Dissenyant un convertidor d’augment d’alta eficiència i potència mitjançant tl494

Mentre treballem amb l’electrònica, sovint ens trobem en situacions en què és necessari augmentar el voltatge de sortida mentre el voltatge d’entrada es manté baix, aquest és un tipus de situació en què podem confiar en un circuit que normalment es coneix com a convertidor d’augment (convertidor intensiu). Un convertidor d’impulsió és un convertidor de commutació de tipus DC-DC que augmenta el voltatge mantenint un equilibri de potència constant. La característica principal d’un convertidor d’augment és l’eficiència, cosa que significa que podem esperar una llarga durada de la bateria i reduir els problemes de calor. Prèviament, vam fer un circuit de convertidor d’impulsió simple i vam explicar la seva eficiència bàsica de disseny.

Per tant, en aquest article dissenyarem un convertidor Boost TL494 i calcularem i provarem un circuit convertidor d’alta eficiència basat en el popular TL494 IC, que té una tensió d’alimentació mínima de 7V i màxima de 40V, i com utilitzem el MOSFET IRFP250 com a interruptor, aquest circuit pot manejar un corrent màxim de 19Amp, teòricament (limitat per la capacitat de l’inductor). Finalment, hi haurà un vídeo detallat que mostra la part de treball i prova del circuit, així que sense més, comencem.

Comprensió del principi de treball del convertidor Boost

La figura anterior mostra l’esquema bàsic del circuit del convertidor d’impulsió. Per analitzar el principi de funcionament d’aquest circuit, el dividirem en dues parts, la primera condició explica què passa quan el MOSFET està activat, la segona condició explica què passa quan el MOSFET està apagat.

Què passa quan el MOSFET està activat:

La imatge anterior mostra l'estat del circuit quan el MOSFET està activat. Com podeu reconèixer, hem mostrat la condició ON amb l’ajut d’una línia discontínua, ja que el MOSFET es manté encès, l’inductor comença a carregar-se, el corrent a través de l’inductor continua augmentant i s’emmagatzema en forma de camp magnètic.

Què passa quan el MOSFET està desactivat:

Ara, com sabreu, el corrent a través d’un inductor no pot canviar instantàniament. Això es deu al fet que s’emmagatzema en forma de camp magnètic. Per tant, en el moment que el MOSFET s'apaga, el camp magnètic comença a col·lapsar-se i el corrent flueix en la direcció oposada al corrent de càrrega. Com podeu veure al diagrama anterior, això comença a carregar el condensador.

Ara, en activar i desactivar l’interruptor (MOSFET) contínuament, hem creat una tensió de sortida superior a la tensió d’entrada. Ara podem controlar el voltatge de sortida controlant l’activació i l’aturada del commutador, i això és el que estem fent al circuit principal.

Comprendre el funcionament del TL494

Ara, abans d’anar a construir el circuit basat en el controlador PWM TL494, aprenem com funciona el controlador PWM TL494. El TL494 IC té 8 blocs funcionals, que es mostren i es descriuen a continuació.

Regulador de referència 5-V:

La sortida del regulador de referència intern de 5 V és el pin REF, que és el pin-14 del CI. El regulador de referència està disponible per proporcionar un subministrament estable per a circuits interns com el xanclet de direcció d’impulsos, l’oscil·lador, el comparador de control de temps mort i el comparador PWM. El regulador també s’utilitza per accionar els amplificadors d’error que s’encarreguen de controlar la sortida.

Nota: la referència està programada internament amb una precisió inicial del ± 5% i manté l'estabilitat en un rang de tensió d'entrada de 7V a 40 V. Per a tensions d'entrada inferiors a 7 V, el regulador es satura a 1 V de l'entrada i el rastreja.

Oscil·lador:

L'oscil·lador genera i proporciona una ona de dents de serra al controlador de temps mort i als comparadors PWM per a diversos senyals de control.

La freqüència de l'oscil·lador es pot ajustar mitjançant la selecció de components de temporització R T i C T.

La freqüència de l’oscil·lador es pot calcular mitjançant la fórmula següent:

Fosc = 1 / (RT * CT)

Per simplicitat, he fet un full de càlcul, mitjançant el qual podeu calcular la freqüència molt fàcilment. Que podeu trobar a l’enllaç següent.

Nota: la freqüència de l’oscil·lador és igual a la freqüència de sortida només per a aplicacions de final únic. Per a aplicacions push-pull, la freqüència de sortida és la meitat de la freqüència de l’oscil·lador.

