Obwód konwertera prądu stałego na prąd stały dużej mocy - zmienne od 12 V do 30 V.

W poście wyjaśniono, jak wykonać obwód konwertera podwyższającego napięcie DC na DC o dużej mocy, który podniesie napięcie 12 V DC do dowolnego wyższego poziomu do maksymalnie 30 V i przy natężeniu prądu 3 A. Ten wysoki prąd wyjściowy można dodatkowo ulepszyć przez odpowiednią aktualizację specyfikacji grubości drutu cewki indukcyjnej.

Kolejną wielką cechą tego konwertera jest to, że moc wyjściową można zmieniać liniowo za pomocą potencjometru, od minimalnego możliwego zakresu do maksymalnego zakresu.

Wprowadzenie

Przetwornice DC-DC przeznaczone do Podwyższenie napięcia akumulatora samochodowego są często konfigurowane wokół zasilacza impulsowego (SMPSU) lub multiwibratora mocy, napędzającego transformator.

Przetwornica mocy opisana w tym artykule wykorzystuje to urządzenie Układ scalony TL 497A firmy Texas Instruments . Ten konkretny układ scalony zapewnia doskonałą regulację napięcia przy minimalnym szumie wyjściowym, który można osiągnąć dość wygodnie, a także zapewnia wysoką wydajność konwersji.

Jak działa obwód

Konwerter wyszczególniony tutaj używa pliku topologia flyback . Wydaje się, że teoria flyback jest najbardziej odpowiednią i funkcjonalną techniką uzyskiwania natychmiastowego napięcia wyjściowego pochodzącego z niższego bezpośredniego napięcia wejściowego.

Głównym elementem przełączającym w przekształtniku jest w rzeczywistości tranzystor mocy SIPMOS T1 (patrz rys. 1). W okresie przewodzenia prąd przepływający przez L1 rośnie wykładniczo z upływem czasu.

W czasie włączenia cyklu przełączania cewka przechowuje indukowaną energię magnetyczną.

Gdy tylko tranzystor zostanie wyłączony, cewka indukcyjna odwraca zmagazynowaną energię magnetyczną, przekształcając ją w prąd elektryczny w podłączonym obciążeniu przez D1.

Podczas tej procedury bardzo ważne jest, aby tranzystor był nadal wyłączony przez okres czasu, gdy pole magnetyczne na cewce spada do zera.

W przypadku, gdy warunek ten nie zostanie spełniony, prąd płynący przez cewkę wzrasta do poziomu nasycenia. Efekt lawiny powoduje, że prąd szybko się maksymalizuje.

Względny czas załączenia wyzwalania sterowania tranzystorem, a tym samym współczynnik wypełnienia, nie powinien osiągnąć poziomu jedności. Maksymalny dopuszczalny współczynnik wypełnienia zależy, z różnych innych aspektów, od napięcia wyjściowego.

Dzieje się tak, ponieważ decyduje o tempie zaniku natężenia pola magnetycznego. Najwyższą moc wyjściową, jaką można uzyskać z przekształtnika, określa najwyższy dopuszczalny prąd szczytowy przetwarzany przez cewkę oraz częstotliwość przełączania sygnału sterującego.

Elementami ograniczającymi są tutaj przede wszystkim moment nasycenia i maksymalne dopuszczalne wartości znamionowe cewki indukcyjnej dla strat miedzi, a także prąd szczytowy przez tranzystor przełączający (nie zapominaj, że skok o określonym poziomie energii elektrycznej pojawia się na wyjściu podczas każdego przełączania puls).

Korzystanie z IC TL497A dla PWM

Działanie tego układu scalonego jest dość nietradycyjne, co można zrozumieć z krótkiego wyjaśnienia poniżej. W przeciwieństwie do konwencjonalnej implementacji stałej częstotliwości, układów scalonych sterownika SMPSU o zmiennym współczynniku wypełnienia, TL497A jest certyfikowany jako urządzenie z regulacją częstotliwości o stałym czasie pracy.

Dlatego współczynnik wypełnienia jest kontrolowany poprzez regulację częstotliwości w celu zapewnienia stałego napięcia wyjściowego.

