Litar Penukar DC ke DC Kuasa Tinggi - Pemboleh ubah 12 V hingga 30 V

Catatan tersebut menjelaskan bagaimana membuat litar penukar rangsangan DC ke DC kuasa tinggi yang akan menaikkan DC 12 V ke tahap yang lebih tinggi hingga maksimum 30 V, dan pada kadar arus 3 amp. Output arus tinggi ini dapat ditingkatkan lagi dengan meningkatkan spesifikasi tolok wayar induktor dengan sesuai.

Satu lagi ciri hebat penukar ini ialah output dapat divariasikan secara linear melalui potensiometer, dari julat minimum hingga julat maksimum.

Indroduksi

Penukar DC -DC yang dimaksudkan untuk meningkatkan voltan bateri kereta sering dikonfigurasikan di sekitar mod bekalan kuasa jenis suis (SMPSU) atau multivibrator kuasa, menggerakkan transformer.

Penukar kuasa yang dijelaskan dalam artikel ini menggunakan peranti Litar bersepadu TL 497A dari Texas Instruments . IC khusus ini memudahkan pengatur voltan dengan bunyi output minimum dapat dicapai dengan cukup senang, dan juga memastikan prestasi penukaran yang tinggi.

Bagaimana Litar Berfungsi

Penukar yang diperincikan di sini menggunakan a topologi flyback . Teori flyback nampaknya merupakan teknik yang paling sesuai dan berfungsi untuk mendapatkan voltan keluaran segera yang berasal dari voltan masukan langsung yang lebih rendah.

Komponen pensuisan utama dalam penukar sebenarnya adalah transistor SIPMOS kuasa T1 (lihat Rajah 1). Semasa tempoh pengalirannya, arus yang melewati L1 meningkat secara eksponensial dengan masa.

Semasa masa AKTIF kitaran pensuisan, induktor menyimpan tenaga magnet yang diinduksi.

Sebaik sahaja transistor dimatikan, induktor mengembalikan tenaga magnet yang tersimpan, mengubahnya menjadi arus elektrik melintasi beban yang disambungkan melalui D1.

Semasa prosedur ini, sangat penting untuk memastikan bahawa transistor terus dimatikan untuk jangka masa sementara medan magnet pada induktor merosot ke sifar.

Sekiranya keadaan ini gagal dilaksanakan, arus melalui induktor melambung hingga ke tahap tepu. Kesan longsoran kemudian menghasilkan arus untuk memaksimumkan dengan cepat.

Pencetus kawalan transistor relatif waktu ON, atau faktor tugas, tidak boleh dibenarkan sampai ke tahap kesatuan. Faktor tugas maksimum yang dibenarkan bergantung pada pelbagai aspek lain, di sekitar voltan output.

Ini kerana ia menentukan kadar kerosakan kekuatan medan magnet. Daya output tertinggi yang dapat dicapai dari penukar ditentukan oleh arus puncak tertinggi yang dibenarkan yang diproses oleh induktor, dan frekuensi pensuisan isyarat penggerak.

Unsur-unsur yang menyekat di sini adalah sekejap tepu dan penarafan maksimum yang boleh diterima induktor untuk kehilangan tembaga, serta arus puncak melalui transistor pensuisan (jangan lupa bahawa lonjakan tahap tenaga elektrik tertentu datang ke output semasa setiap beralih nadi).

Menggunakan IC TL497A untuk PWM

Penggunaan IC ini agak tidak tradisional, yang dapat difahami dari penjelasan ringkas di bawah. Tidak seperti pelaksanaan frekuensi tetap konvensional, IC pengawal faktor tugas variabel SMPSU, TL497A diperakui sebagai peranti frekuensi tetap tepat waktu.

Oleh itu, faktor tugas dikawal melalui penyesuaian frekuensi untuk memastikan voltan output yang konsisten.

