Navrhování vysoce výkonného a vysoce účinného převaděče zesílení pomocí tl494

Při práci s elektronikou se často dostáváme do situací, kdy je nutné zvýšit výstupní napětí, zatímco vstupní napětí zůstává nízké, jedná se o typ situace, kdy se můžeme spolehnout na obvod, který je běžně známý jako zesilovač (krokový převodník). Zesilovací převodník je spínací převodník typu DC-DC, který zvyšuje napětí při zachování konstantní rovnováhy výkonu. Hlavním rysem posilovacího převodníku je účinnost, což znamená, že můžeme očekávat dlouhou životnost baterie a snížené problémy s teplem. Dříve jsme vytvořili jednoduchý obvod převaděče zesílení a vysvětlili jsme jeho základní účinnost návrhu.

V tomto článku tedy navrhneme převodník TL494 Boost a vypočítáme a otestujeme obvod vysoce účinného zesilovače na základě populárního IC TL494, který má minimální napájecí napětí 7 V a maximálně 40 V a jako používáme jako přepínač IRFP250 MOSFET, tento obvod zvládne teoreticky maximální proud 19Amps (omezeno kapacitou induktoru). Nakonec bude podrobné video ukazující pracovní a testovací část obvodu, takže bez dalších okolků začneme.

Pochopení pracovního principu Boost Converter

Výše uvedený obrázek ukazuje základní schéma obvodu zesilovacího převodníku. Abychom analyzovali pracovní princip tohoto obvodu, rozdělíme jej na dvě části, první podmínka vysvětluje, co se stane, když je MOSFET zapnutý, druhá podmínka vysvětlí, co se stane, když je MOSFET vypnutý.

Co se stane, když je MOSFET ZAPNUTÝ:

Výše uvedený obrázek ukazuje stav obvodu, když je MOSFET zapnutý. Jak můžete rozpoznat, ukázali jsme stav ZAPNUTO pomocí přerušované čáry, protože MOSFET zůstává zapnutý, induktor se začne nabíjet, proud přes induktor se neustále zvyšuje, což se ukládá ve formě magnetického pole.

Co se stane, když je MOSFET vypnutý:

Nyní, jak možná víte, se proud přes induktor nemůže okamžitě změnit! Je to proto, že je uloženo ve formě magnetického pole. Proto v okamžiku, kdy se MOSFET vypne, magnetické pole se začne hroutit a proud protéká opačným směrem než nabíjecí proud. Jak vidíte na výše uvedeném diagramu, začne se nabíjet kondenzátor.

Nyní, nepřetržitým zapínáním a vypínáním přepínače (MOSFET), jsme vytvořili výstupní napětí, které je větší než vstupní napětí. Nyní můžeme řídit výstupní napětí ovládáním doby zapnutí a vypnutí spínače, a to děláme v hlavním obvodu.

Pochopte fungování TL494

Nyní, než půjdeme a sestavíme obvod založený na řadiči TL494 PWM, pojďme se naučit, jak funguje řadič PWM TL494. TL494 IC má 8 funkčních bloků, které jsou zobrazeny a popsány níže.

5-V referenční regulátor:

Výstupem interního referenčního regulátoru 5V je pin REF, což je pin-14 IC. Referenční regulátor slouží k zajištění stabilního napájení vnitřních obvodů, jako je klopný obvod s pulzním řízením, oscilátor, komparátor řízení mrtvé doby a komparátor PWM. Regulátor se také používá k řízení chybových zesilovačů, které jsou odpovědné za řízení výstupu.

Poznámka: Reference je interně naprogramována na počáteční přesnost ± 5% a udržuje stabilitu v rozsahu vstupního napětí 7 V až 40 V. U vstupních napětí nižších než 7 V regulátor nasycuje do 1 V od vstupu a sleduje jej.

Oscilátor:

Oscilátor generuje a poskytuje pilovitou vlnu regulátoru mrtvé doby a PWM komparátorům pro různé řídicí signály.

Frekvence oscilátoru může být nastavena volbou načasování složek R T a C T.

Frekvenci oscilátoru lze vypočítat podle vzorce níže -

Fosc = 1 / (RT * CT)

Pro zjednodušení jsem vytvořil tabulku, pomocí které můžete velmi snadno vypočítat frekvenci. Které najdete v odkazu níže.

Poznámka: Frekvence oscilátoru se rovná výstupní frekvenci pouze u aplikací s jedním koncem. U aplikací typu push-pull je výstupní frekvence polovinou frekvence oscilátoru.

