O post explica como fazer um circuito de conversor de boost de alta corrente que vai intensificar um DC de 12 V para qualquer nível mais alto até 30 V máximo, e a uma impressionante taxa atual de 3 amp. Esta alta saída de corrente pode ser melhorada melhorando adequadamente as especificações do medidor de fio do indutor.
Outra grande característica deste conversor é que a saída pode ser variada linearmente através de um potencialiômetro, desde a faixa mínima possível até a faixa máxima.
Indudução
Os conversores DC -DC destinados a intensificar a tensão da bateria do carro são frequentemente configurados em torno de um tipo de alimentação do modo comutado (SMPSU) ou um multivibrador de energia, dirigindo um transformador.
O conversor de energia de 12V a 30 V explicado neste artigo emprega o dispositivo TL 497A circuito integrado da Texas Instruments. Este IC em particular facilita a excelente regulação de tensão com ruído de saída mínimo para ser realizado de forma bastante conveniente, e também garante alto desempenho de conversão.
Como funciona o circuito
O circuito conversor de alta corrente detalhado aqui usa uma topologia flyback. A teoria do flyback parece ser a técnica mais adequada e funcional de obter uma tensão de saída imediata originária de uma tensão de entrada direta mais baixa.
O componente principal de comutação neste circuito de conversor boost é na verdade um transistor SIPMOS de potência T1 (ver Fig. 1). Durante seu período de condução, a corrente que passa pelo L1 aumenta exponencialmente com o tempo.
Durante o tempo on do ciclo de comutação, o indutor armazena a energia magnética induzida.
Assim que o transistor é desligado, o indutor reverte a energia magnética armazenada, convertendo-a em uma corrente elétrica através da carga conectada via D1.
Durante este procedimento, é crucial garantir que o transistor continue a ser desligado durante o período enquanto o campo magnético no indutor decai a zero.
Caso essa condição não seja implementada, a corrente via indutor sobe até o nível de saturação. Um efeito de avalanche resulta posteriormente na corrente para maximizar muito rapidamente.
O gatilho relativo do gatilho de controle transistor ON, ou fator de serviço, portanto, não deve ser permitido chegar ao nível de unidade. O fator de dever máximo permitido depende, em vários outros aspectos, em torno da tensão de saída.
Isso porque ele decide a taxa de decomposição da força do campo magnético. A maior potência de saída que poderia ser obtida a partir do conversor é determinada pela maior corrente de pico permitida processada pelo indutor, e pela frequência de comutação do sinal de condução.
Os elementos restritivos aqui são principalmente o instante de saturação e as classificações máximas toleráveis do indutor para as perdas de cobre, bem como a corrente de pico através do transistor de comutação (não se esqueça que um pico de um nível específico de energia elétrica vem para a saída durante cada pulso de comutação).
Usando IC TL497A para o PWM
O funcionamento deste IC é bastante não tradicional, o que poderia ser entendido a partir de uma breve explicação abaixo. Ao contrário da implementação convencional de frequência fixa, os ICs do controlador SMPSU do fator de dever variável, o TL497A é certificado como um dispositivo de frequência fixo em tempo e ajustável.
Portanto, o fator de serviço é controlado através de ajuste de frequência para garantir uma tensão de saída consistente.
Essa abordagem traz à realidade um circuito bastante simples, no entanto, fornece a desvantagem da frequência de comutação atingindo uma faixa mais baixa que pode ser audível para o ouvido humano para cargas que trabalham com corrente mais baixa.
Na realidade, a frequência de comutação fica abaixo de 1 Hz uma vez que a carga é removida do conversor. Os cliques lentos são audíveis devido aos pulsos de carga conectados aos capacitores de saída para segurar uma tensão de saída fixa.
Quando não há carga ligada, os capacitores de saída tendem a obter, obviamente, gradualmente descarregado através do resistor de sensoriamento de tensão.
O oscilador interno no tempo do IC TL497A é constante, e decidido pelo C1. O oscilador pode ser desativado em três métodos:
- 1º, quando a tensão no pino 1 aumenta além da tensão de referência (1,2 V);
- 2º, quando a corrente do indutor ultrapassa um valor mais alto específico;
- E 3º, por meio da entrada inibidora (embora não utilizada neste circuito).
Enquanto em processo de trabalho padrão, o oscilador interno permite a comutação de T1 de tal forma que a corrente do indutor aumente linearmente.
Quando o T1 é desligado, a energia magnética acumulada dentro do indutor é chutada de volta através do capacitor que são carregados através desta energia emf traseira.
A tensão de saída, juntamente com a tensão do pino 1 do IC TL497A, sobe ligeiramente, o que faz com que o oscilador seja desativado. Isso continua até que a tensão de saída tenha caído para algum nível significativamente mais baixo Esta técnica é executada de forma cíclica, no que diz respeito à suposição teórica.
