Suuritehoinen tehokas buck-muunninpiiri TL494: n avulla

Buck muunnin (askel alaspäin muunnin) on DC-DC-kytkentä-muunnin, joka askeleen alaspäin jännite säilyttäen samalla teho tasapaino. Buck-muuntimen pääominaisuus on tehokkuus, mikä tarkoittaa, että aluksella olevan muuntimen avulla voimme odottaa pidentynyttä akun käyttöikää, pienempää lämpöä, pienempää kokoa ja parempaa hyötysuhdetta. Teimme aiemmin muutaman yksinkertaisen Buck-muunninpiirin ja selitimme sen perusteet ja suunnittelun tehokkuuden.

Joten tässä artikkelissa aiomme suunnitella, laskea ja testata korkean hyötysuhteen buck-muunninpiirin suositun TL494 IC: n perusteella, ja viimein on yksityiskohtainen video, joka näyttää piirin työskentely- ja testausosan, joten ilman jatka, aloitetaan.

Kuinka Buck Converter toimii?

Yllä oleva kuva esittää hyvin yksinkertaisen buck-muunninpiirin. Tiedän kuinka buck-muunnin toimii, aion jakaa piirin kahteen ehtoon. Ensimmäinen ehto, kun transistori on PÄÄLLÄ, seuraava ehto, kun transistori on POIS.

Transistori tilassa

Tässä skenaariossa voimme nähdä, että diodi on avoimen piirin tilassa, koska se on päinvastaisessa tilassa. Tässä tilanteessa osa alkuvirrasta alkaa virrata kuorman läpi, mutta induktori rajoittaa virtaa, joten myös induktori alkaa latautua vähitellen. Siksi kondensaattori rakentaa piirin käynnistysaikana lataussyklin jaksoittain, ja tämä jännite heijastuu kuorman yli.

Transistori pois päältä

Kun transistori on sammutetussa tilassa, induktoriin L1 varastoitu energia romahtaa ja virtaa takaisin diodin D1 läpi, kuten piirissä nuolilla esitetään. Tässä tilanteessa jännite induktorin yli on päinvastaisessa järjestyksessä, joten diodi on eteenpäin suuntautuvassa tilassa. Nyt induktorin romahtavan magneettikentän vuoksi virta kulkee edelleen kuorman läpi, kunnes induktori loppuu varauksestaan. Kaikki tämä tapahtuu, kun transistori on pois päältä.

Tietyn ajan kuluttua, kun induktorissa on melkein loppu varastoituneesta energiasta, kuormitusjännite alkaa jälleen laskea, tässä tilanteessa kondensaattorista C1 tulee tärkein virtalähde, kondensaattori on siellä pitämään virtaa virtaavana, kunnes seuraava jakso alkaa uudelleen.

Nyt vaihtelemalla kytkentätaajuutta ja kytkentäaikaa voimme saada minkä tahansa lähdön 0: sta Vin: iin buck-muuntimesta.

IC TL494

Nyt ennen kuin aloitat TL494-buck-muuntimen rakentamisen, opitaan, kuinka PWM-ohjain TL494 toimii.

TL494 IC: ssä on 8 toiminnallista lohkoa, jotka on esitetty ja kuvattu alla.

1. 5-V-referenssisäädin

5 V: n sisäinen referenssisäätimen lähtö on REF-nasta, joka on IC: n nasta-14. Vertailusäädin on tarkoitettu tarjoamaan vakaa syöttö sisäisille piireille, kuten pulssiohjaava kiikku, oskillaattori, kuolleen ajan ohjauksen vertailija ja PWM-vertailija. Säädintä käytetään myös virhevahvistimien ohjaamiseen, jotka ovat vastuussa ulostulon ohjaamisesta.

Merkintä! Ohjearvo on sisäisesti ohjelmoitu alkutarkkuudelle ± 5% ja ylläpitää vakautta tulojännitealueella 7 - 40 V. Alle 7 V: n tulojännitteille säädin kyllästyy 1 V: n sisällä tulosta ja seuraa sitä.

2. oskillaattori

Oskillaattori generoi sahanterän aallon kuolleen ajan ohjaimelle ja PWM-vertailijoille erilaisille ohjaussignaaleille.

Taajuus oskillaattorin voidaan asettaa valitsemalla ajoituksen osat R T ja C- T.

