente de entrada: 16 A máx. con refrigeración forzada
- Voltaje de salida: ajustable, 12 V CC ~ 35 V CC
- Corriente de salida: 10 A máx.
- Potencia: 100 W máx. sin refrigeración adicional
- Potencia: 150 W máx. con refrigeración forzada
- Eficiencia: 94 % típica
- Ondulación de salida: 2 % máx.
- Corriente de reposo: 25 mA típica
- Estabilidad de entrada: ±0,5 % típica
- Estabilidad de salida: ±0,5 % típica
- Temperatura con carga máxima: 45 °C típica
- Tiempo de respuesta: 200 μs típico
Advertencia
Esta prueba muestra claramente que las piezas son demasiado pequeñas y están demasiado cerca unas de otras. Si se usaran condensadores con una tensión de funcionamiento de 50 V, estas piezas tendrían una superficie de refrigeración mucho mayor y se calentarían menos. Lo mismo, por supuesto, aplica a los dos disipadores. Una placa de circuito impreso (PCB) más grande, para que las piezas calientes estén más separadas, también ayudaría a reducir la temperatura del conjunto.
Estabilidad de entrada.
La estabilidad de entrada indica la constancia de la tensión de salida en función de la tensión de entrada. Dado que este módulo se desarrolló para aumentar la tensión de una batería de 12 V, esta prueba es importante. Al fin y al cabo, la tensión en una batería de plomo-ácido puede variar de 10,8 V a 13,8 V. Un buen convertidor CC/CC debe mantener su tensión de salida constante en este rango.
Dado que nuestra fuente de alimentación ajustable no es capaz de suministrar suficiente corriente con una carga de 100 W, realizamos esta medición con una corriente de salida de 2,0 A. Los resultados se resumen en la tabla a continuación.
No nos atreveríamos a alimentar una costosa computadora portátil con una batería de plomo-ácido a través de este módulo. Aunque las temperaturas medidas no superan los límites especificados para las piezas, observamos que el módulo en su conjunto se calienta demasiado para ser fiable. La prueba se realizó a una temperatura ambiente de 23,5 °C. ¡No olvide que la temperatura en un coche puede alcanzar los 80 °C en verano! Es evidente que las piezas se calentarán mucho más.
Las grandes oscilaciones de alta frecuencia en la tensión de salida también son una razón para no utilizar este módulo para alimentar circuitos sensibles o costosos.
Sin embargo, si desea alimentar un par de tiras de LED de 24 V con una batería de plomo-ácido de 12 V en una fiesta al aire libre, puede usar este módulo sin problemas.
Este módulo es fabricado por QSKJ, una marca de China Satistronix Group Limited. Esta empresa se especializa en la producción de este tipo de inversores y ofrece una amplia gama de modelos en su sitio web. El modelo que probamos, el QS-1224CBD, es muy popular y se vende en docenas de proveedores de internet. En QSKJ, puede pedir la PCB por 1,85 $. En AliExpress, Banggood y proveedores similares, cuesta unos 4,40 €.
¿Qué es el QS-1224CBD?
Este módulo es un convertidor CC/CC elevador-reductor sin aislamiento . No está aislado porque las tensiones de entrada y salida no están aisladas galvánicamente, sino que comparten el polo negativo (tierra). El módulo es un circuito completo que permite convertir una tensión CC específica en la entrada en una tensión CC de diferente valor en la salida. El valor de la tensión de salida se puede ajustar con un potenciómetro en la PCB. El circuito se denomina " elevador ", lo que significa que el voltaje de salida siempre será mayor que el de entrada. Por ejemplo, se puede suministrar la entrada desde una batería de plomo-ácido de 12 V y derivar un voltaje de CC de 18,5 V o 24,0 V para alimentar un portátil o una tira de LED.
El módulo, que se muestra en la foto inferior, mide 65 mm x 47 mm x 27 mm y pesa 60 gramos. Dos semiconductores están atornillados a disipadores de 46 mm x 20 mm x 10 mm.
