Obvod vysoko výkonného meniča na jednosmerný prúd - 12 V až 30 V, variabilný

Tento príspevok vysvetľuje, ako vytvoriť obvod zosilňovača s vysokým výkonom na jednosmerný prúd, ktorý zvýši napätie 12 V ss na ľubovoľnú vyššiu úroveň až do maxima 30 V a pri prúdovej rýchlosti 3 A. Tento vysokoprúdový výstup je možné ďalej vylepšiť vhodným vylepšením špecifikácií induktora drôtu.

Ďalšou skvelou vlastnosťou tohto prevodníka je, že výstup je možné lineárne meniť potenciometrom, od minimálneho možného rozsahu do maximálneho rozsahu.

Úvod

Prevodníky DC-DC určené pre zvyšovanie napätia autobatérie sú často konfigurované okolo spínaného typu napájacieho zdroja (SMPSU) alebo výkonového multivibrátora poháňajúceho transformátor.

Prevodník energie vysvetlený v tomto článku využíva zariadenie Integrovaný obvod TL 497A od spoločnosti Texas Instruments . Tento konkrétny integrovaný obvod umožňuje vynikajúcu reguláciu napätia s minimálnym výstupným šumom, ktorý sa dá dosiahnuť celkom pohodlne, a rovnako zaisťuje vysoký výkon premeny.

Ako funguje obvod

Tu podrobne prevádzaný prevodník používa a topológia flybacku . Teória flybacku sa javí ako najvhodnejšia a najfunkčnejšia technika na získanie okamžitého výstupného napätia pochádzajúceho z nižšieho priameho vstupného napätia.

Hlavným spínacím komponentom v prevodníku je vlastne výkonový SIPMOS tranzistor T1 (pozri obr. 1). Počas periódy vedenia sa prúd prechádzajúci cez L1 exponenciálne zvyšuje s časom.

Počas doby zapnutia spínacieho cyklu induktor ukladá indukovanú magnetickú energiu.

Len čo je tranzistor vypnutý, induktor vráti uloženú magnetickú energiu späť a prevedie ju na elektrický prúd cez pripojenú záťaž cez D1.

Počas tohto postupu je nevyhnutné zabezpečiť, aby bol tranzistor vypnutý po dobu, kým sa magnetické pole na induktore rozpadne na nulu.

V prípade, že sa táto podmienka nepodarí implementovať, prúd cez induktor stúpa až na úroveň nasýtenia. Lavínový efekt následne spôsobí, že prúd sa maximalizuje pekne rýchlo.

Nemalo by sa umožniť, aby sa relatívny čas zapnutia riadenia tranzistora, alebo teda činiteľ prevádzky dostal na úroveň jednoty. Maximálny prípustný prevádzkový faktor závisí od rôznych ďalších aspektov okolo výstupného napätia.

Je to tak preto, lebo rozhoduje o rýchlosti rozpadu sily magnetického poľa. Najvyšší výstupný výkon, ktorý je možné dosiahnuť z prevodníka, je určený najvyšším prípustným špičkovým prúdom spracovávaným induktorom a spínacou frekvenciou riadiaceho signálu.

Obmedzujúcimi prvkami sú tu predovšetkým okamih nasýtenia a maximálne tolerovateľné hodnoty induktora pre straty medi, ako aj špičkový prúd cez spínací tranzistor (nezabudnite, že pri každom spínaní prichádza na výstup hrot špecifickej úrovne elektrickej energie). pulz).

Použitie IC TL497A pre PWM

Fungovanie tohto IC je dosť netradičné, čo by sa dalo pochopiť z krátkeho vysvetlenia nižšie. Na rozdiel od konvenčných integrovaných obvodov ovládača SMPSU s variabilným pracovným faktorom SMPSU, je TL497A certifikovaný ako zariadenie s nastaviteľnou frekvenciou s fixným časom.

Preto je pracovný faktor riadený úpravou frekvencie, aby sa zabezpečilo stále výstupné napätie.

