Vysoce výkonný vysoce účinný obvod převodníku buck pomocí tl494

Buck převodník (step-down konvertor) je DC-k-DC konvertor, který přepínání odstoupí napětí při zachování konstantní výkon rovnováhu. Hlavním rysem převaděče dolaru je účinnost, což znamená, že s převaděčem dolaru na desce můžeme očekávat prodlouženou životnost baterie, sníženou teplotu, menší velikost a vylepšenou účinnost. Dříve jsme vytvořili několik jednoduchých obvodů převaděče Buck a vysvětlili jsme jeho základy a efektivitu návrhu.

V tomto článku tedy navrhneme, vypočítáme a otestujeme vysoce účinný obvod převodníku buck založený na populárním IC TL494 IC a nakonec bude podrobné video ukazující pracovní a testovací část obvodu, takže bez dále, pojďme začít.

Jak funguje převodník Buck?

Výše uvedený obrázek ukazuje velmi základní obvod převaděče buck. Abych věděl, jak převaděč funguje, rozdělím obvod na dvě podmínky. První podmínka, když je tranzistor zapnutý, další podmínka, když je tranzistor vypnutý.

Stav tranzistoru zapnutý

V tomto scénáři vidíme, že dioda je ve stavu otevřeného obvodu, protože je ve stavu s obráceným předpětím. V této situaci začne počáteční proud protékat zátěží, ale proud je omezen induktorem, takže induktor se také začne postupně nabíjet. Proto během doby zapnutí obvodu kondenzátor vytváří nabíjecí cyklus po cyklu a toto napětí se odráží napříč zátěží.

Stav tranzistoru vypnutý

Když je tranzistor ve vypnutém stavu, energie uložená v induktoru L1 se zhroutí a proudí zpět přes diodu D1, jak je znázorněno v obvodu pomocí šipek. V této situaci je napětí na induktoru v obrácené polaritě, a tak je dioda ve stavu předpětí. Nyní kvůli kolabujícímu magnetickému poli induktoru proud stále protéká zátěží, dokud nedojde k vybití induktoru. To vše se děje, když je tranzistor ve vypnutém stavu.

Po určité době, kdy je induktor téměř bez akumulované energie, napětí zátěže začne znovu klesat, v této situaci se kondenzátor C1 stane hlavním zdrojem proudu, kondenzátor je tam, aby udržoval proud v proudu, dokud nezačne další cyklus znovu.

Nyní změnou spínací frekvence a doby spínání můžeme získat jakýkoli výstup od 0 do Vin z převaděče buck.

IC TL494

Před vytvořením převaděče TL494 buck se nyní podívejme, jak funguje PWM řadič TL494.

TL494 IC má 8 funkčních bloků, které jsou zobrazeny a popsány níže.

1. 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.

2. 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.

Frekvence oscilátoru může být vypočtena podle vzorce níže

Fosc = 1 / (RT * CT)

Pro zjednodušení jsem vytvořil tabulku, pomocí které můžete velmi snadno vypočítat frekvenci.

Poznámka! Frekvence oscilátoru se rovná výstupní frekvenci pouze pro jednostranné aplikace. U aplikací typu push-pull je výstupní frekvence polovinou frekvence oscilátoru.

3. Srovnávač 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 zemní čas 3% s uzemněným vstupem řízení mrtvé doby.

4. Zesilovače chyb

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.

5. Výstup - řídicí vstup

Vstup řízení výstupu určuje, zda výstupní tranzistory pracují v paralelním nebo push-pull režimu. Připojením výstupního ovládacího kolíku, který je pin-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.

6. 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 emitor-sledovač.

Vlastnosti TL494 IC

• Kompletní obvod řízení výkonu PWM
• Nepotvrzené výstupy pro proud 200 mA nebo zdrojový proud
• Výstupní řízení vybírá jednostranný nebo push-pull provoz
• Interní obvod zakazuje dvojí impuls na obou výstupech
• Variabilní mrtvý čas poskytuje kontrolu nad celkovým rozsahem
• Interní regulátor poskytuje stabilní 5V
• Referenční dodávka s 5% tolerancí
• Architektura obvodů umožňuje snadnou synchronizaci

Poznámka! Většina interního schématu a popisu operací je převzata z datového listu a do určité míry upravena pro lepší pochopení.

