Circuito convertitore da CC a CC ad alta potenza - Variabile da 12 V a 30 V

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Il post spiega come realizzare un circuito convertitore boost da CC a CC ad alta potenza che aumenterà un livello di 12 V CC a qualsiasi livello più alto fino a un massimo di 30 V e con una corrente di 3 amp. Questa uscita ad alta corrente può essere ulteriormente migliorata aggiornando adeguatamente le specifiche del calibro del filo dell'induttore.

Un'altra grande caratteristica di questo convertitore è che l'uscita può essere variata linearmente tramite un potenziometro, dal range minimo possibile al range massimo.



Induzione

Convertitori CC-CC destinati a aumentare la tensione della batteria dell'auto sono spesso configurati attorno a un tipo di alimentatore switching (SMPSU) o un multivibratore di potenza, che pilota un trasformatore.

Il convertitore di alimentazione spiegato in questo articolo utilizza il dispositivo Circuito integrato TL 497A di Texas Instruments . Questo particolare CI facilita un'eccellente regolazione della tensione con un rumore di uscita minimo da realizzare in modo abbastanza conveniente e allo stesso modo garantisce elevate prestazioni di conversione.



Come funziona il circuito

Il convertitore descritto qui utilizza un file topologia flyback . La teoria del flyback sembra essere la tecnica più adatta e funzionale per ottenere una tensione di uscita immediata originata da una tensione di ingresso diretta inferiore.

Il principale componente di commutazione nel convertitore è in realtà un transistor SIPMOS di potenza T1 (vedi Fig.1). Durante il suo periodo di conduzione, la corrente che passa attraverso L1 aumenta esponenzialmente nel tempo.

Durante il tempo di accensione del ciclo di commutazione, l'induttore immagazzina l'energia magnetica indotta.

Circuito convertitore variabile da 3 ampere da 12 V a 30 V.

Non appena il transistor viene spento, l'induttore ripristina l'energia magnetica immagazzinata, convertendola in una corrente elettrica attraverso il carico collegato tramite D1.

Durante questa procedura, è fondamentale assicurarsi che il transistor continui ad essere spento per il periodo in cui il campo magnetico sull'induttore decade a zero.

Nel caso in cui questa condizione non venga implementata, la corrente attraverso l'induttore sale fino al livello di saturazione. Successivamente un effetto valanga fa sì che la corrente si massimizzi abbastanza rapidamente.

Il tempo di attivazione dell'attivazione del controllo del transistor relativo, o quindi il fattore di carico, non dovrebbe raggiungere il livello di unità. Il fattore di servizio massimo consentito si basa, su vari altri aspetti, intorno alla tensione di uscita.

Questo perché decide la velocità di decadimento dell'intensità del campo magnetico. La massima potenza di uscita che potrebbe essere ottenuta dal convertitore è determinata dalla massima corrente di picco ammissibile elaborata dall'induttore e dalla frequenza di commutazione del segnale di pilotaggio.

Gli elementi restrittivi qui sono principalmente l'istante di saturazione e i valori nominali massimi tollerabili dell'induttore per le perdite di rame, nonché la corrente di picco attraverso il transistor di commutazione (non dimenticare che un picco di uno specifico livello di energia elettrica arriva all'uscita durante ogni commutazione impulso).

Utilizzo di IC TL497A per PWM

Il funzionamento di questo circuito integrato è abbastanza non tradizionale, il che potrebbe essere compreso da una breve spiegazione di seguito. A differenza dell'implementazione convenzionale a frequenza fissa, circuiti integrati di controllo SMPSU con fattore di lavoro variabile, il TL497A è certificato come dispositivo a frequenza regolabile a tempo fisso.

Pertanto il fattore di servizio è controllato tramite la regolazione della frequenza per garantire una tensione di uscita costante.

Questo approccio porta in realtà un circuito piuttosto semplice, tuttavia fornisce lo svantaggio della frequenza di commutazione che raggiunge un intervallo inferiore che può essere udibile dall'orecchio umano per carichi che lavorano con corrente inferiore.

In realtà, la frequenza di commutazione scende al di sotto di 1 Hz una volta rimosso il carico dal convertitore. I clic lenti udibili a causa degli impulsi di carica collegati ai condensatori di uscita per mantenere una tensione di uscita fissa.

Quando non è collegato alcun carico, i condensatori di uscita tendono, ovviamente, a scaricarsi gradualmente attraverso il resistore di rilevamento della tensione.

Il tempo di attivazione dell'oscillatore interno di IC TL497A è costante e deciso da C1. L'oscillatore può essere disattivato in tre modi:

  • 1 °, quando la tensione sul pin 1 aumenta oltre la tensione di riferimento (1,2 V)
  • 2 °, quando la corrente dell'induttore supera un valore massimo specifico
  • E terzo, tramite l'ingresso di inibizione (sebbene non utilizzato in questo circuito).

Mentre nel processo di lavoro standard, l'oscillatore interno consente la commutazione di T1 in modo tale che la corrente dell'induttore aumenti linearmente.

