Κύκλωμα μετατροπέα υψηλής ισχύος DC σε DC - Μεταβλητή 12 V έως 30 V

Η ανάρτηση εξηγεί πώς να φτιάξετε ένα κύκλωμα μετατροπέα ώθησης DC σε DC υψηλής ισχύος που θα ανεβάσει ένα DC 12 V σε οποιοδήποτε υψηλότερο επίπεδο έως το μέγιστο των 30 V και με ρυθμό ρεύματος 3 amp. Αυτή η υψηλή απόδοση ρεύματος μπορεί να βελτιωθεί περαιτέρω με την κατάλληλη αναβάθμιση των προδιαγραφών του μετρητή καλωδίων επαγωγέα.

Ένα άλλο μεγάλο χαρακτηριστικό αυτού του μετατροπέα είναι ότι η έξοδος μπορεί να μεταβληθεί γραμμικά μέσω ποτενσιόμετρου, από το ελάχιστο δυνατό εύρος έως το μέγιστο εύρος.

Εισαγωγή

Μετατροπείς DC-DC που προορίζονται για αύξηση της τάσης της μπαταρίας του αυτοκινήτου συχνά διαμορφώνονται γύρω από έναν τύπο τροφοδοσίας εναλλαγής τρόπου λειτουργίας (SMPSU) ή έναν πολύ-δονητή ισχύος, οδηγώντας έναν μετασχηματιστή.

Ο μετατροπέας ισχύος που εξηγείται σε αυτό το άρθρο χρησιμοποιεί τη συσκευή TL 497A ολοκληρωμένο κύκλωμα από την Texas Instruments . Αυτό το συγκεκριμένο IC διευκολύνει την άριστη ρύθμιση τάσης με ελάχιστο θόρυβο εξόδου ώστε να επιτυγχάνεται πολύ άνετα και εξασφαλίζει επίσης υψηλή απόδοση μετατροπής.

Πώς λειτουργεί το κύκλωμα

Ο μετατροπέας που περιγράφεται εδώ χρησιμοποιεί ένα τοπολογία flyback . Η θεωρία flyback φαίνεται να είναι η πιο κατάλληλη και λειτουργική τεχνική για την άμεση τάση εξόδου που προέρχεται από χαμηλότερη άμεση τάση εισόδου.

Το κύριο στοιχείο μεταγωγής στον μετατροπέα είναι στην πραγματικότητα ένα τρανζίστορ ισχύος SIPMOS T1 (βλ. Εικ. 1). Κατά τη διάρκεια της περιόδου αγωγιμότητας, το ρεύμα που διέρχεται από το L1 αυξάνεται εκθετικά με το χρόνο.

Κατά τη διάρκεια ON του κύκλου μεταγωγής, ο επαγωγέας αποθηκεύει την επαγόμενη μαγνητική ενέργεια.

Μόλις απενεργοποιηθεί το τρανζίστορ, ο επαγωγέας αναστρέφει την αποθηκευμένη μαγνητική ενέργεια, μετατρέποντάς την σε ηλεκτρικό ρεύμα κατά μήκος του συνδεδεμένου φορτίου μέσω D1.

Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, είναι ζωτικής σημασίας να διασφαλιστεί ότι το τρανζίστορ συνεχίζει να απενεργοποιείται για το χρονικό διάστημα, ενώ το μαγνητικό πεδίο στον επαγωγέα εξασθενεί στο μηδέν.

Σε περίπτωση που αυτή η συνθήκη δεν υλοποιηθεί, το ρεύμα μέσω του επαγωγέα ανεβαίνει στο επίπεδο κορεσμού. Ένα αποτέλεσμα χιονοστιβάδας οδηγεί στη συνέχεια στο ρεύμα για μεγιστοποίηση αρκετά γρήγορα.

