Step down / step up DC měnič - rozdíl v účinnosti

[bastler]

Zdravím, zajímalo by mě, zda obecně je lepší step down nebo step up měnič. Například pro powerbanku, jejiž vstup i výstup je 5V. Je možnost ji mít že napětí bude snižovat z 7.4 V, kdy budou a) paralelně spojená skupina n článků 2x za sebou, b) sérié 2 článků nx paralelně spojená c) napětí bude zvyšovat z 2n článků z 3.7V na 5V.

mezi a a b je jen rozdíl v pořadí paralelizaci nebo serializace článků. To přímo není původní dotaz, ale taky by mě to zajímalo, zda má jedno nebo druhé nějaký výhody a nevýhody

Hlavně mě zajímá tedy rozdíl mezi c (step down)a tím prvním (step up). Zda taky odpověď závisí na velikosti zamýšleného provozního proudu, Zda jsou nějaké teoretické a praktické limity účinnosti.

[Reklama]

[Kit]

Sériové řazení článků má nevýhodu v nutnosti hlídání napětí jednotlivých článků při nabíjení i vybíjení. Proto zpravidla vítězí jednoduchost paralelního uspořádání na 3,7 V.

Varianta b potřebuje n-násobek těchto ochranných obvodů než varianta a.

[jfk000]

Prakticky je účinnost omezena tím, že neexistují ideální součástky, což ve výsledku znamená ztráty energie. Pro DC/DC měniče především:
- cívka (nenulový sériový odpor, nedokonalá vazba u transformátorů)
- tranzistor (nenulový odpor v sepnutém stavu, konečná rychlost spínání)
- dioda (nenulový úbytek naptětí v propustém směru)
- kondenzátor (sériový odpor)

Účinost bude dále záviset na topologii zapojení, použitých součástkách a pracovním bodu - tj. nejen proud, ale i vstupní a výstupní napětí ....

Takže jednoduchá univerzální odpověď asi není :-)

[Pavouk106]

Mám tady (z Číny) step-up/down měnič (v jednom) a haldu Li-Ion baterií. Během dopoledne plánuju vytáhnout pájku (já vím, páječku), tak můžu zkusit dát dvě baterky paralelně a pak dvě sériově, připojit je na stejnou zátěž a jednou nechat pracovat up a jednou down. Naměřený hodnoty sem pak můžu hodit.

Zajímalo mě to taky (okrajově) a četl jsem, že výhodnější je pro dodávání energie Z baterií ven step-down (tedy dvě v sérii). Zase na druhou stranu - baterie se musí taky nabíjet a když je budeš nabíjet z 5V, vyplatilo by se je mít paralelně...

[JardaP .]

Tak kdyz je neco step down, tak bych ocekaval jednodussi zapojeni. Nemusi mit trafo a vystupni usmernovac, staci spinaci kondenzator a vystupni filtr. Tim odpadne par soucastek, ktere snizi ucinnost. Zase se to ale zkomplikuje jinde - viz zminene hlidani napeti baterek v serii. To je ale komplikace konstrukce, ktera by nemela mit vyrazny vliv na ucinnost. Tedy pokud uvazime vyhradne ucinnost samotneho menice, tak nema vliv zadny. Pokud do vseho zapocitame i to, ze to hlidani neni zadarmo a trochu neco sezere, tak to ucinnost snizi.

[Reklama]

[Pavouk106]

Testovací zátěž: 3.7ohmu 20W rezistor
Výstupní napětí step-up/down měniče (nastavitelné, v testu pevně nastavené): 4.6V (v zátěži, v obou testech stejné)
Použitý měnič: Něco jako zde, jen ten můj má cívky "330"

Použil jsem dva 18650 články, které jsem vyndal ze starých NTB baterií. Nejsou nové, nemají už vysokou kapacitu, ale jde o kvalitní články (ne Čína). Napětí naprázdno 4.05V.

Paralelně na vstupu měniče: napětí v zátěži 3,7V, proudový odběr 3,7A
Sériově na vstupu měniče: napětí v zátěži 7,1V, proudový odběr 2,7A

Matematiku přenechám někomu jinému. Každopádně až z toho někdo něco spočte a vyvodí, napište to sem.

Dodám, že měnič dostával na zadek v obou případech a kdyby to mělo jet do vybití baterií, tak se upeče. Měřil jsem řádově po 10-15 sekundách od zapnutí.

[mhi_]

JardaP: step-up/down menice jsou velmi podobna zapojeni, oba musi mit indukcnost (prostou civku ci transformatorek), takhle od stolu neco psat je myslim nesmysl. Na konkretni zadani a konkretni pouzite soucastky se da rici, ktere zapojeni je lepsi. Jinak to jsou dohady zda je lepsi cokoladova nebo vanilkova zmrzlina.

Merit na buck-boost z CN je myslim ne zcela vhodne, protoze tyto hracky z eBaye/Ali nejsou staveny zdaleka optimalne, ale spis aby nejak +- plnily ucel a byly co nejlevnejsi.

