Entwicklung eines Hochleistungs-Hochleistungs-Aufwärtswandlers mit tl494

Während der Arbeit mit Elektronik befinden wir uns häufig in Situationen, in denen es notwendig wird, die Ausgangsspannung zu erhöhen, während die Eingangsspannung niedrig bleibt. Dies ist eine Situation, in der wir uns auf eine Schaltung verlassen können, die allgemein als Aufwärtswandler bekannt ist (Aufwärtswandler). Ein Aufwärtswandler ist ein DC / DC-Schaltwandler, der die Spannung erhöht und gleichzeitig ein konstantes Leistungsgleichgewicht aufrechterhält. Das Hauptmerkmal eines Aufwärtswandlers ist die Effizienz, was bedeutet, dass wir mit einer langen Batterielebensdauer und reduzierten Wärmeproblemen rechnen können. Wir haben zuvor eine einfache Aufwärtswandlerschaltung hergestellt und deren grundlegende Entwurfseffizienz erläutert.

In diesem Artikel werden wir daher einen TL494- Aufwärtswandler entwerfen und eine hocheffiziente Aufwärtswandlerschaltung berechnen und testen, die auf dem beliebten TL494- IC basiert, der eine minimale Versorgungsspannung von 7 V und ein Maximum von 40 V hat Wir verwenden den IRFP250-MOSFET als Schalter. Diese Schaltung kann theoretisch einen maximalen Strom von 19 Ampere verarbeiten (begrenzt durch die Induktorkapazität). Schließlich wird es ein detailliertes Video geben, das den Arbeits- und Testteil der Schaltung zeigt. Lassen Sie uns also ohne weiteres loslegen.

Das Funktionsprinzip des Aufwärtswandlers verstehen

Die obige Abbildung zeigt das Grundschema der Aufwärtswandlerschaltung. Um das Funktionsprinzip dieser Schaltung zu analysieren, werden wir es in zwei Teile teilen. Die erste Bedingung erklärt, was passiert, wenn der MOSFET eingeschaltet ist, die zweite Bedingung erklärt, was passiert, wenn der MOSFET ausgeschaltet ist.

Was passiert, wenn der MOSFET eingeschaltet ist:

Das obige Bild zeigt den Zustand der Schaltung, wenn der MOSFET eingeschaltet ist. Wie Sie erkennen können, haben wir den EIN-Zustand mit Hilfe einer gestrichelten Linie gezeigt. Wenn der MOSFET eingeschaltet bleibt, beginnt sich der Induktor aufzuladen, der Strom durch den Induktor steigt weiter an und wird in Form eines Magnetfelds gespeichert.

Was passiert, wenn der MOSFET ausgeschaltet ist:

Wie Sie vielleicht wissen, kann sich der Strom durch eine Induktivität nicht sofort ändern! Das liegt daran, dass es in Form eines Magnetfeldes gespeichert ist. In dem Moment, in dem der MOSFET abschaltet, beginnt das Magnetfeld zu kollabieren und der Strom fließt in die dem Ladestrom entgegengesetzte Richtung. Wie Sie im obigen Diagramm sehen können, wird der Kondensator aufgeladen.

Durch kontinuierliches Ein- und Ausschalten des Schalters (MOSFET) haben wir eine Ausgangsspannung erzeugt, die größer als die Eingangsspannung ist. Jetzt können wir die Ausgangsspannung steuern, indem wir die Ein- und Ausschaltzeit des Schalters steuern, und genau das tun wir im Hauptstromkreis.

Verstehen Sie die Funktionsweise des TL494

Bevor wir nun die Schaltung auf Basis des TL494-PWM-Controllers aufbauen, lernen wir, wie der PWM-Controller TL494 funktioniert. Der TL494-IC verfügt über 8 Funktionsblöcke, die im Folgenden gezeigt und beschrieben werden.