Tento prístup prináša do reality celkom jednoduchý obvod, napriek tomu poskytuje nevýhodu spínacej frekvencie dosahujúcej nižší rozsah, ktorý môže byť pre ľudské ucho počuteľný pri záťažiach pracujúcich s nižším prúdom.

V skutočnosti sa spínacia frekvencia dostane pod 1 Hz po odstránení záťaže z prevodníka. Pomalé kliknutia sú počuteľné vďaka nabíjacím impulzom pripojeným k výstupným kondenzátorom, ktoré udržujú pevné výstupné napätie.

Ak nie je pripojená žiadna záťaž, výstupné kondenzátory majú tendenciu sa samozrejme postupne vybiť cez odpor snímajúci napätie.

Čas zapnutia interného oscilátora IC TL497A je konštantný a rozhoduje o ňom C1. Oscilátor je možné deaktivovať tromi spôsobmi:

• 1. keď napätie na kolíku 1 stúpne nad referenčné napätie (1,2 V)
• 2., keď prúd induktora prekročí špecifickú najvyššiu hodnotu
• A po tretie, prostredníctvom vstupu blokovania (aj keď sa v tomto obvode nepoužíva).

Zatiaľ čo v štandardnom pracovnom procese umožňuje vnútorný oscilátor prepínanie T1 takým spôsobom, že induktorový prúd rastie lineárne.

Keď je T1 vypnutý, magnetická energia akumulovaná vo vnútri induktora je nakopnutá späť cez kondenzátor, ktorý je nabitý touto energiou spätného emf.

Výstupné napätie spolu s napätím kolíka 1 IC TL497A mierne stúpa, čo spôsobí deaktiváciu oscilátora. Takto to pokračuje, až kým výstupné napätie neklesne na nejakú výrazne nižšiu úroveň. Pokiaľ ide o teoretický predpoklad, táto technika sa vykonáva cyklicky.

Avšak v usporiadaní s použitím skutočných komponentov je nárast napätia indukovaný nabíjaním kondenzátorov v jednom intervale oscilátora v skutočnosti taký malý, že oscilátor zostane aktivovaný, kým prúd induktora nedosiahne najvyššiu hodnotu, ako je určené komponentmi R2 a R3 (pokles napätia okolo R1 a R3 je v tomto bode zvyčajne 0,7 V).

Krokové zvýšenie prúdu, ako je znázornené na obrázku 2b, je spôsobené činiteľom signálu signálu oscilátora, ktorý je náhodou vyšší ako 0,5.

Len čo sa dosiahne optimálny prúd, oscilátor sa deaktivuje, čo induktoru umožní preniesť svoju energiu cez kondenzátory.

V tejto konkrétnej situácii stúpa výstupné napätie na veľkosť, ktorá je práve vysoká, aby sa zabezpečilo vypnutie oscilátora pomocou kolíka IC 1. Výstupné napätie teraz rýchlo klesá, takže je možné spustiť a opakovať nový nabíjací cyklus. procedúra.

Avšak, žiaľ, vyššie popísané spínacie postupy budú spojené s pomerne veľkými stratami.

Pri implementácii v reálnom živote je možné tento problém vyriešiť nastavením dostatočne vysokého času zapnutia (cez C1), aby sa zabezpečilo, že prúd cez induktor nikdy nepresiahne najvyššiu úroveň v jednom intervale oscilátora (pozri obr. 3).

Nápravou v takýchto prípadoch môže byť zabudovanie induktora plneného vzduchom, ktorý sa vyznačuje primerane minimálnou samočinnosťou.

Charakteristiky priebehu

Časové diagramy na obr. 3 demonštrujú priebeh signálu od kľúčových faktorov z obvodu. Hlavný oscilátor vo vnútri TL497A pracuje so zníženou frekvenciou (pod I Hz, keď na výstupe prevodníka te nie je zaťaženie).

Okamžitý čas počas zapnutia, označený ako obdĺžnikový impulz na obrázku 3a, závisí od hodnoty kondenzátora C1. Čas vypnutia je určený prúdom záťaže. Počas spínania v čase sa tranzistor T1 zapne, čo spôsobí zvýšenie prúdu induktora (obr. 3b).

