Didelės galios nuolatinės srovės ir nuolatinės srovės keitiklio grandinė - kintama nuo 12 V iki 30 V

Šiame įraše paaiškinta, kaip sukurti didelės galios nuolatinės srovės ir nuolatinės srovės keitiklio grandinę, kuri padidins 12 V nuolatinę įtampą iki bet kokio aukštesnio lygio iki 30 V maksimalaus ir 3 amperų srovės greičiu. Šią didelę srovės galią galima dar labiau sustiprinti tinkamai atnaujinant induktyviosios vielos matuoklio specifikacijas.

Dar viena puiki šio keitiklio savybė yra ta, kad išėjimą galima potenciometru keisti tiesiškai, nuo mažiausio galimo diapazono iki didžiausio.

Indukcija

DC -DC keitikliai, skirti didinti automobilio akumuliatoriaus įtampą dažnai sukonfigūruojami aplink perjungto režimo maitinimo šaltinį (SMPSU) arba maitinimo multivibratorių, valdantį transformatorių.

Šiame straipsnyje paaiškintame maitinimo keitime naudojamas įrenginys TL 497A integruota grandinė iš „Texas Instruments“ . Šis konkretus IC palengvina puikų įtampos reguliavimą su minimaliu išėjimo triukšmu, kurį galima pasiekti gana patogiai, taip pat užtikrina aukštą konversijos našumą.

Kaip veikia grandinė

Čia detalizuotas keitiklis naudoja a „flyback“ topologija . „Flyback“ teorija yra tinkamiausia ir funkcionaliausia technika norint gauti tiesioginę išėjimo įtampą, kylančią iš žemesnės tiesioginės įėjimo įtampos.

Pagrindinis keitiklio perjungimo komponentas iš tikrųjų yra galios SIPMOS tranzistorius T1 (žr. 1 pav.). Jo laidumo laikotarpiu srovė, einanti per L1, laikui bėgant didėja.

Perjungimo ciklo įjungimo laiką induktorius saugo sukeltą magnetinę energiją.

Kai tik tranzistorius išjungiamas, induktorius grąžina sukauptą magnetinę energiją, paversdamas ją elektros srove per prijungtą apkrovą per D1.

Šios procedūros metu labai svarbu užtikrinti, kad tranzistorius tam tikrą laiką ir toliau būtų išjungtas, o induktoriaus magnetinis laukas sugenda iki nulio.

Jei šios sąlygos neįmanoma įgyvendinti, srovė per induktorių pakyla iki prisotinimo lygio. Dėl lavinos efekto srovė gana greitai padidėja.

Taigi santykiniam tranzistoriaus valdymo įjungimo įjungimo laikui arba darbo koeficientui neturėtų būti leidžiama pasiekti vienybės lygį. Didžiausias leistinas darbo koeficientas, atsižvelgiant į įvairius kitus aspektus, priklauso nuo išėjimo įtampos.

Taip yra todėl, kad jis nusprendžia magnetinio lauko stiprumo skilimo greitį. Didžiausią išėjimo galią, kurią būtų galima pasiekti iš keitiklio, lemia didžiausia leistina didžiausia srovė, kurią apdoroja induktorius, ir važiavimo signalo perjungimo dažnis.

Ribojantys elementai pirmiausia yra prisotinimo momentas ir didžiausi leistini induktoriaus vario nuostoliai, taip pat didžiausia srovė per komutacinį tranzistorių (nepamirškite, kad kiekvieno perjungimo metu į išėjimą patenka konkretaus elektros energijos lygio šuolis pulsas).

IC TL497A naudojimas PWM

Šio IC veikimas yra gana netradicinis, tai galima suprasti iš žemiau pateikto trumpo paaiškinimo. Skirtingai nuo įprasto fiksuoto dažnio diegimo, kintamo darbo koeficiento SMPSU valdiklio IC, TL497A yra sertifikuotas kaip fiksuoto laiko, reguliuojamo dažnio įrenginys.

Todėl darbo koeficientas valdomas reguliuojant dažnį, kad būtų užtikrinta pastovi išėjimo įtampa.

