Разработка повышающего преобразователя высокой мощности и эффективности с использованием tl494

Работая с электроникой, мы часто оказываемся в ситуациях, когда возникает необходимость увеличить выходное напряжение, в то время как входное напряжение остается низким, это тип ситуации, когда мы можем полагаться на схему, которая широко известна как повышающий преобразователь (повышающий преобразователь). Повышающий преобразователь - это импульсный преобразователь постоянного тока в постоянный, который повышает напряжение при сохранении постоянного баланса мощности. Главная особенность повышающего преобразователя - эффективность, что означает, что мы можем рассчитывать на длительный срок службы батареи и снижение тепловых проблем. Ранее мы сделали простую схему повышающего преобразователя и объяснили эффективность ее базовой конструкции.

Итак, в этой статье мы собираемся разработать повышающий преобразователь TL494 , а также рассчитать и протестировать схему высокоэффективного повышающего преобразователя на основе популярной микросхемы TL494, которая имеет минимальное напряжение питания 7 В и максимальное 40 В, а также мы используем МОП-транзистор IRFP250 в качестве переключателя, эта схема может выдерживать максимальный ток 19 А, теоретически (ограничено емкостью индуктора). Наконец, будет подробное видео, показывающее рабочую и тестовую часть схемы, так что без лишних слов приступим.

Понимание принципа работы повышающего преобразователя

На приведенном выше рисунке показана основная схема цепи повышающего преобразователя. Чтобы проанализировать принцип работы этой схемы, мы собираемся разделить ее на две части: первое условие объясняет, что происходит, когда MOSFET включен, второе условие объясняет, что происходит, когда MOSFET выключен.

Что происходит, когда полевой МОП-транзистор включен:

На изображении выше показано состояние схемы при включенном МОП-транзисторе. Как вы понимаете, мы показали состояние ВКЛ с помощью пунктирной линии, когда полевой МОП-транзистор остается включенным, индуктор начинает заряжаться, ток через индуктор продолжает увеличиваться, что сохраняется в виде магнитного поля.

Что происходит, когда полевой МОП-транзистор выключен:

Как вы, наверное, знаете, ток через индуктор не может измениться мгновенно! Это потому, что он хранится в виде магнитного поля. Следовательно, в тот момент, когда полевой МОП-транзистор выключается, магнитное поле начинает разрушаться, и ток течет в направлении, противоположном зарядному току. Как вы можете видеть на приведенной выше диаграмме, это начинает заряжать конденсатор.

Теперь, постоянно включая и выключая переключатель (MOSFET), мы создали выходное напряжение, превышающее входное. Теперь мы можем контролировать выходное напряжение, контролируя время включения и выключения переключателя, и это то, что мы делаем в главной цепи.

Понять работу TL494

Теперь, прежде чем мы приступим к построению схемы на основе ШИМ-контроллера TL494, давайте узнаем, как работает ШИМ-контроллер TL494. Микросхема TL494 имеет 8 функциональных блоков, которые показаны и описаны ниже.

5-В Опорный Регулятор:

5V внутренний выходной опорный регулятор опорного сигнала контактный, который пин-14 IC. Опорный стабилизатор предназначен для обеспечения стабильного питания внутренних схем, таких как триггер с импульсным управлением, генератор, компаратор управления мертвой выдержкой и компаратор ШИМ. Регулятор также используется для управления усилителями ошибок, которые отвечают за управление выходом.

Примечание: Ссылка внутренне запрограммирована на начальную точность ± 5% и поддерживает стабильность в течение диапазона входного напряжения 7В до 40 В. Для входных напряжений менее 7 V, регулятор насыщает в пределах 1 V входа и следах его.

Осциллятор:

Генератор генерирует и подает пилообразную волну на контроллер мертвого времени и компараторы PWM для различных сигналов управления.

Частота генератора может быть установлена путем выбора временных компонентов R T и С Т.

Частоту осциллятора можно рассчитать по формуле ниже:

Fosc = 1 / (RT * CT)

Для простоты я составил электронную таблицу, по которой вы можете очень легко вычислить частоту. Который вы можете найти по ссылке ниже.

Примечание: частота генератора равна выходной частоте только для несимметричных приложений. Для двухтактных приложений выходная частота составляет половину частоты генератора.

