Circuit de conversie buck de înaltă eficiență de mare putere utilizând tl494

Un convertor Buck (step-down converter) este un convertor de comutare DC-DC care reduce tensiunea, menținând în același timp un echilibru de putere constant. Principala caracteristică a unui convertor Buck este eficiența, ceea ce înseamnă că, cu un convertor Buck la bord, ne putem aștepta la o durată de viață extinsă a bateriei, căldură redusă, dimensiuni mai mici și o eficiență îmbunătățită. Am realizat anterior câteva circuite simple de conversie Buck și i-am explicat elementele de bază și eficiența proiectării.

Deci, în acest articol, vom proiecta, calcula și testa un circuit convertor de mare eficiență bazat pe popularul TL494 IC și, în cele din urmă, va exista un videoclip detaliat care prezintă partea de lucru și testare a circuitului, Deci fără mai departe, hai să începem.

Cum funcționează un convertor Buck?

Figura de mai sus prezintă un circuit de conversie foarte simplu. Pentru a ști cum funcționează un convertor Buck, voi împărți circuitul în două condiții. Prima condiție când tranzistorul este PORNIT, următoarea condiție când tranzistorul este OPRIT.

Starea tranzistorului

În acest scenariu, putem vedea că dioda este în stare de circuit deschis, deoarece se află în starea de polarizare inversă. În această situație, un curent inițial va începe să curgă prin sarcină, dar curentul este restricționat de inductor, astfel inductorul începe, de asemenea, să se încarce treptat. Prin urmare, în timpul activării circuitului, condensatorul creează ciclu de încărcare ciclu, iar această tensiune se reflectă în sarcină.

Starea tranzistorului Off

Când tranzistorul este într-o stare oprită, energia stocată în inductorul L1 se prăbușește și curge înapoi prin dioda D1 așa cum se arată în circuit cu săgețile. În această situație, tensiunea de-a lungul inductorului este în polaritate inversă și astfel dioda este în stare de polarizare directă. Acum, datorită câmpului magnetic colaps al inductorului, curentul continuă să curgă prin sarcină până când inductorul se epuizează. Toate acestea se întâmplă în timp ce tranzistorul este în stare oprită.

După o anumită perioadă în care inductorul este aproape fără energie stocată, tensiunea de încărcare începe să scadă din nou, în această situație, condensatorul C1 devine principala sursă de curent, condensatorul este acolo pentru a menține curentul care curge până când începe ciclul următor din nou.

Acum, variind frecvența de comutare și timpul de comutare, putem obține orice ieșire de la 0 la Vin de la un convertor Buck.

IC TL494

Acum, înainte de a construi un convertor buck TL494, să învățăm cum funcționează controlerul PWM TL494.

TL494 IC are 8 blocuri funcționale, care sunt prezentate și descrise mai jos.

1. 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 pe o gamă de tensiune de intrare de la 7V la 40 V. Pentru tensiuni de intrare mai mici de 7V, regulatorul satura în termen de 1V de intrare și îl urmărește.

2. 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 calculat prin formula de mai jos

Fosc = 1 / (RT * CT)

Pentru simplitate, am realizat o foaie de calcul, prin care puteți calcula frecvența foarte ușor.

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.

3. Comparator de 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.

4. 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, în sensul că fiecare ieșire este activă numai la nivel înalt.

5. Intrare ieșire-control

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 pinul-13 la masă, 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.

6. 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.

Caracteristici ale TL494 IC

• Circuit complet de control al puterii PWM
• Ieșiri necomandate pentru chiuveta de 200 mA sau curent sursă
• Controlul de ieșire selectează funcționarea cu un singur capăt sau Push-Pull
• Circuitul intern interzice impulsul dublu la oricare dintre ieșiri
• Timpul mort variabil oferă control asupra intervalului total
• Regulatorul intern oferă un stabil 5-V
• Furnizare de referință cu 5% toleranță
• Arhitectura circuitului permite sincronizarea ușoară

Notă! Majoritatea schemei interne și a descrierii operațiunilor sunt preluate din foaia tehnică și modificate într-o oarecare măsură pentru o mai bună înțelegere.

