วงจรแปลงไฟ DC เป็น DC กำลังสูง - ตัวแปร 12 V ถึง 30 V

ลองใช้เครื่องมือของเราเพื่อกำจัดปัญหา





โพสต์นี้อธิบายถึงวิธีการสร้างวงจรแปลงไฟ DC เป็น DC ที่มีกำลังไฟสูงซึ่งจะเพิ่มระดับ 12 V DC ไปยังระดับที่สูงขึ้นได้สูงสุด 30 V และที่อัตรากระแสไฟฟ้า 3 แอมป์ เอาท์พุทกระแสสูงนี้สามารถปรับปรุงเพิ่มเติมได้โดยการอัพเกรดข้อกำหนดเกจวัดลวดเหนี่ยวนำอย่างเหมาะสม

คุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมอีกอย่างของตัวแปลงนี้คือเอาต์พุตสามารถแปรผันตามเส้นตรงผ่านโพเทนชิออมิเตอร์ตั้งแต่ช่วงต่ำสุดที่เป็นไปได้ไปจนถึงช่วงสูงสุด



การเหนี่ยวนำ

ตัวแปลง DC -DC มีไว้สำหรับ การเพิ่มแรงดันแบตเตอรี่รถยนต์ มักจะถูกกำหนดค่าตามประเภทของแหล่งจ่ายไฟสลับโหมด (SMPSU) หรือมัลติไวเบรเตอร์กำลังขับหม้อแปลง

ตัวแปลงไฟที่อธิบายไว้ในบทความนี้ใช้อุปกรณ์ TL 497A วงจรรวมจาก Texas Instruments . IC เฉพาะนี้ช่วยอำนวยความสะดวกในการควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยมโดยมีสัญญาณรบกวนเอาต์พุตน้อยที่สุดเพื่อให้ทำได้อย่างสะดวกสบายและในทำนองเดียวกันช่วยให้มั่นใจได้ถึงประสิทธิภาพการแปลงสูง



วงจรทำงานอย่างไร

รายละเอียดตัวแปลงที่นี่ใช้ไฟล์ โทโพโลยี flyback . ทฤษฎีฟลายแบ็คดูเหมือนจะเป็นเทคนิคที่เหมาะสมและใช้งานได้ดีที่สุดในการรับแรงดันไฟฟ้าขาออกทันทีที่เกิดจากแรงดันไฟฟ้าขาเข้าโดยตรงที่ต่ำกว่า

ส่วนประกอบสวิตชิ่งหลักในคอนเวอร์เตอร์คือทรานซิสเตอร์ SIPMOS กำลังไฟ T1 (ดูรูปที่ 1) ในช่วงเวลาการนำกระแสไฟฟ้าที่ผ่าน L1 จะเพิ่มขึ้นเป็นทวีคูณตามเวลา

ในช่วงเวลา ON ของรอบการเปลี่ยนตัวเหนี่ยวนำจะเก็บพลังงานแม่เหล็กที่เหนี่ยวนำไว้

วงจรแปลงตัวแปร 3 แอมป์ 12 V ถึง 30 V

ทันทีที่ทรานซิสเตอร์ปิดอยู่ตัวเหนี่ยวนำจะเปลี่ยนพลังงานแม่เหล็กที่เก็บไว้กลับไปแปลงเป็นกระแสไฟฟ้าผ่านโหลดที่เชื่อมต่อผ่าน D1

ในระหว่างขั้นตอนนี้จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าทรานซิสเตอร์ยังคงปิดอยู่ตลอดระยะเวลาในขณะที่สนามแม่เหล็กบนตัวเหนี่ยวนำจะสลายตัวเป็นศูนย์

ในกรณีที่เงื่อนไขนี้ไม่สามารถใช้งานได้กระแสไฟฟ้าผ่านตัวเหนี่ยวนำจะเพิ่มขึ้นถึงระดับความอิ่มตัว ผลกระทบจากหิมะถล่มส่งผลให้กระแสเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว

การควบคุมทรานซิสเตอร์แบบสัมพัทธ์ทริกเกอร์เวลา ON หรือปัจจัยหน้าที่ดังนั้นจึงไม่ควรได้รับอนุญาตให้ไปที่ระดับเอกภาพ ปัจจัยหน้าที่สูงสุดที่อนุญาตขึ้นอยู่กับด้านอื่น ๆ รอบแรงดันไฟฟ้าขาออก

เนื่องจากเป็นตัวกำหนดอัตราการสลายตัวของความแรงของสนามแม่เหล็ก กำลังขับสูงสุดที่สามารถทำได้จากตัวแปลงจะถูกกำหนดโดยกระแสไฟฟ้าสูงสุดที่อนุญาตซึ่งประมวลผลโดยตัวเหนี่ยวนำและความถี่ในการสลับของสัญญาณขับ

องค์ประกอบที่ จำกัด ในที่นี้ส่วนใหญ่เป็นค่าความอิ่มตัวทันทีและการให้คะแนนสูงสุดที่ทนได้ของตัวเหนี่ยวนำสำหรับการสูญเสียทองแดงรวมถึงกระแสไฟฟ้าสูงสุดผ่านทรานซิสเตอร์สวิตชิ่ง (อย่าลืมว่าระดับพลังงานไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วจะส่งผลต่อเอาต์พุตในระหว่างการเปลี่ยนแต่ละครั้ง ชีพจร).

ใช้ IC TL497A สำหรับ PWM

การทำงานของ IC นี้ค่อนข้างไม่ใช่แบบดั้งเดิมซึ่งสามารถเข้าใจได้จากคำอธิบายสั้น ๆ ด้านล่าง ซึ่งแตกต่างจากการใช้งานความถี่คงที่ทั่วไปไอซีตัวควบคุม SMPSU แบบตัวแปรหน้าที่ TL497A ได้รับการรับรองว่าเป็นอุปกรณ์ความถี่ที่ปรับเปลี่ยนได้ตรงเวลา

ดังนั้นปัจจัยการทำงานจะถูกควบคุมโดยการปรับความถี่เพื่อให้ได้แรงดันเอาต์พุตที่สม่ำเสมอ

วิธีนี้นำมาสู่ความเป็นจริงวงจรที่ค่อนข้างตรงไปตรงมาอย่างไรก็ตามให้ข้อเสียของความถี่สวิตชิ่งที่ถึงช่วงล่างซึ่งอาจได้ยินได้จากหูของมนุษย์สำหรับโหลดที่ทำงานกับกระแสไฟฟ้าที่ต่ำกว่า

ในความเป็นจริงความถี่ในการเปลี่ยนจะต่ำกว่า 1 เฮิรตซ์เมื่อโหลดออกจากตัวแปลง เสียงคลิกช้าดังขึ้นเนื่องจากพัลส์ของประจุที่เชื่อมต่อกับตัวเก็บประจุเอาท์พุทเพื่อรับแรงดันไฟฟ้าขาออกคงที่

เมื่อไม่มีโหลดติดอยู่ตัวเก็บประจุเอาต์พุตมักจะได้รับอย่างชัดเจนค่อยๆปล่อยผ่านตัวต้านทานการตรวจจับแรงดันไฟฟ้า

ออสซิลเลเตอร์ภายในตรงเวลาของ IC TL497A เป็นค่าคงที่และตัดสินใจโดย C1 ออสซิลเลเตอร์สามารถปิดการใช้งานได้สามวิธี:

  • อันดับที่ 1 เมื่อแรงดันไฟฟ้าที่ขา 1 เพิ่มขึ้นเกินแรงดันอ้างอิง (1.2 V)
  • ประการที่ 2 เมื่อกระแสตัวเหนี่ยวนำเกินค่าสูงสุดที่เฉพาะเจาะจง
  • และอันดับ 3 โดยใช้อินพุทยับยั้ง (แม้ว่าจะไม่ได้ใช้ในวงจรนี้)

ในขณะที่อยู่ในกระบวนการทำงานมาตรฐานออสซิลเลเตอร์ภายในอนุญาตให้เปลี่ยน T1 ในลักษณะที่กระแสตัวเหนี่ยวนำเพิ่มขึ้นในเชิงเส้น