Компаратор контроля мертвого времени:

Мертвое время или, проще говоря, управление отключенным временем обеспечивает минимальное мертвое время или время простоя. Выход компаратора мертвого времени блокирует переключение транзисторов, когда напряжение на входе больше, чем линейное напряжение генератора. Подача напряжения на вывод DTC может вызвать дополнительное мертвое время, тем самым обеспечивая дополнительное мертвое время от минимум 3% до 100% при изменении входного напряжения от 0 до 3 В. Проще говоря, мы можем изменить рабочий цикл выходной волны без настройки усилителей ошибок.

Примечание. Внутреннее смещение 110 мВ обеспечивает минимальное мертвое время 3% при заземленном управляющем входе мертвого времени.

Усилители ошибок:

Оба усилителя ошибки с высоким коэффициентом усиления получают напряжение смещения от шины питания VI. Это позволяет использовать синфазное входное напряжение в диапазоне от –0,3 В до 2 В ниже VI. Оба усилителя типичны для несимметричного усилителя с однополярным питанием, поскольку каждый выход активен только на высоком уровне.

Вход управления выходом:

Вход управления выходом определяет, работают ли выходные транзисторы в параллельном или двухтактном режиме. При подключении вывода управления выходом, который является выводом 13, к земле, выходные транзисторы устанавливаются в параллельный режим работы. Но при подключении этого вывода к выводу 5V-REF выходные транзисторы устанавливаются в двухтактный режим.

Выходные транзисторы:

ИС имеет два внутренних выходных транзистора, которые находятся в конфигурациях с открытым коллектором и с открытым эмиттером, с помощью которых она может передавать или потреблять максимальный ток до 200 мА.

Примечание. Транзисторы имеют напряжение насыщения менее 1,3 В в конфигурации с общим эмиттером и менее 2,5 В в конфигурации эмиттер-повторитель.

Компоненты, необходимые для построения схемы повышающего преобразователя на основе TL494

Таблица, содержащая все детали, показанные ниже. Перед этим мы добавили изображение, на котором показаны все компоненты, используемые в этой схеме. Поскольку эта схема проста, вы можете найти все необходимые детали в местном магазине товаров для хобби.

Список деталей:

1. TL494 IC - 1
2. IRFP250 МОП-транзистор - 1
3. Винтовой зажим 5X2 мм - 2
4. 1000 мкФ, конденсатор 35 В - 1
5. Конденсатор 1000uF, 63V - 1
6. 50К, резистор 1% - 1
7. 560R Резистор - 1 шт.
8. 10 кОм, резистор 1% - 4
9. 3,3 кОм, резистор 1% - 1
10. 330R Резистор - 1 шт.
11. Конденсатор 0,1 мкФ - 1
12. MBR20100CT Диод Шоттки - 1
13. Индуктор 150uH (27 x 11 x 14) мм - 1
14. Потенциометр (10К) Обрезной горшок - 1
15. Токочувствительный резистор 0,22R - 2 шт.
16. Плакированная доска Generic 50x 50 мм - 1
17. Радиатор БП Generic - 1
18. Джамперные провода общие - 15

Повышающий преобразователь на базе TL494 - принципиальная схема

Принципиальная схема повышающего преобразователя с высоким КПД приведена ниже.

Цепь повышающего преобразователя TL494 - рабочая

Эта схема повышающего преобразователя TL494 состоит из компонентов, которые очень легко получить, и в этом разделе мы рассмотрим все основные блоки схемы и объясним каждый блок.

Входной конденсатор:

Входной конденсатор предназначен для обслуживания высокого потребления тока, который требуется, когда переключатель MOSFET замыкается и индуктор начинает заряжаться.

Обратная связь и контур управления:

Резисторы R2 и R8 устанавливают управляющее напряжение для контура обратной связи, установленное напряжение подключается к выводу 2 микросхемы TL494, а напряжение обратной связи подключается к выводу 1 микросхемы, обозначенной как VOLTAGE_FEEDBACK . Резисторы R10 и R15 устанавливают ограничение тока в цепи.

Резисторы R7 и R1 образуют контур управления, с помощью этой обратной связи выходной сигнал ШИМ изменяется линейно, без этих резисторов обратной связи компаратор будет действовать как обычная схема компаратора, которая будет включать / выключать схему только при заданном напряжении..