Počas doby vypínania nasledujúcej po prúdovom impulze pracuje induktor ako zdroj prúdu.

TL497A analyzuje zoslabené výstupné napätie na kolíku 1 s vnútorným referenčným napätím 1,2 V. V prípade, že je hodnotené napätie nižšie ako referenčné napätie, je predpätie T1 tvrdšie, takže tlmivka primerane ukladá energiu.

Tento opakovaný cyklus nabíjania a vybíjania spúšťa určitú úroveň zvlnenia napätia na výstupných kondenzátoroch (obr. 3c). Možnosť spätnej väzby umožňuje nastavenie frekvencie oscilátora na zabezpečenie najlepšej možnej kompenzácie deficitov napätia spôsobených prúdom záťaže.

Schéma časovacieho impulzu na obr. 3 odhaľuje podstatný pohyb odtokového napätia kvôli relatívne vysokému faktoru Q (kvality) induktora.

Aj keď rozptýlené vlnenie oscilácie zvyčajne nemajú vplyv na pravidelné fungovanie tohto výkonového meniča na jednosmerný prúd, je možné ich potlačiť použitím paralelného rezistora 1 k cez induktor.

Praktické úvahy

Za normálnych okolností je obvod SMPS vyvinutý na dosiahnutie maximálneho výstupného prúdu namiesto pokojového výstupného prúdu.

Vysoká účinnosť spolu so stabilným výstupným napätím spolu s minimálnym zvlnením sa navyše stávajú kľúčovými cieľmi návrhu. Celkovo možno povedať, že vlastnosti regulácie záťaže SMPS založené na spätnom vedení neposkytujú takmer žiadny dôvod na obavy.

V priebehu každého spínacieho cyklu je pomer zapnutia / vypnutia alebo pracovný cyklus vylepšený vzhľadom na záťažový prúd, aby výstupné napätie bolo aj napriek podstatným výkyvom zaťažovacieho prúdu stále relatívne stabilné.

Scenár sa javí mierne odlišný, pokiaľ ide o všeobecnú efektívnosť. Step-up prevodník založený na topológii flybacku typicky produkuje pomerne značné prúdové skoky, ktoré môžu spustiť značnú stratu energie (nezabudnite, že výkon rastie exponenciálne so zvyšovaním prúdu).

V reálnej prevádzke však odporúčaný vysokovýkonný obvod meniča DC na DC poskytuje celkovú účinnosť lepšiu ako 70% s optimálnym výstupným prúdom, a to vyzerá dosť pôsobivo, čo sa týka jednoduchosti rozloženia.

To si následne vyžaduje, aby sa napájalo do sýtosti, čo vedie k primerane predĺženému času vypnutia. Prirodzene, čím viac času bude vyžadovať, aby tranzistor odpojil indukčný prúd, tým menšia bude celková účinnosť konštrukcie.

Celkom netradičným spôsobom sa MOSFET BUZ10 prepína cez kolík 11 testovacieho výstupu oscilátora namiesto interného výstupného tranzistora.

Dióda D1 je ďalším dôležitým komponentom vo vnútri obvodu. Nevyhnutnosťou pre túto jednotku je potenciál vydržať vysoké prúdové špičky a pomalý pokles vpred. Typ B5V79 spĺňa všetky tieto požiadavky a nemal by byť nahradený iným variantom.

Vráťme sa späť k hlavnej schéme zapojenia na obr. 1, je potrebné starostlivo poznamenať, že prúdové maximá 15 - 20 A nie sú v obvode spravidla abnormálne. Aby sa predišlo problémom pri vývoji batérií s porovnateľne vyšším vnútorným odporom, je na vstup prevodníka kondenzátor C4 zavedený ako vyrovnávacia pamäť.

Ak vezmeme do úvahy, že výstupné kondenzátory sú nabíjané prevodníkom prostredníctvom rýchlych impulzov, ako sú napríklad prúdové špičky, je paralelne zapojených niekoľko kondenzátorov, aby sa zaistilo, že prevádzková kapacita zostane čo najmenšia.

