Post objašnjava kako napraviti krug pretvarača za pojačanje istosmjerne u istosmjernu struju koji će pojačati 12 V istosmjerne struje na bilo koju višu razinu do najviše 30 V i pri struji od 3 amp. Ova velika strujna snaga može se dodatno poboljšati odgovarajućom nadogradnjom specifikacija mjerača žice induktora.
Još jedna sjajna značajka ovog pretvarača je da se izlaz može linearno mijenjati pomoću potenciometra, od minimalnog mogućeg raspona do maksimalnog raspona.
Uvod
DC-DC pretvarači namijenjeni za pojačavajući napon akumulatora u automobilu često su konfigurirani oko preklopnog tipa napajanja (SMPSU) ili multivibratora snage, koji vozi transformator.
Pretvarač snage objašnjen u ovom članku koristi uređaj TL 497A integrirani krug tvrtke Texas Instruments . Ova posebna IC olakšava izvrsnu regulaciju napona uz minimalnu izlaznu buku koja se postiže prilično povoljno, a također osigurava visoke performanse pretvorbe.
Kako krug radi
Ovdje detaljno pretvarač koristi povratna topologija . Čini se da je povratna teorija najprikladnija i najfunkcionalnija tehnika dobivanja neposrednog izlaznog napona koji potječe od nižeg izravnog ulaznog napona.
Glavna sklopna komponenta u pretvaraču zapravo je snažni SIPMOS tranzistor T1 (vidi sliku 1). Tijekom razdoblja provođenja, struja koja prolazi kroz L1 eksponencijalno se povećava s vremenom.
Tijekom vremena uključivanja ciklusa uključivanja, induktor pohranjuje induciranu magnetsku energiju.
Čim se tranzistor isključi, induktor vraća uskladištenu magnetsku energiju, pretvarajući je u D1 u električnu struju preko povezanog opterećenja.
Tijekom ovog postupka presudno je osigurati da tranzistor i dalje bude ISKLJUČEN tijekom razdoblja dok se magnetsko polje na induktoru raspada na nulu.
U slučaju da ovo stanje ne uspije, struja kroz prigušnicu naraste do razine zasićenja. Efekt lavine naknadno rezultira strujom koja se prilično brzo maksimizira.
Vrijeme uključenja okidača relativnog upravljanja tranzistorom, odnosno faktor radne snage, ne smije doći do razine jedinstva. Najveći dopušteni radni faktor oslanja se, na razne druge aspekte, oko izlaznog napona.
To je zato što odlučuje o brzini propadanja jakosti magnetskog polja. Najveća izlazna snaga koja se može postići pretvaračem određena je najvećom dopuštenom vršnom strujom koju obrađuje induktor i frekvencijom prebacivanja pogonskog signala.
Ograničavajući elementi ovdje su prvenstveno trenutak zasićenja i maksimalno podnošljive vrijednosti induktora za gubitke bakra, kao i vršna struja preko preklopnog tranzistora (ne zaboravite da pri svakom prebacivanju na izlaz izlazi specifična razina električne energije puls).
Korištenje IC TL497A za PWM
Rad ove IC prilično je netradicionalni, što se može razumjeti iz kratkog objašnjenja u nastavku. Za razliku od konvencionalne implementacije fiksne frekvencije, IC-a SMPSU regulatora s promjenjivim radnim faktorom, TL497A je certificiran kao uređaj s prilagodljivom frekvencijom s fiksnom frekvencijom.
Stoga se radni faktor kontrolira podešavanjem frekvencije kako bi se osigurao dosljedni izlazni napon.
Ovaj pristup donosi u stvarnost prilično jednostavan krug, ali unatoč tome daje negativnu stranu preklopne frekvencije koja dostiže niži opseg koji može biti čujan za ljudsko uho kod opterećenja koja rade s manjom strujom.
U stvarnosti, frekvencija prebacivanja postaje ispod 1 Hz nakon uklanjanja opterećenja iz pretvarača. Usporeni klikovi zvučni zbog impulsa naboja spojenih na izlazne kondenzatore da drže fiksni izlazni napon.
Kad nema priključenog opterećenja, izlazni kondenzatori očito se postupno prazne kroz otpornik osjetnika napona.
Vrijeme unutarnjeg oscilatora IC TL497A je konstantno, a odlučuje C1. Oscilator se može deaktivirati na tri metode:
- Prvo, kada se napon na zavoju 1 poveća iznad referentnog napona (1,2 V)
- 2., kada struja prigušnice premaši određenu najvišu vrijednost
- I treće, pomoću ulaza za inhibiranje (iako se ne koristi u ovom krugu).
Dok je u standardnom radnom procesu, unutarnji oscilator omogućuje prebacivanje T1 na takav način da se struja induktivnosti linearno povećava.
Kada se T1 isključi, magnetska energija nakupljena unutar induktora vraća se natrag preko kondenzatora koji se puni kroz ovu povratnu emf energiju.