Oskillaattorin voidaan laskea alla olevan kaavan

Fosc = 1 / (RT * CT)

Yksinkertaisuuden vuoksi olen tehnyt laskentataulukon, jolla voit laskea taajuuden erittäin helposti.

Merkintä! Oskillaattorin taajuus on yhtä suuri kuin lähtötaajuus vain yksipäisissä sovelluksissa. Push-pull-sovelluksissa lähtötaajuus on puolet oskillaattorin taajuudesta.

3. Dead-time Control Comparator

Kuollut aika tai yksinkertaisesti sanoa, että off-time-ohjaus tarjoaa vähimmäisen kuolleen tai off-ajan. Kuollun ajan vertailijan lähtö estää kytkentätransistoreita, kun tulon jännite on suurempi kuin oskillaattorin ramppijännite. Jännitteen kytkeminen DTC- nastaan voi asettaa ylimääräisen kuolleen ajan, mikä antaa ylimääräisen kuolleen ajan sen minimistä 3% - 100%, koska tulojännite vaihtelee 0-3 V. Yksinkertaisesti sanottuna voimme muuttaa lähtöaallon käyttöjaksoa säätämättä virhevahvistimia.

Merkintä! Sisäinen 110 mV: n siirtymä takaa vähintään 3%: n kuolleen ajan kuolleen ajan ohjaustulon ollessa maadoitettu.

4. Virhevahvistimet

Molemmat suuren vahvistuksen virhevahvistimet saavat esijännityksen VI-syöttökiskolta. Tämä sallii yhteismoodin tulojännitealueen –0,3 V - 2 V alle VI. Molemmat vahvistimet käyttäytyvät tyypillisesti yksipäisillä yksisyöttöisillä vahvistimilla, koska kukin lähtö on aktiivinen vain korkealla.

5. Lähtö-ohjaustulo

Lähdön ohjaustulo määrittää, toimivatko lähtötransistorit rinnakkain vai push-pull-tilassa. Kytkemällä lähtö-ohjaustappi, joka on nasta-13, maahan asetetaan lähtötransistorit rinnakkaiskäyttötilaan. Mutta liittämällä tämä tappi 5V-REF-nastaan, lähtötransistorit asetetaan push-pull-tilaan.

6. Lähtötransistorit

IC: llä on kaksi sisäistä lähtötransistoria, jotka ovat avoimen kollektorin ja avoimen emitterin kokoonpanoissa, joiden avulla se voi hankkia tai upottaa enintään 200 mA: n virran.

Merkintä! Transistorien kyllästysjännite on alle 1,3 V tavallisessa emitterikokoonpanossa ja alle 2,5 V emitteri-seuraaja-konfiguraatiossa.

TL494 IC: n ominaisuudet

Täydellinen PWM-virranhallintapiiri
Ei-sitoutuneet lähdöt 200 mA: n pesuallalle tai lähdevirralle
Ulostulon hallinta valitsee yhden pääty- tai työntövetotoiminnon
Sisäinen piiri estää kaksoispulssin kummassakin lähdössä
Muuttuva kuollut aika tarjoaa hallinnan kokonaisalueelle
Sisäinen säädin tarjoaa vakaan 5 voltin
Viitehuolto 5%: n toleranssilla
Piiriarkkitehtuuri mahdollistaa helpon synkronoinnin

Merkintä! Suurin osa sisäisestä kaaviosta ja toimintojen kuvauksesta on otettu lomakkeesta ja sitä on muutettu jossain määrin paremman ymmärtämisen vuoksi.

Tarvittavat komponentit

TL494 IC - 1
TIP2955 Transistori - 1
Ruuviliitin 5mmx2 - 2
1000uF, 60V kondensaattori - 1
470uF, 60 V kondensaattori - 1
50K, 1% vastus - 1
560R-vastus - 1
10K, 1% vastus - 4
3,3 kt, 1% vastus - 2
330R-vastus - 1
0,22 uF kondensaattori - 1
5,6 kt, 1 W vastus - 1
12,1 V: n Zener-diodi - 1
MBR20100CT Schottky -diodi - 1
70uH (27 x 11 x 14) mm kela - 1
Potentiometrin (10K) trimmausastia - 1
0,22 R: n virtatunnistusvastus - 2
Verhouslevy Yleinen 50x 50mm - 1
Virtalähteen yleinen jäähdytyselementti - 1
Hyppyjohdot - 15

Kaaviokuva

Korkean hyötysuhteen Buck Converterin piirikaavio on annettu alla.

