Proiectarea unui convertor de mare putere, de mare eficiență folosind tl494

În timp ce lucrăm cu electronice, ne găsim adesea în situații în care devine necesară creșterea tensiunii de ieșire în timp ce tensiunea de intrare rămâne scăzută, acesta este un tip de situație în care ne putem baza pe un circuit cunoscut în mod obișnuit sub numele de convertor de impuls (convertor step-up). Un convertor boost este un convertor de comutare de tip DC-DC care intensifică tensiunea, menținând în același timp un echilibru constant al puterii. Principala caracteristică a convertorului boost este eficiența, ceea ce înseamnă că ne putem aștepta la o durată lungă de viață a bateriei și la probleme de căldură reduse. Am realizat anterior un circuit de convertor de impuls simplu și i-am explicat eficiența de bază de proiectare.

Deci, în acest articol, vom proiecta un convertor TL494 Boost și vom calcula și testa un circuit de convertor boost de înaltă eficiență bazat pe popularul IC TL494, care are o tensiune de alimentare minimă de 7V și maximă de 40V, și ca suntem folosind IRFP250 MOSFET ca un comutator, acest circuit se poate ocupa un curent maxim de 19 Amperi, teoretic (limitat de Inductor Capacitatea). În cele din urmă, va exista un videoclip detaliat care prezintă partea de lucru și testare a circuitului, așa că, fără alte întrebări, să începem.

Înțelegerea principiului de lucru al convertorului Boost

Figura de mai sus prezintă schema de bază a circuitului convertorului de impuls. Pentru a analiza principiul de funcționare al acestui circuit, îl vom împărți în două părți, prima condiție explică ce se întâmplă când MOSFET este PORNIT, a doua condiție explică ce se întâmplă când MOSFET este oprit.

Ce se întâmplă când MOSFET-ul este PORNIT:

Imaginea de mai sus arată starea circuitului când MOSFET-ul este pornit. După cum puteți recunoaște, am arătat starea ON cu ajutorul unei linii punctate, pe măsură ce MOSFET rămâne aprins, inductorul începe să se încarce, curentul prin inductor continuă să crească, care este stocat sub forma unui câmp magnetic.

Ce se întâmplă când MOSFET-ul este dezactivat:

Acum, după cum știți, curentul printr-un inductor nu se poate schimba instantaneu! Asta pentru că este stocat sub forma unui câmp magnetic. Prin urmare, în momentul în care MOSFET se oprește, câmpul magnetic începe să se prăbușească și curentul curge în direcția opusă curentului de încărcare. După cum puteți vedea în diagrama de mai sus, aceasta începe să încarce condensatorul.

Acum, prin activarea și oprirea continuă a comutatorului (MOSFET), am creat o tensiune de ieșire mai mare decât tensiunea de intrare. Acum, putem controla tensiunea de ieșire controlând timpul de pornire și oprire a comutatorului, și asta facem în circuitul principal.

Înțelegeți funcționarea TL494

Acum, înainte să mergem și să construim circuitul bazat pe controlerul PWM TL494, să aflăm cum funcționează controlerul PWM TL494. TL494 IC are 8 blocuri funcționale, care sunt prezentate și descrise mai jos.

Regulator de referință 5-V:

Ieșirea regulatorului de referință intern de 5V este pinul REF, care este pinul 14 al CI. Regulatorul de referință este acolo pentru a oferi o alimentare stabilă pentru circuitele interne, cum ar fi flip-flopul de direcție a impulsurilor, oscilatorul, comparatorul de control al timpului mort și comparatorul PWM Regulatorul este, de asemenea, utilizat pentru a acționa amplificatoarele de eroare care sunt responsabile pentru controlul ieșirii.

Notă: Referința este programată intern la o precizie inițială de ± 5% și menține stabilitatea într-un domeniu de tensiune de intrare de la 7V la 40 V. Pentru tensiuni de intrare mai mici de 7 V, regulatorul saturează la 1 V de intrare și îl urmărește.

Oscilator:

Oscilatorul generează și oferă o undă din dinte de ferăstrău controlerului de timp mort și comparatoarelor PWM pentru diferite semnale de control.

Frecvența oscilatorului poate fi setat prin selectarea componentelor de sincronizare R T și C T.

Frecvența oscilatorului poate fi calculată prin formula de mai jos-

Fosc = 1 / (RT * CT)

Pentru simplitate, am realizat o foaie de calcul, prin care puteți calcula frecvența foarte ușor. Pe care îl puteți găsi în linkul de mai jos.

Notă: Frecvența oscilatorului este egală cu frecvența de ieșire numai pentru aplicațiile cu un singur capăt. Pentru aplicațiile push-pull, frecvența de ieșire este jumătate din frecvența oscilatorului.

