Circuit convertidor de dòlar d'alta eficiència d'alta potència mitjançant tl494

Un convertidor de dòlars (convertidor reductor) és un convertidor de commutació de CC a CC que redueix el voltatge mantenint un equilibri de potència constant. La característica principal d’un convertidor de dòlars és l’eficiència, cosa que significa que, amb un convertidor de dòlars a bord, podem esperar una durada de la bateria prolongada, una calor reduïda, una mida més reduïda i una eficiència millorada. Anteriorment vam fer uns quants circuits de convertidors Buck senzills i vam explicar els seus conceptes bàsics i l’eficiència del disseny.

Per tant, en aquest article, dissenyarem, calcularem i provarem un circuit convertidor d’alta eficiència basat en el popular TL494 IC i, finalment, hi haurà un vídeo detallat que mostri la part de treball i prova del circuit, així que sense més endavant, comencem.

Com funciona un convertidor Buck?

La figura anterior mostra un circuit de conversió bàsic molt bàsic. Per saber com funciona un convertidor de dòlars, vaig a dividir el circuit en dues condicions. La primera condició quan el transistor està engegat, la següent condició quan el transistor està apagat.

Transistor en estat

En aquest escenari, podem veure que el díode es troba en condicions de circuit obert perquè es troba en estat de polarització inversa. En aquesta situació, una mica de corrent inicial començarà a fluir a través de la càrrega, però l’inductor restringeix el corrent, de manera que l’inductor també comença a carregar-se gradualment. Per tant, durant el temps d’activació del circuit, el condensador acumula la càrrega cicle per cicle, i aquesta tensió es reflecteix a través de la càrrega.

Estat del transistor apagat

Quan el transistor està en estat apagat, l'energia emmagatzemada a l'inductor L1 col·lapsa i torna a fluir a través del díode D1 tal com es mostra al circuit amb les fletxes. En aquesta situació, la tensió a través de l’inductor es troba en polaritat inversa i, per tant, el díode es troba en condició de biaix cap endavant. Ara, a causa del col·lapse del camp magnètic de l’inductor, el corrent continua fluint a través de la càrrega fins que l’inductor es queda sense càrrega. Tot això passa mentre el transistor està en estat apagat.

Després d’un cert període en què l’inductor està gairebé sense energia emmagatzemada, la tensió de càrrega comença a caure de nou, en aquesta situació, el condensador C1 es converteix en la principal font de corrent, el condensador hi és per mantenir el corrent que flueix fins que comença el següent cicle. de nou.

Ara, variant la freqüència de commutació i el temps de commutació, podem obtenir qualsevol sortida del 0 al Vin des d’un convertidor buck.

IC TL494

Ara, abans d’anar a construir un convertidor buck TL494, aprenem com funciona el controlador PWM TL494.

El TL494 IC té 8 blocs funcionals, que es mostren i es descriuen a continuació.

1. 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 7V, el regulador satura a 1V de l’entrada i el rastreja.

2. 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.

Nota! La freqüència de l'oscil·lador és igual a la freqüència de sortida només per a aplicacions d'un sol extrem. Per a aplicacions push-pull, la freqüència de sortida és la meitat de la freqüència de l’oscil·lador.

3. 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.

4. Amplificadors d'errors

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. Ambdós amplificadors es comporten característicament com un amplificador de subministrament únic, ja que cada sortida només està activa.

5. 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.

6. 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 una tensió de saturació inferior a 1,3 V a la configuració d’emissor comú i inferior a 2,5 V a la configuració emissor-seguidor.

Característiques de TL494 IC

• Circuits de control de potència PWM complets
• Sortides no compromeses per a un corrent de font o dissipador de 200 mA
• El control de sortida selecciona l’operació de punt únic o Push-Pull
• El circuit intern prohibeix el doble impuls a qualsevol sortida
• El temps mort variable proporciona control sobre l'interval total
• El regulador intern proporciona un 5-V estable
• Subministrament de referència amb un 5% de tolerància
• L’arquitectura de circuits permet una sincronització fàcil

Nota! La major part de l’esquema intern i la descripció de les operacions s’extreuen del full de dades i es modifiquen fins a cert punt per a una millor comprensió.