Požadované komponenty

1. TL494 IC - 1
2. Tranzistor TIP2955 - 1
3. Šroubová svorka 5mmx2 - 2
4. 1000uF, 60V kondenzátor - 1
5. 470uF, 60V kondenzátor - 1
6. 50K, 1% rezistor - 1
7. Rezistor 560R - 1
8. 10K, 1% rezistor - 4
9. 3,3 kB, 1% rezistor - 2
10. Rezistor 330R - 1
11. Kondenzátor 0,22uF - 1
12. 5,6K, 1W rezistor - 1
13. Zenerova dioda 12,1 V - 1
14. Schottkyho dioda MBR20100CT - 1
15. Induktor 70uH (27 x 11 x 14) mm - 1
16. Potenciometr (10K) Trim-Pot - 1
17. Rezistor pro snímání proudu 0,22R - 2
18. Opláštěná deska obecná 50x 50mm - 1
19. Obecný chladič zdroje - 1
20. Jumper Wires Generic - 15

Schematický diagram

Schéma zapojení pro vysoce účinný převodník bucků je uvedeno níže.

Konstrukce obvodu

Pro tuto ukázku tohoto vysoce aktuálního převaděče buck je obvod konstruován v ručně vyráběných deskách plošných spojů pomocí schématických a návrhových souborů desek plošných spojů; mějte prosím na paměti, že pokud připojujete velkou zátěž k převaděči výstupních bucků, pak bude stopy PCB protékat obrovské množství proudu a je zde šance, že stopy shoří. Abych zabránil vyhoření stop PCB, zahrnul jsem několik propojek, které pomáhají zvýšit tok proudu. Také jsem vyztužil stopy PCB silnou vrstvou pájky, abych snížil stopový odpor.

Induktor je vyroben ze 3 pramenů paralelního smaltovaného měděného drátu o velikosti 0,45 čtverečních mm.

Výpočty

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

Poté jsem vytvořil tabulku Google, která usnadňuje výpočet

Testování tohoto vysokonapěťového sestupného převodníku

K testování obvodu se používá následující nastavení. Jak je znázorněno na výše uvedeném obrázku, vstupní napětí je 41,17 V a proud bez zátěže je 0,15 A, díky čemuž je výkon při zátěži nižší než 0,6 W.

Než někdo z vás skočí a řekne, co dělá miska odporu v mém testovacím stole.

Řeknu vám, že rezistory se během testování obvodu s plným zatížením velmi zahřívají, proto jsem připravil misku s vodou, abych zabránil spálení mého pracovního stolu

Nástroje používané k testování obvodu

1. 12V olověný akumulátor.
2. Transformátor, který má odbočku 6-0-6 a odbočku 12-0-12
3. 5 10 W 10r Odpor paralelně jako zátěž
4. Multimetr Meco 108B + TRMS
5. Multimetr Meco 450B + TRMS
6. Osciloskop Hantek 6022BE

Vstupní výkon pro vysoce výkonný převodník Buck

Jak je patrné z výše uvedeného obrázku, vstupní napětí při zatížení klesá na 27,45 V a vstupní proud je 3,022 A, což se rovná příkonu 82,9539 W.

Výstupní výkon

Jak je vidět z výše uvedeného obrázku, výstupní napětí je 12,78 V a výstupní výstupní proud 5,614 A, což odpovídá příkonu 71,6958 W.

Takže účinnost obvodu se stane (71,6958 / 82,9539) x 100% = 86,42%

Ztráta v obvodu je způsobena rezistory pro napájení TL494 IC a

Absolutní maximální odběr proudu v mé testovací tabulce

Z výše uvedeného obrázku je patrné, že maximální odběr proudu z obvodu je 6,96 A, je téměř

V této situaci je hlavní překážkou systému můj transformátor, a proto nemohu zvýšit zatěžovací proud, ale s touto konstrukcí as dobrým chladičem můžete z tohoto obvodu snadno odebírat více než 10A proudu.

Poznámka! Kdokoli z vás se ptá, proč jsem do okruhu připojil masivní chladič, dovolte mi, abych vám řekl, že v zásobě nemám menší chladič.

Další vylepšení

Tento obvod převaděče TL494 je pouze pro demonstrační účely, a proto ve výstupní části obvodu není přidán žádný ochranný obvod.

1. Pro ochranu zátěžového obvodu je nutné přidat výstupní ochranný obvod.
2. Induktor je třeba ponořit do laku, jinak bude generovat slyšitelný šum.
3. Kvalitní deska plošných spojů se správným designem je povinná
4. Spínací tranzistor lze upravit tak, aby se zvýšil zatěžovací proud

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.