Het ontwerpen van een krachtige boost-omzetter met een hoog rendement met behulp van TL494

Tijdens het werken met elektronica bevinden we ons vaak in situaties waarin het nodig wordt om de uitgangsspanning te verhogen terwijl de ingangsspanning laag blijft, dit is een soort situatie waarin we kunnen vertrouwen op een circuit dat algemeen bekend staat als de boost-omzetter (step-up converter). Een boost-omzetter is een DC-DC-type schakelomvormer die de spanning verhoogt met behoud van een constante vermogensbalans. Het belangrijkste kenmerk van een boost-omzetter is efficiëntie, wat betekent dat we een lange levensduur van de batterij en minder hitteproblemen kunnen verwachten. We hebben eerder een eenvoudig boost-convertercircuit gemaakt en de basisontwerpefficiëntie ervan uitgelegd.

Dus in dit artikel gaan we een TL494 Boost-converter ontwerpen en een hoog-efficiënt boost-convertercircuit berekenen en testen op basis van de populaire TL494 IC, die een minimale voedingsspanning heeft van 7V en een maximum van 40V, en zoals we gebruiken de IRFP250 MOSFET als een schakelaar, dit circuit kan theoretisch een maximale stroom van 19 Ampère aan (beperkt door inductorcapaciteit). Ten slotte zal er een gedetailleerde video zijn die het werk- en testgedeelte van het circuit laat zien, dus laten we zonder verder oponthoud aan de slag gaan.

Inzicht in het werkingsprincipe van de Boost Converter

De bovenstaande afbeelding toont het basisschema van het boost-omzetcircuit. Om het werkingsprincipe van dit circuit te analyseren, gaan we het in twee delen verdelen, de eerste voorwaarde legt uit wat er gebeurt als de MOSFET is ingeschakeld, de tweede voorwaarde legt uit wat er gebeurt als de MOSFET is uitgeschakeld.

Wat gebeurt er als de MOSFET is ingeschakeld:

De bovenstaande afbeelding toont de toestand van het circuit wanneer de MOSFET is ingeschakeld. Zoals je kunt herkennen, hebben we de AAN-toestand getoond met behulp van een stippellijn, terwijl de MOSFET aan blijft, de inductor begint op te laden, de stroom door de inductor blijft toenemen, die wordt opgeslagen in de vorm van een magnetisch veld.

Wat gebeurt er als de MOSFET is uitgeschakeld:

Zoals u wellicht weet, kan de stroom door een inductor niet ogenblikkelijk veranderen! Dat komt omdat het is opgeslagen in de vorm van een magnetisch veld. Daarom begint op het moment dat de MOSFET wordt uitgeschakeld, het magnetische veld in te storten en stroomt de stroom in de richting tegengesteld aan de laadstroom. Zoals je in het bovenstaande diagram kunt zien, begint hiermee de condensator op te laden.

Door nu de schakelaar (MOSFET) continu aan en uit te zetten, hebben we een uitgangsspanning gecreëerd die groter is dan de ingangsspanning. Nu kunnen we de uitgangsspanning regelen door de aan- en uit-tijd van de schakelaar te regelen, en dat is wat we doen in het hoofdcircuit.

Begrijp de werking van de TL494

Voordat we het circuit gaan bouwen op basis van de TL494 PWM-controller, laten we nu eens kijken hoe de PWM-controller TL494 werkt. De TL494 IC heeft 8 functionele blokken, die hieronder worden weergegeven en beschreven.

5-V referentieregelaar:

De 5V interne referentieregelaaruitgang is de REF-pin, die pin-14 van de IC is. De referentieregelaar is er om een ​​stabiele voeding te bieden voor interne schakelingen zoals de pulssturende flip-flop, oscillator, dode-tijdregelcomparator en PWM-comparator. De regelaar wordt ook gebruikt om de foutversterkers aan te sturen die verantwoordelijk zijn voor het regelen van de output.

Opmerking: De referentie is intern geprogrammeerd met een initiële nauwkeurigheid van ± 5% en blijft stabiel over een ingangsspanningsbereik van 7 V tot 40 V. Voor ingangsspanningen van minder dan 7 V verzadigt de regelaar binnen 1 V van de ingang en volgt deze.

Oscillator:

De oscillator genereert en levert een zaagtandgolf aan de dode-tijdcontroller en de PWM-comparatoren voor verschillende besturingssignalen.

De frequentie van de oscillator kan worden ingesteld door de timingcomponenten R T en C T te selecteren.

De frequentie van de oscillator kan worden berekend met de onderstaande formule-

Fosc = 1 / (RT * CT)

Voor de eenvoud heb ik een spreadsheet gemaakt, waarmee je heel gemakkelijk de frequentie kunt berekenen. Die vind je in de onderstaande link.