Takie podejście wprowadza w życie dość prosty obwód, niemniej jednak zapewnia wadę częstotliwości przełączania dochodzącej do niższego zakresu, który może być słyszalny dla ludzkiego ucha przy obciążeniach pracujących z niższym prądem.

W rzeczywistości częstotliwość przełączania spada poniżej 1 Hz po zdjęciu obciążenia z przetwornicy. Powolne kliknięcia są słyszalne z powodu impulsów ładowania podłączonych do kondensatorów wyjściowych w celu utrzymania stałego napięcia wyjściowego.

Gdy nie ma podłączonego obciążenia, kondensatory wyjściowe są oczywiście stopniowo rozładowywane przez rezystor wykrywający napięcie.

Wewnętrzny czas działania oscylatora IC TL497A jest stały, o czym decyduje C1. Oscylator można wyłączyć na trzy sposoby:

• Po pierwsze, gdy napięcie na pinie 1 wzrośnie powyżej napięcia odniesienia (1,2 V)
• Po drugie, gdy prąd cewki przekracza określoną najwyższą wartość
• I po trzecie, za pomocą wejścia blokującego (chociaż nie jest używane w tym obwodzie).

W standardowym procesie pracy oscylator wewnętrzny umożliwia przełączanie T1 w taki sposób, że prąd cewki indukcyjnej rośnie liniowo.

Kiedy T1 jest wyłączony, energia magnetyczna zgromadzona wewnątrz cewki indukcyjnej jest odrzucana z powrotem przez kondensator, który jest ładowany przez tę energię wstecznego pola elektromagnetycznego.

Napięcie wyjściowe wraz z napięciem na pinie 1 układu IC TL497A nieznacznie wzrasta, co powoduje dezaktywację oscylatora. Trwa to dopóki napięcie wyjściowe nie spadnie do jakiegoś znacznie niższego poziomu. Technika ta jest wykonywana cyklicznie, jeśli chodzi o założenia teoretyczne.

Jednak w układzie wykorzystującym rzeczywiste komponenty wzrost napięcia indukowanego ładowaniem kondensatorów w pojedynczym interwale oscylatora jest w rzeczywistości tak mały, że oscylator pozostaje aktywowany, dopóki prąd cewki indukcyjnej nie osiągnie największej wartości określonej przez składniki R2 i R3 (spadek napięcia wokół R1 i R3 wynosi zwykle 0,7 V w tym momencie).

Krokowy wzrost prądu, jak pokazano na rys. 2b, jest spowodowany współczynnikiem wypełnienia sygnału oscylatora, który jest wyższy niż 0,5.

Gdy tylko osiągnięty zostanie optymalny prąd, oscylator wyłącza się, umożliwiając cewce indukcyjnej przesyłanie swojej energii przez kondensatory.

W tej konkretnej sytuacji napięcie wyjściowe wzrasta do wielkości, która jest tylko wysoka, aby zapewnić wyłączenie oscylatora za pomocą styku 1 układu scalonego. Napięcie wyjściowe teraz szybko spada, dzięki czemu można rozpocząć i powtórzyć nowy cykl ładowania. procedura.

Niestety, opisane powyżej procedury zamiany będą się wiązały ze stosunkowo dużymi stratami.

W rzeczywistej implementacji problem ten można rozwiązać, ustawiając czas włączenia (przez C1) wystarczająco wysoki, aby upewnić się, że prąd płynący przez cewkę indukcyjną nigdy nie osiągnie najwyższego poziomu w pojedynczym przedziale czasu oscylatora (patrz rys. 3).

Środkiem zaradczym w takich przypadkach może być wbudowanie cewki indukcyjnej z rdzeniem powietrznym, która ma dostatecznie minimalną indukcyjność własną.

Charakterystyka przebiegu

Wykresy czasowe na rys. 3 przedstawiają przebiegi sygnałów dla kluczowych czynników z obwodu. Główny oscylator wewnątrz TL497A pracuje ze zmniejszoną częstotliwością (poniżej I Hz, gdy nie ma obciążenia na wyjściu konwertera).

