Circuito convertitore buck ad alta efficienza ad alta potenza utilizzando tl494

Un convertitore buck (convertitore step-down) è un convertitore di commutazione da CC a CC che riduce la tensione mantenendo un equilibrio di potenza costante. La caratteristica principale di un convertitore buck è l'efficienza, il che significa che con un convertitore buck a bordo, possiamo aspettarci una maggiore durata della batteria, calore ridotto, dimensioni più ridotte e maggiore efficienza. In precedenza abbiamo realizzato alcuni semplici circuiti di convertitori Buck e ne abbiamo spiegato le basi e l'efficienza di progettazione.

Quindi, in questo articolo, progetteremo, calcoleremo e testeremo un circuito convertitore buck ad alta efficienza basato sul popolare IC TL494 e, infine, ci sarà un video dettagliato che mostra la parte di lavoro e test del circuito, quindi senza ulteriori indugi, iniziamo.

Come funziona un convertitore buck?

La figura sopra mostra un circuito convertitore buck molto semplice. Per sapere come funziona un convertitore buck, dividerò il circuito in due condizioni. La prima condizione quando il transistor è ON, la condizione successiva quando il transistor è OFF.

Stato transistor acceso

In questo scenario, possiamo vedere che il diodo è in condizione di circuito aperto perché è nello stato di polarizzazione inversa. In questa situazione, una parte della corrente iniziale inizierà a fluire attraverso il carico, ma la corrente è limitata dall'induttore, quindi anche l'induttore inizia a caricarsi gradualmente. Pertanto, durante il tempo di attivazione del circuito, il condensatore accumula la carica ciclo per ciclo e questa tensione si riflette sul carico.

Stato transistor spento

Quando il transistor è spento, l'energia immagazzinata nell'induttore L1 collassa e rifluisce attraverso il diodo D1 come mostrato nel circuito con le frecce. In questa situazione, la tensione ai capi dell'induttore è in polarità inversa e quindi il diodo è in condizione di polarizzazione diretta. Ora, a causa del collasso del campo magnetico dell'induttore, la corrente continua a fluire attraverso il carico fino a quando l'induttore non si scarica. Tutto questo accade mentre il transistor è spento.

Dopo un certo periodo in cui l'induttore ha quasi esaurito l'energia immagazzinata, la tensione di carico ricomincia a scendere, in questa situazione, il condensatore C1 diventa la principale fonte di corrente, il condensatore è lì per mantenere la corrente che scorre fino all'inizio del ciclo successivo ancora.

Ora variando la frequenza e il tempo di commutazione, possiamo ottenere qualsiasi uscita da 0 a Vin da un convertitore buck.

IC TL494

Ora, prima di costruire un convertitore buck TL494, impariamo come funziona il controller PWM TL494.

L'IC TL494 ha 8 blocchi funzionali, che sono mostrati e descritti di seguito.

1. Regolatore di riferimento a 5 V

L'uscita del regolatore di riferimento interno a 5 V è il pin REF, che è il pin 14 dell'IC. Il regolatore di riferimento è lì per fornire un'alimentazione stabile per i circuiti interni come il flip-flop a impulsi, l'oscillatore, il comparatore di controllo del tempo morto e il comparatore PWM. Il regolatore viene utilizzato anche per pilotare gli amplificatori di errore che sono responsabili del controllo dell'uscita.

Nota! Il riferimento è programmato internamente con una precisione iniziale di ± 5% e mantiene la stabilità su un intervallo di tensioni di ingresso da 7 V a 40 V. Per tensioni di ingresso inferiori a 7 V, il regolatore si satura entro 1 V dall'ingresso e lo segue.

2. Oscillatore

L'oscillatore genera e fornisce un'onda a dente di sega al controller del tempo morto e ai comparatori PWM per vari segnali di controllo.

La frequenza dell'oscillatore può essere regolata selezionando componenti di temporizzazione R T e C T.

La frequenza dell'oscillatore può essere calcolata con la formula seguente

Fosc = 1 / (RT * CT)

Per semplicità, ho creato un foglio di calcolo, con il quale puoi calcolare la frequenza molto facilmente.