5-V-Referenzregler:

Der interne 5-V-Referenzreglerausgang ist der REF-Pin, der Pin-14 des IC ist. Der Referenzregler dient dazu, eine stabile Versorgung für interne Schaltkreise wie das Impulslenk-Flipflop, den Oszillator, den Totzeitregelkomparator und den PWM-Komparator bereitzustellen. Der Regler wird auch verwendet, um die Fehlerverstärker anzusteuern, die für die Steuerung des Ausgangs verantwortlich sind.

Hinweis: Die Referenz ist intern mit einer Anfangsgenauigkeit von ± 5% programmiert und behält die Stabilität über einen Eingangsspannungsbereich von 7 V bis 40 V bei. Bei Eingangsspannungen von weniger als 7 V sättigt sich der Regler innerhalb von 1 V des Eingangs und verfolgt ihn.

Oszillator:

Der Oszillator erzeugt und liefert eine Sägezahnwelle an den Totzeitregler und die PWM-Komparatoren für verschiedene Steuersignale.

Die Frequenz des Oszillators kann durch Auswahl der Zeitsteuerungskomponenten R T und C T eingestellt werden.

Die Frequenz des Oszillators kann durch die folgende Formel berechnet werden:

Fosc = 1 / (RT * CT)

Der Einfachheit halber habe ich eine Tabelle erstellt, mit der Sie die Häufigkeit sehr einfach berechnen können. Was Sie unter dem folgenden Link finden.

Hinweis: Die Oszillatorfrequenz entspricht nur für Single-Ended-Anwendungen der Ausgangsfrequenz. Bei Push-Pull-Anwendungen beträgt die Ausgangsfrequenz die Hälfte der Oszillatorfrequenz.

Totzeit-Kontrollkomparator:

Die Totzeit oder einfach gesagt die Ausschaltzeitsteuerung liefert die minimale Totzeit oder Ausschaltzeit. Der Ausgang des Totzeitkomparators blockiert Schalttransistoren, wenn die Spannung am Eingang größer als die Rampenspannung des Oszillators ist. Das Anlegen einer Spannung an den DTC- Pin kann eine zusätzliche Totzeit verursachen, wodurch eine zusätzliche Totzeit von mindestens 3% bis 100% bereitgestellt wird, wenn die Eingangsspannung von 0 bis 3 V variiert. In einfachen Worten können wir den Arbeitszyklus der Ausgangswelle ändern, ohne die Fehlerverstärker zu optimieren.

Hinweis: Ein interner Offset von 110 mV gewährleistet eine minimale Totzeit von 3% bei geerdetem Totzeitsteuereingang.

Fehlerverstärker:

Beide Fehlerverstärker mit hoher Verstärkung erhalten ihre Vorspannung von der VI-Versorgungsschiene. Dies ermöglicht einen Gleichtakt-Eingangsspannungsbereich von –0,3 V bis 2 V unter VI. Beide Verstärker verhalten sich charakteristisch für einen Single-Ended-Single-Supply-Verstärker, da jeder Ausgang nur aktiv hoch ist.

Output-Control Input:

Der Ausgangssteuereingang bestimmt, ob die Ausgangstransistoren parallel oder im Gegentaktmodus arbeiten. Durch Verbinden des Ausgangssteuerstifts Pin 13 mit Masse werden die Ausgangstransistoren in den Parallelbetriebsmodus versetzt. Durch Verbinden dieses Pins mit dem 5V-REF-Pin werden die Ausgangstransistoren jedoch in den Push-Pull-Modus versetzt.

Ausgangstransistoren:

Der IC verfügt über zwei interne Ausgangstransistoren in Open-Collector- und Open-Emitter-Konfiguration, mit denen er einen maximalen Strom von bis zu 200 mA liefern oder aufnehmen kann.

Hinweis: Die Transistoren haben in der Common-Emitter-Konfiguration eine Sättigungsspannung von weniger als 1,3 V und in der Emitter-Follower-Konfiguration weniger als 2,5 V.

