Σχεδιασμός μετατροπέα ενίσχυσης υψηλής ισχύος και υψηλής απόδοσης χρησιμοποιώντας το tl494

Ενώ εργαζόμαστε με τα ηλεκτρονικά, συχνά βρισκόμαστε σε καταστάσεις όπου καθίσταται απαραίτητο να αυξήσουμε την τάση εξόδου ενώ η τάση εισόδου παραμένει χαμηλή, αυτός είναι ένας τύπος κατάστασης όπου μπορούμε να βασιστούμε σε ένα κύκλωμα που είναι κοινώς γνωστό ως μετατροπέας ώθησης (μετατροπέας βημάτων). Ένας μετατροπέας ώθησης είναι ένας μετατροπέας εναλλαγής τύπου DC-DC που αυξάνει την τάση διατηρώντας παράλληλα μια σταθερή ισορροπία ισχύος. Το κύριο χαρακτηριστικό ενός μετατροπέα ενίσχυσης είναι η αποδοτικότητα που σημαίνει ότι μπορούμε να περιμένουμε μεγάλη διάρκεια ζωής της μπαταρίας και μειωμένα προβλήματα θερμότητας. Κάναμε προηγουμένως ένα απλό κύκλωμα μετατροπέα ενίσχυσης και εξηγήσαμε τη βασική του απόδοση.

Έτσι, σε αυτό το άρθρο, πρόκειται να σχεδιάσουμε έναν μετατροπέα TL494 Boost και να υπολογίσουμε και να δοκιμάσουμε ένα κύκλωμα μετατροπέα ενίσχυσης υψηλής απόδοσης με βάση το δημοφιλές IC TL494, το οποίο έχει ελάχιστη τάση τροφοδοσίας 7V και μέγιστο 40V, και ως χρησιμοποιούμε το IRFP250 MOSFET ως διακόπτη, αυτό το κύκλωμα μπορεί να χειριστεί ένα μέγιστο ρεύμα 19Amps, θεωρητικά (Περιορισμός από την ικανότητα του επαγωγέα). Τέλος, θα υπάρχει ένα λεπτομερές βίντεο που θα δείχνει το λειτουργικό και δοκιμαστικό μέρος του κυκλώματος, οπότε χωρίς άλλη παραλλαγή, ας ξεκινήσουμε.

Κατανόηση της αρχής λειτουργίας του μετατροπέα ενίσχυσης

Η παραπάνω εικόνα δείχνει το βασικό σχήμα του κυκλώματος μετατροπέα ενίσχυσης. Για να αναλύσουμε την αρχή λειτουργίας αυτού του κυκλώματος, θα το χωρίσουμε σε δύο μέρη, η πρώτη συνθήκη εξηγεί τι συμβαίνει όταν το MOSFET είναι ON, η δεύτερη συνθήκη εξηγεί τι συμβαίνει όταν το MOSFET είναι απενεργοποιημένο.

Τι συμβαίνει όταν το MOSFET είναι ON:

Η παραπάνω εικόνα δείχνει την κατάσταση του κυκλώματος όταν είναι ενεργοποιημένο το MOSFET. Όπως μπορείτε να αναγνωρίσετε, δείξαμε την κατάσταση ON με τη βοήθεια μιας διακεκομμένης γραμμής, καθώς το MOSFET παραμένει αναμμένο, ο επαγωγέας αρχίζει να φορτίζει, το ρεύμα μέσω του επαγωγέα συνεχίζει να αυξάνεται, το οποίο αποθηκεύεται με τη μορφή μαγνητικού πεδίου.

Τι συμβαίνει όταν το MOSFET είναι απενεργοποιημένο:

Τώρα, όπως ίσως γνωρίζετε, το ρεύμα μέσω ενός επαγωγέα δεν μπορεί να αλλάξει ακαριαία! Αυτό συμβαίνει επειδή αποθηκεύεται με τη μορφή μαγνητικού πεδίου. Επομένως, τη στιγμή, το MOSFET απενεργοποιείται, το μαγνητικό πεδίο αρχίζει να καταρρέει και το ρεύμα ρέει προς την αντίθετη κατεύθυνση του ρεύματος φόρτισης. Όπως μπορείτε να δείτε στο παραπάνω διάγραμμα, αυτό ξεκινά τη φόρτιση του πυκνωτή.

