Hochleistungs-Hochleistungs-Abwärtswandlerschaltung unter Verwendung von tl494

Ein Tiefsetzsteller (Abwärtswandler) ist ein DC / DC-Schaltwandler, der die Spannung senkt und gleichzeitig ein konstantes Leistungsgleichgewicht aufrechterhält. Das Hauptmerkmal eines Abwärtswandlers ist die Effizienz. Mit einem integrierten Abwärtswandler können wir also eine längere Batterielebensdauer, weniger Wärme, eine geringere Größe und einen verbesserten Wirkungsgrad erwarten. Wir haben zuvor einige einfache Buck-Wandlerschaltungen hergestellt und deren Grundlagen und Entwurfseffizienz erläutert.

In diesem Artikel werden wir also eine hocheffiziente Tiefsetzstellerschaltung entwerfen, berechnen und testen , die auf dem beliebten TL494-IC basiert. Schließlich wird es ein detailliertes Video geben, das den Arbeits- und Testteil der Schaltung zeigt, also ohne weiter lasst uns anfangen.

Wie funktioniert ein Buck Converter?

Die obige Abbildung zeigt eine sehr einfache Tiefsetzstellerschaltung. Um zu wissen, wie ein Abwärtswandler funktioniert, werde ich die Schaltung in zwei Bedingungen unterteilen. Die erste Bedingung, wenn der Transistor eingeschaltet ist, die nächste Bedingung, wenn der Transistor ausgeschaltet ist.

Transistor Ein Zustand

In diesem Szenario können wir sehen, dass sich die Diode im Leerlauf befindet, da sie sich in einem in Sperrrichtung vorgespannten Zustand befindet. In dieser Situation beginnt ein Anfangsstrom durch die Last zu fließen, aber der Strom wird durch die Induktivität begrenzt, so dass sich die Induktivität auch allmählich auflädt. Daher baut der Kondensator während der Einschaltdauer der Schaltung den Ladezyklus Zyklus für Zyklus auf, und diese Spannung wird über die Last reflektiert.

Transistor Aus Zustand

Wenn der Transistor ausgeschaltet ist, kollabiert die in der Induktivität L1 gespeicherte Energie und fließt durch die Diode D1 zurück, wie in der Schaltung mit den Pfeilen gezeigt. In dieser Situation ist die Spannung an der Induktivität in umgekehrter Polarität und somit befindet sich die Diode in einem Vorwärtsvorspannungszustand. Aufgrund des kollabierenden Magnetfelds des Induktors fließt nun der Strom weiter durch die Last, bis der Induktor keine Ladung mehr hat. All dies geschieht, während der Transistor ausgeschaltet ist.

Nach einer bestimmten Zeit, in der der Induktor fast keine gespeicherte Energie mehr hat, beginnt die Lastspannung wieder abzufallen. In dieser Situation wird der Kondensator C1 zur Hauptstromquelle. Der Kondensator ist da, um den Stromfluss bis zum Beginn des nächsten Zyklus aufrechtzuerhalten nochmal.

Durch Variieren der Schaltfrequenz und der Schaltzeit können wir nun einen beliebigen Ausgang von 0 nach Vin von einem Tiefsetzsteller erhalten.

IC TL494

Bevor wir einen TL494-Abwärtswandler bauen, lernen wir zunächst, wie der PWM-Controller TL494 funktioniert.

Der TL494-IC verfügt über 8 Funktionsblöcke, die im Folgenden gezeigt und beschrieben werden.

1. 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 auf eine 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.

2. 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 nach der folgenden Formel berechnet werden

Fosc = 1 / (RT * CT)

Der Einfachheit halber habe ich eine Tabelle erstellt, mit der Sie die Häufigkeit sehr einfach berechnen können.

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

3. Totzeitkontrollkomparator

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.

4. 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.

5. Output-Control-Eingang

Der Ausgangssteuereingang bestimmt, ob die Ausgangstransistoren parallel oder im Gegentaktmodus arbeiten. Durch Verbinden des Ausgangssteuerpins, der Pin-13 ist, 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.

6. 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 eine Sättigungsspannung von weniger als 1,3 V in der Konfiguration mit gemeinsamem Emitter und weniger als 2,5 V in der Konfiguration mit Emitterfolger.

Merkmale des TL494 IC

• Komplette PWM-Leistungssteuerungsschaltung
• Nicht festgeschriebene Ausgänge für 200-mA-Sink- oder Quellstrom
• Ausgangssteuerung Wählt Single-Ended- oder Push-Pull-Betrieb aus
• Interne Schaltkreise verhindern Doppelimpulse an beiden Ausgängen
• Die variable Totzeit bietet Kontrolle über die Gesamtreichweite
• Interner Regler liefert eine stabile 5-V
• Referenzversorgung mit 5% Toleranz
• Schaltungsarchitektur ermöglicht einfache Synchronisation

Hinweis! Der größte Teil der internen Schaltplan- und Betriebsbeschreibung stammt aus dem Datenblatt und wurde zum besseren Verständnis in gewissem Umfang geändert.