Ο σχετικός χρόνος ενεργοποίησης του τρανζίστορ ON, ή ο συντελεστής λειτουργίας έτσι, δεν πρέπει να επιτρέπεται να φτάσει στο επίπεδο ενότητας. Ο μέγιστος επιτρεπόμενος συντελεστής λειτουργίας βασίζεται, σε διάφορες άλλες πτυχές, γύρω από την τάση εξόδου.

Αυτό συμβαίνει επειδή αποφασίζει τον ρυθμό αποσύνθεσης της έντασης του μαγνητικού πεδίου. Η υψηλότερη ισχύ εξόδου που θα μπορούσε να επιτευχθεί από τον μετατροπέα καθορίζεται από το υψηλότερο επιτρεπόμενο ρεύμα αιχμής που επεξεργάζεται ο επαγωγέας και τη συχνότητα μεταγωγής του σήματος οδήγησης.

Τα περιοριστικά στοιχεία εδώ είναι κυρίως η στιγμή κορεσμού και οι μέγιστες ανεκτές βαθμολογίες του επαγωγέα για τις απώλειες χαλκού, καθώς και το μέγιστο ρεύμα μέσω του τρανζίστορ μεταγωγής (μην ξεχνάτε ότι μια έξοδος ενός συγκεκριμένου επιπέδου ηλεκτρικής ενέργειας έρχεται στην έξοδο κατά τη διάρκεια κάθε μεταγωγής σφυγμός).

Χρήση IC TL497A για το PWM

Η λειτουργία αυτού του IC είναι αρκετά μη παραδοσιακή, κάτι που θα μπορούσε να γίνει κατανοητό από μια σύντομη εξήγηση παρακάτω. Σε αντίθεση με τη συμβατική εφαρμογή σταθερής συχνότητας, IC ελεγκτή μεταβλητού παράγοντα λειτουργίας, το TL497A είναι πιστοποιημένο ως σταθερή, έγκαιρη, ρυθμιζόμενη συσκευή συχνότητας.

Επομένως, ο συντελεστής λειτουργίας ελέγχεται μέσω προσαρμογής στη συχνότητα για να εξασφαλιστεί μια συνεπής τάση εξόδου.

Αυτή η προσέγγιση φέρνει στην πραγματικότητα ένα αρκετά απλό κύκλωμα, παρόλα αυτά παρέχει το μειονέκτημα της συχνότητας μεταγωγής που επιτυγχάνεται σε χαμηλότερο εύρος που μπορεί να ακουστεί από το ανθρώπινο αυτί για φορτία που λειτουργούν με χαμηλότερο ρεύμα.

Στην πραγματικότητα, η συχνότητα μεταγωγής παίρνει κάτω από 1 Hz μόλις αφαιρεθεί το φορτίο από τον μετατροπέα. Τα αργά κλικ ακούγονται λόγω των παλμών φόρτισης που συνδέονται με τους πυκνωτές εξόδου για να διατηρούν μια σταθερή τάση εξόδου.

Όταν δεν υπάρχει συνδεδεμένο φορτίο, οι πυκνωτές εξόδου τείνουν, προφανώς, να αποφορτίζονται σταδιακά μέσω της αντίστασης ανίχνευσης τάσης.

Ο εσωτερικός ταλαντωτής εγκαίρως του IC TL497A είναι σταθερός και αποφασίζεται από το C1. Ο ταλαντωτής θα μπορούσε να απενεργοποιηθεί με τρεις μεθόδους:

• 1ο, όταν η τάση στον πείρο 1 αυξάνεται πέρα ​​από την τάση αναφοράς (1,2 V)
• 2ο, όταν το ρεύμα πηνίου ξεπερνά μια συγκεκριμένη υψηλότερη τιμή
• Και 3ος, μέσω της αναστολής εισόδου (αν και δεν χρησιμοποιείται σε αυτό το κύκλωμα).

Ενώ βρίσκεται σε τυπική διαδικασία εργασίας, ο εσωτερικός ταλαντωτής επιτρέπει την εναλλαγή του Τ1 με τέτοιο τρόπο ώστε το ρεύμα επαγωγής να αυξάνεται γραμμικά.

