Step-down, step-up og buck-boost: velg riktig omformer

Har du 12 V og trenger 5 V, eller et batteri på 3,7 V og en USB-enhet på 5 V? Da velger du mellom tre typer DC-omformere: step-down, step-up og buck-boost. Her ser du hvordan de virker, hvorfor ingen av dem skaper energi, og hvordan du stiller inn og tester en modul uten å ødelegge elektronikken din.

Hvilken omformer passer til prosjektet ditt?

Spørsmålet som avgjør valget, er derfor ikke hva kilden heter, men hvilke verdier den faktisk får. Et 12 V blybatteri kan ligge over 14 V under lading og godt under 12 V når det er nesten tomt. Se på hele området, og finn også lastens kontinuerlige strøm og startstrøm.

Hva er en step-down-omformer?

Den senker en likespenning, for eksempel fra 12 V til 5 V, uten å brenne bort forskjellen som varme. På engelsk heter den buck converter. En liten LM2596-modul er et vanlig valg, og flere finner du under step-down-omformere.

Hva er en step-up-omformer?

Den øker en likespenning, for eksempel fra to AA-batterier til 5 V, og kalles boost converter på engelsk. Boost-modulen med batteriholder gjør akkurat dette, og flere ligger under step-up-omformere.

Fra 5 V til 12 V: holder en step-up fra USB?

Ja, til små laster. Step-up-kabelen fra 5 V USB til 12 V gir høyst 0,7 A ifølge tittelen på produktsiden, mens de tekniske dataene oppgir opptil 0,5 A avhengig av strømkilde. Regn derfor med den laveste verdien. Kabelen trekker mye mer strøm enn det fra USB-porten.

12 V og 0,7 A er 8,4 W ut. Med 85 prosent virkningsgrad blir det rundt 9,9 W inn, altså omtrent 2 A fra 5 V, regnet ut. Med 0,5 A ut er det 6 W, rundt 7,1 W inn og omtrent 1,4 A fra 5 V. En USB 2.0-port på en PC er bare spesifisert for 0,5 A, så bruk en lader eller powerbank som tåler strømmen.

Slik virker en step-down: en bryter og en spole

En step-down brenner ikke bort overskuddet. En transistor kobler inngangen av og på mange tusen ganger i sekundet, og LM2596 gjør det 150 000 ganger i sekundet. Andelen av tiden transistoren står på, kalles duty cycle. Ved 12 V inn og 5 V ut står den på omtrent 42 prosent av tiden, fordi 5 delt på 12 er 0,42.

Spolen er hemmeligheten: Den motsetter seg raske endringer i strømmen. Når transistoren slår av, driver spolen strømmen videre gjennom dioden. Kondensatoren på utgangen glatter ut det lille som er igjen. Derfor blir det meste av effekten nyttig effekt, ikke varme.

Step-up og buck-boost bruker de samme delene

En step-up flytter spolen til inngangen: Transistoren lader spolen mot jord, og når den slår av, legger spolen sin egen spenning oppå inngangen og dytter strømmen gjennom dioden. En ekte buck-boost med fast polaritet har gjerne fire brytere rundt én spole, og styringen velger selv om den skal senke eller øke.

Regn på omformeren din: hva skjer med strømmen?

Formlene er enkle: P = U × I og Pinn = Put / η, der η er virkningsgraden som desimaltall. Prøv dem i kalkulatoren under.

Fire forsøk du kan gjøre i kalkulatoren

1. Øk strømmen fra 1 A til 2 A. Strømmen fra kilden går fra 0,49 A til 0,98 A, og varmen i modulen dobles fra 0,88 W til 1,76 W.
2. Senk virkningsgraden fra 85 til 70 prosent. Lasten trenger fortsatt 5 W, men kilden må levere 7,1 W i stedet for 5,9 W. Varmen blir 2,14 W. Varmen blir altså mer enn dobbelt så stor.
3. Gå over til step-up: 3,7 V inn, 5 V og 1 A ut, 85 prosent. Nå trekker modulen 1,59 A fra batteriet, altså mer enn lasten får. Senk så inngangen til 3,0 V, som for et nesten tomt batteri: strømmen blir 1,96 A.
4. Prøv 5 V inn, 12 V og 1 A ut, 80 prosent. Du får 3 A fra kilden i gjennomsnitt. Det er akkurat grensen for bryteren i LM2577, og toppen i hver svitsjeperiode er enda høyere. Med 0,8 A ut er gjennomsnittet 2,4 A, og det er også lasten TI bruker i databladet for 5 V til 12 V.

