Vysoce výkonný obvod převaděče stejnosměrného proudu na stejnosměrný - variabilní 12 V až 30 V.

Příspěvek vysvětluje, jak vytvořit vysoce výkonný obvod převodníku DC na DC, který zvýší 12 V DC na jakoukoli vyšší úroveň až do maxima 30 V a při proudu 3 ampéry. Tento vysoce proudový výstup lze dále vylepšit vhodným upgradem specifikací induktoru drátu.

Další skvělou vlastností tohoto převodníku je to, že výstup lze lineárně měnit potenciometrem, od minimálního možného rozsahu do maximálního rozsahu.

Úvod

Měniče DC-DC určené pro zvyšování napětí autobaterie jsou často konfigurovány kolem spínaného typu napájení (SMPSU) nebo výkonového multivibrátoru, pohánějícího transformátor.

Převaděč výkonu vysvětlený v tomto článku využívá zařízení Integrovaný obvod TL 497A od společnosti Texas Instruments . Tento konkrétní integrovaný obvod umožňuje vynikající regulaci napětí s minimálním výstupním šumem, které lze dosáhnout docela pohodlně, a rovněž zajišťuje vysoký výkon převodu.

Jak obvod funguje

Zde podrobně uvedený převaděč používá a topologie flyback . Teorie flybacku se jeví jako nejvhodnější a nejfunkčnější technika pro získání okamžitého výstupního napětí pocházejícího z nižšího přímého vstupního napětí.

Hlavní spínací složkou v převodníku je ve skutečnosti výkonový SIPMOS tranzistor T1 (viz obr. 1). Během periody vedení se proud procházející L1 exponenciálně zvyšuje s časem.

Během doby zapnutí spínacího cyklu induktor ukládá indukovanou magnetickou energii.

Jakmile je tranzistor vypnut, induktor vrací uloženou magnetickou energii a přeměňuje ji na elektrický proud přes připojenou zátěž přes D1.

Během tohoto postupu je zásadní zajistit, aby byl tranzistor po dobu, kdy se magnetické pole na induktoru rozpadne na nulu, stále vypnutý.

V případě, že se tato podmínka neimplementuje, proud přes induktor stoupá až na úroveň nasycení. Lavinový efekt následně vede k tomu, že se proud docela rychle maximalizuje.

Relativní doba zapnutí spouštěče řízení relativního tranzistoru, nebo tedy činitel zatížení, by neměla být povolena, aby se dostala na úroveň jednoty. Maximální přípustný činitel závisí na různých dalších aspektech kolem výstupního napětí.

Je to proto, že rozhoduje o rychlosti rozpadu síly magnetického pole. Nejvyšší výstupní výkon, který lze z převodníku dosáhnout, je určen nejvyšším povoleným špičkovým proudem zpracovaným induktorem a spínací frekvencí hnacího signálu.

Omezujícími prvky zde jsou především okamžik nasycení a maximální tolerovatelné jmenovité hodnoty induktoru pro ztráty mědi, stejně jako špičkový proud přes spínací tranzistor (nezapomeňte, že při každém spínání přichází na výstup špička specifické úrovně elektrické energie) puls).

Použití IC TL497A pro PWM

Fungování tohoto IC je zcela netradiční, což lze pochopit z níže uvedeného krátkého vysvětlení. Na rozdíl od konvenční implementace integrovaných obvodů SMPSU s proměnným provozním faktorem SMPSU, je TL497A certifikován jako zařízení s pevně nastaveným časem a nastavitelnou frekvencí.

Pracovní faktor je proto řízen úpravou frekvence, aby se zajistilo stálé výstupní napětí.

Tento přístup přináší do reality docela přímočarý obvod, přesto poskytuje nevýhodu spínací frekvence dosahující nižšího rozsahu, který může být pro lidské ucho slyšitelný pro zátěže pracující s nižším proudem.

Ve skutečnosti se spínací frekvence dostane pod 1 Hz, jakmile je zátěž z převodníku odstraněna. Pomalé cvaknutí je slyšet díky nabíjecím pulzům připojeným k výstupním kondenzátorům, které udržují pevné výstupní napětí.

Pokud není připojena zátěž, mají výstupní kondenzátory tendenci se postupně vybíjet rezistorem snímajícím napětí.

Čas zapnutí interního oscilátoru IC TL497A je konstantní a rozhoduje o něm C1. Oscilátor lze deaktivovat třemi způsoby:

• 1., když napětí na kolíku 1 vzroste nad referenční napětí (1,2 V)
• 2., když proud induktoru překročí určitou nejvyšší hodnotu
• A za třetí, prostřednictvím vstupu blokování (i když se v tomto obvodu nepoužívá).

Zatímco ve standardním pracovním procesu umožňuje vnitřní oscilátor přepínání T1 takovým způsobem, že indukční proud roste lineárně.