Όταν το Τ1 είναι απενεργοποιημένο, η μαγνητική ενέργεια που συσσωρεύεται μέσα στον πηνίο κλωτσάει πίσω από τον πυκνωτή που φορτίζεται μέσω αυτής της πίσω ενέργειας.

Η τάση εξόδου, μαζί με την τάση ακίδας 1 του IC TL497A, ανεβαίνει ελαφρώς, γεγονός που προκαλεί την απενεργοποίηση του ταλαντωτή. Αυτό συνεχίζεται έως ότου η τάση εξόδου μειωθεί σε κάποιο σημαντικά χαμηλότερο επίπεδο. Αυτή η τεχνική εκτελείται με κυκλικό τρόπο, όσον αφορά τη θεωρητική υπόθεση.

Ωστόσο, σε μια διάταξη που χρησιμοποιεί πραγματικά στοιχεία, η αύξηση της τάσης που προκαλείται με τη φόρτιση των πυκνωτών σε ένα μόνο διάστημα ταλαντωτή είναι στην πραγματικότητα τόσο μικροσκοπική που ο ταλαντωτής παραμένει ενεργοποιημένος έως ότου το ρεύμα επαγωγής φτάσει στην υψηλότερη τιμή, όπως καθορίζεται από τα συστατικά R2 και R3 (η πτώση της τάσης γύρω από τα R1 και R3 είναι συνήθως 0,7 V σε αυτό το σημείο).

Η βαθμιαία αύξηση του ρεύματος όπως υποδεικνύεται στο Σχ. 2b οφείλεται στον παράγοντα λειτουργίας σήματος ταλαντωτή ο οποίος τυχαίνει να είναι υψηλότερος από 0,5.

Μόλις επιτευχθεί το βέλτιστο ρεύμα, ο ταλαντωτής απενεργοποιείται, επιτρέποντας στον επαγωγέα να μεταφέρει την ενέργειά του στους πυκνωτές.

Σε αυτήν τη συγκεκριμένη περίπτωση, η τάση εξόδου αυξάνεται σε ένα μέγεθος που είναι πολύ υψηλό για να διασφαλιστεί ότι ο ταλαντωτής απενεργοποιείται μέσω του πείρου IC 1. Η τάση εξόδου πέφτει γρήγορα, έτσι ώστε ένας νέος κύκλος φόρτισης να μπορεί να ξεκινήσει και να επαναλάβει η διαδικασία.

Ωστόσο, δυστυχώς, οι διαδικασίες μεταγωγής που συζητήθηκαν παραπάνω θα συνδυαστούν με συγκριτικά μεγάλες απώλειες.

Σε μια πραγματική εφαρμογή, αυτό το ζήτημα μπορεί να αντιμετωπιστεί ρυθμίζοντας την ώρα (μέσω C1) αρκετά υψηλή ώστε να διασφαλιστεί ότι το ρεύμα μέσω του επαγωγέα δεν επεκτείνεται ποτέ στο υψηλότερο επίπεδο σε ένα μόνο διάστημα ταλαντωτών (βλ. Εικ. 3).

Το φάρμακο σε τέτοιες περιπτώσεις μπορεί να είναι η ενσωμάτωση ενός πηνίου με πυρήνα αέρα, που διαθέτει μια αρκετά ελάχιστη αυτοεπαγωγή.

Χαρακτηριστικά κυματομορφής

Τα διαγράμματα χρονισμού στο σχήμα 3 δείχνουν κυματομορφές σήματος στους βασικούς παράγοντες από το κύκλωμα. Ο κύριος ταλαντωτής μέσα στο TL497A λειτουργεί με μειωμένη συχνότητα (κάτω από το I Hz όταν δεν υπάρχει φορτίο στην έξοδο μετατροπέα te).