Izlazni napon, zajedno s naponom pina 1 IC TL497A, lagano raste, što uzrokuje deaktiviranje oscilatora. To se nastavlja sve dok izlazni napon ne padne na neku znatno nižu razinu. Ova se tehnika izvodi ciklično, što se tiče teoretske pretpostavke.
Međutim, u rasporedu koji koristi stvarne komponente, porast napona induciran punjenjem kondenzatora u jednom intervalu oscilatora zapravo je toliko malen da oscilator ostaje aktiviran sve dok struja prigušnice ne postigne najvišu vrijednost, utvrđenu komponentama R2 i R3 (pad napona oko R1 i R3 u ovom trenutku obično iznosi 0,7 V).
Koračno povećanje struje, kao što je prikazano na slici 2b, je zbog faktora radne snage oscilatora koji je veći od 0,5.
Čim se postigne postignuta optimalna struja, oscilator se deaktivira, omogućujući induktoru da prenosi svoju energiju preko kondenzatora.
U ovoj konkretnoj situaciji, izlazni napon se penje do veličine koja je upravo visoka kako bi se osiguralo da se oscilator ISKLJUČI pomoću IC pina 1. Izlazni napon sada brzo pada, tako da novi ciklus punjenja može započeti i ponoviti procedura.
Međutim, nažalost, gore spomenuti postupci prebacivanja kombinirat će se s relativno velikim gubicima.
U stvarnom životu, ovaj se problem može riješiti postavljanjem vremena uključenja (putem C1) dovoljno visokog da se osigura da struja kroz prigušnicu nikada ne dosegne najvišu razinu u jednom intervalu oscilatora (vidi sliku 3).
Lijek u takvim slučajevima može biti ugradnja induktora s jezgrom s zrakom koji ima relativno minimalnu samoinduktivnost.
Karakteristike valnog oblika
Tablice vremena na slici 3 prikazuju valne oblike signala na ključne čimbenike iz kruga. Glavni oscilator unutar TL497A radi sa smanjenom frekvencijom (ispod I Hz kad nema opterećenja na izlazu te pretvarača).
Trenutačno vrijeme tijekom uključivanja, označeno kao pravokutni impuls na slici 3a, ovisi o vrijednosti kondenzatora C1. Vrijeme isključenja određuje se strujom opterećenja. Tijekom uključenja na vrijeme tranzistor T1 se UKLJUČUJE uzrokujući povećanje struje prigušnice (slika 3b).
Tijekom perioda ISKLJUČENJA nakon trenutnog impulsa, prigušnica djeluje poput izvora struje.
TL497A analizira oslabljeni izlazni napon na kontaktu 1 s njegovim unutarnjim referentnim naponom od 1,2 V. U slučaju da je procijenjeni napon niži od referentnog napona, T1 je pristraniji teže, tako da prigušnica na odgovarajući način pohranjuje energiju.
Ovaj ponovljeni ciklus punjenja i pražnjenja pokreće određenu razinu napona mreškanja na izlaznim kondenzatorima (slika 3c). Opcija povratne sprege omogućuje podešavanje frekvencije oscilatora kako bi se osigurala najbolja moguća kompenzacija deficita napona uzrokovanih strujom opterećenja.
Dijagram vremenskog impulsa na slici 3d otkriva značajno kretanje odvodnog napona zbog relativno visokog Q (kvalitetnog) faktora prigušnice.
Iako zalutale valovite oscilacije obično ne utječu na redovno funkcioniranje ovog pretvarača snage istosmjerne u istosmjernu struju, one bi se mogle suzbiti paralelnim otporom od 1 k preko induktora.
Praktična razmatranja
Uobičajeno se razvija SMPS krug za postizanje maksimalne izlazne struje umjesto izlazne struje mirovanja.
Visoka učinkovitost zajedno sa stalnim izlaznim naponom uz minimalno valovitost dodatno su postali ključni ciljevi dizajna. U cjelini, značajke regulacije opterećenja SMPS-a temeljenog na povratnom zrakoplovu pružaju jedva razlog za zabrinutost.
Tijekom svakog preklopnog ciklusa omjer uključivanja / isključivanja ili radni ciklus se prilagođava u odnosu na struju opterećenja, kako bi izlazni napon i dalje bio relativno stabilan usprkos značajnim kolebanjima struje opterećenja.
Čini se da se scenarij malo razlikuje u smislu opće učinkovitosti. Pojačavajući pretvarač zasnovan na povratnoj topologiji obično proizvodi prilično značajne skokove struje, što može izazvati značajan gubitak energije (ne zaboravite da se snaga eksponencijalno povećava s povećanjem struje).
Međutim, u stvarnom životu, preporučeni krug pretvarača istosmjerne u istosmjernu struju pruža ukupnu učinkovitost bolju od 70% uz optimalnu izlaznu struju, a to izgleda prilično impresivno s obzirom na jednostavnost izgleda.
To, prema tome, zahtijeva da se uključi u zasićenost, što dovodi do razumno produljenog vremena isključivanja. Prirodno, što više vremena treba tranzistoru da odsiječe struju prigušnice, to će manja biti ukupna učinkovitost dizajna.