เมื่อปิด T1 พลังงานแม่เหล็กที่สะสมอยู่ภายในตัวเหนี่ยวนำจะถูกเตะกลับไปที่ตัวเก็บประจุซึ่งถูกชาร์จผ่านพลังงานแรงเคลื่อนไฟฟ้าย้อนกลับนี้

แรงดันขาออกพร้อมกับแรงดันขา 1 ของ IC TL497A จะเพิ่มขึ้นเล็กน้อยซึ่งทำให้ออสซิลเลเตอร์ถูกปิดการใช้งาน สิ่งนี้จะดำเนินต่อไปจนกว่าแรงดันไฟฟ้าขาออกจะลดลงถึงระดับที่ต่ำกว่าอย่างมีนัยสำคัญเทคนิคนี้ดำเนินการในลักษณะเป็นวงจรเท่าที่มีความเกี่ยวข้องกับสมมติฐานทางทฤษฎี

อย่างไรก็ตามในการจัดเรียงโดยใช้ส่วนประกอบจริงการเพิ่มขึ้นของแรงดันไฟฟ้าที่เกิดจากการชาร์จของตัวเก็บประจุในช่วงเวลาออสซิลเลเตอร์เดียวนั้นมีขนาดเล็กมากจนออสซิลเลเตอร์ยังคงทำงานอยู่จนกว่ากระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำจะถึงค่าสูงสุดตามที่กำหนดโดยส่วนประกอบ R2 และ R3 (แรงดันไฟฟ้าที่ลดลงรอบ R1 และ R3 โดยปกติจะอยู่ที่ 0.7 V ณ จุดนี้)

ขั้นตอนที่เพิ่มขึ้นอย่างชาญฉลาดของกระแสตามที่ระบุในรูปที่ 2b เป็นเพราะปัจจัยหน้าที่ของสัญญาณออสซิลเลเตอร์ซึ่งสูงกว่า 0.5

ทันทีที่ถึงกระแสไฟฟ้าที่เหมาะสมที่สุดออสซิลเลเตอร์จะถูกปิดการใช้งานทำให้ตัวเหนี่ยวนำสามารถถ่ายโอนพลังงานผ่านตัวเก็บประจุได้

ในสถานการณ์เฉพาะเช่นนี้แรงดันไฟฟ้าขาออกจะเพิ่มขึ้นเป็นขนาดที่สูงเพื่อให้แน่ใจว่าออสซิลเลเตอร์ปิดอยู่โดยใช้ขา IC 1 แรงดันไฟฟ้าขาออกจะตกลงอย่างรวดเร็วเพื่อให้รอบการชาร์จใหม่สามารถเริ่มต้นและทำซ้ำได้ ขั้นตอน.

อย่างไรก็ตามน่าเศร้าที่ขั้นตอนการเปลี่ยนที่กล่าวถึงข้างต้นจะรวมกับการสูญเสียที่ค่อนข้างใหญ่

ในการใช้งานจริงปัญหานี้สามารถแก้ไขได้โดยการตั้งค่าเวลาตรง (ผ่าน C1) ให้สูงพอที่จะทำให้แน่ใจว่ากระแสไฟฟ้าผ่านตัวเหนี่ยวนำไม่เคยขยายไปถึงระดับสูงสุดในช่วงเวลาออสซิลเลเตอร์เดียว (ดูรูปที่ 3)

การแก้ไขในกรณีดังกล่าวอาจเป็นการรวมตัวกันของตัวเหนี่ยวนำอากาศที่มีคุณสมบัติการเหนี่ยวนำในตัวน้อยที่สุดอย่างสมเหตุสมผล

ลักษณะของรูปคลื่น

แผนภูมิเวลาในรูปที่ 3 แสดงให้เห็นถึงรูปคลื่นสัญญาณเกี่ยวกับปัจจัยสำคัญจากวงจร ออสซิลเลเตอร์หลักภายใน TL497A ทำงานด้วยความถี่ที่ลดลง (ต่ำกว่า I Hz เมื่อไม่มีโหลดที่เอาต์พุตตัวแปลง te)