Τώρα, ενεργοποιώντας και απενεργοποιώντας συνεχώς το διακόπτη (MOSFET), δημιουργήσαμε μια τάση εξόδου μεγαλύτερη από την τάση εισόδου. Τώρα, μπορούμε να ελέγξουμε την τάση εξόδου ελέγχοντας το on και το off-time του διακόπτη, και αυτό κάνουμε στο κύριο κύκλωμα.

Κατανοήστε τη λειτουργία του TL494

Τώρα προτού ξεκινήσουμε και κατασκευάσουμε το κύκλωμα με βάση τον ελεγκτή TL494 PWM, ας μάθουμε πώς λειτουργεί ο ελεγκτής PWM TL494. Το TL494 IC διαθέτει 8 λειτουργικά μπλοκ, τα οποία φαίνονται και περιγράφονται παρακάτω.

Ρυθμιστής αναφοράς 5-V:

Η έξοδος του εσωτερικού ρυθμιστή αναφοράς 5V είναι ο πείρος REF, ο οποίος είναι ο πείρος-14 του IC. Ο ρυθμιστής αναφοράς υπάρχει για να παρέχει μια σταθερή τροφοδοσία για εσωτερικά κυκλώματα, όπως το flip-flop, το ταλαντωτή, το συγκριτικό ελέγχου νεκρού χρόνου και το συγκριτικό PWM. Ο ρυθμιστής χρησιμοποιείται επίσης για την οδήγηση των ενισχυτών σφάλματος που είναι υπεύθυνοι για τον έλεγχο της εξόδου.

Σημείωση: Η αναφορά έχει προγραμματιστεί εσωτερικά με αρχική ακρίβεια ± 5% και διατηρεί σταθερότητα σε εύρος τάσης εισόδου από 7V έως 40 V. Για τάσεις εισόδου μικρότερες από 7 V, ο ρυθμιστής κορεάζει εντός 1 V από την είσοδο και την παρακολουθεί.

Ταλαντωτής:

Ο ταλαντωτής παράγει και παρέχει ένα πριονωτό κύμα στον ελεγκτή νεκρού χρόνου και στους συγκριτές PWM για διάφορα σήματα ελέγχου.

Η συχνότητα του ταλαντωτή μπορεί να ρυθμιστεί με την επιλογή συστατικών χρονισμού R Τ και C Τ.

Η συχνότητα του ταλαντωτή μπορεί να υπολογιστεί με τον παρακάτω τύπο-

Fosc = 1 / (RT * CT)

Για απλότητα, έχω δημιουργήσει ένα υπολογιστικό φύλλο, με το οποίο μπορείτε να υπολογίσετε τη συχνότητα πολύ εύκολα. Τι μπορείτε να βρείτε στον παρακάτω σύνδεσμο.

Σημείωση: Η συχνότητα ταλαντωτή είναι ίδια με τη συχνότητα εξόδου μόνο για εφαρμογές με ένα άκρο. Για εφαρμογές push-pull, η συχνότητα εξόδου είναι το ήμισυ της συχνότητας ταλαντωτή.

Σύγκριση ελέγχου νεκρού χρόνου:

Ο νεκρός χρόνος ή απλά ο έλεγχος εκτός χρόνου παρέχει τον ελάχιστο χρόνο νεκρού ή εκτός χρόνου. Η έξοδος του συγκριτή νεκρού χρόνου εμποδίζει την αλλαγή τρανζίστορ όταν η τάση στην είσοδο είναι μεγαλύτερη από την τάση ράμπας του ταλαντωτή. Η εφαρμογή τάσης στον ακροδέκτη DTC μπορεί να επιβάλει επιπλέον χρόνο νεκρού, παρέχοντας έτσι επιπλέον χρόνο νεκρού από το ελάχιστο 3% έως 100% καθώς η τάση εισόδου κυμαίνεται από 0 έως 3V. Με απλά λόγια, μπορούμε να αλλάξουμε τον κύκλο λειτουργίας του κύματος εξόδου χωρίς να τροποποιήσουμε τους ενισχυτές σφάλματος.