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| El módulo QS-1224CBD. (© 2022 José Verstraten) |
Especificaciones del QS-1224CBD
- Voltaje de entrada: 10 V CC ~ 32 V CC
- Corriente de entrada: 10 A máx. sin refrigeración adicional
- Corriente de entrada: 16 A máx. con refrigeración forzada
- Voltaje de salida: ajustable, 12 V CC ~ 35 V CC
- Corriente de salida: 10 A máx.
- Potencia: 100 W máx. sin refrigeración adicional
- Potencia: 150 W máx. con refrigeración forzada
- Eficiencia: 94 % típica
- Ondulación de salida: 2 % máx.
- Corriente de reposo: 25 mA típica
- Estabilidad de entrada: ±0,5 % típica
- Estabilidad de salida: ±0,5 % típica
- Temperatura con carga máxima: 45 °C típica
- Tiempo de respuesta: 200 μs típico
Advertencia
El fabricante advierte en su sitio que el QS-1224CBD no tiene protección contra cortocircuitos ni protección contra polaridad incorrecta en la entrada.
La electrónica del QS-1224CBD
El circuito del QS-1224CBD está construido alrededor de un UC3843A de Texas Instruments. Este es un controlador PWM controlado por corriente. Este chip funciona con una frecuencia de reloj de aproximadamente 50 kHz que impulsa un N-MOSFET. El pulso de salida es PWM (Modulación por Ancho de Pulso), creando el sistema de control responsable de establecer el voltaje de salida. En los dos disipadores de calor hay un N-MOSFET HY1707 con un R DS(ON) de solo 6 mΩ y un diodo Schottky MBR2045CT. Este es un diodo doble del cual solo se usa uno. Dos condensadores de 1000 μF están ubicados entre los dos disipadores de calor, lo que hace sonar las alarmas en nuestras mentes sobre la temperatura máxima a la que están expuestas esas partes. En el otro lado del PCB, que se muestra en la foto de abajo, reconocemos un estabilizador de voltaje 78L10, un UC3843A y una gran resistencia SMD de 0,01 Ω como componentes principales.
Con la ayuda de la hoja de datos del UC3843A y una buena lupa, se puede reconstruir con precisión el esquema de este módulo. Nuestro intento se resume en el diagrama a continuación; lamentablemente, no se dispone de los valores de las resistencias y los condensadores.
El UC3843A se alimenta mediante el estabilizador de 10 V 78L10. Los condensadores grandes entre los disipadores son, por supuesto, los condensadores C1 y C6. Se encuentran entre la tensión de entrada y tierra, y entre la tensión de salida y tierra. Con el potenciómetro de ajuste R7, parte de la tensión de salida se realimenta al pin 2 del UC3843A.
El funcionamiento del circuito es el siguiente: como ya se ha indicado, el UC3843A suministra un pulso PWM en el pin 6. La relación de activación/desactivación de ese pulso determina el valor de la tensión de salida. Cuando este pulso es 'H', el MOSFET T2 se activa. Una corriente muy elevada fluirá entonces desde VIN+ a través de la bobina L1, el MOSFET T2 y la resistencia R6 (0,01 Ω) hasta VIN-. Sin embargo, la bobina L1 resiste el aumento de dicha corriente generando una gran tensión inversa a través de sí misma. El lado izquierdo se vuelve negativo y el derecho positivo. El diodo D1 impide que la tensión de salida se cortocircuite a tierra a través del MOSFET conductor. Si el pulso es "L", el MOSFET no conduce. La tensión en L1 está ahora en serie con la tensión de entrada entre tierra y el ánodo del diodo D1. Este diodo comienza a conducir y la tensión de salida supera la tensión de entrada. Esta tensión de salida se suaviza de nuevo con el condensador C6.
Condiciones de prueba
Debido a que el QS-1224CBD se anuncia como un módulo que permite alimentar todo tipo de equipos con una batería de 12 V, tomamos esta situación como punto de partida para nuestras pruebas. El módulo se alimenta con una fuente de alimentación de 12 V que puede entregar 30 A. Esta fuente de alimentación está terminada con un banco de condensadores de 10 x 1000 μF. La entrada del QS-1224CBD está conectada a este banco. Las entradas y salidas están terminadas con condensadores de 100 nF en el bloque de terminales de la PCB. La salida se carga con un sumidero de corriente constante del tipo EBD-A20H.