Comparador de control en temps mort:

El temps mort o per dir simplement el control fora del temps proporciona el temps mínim mort o fora del temps. La sortida del comparador de temps mort bloqueja els transistors de commutació quan la tensió a l'entrada és superior a la tensió de rampa de l'oscil·lador. L’aplicació d’un voltatge al pin DTC pot imposar temps mort addicional, proporcionant així un temps mort addicional des del seu mínim del 3% al 100%, ja que el voltatge d’entrada varia de 0 a 3V. En termes senzills, podem canviar el cicle de treball de l'ona de sortida sense modificar els amplificadors d'error.

Nota: Un desplaçament intern de 110 mV garanteix un temps mort mínim del 3% amb l'entrada de control de temps mort a terra.

Amplificadors d'error:

Tots dos amplificadors d'error d'alt guany reben el biaix del rail d'alimentació VI. Això permet un rang de tensió d'entrada en mode comú de –0,3 V a 2 V inferior a VI. Tots dos amplificadors es comporten característicament com un amplificador de subministrament senzill, ja que cada sortida només està activa.

Entrada de control de sortida:

L'entrada de control de sortida determina si els transistors de sortida funcionen en mode paral·lel o push-pull. En connectar el pin de control de sortida que és el pin-13 a terra, es configuren els transistors de sortida en mode de funcionament paral·lel. Però en connectar aquest pin al pin 5V-REF, es configuren els transistors de sortida en mode push-pull.

Transistors de sortida:

L'IC té dos transistors de sortida interns que estan en configuracions de col·lector obert i emissor obert, mitjançant els quals pot obtenir o enfonsar un corrent màxim de fins a 200 mA.

Nota: Els transistors tenen un voltatge de saturació inferior a 1,3 V a la configuració d’emissor comú i inferior a 2,5 V a la configuració emissor-seguidor.

Components necessaris per construir el circuit de convertidor d’augment basat en TL494

Una taula que conté totes les parts que es mostren a continuació. Abans d’això, hem afegit una imatge que mostra tots els components utilitzats en aquest circuit. Com que aquest circuit és senzill, podeu trobar totes les peces necessàries a la vostra botiga d’aficionats local.

Llista de peces:

1. TL494 IC - 1
2. MOSFET IRFP250: 1
3. Terminal de cargol 5X2 mm - 2
4. Capacitat de 1000 uF, 35 V - 1
5. Condensador 1000uF, 63V - 1
6. 50K, 1% resistència: 1
7. Resistència 560R - 1
8. 10K, 1% de resistència: 4
9. 3,3K, 1% de resistència: 1
10. Resistència 330R - 1
11. Condensador de 0,1 uF: 1
12. MBR20100CT Diodo Schottky - 1
13. Inductor de 150 uH (27 x 11 x 14) mm: 1
14. Potenciómetre (10K) Pot de retall - 1
15. Resistència de detecció de corrent 0.22R - 2
16. Placat genèric 50x 50mm - 1
17. Dissipador de calor d'alimentació genèric - 1
18. Jumper Wires Generic - 15

Convertidor basat en TL494: diagrama esquemàtic

A continuació es mostra el diagrama de circuits per al convertidor d’ augment d’ alta eficiència.

TL494 Boost Converter Circuit - Funcionament

Aquest circuit TL494 Boost Converter està format per components que es poden obtenir molt fàcilment i, en aquesta secció, recorrerem tots els blocs principals del circuit i explicarem cada bloc.

Condensador d'entrada:

El condensador d’entrada està disponible per satisfer l’elevada demanda de corrent que es requereix quan el commutador MOSFET es tanca i l’inductor comença a carregar-se.

El feedback i el bucle de control:

Les resistències R2 i R8 configuren la tensió de control del bucle de retroalimentació, la tensió configurada es connecta al pin 2 del CI TL494 i el voltatge de retroalimentació es connecta al pin un dels IC etiquetats com a VOLTAGE_FEEDBACK . Les resistències R10 i R15 estableixen el límit de corrent al circuit.

Les resistències R7 i R1 formen el bucle de control, amb l'ajut d'aquesta retroalimentació, el senyal PWM de sortida canvia linealment, sense aquestes resistències de retroalimentació, el comparador actuarà com un circuit comparador genèric que només activarà / apagarà el circuit a una tensió fixa.