Quando T1 è spento, l'energia magnetica accumulata all'interno dell'induttore viene respinta attraverso il condensatore che viene caricato attraverso questa energia di ritorno.

La tensione di uscita, insieme alla tensione del pin 1 dell'IC TL497A, aumenta leggermente, il che provoca la disattivazione dell'oscillatore. Questo continua fino a quando la tensione di uscita non è scesa a un livello significativamente inferiore Questa tecnica viene eseguita in modo ciclico, per quanto riguarda le ipotesi teoriche.

Tuttavia, in una disposizione che utilizza componenti reali, l'aumento della tensione indotto con la carica dei condensatori in un singolo intervallo dell'oscillatore è in realtà così piccolo che l'oscillatore rimane attivato finché la corrente dell'induttore raggiunge il valore più alto, come determinato dai componenti R2 e R3 (la caduta di tensione intorno a R1 e R3 è solitamente di 0,7 V a questo punto).

L'aumento graduale della corrente come indicato in Fig. 2b è dovuto al fattore di carico del segnale dell'oscillatore che risulta essere superiore a 0,5.

Non appena viene raggiunta la corrente ottimale raggiunta, l'oscillatore viene disattivato, consentendo all'induttore di trasferire la sua energia attraverso i condensatori.

In questa particolare situazione, la tensione di uscita sale a una grandezza appena alta per garantire che l'oscillatore sia spento per mezzo del pin IC 1. La tensione di uscita ora scende rapidamente, in modo che un nuovo ciclo di carica possa iniziare e ripetersi la procedura.

Tuttavia, purtroppo, le procedure di cambio discusse sopra saranno combinate con perdite relativamente elevate.

In un'implementazione nella vita reale, questo problema può essere risolto impostando il tempo di accensione (tramite C1) abbastanza alto da garantire che la corrente attraverso l'induttore non si estenda mai al livello più alto in un singolo intervallo dell'oscillatore (vedere Fig.3).

Il rimedio in questi casi può essere l'incorporazione di un induttore con anima in aria, che presenta un'autoinduttanza ragionevolmente minima.

Caratteristiche della forma d'onda

I grafici di temporizzazione in Fig. 3 mostrano le forme d'onda del segnale sui fattori chiave del circuito. L'oscillatore principale all'interno del TL497A funziona con una frequenza ridotta (sotto I Hz quando non c'è carico all'uscita del convertitore).

Il tempo istantaneo durante l'accensione, indicato come impulso rettangolare in Fig. 3a, dipende dal valore del condensatore CI. Il tempo di spegnimento è stabilito dalla corrente di carico. Durante la commutazione del tempo di accensione, il transistor T1 si accende provocando un aumento della corrente dell'induttore (Fig. 3b).

immagini delle forme d

Durante il periodo di tempo di spegnimento successivo all'impulso di corrente, l'induttore funziona come una sorgente di corrente.

Il TL497A analizza la tensione di uscita attenuata al pin 1 con la sua tensione di riferimento interna di 1,2 V. Nel caso in cui la tensione valutata sia inferiore alla tensione di riferimento, T1 viene polarizzato più duramente in modo che l'induttore immagazzini adeguatamente l'energia.

Questi cicli ripetuti di carica e scarica innesca un certo livello di tensione di ondulazione attraverso i condensatori di uscita (Fig. 3c). L'opzione feedback consente la regolazione della frequenza dell'oscillatore per garantire la migliore compensazione possibile dei deficit di tensione causati dalla corrente di carico.

Il diagramma degli impulsi di temporizzazione nella figura 3d rivela un movimento sostanziale della tensione di drain a causa del fattore Q (qualità) relativamente alto dell'induttore.

Anche se le oscillazioni vaganti delle ondulazioni di solito non influiscono sul funzionamento regolare di questo convertitore di potenza da CC a CC, queste potrebbero essere soppresse utilizzando un resistore parallelo da 1 k sull'induttore.

Considerazioni pratiche

Normalmente, un circuito SMPS è sviluppato per ottenere una corrente di uscita massima invece della corrente di uscita a riposo.

L'alta efficienza insieme a una tensione di uscita costante insieme a un'ondulazione minima sono inoltre diventati gli obiettivi chiave del progetto. Nel complesso, le caratteristiche di regolazione del carico di un SMPS basato sul flyback non forniscono quasi alcun motivo di preoccupazione.

Durante ogni ciclo di commutazione, il rapporto on / off o il ciclo di lavoro viene ottimizzato rispetto alla corrente di carico, in modo che la tensione di uscita continui ad essere relativamente stabile nonostante le fluttuazioni della corrente di carico.

Lo scenario appare leggermente diverso in termini di efficienza generale. Un convertitore step-up basato sulla topologia flyback produce tipicamente picchi di corrente abbastanza consistenti, che possono innescare una significativa perdita di energia (non dimenticare che la potenza aumenta esponenzialmente all'aumentare della corrente).

Nel funzionamento reale, tuttavia, il circuito del convertitore da CC a CC ad alta potenza consigliato offre un'efficienza complessiva migliore del 70% con una corrente di uscita ottimale, e ciò sembra piuttosto impressionante per quanto riguarda la semplicità del layout.

