Högeffektiv högeffektiv buck-omvandlingskrets med TL494

En buck-omvandlare (steg-ned-omvandlare) är en DC-till-DC-omkopplingsomvandlare som sänker spänningen samtidigt som den bibehåller en konstant effektbalans. Huvudfunktionen i en buck-omvandlare är effektivitet, vilket innebär att med en buck-omvandlare ombord kan vi förvänta oss längre batterilivslängd, minskad värme, mindre storlek och förbättrad effektivitet. Vi har tidigare gjort några enkla Buck-omvandlare-kretsar och förklarat dess grunder och designeffektivitet.

Så i den här artikeln ska vi designa, beräkna och testa en högeffektiv buck-omvandlingskrets baserad på den populära TL494 IC och äntligen kommer det att finnas en detaljerad video som visar arbets- och testdelen av kretsen, så utan vidare, låt oss komma igång.

Hur fungerar en Buck Converter?

Ovanstående figur visar en mycket grundläggande krets för omvandlare av buck. För att veta hur en buck-omvandlare fungerar, ska jag dela kretsen i två förhållanden. Det första tillståndet när transistorn är PÅ, nästa tillstånd när transistorn är AV.

Transistor I tillstånd

I det här scenariot kan vi se att dioden är i öppet kretslopp eftersom den är i omvänd förspänd tillstånd. I denna situation kommer en del initialström att börja flöda genom lasten, men strömmen begränsas av induktorn, så att induktorn också laddas upp gradvis. Därför bygger kondensatorn under kretsens on-time laddningscykeln för cykel, och denna spänning reflekteras över belastningen.

Transistor Av-tillstånd

När transistorn är i från-läge kollapsar energin som är lagrad i induktorn L1 och strömmar tillbaka genom dioden D1 som visas i kretsen med pilarna. I denna situation är spänningen över induktorn i omvänd polaritet och så är dioden i framåtriktat tillstånd. Nu på grund av induktans kollapsande magnetfält fortsätter strömmen att strömma genom lasten tills induktorn tar slut. Allt detta händer medan transistorn är i avstängt tillstånd.

Efter en viss period när induktorn nästan är slut på lagrad energi börjar lastspänningen falla igen, i denna situation blir kondensatorn C1 huvudströmkällan, kondensatorn är där för att hålla strömmen flödande tills nästa cykel börjar om igen.

Nu genom att ändra omkopplingsfrekvensen och omkopplingstiden kan vi få vilken utgång som helst från 0 till Vin från en buck-omvandlare.

IC TL494

Nu innan vi bygger en TL494 buck-omvandlare, låt oss lära oss hur PWM-styrenheten TL494 fungerar.

TL494 IC har 8 funktionsblock som visas och beskrivs nedan.

1. 5-V referensregulator

Den 5V interna referensregulatorns utgång är REF-stiftet, som är stift-14 på IC. Referensregulatorn är där för att tillhandahålla en stabil försörjning för interna kretsar som pulsstyrningens vippa, oscillator, dödtidskomparator och PWM-komparator. Regulatorn används också för att driva felförstärkarna som är ansvariga för att kontrollera utgången.

Notera! Referensen är internt programmerad till en initial noggrannhet på ± 5% och bibehåller stabilitet över ett ingångsspänningsområde på 7V till 40 V. För ingångsspänningar mindre än 7V, mättas regulatorn inom 1V från ingången och spårar den.

2. Oscillator

Oscillatorn genererar och tillhandahåller en sågtandvåg till dödtidskontrollen och PWM-komparatorerna för olika styrsignaler.

Frekvensen hos oscillatorn kan ställas in genom att välja timing komponenter R T och C T.

Den frekvens hos oscillatorn kan beräknas genom formeln nedan

Fosc = 1 / (RT * CT)

För enkelhetens skull har jag gjort ett kalkylblad där du enkelt kan beräkna frekvensen.

Notera! Oscillatorfrekvensen är lika med utgångsfrekvensen endast för applikationer med ena änden. För push-pull-applikationer är utgångsfrekvensen hälften av oscillatorfrekvensen.

3. Dödtidskomparator

Den döda tiden eller att helt enkelt säga ledighetskontroll ger den minsta dödtiden eller ledigheten. Utgången från dödtidskomparatorn blockerar växlingstransistorer när spänningen vid ingången är större än oscillatorns rampspänning. Att applicera en spänning på DTC- stiftet kan medföra ytterligare dödtid, vilket ger ytterligare dödtid från dess minimum 3% till 100% eftersom ingångsspänningen varierar från 0 till 3V. Enkelt uttryckt kan vi ändra utgångsvågens arbetscykel utan att finjustera felförstärkarna.

Notera! En intern förskjutning på 110 mV säkerställer en minsta dödtid på 3% med dödtidskontrollingången jordad.

4. Felförstärkare

Båda högförstärkningsfelförstärkarna får sin förspänning från VI-försörjningsskenan. Detta tillåter ett gemensamt ingångsspänningsområde från –0,3 V till 2 V mindre än VI. Båda förstärkarna uppträder karakteristiskt av en enda-slutförstärkare med enda ändar, eftersom varje utgång endast är aktiv hög.

5. Ingång för utgångskontroll

Utgångsstyringången bestämmer om utgångstransistorerna fungerar i parallell- eller push-pull-läge. Genom att ansluta utgångsstyrstiftet som är stift-13 till jord ställer utgångstransistorerna i parallellt driftsläge. Men genom att ansluta denna stift till 5V-REF-stift sätter utgångstransistorerna i push-pull-läge.