Se decidió realizar las pruebas con un voltaje de salida de 24,0 V. Esto significa que el módulo debe duplicar el voltaje de entrada y esto, sin duda, debería dar una buena impresión de las capacidades de este circuito.
Rango de voltaje de salida sin carga
Con un voltaje de entrada de 12.05 V, podemos ajustar el voltaje de salida entre 11.85 V y 35.78 V con el potenciómetro de ajuste en la PCB. Esto está de acuerdo con las especificaciones, pero tenemos que hacer una observación crítica. El capacitor de salida C6 tiene un voltaje de operación de solo 35 V, por lo que no es muy inteligente ajustar el voltaje de salida por encima de 30 V.
La estabilidad de salida
La estabilidad de salida especifica la constancia del voltaje de salida como una función de la corriente de salida. A partir de la caída en el voltaje de salida, puede calcular la resistencia interna del convertidor usando la ley de Ohm. Dado que la potencia máxima se especifica como 100 W sin enfriamiento adicional, la corriente de salida está limitada a 5 A. Los resultados se resumen en la tabla a continuación. En un rango de carga de 0 A a 5.00 A, el voltaje de salida cae 127 mV. Esto corresponde a una resistencia interna de 25.4 mΩ.
El ruido y la ondulación en la tensión de salida.
La tensión de salida se mide en el bloque de terminales con la sonda 1/10 de un osciloscopio. La imagen a continuación muestra los resultados sin carga (izquierda) y con una carga de 100 W (derecha). Tenga en cuenta que la sensibilidad no está configurada de la misma manera en ambos oscilogramas: 200 mV/div sin carga frente a 500 mV/div con carga. Los resultados de esta medición son bastante impactantes:
- Sin carga: 507,0 mV pico a pico y 47,49 mV rms
- Con carga: 1,537 V pico a pico y 199,5 mV rms
Estabilidad a largo plazo.
En esta prueba, la tensión de salida del módulo se ajusta a 24,0 V en frío y se aplica una carga de 100 W (4,3 A). La estabilidad de la tensión de salida se mide en función del tiempo. El gráfico a continuación muestra que el módulo tiene un coeficiente de temperatura negativo. La tensión de salida disminuye aproximadamente 190 mV en treinta minutos y se mantiene bastante estable después.
Comportamiento térmico
Aunque se especifica una alta eficiencia del 94%, es lógico que, a carga máxima, se disipe calor considerable en las partes a continuación:
- el diodo schottky D1
- el MOSFET T2
- el condensador electrolítico C6 sobre la salida
- la bobina L1
Esas partes están cerca unas de otras en la PCB, por lo que tenemos mucha curiosidad por cómo se comporta térmicamente el módulo a la carga máxima con 100 W a una tensión de salida de 24 V. Cargamos el módulo durante media hora con una corriente de 4,3 A y luego medimos la temperatura en los puntos relevantes con un pequeño termopar. Los resultados se resumen en la siguiente ilustración.
Aunque los condensadores electrolíticos modernos pueden tener una temperatura de trabajo de 105 °C según varias especificaciones, no nos sentimos completamente satisfechos al medir dichas temperaturas. Todas las partes en la parte superior de la PCB se calientan mucho y es lógico que si instala el módulo en algún lugar de una caja, las temperaturas aumentarán aún más.
La electrónica del QS-1224CBD
El circuito del QS-1224CBD está construido alrededor de un UC3843A de Texas Instruments. Este es un controlador PWM controlado por corriente. Este chip funciona con una frecuencia de reloj de aproximadamente 50 kHz que impulsa un N-MOSFET. El pulso de salida es PWM (Modulación por Ancho de Pulso), creando el sistema de control responsable de establecer el voltaje de salida. En los dos disipadores de calor hay un N-MOSFET HY1707 con un R DS(ON) de solo 6 mΩ y un diodo Schottky MBR2045CT. Este es un diodo doble del cual solo se usa uno. Dos condensadores de 1000 μF están ubicados entre los dos disipadores de calor, lo que hace sonar las alarmas en nuestras mentes sobre la temperatura máxima a la que están expuestas esas partes. En el otro lado del PCB, que se muestra en la foto de abajo, reconocemos un estabilizador de voltaje 78L10, un UC3843A y una gran resistencia SMD de 0,01 Ω como componentes principales.