เวลาทันทีระหว่างการเปิดเครื่องแสดงเป็นพัลส์สี่เหลี่ยมในรูปที่ 3a ขึ้นอยู่กับค่าของตัวเก็บประจุ C1 เวลาปิดเครื่องถูกกำหนดโดยกระแสโหลด ในระหว่างการสลับตามเวลาทรานซิสเตอร์ T1 จะเปิดทำให้กระแสตัวเหนี่ยวนำเพิ่มขึ้น (รูปที่ 3b)

ภาพรูปคลื่น

ในช่วงเวลาปิดสวิตช์ตามพัลส์ปัจจุบันตัวเหนี่ยวนำจะทำงานเหมือนแหล่งกระแส

TL497A วิเคราะห์แรงดันเอาท์พุตแบบลดทอนที่พิน 1 ด้วยแรงดันอ้างอิงภายใน 1.2 โวลต์ในกรณีที่แรงดันไฟฟ้าที่ประเมินได้ต่ำกว่าแรงดันอ้างอิง T1 จะเอนเอียงหนักกว่าเพื่อให้ตัวเหนี่ยวนำเก็บพลังงานได้อย่างเพียงพอ

รอบการชาร์จและการคายประจุซ้ำ ๆ นี้ทำให้เกิดแรงดันกระเพื่อมในระดับหนึ่งบนตัวเก็บประจุเอาต์พุต (รูปที่ 3c) ตัวเลือกป้อนกลับช่วยให้สามารถปรับความถี่ของออสซิลเลเตอร์เพื่อให้แน่ใจว่ามีการชดเชยการขาดแรงดันไฟฟ้าที่เกิดจากกระแสโหลดได้ดีที่สุด

แผนภาพพัลส์ไทม์มิ่งในรูป 3 มิติแสดงให้เห็นการเคลื่อนไหวที่สำคัญของแรงดันท่อระบายน้ำเนื่องจากปัจจัย Q (คุณภาพ) ที่ค่อนข้างสูงของตัวเหนี่ยวนำ

แม้ว่าโดยปกติแล้วการสั่นของระลอกคลื่นจะไม่ส่งผลกระทบต่อการทำงานปกติของตัวแปลงไฟ DC เป็น DC แต่สิ่งเหล่านี้สามารถระงับได้โดยใช้ตัวต้านทาน 1 k แบบขนานกับตัวเหนี่ยวนำ

ข้อควรพิจารณาในทางปฏิบัติ

โดยปกติวงจร SMPS ได้รับการพัฒนาเพื่อให้ได้กระแสเอาต์พุตสูงสุดแทนที่จะเป็นกระแสเอาต์พุตที่หยุดนิ่ง

ประสิทธิภาพสูงพร้อมกับแรงดันไฟฟ้าขาออกที่สม่ำเสมอพร้อมกับการกระเพื่อมต่ำสุดยังกลายเป็นวัตถุประสงค์หลักในการออกแบบ โดยรวมแล้วคุณสมบัติการควบคุมโหลดของ SMPS ที่ใช้ฟลายแบ็คแทบจะไม่ทำให้เกิดความกังวลใด ๆ

ตลอดแต่ละรอบการเปลี่ยนอัตราส่วนการเปิด / ปิดหรือรอบการทำงานจะถูกปรับให้สัมพันธ์กับกระแสโหลดเพื่อให้แรงดันขาออกยังคงค่อนข้างคงที่แม้จะมีความผันผวนของกระแสโหลดอย่างมาก

สถานการณ์ปรากฏแตกต่างกันเล็กน้อยในแง่ของประสิทธิภาพทั่วไป ตัวแปลงแบบ step-up ตามโทโพโลยี flyback โดยทั่วไปจะสร้างกระแสที่เพิ่มขึ้นอย่างมากซึ่งอาจทำให้สูญเสียพลังงานอย่างมีนัยสำคัญ (อย่าลืมว่าพลังงานจะเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณเมื่อกระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้น)

