V prispevku je razloženo, kako narediti vezje pretvornika za povečanje DC v enosmerni tok, ki bo 12 V enosmernega toka povečalo na katero koli višjo stopnjo do največ 30 V in pri tokovni hitrosti 3 amp. To visoko izhodno moč je mogoče še izboljšati z ustrezno nadgradnjo specifikacij merilnika žice induktorja.
Druga odlična lastnost tega pretvornika je, da je moč s pomočjo potenciometra linearno spremenjena, od najmanjšega možnega do največjega območja.
Uvod
DC-DC pretvorniki, namenjeni za stopnjevanje napetosti akumulatorja v avtomobilu so pogosto konfigurirani okoli preklopnega načina napajanja (SMPSU) ali napajalnega multivibratorja, ki poganja transformator.
Pretvornik moči, razložen v tem članku, uporablja napravo Integrirano vezje TL 497A podjetja Texas Instruments . Ta poseben IC olajša odlično regulacijo napetosti z minimalnim izhodnim hrupom, ki ga je mogoče doseči zelo priročno, in prav tako zagotavlja visoko zmogljivost pretvorbe.
Kako deluje vezje
Pretvornik, ki je podrobno opisan tukaj, uporablja povratna topologija . Teorija povratnega gibanja se zdi najprimernejša in najbolj funkcionalna tehnika pridobivanja takojšnje izhodne napetosti, ki izvira iz nižje neposredne vhodne napetosti.
Glavna preklopna komponenta v pretvorniku je pravzaprav močni SIPMOS tranzistor T1 (glej sliko 1). Med obdobjem prevodnosti se tok, ki prehaja skozi L1, s časom eksponentno povečuje.
V času vklopa vklopnega cikla induktor shrani inducirano magnetno energijo.
Takoj ko se tranzistor izklopi, induktor vrne shranjeno magnetno energijo in jo prek D1 pretvori v električni tok prek priključene obremenitve.
Med tem postopkom je ključnega pomena zagotoviti, da je tranzistor še naprej izklopljen za čas, medtem ko magnetno polje na induktorju upada na nič.
V primeru, da tega stanja ni mogoče izvesti, tok skozi induktor naraste do stopnje nasičenosti. Posledica plazu nato povzroči, da se tok hitro poveča.
Čas vklopa relativnega sprožilca krmiljenja tranzistorja ali faktorja obratovanja torej ne bi smel priti na raven enotnosti. Najvišji dovoljeni faktor obratovanja je odvisen od različnih vidikov okoli izhodne napetosti.
To je zato, ker odloča o hitrosti upadanja jakosti magnetnega polja. Najvišja izhodna moč, ki jo je mogoče doseči s pretvornikom, je določena z največjim dovoljenim maksimalnim tokom, ki ga obdeluje induktor, in frekvenco preklopa pogonskega signala.
Omejevalni elementi so predvsem trenutki nasičenja in največje dopustne vrednosti induktorja za bakrene izgube, pa tudi največji tok prek preklopnega tranzistorja (ne pozabite, da pri vsakem preklopu na izhod pride konica določene ravni električne energije pulz).
Uporaba IC TL497A za PWM
Delovanje tega IC je precej netradicionalno, kar bi lahko razumeli iz kratke razlage spodaj. Za razliko od običajnih IC s krmilnikom SMPSU s spremenljivim faktorjem, je TL497A certificiran kot nastavljiva frekvenčna naprava s fiksno frekvenco.
Zato se delovni faktor nadzoruje s prilagoditvijo frekvence, da se zagotovi enakomerna izhodna napetost.
Ta pristop uresničuje precej preprosto vezje, kljub temu pa daje negativno stran preklopne frekvence, ki doseže nižji razpon, ki je lahko človeškemu ušesu slišen za obremenitve, ki delujejo z nižjim tokom.
V resnici preklopna frekvenca postane pod 1 Hz, ko je obremenitev odstranjena iz pretvornika. Zvok počasi klikne zaradi impulzov polnjenja, priključenih na izhodne kondenzatorje, da zadržijo fiksno izhodno napetost.
Ko ni pritrjene obremenitve, se izhodni kondenzatorji očitno postopoma izpraznijo skozi upor za zaznavanje napetosti.
Čas internega oscilatorja IC TL497A je stalen in o njem odloča C1. Oscilator lahko deaktiviramo na tri načine:
- 1., ko napetost na zatiču 1 naraste preko referenčne napetosti (1,2 V)
- 2., ko tok induktorja preseže določeno najvišjo vrednost
- In tretjič, s pomočjo zaviralnega vhoda (čeprav se v tem vezju ne uporablja).
Medtem ko v običajnem delovnem procesu notranji oscilator omogoča preklapljanje T1 tako, da se tok induktorja linearno povečuje.
Ko je T1 izklopljen, se magnetna energija, ki se nabere znotraj induktorja, vrne nazaj skozi kondenzator, ki se napolni skozi to zadnjo emf energijo.
