A bejegyzés elmagyarázza, hogyan lehet nagy teljesítményű DC-DC-átalakító áramkört készíteni, amely egy 12 V DC-t bármilyen magasabb szintre emel, legfeljebb 30 V-ig, 3 amperes áramerősség mellett. Ez a nagy áramerősség tovább fokozható az induktív huzalmérő specifikációinak megfelelő frissítésével.
A konverter másik nagy tulajdonsága, hogy a kimenet lineárisan változtatható a potenciométeren keresztül, a lehető legkisebb tartománytól a maximális tartományig.
Indukció
DC -DC átalakítók szánják az autó akkumulátorának feszültségének növelése gyakran egy kapcsolt üzemmódú tápegység (SMPSU) vagy egy multivibrátor körül konfigurálják a transzformátort.
A cikkben ismertetett áramátalakító az eszközt használja TL 497A integrált áramkör a Texas Instruments-től . Ez a különös IC megkönnyíti a kiváló feszültségszabályozást, minimális kimeneti zaj mellett, kényelmesen elérhető, és magas konverziós teljesítményt is biztosít.
Hogyan működik az áramkör
Az itt részletezett átalakító a flyback topológia . A repülési elmélet tűnik a legalkalmasabb és funkcionálisabb technikának az alacsonyabb közvetlen bemeneti feszültségből származó azonnali kimeneti feszültség megszerzéséhez.
Az átalakító fő kapcsoló alkatrésze valójában egy T1 teljesítményű SIPMOS tranzisztor (lásd 1. ábra). Vezetési ideje alatt az L1-en áthaladó áram az idővel exponenciálisan növekszik.
A kapcsolási ciklus BE ideje alatt az induktor tárolja az indukált mágneses energiát.
Amint a tranzisztort kikapcsolják, az induktor visszafordítja a tárolt mágneses energiát, a D1-en keresztül elektromos áramgá alakítja át a csatlakoztatott terhelésen.
Ezen eljárás során elengedhetetlen annak biztosítása, hogy a tranzisztor továbbra is KI legyen kapcsolva egy ideig, miközben az induktor mágneses tere nullára csökken.
Abban az esetben, ha ezt a feltételt nem sikerül megvalósítani, az induktoron keresztüli áram a telítettségi szintig emelkedik. A lavina effektus ezt követően azt eredményezi, hogy az áram meglehetősen gyorsan maximalizálódik.
A relatív tranzisztorvezérlés bekapcsolási idejét, vagyis a terhelési tényezőt nem szabad engedni az egységszintre jutni. A megengedett legnagyobb tényező a kimeneti feszültség körüli tényezőktől függ.
Ennek oka, hogy ez dönt a mágneses térerősség bomlási sebességéről. Az átalakító által elérhető legnagyobb kimenő teljesítményt az induktor által feldolgozott legnagyobb megengedett csúcsáram és a hajtójel kapcsolási frekvenciája határozza meg.
A korlátozó elemek itt elsősorban a telítési pillanat és az induktor maximálisan tolerálható réz veszteségértékei, valamint a kapcsolási tranzisztoron keresztüli csúcsáram (ne felejtsük el, hogy az egyes kapcsolások során egy adott elektromos energiaszintű tüske érkezik a kimenetre impulzus).
IC TL497A használata a PWM-hez
Ennek az IC-nek a működése meglehetősen nem hagyományos, ami az alábbi rövid magyarázatból megérthető. A hagyományos rögzített frekvenciás megvalósítással, a változó igénybevételű SMPSU vezérlő IC-kkel ellentétben, a TL497A rögzített, időben beállítható, állítható frekvenciás eszközként tanúsított.
Ezért az üzemi tényezőt a frekvencia beállításával szabályozzák az állandó kimeneti feszültség biztosítása érdekében.
Ez a megközelítés egy nagyon egyszerű áramkört valósít meg a valóságban, ennek ellenére biztosítja a kapcsolási frekvencia hátrányát, ha alacsonyabb tartományt ér el, amely az emberi fül számára hallható alacsonyabb árammal dolgozó terhelések esetén.
