Dizajniranje pretvarača pojačanja velike snage i visoke učinkovitosti pomoću tl494

Dok radimo s elektronikom, često se nalazimo u situacijama kada postane neophodno pojačati izlazni napon dok ulazni napon ostaje nizak, ovo je vrsta situacije u kojoj se možemo osloniti na strujni krug koji je poznat kao pojačivački pretvarač (pojačivač). Pretvarač pojačanja je komutacijski pretvarač tipa DC-DC koji pojačava napon zadržavajući konstantnu ravnotežu snage. Glavna značajka pojačala pretvarača je učinkovitost, što znači da možemo očekivati ​​dugo trajanje baterije i smanjene probleme s toplinom. Prethodno smo napravili jednostavan krug pretvarača pojačanja i objasnili njegovu osnovnu učinkovitost dizajna.

Dakle, u ovom ćemo članku dizajnirati pretvarač pojačanja TL494 , izračunati i testirati krug pretvarača pojačanja visokog učinka temeljenog na popularnom TL494 IC, koji ima minimalni napon napajanja od 7V i maksimum od 40V, i kao koristimo IRFP250 MOSFET kao prekidač, ovaj krug može podnijeti maksimalnu struju od 19Amp, teoretski (Ograničeno kapacitetom induktora). Napokon, bit će prikazan detaljan videozapis koji prikazuje radni i ispitni dio sklopa, pa bez daljnjega, krenimo.

Razumijevanje principa rada pretvarača pojačanja

Gornja slika prikazuje osnovnu shemu kruga pretvarača pojačanja. Da bismo analizirali princip rada ovog sklopa, podijelit ćemo ga na dva dijela, prvi uvjet objašnjava što se događa kada je MOSFET UKLJUČEN, drugi uvjet objašnjava što se događa kada je MOSFET isključen.

Što se događa kad je MOSFET UKLJUČEN:

Gornja slika prikazuje stanje kruga kada je MOSFET uključen. Kao što možete prepoznati, stanje UKLJUČENO prikazali smo isprekidanom linijom, jer MOSFET ostaje uključen, induktor počinje puniti, struja kroz induktor nastavlja se povećavati, a ono se pohranjuje u obliku magnetskog polja.

Što se događa kada je MOSFET isključen:

Kao što možda znate, struja kroz prigušnicu ne može se trenutno promijeniti! To je zato što je pohranjeno u obliku magnetskog polja. Stoga, u trenutku kada se MOSFET isključi, magnetsko polje počinje se urušavati i struja teče u smjeru suprotnom od struje punjenja. Kao što možete vidjeti na gornjem dijagramu, ovo započinje punjenje kondenzatora.

Sada smo kontinuiranim uključivanjem i isključivanjem prekidača (MOSFET) stvorili izlazni napon koji je veći od ulaznog napona. Sada izlaznim naponom možemo upravljati kontroliranjem vremena uključivanja i isključivanja prekidača, a to je ono što radimo u glavnom krugu.

Razumijevanje rada TL494

Prije nego što krenemo u izgradnju sklopa temeljenog na TL494 PWM kontroleru, naučimo kako PWM kontroler TL494 radi. TL494 IC ima 8 funkcionalnih blokova, koji su prikazani i opisani u nastavku.

5-V referentni regulator:

Izlaz unutarnjeg referentnog regulatora od 5 V je REF pin, koji je pin-14 IC. Referentni regulator je tu da osigura stabilnu opskrbu unutarnjim krugovima poput japanke s impulsnim upravljanjem, oscilatora, usporedbe upravljanja mrtvim vremenom i usporedbe PWM-a. Regulator se također koristi za pogon pojačavača pogrešaka koji su odgovorni za kontrolu izlaza.

Napomena: Referenca je interno programirana na početnu točnost od ± 5% i održava stabilnost u rasponu ulaznog napona od 7 V do 40 V. Za ulazne napone manje od 7 V regulator se zasiti unutar 1 V od ulaza i prati ga.

Oscilator:

Oscilator generira i pruža pilasti val regulatoru mrtvog vremena i PWM komparatorima za različite upravljačke signale.

Frekvencija oscilatora može podesiti izborom komponenata vremenske R T i C T.

Frekvencija oscilatora može se izračunati prema donjoj formuli-

Fosc = 1 / (RT * CT)

Radi jednostavnosti, izradio sam proračunsku tablicu pomoću koje vrlo lako možete izračunati frekvenciju. Koju možete pronaći na donjoj poveznici.

Napomena: Frekvencija oscilatora jednaka je izlaznoj frekvenciji samo za jednokračne aplikacije. Za push-pull aplikacije, izlazna frekvencija je polovica frekvencije oscilatora.