Selecció de freqüència de commutació:

En establir els valors adequats als pins 5 i 6, podem establir la freqüència de commutació d’aquest CI, per a aquest projecte, hem utilitzat un valor de condensador d’1 nF i un valor de resistència de 10 K que ens proporciona aproximadament una freqüència de 100 KHz, utilitzant amb la fórmula Fosc = 1 / (RT * CT) , podem calcular la freqüència de l’oscil·lador. A part d’això, hem tractat amb detall altres seccions anteriorment a l’article.

Disseny de PCB per al circuit convertidor basat en TL494

El PCB per al nostre circuit de control d’angle de fase està dissenyat en una placa d’una sola cara. He utilitzat Eagle per dissenyar el meu PCB, però podeu utilitzar qualsevol programari de disseny que trieu. A continuació es mostra la imatge 2D del disseny del meu tauler.

Com podeu veure a la part inferior del tauler, he utilitzat un pla de terra gruixut per assegurar-me que hi circuli prou corrent. L’entrada d’alimentació es troba al costat esquerre del tauler i la sortida al costat dret del tauler. El fitxer de disseny complet juntament amb els esquemes del convertidor Boost TL494 es poden descarregar des de l’enllaç següent.

• Descarregueu el fitxer GERBER de PCB Design per al circuit de convertidor Boost basat en TL494

PCB fet a mà:

Per comoditat, he fet la meva versió feta a mà del PCB i es mostra a continuació. Vaig cometre alguns errors en fer aquest PCB, de manera que vaig haver de fer servir alguns cables de pont per solucionar-ho.

El meu tauler es veu així després de completar la compilació.

TL494 Càlcul i construcció del disseny del convertidor boost

Per a la demostració d’aquest convertidor d’alta intensitat de corrent, el circuit es construeix en PCB fet a mà, amb l’ajut dels fitxers esquemàtics i de disseny de PCB; Tingueu en compte que si esteu connectant una gran càrrega a la sortida d’aquest circuit convertidor d’augment, una gran quantitat de corrent fluirà a través de les traces del PCB i hi haurà la possibilitat que les traces s’esgotin. Per tant, per evitar que es cremin les traces de PCB, hem augmentat el gruix de la traça al màxim. A més, hem reforçat les traces de PCB amb una gruixuda capa de soldadura per reduir la resistència a les traces.

Per calcular correctament els valors de l’inductor i del condensador, he utilitzat un document d’instruments de Texas.

Després d’això, he fet un full de càlcul de Google per facilitar el càlcul.

Provant aquest circuit del convertidor d’impulsió d’alta tensió

Per provar el circuit, s’utilitza la configuració següent. Com podeu veure, hem utilitzat la font d'alimentació PC ATX com a entrada, de manera que l'entrada és de 12V. Hem connectat un voltímetre i un amperímetre a la sortida del circuit que mostra la tensió de sortida i el corrent de sortida. A partir de la qual podem calcular fàcilment la potència de sortida d’aquest circuit. Finalment, hem utilitzat vuit resistències de potència 4.7R 10W en sèrie com a càrrega per provar el consum actual.

Eines utilitzades per provar el circuit:

1. Alimentació ATX per PC de 12V
2. Un transformador que té un toc 6-0-6 i un 12-0-12
3. Vuit resistències 4.7R de 10W en sèrie: actuen com a càrrega
4. Multímetre Meco 108B + TRMS
5. Multímetre Meco 450B + TRMS
6. Un tornavís

Consum d'energia de sortida del circuit del convertidor d'alta potència:

Com es pot veure a la imatge superior, la tensió de sortida és 44.53V i el corrent de sortida és 2.839A, de manera que la potència de sortida total esdevé 126.42W, així com es pot veure, aquest circuit pot gestionar fàcilment la potència de més de 100 watts.

Millores addicionals

Aquest circuit TL494 Boost Converter és només amb fins de demostració, per tant no hi ha cap circuit de protecció afegit a la secció d'entrada o sortida del circuit. Per tant, per millorar la funció de protecció, també podeu afegir, ja que estic fent servir el MOSFET IRFP250, la potència de sortida es pot millorar encara més, el factor limitant del nostre circuit és l’inductor. Un nucli més gran per a l’inductor augmentarà la seva capacitat de sortida.

Espero que aquest article us hagi agradat i n’hagueu après alguna cosa nova. Si teniu algun dubte, podeu demanar-los als comentaris següents o fer servir els nostres fòrums per a una discussió detallada.