Šis požiūris į realybę atneša gana nesudėtingą grandinę, vis dėlto suteikia perjungimo dažnio neigiamą pusę, pasiekiantį mažesnį diapazoną, kuris gali būti girdimas žmogaus ausiai, kai apkrovos dirba su mažesne srove.

Iš tikrųjų, kai keitiklis pašalina apkrovą, perjungimo dažnis nesiekia 1 Hz. Lėti spragtelėjimai girdimi dėl įkrovimo impulsų, prijungtų prie išėjimo kondensatorių, kad išlaikytų fiksuotą išėjimo įtampą.

Kai nėra apkrovos, išėjimo kondensatoriai, akivaizdu, palaipsniui išleidžiami per įtampos jutiklį.

IC TL497A vidinio osciliatoriaus įjungimo laikas yra pastovus ir sprendžia C1. Osciliatorių galima išjungti trimis būdais:

• 1-oji, kai 1 kaiščio įtampa padidėja virš atskaitos įtampos (1,2 V)
• 2-oji, kai induktoriaus srovė viršija konkrečią didžiausią vertę
• Trečia, naudojant slopinimo įvestį (nors ir nenaudojamą šioje grandinėje).

Vykdant standartinį darbo procesą, vidinis osciliatorius leidžia perjungti T1 taip, kad induktoriaus srovė padidėtų tiesiškai.

Išjungus T1, induktoriaus viduje sukaupta magnetinė energija grįžta atgal per kondensatorių, kuris įkraunamas per šią galinę emf energiją.

Išėjimo įtampa kartu su IC TL497A 1 kontakto įtampa šiek tiek padidėja, todėl osciliatorius išjungiamas. Tai tęsiasi tol, kol išėjimo įtampa nukrinta iki žymiai žemesnio lygio. Ši metodika vykdoma cikliškai, kiek tai susiję su teorine prielaida.

Tačiau susitarime, kuriame naudojami faktiniai komponentai, įtampos padidėjimas, sukeltas įkraunant kondensatorius per vieną osciliatoriaus intervalą, iš tikrųjų yra toks mažas, kad osciliatorius lieka įjungtas, kol induktoriaus srovė pasiekia didžiausią vertę, nustatytą komponentais R2 ir R3 (įtampos kritimas aplink R1 ir R3 šiuo metu paprastai yra 0,7 V).

Pakopinis srovės padidėjimas, kaip parodyta 2b paveiksle, yra dėl osciliatoriaus signalo darbo koeficiento, kuris būna didesnis nei 0,5.

Kai tik pasiekiama optimali srovė, osciliatorius išjungiamas, leidžiant induktoriui perduoti savo energiją per kondensatorius.

Šioje konkrečioje situacijoje išėjimo įtampa pakyla iki tokio dydžio, kad būtų užtikrinta, kad osciliatorius būtų išjungtas naudojant IC kaištį. Išėjimo įtampa dabar greitai krinta, kad būtų galima pradėti ir pakartoti naują įkrovimo ciklą. procedūra.

Deja, pirmiau aptartos perjungimo procedūros bus sujungtos su palyginti dideliais nuostoliais.

Realiai įgyvendinant šį klausimą galima išspręsti nustatant pakankamai aukštą laiką (per C1), kad įsitikintumėte, jog srovė per induktorių niekada neviršija aukščiausio lygio per vieną osciliatoriaus intervalą (žr. 3 pav.).

Tokiais atvejais priemonė gali būti orinio induktoriaus, kuris pasižymi pakankamai minimaliu savinduktyvumu, įdėjimas.

Bangos formos charakteristika

Laiko diagramos 3 pav. Rodo pagrindinių grandinės veiksnių signalo bangos formas. Pagrindinis TL497A viduje esantis osciliatorius veikia sumažintu dažniu (žemiau I Hz, kai keitiklio išėjime nėra apkrovos).

Momentinis įjungimo laikas, 3a pav. Nurodytas kaip stačiakampis impulsas, priklauso nuo kondensatoriaus C1 vertės. Išjungimo laiką nustato apkrovos srovė. Perjungiant laiką, tranzistorius T1 įsijungia, dėl ko padidėja induktoriaus srovė (3b pav.).