[Pavouk106]

Netvrdím, že měřit čínskou elektroniku je košer, nicméně co si myslíš, že bude uvnitř té powerbanky? :-) Pokud chtějí za +- 5000mAh 350Kč, nečekám, že tam bude něco hodně sofistikovaného.

Příklad: Powerbanka Genius (hliníková, velká cca jako externí 2.5" HDD, jen méně vysoká, údajně 5000 nebo 5400mAh, napamatuju si) - při vybíjení jsem z ní dostal cca 13.6Wh, při následném nabíjení jsem do ní natlačil 25Wh. Kam se ztratila téměř polovina dodané energie?

Jen jsem změřil, co mám po ruce. Nedělám si iluze, že tazatel měl na mysli něco fakt profi, tak má alespoň nějakou představu.

PS: spočítejte někdo nějakej závěr...

[JardaP .]

@Pavouk106: Z tohoto toho moc nespocitas. Musel bys mit minimalne proud a napeti na obou koncich menice, pricemz bychom museli doufat, ze nejake fazove bordely, ktere vznikaji tim, ze to pracuje v impulznim rezimu a je tam trafo, nehraji roli. Z tveho mereni lze usoudit leda tak na to, ze ten menic to z nejakeho duvody v rezimu se seriovymi baterkami neutahne, takze asi nebude uplne nejlepsi - i kdyz, jak rikas, jedna se o proud nejspis nad jeho schopnosti.

Ostatne bych cekal, ze pri pouziti stejneho menice pro oba pripady bude ucinnost v podstate stejna, rozdily by vznikaly leda tim, ze spinaci prvky pracuji pokazde v jine casti jejich charakteristiky a pri pouziti paralelniho zapojeni jimi potece vetsi proud a po delsi dobu a budou tedy vic topit (=ztraty).

Myslim, ze merit stejny menic s jinym zapojenim baterek neni moc zajimave. Zajimavejsi by bylo srovnani menicu, kde jeden by byl step up s trafem a druhy step down bez trafa, jenom s vystupnim filtrem. Tady by bylo videt, jestli absenci trafa dochazi k zajimavemu narustu ucinnosti.

[JardaP .]

JardaP: step-up/down menice jsou velmi podobna zapojeni, oba musi mit indukcnost (prostou civku ci transformatorek), takhle od stolu neco psat je myslim nesmysl. Na konkretni zadani a konkretni pouzite soucastky se da rici, ktere zapojeni je lepsi.

Prave bych cekal, ze ztraty v tlumivce u step down budou mensi nez ztraty trafa u step up. Mozna to nebude velky rozdil, ale logicky by tam mel byt. Tlumivka ma jen jedno vinuti, je tam mene dratu, tedy mene tepelnych ztrat a kyho vyra jeste.

[Pavouk106]

JardaP.: Ale my máme napětí a proudy na obou stranách měniče :-) Vždyť jsem napsal, jaká je připojená zátež a jaký je na tom napětí :-)

Ten měnič má jednu stranu na step-up a druhou na step-down. Když jedu paralelně, zahřívá se jedna strana, když sériově, zahřívá se druhá.

Pokud se bavíme o tomhle "sranda" využití, myslím si, že k jiným měničům se stejně nedostaneme. "Velkej" měnič s trafem nebude nikdou používat na dobíjení mobilu...

[Kit]

Zajímalo mě to taky (okrajově) a četl jsem, že výhodnější je pro dodávání energie Z baterií ven step-down (tedy dvě v sérii). Zase na druhou stranu - baterie se musí taky nabíjet a když je budeš nabíjet z 5V, vyplatilo by se je mít paralelně...

U jednodušších bank se používá paralelní, u výkonnějších se používá kombinace sériového a paralelního zapojení.

U konverze malých napětí jsou největší ztráty na diodě. Spínače bývají blízko ideálu, cívky také. Uvedené měniče jedou na 150 kHz a jejich účinnost bývá kolem 85 %. Moderní měniče pracující na kmitočtech 1 MHz mívají účinnost kolem 96 % a také se ani tolik nezahřívají.

[VlK]

Tak já myslím, že je to jasné - pokud je tedy na výstupu nastavené (a také fyzicky tam je) konstantní napětí a stále stejná zátěž, a přitom z baterií si to bere 13,69W (při paralelním zapojení baterií) a 19,17W (při seriovém zapojení), tak lepší bude paralelní zapojení (překvapivě). Samozřejmě pro nabíjení je lepší paralelní zapojení určitě. Otázkou je, zda v tom není nějaká chyba měření, čekal bych větší účinnost směrem dolů.

[Lady gaga]

Prave bych cekal, ze ztraty v tlumivce u step down budou mensi nez ztraty trafa u step up. Mozna to nebude velky rozdil, ale logicky by tam mel byt. Tlumivka ma jen jedno vinuti, je tam mene dratu, tedy mene tepelnych ztrat a kyho vyra jeste.

U step-up nemusí bejt trafo. Viz zmiňovaná buck-boost topologie.

[JardaP .]

JardaP.: Ale my máme napětí a proudy na obou stranách měniče :-) Vždyť jsem napsal, jaká je připojená zátež a jaký je na tom napětí :-)

Aha, promin, jsem se nejak blbe podival.