Pendekatan ini mewujudkan rangkaian yang cukup mudah, namun memberikan kelebihan frekuensi beralih ke julat yang lebih rendah yang mungkin dapat didengar oleh telinga manusia untuk beban yang bekerja dengan arus yang lebih rendah.

Pada hakikatnya, frekuensi beralih berada di bawah 1 Hz setelah beban dikeluarkan dari penukar. Klik perlahan dapat didengar kerana denyutan cas yang disambungkan ke kapasitor output untuk menahan voltan keluaran tetap.

Apabila tidak ada beban yang terpasang, kapasitor keluaran cenderung, secara beransur-ansur, dikeluarkan melalui perintang pengesan voltan.

Pengayun dalaman tepat pada masa IC TL497A tetap, dan diputuskan oleh C1. Pengayun dapat dinonaktifkan dalam tiga kaedah:

• 1, apabila voltan pada pin 1 meningkat melebihi voltan rujukan (1.2 V)
• Ke-2, semasa arus induktor melebihi nilai tertinggi tertentu
• Dan ke-3, dengan cara menghalang input (walaupun tidak digunakan dalam rangkaian ini).

Semasa dalam proses kerja standard, pengayun dalaman membenarkan pertukaran T1 sedemikian rupa sehingga arus induktor meningkat secara linear.

Apabila T1 dimatikan, tenaga magnet yang terkumpul di dalam induktor ditendang ke belakang kapasitor yang dicas melalui tenaga emf belakang ini.

Voltan keluaran, bersama dengan voltan pin 1 IC TL497A, naik sedikit, yang menyebabkan pengayun dinyahaktifkan. Ini berterusan sehingga voltan keluaran turun ke tahap yang jauh lebih rendah Teknik ini dilaksanakan secara siklik, sejauh asumsi teori.

Walau bagaimanapun, dalam susunan yang menggunakan komponen sebenar, kenaikan voltan yang disebabkan oleh pengisian kapasitor dalam selang pengayun tunggal sebenarnya sangat kecil sehingga pengayun tetap diaktifkan sehingga arus induktor mencapai nilai tertinggi, seperti yang ditentukan oleh komponen R2 dan R3 (penurunan voltan di sekitar R1 dan R3 biasanya 0.7 V pada ketika ini).

Peningkatan arus selangkah seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2b adalah kerana faktor tugas isyarat pengayun yang kebetulan lebih tinggi dari 0,5.

Sebaik sahaja arus optimum tercapai, pengayun akan dinyahaktifkan, yang membolehkan induktor memindahkan tenaganya merentasi kapasitor.

Dalam keadaan tertentu ini, voltan keluaran melonjak ke magnitud yang hanya tinggi untuk memastikan bahawa pengayun dimatikan dengan menggunakan pin IC 1. Voltan keluaran kini cepat jatuh, sehingga kitaran pengisian baru dapat dimulakan dan diulang prosedurnya.

Namun, sayangnya, prosedur menukar yang dibincangkan di atas akan digabungkan dengan kerugian yang relatif besar.

Dalam pelaksanaan kehidupan nyata, masalah ini dapat diatasi dengan mengatur waktu tepat (melalui C1) cukup tinggi untuk memastikan arus melalui induktor tidak pernah melambung ke tahap tertinggi dalam selang pengayun tunggal (lihat Gambar 3).

Penyelesaian dalam kes seperti ini adalah penggabungan induktor berkarat udara, yang mempunyai induktansi diri yang cukup minimum.

Karakteristik Bentuk Gelombang

Carta masa dalam Rajah 3 menunjukkan bentuk gelombang isyarat pada faktor utama dari litar. Pengayun utama di dalam TL497A berfungsi dengan frekuensi yang dikurangkan (di bawah I Hz apabila tidak ada beban pada output penukar te).

Waktu seketika semasa menghidupkan, ditunjukkan sebagai nadi segi empat tepat pada Gambar 3a, bergantung pada nilai kapasitor C1. Waktu pemutusan ditentukan oleh arus beban. Semasa peralihan tepat waktu, transistor T1 beralih ON menyebabkan arus induktor meningkat (Gamb. 3b).

