Sirkuit Konverter DC ke DC Daya Tinggi - Variabel 12 V hingga 30 V.

Posting ini menjelaskan cara membuat rangkaian konverter boost DC ke DC daya tinggi yang akan meningkatkan DC 12 V ke level yang lebih tinggi hingga maksimum 30 V, dan pada laju arus 3 amp. Output arus tinggi ini dapat lebih ditingkatkan dengan meningkatkan spesifikasi pengukur kawat induktor yang sesuai.

Fitur hebat lainnya dari konverter ini adalah bahwa output dapat divariasikan secara linier melalui potensiometer, dari kisaran minimum yang mungkin hingga kisaran maksimum.

Indroduksi

Konverter DC -DC ditujukan untuk meningkatkan tegangan aki mobil sering dikonfigurasi di sekitar jenis mode sakelar catu daya (SMPSU) atau multivibrator daya, yang menggerakkan transformator.

Konverter daya yang dijelaskan dalam artikel ini menggunakan perangkat Sirkuit terpadu TL 497A dari Texas Instruments . IC khusus ini memfasilitasi pengaturan tegangan yang sangat baik dengan kebisingan keluaran minimal untuk dicapai dengan mudah, dan juga memastikan kinerja konversi yang tinggi.

Bagaimana Sirkuit Bekerja

Konverter yang dijelaskan di sini menggunakan a topologi flyback . Teori flyback tampaknya merupakan teknik yang paling cocok dan fungsional untuk mendapatkan tegangan keluaran langsung yang berasal dari tegangan masukan langsung yang lebih rendah.

Komponen switching utama dalam konverter sebenarnya adalah transistor T1 daya SIPMOS (lihat Gambar 1). Selama periode konduksi, arus yang melewati L1 meningkat secara eksponensial seiring waktu.

Selama waktu ON dari siklus switching, induktor menyimpan energi magnet yang diinduksi.

Segera setelah transistor dimatikan, induktor mengembalikan energi magnet yang tersimpan, mengubahnya menjadi arus listrik melintasi beban yang terhubung melalui D1.

Selama prosedur ini, penting untuk memastikan bahwa transistor terus dimatikan selama periode sementara medan magnet pada induktor meluruh menjadi nol.

Jika kondisi ini gagal diterapkan, arus melalui induktor melonjak hingga tingkat saturasi. Efek longsoran kemudian menghasilkan arus untuk memaksimalkan dengan cukup cepat.

Kontrol transistor relatif memicu waktu ON, atau faktor tugas dengan demikian, tidak boleh diizinkan untuk mencapai tingkat kesatuan. Faktor tugas maksimum yang diijinkan bergantung pada berbagai aspek lain di sekitar tegangan keluaran.

Ini karena ia menentukan laju peluruhan kekuatan medan magnet. Daya keluaran tertinggi yang dapat dicapai dari konverter ditentukan oleh arus puncak tertinggi yang diizinkan yang diproses oleh induktor, dan frekuensi switching dari sinyal penggerak.

Elemen pembatas di sini terutama adalah saturasi instan dan peringkat maksimum induktor yang dapat ditoleransi untuk kerugian tembaga, serta arus puncak melalui transistor switching (jangan lupa bahwa lonjakan tingkat energi listrik tertentu datang ke output selama setiap switching. nadi).

Menggunakan IC TL497A untuk PWM

Cara kerja IC ini cukup non-tradisional, yang dapat dipahami dari penjelasan singkat di bawah ini. Tidak seperti implementasi frekuensi tetap konvensional, IC pengontrol SMPSU faktor tugas variabel, TL497A disertifikasi sebagai perangkat frekuensi yang dapat disesuaikan dan tepat waktu.

Oleh karena itu, faktor tugas dikontrol melalui penyesuaian frekuensi untuk memastikan tegangan keluaran yang konsisten.