Forsøk 3 og 4 forklarer hvorfor en liten step-up ofte skuffer: Tynne batteriledninger, en brukt celle eller en USB-port får problemer lenge før lasten på utgangen ser stor ut.

Hvorfor ikke bare bruke en motstand eller en lineær regulator?

Ta 12 V til 5 V ved 1 A som eksempel. En motstand i serie må ta 7 V, altså 7 Ω og 7 W. En lineær regulator som LM7805 gjør det samme, bare med stabil utgang: Den tar 12 W inn, gir 5 W ut og gjør resten til varme. Virkningsgraden blir 5 delt på 12, det vil si 42 prosent. En step-down på 85 prosent tar 5,9 W inn og lager bare 0,88 W varme.

Motstanden har i tillegg en farlig egenskap: Spenningsfallet følger strømmen. Går strømmen ned til 0,2 A, faller det bare 1,4 V over motstanden, og 5 V-kortet ditt får 10,6 V. Regulatoren holder spenningen, men varmen er problemet: TI oppgir 23,9 °C/W for LM340 (samme familie som LM7805) i TO-220 uten kjøleribbe. Med 7 W blir det rundt 167 °C over romtemperatur, langt over grensen på 125 °C, så brikken slår seg av.

Seks moduler sammenlignet: hva skiller dem i praksis?

Ingen av de seks er en ekte buck-boost. Skal du ha stabile 3,3 V fra ett Li-ion-batteri, er den enkleste løsningen med disse modulene to trinn: MR-00562 løfter batteriet til 5 V, og kortets egen 3,3 V-regulator tar resten. Du kan ikke bruke LDO-regulatoren LD1117V33 rett på batteriet, fordi den trenger minst 4,3 V inn, og batteriet kommer aldri over 4,2 V. Flere modeller finner du i kategorien spenningsregulatorer.

Datablad, modul og virkelighet: dette betyr deratering

LM2596 er en brikke fra Texas Instruments, med klare tall. Modulen er brikken pluss en billig spole, diode, kondensatorer og et lite kretskort, og det er de delene som bestemmer hva du faktisk kan ta ut. Tre eksempler fra databladet viser forskjellen:

• Inngang. Databladet krever 4,5 til 40 V, mens produktsidene for MR-00555 og MR-00548 oppgir 3,2 til 35 V. Følg det strengeste: minst 4,5 V og høyst 35 V.
• Virkningsgrad. «Opptil 90 prosent» gjelder 25 V inn til 12 V ut ved 3 A. Fra 12 V til 5 V ved 3 A oppgir TI 80 prosent, og til 3 V bare 73 prosent.
• Varme. Ved 80 prosent gir 15 W ut 3,75 W varme på et lite kort. TI oppgir 50 °C/W for LM2596 i TO-263 med en kobberflate på 0,5 kvadrattommer, men 20 °C/W med 3 kvadrattommer på brikkesiden og omtrent 16 kvadrattommer på baksiden. Samme brikke tåler altså svært ulik last, alt etter kortet den sitter på.

Deratering betyr at du planlegger med mindre enn merkeverdien. Vår tommelfingerregel: Planlegg for rundt 50 til 70 prosent av oppgitt strøm i åpen luft, og mål temperaturen i en lukket boks før du stoler på tallet. En 3 A-modul er derfor en 1,5 til 2 A-modul i et vanlig prosjekt, og en 5 A-modul med display bør ikke planlegges for fem ampere i en plastboks.

