Κύκλωμα μετατροπέα buck υψηλής απόδοσης υψηλής ισχύος χρησιμοποιώντας tl494

Ένας μετατροπέας buck (μετατροπέας βήματος προς τα κάτω) είναι ένας μετατροπέας εναλλαγής DC-σε-DC που υποβαθμίζει την τάση διατηρώντας ταυτόχρονα μια σταθερή ισορροπία ισχύος. Το κύριο χαρακτηριστικό ενός μετατροπέα buck είναι η αποδοτικότητα, που σημαίνει ότι με έναν μετατροπέα buck επί του σκάφους, μπορούμε να περιμένουμε παρατεταμένη διάρκεια ζωής της μπαταρίας, μειωμένη θερμότητα, μικρότερο μέγεθος και βελτιωμένη απόδοση. Προηγουμένως κάναμε μερικά απλά κυκλώματα μετατροπέα Buck και εξηγήσαμε τα βασικά του και την αποτελεσματικότητα του σχεδιασμού.

Έτσι, σε αυτό το άρθρο, πρόκειται να σχεδιάσουμε, να υπολογίσουμε και να δοκιμάσουμε ένα κύκλωμα μετατροπέα buck υψηλής απόδοσης με βάση το δημοφιλές IC TL494 και επιτέλους, θα υπάρξει ένα λεπτομερές βίντεο που θα δείχνει το τμήμα εργασίας & δοκιμών του κυκλώματος, περαιτέρω, ας ξεκινήσουμε.

Πώς λειτουργεί ένας μετατροπέας Buck;

Η παραπάνω εικόνα δείχνει ένα πολύ βασικό κύκλωμα μετατροπέα buck. Για να μάθω πώς λειτουργεί ένας μετατροπέας buck, θα χωρίσω το κύκλωμα σε δύο συνθήκες. Η πρώτη συνθήκη όταν το τρανζίστορ είναι ΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΜΕΝΟ, η επόμενη κατάσταση όταν το τρανζίστορ OFF

Τρανζίστορ σε κατάσταση

Σε αυτό το σενάριο, μπορούμε να δούμε ότι η δίοδος είναι σε κατάσταση ανοικτού κυκλώματος επειδή βρίσκεται σε αντίστροφη προκατάληψη. Σε αυτήν την περίπτωση, κάποιο αρχικό ρεύμα θα αρχίσει να ρέει μέσω του φορτίου, αλλά το ρεύμα περιορίζεται από τον επαγωγέα, επομένως ο επαγωγέας αρχίζει επίσης να φορτίζει σταδιακά. Επομένως, κατά τη διάρκεια του κυκλώματος, ο πυκνωτής συσσωρεύει τον κύκλο φόρτισης ανά κύκλο και αυτή η τάση αντανακλά το φορτίο.

Κράση τρανζίστορ

Όταν το τρανζίστορ είναι σε κατάσταση απενεργοποίησης, η ενέργεια που αποθηκεύεται στον επαγωγέα L1 καταρρέει και ρέει πίσω μέσω της διόδου D1 όπως φαίνεται στο κύκλωμα με τα βέλη. Σε αυτήν την περίπτωση, η τάση κατά μήκος του επαγωγέα είναι σε αντίστροφη πολικότητα και έτσι η δίοδος είναι σε κατάσταση μεροληψίας προς τα εμπρός. Τώρα λόγω του καταρρέοντος μαγνητικού πεδίου του πηνίου, το ρεύμα συνεχίζει να ρέει μέσω του φορτίου έως ότου ο επαγωγέας εξαντληθεί. Όλα αυτά συμβαίνουν όταν το τρανζίστορ είναι σε κατάσταση εκτός λειτουργίας

Μετά από μια ορισμένη περίοδο όταν ο επαγωγέας είναι σχεδόν εκτός αποθηκευμένης ενέργειας, η τάση φορτίου αρχίζει να μειώνεται ξανά, σε αυτήν την περίπτωση, ο πυκνωτής C1 γίνεται η κύρια πηγή ρεύματος, ο πυκνωτής είναι εκεί για να διατηρήσει το ρεύμα να ρέει μέχρι να ξεκινήσει ο επόμενος κύκλος πάλι.

Τώρα μεταβάλλοντας τη συχνότητα εναλλαγής και το χρόνο εναλλαγής, μπορούμε να έχουμε οποιαδήποτε έξοδο από το 0 έως το Vin από έναν μετατροπέα buck.