Opmerking: de oscillatorfrequentie is alleen gelijk aan de uitgangsfrequentie voor toepassingen met één uiteinde. Voor push-pull-toepassingen is de uitgangsfrequentie de helft van de oscillatorfrequentie.

Controlevergelijker voor dode tijd:

De dode tijd of simpelweg uitschakeltijdregeling biedt de minimale dode tijd of uit-tijd. De uitgang van de dode-tijdvergelijker blokkeert schakeltransistors wanneer de spanning aan de ingang groter is dan de hellingsspanning van de oscillator. Het toepassen van een spanning op de DTC- pin kan extra dode tijd veroorzaken, waardoor een extra dode tijd wordt geboden van het minimum van 3% tot 100%, aangezien de ingangsspanning varieert van 0 tot 3V. In eenvoudige bewoordingen kunnen we de werkcyclus van de uitgangsgolf wijzigen zonder de foutversterkers aan te passen.

Opmerking: Een interne offset van 110 mV zorgt voor een minimale dode tijd van 3% met de dode tijd stuuringang geaard.

Fout versterkers:

Beide versterkers met hoge versterking krijgen hun voorspanning van de VI-voedingsrail. Dit maakt een common-mode ingangsspanningsbereik mogelijk van –0,3 V tot 2 V minder dan VI. Beide versterkers gedragen zich kenmerkend voor een single-ended versterker met enkele voeding, in die zin dat elke uitgang alleen actief hoog is.

Output-controle-ingang:

De output-control input bepaalt of de output transistors parallel of push-pull werken. Door de uitgangsbesturingspen die pen-13 is met aarde te verbinden, worden de uitgangstransistors in parallelle werkingsmodus gezet. Maar door deze pin aan te sluiten op de 5V-REF-pin, worden de uitgangstransistors in push-pull-modus gezet.

Uitgangstransistors:

Het IC heeft twee interne uitgangstransistors in open-collector- en open-emitter-configuraties, waarmee het een maximale stroom tot 200mA kan genereren of afvoeren.

Opmerking: De transistors hebben een verzadigingsspanning van minder dan 1,3 V in de common-emitter-configuratie en minder dan 2,5 V in de emitter-follower-configuratie.

Componenten die nodig zijn om het op TL494 gebaseerde Boost Converter Circuit te bouwen

Een tabel met alle onderstaande onderdelen. Daarvoor hebben we een afbeelding toegevoegd die alle componenten toont die in dit circuit worden gebruikt. Omdat dit circuit eenvoudig is, kunt u alle benodigde onderdelen bij uw plaatselijke hobbywinkel vinden.

Onderdelen lijst:

1. TL494 IC - 1
2. IRFP250-MOSFET - 1
3. Schroefaansluiting 5X2 mm - 2
4. 1000uF, 35V condensator - 1
5. 1000uF, 63V condensator - 1
6. 50K, 1% weerstand - 1
7. 560R-weerstand - 1
8. 10K, 1% weerstand - 4
9. 3.3K, 1% weerstand - 1
10. 330R-weerstand - 1
11. 0.1uF condensator - 1
12. MBR20100CT Schottky-diode - 1
13. 150uH (27 x 11 x 14) mm spoel - 1
14. Potentiometer (10K) Trim Pot - 1
15. 0.22R stroomdetectieweerstand - 2
16. Beklede plaat Generiek 50x 50 mm - 1
17. PSU-koellichaam algemeen - 1
18. Doorverbindingskabels algemeen - 15

Op TL494 gebaseerde boost-omzetter - Schematisch diagram

Het schakelschema voor High-Efficiency Boost Converter wordt hieronder gegeven.

TL494 Boost Converter Circuit - Werkend

Dit TL494 Boost Converter-circuit bestaat uit componenten die heel gemakkelijk verkrijgbaar zijn, en in deze sectie zullen we elk belangrijk blok van het circuit doorlopen en elk blok uitleggen.

Invoercondensator:

De ingangscondensator is er om te voldoen aan de hoge stroomvraag die vereist is wanneer de MOSFET-schakelaar wordt gesloten en de inductor begint met opladen.

De feedback en de controlelus:

Weerstanden R2 en R8 stellen de stuurspanning voor de feedbacklus in, de ingestelde spanning is verbonden met pin 2 van de TL494 IC, en de feedbackspanning is verbonden met pin een van de IC met het label VOLTAGE_FEEDBACK . De weerstanden R10 en R15 bepalen de stroomlimiet in het circuit.

Weerstanden R7 en R1 vormen de regellus, met behulp van deze feedback verandert het uitgangs-PWM-signaal lineair, zonder deze terugkoppelingsweerstanden zal de comparator werken als een generiek comparatorcircuit dat het circuit alleen aan / uit zet bij een ingestelde spanning.