Semasa jangka masa MATI berikutan nadi semasa, induktor berfungsi seperti sumber semasa.

TL497A menganalisis voltan keluaran dilemahkan pada pin 1 dengan voltan rujukan dalamannya 1.2 V. Sekiranya voltan yang dinilai lebih rendah daripada voltan rujukan, T1 lebih berat bias sehingga induktor menyimpan tenaga dengan secukupnya.

Kitaran pengisian dan pelepasan berulang ini mencetuskan tahap voltan riak tertentu di seluruh kapasitor output (Gamb. 3c). Pilihan maklum balas membolehkan penyesuaian frekuensi pengayun untuk memastikan pampasan kekurangan voltan yang terbaik yang disebabkan oleh arus beban.

Gambarajah denyutan masa dalam Rajah. 3 menunjukkan pergerakan tegangan longkang yang besar kerana faktor Q (kualiti) induktor yang agak tinggi.

Walaupun ayunan riak sesat biasanya tidak mempengaruhi fungsi biasa penukar kuasa DC ke DC ini, ini boleh ditekan dengan menggunakan perintang 1 k selari di seluruh induktor.

Pertimbangan Praktikal

Biasanya, litar SMPS dibangunkan untuk mencapai arus keluaran maksimum dan bukannya arus keluaran diam.

Kecekapan tinggi bersama dengan voltan keluaran yang stabil bersama dengan riak minimum juga menjadi objektif reka bentuk utama. Secara keseluruhan, ciri peraturan beban SMPS berdasarkan flyback hampir tidak memberikan alasan untuk dikhawatirkan.

Sepanjang setiap kitaran pensuisan, nisbah hidup / mati atau siklus tugas diubah mengikut arus beban, agar voltan keluaran terus stabil walaupun terdapat turun naik arus beban yang besar.

Senario itu kelihatan sedikit berbeza dari segi kecekapan umum. Penukar peningkatan berdasarkan topologi flyback biasanya menghasilkan lonjakan arus yang cukup besar, yang boleh mencetuskan kehilangan tenaga yang besar (jangan lupa bahawa daya meningkat secara eksponensial semasa arus meningkat).

Walau bagaimanapun, dalam operasi kehidupan sebenar, litar penukar DC ke DC berkuasa tinggi yang disarankan memberikan kecekapan keseluruhan yang lebih baik daripada 70% dengan arus keluaran optimum, dan itu kelihatan cukup mengagumkan berkaitan dengan kesederhanaan tata letak.

Oleh itu, ini menuntut ia untuk menjadi tepu, yang membawa kepada masa pemutusan yang cukup lama. Secara semula jadi, semakin banyak masa yang diperlukan untuk transistor memotong arus induktor, semakin rendah kecekapan keseluruhan reka bentuk.

Dengan cara yang agak tidak konvensional, MOSFET BUZ10 dialihkan melalui pin 11 output ujian pengayun, bukannya transistor output dalaman.

Diode D1 merupakan komponen penting lain dalam litar. Keperluan untuk unit ini berpotensi menahan lonjakan arus tinggi, dan penurunan ke hadapan yang perlahan. Jenis B5V79 memenuhi semua syarat ini, dan tidak boleh diganti dengan beberapa varian lain.

Kembali ke gambarajah litar utama Rajah 1, perlu diperhatikan dengan teliti bahawa arus tinggi 15-20 A pada amnya tidak normal dalam litar. Untuk mengelakkan masalah berkembang dengan bateri yang mempunyai rintangan dalaman yang lebih tinggi, kapasitor C4 diperkenalkan seperti penyangga pada input penukar.

Memandangkan bahawa kapasitor output dikenakan oleh penukar melalui denyutan cepat, seperti denyut arus, beberapa kapasitor disambungkan secara selari untuk memastikan bahawa kapasiti run-a-way tetap minimum mungkin.