Ciò, di conseguenza, richiede che venga alimentato in saturazione, portando a un tempo di spegnimento ragionevolmente esteso. Naturalmente, maggiore è il tempo necessario al transistor per interrompere la corrente dell'induttore, minore sarà l'efficienza complessiva del progetto.

In un modo abbastanza non convenzionale, il MOSFET BUZ10 viene commutato attraverso il pin 11 dell'uscita di test dell'oscillatore, invece del transistore di uscita interno.

Il diodo D1 è ancora un altro componente cruciale all'interno del circuito. Le necessità di questa unità sono un potenziale per sopportare picchi di corrente elevati e cadute in avanti lente. Il tipo B5V79 soddisfa tutti questi requisiti e non deve essere sostituito con qualche altra variante.

Tornando allo schema del circuito principale di Fig. 1, è necessario notare attentamente che le correnti massime di 15-20 A non sono generalmente anormali nel circuito. Per evitare problemi che si sviluppano con batterie aventi una resistenza interna relativamente più alta, il condensatore C4 viene introdotto come un buffer all'ingresso del convertitore.

Considerando che i condensatori di uscita vengono caricati dal convertitore tramite impulsi rapidi come picchi di corrente, un paio di condensatori sono collegati in parallelo per assicurarsi che la capacità run-a-way rimanga la minima possibile.

Il convertitore di alimentazione da CC a CC in realtà non è dotato di protezione da cortocircuito. Il cortocircuito dei terminali di uscita sarà esattamente come il cortocircuito della batteria attraverso D1 e L1. L'autoinduttanza di L1 potrebbe non essere sufficientemente elevata da limitare la corrente per il periodo necessario per consentire a un fusibile di saltare.

Dettagli costruttivi dell'induttore

L1 viene creato avvolgendo 33 giri e mezzo di filo di rame smaltato. La figura 5 mostra le proporzioni. La maggior parte delle aziende fornisce filo di rame smaltato su un rotolo di ABS, che di solito funziona come il primo per la costruzione dell'induttore.

rendendo l

Praticare un paio di fori da 2 mm nel bordo inferiore per far scorrere i fili dell'induttore. Uno dei fori sarà vicino al cilindro mentre l'altro sulla circonferenza esterna del primo.

Potrebbe non essere utile considerare un filo spesso per costruire l'induttore, a causa del fenomeno dell'effetto pelle, che provoca lo spostamento dei portatori di carica lungo la superficie esterna del filo o la pelle del filo. Questo dovrebbe essere valutato in relazione all'ampiezza delle frequenze impiegate nel convertitore.

Per garantire una resistenza minima entro l'induttanza necessaria, si consiglia di lavorare con una coppia di fili di 1 mm di diametro, o anche 3 o 4 fili di 0,8 mm di diametro in mazzo.

Circa tre fili da 0,8 min ci consentiranno di ottenere una dimensione totale che può essere approssimativamente identica a due fili da 1 mm, ma fornisce un'effettiva superficie superiore del 20%.

L'induttore è avvolto strettamente e potrebbe essere sigillato utilizzando una resina appropriata o un composto a base di resina epossidica per controllare o sopprimere la perdita di rumore udibile (ricordare che la frequenza di funzionamento è all'interno della gamma udibile).

Costruzione e allineamento

Di seguito viene presentato il circuito stampato o il progetto PCB destinato al circuito convertitore CC CC ad alta potenza proposto.

progettazione PCB convertitore

Diversi fattori costruttivi devono avere alcune considerazioni. Le resistenze R2 e R3 potrebbero diventare piuttosto calde e quindi dovrebbero essere installate a pochi mm sopra la superficie del PCB.

La corrente massima che si muove per mezzo di queste resistenze potrebbe raggiungere i 15 A.

Anche il power-FET diventerà notevolmente caldo e richiederà un dissipatore di calore di dimensioni ragionevoli e il kit isolante in mica standard.

Il diodo può eventualmente funzionare senza raffreddarsi, sebbene possa essere idealmente bloccato su un comune dissipatore di calore utilizzato per il FET di potenza (ricordarsi di isolare elettricamente i dispositivi). Durante il normale funzionamento, l'induttore può mostrare una discreta quantità di riscaldamento.

Connettori e cavi per impieghi gravosi devono essere incorporati all'ingresso e all'uscita di questo convertitore. La batteria è protetta da un fusibile da 16 A ritardato inserito nella linea di alimentazione in ingresso.

Attenzione al fatto che il fusibile non fornirà alcuna forma di protezione al convertitore durante i cortocircuiti in uscita! Il circuito è piuttosto facile da configurare e può essere realizzato nel modo seguente:

Regolare R1 per ottenere la tensione di uscita prevista, che è compresa tra 20 e 30 V. La tensione di uscita potrebbe essere ridotta al di sotto di questa, anche se non deve essere inferiore alla tensione di ingresso.

Questo può essere fatto inserendo un resistore più piccolo al posto di R4. La corrente di uscita più alta può essere prevista essere di circa 3 A.

Elenco delle parti




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