Izhodna napetost se skupaj z napetostjo 1 na IC TL497A nekoliko dvigne, zaradi česar se oscilator deaktivira. To se nadaljuje, dokler izhodna napetost ne pade na bistveno nižjo raven. Ta tehnika se izvaja v cikličnem smislu, kar zadeva teoretične predpostavke.
Vendar pa je pri razporeditvi z dejanskimi komponentami povečanje napetosti, inducirano s polnjenjem kondenzatorjev v posameznem intervalu oscilatorja, pravzaprav tako majhno, da oscilator ostane aktiviran, dokler tok induktorja ne doseže najvišje vrednosti, kot jo določajo komponente R2 in R3 (padec napetosti okoli R1 in R3 je v tem trenutku običajno 0,7 V).
Koračno povečanje toka, kot je prikazano na sliki 2b, je posledica faktorja obratovalnosti signala oscilatorja, ki je večji od 0,5.
Takoj, ko je dosežen optimalni tok, se oscilator deaktivira, kar omogoča induktorju, da prenese svojo energijo preko kondenzatorjev.
V tej posebni situaciji se izhodna napetost povzpne na velikost, ki je ravno visoka, da zagotovimo, da se oscilator izklopi s pomočjo IC zatiča 1. Izhodna napetost zdaj hitro pade, tako da se lahko cikel svežega polnjenja zažene in ponovi postopka.
Na žalost pa bodo zgoraj obravnavani postopki preklopa kombinirani s sorazmerno velikimi izgubami.
V resnični izvedbi lahko to težavo odpravite tako, da nastavite čas (prek C1) dovolj visoko, da zagotovite, da tok skozi induktor nikoli ne seže do najvišje ravni v enem samem intervalu oscilatorja (glejte sliko 3).
V takšnih primerih je lahko rešitev vgradnja zračnega jedra, ki ima razmeroma minimalno samoinduktivnost.
Značilnosti valovnih oblik
Grafikoni časovne razporeditve na sliki 3 prikazujejo valovne oblike signalov o ključnih dejavnikih vezja. Glavni oscilator znotraj TL497A deluje z zmanjšano frekvenco (pod I Hz, ko na izhodu pretvornika te ni obremenitve).
Takojšnji čas med vklopom, označen kot pravokotni impulz na sliki 3a, je odvisen od vrednosti kondenzatorja C1. Čas izklopa se določi s tokom obremenitve. Med preklopom ob vklopu se tranzistor T1 vklopi, zaradi česar se tok induktorja poveča (slika 3b).
Med obdobjem izklopa po trenutnem impulzu induktor deluje kot vir toka.
TL497A analizira oslabljeno izhodno napetost na zatiču 1 z njeno notranjo referenčno napetostjo 1,2 V. Če je ocenjena napetost nižja od referenčne napetosti, je T1 pristransko močnejša, tako da induktor ustrezno shrani energijo.
Ta ponavljajoči se cikel polnjenja in praznjenja sproži določeno stopnjo valovanja napetosti na izhodnih kondenzatorjih (slika 3c). Možnost povratne informacije omogoča nastavitev frekvence oscilatorja, da se zagotovi najboljša možna kompenzacija napetostnih primanjkljajev, ki jih povzroča tok obremenitve.
Diagram časovnega impulza na sliki 3d razkriva znatno gibanje odtočne napetosti zaradi razmeroma visokega Q (kakovostnega) faktorja induktorja.
Čeprav zanemarjajoča valovanja nihanja običajno ne vplivajo na pravilno delovanje pretvornika moči v enosmerni tok v enosmerni tok, bi jih lahko zatrli z vzporednim 1 k uporom preko induktorja.
Praktični premisleki
Običajno je razvito vezje SMPS za doseganje največjega izhodnega toka namesto mirujočega izhodnega toka.
Visoka učinkovitost skupaj z enakomerno izhodno napetostjo skupaj z minimalnim valovanjem so poleg tega ključni cilji zasnove. Na splošno funkcije regulacije obremenitve SMPS, ki temelji na povratni vožnji, skorajda ne povzročajo pomislekov.
V vsakem preklopnem ciklu se razmerje vklopa / izklopa ali obratovalni cikel prilagodi glede na tok obremenitve, tako da je izhodna napetost kljub znatnim nihanjem toka obremenitve še naprej relativno stabilna.
Glede splošne učinkovitosti se scenarij nekoliko razlikuje. Povečevalni pretvornik, ki temelji na povratni topologiji, običajno povzroči dokaj velike trenutne konice, kar lahko povzroči znatno izgubo energije (ne pozabite, da se moč s povečanjem toka eksponentno povečuje).
V realnem življenju pa priporočeno vezje pretvornika v enosmerni v enosmerni tok zagotavlja splošno učinkovitost, boljšo od 70% z optimalnim izhodnim tokom, kar je glede na preprostost postavitve videti precej impresivno.