Penukar kuasa DC ke DC sebenarnya tidak mempunyai perlindungan litar pintas. Litar pintas keluaran terminal akan sama seperti pintasan bateri melalui D1 dan L1. Induktansi diri L1 mungkin tidak cukup tinggi untuk menyekat arus untuk jangka masa yang diperlukan untuk membolehkan sekering meletup.

Perincian Konstruktor Induktor

L1 dicipta dengan menggulung 33 dan setengah putaran dawai tembaga enamel. Rajah 5 menunjukkan perkadaran. Sebilangan besar syarikat menyediakan wayar tembaga enamel di atas gulungan ABS, yang biasanya berfungsi seperti bekas untuk membina induktor.

Bor beberapa lubang 2 mm di pinggir bawah untuk melepaskan wayar induktor. Salah satu lubang akan berada di dekat silinder sementara yang satu lagi di lilitan luar bekas.

Mungkin tidak berguna untuk mempertimbangkan wayar tebal untuk membina induktor, kerana fenomena kesan kulit, yang menyebabkan peralihan pembawa cas di sepanjang permukaan luar wayar atau kulit wayar. Ini harus dinilai berkenaan dengan besarnya frekuensi yang digunakan dalam penukar.

Untuk menjamin rintangan minimum dalam induktansi yang diperlukan, disarankan untuk bekerja dengan beberapa wayar berdiameter 1 mm, atau bahkan 3 atau 4 wayar yang mempunyai garis pusat 0,8 mm.

Kira-kira tiga wayar 0.8 min membolehkan kita mendapatkan dimensi total yang mungkin hampir sama dengan dua wayar 1 mm, namun memberikan luas permukaan yang lebih efektif 20%.

Induktor dililit dengan erat dan dapat ditutup dengan menggunakan resin atau sebatian berasaskan epoksi yang sesuai untuk mengawal atau menekan kebocoran bunyi yang dapat didengar (ingat bahawa kekerapan operasi berada dalam jarak yang dapat didengar).

Pembinaan dan penjajaran

Papan litar bercetak atau reka bentuk PCB yang dimaksudkan untuk litar penukar DC kuasa tinggi yang dicadangkan ditunjukkan di bawah.

Beberapa faktor konstruksinya perlu dipertimbangkan. Perintang R2 dan R3 mungkin agak panas dan oleh itu harus dipasang pada beberapa mm yang ditinggikan di atas permukaan PCB.

Arus maksimum yang bergerak dengan menggunakan perintang ini boleh mencapai sebesar 15 A.

Power-FET juga akan menjadi sangat panas, dan akan memerlukan heatsink bersaiz cukup besar dan kit penebat mika standard.

Diod mungkin berfungsi tanpa menyejukkan badan, walaupun idealnya terpasang di atas heatsink biasa yang digunakan untuk kekuatan FET (jangan lupa untuk melindungi peranti secara elektrik). Semasa dalam fungsi biasa, induktor mungkin menunjukkan pemanasan yang mencukupi.

Penyambung dan kabel tugas berat harus dimasukkan pada input dan output penukar ini. Bateri dijaga dengan sekering aksi tertunda 16 A yang diperkenalkan di dalam saluran bekalan input.

Berhati-hatilah dengan kenyataan bahawa sekering tidak akan memberikan sebarang bentuk perlindungan kepada penukar semasa litar pintas output! Litar ini agak mudah dipasang, dan boleh dilakukan dengan cara berikut:

Sesuaikan R1 untuk mencapai voltan keluaran yang dimaksudkan yang berkisar antara 20 dan 30 V. Voltan keluaran dapat dikurangkan di bawah ini, walaupun tidak boleh kurang dari voltan masukan.

Ini mungkin dilakukan dengan memasukkan perintang yang lebih kecil di tempat R4. Arus output tertinggi dijangka sekitar 3 A.

Senarai Bahagian