Yüksek Güçlü DC - DC Dönüştürücü Devresi - 12 V - 30 V Değişken

Yazı, 12 V DC'yi maksimum 30 V'a ve 3 amperlik bir akım hızında daha yüksek bir seviyeye yükseltecek yüksek güçlü bir DC'den DC'ye yükseltici dönüştürücü devresinin nasıl yapılacağını açıklar. Bu yüksek akım çıkışı, indüktör tel göstergesi spesifikasyonlarının uygun şekilde yükseltilmesiyle daha da geliştirilebilir.

Bu dönüştürücünün bir başka harika özelliği, çıktının bir potansiyometre aracılığıyla mümkün olan minimum aralıktan maksimum aralığa doğrusal olarak değiştirilebilmesidir.

Üretim

DC-DC dönüştürücüler araba akü voltajını artırmak genellikle anahtarlamalı mod tipi bir güç kaynağı (SMPSU) veya bir transformatörü çalıştıran bir güç multivibratörü etrafında yapılandırılır.

Bu makalede açıklanan güç dönüştürücü, cihazı kullanır Texas Instruments'tan TL 497A entegre devre . Bu özel IC, oldukça uygun bir şekilde elde edilecek minimum çıkış gürültüsüyle mükemmel voltaj regülasyonunu kolaylaştırır ve aynı şekilde yüksek dönüşüm performansı sağlar.

Devre Nasıl Çalışır?

Burada ayrıntıları verilen dönüştürücü bir flyback topolojisi . Geri dönüş teorisi, daha düşük bir doğrudan giriş voltajından kaynaklanan anında bir çıkış voltajı elde etmenin en uygun ve işlevsel tekniği gibi görünmektedir.

Dönüştürücüdeki ana anahtarlama bileşeni aslında bir güç SIPMOS transistörü T1'dir (bkz. Şekil 1). İletim süresi boyunca, L1'den geçen akım zamanla üssel olarak artar.

Anahtarlama döngüsünün AÇIK olduğu süre boyunca, indüktör, indüklenen manyetik enerjiyi depolar.

Transistör kapatılır kapatılmaz, indüktör depolanan manyetik enerjiyi geri döndürür ve D1 aracılığıyla bağlı yük boyunca bir elektrik akımına dönüştürür.

Bu prosedür sırasında, endüktör üzerindeki manyetik alan sıfıra düşerken transistörün KAPALI kalmaya devam etmesini sağlamak çok önemlidir.

Bu koşulun uygulanmaması durumunda, indüktörden geçen akım doygunluk seviyesine kadar yükselir. Daha sonra bir çığ etkisi, akımın oldukça hızlı bir şekilde maksimize edilmesine neden olur.

Bağıl transistör kontrol tetikleme ON süresi veya bu nedenle görev faktörünün birlik seviyesine ulaşmasına izin verilmemelidir. İzin verilen maksimum görev faktörü, çıkış voltajı etrafındaki çeşitli diğer hususlara bağlıdır.

Bunun nedeni, manyetik alan gücünün bozunma oranına karar vermesidir. Dönüştürücüden elde edilebilecek en yüksek çıkış gücü, indüktör tarafından işlenen izin verilen en yüksek tepe akımı ve sürüş sinyalinin anahtarlama frekansı tarafından belirlenir.

Buradaki kısıtlayıcı unsurlar, öncelikle doyma anı ve indüktörün bakır kayıpları için maksimum tolere edilebilir derecelendirmelerinin yanı sıra, anahtarlama transistörü aracılığıyla tepe akımıdır (her anahtarlama sırasında belirli bir elektrik enerjisi seviyesinin çıkışa geldiğini unutmayın. nabız).

PWM için IC TL497A'yı kullanma

Bu IC'nin çalışması oldukça geleneksel değildir ve aşağıdaki kısa bir açıklamadan anlaşılabilir. Geleneksel sabit frekans uygulaması, değişken görev faktörlü SMPSU denetleyici IC'lerinin aksine, TL497A sabit zamanlı, ayarlanabilir frekans cihazı olarak onaylanmıştır.

Bu nedenle görev faktörü, tutarlı bir çıkış voltajı sağlamak için frekansta ayarlama yoluyla kontrol edilir.