Pendekatan ini mewujudkan rangkaian yang cukup mudah, namun memberikan sisi negatif dari frekuensi switching yang mencapai kisaran yang lebih rendah yang dapat didengar oleh telinga manusia untuk beban yang bekerja dengan arus yang lebih rendah.

Pada kenyataannya, frekuensi switching berada di bawah 1 Hz setelah beban dilepaskan dari konverter. Suara klik lambat terdengar karena pulsa muatan terhubung ke kapasitor keluaran untuk menahan tegangan keluaran tetap.

Ketika tidak ada beban yang terpasang, kapasitor keluaran cenderung mendapatkan, jelas, secara bertahap dilepaskan melalui resistor penginderaan tegangan.

Osilator internal on-time dari IC TL497A adalah konstan, dan ditentukan oleh C1. Osilator dapat dinonaktifkan dengan tiga metode:

• Pertama, ketika tegangan pada pin 1 meningkat melebihi tegangan referensi (1,2 V)
• Kedua, ketika arus induktor melampaui nilai tertinggi tertentu
• Dan ketiga, melalui input penghambat (meskipun tidak digunakan di sirkuit ini).

Sementara dalam proses kerja standar, osilator internal memungkinkan peralihan T1 sedemikian rupa sehingga arus induktor meningkat secara linier.

Ketika T1 dimatikan, energi magnet yang terkumpul di dalam induktor ditendang kembali melintasi kapasitor yang dibebankan melalui energi ggl balik ini.

Tegangan output, bersama dengan tegangan pin 1 dari IC TL497A, naik sedikit, yang menyebabkan osilator dinonaktifkan. Ini berlanjut sampai tegangan keluaran turun ke tingkat yang lebih rendah secara signifikan. Teknik ini dijalankan secara siklik, sejauh asumsi teoritis diperhatikan.

Namun, dalam pengaturan yang menggunakan komponen aktual, kenaikan tegangan yang diinduksi dengan pengisian kapasitor dalam satu interval osilator sebenarnya sangat kecil sehingga osilator tetap aktif hingga arus induktor mencapai nilai tertinggi, seperti yang ditentukan oleh komponen R2 dan R3 (penurunan tegangan di sekitar R1 dan R3 biasanya 0,7 V pada titik ini).

Peningkatan arus secara bertahap seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2b adalah karena faktor tugas sinyal osilator yang kebetulan lebih tinggi dari 0,5.

Segera setelah arus optimal yang dicapai tercapai, osilator dinonaktifkan, memungkinkan induktor untuk mentransfer energinya melintasi kapasitor.

Dalam situasi khusus ini, tegangan keluaran melonjak ke besaran yang hanya tinggi untuk memastikan bahwa osilator dimatikan melalui pin IC 1. Tegangan keluaran sekarang dengan cepat turun, sehingga siklus pengisian baru dapat dimulai dan diulang prosedur.

Namun, sayangnya, prosedur switching yang dibahas di atas akan digabungkan dengan kerugian yang relatif besar.

Dalam implementasi kehidupan nyata, masalah ini dapat diatasi dengan mengatur tepat waktu (melalui C1) cukup tinggi untuk memastikan bahwa arus yang melalui induktor tidak pernah meluas ke level tertinggi dalam interval osilator tunggal (lihat Gambar 3).

Perbaikan dalam kasus seperti itu dapat berupa penggabungan induktor berinti udara, yang memiliki induktansi diri yang cukup minimal.

Karakteristik Bentuk Gelombang

Grafik waktu pada Gambar. 3 menunjukkan bentuk gelombang sinyal pada faktor-faktor kunci dari rangkaian. Osilator utama di dalam TL497A bekerja dengan frekuensi yang berkurang (di bawah I Hz bila tidak ada beban pada keluaran konverter te).

Waktu sesaat selama dinyalakan, yang ditunjukkan sebagai pulsa persegi panjang pada Gambar. 3a, tergantung pada nilai kapasitor C1. Waktu mati ditentukan oleh arus beban. Selama on-time switching, transistor T1 menjadi ON menyebabkan arus induktor meningkat (Gbr. 3b).