Ο στιγμιαίος χρόνος κατά την ενεργοποίηση, που υποδεικνύεται ως ορθογώνιος παλμός στο Σχ. 3α, εξαρτάται από την τιμή του πυκνωτή C1. Ο χρόνος απενεργοποίησης καθορίζεται από το ρεύμα φόρτωσης. Κατά τη διάρκεια της έγκαιρης εναλλαγής, το τρανζίστορ T1 ανάβει προκαλώντας αύξηση του ρεύματος πηνίου (Εικ. 3b).

Κατά τη διάρκεια της χρονικής περιόδου απενεργοποίησης μετά τον τρέχοντα παλμό, ο επαγωγέας λειτουργεί σαν μια τρέχουσα πηγή.

Το TL497A αναλύει την εξασθενημένη τάση εξόδου στον ακροδέκτη 1 με την εσωτερική του τάση αναφοράς 1,2 V. Σε περίπτωση που η εκτιμώμενη τάση είναι χαμηλότερη από την τάση αναφοράς, το Τ1 είναι πιο σκληρό με πόλωση έτσι ώστε ο επαγωγέας να αποθηκεύει επαρκώς την ενέργεια.

Αυτοί οι επαναλαμβανόμενοι κύκλοι φόρτισης και εκφόρτισης ενεργοποιούν ένα ορισμένο επίπεδο τάσης κυματισμού στους πυκνωτές εξόδου (Εικ. 3γ). Η επιλογή ανάδρασης επιτρέπει την προσαρμογή της συχνότητας του ταλαντωτή για να εξασφαλιστεί η καλύτερη δυνατή αντιστάθμιση των ελλειμμάτων τάσης που προκαλούνται από το ρεύμα φορτίου.

Το διάγραμμα παλμού χρονισμού στο Σχήμα 3δ αποκαλύπτει σημαντική κίνηση της τάσης αποστράγγισης λόγω του σχετικά υψηλού παράγοντα Q (ποιότητας) του επαγωγέα.

Ακόμα κι αν οι αδέσμευτες ταλαντώσεις κυματισμού συνήθως δεν επηρεάζουν την κανονική λειτουργία αυτού του μετατροπέα ισχύος DC σε DC, αυτές θα μπορούσαν να κατασταλούν χρησιμοποιώντας παράλληλη αντίσταση 1 k κατά μήκος του επαγωγέα.

Πρακτικές εκτιμήσεις

Κανονικά, ένα κύκλωμα SMPS αναπτύσσεται για την επίτευξη ενός μέγιστου ρεύματος εξόδου αντί για ρεύμα εξόδου ηρεμίας.

Η υψηλή απόδοση μαζί με μια σταθερή τάση εξόδου μαζί με την ελάχιστη κυματισμό γίνονται επίσης βασικοί στόχοι σχεδιασμού. Συνολικά, τα χαρακτηριστικά ρύθμισης φορτίου ενός SMPS που βασίζεται στο flyback δεν προσφέρουν σχεδόν κανένα λόγο ανησυχιών.

Κατά τη διάρκεια κάθε κύκλου μεταγωγής, ο λόγος ενεργοποίησης / απενεργοποίησης ή ο κύκλος λειτουργίας τροποποιείται σε σχέση με το ρεύμα φορτίου, έτσι ώστε η τάση εξόδου να συνεχίζει να είναι σχετικά σταθερή παρά τις σημαντικές διακυμάνσεις του ρεύματος φορτίου.

Το σενάριο φαίνεται ελαφρώς διαφορετικό από την άποψη της γενικής αποτελεσματικότητας. Ένας μετατροπέας αναβάθμισης που βασίζεται στην τοπολογία flyback συνήθως παράγει αρκετά σημαντικές αιχμές ρεύματος, οι οποίες μπορεί να προκαλέσουν σημαντική απώλεια ενέργειας (μην ξεχνάτε ότι η ισχύς αυξάνεται εκθετικά καθώς αυξάνεται το ρεύμα).

Στην πραγματική λειτουργία, ωστόσο, το προτεινόμενο κύκλωμα μετατροπέα DC σε DC υψηλής ισχύος παρέχει συνολική απόδοση καλύτερη από 70% με βέλτιστο ρεύμα εξόδου και αυτό φαίνεται αρκετά εντυπωσιακό σε σχέση με την απλότητα της διάταξης.