Na sasvim nekonvencionalan način, MOSFET BUZ10 prebacuje se kroz pin 11 ispitnog izlaza oscilatora, umjesto unutarnjeg izlaznog tranzistora.
Dioda D1 još je jedna ključna komponenta unutar sklopa. Potrebne potrebe ove jedinice mogu podnijeti velike strujne skokove i trom pad naprijed. Tip B5V79 ispunjava sve ove zahtjeve i ne bi ga trebao zamijeniti nekom drugom varijantom.
Vraćajući se na glavni dijagram kruga sa slike 1, moramo pažljivo napomenuti da strujne vrijednosti od 15-20 A u pravilu nisu abnormalne u krugu. Kako bi se izbjegli problemi koji se razvijaju kod baterija koje imaju relativno veći unutarnji otpor, kondenzator C4 uvodi se poput međuspremnika na ulazu pretvarača.
Uzimajući u obzir da se pretvarač napuni izlaznim kondenzatorima poput brzih impulsa poput trenutnih skokova, para kondenzatora je spojeno paralelno kako bi se osiguralo da protočni kapacitivnost ostane što je moguće manja.
Pretvarač snage istosmjerne u istosmjernu struju zapravo nema zaštitu od kratkog spoja. Kratki spoj izlaznih stezaljki bit će potpuno sličan kratkom spoju baterije kroz D1 i L1. Samoinduktivnost L1 možda neće biti dovoljno velika da ograniči struju tijekom razdoblja potrebnog da osigurač pregori.
Konstrukcijski detalji induktora
L1 nastaje namotavanjem 33 i pola zavoja emajlirane bakrene žice. Slika 5 prikazuje proporcije. Većina tvrtki nudi emajliranu bakrenu žicu preko ABS valjka, koja obično radi poput one za izgradnju induktora.
Izbušite nekoliko rupa od 2 mm na donjem rubu kako biste provukli žice induktora. Jedna od rupa nalazit će se blizu cilindra, a druga na vanjskom opsegu prve.
Možda neće biti korisno razmotriti debelu žicu za konstrukciju prigušnice zbog pojave kožnog efekta koja uzrokuje pomicanje nosača naboja duž vanjske površine žice ili kože žice. To treba procijeniti s obzirom na veličinu frekvencija koje se koriste u pretvaraču.
Kako bi se zajamčio minimalan otpor unutar potrebne induktivnosti, zagovara se rad s nekoliko žica promjera 1 mm ili čak 3 ili 4 žice promjera 0,8 mm u gomili.
Otprilike tri žice od 0,8 min omogućit će nam da dobijemo ukupnu dimenziju koja može biti približno identična dvjema žicama od 1 mm, ali ipak osigurava efektivnih 20% veću površinu.
Prigušnica je čvrsto namotana i može se zatvoriti odgovarajućom smjesom na bazi smole ili epoksida za kontrolu ili suzbijanje curenja zvučne buke (imajte na umu da je frekvencija rada unutar zvučnog raspona).
Konstrukcija i poravnanje
Tiskana pločica ili dizajn PCB-a namijenjeni predloženom krugu istosmjernog istosmjernog pretvarača velike snage predstavljeni su u nastavku.
Nekoliko konstruktivnih čimbenika treba imati na umu. Otpornici R2 i R3 mogu se poprilično zagrijati i zato ih treba ugraditi na nekoliko mm povišenih iznad površine PCB-a.
Maksimalna struja koja se kreće pomoću ovih otpornika mogla je doseći čak 15 A.
Power-FET također će se znatno zagrijati i zahtijevat će hladnjak razumne veličine i standardni komplet za izolaciju tinjca.
Dioda može raditi i bez hlađenja, iako bi mogla biti idealno stegnuta preko uobičajenog hladnjaka koji se koristi za napajanje FET-om (ne zaboravite električno izolirati uređaje). Dok normalno radi, induktor može pokazivati priličnu količinu zagrijavanja.
Priključci i kabeli za teške uvjete rada trebaju biti ugrađeni na ulaz i izlaz ovog pretvarača. Akumulator je zaštićen osiguračem odloženog djelovanja od 16 A koji je uveden unutar ulaznog vodova.
Čuvajte se činjenice da osigurač neće pružiti nikakav oblik zaštite pretvaraču za vrijeme izlaznih kratkih spojeva! Krug je prilično jednostavno postaviti, a može se izvesti na sljedeći način:
Podesite R1 da postignete predviđeni izlazni napon koji se može kretati između 20 i 30 V. Izlazni napon može se smanjiti ispod ovog, iako ne smije biti manji od ulaznog napona.
To se može učiniti umetanjem manjeg otpora umjesto R4. Očekuje se da će najveća izlazna struja biti približno 3 A.
Popis dijelova
Prethodno: Grid Dip Meter Circuit Dalje: Kako izraditi solarnu ćeliju od tranzistora