Σημείωση: Μια εσωτερική μετατόπιση 110 mV εξασφαλίζει έναν ελάχιστο χρόνο νεκρού 3% με τη γείωση γειωμένη.

Ενισχυτές σφάλματος:

Και οι δύο ενισχυτές σφάλματος υψηλού κέρδους λαμβάνουν τη μεροληψία τους από τη ράγα τροφοδοσίας VI. Αυτό επιτρέπει ένα εύρος τάσης εισόδου κοινής λειτουργίας από –0,3 V έως 2 V μικρότερο από VI. Και οι δύο ενισχυτές συμπεριφέρονται χαρακτηριστικά ενός ενισχυτή μονής τροφοδοσίας ενός άκρου, καθώς κάθε έξοδος είναι ενεργή μόνο υψηλή.

Είσοδος-Έξοδος-Έλεγχος:

Η είσοδος ελέγχου εξόδου καθορίζει εάν τα τρανζίστορ εξόδου λειτουργούν σε παράλληλη λειτουργία ή σε λειτουργία push-pull. Συνδέοντας τον πείρο ελέγχου εξόδου που είναι ο πείρος-13 στο έδαφος ρυθμίζει τα τρανζίστορ εξόδου σε παράλληλη λειτουργία. Αλλά συνδέοντας αυτόν τον πείρο στον πείρο 5V-REF ρυθμίζει τα τρανζίστορ εξόδου σε λειτουργία push-pull.

Τρανζίστορ εξόδου:

Το IC διαθέτει δύο εσωτερικά τρανζίστορ εξόδου τα οποία είναι σε διαμορφώσεις ανοιχτού συλλέκτη και ανοιχτού πομπού, με τις οποίες μπορεί να δημιουργήσει ή να βυθίσει ένα μέγιστο ρεύμα έως 200mA.

Σημείωση: Τα τρανζίστορ έχουν τάση κορεσμού μικρότερη από 1,3 V στη διαμόρφωση common-emitter και μικρότερη από 2,5 V στη διαμόρφωση emitter-follower.

Απαιτούμενα στοιχεία για την κατασκευή του κυκλώματος μετατροπέα Boost Based TL494

Ένας πίνακας που περιέχει όλα τα μέρη που φαίνονται παρακάτω. Πριν από αυτό, έχουμε προσθέσει μια εικόνα που δείχνει όλα τα στοιχεία που χρησιμοποιούνται σε αυτό το κύκλωμα. Καθώς αυτό το κύκλωμα είναι απλό, μπορείτε να βρείτε όλα τα απαραίτητα ανταλλακτικά στο τοπικό κατάστημα χόμπι σας.

Λίστα μερών:

1. TL494 IC - 1
2. IRFP250 MOSFET - 1
3. Ακροδέκτης βίδας 5X2 mm - 2
4. 1000uF, 35V πυκνωτής - 1
5. 1000uF, 63V πυκνωτής - 1
6. 50K, 1% Αντίσταση - 1
7. Αντίσταση 560R - 1
8. 10K, 1% αντίσταση - 4
9. 3.3K, 1% Αντίσταση - 1
10. Αντίσταση 330R - 1
11. Πυκνωτής 0.1uF - 1
12. MBR20100CT Schottky Diode - 1
13. 150uH (27 x 11 x 14) mm Επαγωγέας - 1
14. Ποτενσιόμετρο (10Κ) Δοχείο επένδυσης - 1
15. Αντίσταση ρεύματος 0.22R - 2
16. Clad Board Generic 50x50mm - 1
17. Ψυγείο PSU Generic - 1
18. Jumper Wires Generic - 15

Μετατροπέας Boost Based TL494 - Σχηματικό διάγραμμα

Το διάγραμμα κυκλώματος για μετατροπέα ενίσχυσης υψηλής απόδοσης δίνεται παρακάτω.

TL494 Boost Converter Circuit - Working

Αυτό το κύκλωμα TL494 Boost Converter αποτελείται από εξαρτήματα που είναι πολύ εύκολα διαθέσιμα και σε αυτήν την ενότητα, θα περάσουμε από κάθε μεγάλο μπλοκ του κυκλώματος και θα εξηγήσουμε κάθε μπλοκ.