Αυτό, ως εκ τούτου, το απαιτεί να τροφοδοτηθεί με κορεσμό, οδηγώντας σε έναν αρκετά παρατεταμένο χρόνο απενεργοποίησης. Φυσικά, όσο περισσότερο χρόνο απαιτείται για το τρανζίστορ να κόψει το ρεύμα επαγωγής, τόσο μικρότερη θα είναι η συνολική απόδοση του σχεδιασμού.

Με έναν αρκετά μη συμβατικό τρόπο, το MOSFET BUZ10 αλλάζει μέσω του πείρου 11 της εξόδου δοκιμής ταλαντωτή, αντί του εσωτερικού τρανζίστορ εξόδου.

Η δίοδος D1 είναι ένα ακόμη σημαντικό συστατικό μέσα στο κύκλωμα. Οι ανάγκες για αυτή τη μονάδα είναι μια πιθανότητα να αντέξουν υψηλές τρέχουσες αιχμές και αργή πτώση προς τα εμπρός. Ο τύπος B5V79 πληροί όλες αυτές τις απαιτήσεις και δεν πρέπει να αντικατασταθεί με κάποια άλλη παραλλαγή.

Επιστρέφοντας στο διάγραμμα κύριου κυκλώματος της Εικ. 1, πρέπει να σημειωθεί προσεκτικά ότι τα τρέχοντα υψηλά επίπεδα 15-20 Α γενικά δεν είναι ανώμαλα στο κύκλωμα. Προκειμένου να αποφευχθούν προβλήματα που αναπτύσσονται με μπαταρίες που έχουν συγκριτικά υψηλότερη εσωτερική αντίσταση, ο πυκνωτής C4 εισάγεται σαν buffer στην είσοδο του μετατροπέα.

Λαμβάνοντας υπόψη ότι οι πυκνωτές εξόδου φορτίζονται από τον μετατροπέα μέσω γρήγορων, παλμών όπως τρέχουσες αιχμές, μερικοί πυκνωτές συνδέονται παράλληλα για να βεβαιωθείτε ότι η χωρητικότητα λειτουργίας παραμένει όσο το δυνατόν ελάχιστη.

Ο μετατροπέας ισχύος DC σε DC δεν διαθέτει προστασία βραχυκυκλώματος. Το βραχυκύκλωμα των τερματικών εξόδου θα είναι ακριβώς όπως βραχυκύκλωμα της μπαταρίας μέσω των D1 και L1. Η αυτοαγωγιμότητα του L1 μπορεί να μην είναι αρκετά υψηλή για να περιορίσει το ρεύμα για την περίοδο που απαιτείται για να επιτρέψει σε μια ασφάλεια να ανατινάξει.

Κατασκευαστικές λεπτομέρειες επαγωγέα

Το L1 δημιουργείται με τυλίγοντας 33 και μισές στροφές από σμάλτο χαλκού σύρματος. Το σχήμα 5 δείχνει τις αναλογίες. Η πλειονότητα των εταιρειών παρέχει σμάλτο χάλκινο σύρμα πάνω από ένα ρολό ABS, το οποίο συνήθως λειτουργεί όπως το πρώτο για την κατασκευή του πηνίου.

Τρυπήστε μερικές οπές 2 mm στην κάτω άκρη για να γλιστρήσετε τα καλώδια επαγωγής. Μία από τις οπές θα είναι κοντά στον κύλινδρο, ενώ η άλλη στην εξωτερική περιφέρεια της πρώτης.

Μπορεί να μην είναι χρήσιμο να εξεταστεί το παχύ σύρμα για την κατασκευή του επαγωγέα, λόγω του φαινομένου δέρματος-φαινομένου, που προκαλεί τη μετατόπιση των φορέων φόρτισης κατά μήκος της εξωτερικής επιφάνειας του σύρματος ή του δέρματος του σύρματος. Αυτό πρέπει να αξιολογηθεί σε σχέση με το μέγεθος των συχνοτήτων που χρησιμοποιούνται στον μετατροπέα.