Selama periode waktu OFF setelah pulsa arus, induktor bekerja seperti sumber arus.

TL497A menganalisis tegangan keluaran yang dilemahkan pada pin 1 dengan tegangan referensi internalnya sebesar 1,2 V. Jika tegangan yang dinilai lebih rendah dari tegangan referensi, T1 menjadi bias lebih keras sehingga induktor menyimpan energi secara memadai.

Siklus pengisian dan pengosongan yang berulang ini memicu tingkat tegangan riak tertentu di kapasitor keluaran (Gbr. 3c). Opsi umpan balik memungkinkan penyesuaian frekuensi osilator untuk memastikan kompensasi terbaik dari defisit tegangan yang disebabkan oleh arus beban.

Diagram pulsa waktu pada Gambar. 3d menunjukkan pergerakan substansial dari tegangan drain karena faktor Q (kualitas) induktor yang relatif tinggi.

Meskipun osilasi riak nyasar biasanya tidak memengaruhi fungsi reguler dari konverter daya DC ke DC ini, ini dapat ditekan menggunakan resistor 1 k paralel di induktor.

Pertimbangan Praktis

Biasanya, rangkaian SMPS dikembangkan untuk mencapai arus keluaran maksimum daripada arus keluaran diam.

Efisiensi tinggi bersama dengan tegangan keluaran yang stabil dan riak minimum juga menjadi tujuan desain utama. Secara keseluruhan, fitur pengaturan beban dari SMP berbasis flyback hampir tidak memberikan alasan untuk khawatir.

Sepanjang setiap siklus pensaklaran, rasio on / off atau siklus kerja disesuaikan relatif terhadap arus beban, agar tegangan keluaran tetap relatif stabil meskipun terjadi fluktuasi arus beban yang besar.

Skenario tampak sedikit berbeda dalam hal efisiensi umum. Konverter step-up berdasarkan topologi flyback biasanya menghasilkan lonjakan arus yang cukup besar, yang dapat memicu hilangnya energi secara signifikan (jangan lupa bahwa daya meningkat secara eksponensial seiring dengan peningkatan arus).

Namun, dalam operasi kehidupan nyata, rangkaian konverter DC ke DC daya tinggi yang disarankan memberikan efisiensi keseluruhan yang lebih baik dari 70% dengan arus keluaran optimal, dan itu terlihat cukup mengesankan sehubungan dengan kesederhanaan tata letaknya.

Ini, akibatnya, menuntutnya untuk mendapatkan daya ke saturasi, yang mengarah ke waktu mematikan yang cukup lama. Secara alami, semakin banyak waktu yang dibutuhkan transistor untuk memutus arus induktor, semakin sedikit efisiensi keseluruhan dari desain.

Dengan cara yang tidak biasa, MOSFET BUZ10 dialihkan melalui pin 11 dari keluaran uji osilator, bukan dari transistor keluaran internal.

Diode D1 adalah komponen penting lainnya di dalam sirkuit. Kebutuhan untuk unit ini berpotensi untuk menahan lonjakan arus tinggi, dan penurunan ke depan yang lambat. Tipe B5V79 memenuhi semua persyaratan ini, dan tidak boleh diganti dengan varian lain.

Kembali ke diagram rangkaian utama dari Gambar 1, harus diperhatikan dengan cermat bahwa arus tertinggi 15-20 A umumnya tidak abnormal di rangkaian. Untuk menghindari masalah yang berkembang dengan baterai yang memiliki resistansi internal yang relatif lebih tinggi, kapasitor C4 dimasukkan seperti penyangga pada input konverter.

Mempertimbangkan bahwa kapasitor keluaran diisi oleh konverter melalui pulsa cepat seperti lonjakan arus, beberapa kapasitor dihubungkan secara paralel untuk memastikan bahwa kapasitansi run-a-way tetap seminimal mungkin.