Chwilowy czas załączenia, oznaczony na rys. 3a prostokątnym impulsem, zależy od wartości kondensatora C1. Czas wyłączenia jest określany przez prąd obciążenia. Podczas załączania tranzystor T1 załącza się powodując wzrost prądu cewki indukcyjnej (rys. 3b).

Podczas okresu wyłączenia po impulsie prądu cewka działa jak źródło prądu.

TL497A analizuje tłumione napięcie wyjściowe na pinie 1 przy wewnętrznym napięciu odniesienia 1,2 V. W przypadku, gdy oceniane napięcie jest niższe niż napięcie odniesienia, T1 jest obciążany mocniej, tak że cewka indukcyjna odpowiednio magazynuje energię.

Te powtarzające się cykle ładowania i rozładowania wyzwalają pewien poziom napięcia tętnienia na kondensatorach wyjściowych (rys. 3c). Opcja sprzężenia zwrotnego umożliwia regulację częstotliwości oscylatora w celu zapewnienia najlepszej możliwej kompensacji niedoborów napięcia spowodowanych prądem obciążenia.

Wykres impulsu taktowania na ryc. 3d ujawnia znaczny ruch napięcia drenu z powodu stosunkowo wysokiego współczynnika Q (jakości) cewki indukcyjnej.

Chociaż oscylacje błądzące tętnienia zwykle nie wpływają na normalne działanie tego przetwornika mocy DC na DC, można je stłumić za pomocą równoległego rezystora 1 k na cewce.

Względy praktyczne

Zwykle obwód SMPS jest opracowywany w celu uzyskania maksymalnego prądu wyjściowego zamiast spoczynkowego prądu wyjściowego.

Wysoka sprawność wraz ze stałym napięciem wyjściowym wraz z minimalnymi tętnieniami są dodatkowo kluczowymi celami projektowymi. Ogólnie rzecz biorąc, funkcje regulacji obciążenia SMPS opartego na flyback nie dają prawie żadnego powodu do obaw.

W trakcie każdego cyklu przełączania stosunek włączania / wyłączania lub cykl pracy jest dostosowywany do prądu obciążenia, aby napięcie wyjściowe było nadal względnie stabilne pomimo znacznych wahań prądu obciążenia.

Scenariusz wydaje się nieco inny pod względem ogólnej wydajności. Przetwornik podwyższający oparty na topologii flyback zwykle wytwarza dość duże skoki prądu, które mogą powodować znaczną utratę energii (nie zapominaj, że moc rośnie wykładniczo wraz ze wzrostem prądu).

Jednak w rzeczywistych warunkach pracy zalecany obwód konwertera prądu stałego na prąd stały o dużej mocy zapewnia ogólną wydajność lepszą niż 70% przy optymalnym prądzie wyjściowym, a to wygląda imponująco pod względem prostoty układu.

To w konsekwencji wymaga od niego zasilania do stanu nasycenia, co prowadzi do rozsądnie wydłużonego czasu wyłączenia. Oczywiście, im więcej czasu potrzebuje tranzystor na odcięcie prądu cewki, tym mniejsza będzie wszechstronna wydajność projektu.

W dość niekonwencjonalny sposób, MOSFET BUZ10 jest przełączany przez pin 11 wyjścia testowego oscylatora zamiast wewnętrznego tranzystora wyjściowego.

Dioda D1 to kolejny kluczowy element wewnątrz obwodu. Wymagania dla tej jednostki są potencjalne, aby wytrzymać wysokie skoki prądu i powolny spadek do przodu. Typ B5V79 spełnia wszystkie te wymagania i nie powinien być zastępowany jakimś innym wariantem.

Wracając do głównego schematu obwodu z rys. 1, należy uważnie zauważyć, że wysokie prądy 15-20 A generalnie nie są nieprawidłowe w obwodzie. Aby uniknąć problemów związanych z akumulatorami o stosunkowo wyższej rezystancji wewnętrznej, kondensator C4 jest wprowadzany jako bufor na wejściu przetwornika.

Biorąc pod uwagę, że kondensatory wyjściowe są ładowane przez konwerter za pomocą szybkich impulsów, takich jak skoki prądu, kilka kondensatorów jest podłączonych równolegle, aby upewnić się, że pojemność wyjściowa pozostaje tak minimalna, jak to tylko możliwe.