A valóságban a kapcsolási frekvencia 1 Hz alá csökken, ha a terhelést eltávolítják a konverterről. A lassú kattanások hallhatók, mivel a kimeneti kondenzátorokhoz rögzített töltési impulzusok rögzített kimeneti feszültséget tartanak.
Ha nincs terhelés, a kimeneti kondenzátorok nyilvánvalóan fokozatosan lemerülnek a feszültségérzékelő ellenálláson keresztül.
Az IC TL497A IC oszcillátor bekapcsolási ideje állandó, és C1 dönt. Az oszcillátort három módszerrel lehet kikapcsolni:
- 1., amikor az 1. érintkező feszültsége meghaladja a referenciafeszültséget (1,2 V)
- 2., amikor az induktor áram meghaladja a meghatározott legnagyobb értéket
- És harmadszor, a gátló bemenet segítségével (bár ebben az áramkörben nem használják).
Míg a szokásos munkafolyamat során a belső oszcillátor lehetővé teszi a T1 kapcsolását oly módon, hogy az induktor áram lineárisan növekszik.
A T1 kikapcsolásakor az induktor belsejében felhalmozódott mágneses energia visszarúg a kondenzátoron, amely ezen a hátsó emf energián keresztül töltődik fel.
A kimeneti feszültség az TL497A IC 1. érintkezőjével együtt kissé megemelkedik, ami az oszcillátor deaktiválódását okozza. Ez addig folytatódik, amíg a kimeneti feszültség lényegesen alacsonyabb szintre nem csökken. Ezt a technikát ciklikusan hajtják végre, már ami az elméleti feltételezést illeti.
A tényleges komponenseket alkalmazó elrendezésben azonban a kondenzátorok egyetlen oszcillátor intervallumban történő feltöltésével indukált feszültségnövekedés valójában olyan kicsi, hogy az oszcillátor addig marad aktív állapotban, amíg az induktor áramának értéke el nem éri az R2 és R3 (az R1 és R3 körüli feszültségesés ezen a ponton általában 0,7 V).
Az áram lépésenkénti növekedése a 2b. Ábrán látható módon az oszcillátor jel-tényezőjének köszönhető, amely történetesen magasabb, mint 0,5.
Amint eléri az elért optimális áramot, az oszcillátor deaktiválódik, lehetővé téve az induktor számára, hogy energiáját átadja a kondenzátorokon.
Ebben a sajátos helyzetben a kimeneti feszültség éppen olyan magasra emelkedik, hogy biztosítsa az oszcillátor kikapcsolását az 1. IC-tű segítségével. A kimeneti feszültség most gyorsan csökken, így egy új töltési ciklus képes elindulni és megismételni az eljárás.
Sajnos azonban a fent tárgyalt kapcsolási eljárások viszonylag nagy veszteségekkel párosulnak.
A valós életben ezt a problémát úgy lehet orvosolni, hogy a bekapcsolási időt (C1-en keresztül) elég magasra állítjuk annak biztosítására, hogy az induktoron átáramló áram soha ne nyúljon a legmagasabb szintre egyetlen oszcillátor intervallumban (lásd 3. ábra).
Ilyen esetekben orvosság lehet egy levegős magú induktor beépítése, amely ésszerűen minimális öninduktivitással rendelkezik.
Hullámalak jellemzése
A 3. ábra időzítési diagramjai az áramkör legfontosabb tényezőinek jel hullámformáit mutatják be. A TL497A belsejében lévő fő oszcillátor csökkentett frekvenciával működik (I Hz alatt, ha a konverter kimenetén nincs terhelés).
A bekapcsolás pillanatnyi ideje, amelyet a 3a. Ábra téglalap alakú impulzusként jelöl, a C1 kondenzátor értékétől függ. A kikapcsolási időt a terhelési áram határozza meg. A bekapcsolás alatt a T1 tranzisztor bekapcsol, ami az induktor áramának növekedését eredményezi (3b. Ábra).
Az aktuális impulzust követő kikapcsolási idő alatt az induktor áramforrásként működik.