Per išjungimo laikotarpį, einantį po srovės impulso, induktorius veikia kaip srovės šaltinis.

TL497A analizuoja susilpnintą išėjimo įtampą 1 kaištyje, kai jo vidinė etaloninė įtampa yra 1,2 V. Jei įvertinta įtampa yra mažesnė už etaloninę įtampą, T1 yra labiau įtempta, kad induktorius tinkamai kauptų energiją.

Šis pakartotinis įkrovimo ir iškrovimo ciklas sukelia tam tikrą bangų įtampos lygį išėjimo kondensatoriuose (3c pav.). Grįžtamojo ryšio parinktis leidžia reguliuoti osciliatoriaus dažnį, kad būtų užtikrinta kuo geresnė įtampos deficito, kurį sukelia apkrovos srovė, kompensavimas.

Laiko impulso diagrama, pav. 3d. Parodo esminį nutekėjimo įtampos judėjimą dėl gana didelio induktoriaus Q (kokybės) koeficiento.

Nors pasiklydę pulsaciniai svyravimai paprastai neturi įtakos reguliariam šio nuolatinės srovės ir nuolatinės srovės keitiklio veikimui, juos galima slopinti naudojant lygiagrečią 1 k varžą per induktorių.

Praktiniai sumetimai

Paprastai SMPS grandinė yra sukurta siekiant maksimalios išėjimo srovės, o ne ramybės išėjimo srovės.

Didelis efektyvumas ir pastovi išėjimo įtampa kartu su minimaliu bangavimu taip pat tampa pagrindiniais projektavimo tikslais. Apskritai, grįžtamojo ryšio SMPS apkrovos reguliavimo ypatybės vargu ar suteikia priežasčių nerimauti.

Kiekvieno perjungimo ciklo metu įjungimo / išjungimo santykis arba darbo ciklas yra koreguojamas, palyginti su apkrovos srove, kad išėjimo įtampa ir toliau būtų santykinai pastovi, nepaisant didelių apkrovos srovės svyravimų.

Pagal bendrą efektyvumą scenarijus atrodo šiek tiek kitoks. Padidinimo keitiklis, pagrįstas „flyback“ topologija, paprastai sukuria gana didelius srovės šuolius, kurie gali sukelti didelius energijos nuostolius (nepamirškite, kad didėjant srovei galia auga eksponentiškai).

Tačiau realiame gyvenime rekomenduojama didelės galios nuolatinės srovės ir nuolatinės srovės keitiklio grandinė užtikrina didesnį nei 70% efektyvumą, esant optimaliai išėjimo srovei, ir tai atrodo gana įspūdingai, atsižvelgiant į išdėstymo paprastumą.

Dėl to reikia, kad ji įsijungtų į sodrumą, o tai sąlygoja ilgesnį išjungimo laiką. Natūralu, kad kuo daugiau laiko reikia, kad tranzistorius nutrauktų induktoriaus srovę, tuo mažesnis bus viso dizaino efektyvumas.

Gana netradiciškai MOSFET BUZ10 perjungiamas per osciliatoriaus testo išvesties kaištį 11, o ne į vidinį išėjimo tranzistorių.

Diodas D1 yra dar vienas svarbus komponentas grandinės viduje. Šio įrenginio būtinybė yra potencialas ištverti didelius srovės šuolius ir vangus kritimas į priekį. B5V79 tipas atitinka visus šiuos reikalavimus ir neturėtų būti pakeistas kitu variantu.

Grįžtant prie pagrindinės 1 pav. Schemos, reikia atidžiai pažymėti, kad srovės aukštis 15-20 A paprastai nėra nenormalus grandinėje. Kad būtų išvengta problemų, susijusių su baterijomis, kurių vidinė varža yra santykinai didesnė, kondensatorius C4 įvedamas kaip buferis keitiklio įėjime.

Atsižvelgiant į tai, kad išvesties kondensatorius keitiklis įkrauna greitai, impulsais, pavyzdžiui, srovės smaigaliais, pora kondensatorių yra sujungiami lygiagrečiai, kad būtų užtikrinta, jog vieno važiavimo talpa išliktų kuo mažesnė.