Πυκνωτής εισόδου:

Ο πυκνωτής εισόδου είναι εκεί για να εξυπηρετήσει την υψηλή τρέχουσα ζήτηση που απαιτείται όταν ο διακόπτης MOSFET κλείσει και ο επαγωγέας αρχίσει να φορτίζει.

Η ανατροφοδότηση και ο βρόχος ελέγχου:

Οι αντιστάσεις R2 και R8 ρυθμίζουν την τάση ελέγχου για τον βρόχο ανατροφοδότησης, η ρυθμισμένη τάση συνδέεται με τον ακροδέκτη 2 του TL494 IC και η τάση ανάδρασης συνδέεται με τον ακροδέκτη ενός από το IC που φέρει την ένδειξη VOLTAGE_FEEDBACK . Οι αντιστάσεις R10 και R15 θέτουν το τρέχον όριο στο κύκλωμα.

Οι αντιστάσεις R7 και R1 σχηματίζουν τον βρόχο ελέγχου, με τη βοήθεια αυτής της ανατροφοδότησης, το σήμα εξόδου PWM αλλάζει γραμμικά, χωρίς αυτές τις αντιστάσεις ανάδρασης, ο συγκριτής θα ενεργεί σαν ένα γενικό κύκλωμα σύγκρισης που θα ενεργοποιεί / απενεργοποιεί το κύκλωμα μόνο σε μια καθορισμένη τάση.

Επιλογή συχνότητας εναλλαγής:

Με τον καθορισμό των κατάλληλων τιμών στις ακίδες 5 και 6, μπορούμε να ορίσουμε τη συχνότητα μεταγωγής αυτού του IC, για αυτό το έργο, έχουμε χρησιμοποιήσει μια τιμή πυκνωτή 1nF και μια τιμή αντίστασης 10K που μας δίνει περίπου μια συχνότητα 100KHz, χρησιμοποιώντας ο τύπος Fosc = 1 / (RT * CT) , μπορούμε να υπολογίσουμε τη συχνότητα του ταλαντωτή. Εκτός από αυτό, έχουμε καλύψει άλλες ενότητες νωρίτερα στο άρθρο.

Σχεδιασμός PCB για το κύκλωμα μετατροπέα Boost Based TL494

Το PCB για το κύκλωμα ελέγχου γωνίας φάσης είναι σχεδιασμένο σε πλακέτα μίας όψης. Έχω χρησιμοποιήσει το Eagle για να σχεδιάσω το PCB μου, αλλά μπορείτε να χρησιμοποιήσετε οποιοδήποτε λογισμικό σχεδίασης της επιλογής σας. Η δισδιάστατη εικόνα του σχεδιασμού του πίνακα μου φαίνεται παρακάτω.

Όπως μπορείτε να δείτε στην κάτω πλευρά του ταμπλό, έχω χρησιμοποιήσει ένα παχύ έδαφος για να διασφαλίσω ότι μπορεί να ρέει επαρκές ρεύμα. Η είσοδος ισχύος βρίσκεται στην αριστερή πλευρά της πλακέτας και η έξοδος είναι στη δεξιά πλευρά της πλακέτας. Μπορείτε να κατεβάσετε το πλήρες αρχείο σχεδίασης μαζί με τα σχήματα μετατροπέα TL494 Boost από τον παρακάτω σύνδεσμο.

• Κατεβάστε το αρχείο PCB Design GERBER για κύκλωμα Boost Converter που βασίζεται σε TL494

Χειροποίητο PCB:

Για ευκολία, έφτιαξα τη χειροποίητη έκδοση του PCB και φαίνεται παρακάτω. Έκανα κάποια λάθη κατά τη δημιουργία αυτού του PCB, οπότε έπρεπε να μεγαλώσω μερικά καλώδια jumper για να το διορθώσω.

Ο πίνακας μου μοιάζει έτσι μετά την ολοκλήρωση της κατασκευής.