Erforderliche Komponenten zum Aufbau der TL494-basierten Aufwärtswandlerschaltung

Eine Tabelle mit allen unten gezeigten Teilen. Zuvor haben wir ein Bild hinzugefügt, das alle in dieser Schaltung verwendeten Komponenten zeigt. Da diese Schaltung einfach ist, finden Sie alle erforderlichen Teile in Ihrem örtlichen Hobbygeschäft.

Liste der Einzelteile:

1. TL494 IC - 1
2. IRFP250-MOSFET - 1
3. Schraubklemme 5X2 mm - 2
4. 1000 uF, 35 V Kondensator - 1
5. 1000 uF, 63 V Kondensator - 1
6. 50K, 1% Widerstand - 1
7. 560R Widerstand - 1
8. 10K, 1% Widerstand - 4
9. 3,3 K, 1% Widerstand - 1
10. 330R Widerstand - 1
11. 0,1 uF Kondensator - 1
12. Schottky Diode MBR20100CT - 1
13. Induktor mit 150 uH (27 x 11 x 14) mm - 1
14. Potentiometer (10K) Trimmtopf - 1
15. 0,22R Stromerfassungswiderstand - 2
16. Clad Board Generic 50x 50mm - 1
17. PSU Kühlkörper Generikum - 1
18. Überbrückungsdrähte Generisch - 15

TL494-basierter Aufwärtswandler - Schematische Darstellung

Das Schaltbild für den Hochleistungs-Aufwärtswandler ist unten angegeben.

TL494 Boost Converter Circuit - Funktioniert

Diese TL494-Aufwärtswandlerschaltung besteht aus Komponenten, die sehr leicht erhältlich sind. In diesem Abschnitt werden wir jeden Hauptblock der Schaltung durchgehen und jeden Block erklären.

Eingangskondensator:

Der Eingangskondensator dient dazu, den hohen Strombedarf zu decken, der erforderlich ist, wenn der MOSFET-Schalter geschlossen wird und der Induktor mit dem Laden beginnt.

Das Feedback und der Regelkreis:

Die Widerstände R2 und R8 stellen die Steuerspannung für die Rückkopplungsschleife ein, die eingestellte Spannung wird an Pin 2 des TL494-IC angeschlossen und die Rückkopplungsspannung wird an Pin 1 des mit VOLTAGE_FEEDBACK gekennzeichneten IC angeschlossen . Die Widerstände R10 und R15 stellen die Strombegrenzung in der Schaltung ein.

Die Widerstände R7 und R1 bilden den Regelkreis. Mit Hilfe dieser Rückkopplung ändert sich das PWM-Ausgangssignal linear. Ohne diese Rückkopplungswiderstände wirkt der Komparator wie eine generische Komparatorschaltung, die die Schaltung nur bei einer eingestellten Spannung ein- und ausschaltet.

Auswahl der Schaltfrequenz:

Durch Einstellen der richtigen Werte auf die Pins 5 und 6 können wir die Schaltfrequenz dieses IC einstellen. Für dieses Projekt haben wir einen Kondensatorwert von 1 nF und einen Widerstandswert von 10 K verwendet, wodurch wir ungefähr eine Frequenz von 100 kHz erhalten Mit der Formel Fosc = 1 / (RT * CT) können wir die Oszillatorfrequenz berechnen. Abgesehen davon haben wir andere Abschnitte weiter oben in diesem Artikel ausführlich behandelt.

PCB-Design für die TL494-basierte Aufwärtswandlerschaltung

Die Platine für unsere Phasenwinkel-Steuerschaltung ist in einer einseitigen Platine ausgeführt. Ich habe Eagle zum Entwerfen meiner Leiterplatte verwendet, aber Sie können jede Design-Software Ihrer Wahl verwenden. Das 2D-Bild meines Board-Designs ist unten dargestellt.

Wie Sie auf der Unterseite der Platine sehen können, habe ich eine dicke Masseebene verwendet, um sicherzustellen, dass ausreichend Strom durch die Platine fließen kann. Der Stromeingang befindet sich auf der linken Seite der Karte und der Ausgang befindet sich auf der rechten Seite der Karte. Die vollständige Konstruktionsdatei sowie die TL494-Boost-Konverter-Schaltpläne können über den folgenden Link heruntergeladen werden.