Komparátor kontroly mrtvého času:

Mrtvý čas nebo jednoduše řečeno ovládání mimo čas poskytuje minimální mrtvý čas nebo čas vypnutí. Výstup komparátoru mrtvé doby blokuje spínání tranzistorů, když je napětí na vstupu větší než napětí rampy oscilátoru. Přivedení napětí na pin DTC může způsobit další mrtvou dobu, a tím poskytnout další mrtvou dobu od minima 3% do 100%, protože vstupní napětí se pohybuje od 0 do 3V. Jednoduše řečeno, můžeme změnit pracovní cyklus výstupní vlny bez vyladění chybových zesilovačů.

Poznámka: Interní offset 110 mV zajišťuje minimální uzemnění 3% s uzemněným vstupem ovládání mrtvého času.

Chybové zesilovače:

Oba zesilovače chyb s vysokým ziskem přijímají odchylku od napájecí lišty VI. To umožňuje rozsah vstupního napětí v běžném režimu od –0,3 V do 2 V méně než VI. Oba zesilovače se chovají charakteristicky jako jednopólový zesilovač s jedním napájením, takže každý výstup je aktivní pouze vysoko.

Vstup ovládání výstupu:

Vstup řízení výstupu určuje, zda výstupní tranzistory pracují v paralelním nebo push-pull režimu. Připojením výstupního ovládacího kolíku, který je kolíkem-13 k zemi, nastaví výstupní tranzistory do paralelního provozního režimu. Ale připojením tohoto pinu k pinu 5V-REF nastaví výstupní tranzistory v režimu push-pull.

Výstupní tranzistory:

Integrovaný obvod má dva interní výstupní tranzistory, které jsou v konfiguracích s otevřeným kolektorem a otevřeným emitorem, pomocí kterých může napájet nebo snižovat maximální proud až do 200 mA.

Poznámka: Tranzistory mají saturační napětí menší než 1,3 V v konfiguraci společného emitoru a méně než 2,5 V v konfiguraci emitoru a sledovače.

Součásti potřebné k sestavení obvodu převaděče Boost Converter TL494

Tabulka obsahující všechny části zobrazené níže. Před tím jsme přidali obrázek, který ukazuje všechny komponenty použité v tomto obvodu. Protože je tento obvod jednoduchý, najdete všechny potřebné součásti v místním hobby obchodě.

Seznam dílů:

1. TL494 IC - 1
2. MOSFET IRFP250 - 1
3. Šroubová svorka 5X2 mm - 2
4. 1000uF, 35V kondenzátor - 1
5. 1000uF, 63V kondenzátor - 1
6. 50K, 1% rezistor - 1
7. Rezistor 560R - 1
8. 10K, 1% rezistor - 4
9. 3,3 kB, 1% rezistor - 1
10. Rezistor 330R - 1
11. Kondenzátor 0,1 uF - 1
12. Schottkyho dioda MBR20100CT - 1
13. Induktor 150uH (27 x 11 x 14) mm - 1
14. Potenciometr (10K) Trim Pot - 1
15. Rezistor pro snímání proudu 0,22R - 2
16. Opláštěná deska obecná 50x 50mm - 1
17. Obecný chladič zdroje - 1
18. Jumper Wires Generic - 15

Převaděč Bo49 založený na TL494 - schematický diagram

Schéma zapojení High-Efficiency Boost Converter je uvedeno níže.

Obvod převaděče zesílení TL494 - pracuje

Tento obvod zesilovače TL494 se skládá z komponent, které lze velmi snadno získat, a v této části projdeme každý hlavní blok obvodu a vysvětlíme každý blok.

Vstupní kondenzátor:

Vstupní kondenzátor je tam, aby uspokojil vysoký proudový požadavek, který je vyžadován, když se spínač MOSFET sepne a induktor začne nabíjet.

Zpětná vazba a kontrolní smyčka:

Rezistory R2 a R8 nastavují řídicí napětí pro zpětnovazební smyčku, nastavené napětí je připojeno ke kolíku 2 IC TL494 a napětí zpětné vazby je připojeno ke kolíku jednoho z IC označených jako VOLTAGE_FEEDBACK . Odpory R10 a R15 nastavují proudový limit v obvodu.

Rezistory R7 a R1 tvoří řídicí smyčku, pomocí této zpětné vazby se výstupní signál PWM mění lineárně, bez těchto zpětnovazebních rezistorů bude komparátor fungovat jako obecný komparátorový obvod, který zapne / vypne obvod pouze při nastaveném napětí.