Υπολογισμός και κατασκευή σχεδιασμού μετατροπέα ενίσχυσης TL494

Για την επίδειξη αυτού του υψηλού ρεύματος μετατροπέα ώθησης, το κύκλωμα είναι κατασκευασμένο σε χειροποίητο PCB, με τη βοήθεια των σχηματικών και σχεδιαστικών αρχείων PCB. παρακαλώ σημειώστε ότι εάν συνδέετε ένα μεγάλο φορτίο στην έξοδο αυτού του κυκλώματος μετατροπέα ενίσχυσης, ένα τεράστιο ρεύμα θα ρέει μέσω των ιχνών PCB και υπάρχει πιθανότητα τα ίχνη να καούν. Έτσι, για να αποτρέψουμε το κάψιμο των ιχνών PCB, έχουμε αυξήσει το πάχος του ίχνους όσο το δυνατόν περισσότερο. Επίσης, έχουμε ενισχύσει τα ίχνη PCB με ένα παχύ στρώμα κόλλας για να μειώσουμε την αντοχή στο ίχνος.

Για να υπολογίσω σωστά τις τιμές του επαγωγέα και του πυκνωτή, έχω χρησιμοποιήσει ένα έγγραφο από τα όργανα του Texas.

Μετά από αυτό, έκανα ένα υπολογιστικό φύλλο google για να κάνω τον υπολογισμό ευκολότερο.

Δοκιμή αυτού του κυκλώματος μετατροπέα ενίσχυσης υψηλής τάσης

Για να ελέγξετε το κύκλωμα, χρησιμοποιείται η ακόλουθη ρύθμιση. Όπως μπορείτε να δείτε, χρησιμοποιήσαμε το τροφοδοτικό PC ATX ως είσοδο, επομένως η είσοδος είναι 12V. Έχουμε συνδέσει ένα βολτόμετρο και ένα αμπερόμετρο στην έξοδο του κυκλώματος που δείχνει την τάση εξόδου και το ρεύμα εξόδου. Από την οποία μπορούμε εύκολα να υπολογίσουμε την ισχύ εξόδου για αυτό το κύκλωμα. Τέλος, χρησιμοποιήσαμε οκτώ αντιστάσεις ισχύος 4,7R 10W σε σειρά ως φορτίο για να ελέγξουμε την τρέχουσα κατανάλωση.

Εργαλεία που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο του κυκλώματος:

1. Τροφοδοτικό 12V PC ATX
2. Ένας μετασχηματιστής με βρύση 6-0-6 και βρύση 12-0-12
3. Οκτώ, 10W 4.7R Αντίσταση σε σειρά - Ενεργεί ως φορτίο
4. Πολύμετρο Meco 108B + TRMS
5. Πολύμετρο Meco 450B + TRMS
6. Ενα ΚΑΤΣΑΒΙΔΙ

Κατανάλωση ισχύος εξόδου του κυκλώματος μετατροπέα ενίσχυσης υψηλής ισχύος:

Όπως μπορείτε να δείτε στην παραπάνω εικόνα, η τάση εξόδου είναι 44,53V και το ρεύμα εξόδου είναι 2,839Α, οπότε η συνολική ισχύ εξόδου γίνεται 126,42W, έτσι όπως μπορείτε να δείτε, αυτό το κύκλωμα μπορεί εύκολα να χειριστεί ισχύ άνω των 100 Watt.

Περαιτέρω βελτιώσεις

Αυτό το κύκλωμα TL494 Boost Converter προορίζεται μόνο για λόγους επίδειξης, επομένως δεν προστίθεται κύκλωμα προστασίας στο τμήμα εισόδου ή εξόδου του κυκλώματος. Έτσι, για να βελτιώσετε τη δυνατότητα προστασίας, μπορείτε επίσης να προσθέσετε, καθώς χρησιμοποιώ το IRFP250 MOSFET, η ισχύς εξόδου μπορεί να βελτιωθεί περαιτέρω, ο περιοριστικός παράγοντας στο κύκλωμα μας είναι ο επαγωγέας. Ένας μεγαλύτερος πυρήνας για τον επαγωγέα θα αυξήσει την ικανότητα εξόδου του.

Ελπίζω να σας άρεσε αυτό το άρθρο και να μάθετε κάτι νέο από αυτό. Εάν έχετε οποιαδήποτε αμφιβολία, μπορείτε να ρωτήσετε στα παρακάτω σχόλια ή να χρησιμοποιήσετε τα φόρουμ μας για λεπτομερή συζήτηση.