Erforderliche Komponenten

1. TL494 IC - 1
2. TIP2955 Transistor - 1
3. Schraubklemme 5mmx2 - 2
4. 1000 uF, 60 V Kondensator - 1
5. 470 uF, 60 V Kondensator - 1
6. 50K, 1% Widerstand - 1
7. 560R Widerstand - 1
8. 10K, 1% Widerstand - 4
9. 3,3 K, 1% Widerstand - 2
10. 330R Widerstand - 1
11. 0,22 uF Kondensator - 1
12. 5,6 K, 1 W Widerstand - 1
13. 12,1 V Zenerdiode - 1
14. Schottky Diode MBR20100CT - 1
15. 70 uH (27 x 11 x 14) mm Induktor - 1
16. Potentiometer (10K) Trim-Pot - 1
17. 0,22R Stromerfassungswiderstand - 2
18. Clad Board Generic 50x 50mm - 1
19. PSU Kühlkörper Generikum - 1
20. Überbrückungsdrähte Generisch - 15

Schematische Darstellung

Der Schaltplan für den Hochleistungs- Abwärtswandler ist unten angegeben.

Schaltungsaufbau

Für diese Demonstration dieses Hochstrom-Abwärtswandlers wird die Schaltung mit Hilfe der Schaltplan- und Leiterplattenentwurfsdateien aus handgefertigten Leiterplatten aufgebaut. Bitte beachten Sie, dass beim Anschließen einer großen Last an den Ausgangs-Abwärtswandler eine große Menge Strom durch die Leiterplattenspuren fließt und die Spuren möglicherweise durchbrennen. Um zu verhindern, dass die Leiterplattenspuren durchbrennen, habe ich einige Jumper hinzugefügt, die dazu beitragen, den Stromfluss zu erhöhen. Außerdem habe ich die Leiterplattenspuren mit einer dicken Lotschicht verstärkt, um den Spurenwiderstand zu verringern.

Der Induktor besteht aus 3 Litzen parallelen emaillierten Kupferdrahtes von 0,45 mm².

Berechnungen

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 dieses Hochspannungs-Abwärtswandlers

Zum Testen der Schaltung wird das folgende Setup verwendet. Wie im obigen Bild gezeigt, beträgt die Eingangsspannung 41,17 V und der Leerlaufstrom 0,015 A, wodurch die Leerlaufleistung weniger als 0,6 W beträgt.

Bevor einer von euch springt und sagt, was eine Schüssel des Widerstands in meinem Testtisch tut.

Lassen Sie mich Ihnen sagen, dass die Widerstände während des Testens der Schaltung unter Volllastbedingungen sehr, sehr heiß werden. Deshalb habe ich eine Schüssel Wasser vorbereitet, um zu verhindern, dass mein Arbeitstisch brennt

Werkzeuge zum Testen der Schaltung

1. 12V Blei-Säure-Batterie.
2. Ein Transformator mit einem 6-0-6-Abgriff und einem 12-0-12-Abgriff
3. 5 10W 10r Widerstand parallel als Last
4. Meco 108B + TRMS Multimeter
5. Meco 450B + TRMS Multimeter
6. Hantek 6022BE Oszilloskop

Eingangsleistung für Hochleistungs-Abwärtswandler

Wie Sie dem obigen Bild entnehmen können, fällt die Eingangsspannung im Lastzustand auf 27,45 V ab und der Eingangsstrom beträgt 3,022 A, was einer Eingangsleistung von 82,9539 W entspricht.

Ausgangsleistung

Wie Sie dem obigen Bild entnehmen können, beträgt die Ausgangsspannung 12,78 V und die Ausgangsstromaufnahme 5,614 A, was einer Leistungsaufnahme von 71,6958 W entspricht.

Der Wirkungsgrad der Schaltung beträgt also (71,6958 / 82,9539) x 100% = 86,42%

Der Verlust in der Schaltung ist auf die Widerstände zur Stromversorgung des TL494 IC und zurückzuführen

Absolute maximale Stromaufnahme in meiner Testtabelle

Aus dem obigen Bild ist ersichtlich, dass die maximale Stromaufnahme aus der Schaltung 6,96 A beträgt, es ist fast

In dieser Situation ist der Hauptengpass des Systems mein Transformator, weshalb ich den Laststrom nicht erhöhen kann, aber mit dieser Konstruktion und einem guten Kühlkörper können Sie leicht mehr als 10 A Strom aus diesem Stromkreis ziehen.

Hinweis! Wenn Sie sich fragen, warum ich einen massiven Kühlkörper in den Stromkreis eingebaut habe, möchte ich Ihnen sagen, dass ich im Moment keinen kleineren Kühlkörper in meinem Vorrat habe.

Weitere Verbesserungen

Diese TL494-Abwärtswandlerschaltung dient nur zu Demonstrationszwecken, daher wird im Ausgangsabschnitt der Schaltung keine Schutzschaltung hinzugefügt

1. Zum Schutz des Lastkreises muss eine Ausgangsschutzschaltung hinzugefügt werden.
2. Der Induktor muss in Lack getaucht werden, da sonst hörbare Geräusche entstehen.
3. Eine qualitativ hochwertige Leiterplatte mit einem ordnungsgemäßen Design ist obligatorisch
4. Der Schalttransistor kann modifiziert werden, um den Laststrom zu erhöhen

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.