IC TL494

Τώρα προτού φτιάξουμε έναν μετατροπέα TL494 buck, ας μάθουμε πώς λειτουργεί ο ελεγκτής PWM TL494.

Το TL494 IC διαθέτει 8 λειτουργικά μπλοκ, τα οποία φαίνονται και περιγράφονται παρακάτω.

1. 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 7V, ο ρυθμιστής κορεάζει εντός 1V από την είσοδο και την παρακολουθεί.

2. 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.

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

3. 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.

4. Ενισχυτές σφαλμάτων

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 με ένα άκρο, καθώς κάθε έξοδος είναι ενεργή μόνο υψηλή.

5. Είσοδος-Έλεγχος Εξόδου

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 στη γείωση ρυθμίζει τα τρανζίστορ εξόδου σε παράλληλη λειτουργία. Αλλά συνδέοντας αυτόν τον πείρο στον πείρο 5V-REF ρυθμίζει τα τρανζίστορ εξόδου σε λειτουργία push-pull.

6. 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.

Χαρακτηριστικά του TL494 IC

• Πλήρες κύκλωμα ελέγχου ισχύος PWM
• Μη δεσμευμένες έξοδοι για νεροχύτη 200 mA ή ρεύμα πηγής
• Έλεγχος εξόδου επιλέγει τη λειτουργία ενός άκρου ή ώθησης
• Το εσωτερικό κύκλωμα απαγορεύει το διπλό παλμό και στις δύο εξόδους
• Ο μεταβλητός χρόνος νεκρού παρέχει έλεγχο του συνολικού εύρους
• Ο εσωτερικός ρυθμιστής παρέχει ένα σταθερό 5-V
• Παροχή αναφοράς με ανοχή 5%
• Η αρχιτεκτονική κυκλώματος επιτρέπει τον εύκολο συγχρονισμό

Σημείωση! Το μεγαλύτερο μέρος της εσωτερικής περιγραφής σχηματικών και λειτουργιών προέρχεται από το φύλλο δεδομένων και τροποποιείται σε κάποιο βαθμό για καλύτερη κατανόηση.

Απαιτούμενα στοιχεία

1. TL494 IC - 1
2. Τρανζίστορ TIP2955 - 1
3. Ακροδέκτης βίδας 5mmx2 - 2
4. 1000uF, πυκνωτής 60V - 1
5. 470uF, πυκνωτής 60V - 1
6. 50K, 1% Αντίσταση - 1
7. Αντίσταση 560R - 1
8. 10K, 1% αντίσταση - 4
9. 3,3K, 1% αντίσταση - 2
10. Αντίσταση 330R - 1
11. Πυκνωτής 0,22uF - 1
12. Αντίσταση 5,6K, 1W - 1
13. Δίοδος 12.1V Zener - 1
14. MBR20100CT Schottky Diode - 1
15. 70uH (27 x 11 x 14) mm Επαγωγέας - 1
16. Ποτενσιόμετρο (10K) Διακοσμητικό δοχείο - 1
17. Αντίσταση ρεύματος 0.22R - 2
18. Clad Board Generic 50x50mm - 1
19. Ψυγείο PSU Generic - 1
20. Jumper Wires Generic - 15

Σχηματικό διάγραμμα

Το διάγραμμα κυκλώματος για μετατροπέα Buck υψηλής απόδοσης δίνεται παρακάτω.

Κατασκευή κυκλώματος

Για αυτήν την επίδειξη αυτού του μετατροπέα υψηλής τάσης, το κύκλωμα είναι κατασκευασμένο σε χειροποίητο PCB, με τη βοήθεια των σχηματικών αρχείων και των αρχείων σχεδίασης PCB. παρακαλώ σημειώστε ότι εάν συνδέετε ένα μεγάλο φορτίο στον μετατροπέα buck εξόδου, τότε θα ρέει τεράστια ποσότητα ρεύματος μέσω των ιχνών PCB και υπάρχει πιθανότητα τα ίχνη να εξαντληθούν. Γι 'αυτό, για να αποτρέψω τα ίχνη PCB να κάψουν, έχω συμπεριλάβει μερικούς άλτες που βοηθούν στην αύξηση της τρέχουσας ροής. Επίσης, έχω ενισχύσει τα ίχνη PCB με ένα παχύ στρώμα κόλλας για να μειώσω την αντοχή στο ίχνος.