Když je T1 vypnutý, magnetická energie akumulovaná uvnitř induktoru je nakopána zpět přes kondenzátor, který je nabitý touto energií zpětného emf.

Výstupní napětí spolu s napětím pin 1 IC TL497A mírně stoupá, což způsobí deaktivaci oscilátoru. To pokračuje, dokud výstupní napětí neklesne na nějakou výrazně nižší úroveň. Tato technika je prováděna cyklicky, pokud jde o teoretický předpoklad.

Avšak v uspořádání využívajícím skutečné komponenty je nárůst napětí indukovaný nabíjením kondenzátorů v jediném intervalu oscilátoru ve skutečnosti tak malý, že oscilátor zůstává aktivován, dokud indukční proud nedosáhne nejvyšší hodnoty, jak je určeno složkami R2 a R3 (pokles napětí kolem R1 a R3 je v tomto bodě obvykle 0,7 V).

Krokové zvýšení proudu, jak je naznačeno na obr. 2b, je způsobeno činitelem signálu oscilátoru, který je shodně vyšší než 0,5.

Jakmile je dosaženo optimálního proudu, oscilátor se deaktivuje, což induktoru umožní přenášet jeho energii přes kondenzátory.

V této konkrétní situaci stoupá výstupní napětí na velikost, která je právě vysoká, aby bylo zajištěno, že oscilátor je vypnut pomocí IC pinu 1. Výstupní napětí nyní rychle klesá, takže je možné zahájit a opakovat nový nabíjecí cyklus postup.

Bohužel výše zmíněné postupy přepínání budou kombinovány s poměrně velkými ztrátami.

V reálné implementaci lze tento problém napravit nastavením dostatečně vysoké doby zapnutí (přes C1), aby bylo zajištěno, že proud přes induktor nikdy nepřesáhne na nejvyšší úroveň v jediném intervalu oscilátoru (viz obr. 3).

Nápravou v takových případech může být zabudování vzduchem plněného induktoru, který má přiměřeně minimální vlastní indukčnost.

Charakteristiky vln

Grafy časování na obr. 3 ukazují průběhy signálu na klíčových faktorech z obvodu. Hlavní oscilátor uvnitř TL497A pracuje se sníženou frekvencí (pod I Hz, když na výstupu převaděče není zátěž).

Okamžitý čas během zapnutí, označený jako obdélníkový puls na obr. 3a, závisí na hodnotě kondenzátoru C1. Čas vypnutí je určen zatěžovacím proudem. Během spínání v čase se tranzistor T1 zapne, což způsobí zvýšení proudu induktoru (obr. 3b).

Během doby vypnutí po aktuálním pulzu pracuje induktor jako zdroj proudu.

TL497A analyzuje zeslabené výstupní napětí na pinu 1 s jeho interním referenčním napětím 1,2 V. V případě, že hodnocené napětí je nižší než referenční napětí, T1 je předpjatý tvrději, takže induktor adekvátně ukládá energii.

Tento opakovaný cyklus nabíjení a vybíjení spouští určitou hladinu zvlnění napětí na výstupních kondenzátorech (obr. 3c). Možnost zpětné vazby umožňuje nastavení frekvence oscilátoru k zajištění nejlepší možné kompenzace deficitů napětí způsobených proudem zátěže.

Schéma časovacího impulzu na obr. 3d odhaluje podstatný pohyb vypouštěcího napětí kvůli relativně vysokému faktoru Q (kvality) induktoru.

I když rozptýlené zvlnění oscilace obvykle nemá vliv na normální fungování tohoto měniče stejnosměrného proudu na stejnosměrný proud, mohly by být potlačeny pomocí paralelního rezistoru 1 k přes induktor.

Praktické úvahy

Za normálních okolností je obvod SMPS vyvinut pro dosažení maximálního výstupního proudu místo klidového výstupního proudu.

Vysoká účinnost spolu se stálým výstupním napětím spolu s minimálním zvlněním se navíc staly klíčovými konstrukčními cíli. Celkově funkce regulace zátěže SMPS založeného na zpětném letu neposkytují téměř žádný důvod k obavám.

V průběhu každého spínacího cyklu je poměr zapnutí / vypnutí nebo pracovní cyklus vylepšen vzhledem k proudu zátěže, aby výstupní napětí bylo i přes značné kolísání zátěžového proudu stále relativně stabilní.

Scénář se z hlediska obecné efektivity jeví jako mírně odlišný. Krokový převodník založený na topologii zpětného letu obvykle produkuje poměrně značné proudové špičky, které mohou vyvolat významnou ztrátu energie (nezapomeňte, že výkon se zvyšuje exponenciálně, jak se zvyšuje proud).

V reálném provozu však doporučený vysoce výkonný obvod převodníku DC na DC poskytuje celkovou účinnost lepší než 70% s optimálním výstupním proudem a to vypadá docela působivě s ohledem na jednoduchost rozvržení.