Prosjekt: fra 12 V til stabile 5 V, steg for steg

Her bygger du en strømforsyning for en ESP32 i tre nivåer. Først stiller du inn spenningen, så tester du under last, og til slutt lar du kortet selv fortelle om spenningen sviktet.

Nivå

Nybegynner til viderekommen

Tid

1 til 2 timer

Lodding

Nei

Du lærer

Innstilling, spenningsfall, virkningsgrad og temperatur

• 
  Step-down LM2596 med display1 stk, selve omformeren
• 
  Adapter 12 V, 2,5 A1 stk, kilden med plugg 5,5/2,1 mm
• 
  DC-kontaktmodul med pinner1 stk, mellom adapter og ledninger
• 
  Multimeter Rebel RB-8301 stk, spenning og strøm opp til 10 A
• KoblingsledningerHunn-hann til DC-modulen, hann-hann til brettet
• 
  Motstander 1 W, sett4 stk på 47 Ω, testlasten på nivå 2
• 
  LED og 1,2 kΩ-motstand1 av hver, viser at 5 V er på
• Koblingsbrett 830 hull1 stk, flere finnes blant koblingsplater
• M5Atom Lite1 stk på nivå 3, ESP32 med RGB-LED, pluss USB-C-kabel

Still inn 5,00 V før noe er koblet til utgangen

1. Forbered ledningene uten strøm. Sett hunnenden av hver ledning på pinnene VCC og GND på DC-modulen. La hannendene henge fritt og hold dem unna hverandre, slik at de ikke kan kortslutte adapteren. Adapteren skal ennå ikke være i kontakten.
2. Still multimeteret. Rød probe i VΩmA, svart i COM, og velg 20 V DC.
3. Kontroller polariteten før noe skrus fast. Sett i adapteren. Hold rød probe mot hannenden fra VCC og svart mot hannenden fra GND. Du skal lese nær 12 V uten minus foran tallet. Står det minus, er polariteten motsatt: trekk ut adapteren og bruk ikke denne kombinasjonen. Trekk ut adapteren også når tallet er riktig.
4. Koble til step-down-modulen og mål i punkt A. Skru ledningen fra VCC fast i VIN+ og ledningen fra GND i VIN-. Trekk forsiktig i ledningene for å sjekke at de sitter. Sett i adapteren. Du skal lese nær 12 V på VIN+ og VIN-.
5. Mål i punkt B og drei potensiometeret. Drei noen omdreininger, se hvilken vei tallet går, og fortsett til multimeteret viser 5,00 V.
6. Sammenlign med displayet. Knappen veksler mellom inn- og utspenning. Skriv ned avviket, fordi displayet er praktisk overvåking, ikke et måleinstrument.

Test under last: har du fortsatt 5 V?

Fire motstander på 47 Ω i parallell er 11,75 Ω. Ved 5 V gir det 0,43 A og 2,1 W, altså 0,53 W i hver motstand. Alle holder seg innenfor 1 W, men de blir varme.

1. Bygg lasten uten strøm. VOUT+ til rød skinne og VOUT- til blå skinne. Sett motstandene i kolonne 5, 9, 13 og 17 med litt luft mellom dem og brettet. Sett 1,2 kΩ fra rød skinne til a23, LED-ens lange bein i e23 og korte bein i f23, og en ledning fra j23 til blå skinne.
2. Slå på og mål i punkt B og punkt C. Forskjellen mellom dem er spenningsfallet i ledningene. Får du for eksempel 4,90 V ved C og 5,00 V ved B, har du tapt 0,10 V på veien.
3. Mål strømmen. Slå av. Flytt rød probe til 10 A-kontakten, sett bryteren på 10 A og koble multimeteret i serie med ledningen fra VOUT+. Gjør det samme i ledningen til VIN+ for inngangsstrømmen.
4. Regn ut virkningsgraden. Del effekten ut på effekten inn. Regneeksempel, ikke en måling: 5,0 V og 0,43 A ut er 2,15 W. Med 12 V og 0,21 A inn er det 2,52 W og 85 prosent.
5. Kjenn på varmen. La den stå i ti minutter, og trekk ut adapteren. Kjenn deretter forsiktig med en finger på spolen og brikken. Har du et termisk kamera, ser du varmen uten å ta på noe. Klarer du ikke å holde fingeren der i fem sekunder, er lasten for stor for den kjølingen du har.
6. Flytt rød probe tilbake til VΩmA. Ellers kortslutter du neste spenningsmåling gjennom 10 A-området.