Ο επαγωγέας είναι κατασκευασμένος με 3 κλώνους παράλληλου χάλκινου σύρματος 0,45 τετραγωνικών mm.

Υπολογισμοί

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

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

Δοκιμή αυτού του μετατροπέα βημάτων χαμηλής τάσης

Για να ελέγξετε το κύκλωμα χρησιμοποιείται η ακόλουθη ρύθμιση. Όπως φαίνεται στην παραπάνω εικόνα, η τάση εισόδου είναι 41,17 V και το ρεύμα χωρίς φορτίο είναι 0,015 A, γεγονός που καθιστά την ισχύ χωρίς φορτίο να έλθει σε λιγότερο από 0,6W.

Πριν κάποιος από εσάς πηδήξει και πει τι κάνει ένα μπολ της αντίστασης στον πίνακα δοκιμών μου.

Επιτρέψτε μου να σας πω, οι αντιστάσεις γίνονται πολύ ζεστές κατά τη διάρκεια της δοκιμής του κυκλώματος με κατάσταση πλήρους φορτίου, οπότε έχω ετοιμάσει ένα μπολ με νερό για να αποτρέψω το κάψιμο του τραπεζιού εργασίας μου

Εργαλεία που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο του κυκλώματος

1. Μπαταρία μολύβδου-οξέος 12V.
2. Ένας μετασχηματιστής με βρύση 6-0-6 και βρύση 12-0-12
3. 5 10W 10r Αντίσταση παράλληλα ως φορτίο
4. Πολύμετρο Meco 108B + TRMS
5. Πολύμετρο Meco 450B + TRMS
6. Hantek 6022BE παλμογράφος

Ισχύς εισόδου για μετατροπέα Buck υψηλής ισχύος

Όπως μπορείτε να δείτε από την παραπάνω εικόνα, η τάση εισόδου μειώνεται στα 27,45V σε κατάσταση φόρτωσης και το ρεύμα εισόδου είναι 3,022 A που είναι ίσο με ισχύ εισόδου 82,9539 W.

Ισχύς εξόδου

Όπως μπορείτε να δείτε από την παραπάνω εικόνα, η τάση εξόδου είναι 12,78V και η τροφοδοσία ρεύματος εξόδου 5,614Α, η οποία ισοδυναμεί με κλήρωση ισχύος 71,6958 W.

Έτσι, η απόδοση του κυκλώματος γίνεται (71.6958 / 82.9539) x 100% = 86.42%

Η απώλεια στο κύκλωμα οφείλεται στις αντιστάσεις για την τροφοδοσία των TL494 IC και

Απόλυτη μέγιστη τρέχουσα κλήρωση στον πίνακα δοκιμών μου

Από την παραπάνω εικόνα, φαίνεται ότι το μέγιστο ρεύμα από το κύκλωμα είναι 6,96 Α είναι σχεδόν

Σε αυτήν την περίπτωση, το κύριο σημείο συμφόρησης του συστήματος είναι ο μετασχηματιστής μου, γι 'αυτό δεν μπορώ να αυξήσω το ρεύμα φορτίου, αλλά με αυτόν τον σχεδιασμό και με μια καλή ψύκτρα μπορείτε εύκολα να αντλήσετε περισσότερα από 10Α ρεύματος από αυτό το κύκλωμα.

Σημείωση! Οποιοσδήποτε από εσάς αναρωτιέστε γιατί έχω συνδέσει μια μαζική ψύκτρα στο κύκλωμα, επιτρέψτε μου να σας πω αυτήν τη στιγμή ότι δεν έχω μικρότερη ψύκτρα στο απόθεμά μου.

Περαιτέρω βελτιώσεις

Αυτό το κύκλωμα μετατροπέα TL494 buck προορίζεται μόνο για λόγους επίδειξης, επομένως δεν υπάρχει κύκλωμα προστασίας που προστίθεται στο τμήμα εξόδου του κυκλώματος

1. Πρέπει να προστεθεί κύκλωμα προστασίας εξόδου για την προστασία του κυκλώματος φορτίου.
2. Ο επαγωγέας πρέπει να βυθιστεί σε βερνίκι αλλιώς θα προκαλέσει ακουστικό θόρυβο.
3. Ένα καλής ποιότητας PCB με σωστό σχεδιασμό είναι υποχρεωτικό
4. Το τρανζίστορ μεταγωγής μπορεί να τροποποιηθεί για να αυξήσει το ρεύμα φορτίου

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.