A TL497A elemzi az 1. tű csillapított kimeneti feszültségét 1,2 V belső referenciafeszültséggel. Ha a vizsgált feszültség alacsonyabb, mint a referenciafeszültség, a T1 erősebben előfeszül, így az induktor megfelelően tárolja az energiát.
Ez az ismételt töltési és kisütési ciklus egy bizonyos hullámfeszültséget vált ki a kimeneti kondenzátorokon (3c. Ábra). A visszacsatolási opció lehetővé teszi az oszcillátor frekvenciájának beállítását, hogy a terhelési áram által okozott feszültséghiány a lehető legjobb legyen.
A 3d. Ábra időzítési impulzus diagramja a lefolyó feszültségének jelentős mozgását mutatja az induktor viszonylag magas Q (minőségi) tényezője miatt.
Annak ellenére, hogy a kóbor hullámzó oszcillációk általában nem befolyásolják ennek az egyenáramú egyenáramú átalakítónak a szabályos működését, ezeket az induktoron át párhuzamos 1 k-os ellenállással lehet elnyomni.
Gyakorlati szempontok
Normál esetben az SMPS áramkört a nyugalmi kimeneti áram helyett a maximális kimeneti áram elérésére fejlesztik ki.
A magas hatékonyság, az állandó kimeneti feszültség és a minimális hullámosság együttesen a legfontosabb tervezési célkitűzésekké válnak. Összességében a flyback alapú SMPS terhelésszabályozási jellemzői alig adnak okot aggodalomra.
Az egyes kapcsolási ciklusok során a be- / kikapcsolási arány vagy az üzemi ciklus a terhelési áramhoz viszonyítva módosul annak érdekében, hogy a kimeneti feszültség továbbra is viszonylag állandó legyen a jelentős terhelési áramingadozások ellenére.
A forgatókönyv kissé eltér az általános hatékonyság szempontjából. A flyback topológián alapuló fokozatos átalakító jellemzően meglehetősen jelentős áramcsúcsokat eredményez, amelyek jelentős energiaveszteséget okozhatnak (ne felejtsük el, hogy az áram növekedésével az energia exponenciálisan növekszik).
A való életben azonban az ajánlott nagy teljesítményű DC-DC átalakító áramkör az optimális kimeneti áram mellett 70% -nál jobb összhatékonyságot biztosít, és ez az elrendezés egyszerűsége szempontjából meglehetősen lenyűgözőnek tűnik.
Ez következésképpen megköveteli, hogy telítetté váljon, ami ésszerűen meghosszabbítja a kikapcsolási időt. Természetesen minél több időre van szükség ahhoz, hogy a tranzisztor levágja az induktor áramát, annál kisebb lesz a tervezés összhatásfoka.
Egészen rendhagyó módon a MOSFET BUZ10 a belső kimeneti tranzisztor helyett az oszcillátor tesztkimenetének 11. érintkezőjén keresztül kapcsolódik.
A D1 dióda még egy kulcsfontosságú komponens az áramkörön belül. Ennek az egységnek a szükségletei elviselhetik a nagy áramcsúcsokat és lassú előreesést. A B5V79 típus megfelel ezeknek a követelményeknek, és nem cserélhető ki más változattal.
Visszatérve az 1. ábra fő kapcsolási rajzához, gondosan meg kell jegyezni, hogy a 15-20 A árammagasság általában nem rendellenes az áramkörben. A viszonylag nagyobb belső ellenállású akkumulátorokkal kapcsolatos problémák elkerülése érdekében a C4 kondenzátort pufferként vezetik be az átalakító bemenetén.
Figyelembe véve, hogy a kimeneti kondenzátorokat az átalakító gyors impulzusokkal tölti fel, mint például az áramcsúcsok, pár kondenzátort párhuzamosan csatlakoztatnak, hogy megbizonyosodjanak arról, hogy az egyirányú kapacitás a lehető legkisebb marad.