Usporednik kontrole mrtvog vremena:

Mrtvo vrijeme ili jednostavno reći kontrola izvan vremena osigurava minimalno mrtvo vrijeme ili vrijeme isključenja. Izlaz komparatora mrtvog vremena blokira preklopne tranzistore kada je napon na ulazu veći od napona rampe oscilatora. Primjenom napona na DTC pin može se nametnuti dodatno mrtvo vrijeme, čime se osigurava dodatno mrtvo vrijeme od svojih najmanje 3% do 100%, jer ulazni napon varira od 0 do 3V. Jednostavno rečeno, možemo promijeniti radni ciklus izlaznog vala bez prilagođavanja pojačala s pogreškama.

Napomena: Unutarnji pomak od 110 mV osigurava minimalno mrtvo vrijeme od 3% s uzemljenim upravljačkim ulazom mrtvog vremena.

Pojačala za pogreške:

Oba pojačala s visokim pojačanjima imaju pogrešku s VI opskrbne šine. To omogućuje opseg ulaznog napona u modu od –0,3 V do 2 V manji od VI. Oba pojačala ponašaju se karakteristično kao jednosmjerna pojačala s jednim napajanjem, jer je svaki izlaz samo aktivan.

Izlazno-upravljački ulaz:

Ulaz za kontrolu izlaza određuje rade li izlazni tranzistori u paralelnom ili push-pull načinu rada. Spajanjem izlaznog upravljačkog pina koji je pin-13 na masu postavlja izlazne tranzistore u paralelni način rada. No spajanjem ovog pina s 5V-REF pinom izlazni tranzistori postavljaju se u push-pull mod.

Izlazni tranzistori:

IC ima dva unutarnja izlazna tranzistora koji su u konfiguracijama s otvorenim kolektorom i otvorenim emiterima, pomoću kojih može proizvesti ili spustiti maksimalnu struju do 200mA.

Napomena: Tranzistori imaju napon zasićenja manji od 1,3 V u konfiguraciji zajedničkog emitra i manji od 2,5 V u konfiguraciji emiter-sljednik.

Komponente potrebne za izgradnju kruga pretvarača pojačanja na temelju TL494

Tablica koja sadrži sve dolje prikazane dijelove. Prije toga dodali smo sliku koja prikazuje sve komponente korištene u ovom krugu. Kako je ovaj sklop jednostavan, sve potrebne dijelove možete pronaći u lokalnoj hobi trgovini.

Popis dijelova:

1. TL494 IC - 1
2. IRFP250 MOSFET - 1
3. Vijčana stezaljka 5X2 mm - 2
4. Kondenzator 1000uF, 35V - 1
5. Kondenzator 1000uF, 63V - 1
6. 50K, 1% otpornik - 1
7. Otpornik 560R - 1
8. 10K, 1% otpornik - 4
9. 3,3 K, 1% otpornik - 1
10. Otpornik 330R - 1
11. Kondenzator 0,1uF - 1
12. MBR20100CT Schottky dioda - 1
13. Prigušnica 150uH (27 x 11 x 14) mm - 1
14. Potenciometar (10K) Obrezivanje posude - 1
15. Otpornik osjetnika struje 0,22R - 2
16. Obložena ploča Generic 50x 50mm - 1
17. Općenito hladnjak PSU - 1
18. Žica kratkospojnika generička - 15

Pretvarač pojačanja na temelju TL494 - shematski dijagram

Dijagram sklopa za pretvarač pojačanja visoke učinkovitosti dan je u nastavku.

TL494 Krug pretvarača pojačala - radi

Ovaj krug pretvarača pojačanja TL494 sastoji se od komponenata koje je vrlo lako dobiti, a u ovom ćemo odjeljku proći kroz svaki glavni blok kruga i objasniti svaki blok.

Ulazni kondenzator:

Ulazni kondenzator je tu da zadovolji velike trenutne potrebe koje su potrebne kada se sklopka MOSFET zatvori i induktor počne puniti.

Povratne informacije i kontrolna petlja:

Otpornici R2 i R8 postavljaju upravljački napon za povratnu petlju, zadani napon spojen je na pin 2 TL494 IC, a povratni napon povezan je na pin jednog od IC-a koji je označen kao VOLTAGE_FEEDBACK . Otpornici R10 i R15 postavljaju ograničenje struje u krugu.

Otpornici R7 i R1 čine upravljačku petlju, uz pomoć ove povratne sprege, izlazni PWM signal mijenja se linearno, bez tih povratnih otpora komparator će djelovati poput generičkog kruga usporedbe koji će krug uključiti / isključiti samo na zadanom naponu.