Comparator de control în timp mort:

Timpul mort sau pentru a spune pur și simplu controlul off-time oferă timpul minim mort sau off-time. Ieșirea comparatorului de timp mort blochează tranzistoarele de comutare atunci când tensiunea la intrare este mai mare decât tensiunea de rampă a oscilatorului. Aplicarea unei tensiuni la pinul DTC poate impune timp mort suplimentar, oferind astfel timp mort suplimentar de la minimul său de 3% până la 100%, deoarece tensiunea de intrare variază de la 0 la 3V. În termeni simpli, putem schimba ciclul de funcționare al undei de ieșire fără a modifica amplificatoarele de eroare.

Notă: Un decalaj intern de 110 mV asigură un timp mort minim de 3% cu intrarea de control a timpului mort împământată.

Amplificatoare de eroare:

Ambii amplificatori de eroare cu câștig ridicat își primesc părtinirea de la șina de alimentare VI. Aceasta permite un interval de tensiune de intrare în modul comun de la –0,3 V la 2 V mai mic decât VI. Ambii amplificatori se comportă în mod caracteristic unui amplificator cu o singură sursă, prin faptul că fiecare ieșire este activă numai la nivel înalt.

Intrare de control ieșire:

Intrarea de control de ieșire determină dacă tranzistoarele de ieșire funcționează în mod paralel sau push-pull. Prin conectarea pinului de control al ieșirii care este pin-13 la sol, setează tranzistoarele de ieșire în modul de funcționare paralel. Dar, conectând acest pin la pinul 5V-REF, setează tranzistoarele de ieșire în modul push-pull.

Tranzistoare de ieșire:

IC-ul are două tranzistoare de ieșire interne, care sunt în configurații open-collector și open-emitter, prin care poate sursa sau scufunda un curent maxim de până la 200mA.

Notă: Tranzistoarele au o tensiune de saturație mai mică de 1,3 V în configurația emițător comun și mai mică de 2,5 V în configurația emițător-urmăritor.

Componente necesare pentru a construi circuitul convertorului de impuls bazat pe TL494

Un tabel care conține toate părțile prezentate mai jos. Înainte de aceasta, am adăugat o imagine care arată toate componentele utilizate în acest circuit. Deoarece acest circuit este simplu, puteți găsi toate piesele necesare la magazinul local de hobby-uri.

Lista de componente:

1. TL494 IC - 1
2. MOSFET IRFP250 - 1
3. Borna cu șurub 5X2 mm - 2
4. Condensator 1000uF, 35V - 1
5. 1000uF, 63V Condensator - 1
6. 50K, 1% rezistor - 1
7. Rezistor 560R - 1
8. 10K, 1% rezistor - 4
9. 3.3K, 1% rezistor - 1
10. Rezistor 330R - 1
11. Condensator 0.1uF - 1
12. MBR20100CT diodă Schottky - 1
13. 150uH (27 x 11 x 14) mm inductor - 1
14. Potențiometru (10K) Oală de tăiere - 1
15. 0.22R Rezistor de detectare a curentului - 2
16. Placă placată generică 50x 50mm - 1
17. Generator radiator PSU - 1
18. Jumper Wires Generic - 15

Convertor de impuls bazat pe TL494 - Diagramă schematică

Diagrama circuitului pentru convertorul de creștere de înaltă eficiență este prezentată mai jos.

TL494 Boost Converter Circuit - Functionare

Acest circuit TL494 Boost Converter este alcătuit din componente care sunt foarte ușor de obținut și, în această secțiune, vom trece prin fiecare bloc major al circuitului și vom explica fiecare bloc.

Condensator de intrare:

Condensatorul de intrare este acolo pentru a satisface cererea mare de curent care este necesară atunci când comutatorul MOSFET se închide și inductorul începe să se încarce.

Feedback-ul și bucla de control:

Rezistențele R2 și R8 stabilesc tensiunea de control pentru bucla de feedback, tensiunea setată este conectată la pinul 2 al IC TL494, iar tensiunea de feedback este conectată la pinul unu al IC-ului etichetat ca VOLTAGE_FEEDBACK . Rezistențele R10 și R15 stabilesc limita de curent în circuit.

Rezistențele R7 și R1 formează bucla de control, cu ajutorul acestui feedback, semnalul PWM de ieșire se schimbă liniar, fără aceste rezistențe de feedback, comparatorul va acționa ca un circuit de comparare generic care va porni / opri circuitul doar la o tensiune stabilită.