Nota! La frequenza dell'oscillatore è uguale alla frequenza di uscita solo per applicazioni single-ended. Per le applicazioni push-pull, la frequenza di uscita è la metà della frequenza dell'oscillatore.

3. Comparatore di controllo dei tempi morti

Il tempo morto o semplicemente il controllo del tempo di spegnimento fornisce il tempo morto o il tempo di spegnimento minimo. L'uscita del comparatore del tempo morto blocca la commutazione dei transistor quando la tensione in ingresso è maggiore della tensione di rampa dell'oscillatore. L'applicazione di una tensione al pin DTC può imporre un tempo morto aggiuntivo, fornendo così un tempo morto aggiuntivo dal suo minimo del 3% al 100% poiché la tensione di ingresso varia da 0 a 3V. In termini semplici, possiamo cambiare il ciclo di lavoro dell'onda di uscita senza modificare gli amplificatori di errore.

Nota! Un offset interno di 110 mV garantisce un tempo morto minimo del 3% con l'ingresso di controllo del tempo morto collegato a terra.

4. Amplificatori di errore

Entrambi gli amplificatori di errore ad alto guadagno ricevono il bias dalla barra di alimentazione VI. Ciò consente un intervallo di tensione di ingresso di modo comune da –0,3 V a 2 V inferiore a VI. Entrambi gli amplificatori si comportano in modo caratteristico di un amplificatore single-ended ad alimentazione singola, in quanto ogni uscita è attiva solo in alto.

5. Ingresso controllo uscita

L'ingresso di controllo dell'uscita determina se i transistor di uscita funzionano in modalità parallela o push-pull. Collegando il pin di controllo dell'uscita che è il pin-13 a massa, i transistor di uscita vengono impostati in modalità di funzionamento in parallelo. Ma collegando questo pin al pin 5V-REF si impostano i transistor di uscita in modalità push-pull.

6. Transistor di uscita

L'IC ha due transistor di uscita interni che sono in configurazioni open-collector e open-emitter, grazie ai quali può generare o assorbire una corrente massima fino a 200mA.

Nota! I transistor hanno una tensione di saturazione inferiore a 1,3 V nella configurazione emettitore comune e inferiore a 2,5 V nella configurazione inseguitore emettitore.

Caratteristiche di TL494 IC

• Circuito di controllo dell'alimentazione PWM completo
• Uscite non commesse per corrente sink o source da 200 mA
• Il controllo dell'uscita seleziona il funzionamento Single-Ended o Push-Pull
• I circuiti interni proibiscono il doppio impulso su entrambe le uscite
• Il tempo morto variabile fornisce il controllo sull'intervallo totale
• Il regolatore interno fornisce un 5-V stabile
• Fornitura di riferimento con tolleranza del 5%
• L'architettura del circuito consente una facile sincronizzazione

Nota! La maggior parte degli schemi interni e della descrizione delle operazioni sono presi dalla scheda tecnica e modificati in una certa misura per una migliore comprensione.

Componenti richiesti

1. TL494 IC - 1
2. Transistor TIP2955 - 1
3. Terminale a vite 5mmx2 - 2
4. Condensatore da 1000uF, 60V - 1
5. Condensatore da 470uF, 60V - 1
6. Resistenza 50K, 1% - 1
7. Resistore 560R - 1
8. 10K, 1% Resistenza - 4
9. 3.3K, 1% Resistenza - 2
10. Resistore 330R - 1
11. Condensatore 0.22uF - 1
12. Resistore da 5,6 K, 1 W - 1
13. Diodo Zener 12,1 V - 1
14. Diodo Schottky MBR20100CT - 1
15. Induttore da 70 uH (27 x 11 x 14) mm - 1
16. Potenziometro (10K) Trim-Pot - 1
17. Resistenza di rilevamento corrente 0.22R - 2
18. Pannello placcato generico 50 x 50 mm - 1
19. Dissipatore di calore PSU generico - 1
20. Cavi ponticello generico - 15

Diagramma schematico

Di seguito è riportato lo schema del circuito per il convertitore buck ad alta efficienza.