Bu yaklaşım gerçeğe oldukça basit bir devre getirir, ancak yine de düşük akımla çalışan yükler için insan kulağı tarafından duyulabilen daha düşük bir aralığa ulaşan anahtarlama frekansının dezavantajını sağlar.

Gerçekte, yük dönüştürücüden kaldırıldıktan sonra anahtarlama frekansı 1 Hz'nin altına düşer. Sabit bir çıkış voltajını tutmak için çıkış kapasitörlerine bağlanan şarj darbeleri nedeniyle duyulabilen yavaş tıklamalar.

Yüklü bir yük olmadığında, çıkış kapasitörleri, açıkça, voltaj algılama direnci yoluyla kademeli olarak deşarj olma eğilimindedir.

IC TL497A'nın dahili osilatörü sabittir ve C1 tarafından kararlaştırılır. Osilatör üç yöntemle devre dışı bırakılabilir:

• Birincisi, pim 1'deki voltaj referans voltajın (1,2 V) ötesine yükseldiğinde
• İkincisi, indüktör akımı belirli bir en yüksek değeri aştığında
• Ve üçüncüsü, engelleme girişi aracılığıyla (bu devrede kullanılmamasına rağmen).

Standart çalışma sürecindeyken, dahili osilatör, T1'in, indüktör akımı doğrusal olarak artacak şekilde değiştirilmesine izin verir.

T1 kapatıldığında, indüktör içinde biriken manyetik enerji, bu geri emf enerjisi ile yüklenen kapasitör boyunca geri atılır.

IC TL497A'nın pin 1 voltajı ile birlikte çıkış voltajı hafifçe yükselir ve bu da osilatörün devre dışı kalmasına neden olur. Bu, çıkış voltajı önemli ölçüde daha düşük bir seviyeye düşene kadar devam eder. Teorik varsayım söz konusu olduğunda, bu teknik döngüsel bir şekilde yürütülür.

Bununla birlikte, gerçek bileşenleri kullanan bir düzenlemede, kapasitörlerin tek bir osilatör aralığında şarj edilmesiyle indüklenen voltajdaki artış aslında o kadar küçüktür ki, indüktör akımı R2 bileşenleri tarafından belirlendiği gibi en yüksek değere ulaşıncaya kadar osilatör aktif kalır ve R3 (bu noktada R1 ve R3 etrafındaki voltaj düşüşü genellikle 0,7 V'tur).

Akımdaki adım adım artış, Şekil 2b'de gösterildiği gibi, 0.5'ten yüksek olan osilatör sinyal görev faktöründen kaynaklanmaktadır.

Ulaşılan optimum akıma ulaşılır ulaşılmaz, osilatör devre dışı kalır ve indüktörün enerjisini kapasitörler boyunca aktarmasına izin verir.

Bu özel durumda, çıkış voltajı, osilatörün IC pimi 1 vasıtasıyla KAPALI konuma getirilmesini sağlamak için sadece yüksek bir büyüklüğe yükselir. Çıkış voltajı artık hızla düşer, böylece yeni bir şarj döngüsü başlayabilir ve tekrarlanabilir. prosedür.

Bununla birlikte, ne yazık ki, yukarıda tartışılan değiştirme prosedürleri, nispeten büyük kayıplarla birleştirilecektir.

Gerçek hayattaki bir uygulamada, bu sorun, indüktörden geçen akımın tek bir osilatör aralığında asla en yüksek seviyeye uzamadığından emin olmak için yeterince yüksek açılma zamanı (C1 aracılığıyla) ayarlanarak çözülebilir (bkz. Şekil 3).

Bu tür durumlarda çözüm, makul ölçüde minimum bir kendi kendine endüktansa sahip olan bir hava çekirdekli indüktörün dahil edilmesi olabilir.

Dalga Biçimi Karakteristikleri

Şekil 3'teki zamanlama çizelgeleri, devreden anahtar faktörler üzerindeki sinyal dalga biçimlerini göstermektedir. TL497A'nın içindeki ana osilatör azaltılmış bir frekansla çalışır (dönüştürücü çıkışında yük olmadığında I Hz'nin altında).