Выбор частоты переключения:

Установив правильные значения для контактов 5 и 6, мы можем установить частоту переключения этой ИС, для этого проекта мы использовали емкость конденсатора 1 нФ и сопротивление резистора 10 кОм, что дает нам частоту примерно 100 кГц, используя формула Fosc = 1 / (RT * CT) , мы можем вычислить частоту генератора. Помимо этого, мы подробно рассмотрели другие разделы ранее в статье.

Дизайн печатной платы для схемы повышающего преобразователя на основе TL494

Печатная плата для нашей схемы управления фазовым углом представляет собой одностороннюю плату. Я использовал Eagle для разработки своей печатной платы, но вы можете использовать любое программное обеспечение для проектирования по вашему выбору. 2D-изображение моего дизайна платы показано ниже.

Как вы можете видеть на нижней стороне платы, я использовал толстую пластину заземления, чтобы обеспечить прохождение через нее достаточного тока. Вход питания находится на левой стороне платы, а выход - на правой стороне платы. Полный файл проекта вместе со схемой преобразователя TL494 Boost можно загрузить по ссылке ниже.

• Скачать файл PCB Design GERBER для схемы повышающего преобразователя на основе TL494

Печатная плата ручной работы:

Для удобства я сделал свою ручную версию печатной платы, и она показана ниже. Я сделал несколько ошибок при изготовлении этой печатной платы, поэтому мне пришлось устареть несколько перемычек, чтобы исправить это.

Моя плата выглядит так после завершения сборки.

Расчет и конструкция повышающего преобразователя TL494

Для демонстрации этого сильноточного повышающего преобразователя схема изготовлена ​​вручную на печатной плате с помощью файлов схемы и дизайна печатной платы; Обратите внимание, что если вы подключаете большую нагрузку к выходу этой схемы повышающего преобразователя, через дорожки печатной платы будет протекать огромное количество тока, и есть вероятность, что дорожки выгорят. Итак, чтобы следы на печатной плате не выгорели, мы максимально увеличили толщину дорожек. Кроме того, мы укрепили дорожки на печатной плате толстым слоем припоя, чтобы снизить сопротивление дорожек.

Чтобы правильно рассчитать номиналы катушки индуктивности и конденсатора, я использовал документ от Texas Instruments.

После этого я сделал электронную таблицу Google, чтобы упростить расчет.

Проверка этой цепи повышающего преобразователя высокого напряжения

Для проверки схемы используется следующая установка. Как видите, в качестве входа мы использовали блок питания ATX для ПК, поэтому входное напряжение составляет 12 В. Мы прикрепили к выходу схемы вольтметр и амперметр, которые показывают выходное напряжение и выходной ток. Из чего мы можем легко рассчитать выходную мощность для этой схемы. Наконец, мы использовали восемь последовательно подключенных резисторов мощности 4,7R 10 Вт в качестве нагрузки для проверки потребляемого тока.

Инструменты, используемые для проверки схемы:

1. Блок питания 12V PC ATX
2. Трансформатор с отводом 6-0-6 и отводом 12-0-12
3. Восемь последовательно соединенных резисторов 4,7R по 10 Вт - в качестве нагрузки
4. Мультиметр Meco 108B + TRMS
5. Мультиметр Meco 450B + TRMS
6. Отвертка

Выходная мощность цепи повышающего преобразователя большой мощности:

Как вы можете видеть на изображении выше, выходное напряжение составляет 44,53 В, а выходной ток - 2,839 А, поэтому общая выходная мощность становится 126,42 Вт, поэтому, как вы можете видеть, эта схема может легко справиться с мощностью более 100 Вт.

Дальнейшие улучшения

Эта схема повышающего преобразователя TL494 предназначена только для демонстрационных целей, поэтому во входную или выходную часть схемы не добавляется схема защиты. Итак, для усиления функции защиты вы также можете добавить, также как я использую IRFP250 MOSFET, выходную мощность можно дополнительно увеличить, ограничивающим фактором в нашей схеме является индуктор. Чем больше сердечник для индуктора, тем выше его выходная мощность.

Надеюсь, вам понравилась эта статья и вы узнали из нее что-то новое. Если у вас есть сомнения, вы можете задать вопрос в комментариях ниже или воспользоваться нашим форумом для подробного обсуждения.