Prøv selv: Sett inn åtte motstander. Da får du 0,85 A og 4,3 W. Det er nær grensen for tynne koblingsledninger og kontaktene i et koblingsbrett, så følg med på varmen og slå av hvis noe blir lunkent. Se hvor mye mer det faller i ledningene, og hvor mye varmere modulen blir. Stemmer det med kalkulatoren over?

La ESP32-en passe på sin egen strøm

En ESP32 trekker jevnt lite, men WiFi gir korte strømtopper. Blir spenningen for lav, starter brikken på nytt, og etterpå kan koden lese grunnen. Det gjør kortet til en liten strømvakt: LED-en lyser grønt ved vanlig start og rødt hvis forrige omstart kom av for lav spenning.

// Strømvakt for M5Atom Lite: WiFi-skann gir strømtopper som tester omformeren.
// Blå LED: skann pågår. Grønn: vanlig start. Rød: forrige omstart kom av for lav spenning.
#include <WiFi.h>

const uint8_t LED_PINNE = 27;          // RGB-LED (SK6812) på M5Atom Lite
const uint8_t STYRKE = 30;             // lav lysstyrke er nok
const unsigned long PAUSE_MS = 10000;  // tid mellom hver skann

bool spenningsfall = false;

void settFarge(uint8_t rod, uint8_t gronn, uint8_t bla) {
  rgbLedWrite(LED_PINNE, rod, gronn, bla);
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  delay(500);

  // ESP_RST_BROWNOUT betyr at spenningen ble for lav og kortet startet på nytt.
  spenningsfall = (esp_reset_reason() == ESP_RST_BROWNOUT);

  Serial.print("Grunn til start: ");
  Serial.println(spenningsfall ? "for lav spenning" : "vanlig start");

  WiFi.mode(WIFI_STA);
}

void loop() {
  settFarge(0, 0, STYRKE);
  int antall = WiFi.scanNetworks();    // radioen sender, og strømmen går opp
  Serial.print("Fant ");
  Serial.print(antall);
  Serial.println(" nettverk");
  WiFi.scanDelete();                   // frigjør minnet til neste runde

  if (spenningsfall) {
    settFarge(STYRKE, 0, 0);
  } else {
    settFarge(0, STYRKE, 0);
  }
  delay(PAUSE_MS);
}

Velg kortet M5Atom i Arduino IDE. Den viktigste linjen er esp_reset_reason(): Den svarer på hvorfor brikken startet, og verdien ESP_RST_BROWNOUT betyr spenningsfall. WiFi.scanDelete() frigjør listen over nettverk, slik at minnet ikke fylles opp. Last opp mens kortet får strøm bare fra USB-C. Slik skal utskriften se ut, antall nettverk varierer:

Grunn til start: vanlig start
Fant 6 nettverk
Fant 6 nettverk

1. Trekk ut adapter og USB-C. Bruk aldri USB og omformer samtidig. Dokumentasjonen beskriver ikke sammenkobling av de to kildene. M5Stack oppgir for øvrig bare USB-C som strøminngang (5 V, 500 mA); at 5V-pinnen kan brukes som inngang, er vanlig for Atom-kortene, men står ikke i databladet. Vil du holde deg strengt til dokumentasjonen, mater du kortet over USB-C fra en 5 V-kilde.
2. Koble 5 V. VOUT+ til 5V og VOUT- til GND på Atom-kortets pinnerekke. Les merkingen på kortet før du setter inn ledningene. Tegningen er forenklet, og 5V og GND ligger ikke nødvendigvis ved siden av hverandre.
3. Sett i adapteren. LED-en skal lyse blått under skanningen og grønt i pausen.
4. Mål 5 V ved Atom-kortet under skanningen. Et vanlig multimeter fanger ikke korte topper, så fargen på LED-en er testen din.