Konverter daya DC ke DC sebenarnya tidak memiliki fitur perlindungan hubung singkat. Hubungan arus pendek terminal keluaran akan persis seperti hubungan arus pendek baterai melalui D1 dan L1. Induktansi sendiri L1 mungkin tidak cukup tinggi untuk membatasi arus selama periode yang diperlukan untuk memungkinkan sekring putus.

Rincian Konstruksi Induktor

L1 dibuat dengan melilitkan 33 dan setengah putaran dari kawat tembaga berenamel. Gambar 5 menunjukkan proporsi. Mayoritas perusahaan menyediakan kawat tembaga berenamel di atas gulungan ABS, yang biasanya berfungsi seperti yang sebelumnya untuk membangun induktor.

Bor beberapa lubang 2 mm di tepi bawah untuk menyelipkan kabel induktor. Salah satu lubang akan berada di dekat silinder sedangkan lubang lainnya di lingkar luar bekas.

Mungkin tidak berguna untuk mempertimbangkan kawat tebal untuk membangun induktor, karena fenomena efek kulit, yang menyebabkan pergeseran pembawa muatan di sepanjang permukaan luar kawat atau kulit kawat. Ini harus dievaluasi berkenaan dengan besarnya frekuensi yang digunakan dalam konverter.

Untuk menjamin hambatan minimal dalam induktansi yang diperlukan, disarankan untuk bekerja dengan beberapa kabel berdiameter 1 mm, atau bahkan 3 atau 4 kabel yang memiliki diameter 0,8 mm.

Sekitar tiga kabel 0,8 menit akan memungkinkan kita untuk mendapatkan dimensi total yang kira-kira sama dengan dua kabel 1 mm, namun memberikan luas permukaan efektif 20% lebih tinggi.

Induktor digulung rapat dan dapat disegel menggunakan resin yang sesuai atau senyawa berbasis epoksi untuk mengontrol atau menekan kebocoran suara yang dapat didengar (ingat bahwa frekuensi operasi berada dalam kisaran yang dapat didengar).

Konstruksi dan kesejajaran

Papan sirkuit tercetak atau desain PCB yang dimaksudkan untuk rangkaian konverter DC DC daya tinggi yang diusulkan disajikan di bawah ini.

Beberapa faktor konstruksi perlu dipertimbangkan. Resistor R2 dan R3 mungkin menjadi cukup panas dan oleh karena itu harus dipasang pada beberapa mm yang ditinggikan di atas permukaan PCB.

Arus maksimum yang bergerak melalui resistor ini dapat mencapai hingga 15 A.

Power-FET juga akan menjadi sangat panas, dan akan membutuhkan heatsink berukuran wajar dan kit isolasi mika standar.

Dioda mungkin dapat bekerja tanpa pendinginan, meskipun idealnya mungkin dijepit di atas heatsink umum yang digunakan untuk daya FET (ingatlah untuk mengisolasi perangkat secara elektrik). Sementara dalam fungsi biasa, induktor mungkin menunjukkan cukup banyak pemanasan.

Konektor dan kabel tugas berat harus digabungkan pada input dan output konverter ini. Baterai dilindungi dengan sekering aksi tertunda 16 A yang dimasukkan dalam jalur suplai input.

Waspadalah terhadap fakta bahwa sekring tidak akan memberikan perlindungan dalam bentuk apa pun ke konverter selama korsleting keluaran! Sirkuit ini agak mudah diatur, dan dapat dilakukan dengan cara berikut:

Sesuaikan R1 untuk mencapai tegangan keluaran yang diinginkan yang mungkin berkisar antara 20 dan 30 V. Tegangan keluaran dapat dikurangi di bawah ini, meskipun tidak boleh kurang dari tegangan masukan.

Ini dapat dilakukan dengan memasukkan resistor yang lebih kecil sebagai pengganti R4. Arus keluaran tertinggi diperkirakan sekitar 3 A.

Daftar Bagian