Componente necesare

1. TL494 IC - 1
2. TIP2955 Tranzistor - 1
3. Borna cu șurub 5mmx2 - 2
4. 1000uF, 60V Condensator - 1
5. 470uF, 60V Condensator - 1
6. 50K, 1% rezistor - 1
7. Rezistor 560R - 1
8. 10K, 1% rezistor - 4
9. 3.3K, 1% rezistor - 2
10. Rezistor 330R - 1
11. Condensator de 0,22 uF - 1
12. 5.6K, rezistor de 1W - 1
13. 12,1V Zener Diode - 1
14. MBR20100CT diodă Schottky - 1
15. 70uH (27 x 11 x 14) mm Inductor - 1
16. Potențiometru (10K) Trim-Pot - 1
17. 0.22R Rezistor de detectare a curentului - 2
18. Placă placată generică 50x 50mm - 1
19. Generator radiator PSU - 1
20. Jumper Wires Generic - 15

Diagramă schematică

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

Construcția circuitului

Pentru această demonstrație a acestui convertor de mare curent, 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 convertorul de ieșire, atunci o mare cantitate de curent va curge prin urmele PCB și există șansa ca urmele să se ardă. Deci, pentru a preveni arderea urmelor PCB, am inclus câteva jumperi care ajută la creșterea debitului curent. De asemenea, am întărit urmele PCB cu un strat gros de lipit pentru a reduce rezistența la urmă.

Inductorul este construit cu 3 fire de sârmă paralelă de cupru emailată de 0,45 mp.

Calcule

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

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

Testarea acestui convertor step-down de înaltă tensiune

Pentru a testa circuitul, se folosește următoarea configurare. Așa cum se arată în imaginea de mai sus, tensiunea de intrare este de 41,17 V, iar curentul fără sarcină este de 0,015 A, ceea ce face ca puterea fără sarcină să treacă la mai puțin de 0,6W.

Înainte ca vreunul dintre voi să sară și să spună ce face un bol al rezistorului în tabelul meu de testare.

Permiteți-mi să vă spun că rezistențele se încălzesc foarte tare în timpul testării circuitului cu condiția de încărcare completă, așa că am pregătit un castron cu apă pentru a preveni arderea mesei de lucru

Instrumente utilizate pentru testarea circuitului

1. Baterie plumb-acid de 12V.
2. Un transformator care are un robinet 6-0-6 și un 12-0-12 robinet
3. 5 10W 10r Rezistență în paralel ca sarcină
4. Multimetru Meco 108B + TRMS
5. Multimetru Meco 450B + TRMS
6. Osciloscop Hantek 6022BE

Putere de intrare pentru convertor Buck de mare putere

După cum puteți vedea din imaginea de mai sus, tensiunea de intrare scade la 27.45V în condiții de încărcare, iar curentul de intrare este 3.022 A, care este egal cu o putere de intrare de 82.9539 W.

Putere de iesire

După cum puteți vedea din imaginea de mai sus, tensiunea de ieșire este de 12,78V și consumul de curent de ieșire de 5,614A, care este echivalent cu consumul de putere de 71,6958 W.

Deci, eficiența circuitului devine (71.6958 / 82.9539) x 100% = 86,42%

Pierderea din circuit se datorează rezistențelor pentru alimentarea TL494 IC și

Extragere de curent maximă absolută în tabelul meu de testare

Din imaginea de mai sus, se poate observa că consumul maxim de curent din circuit este de 6,96 A, este aproape

În această situație, principalul blocaj al sistemului este transformatorul meu, motiv pentru care nu pot crește curentul de încărcare, dar cu acest design și cu un radiator bun puteți trage cu ușurință mai mult de 10A de curent din acest circuit.

Notă! Oricare dintre voi vă întrebați de ce am atașat un radiator masiv în circuit, permiteți-mi să vă spun în acest moment că nu am niciun radiator mai mic în stocul meu.

Îmbunătățiri suplimentare

Acest circuit convertizor TL494 Buck este doar în scop demonstrativ, prin urmare nu este adăugat niciun circuit de protecție în secțiunea de ieșire a circuitului

1. Trebuie adăugat un circuit de protecție la ieșire pentru a proteja circuitul de sarcină.
2. Inductorul trebuie scufundat în lac, altfel va genera zgomot audibil.
3. Este obligatoriu un PCB de bună calitate, cu un design adecvat
4. Tranzistorul de comutare poate fi modificat pentru a crește curentul de sarcină

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.