Prøv selv: Bytt ut kilden med MR-00562 og to AA-celler, og koble USB-A-utgangen til Atom med USB-C-kabelen. Ved 2 V inn er grensen 600 mA, så du ser hva gamle batterier gjør med forsyningen. Neste steg kan være en relémodul på samme 5 V, eller et batteri og solcelle som i off-grid-guiden.

Feilgalleri: fem klassiske tabber med DC-omformere

Når bør du legge til en kondensator? Når lasten er langt fra modulen, når lyd, radio eller ADC får støy, eller når lasten har kraftige topper. Sett en elektrolyttkondensator på rundt 100 til 470 µF nær lasten, med riktig polaritet og god spenningsmargin. På inngangen krever TI at spenningsklassen er minst 1,25 ganger høyeste inngangsspenning, og kondensatoren skal stå nær regulatoren med korte ledninger. Mål rippel med oscilloskop, fordi et multimeter bare viser gjennomsnittet.

Test deg selv

Vanlige spørsmål

Kan en step-down øke spenningen?

Nei. Når inngangen nærmer seg utgangen, mister den marginen den trenger for å regulere, og utgangen følger inngangen nedover. Bruk step-up eller buck-boost.

Hva er forskjellen på buck, boost og buck-boost?

Buck er det samme som step-down, boost er det samme som step-up, og buck-boost kan gjøre begge deler med samme utgangsspenning.

Hvorfor synker utgangen når lasten kobles til?

Kilden, ledningene eller modulen kan nå grensen for strøm eller temperatur. Mål både inngang og utgang under last.

Er en step-down det samme som en inverter?

Nei. En step-down gir likespenning ut, mens en inverter lager vekselspenning, for eksempel fra 12 V til 230 V. Begge kalles ofte omformer. Utgangen på en inverter er farlig på samme måte som en stikkontakt.

Hva er LM2596, og hvilken versjon trenger du?

LM2596 er en step-down-brikke fra Texas Instruments for opptil 3 A. Den finnes med fast 3,3 V, 5 V eller 12 V og i en justerbar versjon. LM2596-modulene i denne guiden er justerbare, så du må stille dem inn før bruk.

Når trenger jeg buck-boost i stedet for en vanlig buck converter?

Når inngangen kan falle under utgangen. En buck converter klarer det ikke, fordi den bare kan senke spenningen. Er inngangen alltid minst 2 V over målet, er en vanlig step-down enklere.

Kan to omformere kobles parallelt for mer strøm?

Ikke uten at produsenten uttrykkelig støtter lastdeling. Små forskjeller gjør at én modul kan ta nesten hele lasten.

Er en DC-DC-omformer galvanisk isolert?

Vanligvis ikke. Vanlige buck- og boost-moduler har felles minus eller felles referanse. Isolasjon må stå uttrykkelig i spesifikasjonen.

Kan en DC-omformer brukes som lader?

Nei, ikke alene. En omformer er ikke en laderegulator, selv om modeller med CC/CV kan hjelpe under testing. Batterier trenger kontrollert lading, slik off-grid-guiden forklarer.

Kilder og neste steg

Koden i nivå 3 er kompilert for M5Atom med Arduino-ESP32-kjerne 3.3.12, men ikke kjørt på kortet. Den krever kjerne 3 eller nyere, og alle tall i artikkelen er regnet ut, ikke målt. Tall for brikkene kommer fra TIs datablad for LM2596, LM2577 og LM340, mens modultallene står på produktsidene. Vil du bygge ut benken din, er guiden til laboratoriestrømforsyning et naturlig neste steg.