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| Los componentes del sistema de control. (© 2022 Jos Verstraten) |
Con la ayuda de la hoja de datos del UC3843A y una buena lupa, se puede reconstruir con precisión el esquema de este módulo. Nuestro intento se resume en el diagrama a continuación; lamentablemente, no se dispone de los valores de las resistencias y los condensadores.
El UC3843A se alimenta mediante el estabilizador de 10 V 78L10. Los condensadores grandes entre los disipadores son, por supuesto, los condensadores C1 y C6. Se encuentran entre la tensión de entrada y tierra, y entre la tensión de salida y tierra. Con el potenciómetro de ajuste R7, parte de la tensión de salida se realimenta al pin 2 del UC3843A.
El funcionamiento del circuito es el siguiente: como ya se ha indicado, el UC3843A suministra un pulso PWM en el pin 6. La relación de activación/desactivación de ese pulso determina el valor de la tensión de salida. Cuando este pulso es 'H', el MOSFET T2 se activa. Una corriente muy elevada fluirá entonces desde VIN+ a través de la bobina L1, el MOSFET T2 y la resistencia R6 (0,01 Ω) hasta VIN-. Sin embargo, la bobina L1 resiste el aumento de dicha corriente generando una gran tensión inversa a través de sí misma. El lado izquierdo se vuelve negativo y el derecho positivo. El diodo D1 impide que la tensión de salida se cortocircuite a tierra a través del MOSFET conductor. Si el pulso es "L", el MOSFET no conduce. La tensión en L1 está ahora en serie con la tensión de entrada entre tierra y el ánodo del diodo D1. Este diodo comienza a conducir y la tensión de salida supera la tensión de entrada. Esta tensión de salida se suaviza de nuevo con el condensador C6.
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| Esquema del QS-1224CBD. (© 2022 Jos Verstraten) |
Prueba del QS-1224CBD
Condiciones de prueba
Debido a que el QS-1224CBD se anuncia como un módulo que permite alimentar todo tipo de equipos con una batería de 12 V, tomamos esta situación como punto de partida para nuestras pruebas. El módulo se alimenta con una fuente de alimentación de 12 V que puede entregar 30 A. Esta fuente de alimentación está terminada con un banco de condensadores de 10 x 1000 μF. La entrada del QS-1224CBD está conectada a este banco. Las entradas y salidas están terminadas con condensadores de 100 nF en el bloque de terminales de la PCB. La salida se carga con un sumidero de corriente constante del tipo EBD-A20H.
Se decidió realizar las pruebas con un voltaje de salida de 24,0 V. Esto significa que el módulo debe duplicar el voltaje de entrada y esto, sin duda, debería dar una buena impresión de las capacidades de este circuito.
Rango de voltaje de salida sin carga
Con un voltaje de entrada de 12.05 V, podemos ajustar el voltaje de salida entre 11.85 V y 35.78 V con el potenciómetro de ajuste en la PCB. Esto está de acuerdo con las especificaciones, pero tenemos que hacer una observación crítica. El capacitor de salida C6 tiene un voltaje de operación de solo 35 V, por lo que no es muy inteligente ajustar el voltaje de salida por encima de 30 V.
La estabilidad de salida
La estabilidad de salida especifica la constancia del voltaje de salida como una función de la corriente de salida. A partir de la caída en el voltaje de salida, puede calcular la resistencia interna del convertidor usando la ley de Ohm. Dado que la potencia máxima se especifica como 100 W sin enfriamiento adicional, la corriente de salida está limitada a 5 A. Los resultados se resumen en la tabla a continuación. En un rango de carga de 0 A a 5.00 A, el voltaje de salida cae 127 mV. Esto corresponde a una resistencia interna de 25.4 mΩ.
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| La estabilidad de salida del QS-1224CBD. (© 2022 Jos Verstraten) |
El ruido y la ondulación en la tensión de salida.