Przetwornica prądu stałego na prąd stały w rzeczywistości nie ma zabezpieczenia przed zwarciem. Zwarcie zacisków wyjściowych będzie dokładnie takie samo, jak zwarcie baterii przez D1 i L1. Indukcyjność własna L1 może nie być wystarczająco wysoka, aby ograniczyć prąd przez okres niezbędny do zadziałania bezpiecznika.

Szczegóły konstrukcyjne cewki indukcyjnej

L1 jest tworzony przez nawinięcie 33 i pół zwojów emaliowanego drutu miedzianego. Rysunek 5 przedstawia proporcje. Większość firm dostarcza emaliowany drut miedziany na rolce ABS, która zwykle działa podobnie jak poprzednia do budowy cewki indukcyjnej.

Wywierć kilka otworów 2 mm w dolnej krawędzi, aby wsunąć przewody cewki. Jeden z otworów będzie znajdował się w pobliżu cylindra, a drugi na zewnętrznym obwodzie pierwszego.

Uwzględnianie grubego drutu w konstrukcji wzbudnika może nie być przydatne ze względu na zjawisko naskórkowania, które powoduje przesunięcie nośników ładunku wzdłuż zewnętrznej powierzchni drutu lub naskórka drutu. Należy to ocenić biorąc pod uwagę wielkość częstotliwości wykorzystywanych w przetworniku.

Aby zagwarantować minimalny opór w ramach wymaganej indukcyjności, zaleca się pracę z kilkoma drutami o średnicy 1 mm lub nawet 3 lub 4 drutami o średnicy 0,8 mm w wiązce.

Około trzech drutów 0,8 min pozwoli nam uzyskać całkowity wymiar, który może być w przybliżeniu identyczny z dwoma drutami 1 mm, ale zapewnia efektywne 20% większe pole powierzchni.

Cewka indukcyjna jest ciasno nawinięta i można ją uszczelnić za pomocą odpowiedniej żywicy lub związku na bazie żywicy epoksydowej w celu kontrolowania lub tłumienia słyszalnego wycieku hałasu (pamiętaj, że częstotliwość pracy mieści się w słyszalnym zakresie).

Budowa i wyrównanie

Poniżej przedstawiono płytkę drukowaną lub konstrukcję PCB przeznaczoną dla proponowanego obwodu przekształtnika DC dużej mocy DC.

Należy wziąć pod uwagę kilka czynników konstrukcyjnych. Rezystory R2 i R3 mogą się bardzo nagrzewać i dlatego należy je instalować kilka mm nad powierzchnią PCB.

Maksymalny prąd płynący za pomocą tych rezystorów może sięgać nawet 15 A.

Power-FET również znacznie się nagrzeje i będzie wymagał odpowiedniego rozmiaru radiatora i standardowego zestawu izolacyjnego z miki.

Dioda może prawdopodobnie działać bez wychładzania, ale najlepiej jest ją zamocować na zwykłym radiatorze używanym do zasilania FET (pamiętaj o zaizolowaniu urządzeń elektrycznie). Podczas normalnego działania cewka może się nagrzewać.

Na wejściu i wyjściu tego konwertera należy zastosować wytrzymałe złącza i kable. Akumulator jest chroniony bezpiecznikiem 16 A o zwłocznym działaniu, wprowadzonym do linii zasilającej.

Uważaj na to, że bezpiecznik nie zapewni żadnej ochrony konwertera podczas zwarć wyjściowych! Obwód jest dość łatwy do skonfigurowania i można go wykonać w następujący sposób:

Wyreguluj R1, aby osiągnąć zamierzone napięcie wyjściowe, które może zawierać się w przedziale od 20 do 30 V. Napięcie wyjściowe można zmniejszyć poniżej tej wartości, chociaż nie może być niższe niż napięcie wejściowe.

Można to zrobić wstawiając mniejszy rezystor w miejsce R4. Można oczekiwać, że najwyższy prąd wyjściowy wyniesie około 3 A.

Lista części