Nuolatinės srovės į nuolatinės srovės keitiklį iš tikrųjų nėra apsaugota nuo trumpojo jungimo. Išvesties gnybtų trumpasis jungimas bus lygiai toks pats kaip trumpojo jungimo akumuliatorius per D1 ir L1. L1 saviinduktyvumas gali būti nepakankamai aukštas, kad apribotų srovę tiek laiko, kiek reikia, kad įsijungtų saugiklis.

Induktoriaus konstrukcijos duomenys

L1 yra sukurtas vyniojant 33 ir pusę posūkių iš emaliuotos varinės vielos. 5 paveiksle parodytos proporcijos. Dauguma įmonių tiekia emaliuotą varinę vielą per ABS ritinį, kuris paprastai veikia kaip pirmiau induktoriaus statybai.

Apatiniame krašte išgręžkite porą 2 mm skylių, kad paslystumėte induktoriaus laidus. Viena iš skylių bus šalia cilindro, o kita - ant išorinio pirmojo apskritimo.

Dėl odos efekto, kuris sukelia krūvininkų poslinkį išilgai laido išorinio paviršiaus arba vielos odos, induktoriaus sukūrimui gali būti nenaudinga. Tai turėtų būti įvertinta atsižvelgiant į keitiklio naudojamų dažnių dydį.

Norint garantuoti minimalų pasipriešinimą per būtiną induktyvumą, siūloma dirbti su pora laidų, kurių skersmuo 1 mm, arba net su 3 ar 4 laidais, kurių skersmuo yra 0,8 mm.

Maždaug trys 0,8 min laidai leis mums gauti bendrą matmenį, kuris gali būti maždaug identiškas dviem 1 mm laidams, tačiau efektyvus 20% didesnis paviršiaus plotas.

Induktorius yra sandariai suvyniotas ir gali būti sandariai uždarytas naudojant atitinkamą dervą ar epoksidą turinčią medžiagą, kad būtų galima kontroliuoti ar slopinti girdimo triukšmo nutekėjimą (nepamirškite, kad veikimo dažnis yra girdimojo diapazono ribose).

Konstrukcija ir derinimas

Siūloma didelės galios nuolatinės srovės keitiklio schema skirta spausdintinės plokštės arba PCB konstrukcija pateikiama žemiau.

Reikia atsižvelgti į keletą konstrukcinių veiksnių. Rezistoriai R2 ir R3 gali įkaisti, todėl juos reikia montuoti keliais mm aukštyje virš PCB paviršiaus.

Maksimali srovė, judanti šiais rezistoriais, gali siekti net 15 A.

„Power-FET“ taip pat taps labai karštas ir tam reikės tinkamo dydžio radiatoriaus ir standartinio žėručio izoliacinio rinkinio.

Diodas gali veikti be atvėsimo, nors jis gali būti idealiai pritvirtintas prie bendro radiatoriaus, naudojamo maitinimo FET (nepamirškite izoliuoti prietaisų elektra). Įprastai veikdamas, induktorius gali parodyti pakankamą įkaitimo kiekį.

Prie šio keitiklio įvesties ir išvesties turėtų būti įmontuotos sunkiosios jungtys ir kabeliai. Akumuliatorius apsaugotas 16 A uždelsto veikimo saugikliu, įvestu įėjimo tiekimo linijoje.

Saugokitės, kad saugiklis neužtikrins jokios keitiklio apsaugos išėjimo trumpųjų jungimų metu! Grandinę yra gana lengva nustatyti ir ją galima atlikti tokiu būdu:

Sureguliuokite R1, kad pasiektumėte numatytą išėjimo įtampą, kurios diapazonas yra nuo 20 iki 30 V. Išėjimo įtampa gali būti sumažinta žemiau šios vertės, nors ir neturi būti mažesnė nei įėjimo įtampa.

Tai galima padaryti vietoj R4 įterpiant mažesnį rezistorių. Galima tikėtis, kad didžiausia išėjimo srovė bus maždaug 3 A.

Dalių sąrašas