Για να διασφαλιστεί μια ελάχιστη αντίσταση εντός της απαραίτητης επαγωγής, συνιστάται να συνεργαστείτε με δύο καλώδια διαμέτρου 1 mm ή ακόμη και 3 ή 4 καλώδια με διάμετρο 0,8 mm σε δέσμη.

Περίπου τρία καλώδια 0,8 λεπτών θα μας επιτρέψουν να έχουμε μια συνολική διάσταση που μπορεί να είναι περίπου ίδια με δύο καλώδια 1 mm, αλλά παρέχει την αποτελεσματική 20% υψηλότερη επιφάνεια.

Ο επαγωγέας τυλίγεται σφιχτά και μπορεί να σφραγιστεί χρησιμοποιώντας κατάλληλη ρητίνη ή βάση εποξειδικής ένωσης για τον έλεγχο ή την καταστολή της ηχητικής διαρροής θορύβου (θυμηθείτε ότι η συχνότητα λειτουργίας βρίσκεται εντός της ακουστικής περιοχής).

Κατασκευή και ευθυγράμμιση

Η πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος ή ο σχεδιασμός PCB που προορίζεται για το προτεινόμενο κύκλωμα μετατροπέα DC DC υψηλής ισχύος παρουσιάζεται παρακάτω.

Αρκετοί κατασκευαστικοί παράγοντες πρέπει να έχουν κάποιες εκτιμήσεις. Οι αντιστάσεις R2 και R3 μπορεί να γίνουν αρκετά ζεστές και συνεπώς θα πρέπει να εγκατασταθούν στα λίγα mm υψωμένα πάνω από την επιφάνεια PCB.

Το μέγιστο ρεύμα που κινείται μέσω αυτών των αντιστάσεων θα μπορούσε να φτάσει έως και 15 A.

Το power-FET θα γίνει επίσης πολύ ζεστό και θα απαιτήσει μια ψύκτρα λογικού μεγέθους και το τυπικό κιτ μόνωσης mica.

Η δίοδος μπορεί ενδεχομένως να λειτουργήσει χωρίς να κρυώσει, αν και μπορεί ιδανικά να στερεωθεί πάνω σε ένα κοινό ψύκτρα που χρησιμοποιείται για την ισχύ FET (θυμηθείτε να μονώσετε τις συσκευές ηλεκτρικά). Ενώ σε συνήθη λειτουργία, ο επαγωγέας μπορεί να εμφανίζει δίκαιη ποσότητα θέρμανσης.

Οι σύνδεσμοι και τα καλώδια βαρέως τύπου πρέπει να ενσωματώνονται στην είσοδο και την έξοδο αυτού του μετατροπέα. Η μπαταρία φυλάσσεται με ασφάλεια 16 A με καθυστέρηση δράσης που εισάγεται στη γραμμή τροφοδοσίας εισόδου.

Προσοχή στο γεγονός ότι η ασφάλεια δεν παρέχει καμία μορφή προστασίας στον μετατροπέα κατά τη διάρκεια βραχυκυκλωμάτων εξόδου! Το κύκλωμα είναι αρκετά εύκολο να εγκατασταθεί και μπορεί να γίνει με τον ακόλουθο τρόπο:

Ρυθμίστε το R1 για να επιτύχετε την επιδιωκόμενη τάση εξόδου που κυμαίνεται μεταξύ 20 και 30 V. Η τάση εξόδου μπορεί να μειωθεί κάτω από αυτό, αν και δεν πρέπει να είναι μικρότερη από την τάση εισόδου.

Αυτό μπορεί να γίνει εισάγοντας μια μικρότερη αντίσταση στη θέση του R4. Το υψηλότερο ρεύμα εξόδου αναμένεται να είναι περίπου 3 A.

Λίστα ανταλλακτικών