อย่างไรก็ตามในการใช้งานในชีวิตจริงวงจรตัวแปลง DC เป็น DC กำลังสูงที่แนะนำให้ประสิทธิภาพโดยรวมดีกว่า 70% ด้วยกระแสไฟขาออกที่เหมาะสมและดูน่าประทับใจมากเมื่อเทียบกับความเรียบง่ายของเค้าโครง

ด้วยเหตุนี้จึงเรียกร้องให้ขับเคลื่อนเข้าสู่ภาวะอิ่มตัวซึ่งจะนำไปสู่การขยายเวลาปิดเครื่องอย่างสมเหตุสมผล ตามธรรมชาติยิ่งทรานซิสเตอร์ต้องใช้เวลาในการตัดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำมากเท่าใดประสิทธิภาพในการออกแบบก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น

ในลักษณะที่ไม่ธรรมดา MOSFET BUZ10 จะถูกเปลี่ยนผ่านพิน 11 ของเอาต์พุตทดสอบออสซิลเลเตอร์แทนทรานซิสเตอร์เอาต์พุตภายใน

Diode D1 เป็นอีกหนึ่งส่วนประกอบที่สำคัญในวงจร สิ่งที่จำเป็นสำหรับหน่วยนี้คือความสามารถในการทนต่อกระแสไฟฟ้าที่พุ่งสูงและการลดลงไปข้างหน้าอย่างช้าๆ Type B5V79 เป็นไปตามข้อกำหนดเหล่านี้ทั้งหมดและไม่ควรแทนที่ด้วยตัวแปรอื่น ๆ

กลับไปที่แผนภาพวงจรหลักของรูปที่ 1 ต้องสังเกตอย่างรอบคอบว่ากระแสไฟฟ้าสูง 15-20 A โดยทั่วไปไม่ผิดปกติในวงจร เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาที่เกิดขึ้นกับแบตเตอรี่ที่มีความต้านทานภายในสูงกว่าโดยเปรียบเทียบตัวเก็บประจุ C4 จะถูกนำมาใช้เหมือนบัฟเฟอร์ที่อินพุตของตัวแปลง

เมื่อพิจารณาว่าตัวเก็บประจุเอาต์พุตถูกชาร์จโดยตัวแปลงผ่านอย่างรวดเร็วพัลส์เช่นเดือยปัจจุบันตัวเก็บประจุสองตัวจะเชื่อมต่อแบบขนานเพื่อให้แน่ใจว่าความจุแบบรันต่อทางยังคงอยู่น้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

ตัวแปลงไฟ DC เป็น DC ไม่มีคุณสมบัติป้องกันการลัดวงจร การลัดวงจรขั้วเอาต์พุตจะเหมือนกับการลัดวงจรแบตเตอรี่ผ่าน D1 และ L1 การเหนี่ยวนำตัวเองของ L1 อาจไม่สูงพอที่จะ จำกัด กระแสในช่วงเวลาที่จำเป็นเพื่อให้ฟิวส์เป่าได้

รายละเอียดการก่อสร้างตัวเหนี่ยวนำ

L1 ถูกสร้างขึ้นโดยการพันลวดทองแดงเคลือบ 33 รอบครึ่ง รูปที่ 5 จัดแสดงสัดส่วน บริษัท ส่วนใหญ่จัดหาลวดทองแดงเคลือบบนม้วน ABS ซึ่งโดยปกติจะใช้งานได้เหมือนเดิมสำหรับการสร้างตัวเหนี่ยวนำ

การสร้างตัวเหนี่ยวนำ cconverter 3 แอมป์

เจาะรู 2 มม. สองรูที่ขอบล่างเพื่อให้สายไฟเหนี่ยวนำหลุด หลุมหนึ่งจะอยู่ใกล้กระบอกสูบในขณะที่อีกรูหนึ่งอยู่ที่เส้นรอบวงด้านนอกของอดีต

การพิจารณาลวดหนาในการสร้างตัวเหนี่ยวนำอาจไม่มีประโยชน์เนื่องจากปรากฏการณ์ผิว - ผลที่ทำให้เกิดการเคลื่อนตัวของตัวพาประจุไปตามพื้นผิวด้านนอกของลวดหรือผิวของลวด สิ่งนี้ควรได้รับการประเมินโดยคำนึงถึงขนาดของความถี่ที่ใช้ในตัวแปลง

เพื่อรับประกันความต้านทานน้อยที่สุดภายในการเหนี่ยวนำที่จำเป็นขอแนะนำให้ใช้กับสายไฟสองเส้นที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 1 มม. หรือแม้แต่ 3 หรือ 4 สายที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.8 มม.