La tensión de salida se mide en el bloque de terminales con la sonda 1/10 de un osciloscopio. La imagen a continuación muestra los resultados sin carga (izquierda) y con una carga de 100 W (derecha). Tenga en cuenta que la sensibilidad no está configurada de la misma manera en ambos oscilogramas: 200 mV/div sin carga frente a 500 mV/div con carga. Los resultados de esta medición son bastante impactantes:
- Sin carga: 507,0 mV pico a pico y 47,49 mV rms
- Con carga: 1,537 V pico a pico y 199,5 mV rms
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| Ruido y ondulación en la tensión de salida. (© 2022 Jos Verstraten) |
Estabilidad a largo plazo.
En esta prueba, la tensión de salida del módulo se ajusta a 24,0 V en frío y se aplica una carga de 100 W (4,3 A). La estabilidad de la tensión de salida se mide en función del tiempo. El gráfico a continuación muestra que el módulo tiene un coeficiente de temperatura negativo. La tensión de salida disminuye aproximadamente 190 mV en treinta minutos y se mantiene bastante estable después.
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| La estabilidad a largo plazo. (© 2022 Jos Verstraten) |
Comportamiento térmico
Aunque se especifica una alta eficiencia del 94%, es lógico que, a carga máxima, se disipe calor considerable en las partes a continuación:
- el diodo schottky D1
- el MOSFET T2
- el condensador electrolítico C6 sobre la salida
- la bobina L1
Esas partes están cerca unas de otras en la PCB, por lo que tenemos mucha curiosidad por cómo se comporta térmicamente el módulo a la carga máxima con 100 W a una tensión de salida de 24 V. Cargamos el módulo durante media hora con una corriente de 4,3 A y luego medimos la temperatura en los puntos relevantes con un pequeño termopar. Los resultados se resumen en la siguiente ilustración.
Aunque los condensadores electrolíticos modernos pueden tener una temperatura de trabajo de 105 °C según varias especificaciones, no nos sentimos completamente satisfechos al medir dichas temperaturas. Todas las partes en la parte superior de la PCB se calientan mucho y es lógico que si instala el módulo en algún lugar de una caja, las temperaturas aumentarán aún más.
Esta prueba muestra claramente que las piezas son demasiado pequeñas y están demasiado cerca unas de otras. Si se usaran condensadores con una tensión de funcionamiento de 50 V, estas piezas tendrían una superficie de refrigeración mucho mayor y se calentarían menos. Lo mismo, por supuesto, aplica a los dos disipadores. Una placa de circuito impreso (PCB) más grande, para que las piezas calientes estén más separadas, también ayudaría a reducir la temperatura del conjunto.
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| Las temperaturas tras media hora de máxima potencia. (© 2022 Jos Verstraten) |
Estabilidad de entrada.
La estabilidad de entrada indica la constancia de la tensión de salida en función de la tensión de entrada. Dado que este módulo se desarrolló para aumentar la tensión de una batería de 12 V, esta prueba es importante. Al fin y al cabo, la tensión en una batería de plomo-ácido puede variar de 10,8 V a 13,8 V. Un buen convertidor CC/CC debe mantener su tensión de salida constante en este rango.
Dado que nuestra fuente de alimentación ajustable no es capaz de suministrar suficiente corriente con una carga de 100 W, realizamos esta medición con una corriente de salida de 2,0 A. Los resultados se resumen en la tabla a continuación.
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| Estabilidad de entrada del QS-1224CBD. (© 2022 Jos Verstraten) |
Nuestro veredicto sobre el QS-1224CBD
No nos atreveríamos a alimentar una costosa computadora portátil con una batería de plomo-ácido a través de este módulo. Aunque las temperaturas medidas no superan los límites especificados para las piezas, observamos que el módulo en su conjunto se calienta demasiado para ser fiable. La prueba se realizó a una temperatura ambiente de 23,5 °C. ¡No olvide que la temperatura en un coche puede alcanzar los 80 °C en verano! Es evidente que las piezas se calentarán mucho más.
Las grandes oscilaciones de alta frecuencia en la tensión de salida también son una razón para no utilizar este módulo para alimentar circuitos sensibles o costosos.
Sin embargo, si desea alimentar un par de tiras de LED de 24 V con una batería de plomo-ácido de 12 V en una fiesta al aire libre, puede usar este módulo sin problemas.