• Laden Sie die PCB Design GERBER-Datei für die TL494-basierte Aufwärtswandlerschaltung herunter

Handgefertigte Leiterplatte:

Der Einfachheit halber habe ich meine handgefertigte Version der Leiterplatte hergestellt und sie ist unten abgebildet. Ich habe bei der Herstellung dieser Platine einige Fehler gemacht, daher musste ich einige Überbrückungskabel älter machen, um das zu beheben.

Mein Board sieht nach Abschluss des Builds so aus.

Berechnung und Konstruktion des TL494-Aufwärtswandlerdesigns

Zur Demonstration dieses Hochstrom-Aufwärtswandlers wird die Schaltung mit Hilfe der Schaltplan- und Leiterplattenentwurfsdateien aus handgefertigten Leiterplatten aufgebaut. Bitte beachten Sie, dass, wenn Sie eine große Last an den Ausgang dieser Aufwärtswandlerschaltung anschließen, eine große Menge Strom durch die Leiterplattenspuren fließt und die Spuren möglicherweise durchbrennen. Um ein Ausbrennen der Leiterplattenspuren zu verhindern, haben wir die Spurendicke so weit wie möglich erhöht. Außerdem haben wir die Leiterplattenspuren mit einer dicken Lotschicht verstärkt, um den Spurenwiderstand zu verringern.

Um die Werte von Induktor und Kondensator richtig zu berechnen, habe ich ein Dokument von Texas Instruments verwendet.

Danach habe ich eine Google-Tabelle erstellt, um die Berechnung zu vereinfachen.

Testen dieser Hochspannungs-Aufwärtswandlerschaltung

Zum Testen der Schaltung wird das folgende Setup verwendet. Wie Sie sehen können, haben wir das PC ATX-Netzteil als Eingang verwendet, sodass der Eingang 12 V beträgt. Wir haben ein Voltmeter und ein Amperemeter an den Ausgang der Schaltung angeschlossen, die die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom anzeigen. Daraus können wir leicht die Ausgangsleistung für diese Schaltung berechnen. Schließlich haben wir acht in Reihe geschaltete 4,7R 10W-Leistungswiderstände als Last verwendet, um den Stromverbrauch zu testen.

Werkzeuge zum Testen der Schaltung:

1. 12V PC ATX Netzteil
2. Ein Transformator mit einem 6-0-6-Abgriff und einem 12-0-12-Abgriff
3. Acht 10W 4.7R Widerstände in Reihe - Wirkt als Last
4. Meco 108B + TRMS Multimeter
5. Meco 450B + TRMS Multimeter
6. Ein Schraubenzieher

Ausgangsstromverbrauch der Hochleistungs-Aufwärtswandlerschaltung:

Wie Sie im obigen Bild sehen können, beträgt die Ausgangsspannung 44,53 V und der Ausgangsstrom 2,839 A, sodass die Gesamtausgangsleistung 126,42 W beträgt. Wie Sie sehen können, kann diese Schaltung problemlos eine Leistung von mehr als 100 Watt verarbeiten.

Weitere Verbesserungen

Diese TL494-Aufwärtswandlerschaltung dient nur zu Demonstrationszwecken, daher wird im Eingangs- oder Ausgangsabschnitt der Schaltung keine Schutzschaltung hinzugefügt. Um die Schutzfunktion zu verbessern, können Sie auch hinzufügen, dass, da ich den IRFP250-MOSFET verwende, die Ausgangsleistung weiter verbessert werden kann. Der begrenzende Faktor in unserer Schaltung ist der Induktor. Ein größerer Kern für den Induktor erhöht seine Ausgangskapazität.

Ich hoffe, Ihnen hat dieser Artikel gefallen und Sie haben etwas Neues daraus gelernt. Wenn Sie Zweifel haben, können Sie in den Kommentaren unten nachfragen oder unsere Foren für detaillierte Diskussionen nutzen.