ประมาณ 0.8 นาทีสามสายจะช่วยให้เราได้ขนาดรวมซึ่งอาจจะใกล้เคียงกันโดยประมาณกับสายไฟ 1 มม. สองเส้น แต่ให้พื้นที่ผิวที่มีประสิทธิภาพสูงขึ้น 20%

ตัวเหนี่ยวนำมีการพันแผลอย่างแน่นหนาและสามารถปิดผนึกได้โดยใช้เรซินหรือสารประกอบที่ทำจากอีพ็อกซี่ที่เหมาะสมเพื่อควบคุมหรือยับยั้งการรั่วไหลของเสียง (โปรดจำไว้ว่าความถี่ของการทำงานอยู่ในช่วงที่ได้ยิน)

การก่อสร้างและการจัดตำแหน่ง

แผงวงจรพิมพ์หรือการออกแบบ PCB สำหรับวงจรตัวแปลง DC DC กำลังสูงที่นำเสนอแสดงไว้ด้านล่าง

การออกแบบ PCB แปลง

ปัจจัยในการก่อสร้างหลายอย่างต้องมีการพิจารณา ตัวต้านทาน R2 และ R3 อาจร้อนจัดดังนั้นจึงควรติดตั้งที่ระดับความสูงไม่กี่มิลลิเมตรเหนือพื้นผิว PCB

กระแสสูงสุดที่เคลื่อนที่โดยใช้ตัวต้านทานเหล่านี้สามารถเข้าถึงได้มากถึง 15 A

power-FET จะร้อนจัดและต้องการฮีทซิงค์ที่มีขนาดเหมาะสมและชุดฉนวนไมกามาตรฐาน

ไดโอดอาจทำงานได้โดยไม่ต้องระบายความร้อนแม้ว่าอาจจะยึดกับฮีทซิงค์ทั่วไปที่ใช้กับไฟ FET (อย่าลืมหุ้มฉนวนอุปกรณ์ด้วยไฟฟ้า) ในขณะที่ทำงานตามปกติตัวเหนี่ยวนำอาจแสดงความร้อนขึ้นในระดับที่เหมาะสม

ควรรวมขั้วต่อและสายเคเบิลสำหรับงานหนักที่อินพุตและเอาต์พุตของตัวแปลงนี้ แบตเตอรี่ได้รับการปกป้องด้วยฟิวส์แบบหน่วงเวลา 16 A ที่นำมาใช้ภายในสายจ่ายอินพุต

ระวังความจริงที่ว่าฟิวส์จะไม่ให้การป้องกันรูปแบบใด ๆ กับตัวแปลงระหว่างการลัดวงจรของเอาต์พุต! วงจรค่อนข้างง่ายในการติดตั้งและอาจทำได้ในลักษณะต่อไปนี้:

ปรับ R1 เพื่อให้ได้แรงดันไฟฟ้าขาออกที่ต้องการซึ่งไม่มีช่วงระหว่าง 20 ถึง 30 V แรงดันไฟฟ้าขาออกอาจลดลงต่ำกว่านี้แม้ว่าจะต้องไม่น้อยกว่าแรงดันไฟฟ้าขาเข้าก็ตาม

ซึ่งอาจทำได้โดยการใส่ตัวต้านทานขนาดเล็กลงแทนที่ R4 กระแสไฟขาออกสูงสุดคาดว่าจะอยู่ที่ประมาณ 3 A

ส่วนรายการ




คู่ของ: วงจรมิเตอร์จุ่มแบบกริด ถัดไป: วิธีสร้างเซลล์แสงอาทิตย์จากทรานซิสเตอร์