Posledično to zahteva, da se napaja v nasičenost, kar vodi do razumno podaljšanega časa izklopa. Seveda, več časa kot potrebuje tranzistor, da prekine induktorski tok, manjša bo celotna učinkovitost načrtovanja.
Na precej nekonvencionalen način se MOSFET BUZ10 preklopi skozi zatič 11 preskusnega izhoda oscilatorja, namesto na notranji izhodni tranzistor.
Dioda D1 je še ena ključna komponenta znotraj vezja. Nujne potrebe te enote so potencial, da zdrži visoke trenutne konice in počasen padec naprej. Tip B5V79 izpolnjuje vse te zahteve in ga ne bi smeli nadomestiti z drugo različico.
Če se vrnemo k glavnemu vezju na sliki 1, je treba skrbno opozoriti, da trenutne najvišje vrednosti 15-20 A v vezju praviloma niso neobičajne. Da bi se izognili težavam, ki se razvijajo pri baterijah s sorazmerno večjo notranjo upornostjo, je kondenzator C4 vstavljen kot odbojnik na vhodu pretvornika.
Glede na to, da pretvornik izhodne kondenzatorje napolni s hitrimi impulzi, kot so tokovni konici, je nekaj kondenzatorjev vzporedno priključenih, da zagotovimo, da ostane zmogljiva kapacitivnost čim manjša.
Pretvornik moči v enosmerni v enosmerni tok dejansko nima zaščite pred kratkim stikom. Kratek stik na izhodnih sponkah bo popolnoma podoben kratkemu stiku akumulatorja skozi D1 in L1. Samoinduktivnost L1 morda ni dovolj visoka, da bi omejila tok v obdobju, potrebnem za pregorevanje varovalke.
Konstrukcijske podrobnosti induktorja
L1 nastane z navijanjem 33 in pol obratov emajlirane bakrene žice. Slika 5 prikazuje razmerja. Večina podjetij zagotavlja emajlirano bakreno žico prek ABS valja, ki običajno deluje kot prva za izdelavo induktorja.
Na spodnjem robu izvrtajte nekaj 2 mm lukenj, da zdrsnete žice induktorja. Ena od lukenj bo blizu valja, druga pa na zunanjem obodu prve.
Morda ne bi bilo koristno razmisliti o debeli žici za izdelavo induktorja zaradi pojava kožnega učinka, ki povzroči premik nosilcev naboja vzdolž zunanje površine žice ali kože žice. To je treba oceniti glede na velikost frekvenc, uporabljenih v pretvorniku.
Da bi zagotovili minimalno odpornost znotraj potrebne induktivnosti, se priporoča delo z nekaj žicami s premerom 1 mm ali celo s 3 ali 4 žicami s premerom 0,8 mm v šopku.
Približno tri 0,8-minutne žice nam bodo omogočile, da dobimo skupno dimenzijo, ki je lahko približno enaka dvema 1-milimetrskima žicama, vendar zagotavlja dejansko 20% večjo površino.
Induktor je tesno navit in ga je mogoče zatesniti z ustrezno spojino na osnovi smole ali epoksida za nadzor ali preprečevanje uhajanja zvočnega hrupa (ne pozabite, da je frekvenca delovanja znotraj zvočnega območja).
Konstrukcija in poravnava
Spodaj je predstavljena tiskana vezja ali zasnova tiskanega vezja, ki je namenjena predlaganemu vezju enosmernega pretvornika DC.
Več konstrukcijskih dejavnikov mora imeti nekaj premislekov. Upori R2 in R3 se lahko precej segrejejo, zato jih je treba namestiti na nekaj mm, povišanih nad površino PCB.
Največji tok, ki se premika s pomočjo teh uporov, lahko doseže celo 15 A.
Tudi Power-FET se bo močno ogrel in bo zahteval primerno velik hladilnik in standardni komplet za izolacijo sljude.
Dioda lahko deluje brez ohlajanja, čeprav je idealno vpeta nad običajnim hladilnikom, ki se uporablja za napajanje FET (ne pozabite električno izolirati naprav). Medtem ko induktor deluje normalno, se lahko pokaže precejšnja količina segrevanja.
Na vhodu in izhodu tega pretvornika je treba vgraditi močne konektorje in kable. Akumulator je varovan z varovalko za odloženo delovanje 16 A, vstavljeno znotraj vhodnega napajalnega voda.
Pazite, da varovalka pretvornika med izhodnimi kratkimi stiki ne bo zagotovila nobene oblike zaščite! Vezje je precej enostavno nastaviti in se lahko izvede na naslednji način:
Nastavite R1, da dosežete predvideno izhodno napetost, ki se lahko giblje med 20 in 30 V. Izhodno napetost bi lahko zmanjšali pod to, čeprav ne sme biti manjša od vhodne napetosti.
To lahko storite tako, da namesto R4 vstavite manjši upor. Najvišji izhodni tok lahko pričakujemo približno 3 A.
Seznam delov
Prejšnja: Mrežni krogotok Naprej: Kako narediti sončno celico iz tranzistorja