Menič jednosmerného prúdu na jednosmerný prúd v skutočnosti nemá ochranu proti skratu. Skrat výstupných svoriek bude úplne rovnaký ako skrat batérie cez D1 a L1. Samočinná indukčnosť L1 nemusí byť dostatočne vysoká na to, aby obmedzila prúd po dobu nevyhnutnú na vypálenie poistky.

Konštrukčné podrobnosti induktora

L1 sa vytvorí navinutím 33 a pol závitu smaltovaného medeného drôtu. Obrázok 5 zobrazuje proporcie. Väčšina spoločností dodáva smaltovaný medený drôt cez kotúč ABS, ktorý zvyčajne funguje ako ten na výrobu induktora.

Do spodného okraja vyvŕtajte pár 2 mm otvorov, aby ste zasunuli drôty induktora. Jeden z otvorov bude v blízkosti valca, druhý na vonkajšom obvode prvého valca.

Nemusí byť užitočné uvažovať o hrubom drôte pri konštrukcii induktora kvôli javu kožného efektu, ktorý spôsobuje posun nosičov náboja pozdĺž vonkajšieho povrchu drôtu alebo plášťa drôtu. Toto by sa malo vyhodnotiť s ohľadom na veľkosť frekvencií použitých v prevodníku.

Aby sa zaručil minimálny odpor v rámci potrebnej indukčnosti, odporúča sa pracovať s niekoľkými drôtmi s priemerom 1 mm alebo dokonca s 3 alebo 4 drôtmi s priemerom 0,8 mm.

Asi tri 0,8 min. Drôty nám umožnia získať celkový rozmer, ktorý môže byť približne totožný s dvoma 1 mm drôtmi, a napriek tomu poskytuje efektívny o 20% väčší povrch.

Induktor je pevne navinutý a mohol by byť utesnený pomocou vhodnej živice alebo zlúčeniny na báze epoxidu na kontrolu alebo potlačenie úniku zvukového hluku (nezabudnite, že frekvencia činnosti je v počuteľnom rozmedzí).

Konštrukcia a vyrovnanie

Ďalej je uvedená doska plošných spojov alebo konštrukcia PCB určená pre navrhovaný obvod vysokovýkonného jednosmerného DC prevodníka.

Je potrebné brať do úvahy niekoľko konštrukčných faktorov. Rezistory R2 a R3 sa môžu veľmi zahriať, a preto by sa mali inštalovať v niekoľkých mm nad povrchom PCB.

Maximálny prúd pohybujúci sa pomocou týchto rezistorov môže dosiahnuť až 15 A.

Power-FET sa tiež podstatne zahreje a bude vyžadovať primerane veľký chladič a štandardnú sľudovú izolačnú súpravu.

Dióda môže pracovať bez ochladenia, aj keď môže byť ideálne upnutá cez bežný chladič používaný pre napájanie FET (nezabudnite elektricky izolovať zariadenia). Pri bežnom fungovaní môže induktor vykazovať značné množstvo zahrievania.

Na vstupe a výstupe tohto prevodníka by mali byť zabudované konektory a káble pre vysoké zaťaženie. Batéria je chránená poistkou proti oneskorenému pôsobeniu 16 A zavedenou do vstupného napájacieho vedenia.

Dávajte pozor na skutočnosť, že poistka neposkytuje prevodníkovi žiadnu formu ochrany počas skratov na výstupe! Obvod je pomerne ľahko nastaviteľný a je možné ho vykonať nasledujúcim spôsobom:

Upravte R1 tak, aby ste dosiahli plánované výstupné napätie, ktoré sa môže pohybovať medzi 20 a 30 V. Výstupné napätie by sa mohlo znížiť pod túto hodnotu, aj keď nesmie byť menšie ako vstupné napätie.

To sa dá dosiahnuť vložením menšieho odporu namiesto R4. Najvyšší výstupný prúd možno očakávať približne 3 A.

Zoznam položiek