A DC-DC átalakító valójában nem rendelkezik rövidzárlat-védelemmel. A kimeneti kapcsok rövidzárlata pontosan olyan, mint az akkumulátor rövidzárlata a D1 és L1 keresztül. Az L1 öninduktivitása nem biztos, hogy elég magas ahhoz, hogy korlátozza az áramot a biztosíték kioldásához szükséges ideig.
Induktor szerkezeti részletek
Az L1 a zománcozott rézhuzal 33 és fél fordulatának tekercselésével jön létre. Az 5. ábra mutatja az arányokat. A vállalatok többsége zománcozott rézhuzalt biztosít ABS tekercsen keresztül, amely általában az előbbihez hasonlóan működik az induktor felépítéséhez.
Fúrjon meg egy pár 2 mm-es lyukat az alsó szélén az induktív vezetékek megcsúszásához. Az egyik lyuk a henger közelében lesz, míg a másik az előbbi külső kerületén.
Előfordulhat, hogy nem hasznos a vastag huzalt figyelembe venni az induktor felépítéséhez, a bőrhatás jelenség miatt, amely a töltéshordozók eltolódását okozza a huzal külső felülete vagy a huzal bőre mentén. Ezt az átalakítóban alkalmazott frekvenciák nagysága alapján kell értékelni.
A minimális ellenállás garantálása érdekében a szükséges induktivitáson belül pár 1 mm átmérőjű huzallal, vagy akár 3 vagy 4 huzallal kell dolgozni, amelyek átmérője 0,8 mm.
Körülbelül három 0,8 perc vezeték lehetővé teszi számunkra, hogy teljes méretet kapjunk, amely megközelítőleg megegyezhet két 1 mm-es huzallal, ugyanakkor hatékony 20% -kal nagyobb felületet biztosít.
Az induktor szorosan fel van tekerve, és megfelelő gyanta vagy epoxi alapú vegyület segítségével lezárható a hallható zajszivárgás szabályozására vagy elnyomására (ne feledje, hogy a működés gyakorisága a hallható tartományon belül van).
Felépítés és összehangolás
Az alábbiakban bemutatjuk a javasolt nagy teljesítményű egyenáramú átalakító áramkör számára szánt nyomtatott áramköri lapot vagy a NYÁK-kialakítást.
Számos konstrukciós tényezőt kell figyelembe venni. Az R2 és R3 ellenállások meglehetősen forrók lehetnek, ezért azokat a NYÁK-felület fölé emelt néhány mm-re kell felszerelni.
Ezeknek az ellenállásoknak a segítségével mozgatható maximális áram akár 15 A-ot is elérhet.
A power-FET is jelentősen felforrósodik, és megfelelő méretű hűtőbordát és szabványos csillámszigetelő készletet igényel.
A dióda valószínűleg lehűlés nélkül is működhet, bár ideális esetben a FET áramellátásához használt közös hűtőbordára lehet rögzíteni (ne felejtse el az eszközöket elektromos szigeteléssel ellátni). A szokásos működés közben az induktor megfelelő mennyiségű felmelegedést mutathat.
A nagy teljesítményű csatlakozókat és kábeleket be kell építeni az átalakító bemenetébe és kimenetébe. Az akkumulátort egy 16 A késleltetett biztosítékkal védjük, amely a bemeneti tápvezetékbe van behelyezve.
Vigyázzon azzal, hogy a biztosíték semmilyen formában nem nyújt védelmet az átalakítónak a kimeneti rövidzárlat idején! Az áramkört meglehetősen könnyű felállítani, és a következő módon hajtható végre:
Állítsa be az R1 értéket a kívánt kimeneti feszültség eléréséhez, amely 20 és 30 V között van. A kimeneti feszültség ennél alacsonyabbra csökkenthető, bár nem lehet kisebb, mint a bemeneti feszültség.
Ezt úgy tehetjük meg, hogy egy kisebb ellenállást behelyezünk az R4 helyére. A legnagyobb kimeneti áram várhatóan körülbelül 3 A lehet.
Alkatrész lista
Előző: Grid Dip Meter áramkör Következő: Hogyan készítsünk napelemet egy tranzisztorból