Piirirakenne

Tämän suuren virran varavirtamuuntimen esittelyä varten piiri on rakennettu käsintehdyssä piirilevyssä kaavamaisen ja piirilevyn suunnittelutiedostojen avulla; Huomaa, että jos liität suuren kuorman lähtöaukon muuntimeen, valtava määrä virtaa virtaa piirilevyn jälkien läpi, ja on mahdollista, että jäljet palavat. Joten PCB-jälkien palamisen estämiseksi olen sisällyttänyt joitain hyppääjiä, jotka auttavat lisäämään nykyistä virtausta. Olen myös vahvistanut piirilevyjälkiä paksulla juotekerroksella jäljitysvastuksen pienentämiseksi.

Induktori on rakennettu 3 säikeestä 0,45 neliömetriä emaloitua kuparilangasta.

Laskelmat

Induktorin ja kondensaattorin arvojen laskemiseksi olen käyttänyt texas-instrumenteista peräisin olevaa asiakirjaa.

Sen jälkeen olen tehnyt google-laskentataulukon helpottaakseni laskemista

Tämän suurjännitemuuntajan testaaminen

Piirin testaamiseksi käytetään seuraavaa asetusta. Kuten yllä olevassa kuvassa on esitetty, tulojännite on 41,17 V ja kuormittamaton virta on 0,015 A, mikä saa kuormittamattoman tehon vetämään alle 0,6 W: iin.

Ennen kuin kukaan teistä hyppää ja sanoo mitä vastuksen kulho tekee testipöydässäni.

Sallikaa minun kertoa teille, että vastukset kuumenevat erittäin hyvin piirin testaamisen aikana täydellä kuormituksella, joten olen valmistanut kulhoon vettä estämään työpöydän palamista

Piirin testaamiseen käytetyt työkalut

12 V: n lyijyakku.
Muuntaja, jossa on 6-0-6 hana ja 12-0-12 hana
5 10W 10r vastus rinnakkain kuormana
Meco 108B + TRMS yleismittari
Meco 450B + TRMS yleismittari
Hantek 6022BE -oskilloskooppi

Syöttöteho suuritehoiselle Buck Converterille

Kuten yllä olevasta kuvasta näet, tulojännite laskee 27,45 V: iin kuormitustilassa ja tulovirta on 3,022 A, joka on yhtä suuri kuin 82,9539 W.

Lähtöteho

Kuten yllä olevasta kuvasta näkyy, lähtöjännite on 12,78 V ja lähtövirran arvo 5,614A, joka vastaa 71,6958 W.

Joten piirin hyötysuhde on (71,6958 / 82,9539) x 100% = 86,42%

Piirin menetys johtuu vastuksista TL494 IC: n ja

Absoluuttinen maksimivirranotto testitaulukossa

Yllä olevasta kuvasta voidaan nähdä, että piirin suurin virrankulutus on 6,96 A melkein

Tässä tilanteessa järjestelmän tärkein pullonkaula on muuntajani, minkä vuoksi en voi lisätä kuormitusvirtaa, mutta tällä suunnittelulla ja hyvällä jäähdytyselementillä voit helposti vetää yli 10 A virtaa tästä piiristä.

Merkintä! Joku teistä ihmettelee, miksi olen kiinnittänyt massiivisen jäähdytyselementin piiriin, haluaisin sanoa teille, että minulla ei ole pienempää jäähdytyselementtiä varastossani.

Lisäparannuksia

Tämä TL494-buck-muunninpiiri on tarkoitettu vain esittelyä varten, joten piirin lähtöosaan ei lisätä suojapiiriä

Lähtösuojapiiri on lisättävä kuormituspiirin suojaamiseksi.
Induktori on kastettava lakkaan, muuten se tuottaa ääntä.
Hyvälaatuinen piirilevy, jolla on oikea muotoilu, on pakollinen
Kytkentätransistoria voidaan muuttaa kuormitusvirran lisäämiseksi

Toivottavasti pidit tästä artikkelista ja opit siitä jotain uutta. Jos sinulla on epäilyksiä, voit kysyä alla olevista kommenteista tai käyttää foorumeitamme yksityiskohtaiseen keskusteluun.