To následně vyžaduje, aby se napájelo do sytosti, což vedlo k přiměřeně prodloužené době vypnutí. Přirozeně, čím více času vyžaduje, aby tranzistor odpojil indukční proud, tím menší bude celková účinnost konstrukce.

Docela netradičním způsobem se MOSFET BUZ10 přepíná přes kolík 11 testovacího výstupu oscilátoru namísto vnitřního výstupního tranzistoru.

Dioda D1 je dalším důležitým prvkem uvnitř obvodu. Nutností této jednotky je potenciál vydržet vysoké proudové špičky a pomalý pokles vpřed. Typ B5V79 splňuje všechny tyto požadavky a neměl by být nahrazen jinou variantou.

Vraťme se zpět k hlavnímu schématu zapojení na obr. 1, je třeba pečlivě poznamenat, že maximální hodnoty proudu 15-20 A nejsou obecně v obvodu neobvyklé. Aby se zabránilo problémům s vývojem u baterií, které mají srovnatelně vyšší vnitřní odpor, je na vstup převodníku zaveden kondenzátor C4 jako nárazník.

Vzhledem k tomu, že výstupní kondenzátory jsou měničem nabíjeny pomocí rychlých pulzů, jako jsou proudové špičky, je několik kondenzátorů zapojeno paralelně, aby se zajistilo, že průběžná kapacita zůstane co nejmenší.

Měnič stejnosměrného proudu na stejnosměrný proud ve skutečnosti neobsahuje ochranu proti zkratu. Zkratování výstupních svorek bude přesně jako zkratování baterie přes D1 a L1. Vlastní indukčnost L1 nemusí být dostatečně vysoká, aby omezila proud po dobu nezbytnou k tomu, aby pojistka mohla vybuchnout.

Konstrukční detaily induktoru

L1 je vytvořen navinutím 33 a půl otáčky smaltovaného měděného drátu. Obrázek 5 ukazuje proporce. Většina společností dodává smaltovaný měděný drát přes roli ABS, který obvykle funguje jako ten pro výrobu induktoru.

Do spodního okraje vyvrtejte několik otvorů o průměru 2 mm, abyste protáhli vodiče induktoru. Jeden z otvorů bude blízko válce, druhý na vnějším obvodu prvního válce.

Nemusí být užitečné uvažovat o silném drátu pro konstrukci induktoru, vzhledem k fenoménu kožního efektu, který způsobuje posun nosičů náboje podél vnějšího povrchu drátu nebo pláště drátu. To by mělo být vyhodnoceno s ohledem na velikost frekvencí použitých v převaděči.

Aby se zaručil minimální odpor v rámci potřebné indukčnosti, doporučuje se pracovat s několika dráty o průměru 1 mm nebo dokonce se 3 nebo 4 dráty o průměru 0,8 mm.

Asi tři dráty 0,8 min nám umožní získat celkový rozměr, který může být přibližně totožný se dvěma dráty 1 mm, přesto poskytuje efektivní o 20% větší povrch.

Induktor je pevně navinut a lze jej utěsnit vhodnou pryskyřicí nebo sloučeninou na bázi epoxidu k řízení nebo potlačení úniku slyšitelného hluku (nezapomeňte, že frekvence provozu je v slyšitelném rozsahu).

Konstrukce a vyrovnání

Níže je uvedena deska s plošnými spoji nebo návrh desky plošných spojů určený pro navrhovaný obvod vysokovýkonného stejnosměrného měniče.

Je třeba vzít v úvahu několik konstrukčních faktorů. Rezistory R2 a R3 se mohou velmi zahřát, a proto by měly být instalovány ve výšce několika mm nad povrchem desky plošných spojů.

Maximální proud pohybující se pomocí těchto odporů mohl dosáhnout až 15 A.

Power-FET se také podstatně zahřeje a bude vyžadovat přiměřeně velký chladič a standardní izolační sadu slídy.

Dioda může fungovat bez ochlazení, i když může být ideálně sevřena přes běžný chladič používaný pro napájení FET (nezapomeňte elektricky izolovat zařízení). Při běžném fungování může induktor vykazovat značné množství zahřívání.

Na vstupu a výstupu tohoto převaděče by měly být zabudovány vysoce výkonné konektory a kabely. Baterie je chráněna 16 A pojistkou se zpožděným účinkem zavedenou do vstupního napájecího vedení.

Dávejte pozor na skutečnost, že pojistka neposkytne převaděči žádnou formu ochrany při zkratu výstupu! Obvod je poměrně snadno nastavitelný a lze jej provést následujícím způsobem:

Upravte R1 tak, abyste dosáhli zamýšleného výstupního napětí, které se pohybuje mezi 20 a 30 V. Výstupní napětí by mohlo být sníženo pod toto, i když nesmí být menší než vstupní napětí.

Toho lze dosáhnout vložením menšího odporu místo R4. Lze očekávat, že nejvyšší výstupní proud bude přibližně 3 A.

Seznam dílů