Components necessaris

1. TL494 IC - 1
2. Transistor TIP2955 - 1
3. Terminal de cargol 5mmx2 - 2
4. Condensador 1000uF, 60V - 1
5. 470uF, condensador de 60 V - 1
6. 50K, 1% resistència: 1
7. Resistència 560R - 1
8. 10K, 1% de resistència: 4
9. 3,3K, 1% de resistència: 2
10. Resistència 330R - 1
11. Condensador de 0,22 uF: 1
12. Resistència de 5,6 K, 1 W - 1
13. Diodo Zener de 12,1 V - 1
14. MBR20100CT Diodo Schottky - 1
15. Inductor 70uH (27 x 11 x 14) mm: 1
16. Potenciómetre (10K) Trim-Pot: 1
17. Resistència de detecció de corrent 0.22R - 2
18. Placat genèric 50x 50mm - 1
19. Dissipador de calor d'alimentació genèric - 1
20. Jumper Wires Generic - 15

Diagrama esquemàtic

A continuació es mostra el diagrama de circuits per al convertidor de dòlars d' alta eficiència.

Construcció de circuits

Per a aquesta demostració d’aquest convertidor de corrent elevat, 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 al convertidor de sortida de dades, llavors una gran quantitat de corrent fluirà a través de les traces del PCB i hi haurà la possibilitat que les traces es cremin. Per tant, per evitar que es cremin les traces del PCB, he inclòs alguns ponts que ajuden a augmentar el flux de corrent. A més, he reforçat les traces de PCB amb una gruixuda capa de soldadura per reduir la resistència a les traces.

L'inductor està construït amb 3 fils de filferro de coure esmaltat paral·lel de 0,45 mm.

Càlculs

Per calcular adequadament 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 convertidor descendent d’alta tensió

Per provar el circuit, s’utilitza la configuració següent. Com es mostra a la imatge anterior, la tensió d'entrada és de 41,17 V i el corrent de càrrega és de 0,015 A, cosa que fa que la potència en càrrega es redueixi a menys de 0,6W.

Abans que cap de vosaltres salti i digui què fa un bol de la resistència a la meva taula de proves.

Deixeu-me que us digui que les resistències s’escalfen molt durant el moment de provar el circuit en estat de plena càrrega, així que he preparat un bol d’aigua per evitar que la meva taula de treball es cremi

Eines utilitzades per provar el circuit

1. Bateria de plom àcid de 12V.
2. Un transformador que té un toc 6-0-6 i un 12-0-12
3. 5 10W 10r Resistència en paral·lel com a càrrega
4. Multímetre Meco 108B + TRMS
5. Multímetre Meco 450B + TRMS
6. Oscil·loscopi Hantek 6022BE

Potència d'entrada per al convertidor Buck d'alta potència

Com podeu veure a la imatge anterior, el voltatge d’entrada cau a 27,45 V en estat de càrrega i el corrent d’entrada és de 3,022 A, que és igual a una potència d’entrada de 82,9539 W.

Potència de sortida

Com podeu veure a la imatge anterior, el voltatge de sortida és de 12,78 V i el consum de corrent de sortida de 5,614A, que equival a un consum de potència de 71,6958 W.

Per tant, l’eficiència del circuit esdevé (71,6958 / 82,95539) x 100% = 86,42%

La pèrdua del circuit es deu a les resistències per alimentar el TL494 IC i

Dibuix de corrent màxim absolut a la meva taula de proves

A la imatge anterior es pot observar que la màxima intensitat de corrent del circuit és de 6,96 A, és gairebé

En aquesta situació, el principal coll d'ampolla del sistema és el meu transformador, per això no puc augmentar el corrent de càrrega, però amb aquest disseny i amb un bon dissipador de calor es pot treure fàcilment més de 10A de corrent d'aquest circuit.

Nota! Qualsevol de vosaltres que us pregunteu per què he connectat un dissipador de calor massiu al circuit, permeteu-me dir-vos que de moment no tinc cap dissipador de calor més petit a la meva reserva.

Millores addicionals

Aquest circuit convertidor de buck TL494 només té finalitats de demostració, per tant no s’afegeix cap circuit de protecció a la secció de sortida del circuit

1. Cal afegir un circuit de protecció de sortida per protegir el circuit de càrrega.
2. L'inductor s'ha de submergir en vernís, ja que generarà sorolls audibles.
3. Cal un PCB de bona qualitat amb un disseny adequat
4. El transistor de commutació es pot modificar per augmentar el corrent de càrrega

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.