Şekil 3a'da dikdörtgen darbe olarak gösterilen açılma sırasındaki anlık süre, C1 kapasitörünün değerine bağlıdır. Kapanma süresi yük akımı tarafından belirlenir. Zamanında anahtarlama sırasında, transistör T1 açılır ve indüktör akımının artmasına neden olur (Şekil 3b).

Akım darbesini izleyen KAPALI zaman süresi boyunca, indüktör bir akım kaynağı gibi çalışır.

TL497A, 1,2 V dahili referans voltajı ile pim 1'deki zayıflatılmış çıkış voltajını analiz eder. Değerlendirilen voltajın referans voltajdan daha düşük olması durumunda, T1 daha fazla önyargılıdır, böylece indüktör enerjiyi yeterince depolar.

Bu tekrarlanan şarj ve deşarj döngüleri, çıkış kapasitörlerinde belirli bir dalgalanma voltajı seviyesini tetikler (Şekil 3c). Geri besleme seçeneği, yük akımının neden olduğu voltaj açıklarının olası en iyi telafisini sağlamak için osilatör frekansının ayarlanmasına izin verir.

Şekil 3d'deki zamanlama darbe diyagramı, indüktörün nispeten yüksek Q (kalite) faktörü nedeniyle boşaltma voltajının önemli hareketini gösterir.

Başıboş dalgalanma salınımları genellikle bu DC'den DC'ye güç dönüştürücüsünün normal işleyişini etkilemese de, bunlar indüktör boyunca paralel bir 1 k direnç kullanılarak bastırılabilir.

Pratik Hususlar

Normalde, durgun çıkış akımı yerine maksimum bir çıkış akımı elde etmek için bir SMPS devresi geliştirilmiştir.

Minimum dalgalanma ile birlikte sabit çıkış voltajının yanı sıra yüksek verimlilik, ek olarak temel tasarım hedefleri haline gelir. Genel olarak, geri dönüş tabanlı bir SMPS'nin yük düzenleme özellikleri, endişeler için neredeyse hiçbir neden sağlamaz.

Her bir anahtarlama döngüsü boyunca, çıkış voltajının önemli yük akımı dalgalanmalarına rağmen nispeten sabit kalmaya devam etmesi için, açma / kapama oranı veya görev döngüsü yük akımına göre ayarlanır.

Senaryo, genel verimlilik açısından biraz farklı görünüyor. Geri dönüş topolojisine dayalı bir yükseltici dönüştürücü, tipik olarak, önemli ölçüde enerji kaybını tetikleyebilecek oldukça önemli akım artışları üretir (akım arttıkça gücün üssel olarak arttığını unutmayın).

Ancak gerçek yaşamda, önerilen yüksek güçlü DC'den DC'ye dönüştürücü devresi, optimum çıkış akımı ile% 70'den daha iyi bir genel verimlilik sağlar ve bu, düzenin basitliği açısından oldukça etkileyici görünür.

Bu, sonuç olarak, doygunluğa ulaşmasını gerektirir ve bu da makul ölçüde uzun bir kapanma süresine yol açar. Doğal olarak, transistörün indüktör akımını kesmesi ne kadar çok zaman gerektirirse, tasarımın genel verimliliği o kadar az olacaktır.

Oldukça alışılmadık bir şekilde, MOSFET BUZ10, dahili çıkış transistörü yerine osilatör test çıkışının 11 numaralı pimi üzerinden değiştirilir.

Diyot D1, devrenin içindeki bir başka önemli bileşendir. Bu birimin gereksinimleri, yüksek akım artışlarına ve yavaş ileriye doğru düşüşe dayanma potansiyelidir. Tip B5V79 tüm bu gereksinimleri karşılar ve başka bir varyantla değiştirilmemelidir.

Şekil 1'deki ana devre şemasına geri dönersek, 15-20 A akım yükseklerinin devrede genellikle anormal olmadığına dikkat edilmelidir. Nispeten daha yüksek iç dirence sahip pillerle gelişen sorunları önlemek için, konvertör C4 konvertörün girişine bir tampon gibi eklenir.