Costruzione del circuito

Per questa dimostrazione di questo convertitore buck ad alta corrente, il circuito è costruito in PCB fatto a mano, con l'aiuto dei file di progettazione schematica e PCB; si noti che se si collega un grande carico al convertitore buck di uscita, un'enorme quantità di corrente fluirà attraverso le tracce PCB e c'è la possibilità che le tracce si brucino. Quindi, per evitare che le tracce del PCB si brucino, ho incluso alcuni jumper che aiutano ad aumentare il flusso di corrente. Inoltre, ho rinforzato le tracce del PCB con uno spesso strato di saldatura per ridurre la resistenza alle tracce.

L'induttore è costruito con 3 fili di filo di rame smaltato parallelo da 0,45 mmq.

Calcoli

Per calcolare correttamente i valori dell'induttore e del condensatore ho utilizzato un documento di texas instruments.

Dopodiché, ho creato un foglio di calcolo Google per semplificare il calcolo

Test di questo convertitore step-down ad alta tensione

Per testare il circuito viene utilizzata la seguente configurazione. Come mostrato nell'immagine sopra, la tensione di ingresso è 41,17 V e la corrente a vuoto è 0,015 A, il che rende l'assorbimento di potenza a vuoto inferiore a 0,6 W.

Prima che qualcuno di voi salti e dica cosa sta facendo una ciotola del resistore nel mio tavolo di prova.

Lascia che te lo dica, le resistenze si surriscaldano molto durante il periodo di prova del circuito a pieno carico, quindi ho preparato una ciotola d'acqua per evitare che il mio tavolo di lavoro si bruci

Strumenti utilizzati per testare il circuito

1. Batteria piombo-acido 12V.
2. Un trasformatore che ha una presa 6-0-6 e una presa 12-0-12
3. 5 10W 10r Resistenza in parallelo come carico
4. Multimetro Meco 108B + TRMS
5. Multimetro Meco 450B + TRMS
6. Oscilloscopio Hantek 6022BE

Potenza di ingresso per convertitore buck ad alta potenza

Come puoi vedere dall'immagine sopra, la tensione di ingresso scende a 27,45 V in condizioni di carico e la corrente di ingresso è 3,022 A che è uguale a una potenza di ingresso di 82,9539 W.

Potenza di uscita

Come puoi vedere dall'immagine sopra, la tensione di uscita è 12,78 V e l'assorbimento di corrente in uscita di 5,614 A che è equivalente a un assorbimento di potenza di 71,6958 W.

Quindi l'efficienza del circuito diventa (71.6958 / 82.9539) x 100% = 86.42%

La perdita nel circuito è dovuta alle resistenze per alimentare l'IC TL494 e

Assorbimento di corrente massimo assoluto nella mia tabella di prova

Dall'immagine sopra, si può vedere che l'assorbimento massimo di corrente dal circuito è di 6,96 A, è quasi

In questa situazione, il principale collo di bottiglia del sistema è il mio trasformatore ed è per questo che non posso aumentare la corrente di carico ma con questo design e con un buon dissipatore si possono facilmente assorbire più di 10A di corrente da questo circuito.

Nota! Chi di voi si chiede perché ho collegato un enorme dissipatore di calore al circuito, lasciate che vi dica che al momento non ho nessun dissipatore di calore più piccolo nella mia riserva.

Ulteriori miglioramenti

Questo circuito convertitore buck TL494 è solo a scopo dimostrativo, quindi non è stato aggiunto alcun circuito di protezione nella sezione di uscita del circuito

1. È necessario aggiungere un circuito di protezione dell'uscita per proteggere il circuito di carico.
2. L'induttore deve essere immerso nella vernice altrimenti genererà un rumore udibile.
3. È obbligatorio un PCB di buona qualità con un design adeguato
4. Il transistor di commutazione può essere modificato per aumentare la corrente di carico

Spero che questo articolo ti sia piaciuto e che abbia imparato qualcosa di nuovo da esso. Se hai qualche dubbio, puoi chiedere nei commenti qui sotto o puoi usare i nostri forum per una discussione dettagliata.