Odabir frekvencije prebacivanja:

Postavljanjem odgovarajućih vrijednosti na pinove 5 i 6, možemo postaviti frekvenciju komutacije ovog IC-a, za ovaj projekt koristili smo vrijednost kondenzatora od 1nF i vrijednost otpornika od 10K što nam daje približno frekvenciju od 100KHz, pomoću formula Fosc = 1 / (RT * CT) , možemo izračunati frekvenciju oscilatora. Osim toga, ranije smo u članku detaljno obradili druge odjeljke.

Dizajn PCB-a za krug pretvarača pojačanja na temelju TL494

PCB za naš krug upravljanja kutom faze dizajniran je u jednostranoj ploči. Koristio sam Eagle za dizajn svoje PCB-a, ali možete koristiti bilo koji softver za dizajn po vašem izboru. 2D slika mog dizajna ploče prikazana je u nastavku.

Kao što vidite na donjoj strani ploče, koristio sam gustu ravninu tla kako bih osigurao da kroz nju teče dovoljna struja. Ulazna snaga je na lijevoj strani ploče, a izlaz na desnoj strani ploče. Kompletnu dizajnersku datoteku zajedno sa shemama pretvarača TL494 Boost možete preuzeti s donje veze.

• Preuzmite datoteku GERBER za dizajn PCB-a za krug pretvarača pojačanja na temelju TL494

Ručno izrađena PCB:

Radi praktičnosti izradio sam svoju ručno izrađenu verziju PCB-a i ona je prikazana u nastavku. Napravio sam nekoliko pogrešaka dok sam radio ovu PCB pa sam morao popraviti neke žice za prespoj.

Moja ploča izgleda ovako nakon završetka gradnje.

TL494 Proračun i konstrukcija dizajna pojačivača pretvarača

Za demonstraciju ovog pretvarača jakog pojačanja strujni krug izrađen je u ručno izrađenoj PCB-u, uz pomoć shematskih i dizajnerskih datoteka PCB-a; imajte na umu da ako na izlaz ovog kruga pretvarača pojačala povezujete veliko opterećenje, kroz tragove PCB-a protječe ogromna količina struje i postoji vjerojatnost da će tragovi izgorjeti. Dakle, kako bismo spriječili izgaranje tragova PCB-a, povećali smo debljinu tragova što je više moguće. Također, ojačali smo tragove PCB-a debelim slojem lema kako bismo smanjili otpornost na tragove.

Da bih pravilno izračunao vrijednosti prigušnice i kondenzatora, poslužio sam se dokumentom iz Texas Texas Instruments.

Nakon toga izradio sam google proračunsku tablicu kako bih olakšao izračun.

Ispitivanje ovog kruga pretvarača pojačala visokog napona

Za testiranje kruga koristi se sljedeća postavka. Kao što vidite, koristili smo PC ATX napajanje kao ulaz, tako da je ulaz 12V. Priključili smo voltmetar i ampermetar na izlaz kruga koji prikazuje izlazni napon i izlaznu struju. Iz čega lako možemo izračunati izlaznu snagu ovog kruga. Konačno, upotrijebili smo osam otpornika snage 4,7R snage 10 W u seriji kao opterećenje za testiranje trenutne potrošnje.

Alati koji se koriste za ispitivanje sklopa:

1. 12V ATX ​​napajanje za PC
2. Transformator koji ima slavinu 6-0-6 i 12-0-12 slavinu
3. Osam otpornika serije 4,7R snage 10 W - djeluju kao opterećenje
4. Meco 108B + TRMS multimetar
5. Meco 450B + TRMS multimetar
6. Odvijač

Potrošnja izlazne snage kruga pretvarača pojačane snage:

Kao što možete vidjeti na gornjoj slici, izlazni napon je 44,53V, a izlazna struja 2,839A, tako da ukupna izlazna snaga postaje 126,42W, pa kao što vidite, ovaj sklop može lako nositi snagu veću od 100W.

Daljnja poboljšanja

Ovaj krug pretvarača pojačanja TL494 namijenjen je samo u demonstracijske svrhe, stoga u ulaznom ili izlaznom dijelu kruga nije dodan zaštitni krug. Dakle, da biste poboljšali zaštitnu značajku, možete također dodati, također dok koristim IRFP250 MOSFET, izlazna snaga se može dodatno poboljšati, ograničavajući faktor u našem krugu je prigušnica. Veća jezgra induktora povećat će njezin izlazni kapacitet.

Nadam se da vam se svidio ovaj članak i da ste iz njega naučili nešto novo. Ako sumnjate, možete pitati u komentarima ispod ili možete koristiti naše forume za detaljnu raspravu.