Çıkış kapasitörlerinin dönüştürücü tarafından akım artışları gibi hızlı darbelerle şarj edildiği göz önüne alındığında, bir çift kapasitörün olabildiğince az kalmasını sağlamak için paralel olarak bağlanır.

DC'den DC'ye güç dönüştürücüsü gerçekte kısa devre korumasına sahip değildir. Çıkış terminallerine kısa devre yaptırmak, tam olarak bataryayı D1 ve L1 üzerinden kısa devre yapmak gibi olacaktır. L1'in kendi kendine endüktansı, bir sigortanın atmasını sağlamak için gerekli süre boyunca akımı kısıtlayacak kadar yüksek olmayabilir.

İndüktör Yapısal Detayları

L1, emaye bakır telin 33 buçuk tur sarılmasıyla oluşturulur. Şekil 5 oranları göstermektedir. Şirketlerin çoğu, genellikle indüktörü oluşturmak için eskisi gibi çalışan bir ABS rulosu üzerine emaye bakır tel sağlar.

İndüktör tellerini kaydırmak için alt kenara birkaç 2 mm delik açın. Deliklerden biri silindire yakın, diğeri ise silindirin dış çevresinde olacaktır.

Telin dış yüzeyi veya telin derisi boyunca yük taşıyıcılarının kaymasına neden olan deri etkisi fenomeni nedeniyle, indüktörü oluşturmak için kalın tel düşünmek yararlı olmayabilir. Bu, dönüştürücüde kullanılan frekansların büyüklüğüne göre değerlendirilmelidir.

Gerekli endüktans dahilinde minimum bir direnci garanti etmek için, 1 mm çapında birkaç telle veya hatta demet halinde 0,8 mm çapında 3 veya 4 telle çalışılması savunulmaktadır.

Yaklaşık 0,8 dakikalık üç tel, iki 1 mm tel ile yaklaşık olarak aynı olabilen, ancak% 20 daha yüksek etkili bir yüzey alanı sağlayan toplam bir boyut elde etmemize izin verecektir.

İndüktör sıkıca sarılır ve işitilebilir gürültü sızıntısını kontrol etmek veya bastırmak için uygun bir reçine veya epoksi bazlı bileşik kullanılarak kapatılabilir (çalışma frekansının duyulabilir aralık dahilinde olduğunu unutmayın).

İnşaat ve hizalama

Önerilen yüksek güçlü DC DC dönüştürücü devresine yönelik baskılı devre kartı veya PCB tasarımı aşağıda sunulmuştur.

Birkaç yapısal faktörün bazı düşünceleri olması gerekir. Dirençler R2 ve R3 oldukça ısınabilir ve bu nedenle PCB yüzeyinin birkaç mm yukarısına kurulmalıdır.

Bu dirençler vasıtasıyla hareket eden maksimum akım 15 A kadar büyük olabilir.

Power-FET de önemli ölçüde ısınacak ve makul boyutta bir soğutucu ve standart mika yalıtım kiti gerektirecektir.

Diyot muhtemelen soğumadan çalışabilir, ancak ideal olarak güç FET'i için kullanılan ortak bir soğutucuya kenetlenebilir (cihazları elektriksel olarak yalıtmayı unutmayın). Normal çalışıyorken, indüktör makul miktarda ısınma gösterebilir.

Ağır hizmet tipi konektörler ve kablolar, bu dönüştürücünün giriş ve çıkışına dahil edilmelidir. Batarya, giriş besleme hattına yerleştirilen 16 A gecikmeli sigorta ile korunur.

Çıkış kısa devreleri sırasında sigortanın dönüştürücüye herhangi bir koruma sağlamayacağına dikkat edin! Devrenin kurulması oldukça kolaydır ve aşağıdaki şekilde yapılabilir:

20 ile 30 V arasında olmayan amaçlanan çıkış voltajını elde etmek için R1'i ayarlayın. Çıkış voltajı giriş voltajından daha az olmamasına rağmen bunun altına düşürülebilir.

Bu, R4 yerine daha küçük bir direnç eklenerek yapılabilir. En yüksek çıkış akımının yaklaşık 3 A olması beklenebilir.

Parça listesi