Selectarea frecvenței de comutare:

Prin setarea valorilor adecvate la pinii 5 și 6, putem seta frecvența de comutare a acestui IC, pentru acest proiect, am folosit o valoare a condensatorului de 1nF și o valoare a rezistorului de 10K care ne oferă aproximativ o frecvență de 100KHz, utilizând formula Fosc = 1 / (RT * CT) , putem calcula frecvența oscilatorului. În afară de asta, am tratat în detaliu alte secțiuni mai devreme în articol.

Proiectare PCB pentru circuitul convertorului de impuls bazat pe TL494

PCB-ul pentru circuitul nostru de control al unghiului de fază este proiectat într-o placă unilaterală. Am folosit Eagle pentru a-mi proiecta PCB-ul, dar puteți utiliza orice software de proiectare la alegere. Imaginea 2D a designului plăcii mele este prezentată mai jos.

După cum puteți vedea în partea de jos a plăcii, am folosit un plan de masă gros pentru a vă asigura că poate curge suficient curent prin ea. Intrarea de alimentare este pe partea stângă a plăcii, iar ieșirea este pe partea dreaptă a plăcii. Fișierul complet de proiectare împreună cu schemele convertorului TL494 Boost pot fi descărcate de pe linkul de mai jos.

• Descărcați fișierul GERBER PCB Design pentru circuitul convertorului Boost bazat pe TL494

PCB realizat manual:

Pentru comoditate, am realizat versiunea mea manuală a PCB-ului și este prezentată mai jos. Am făcut câteva greșeli în timp ce făceam acest PCB, așa că a trebuit să mai vechi niște fire jumper pentru a remedia problema.

Tabloul meu arată așa după finalizarea construcției.

Calculul și construcția TL494 Boost Converter

Pentru demonstrarea acestui convertor de intensitate mare, circuitul este construit în PCB fabricat manual, cu ajutorul fișierelor schematice și de proiectare PCB; Vă rugăm să rețineți că, dacă conectați o sarcină mare la ieșirea acestui circuit convertor de impuls, o cantitate imensă de curent va curge prin urmele PCB și există șansa ca urmele să se ardă. Deci, pentru a preveni arderea urmelor PCB, am mărit cât mai mult grosimea urmelor. De asemenea, am întărit urmele PCB cu un strat gros de lipit pentru a reduce rezistența la urmă.

Pentru a calcula corect valorile inductorului și condensatorului, am folosit un document de la instrumentele din Texas.

După aceea, am făcut o foaie de calcul Google pentru a face calculul mai ușor.

Testarea acestui circuit de convertor de înaltă tensiune

Pentru a testa circuitul, se folosește următoarea configurare. După cum puteți vedea, am utilizat sursa de alimentare PC ATX ca intrare, astfel încât intrarea este de 12V. Am atașat un voltmetru și un ampermetru la ieșirea circuitului, care arată tensiunea de ieșire și curentul de ieșire. Din care putem calcula cu ușurință puterea de ieșire pentru acest circuit. În cele din urmă, am folosit opt ​​rezistențe de putere 4.7R 10W în serie ca sarcină pentru a testa consumul de curent.

Instrumente utilizate pentru testarea circuitului:

1. Sursă de alimentare PC ATX de 12V
2. Un transformator care are un robinet 6-0-6 și un 12-0-12 robinet
3. Opt, 10W 4.7R rezistențe în serie - Acționează ca sarcină
4. Multimetru Meco 108B + TRMS
5. Multimetru Meco 450B + TRMS
6. O șurubelniță

Consumul de energie de ieșire al circuitului convertorului de mare putere:

După cum puteți vedea în imaginea de mai sus, tensiunea de ieșire este 44.53V și curentul de ieșire este 2.839A, astfel încât puterea totală de ieșire devine 126.42W, astfel încât să puteți vedea, acest circuit poate manipula cu ușurință de putere mai mult decât 100Watts.

Îmbunătățiri suplimentare

Acest circuit TL494 Boost Converter este doar în scop demonstrativ, prin urmare nu există niciun circuit de protecție adăugat în secțiunea de intrare sau ieșire a circuitului. Deci, pentru a îmbunătăți caracteristica de protecție, puteți adăuga, de asemenea, pe măsură ce folosesc IRFP250 MOSFET, puterea de ieșire poate fi îmbunătățită în continuare, factorul limitativ din circuitul nostru este inductorul. Un nucleu mai mare pentru inductor va crește capacitatea de ieșire.

Sper că ți-a plăcut acest articol și ai învățat ceva nou din el. Dacă aveți vreo îndoială, puteți întreba în comentariile de mai jos sau puteți folosi forumurile noastre pentru discuții detaliate.