Selectie schakelfrequentie:

Door de juiste waarden op pinnen 5 en 6 in te stellen, kunnen we de schakelfrequentie van dit IC instellen, voor dit project hebben we een condensatorwaarde van 1nF en een weerstandswaarde van 10K gebruikt, wat ons ongeveer een frequentie van 100KHz geeft, door gebruik te maken van de formule Fosc = 1 / (RT * CT) , we kunnen de oscillatorfrequentie berekenen. Verder hebben we eerder in het artikel andere secties in detail behandeld.

PCB-ontwerp voor het op TL494 gebaseerde boost-convertercircuit

De printplaat voor ons Phase angle Control-circuit is ontworpen in een enkelzijdig bord. Ik heb Eagle gebruikt om mijn PCB te ontwerpen, maar je kunt elke ontwerpsoftware van je keuze gebruiken. De 2D-afbeelding van mijn bordontwerp wordt hieronder weergegeven.

Zoals je aan de onderkant van het bord kunt zien, heb ik een dik grondvlak gebruikt om ervoor te zorgen dat er voldoende stroom doorheen kan stromen. De voedingsingang bevindt zich aan de linkerkant van het bord en de uitgang aan de rechterkant van het bord. Het volledige ontwerpbestand samen met de schema 's van de TL494 Boost-omzetter kan worden gedownload via de onderstaande link.

• Download PCB Design GERBER-bestand voor op TL494 gebaseerd Boost Converter Circuit

Handgemaakte printplaat:

Voor het gemak heb ik mijn handgemaakte versie van de PCB gemaakt en deze wordt hieronder weergegeven. Ik heb een aantal fouten gemaakt bij het maken van deze PCB, dus ik moest een aantal jumperdraden ouder maken om dat te repareren.

Mijn bord ziet er zo uit nadat de build is voltooid.

TL494 Boost Converter ontwerpberekening en constructie

Voor de demonstratie van deze high current boost converter is de schakeling gemaakt van handgemaakte PCB's, met behulp van de schematische en PCB-ontwerpbestanden; Houd er rekening mee dat als u een grote belasting aansluit op de uitgang van dit boost-convertercircuit, er een enorme hoeveelheid stroom door de PCB-sporen vloeit en de kans bestaat dat de sporen doorbranden. Om te voorkomen dat de PCB-sporen doorbranden, hebben we de spoordikte zo veel mogelijk vergroot. Ook hebben we de PCB-sporen versterkt met een dikke laag soldeer om de sporenweerstand te verlagen.

Om de waarden van de inductor en condensator goed te berekenen, heb ik een document uit Texas Instruments gebruikt.

Daarna heb ik een Google-spreadsheet gemaakt om de berekening gemakkelijker te maken.

Testen van dit High Voltage Boost Converter Circuit

Om het circuit te testen, wordt de volgende opstelling gebruikt. Zoals u kunt zien, hebben we de PC ATX-voeding als ingang gebruikt, dus de ingang is 12V. We hebben een voltmeter en een ampèremeter aan de uitgang van het circuit bevestigd die de uitgangsspanning en uitgangsstroom aangeeft. Waaruit we eenvoudig het uitgangsvermogen voor dit circuit kunnen berekenen. Ten slotte hebben we acht 4.7R 10W vermogensweerstanden in serie gebruikt als belasting om het stroomverbruik te testen.

Hulpmiddelen die worden gebruikt om het circuit te testen:

1. 12V PC ATX-voeding
2. Een transformator met een 6-0-6 tap en een 12-0-12 tap
3. Acht, 10W 4.7R-weerstanden in serie - fungeren als de belasting
4. Meco 108B + TRMS-multimeter
5. Meco 450B + TRMS-multimeter
6. Een schroevendraaier

Uitgangsvermogen van het High-Power Boost Converter-circuit:

Zoals je kunt zien in de bovenstaande afbeelding, is de uitgangsspanning 44,53 V en de uitgangsstroom 2,839 A, dus het totale uitgangsvermogen wordt 126,42 W, dus zoals je kunt zien, kan dit circuit gemakkelijk een vermogen van meer dan 100 watt aan.

Verdere verbeteringen

Dit TL494 Boost Converter-circuit is alleen voor demonstratiedoeleinden, daarom is er geen beveiligingscircuit toegevoegd in het ingangs- of uitgangsgedeelte van het circuit. Dus om de beschermingsfunctie te verbeteren, kunt u ook toevoegen, ook omdat ik de IRFP250 MOSFET gebruik, het uitgangsvermogen verder kan worden verbeterd, de beperkende factor in ons circuit is de inductor. Een grotere kern voor de inductor verhoogt de uitvoercapaciteit.

Ik hoop dat je dit artikel leuk vond en er iets nieuws van hebt geleerd. Als u twijfelt, kunt u dit in de onderstaande opmerkingen stellen of onze forums gebruiken voor een gedetailleerde discussie.