Výběr spínací frekvence:

Nastavením správných hodnot na piny 5 a 6 můžeme nastavit spínací frekvenci tohoto IC, pro tento projekt jsme použili hodnotu kondenzátoru 1nF a hodnotu odporu 10K, což nám dává přibližně frekvenci 100KHz, pomocí vzorec Fosc = 1 / (RT * CT) , můžeme vypočítat frekvenci oscilátoru. Kromě toho jsme se dříve podrobněji zabývali dalšími částmi.

Návrh desky plošných spojů pro obvod převaděče Boost Converter založený na TL494

Deska plošných spojů pro náš obvod fázového úhlu je navržena v jednostranné desce. K návrhu desky plošných spojů jsem použil program Eagle, ale můžete použít jakýkoli návrhový software podle vašeho výběru. 2D obrázek mého návrhu desky je zobrazen níže.

Jak vidíte na spodní straně desky, použil jsem silnou zemní rovinu, abych zajistil, že přes ni bude proudit dostatečný proud. Příkon je na levé straně desky a výstup na pravé straně desky. Kompletní návrhový soubor spolu se schématy převaděče TL494 Boost lze stáhnout z níže uvedeného odkazu.

• Stáhněte si soubor PCB Design GERBER pro obvod Boost Converter Circuit založený na TL494

Ruční PCB:

Pro větší pohodlí jsem vyrobil svoji ručně vyrobenou verzi desky plošných spojů a je zobrazena níže. Udělal jsem několik chyb při výrobě této desky plošných spojů, takže jsem musel starší některé propojovací vodiče opravit.

Moje deska vypadá takto po dokončení sestavení.

Výpočet a konstrukce návrhu převaděče TL494 Boost Converter

Pro předvedení tohoto převaděče zesílení vysokého proudu je obvod konstruován v ručně vyráběných deskách plošných spojů pomocí schematických souborů a návrhových souborů desek plošných spojů; mějte na paměti, že pokud připojujete velkou zátěž k výstupu tohoto obvodu převodníku zesílení, bude skrz stopy PCB protékat obrovské množství proudu a je zde šance, že stopy shoří. Abychom zabránili vyhoření stop PCB, zvýšili jsme co nejvíce tloušťku stopy. Také jsme zesílili stopy PCB silnou vrstvou pájky, abychom snížili stopový odpor.

Pro správný výpočet hodnot induktoru a kondenzátoru jsem použil dokument z texaských přístrojů.

Poté jsem vytvořil tabulku Google, která usnadňuje výpočet.

Testování tohoto obvodu vysokonapěťového převaděče

K otestování obvodu se používá následující nastavení. Jak vidíte, jako vstup jsme použili napájecí zdroj PC ATX, takže vstup je 12V. Na výstup obvodu jsme připojili voltmetr a ampérmetr, který zobrazuje výstupní napětí a výstupní proud. Ze kterého můžeme snadno vypočítat výstupní výkon pro tento obvod. Nakonec jsme použili osm výkonových rezistorů 4.7R 10W v sérii jako zátěž pro testování spotřeby proudu.

Nástroje používané k testování obvodu:

1. 12V napájecí zdroj PC ATX
2. Transformátor, který má odbočku 6-0-6 a odbočku 12-0-12
3. Osm, 10 W 4,7R rezistory v sérii - působí jako zátěž
4. Multimetr Meco 108B + TRMS
5. Multimetr Meco 450B + TRMS
6. Šroubovák

Spotřeba výstupního výkonu obvodu High-Power Boost Converter:

Jak můžete vidět na obrázku výše, výstupní napětí je 44.53V a výstupní proud je 2.839A, takže celkový výkon se stává 126.42W, takže jak vidíte, tento obvod může snadno zvládnout sílu více než 100Watts.

Další vylepšení

Tento obvod převaděče zesilovače TL494 je pouze pro demonstrační účely, proto není ve vstupní ani výstupní části obvodu přidán žádný ochranný obvod. Chcete-li tedy vylepšit funkci ochrany, můžete také přidat, protože používám MOSFET IRFP250, lze výstupní výkon dále zvýšit, omezujícím faktorem v našem obvodu je induktor. Větší jádro induktoru zvýší jeho výstupní kapacitu.

Doufám, že se vám tento článek líbil a dozvěděli jste se z něj něco nového. Máte-li jakékoli pochybnosti, můžete se zeptat v komentářích níže nebo můžete použít naši fóra pro podrobnou diskusi.