6. Utgångstransistorer

IC har två interna utgångstransistorer som är i öppen kollektor och öppen emitterkonfiguration, genom vilken den kan källa eller sänka en maximal ström upp till 200 mA.

Notera! Transistorerna har en mättnadsspänning på mindre än 1,3 V i common-emitter-konfigurationen och mindre än 2,5 V i emitter-follower-konfigurationen.

Funktioner i TL494 IC

• Komplett PWM Power-Control Circuitry
• Oanslutna utgångar för 200 mA Sink eller källström
• Utgångskontroll väljer enkel-eller Push-Pull-operation
• Intern krets förbjuder dubbel puls vid antingen utgång
• Variabel dödtid ger kontroll över det totala intervallet
• Intern regulator ger en stabil 5-V
• Referensförsörjning med 5% tolerans
• Kretsarkitektur möjliggör enkel synkronisering

Notera! Det mesta av den interna schemat och driftsbeskrivningen hämtas från databladet och modifieras till viss del för bättre förståelse.

Komponenter krävs

1. TL494 IC - 1
2. TIP2955 Transistor - 1
3. Skruvplint 5mmx2 - 2
4. 1000uF, 60V kondensator - 1
5. 470uF, 60V kondensator - 1
6. 50K, 1% motstånd - 1
7. 560R Motstånd - 1
8. 10K, 1% motstånd - 4
9. 3.3K, 1% motstånd - 2
10. 330R motstånd - 1
11. 0.22uF kondensator - 1
12. 5.6K, 1W motstånd - 1
13. 12.1V Zener-diod - 1
14. MBR20100CT Schottky-diod - 1
15. 70uH (27 x 11 x 14) mm Induktor - 1
16. Potentiometer (10K) Trim-Pot - 1
17. 0.22R Strömavkänningsmotstånd - 2
18. Plädtavla Generic 50x 50mm - 1
19. PSU Heat Sink Generic - 1
20. Jumper Wires Generic - 15

Schematisk bild

Kretsschema för högeffektiv bockomvandlare ges nedan.

Kretskonstruktion

För denna demonstration av denna högströmskonverterare är kretsen konstruerad i handgjord kretskort, med hjälp av schematiska och kretskortsdesignfiler; Observera att om du ansluter en stor belastning till utgångsbockomvandlaren kommer en enorm mängd ström att strömma genom kretskortspåren, och det finns en chans att spåren kommer att brinna ut. Så för att förhindra att PCB-spåren brinner ut har jag inkluderat några byglar som hjälper till att öka strömflödet. Dessutom har jag förstärkt PCB-spåren med ett tjockt lödlager för att sänka spårmotståndet.

Induktorn är konstruerad med 3 trådar av parallell 0,45 kvm emaljerad koppartråd.

Beräkningar

För att korrekt beräkna värdena på induktorn och kondensatorn har jag använt ett dokument från texas-instrument.

Efter det har jag gjort ett Google-kalkylblad för att göra beräkningen enklare

Testar denna högspänningsinställningskonverterare

För att testa kretsen används följande inställning. Som visas i ovanstående bild är ingångsspänningen 41,17 V och obelastningsströmmen är 0,015 A vilket gör att belastningen utan belastning dras till mindre än 0,6W.

Innan någon av er hoppar och säger vad en skål med motståndet gör i mitt testbord.

Låt mig berätta, motstånden blir väldigt mycket heta under tiden för att testa kretsen med full belastning, så jag har förberett en skål med vatten för att förhindra att mitt arbetsbord brinner

Verktyg som används för att testa kretsen

1. 12V blybatteri.
2. En transformator som har en 6-0-6 kran och en 12-0-12 kran
3. 5 10W 10r Motstånd parallellt som belastning
4. Meco 108B + TRMS-multimeter
5. Meco 450B + TRMS-multimeter
6. Hantek 6022BE Oscilloskop

Ingångseffekt för högeffekt Buck Converter

Som du kan se från bilden ovan sjunker ingångsspänningen till 27,45 V i belastningstillstånd och ingångsströmmen är 3,022 A vilket är lika med en ingångseffekt på 82,9539 W.

Uteffekt

Som du kan se från bilden ovan är utspänningen 12,78V och utgångsströmmen på 5,614A vilket motsvarar en effektuttag på 71,6958 W.

Så kretsens effektivitet blir (71,6958 / 82,9539) x 100% = 86,42%

Förlusten i kretsen beror på motstånden för att driva TL494 IC och

Absolut maximal strömdragning i min testtabell

Från ovanstående bild kan man se att den maximala strömförbrukningen från kretsen är 6,96 A, den är nästan

I den här situationen är systemets huvudsakliga flaskhals min transformator, det är därför jag inte kan öka belastningsströmmen men med denna design och med en bra kylfläns kan du enkelt dra mer än 10A ström från denna krets.

Notera! Någon av er som undrar varför jag har fäst en massiv kylfläns i kretsen, låt mig berätta för tillfället att jag inte har någon mindre kylfläns i mitt lager.

Ytterligare förbättringar

Denna TL494 buck-omvandlingskrets är endast för demonstrationsändamål, därför finns ingen skyddskrets tillagd i kretsens utgångssektion

1. En utgående skyddskrets måste läggas till för att skydda belastningskretsen.
2. Induktorn måste doppas i lack, annars genererar det hörbart ljud.
3. En PCB av god kvalitet med rätt design är obligatorisk
4. Växlingstransistorn kan modifieras för att öka belastningsströmmen

Jag hoppas att du gillade den här artikeln och lärde dig något nytt av den. Om du är osäker kan du fråga i kommentarerna nedan eller använda våra forum för detaljerad diskussion.