No entanto, em um arranjo utilizando componentes reais, o aumento da tensão induzido com o carregamento dos capacitores em um único intervalo oscilador é realmente tão pequeno que o oscilador permanece ativado até que a corrente do indutor atinja o maior valor, conforme determinado pelos componentes R2 e R3 (a queda da tensão em torno de R1 e R3 geralmente é de 0,7 V neste ponto).
O aumento da corrente como indicado na Fig. 2b é devido ao fator de direito de sinal oscilador que passa a ser superior a 0,5.
Assim que a corrente ideal alcançada é atingida, o oscilador é desativado, permitindo que o indutor transfira sua energia através dos capacitores.
Nesta situação em particular, a tensão de saída sobe para uma magnitude que é apenas alta para garantir que o oscilador seja desligado por meio do pino IC 1. A tensão de saída agora cai rapidamente, de modo que um novo ciclo de carga seja capaz de iniciar e repetir o procedimento.
No entanto, infelizmente, os procedimentos de comutação discutidos acima serão combinados com perdas relativamente grandes.
Em uma implementação da vida real, essa questão pode ser corrigida configurando o tempo (via C1) alto o suficiente para garantir que a corrente através do indutor nunca se estenda ao nível mais alto em um único intervalo oscilador (ver Fig. 3).
O remédio nesses casos pode ser a incorporação de um indutor de cored ar, que apresenta uma auto-indutor razoavelmente mínima.
Charaterística de forma de onda
Os gráficos de tempo em Fig. 3 demonstram formas de onda de sinal sobre os principais fatores do circuito de conversor boost. O oscilador principal dentro do TL497A funciona com uma frequência reduzida (abaixo de I Hz quando não há carga na saída do conversor te).
O tempo instantâneo durante o desligamento, indicado como o pulso retangular em Fig. 3a, depende do valor do capacitor C1. O tempo de desligamento é estabelecido pela corrente de carga. Durante a comutação no tempo, o transistor T1 liga on fazendo com que a corrente do indutor aumente (Fig. 3b).
Durante o período de desligamento do tempo após o pulso atual, o indutor funciona como uma fonte atual.
O TL497A analisa a tensão de saída atenuada no pino 1 com sua tensão de referência interna de 1,2 V. Caso a tensão avaliada seja menor que a tensão de referência, o T1 é tendencioso para que o indutor armazena adequadamente a energia.
Este ciclo repetido de carga e descarga desencadeia um certo nível de tensão de ondulação entre os capacitores de saída (Fig. 3c). A opção de feedback permite o ajuste da frequência oscilante para garantir a melhor compensação possível dos déficits de tensão causados pela corrente de carga.
O diagrama de pulso de cronometragem em Fig.3d revela movimento substancial da tensão de drenagem devido ao fator Q relativamente alto (qualidade) do indutor.
Mesmo que as oscilações de ondulação perdida geralmente não impactem o funcionamento regular deste conversor de energia DC para DC, estas podem ser suprimidas usando um resistor paralelo de 1 k através do indutor.
Considerações Práticas
Normalmente, um circuito SMPS é desenvolvido para alcançar uma corrente de saída máxima em vez de corrente de saída quiescente.
A alta eficiência, juntamente com uma tensão de saída constante, juntamente com a ondulação mínima, tornam-se, adicionalmente, os principais objetivos de design. No geral, os recursos de regulação de carga de um SMPS baseado em flyback não fornecem quase nenhuma razão para preocupações.
Ao longo de cada ciclo de comutação, a relação liga/desliga ou o ciclo de serviço é ajustado em relação à corrente de carga, a fim de que a tensão de saída continue a ser relativamente estável, apesar das flutuações substanciais da corrente de carga.
O cenário parece ligeiramente diferente em termos de eficiência geral. Um conversor de intensificação baseado na topologia do flyback normalmente produz picos atuais bastante substanciais, o que pode desencadear perda significativa de energia (não se esqueça que a energia aumenta exponencialmente à medida que a corrente aumenta).
Na operação da vida real, no entanto, o circuito recomendado de conversor solar de alta potência proporciona uma eficiência global superior a 70% com a ótima corrente de saída, e isso parece bastante impressionante no que diz respeito à simplicidade do layout.
Isso, consequentemente, exige que ele seja alimentado em saturação, levando a um tempo de desligamento razoavelmente prolongado. Naturalmente, quanto mais tempo for necessário para o transistor cortar a corrente do indutor, menor será toda a eficiência redonda do design.
De uma forma pouco convencional, o MOSFET BUZ10 é alternado através do pino 11 da saída de teste oscilador, em vez do transistor de saída interna.
Diodo D1 é mais um componente crucial dentro do circuito. As necessidades desta unidade são um potencial para suportar picos de alta corrente, e queda lenta para a frente. O Tipo B5V79 preenche todos esses requisitos, e não deve ser substituído por alguma outra variante.
Voltando ao diagrama do circuito principal da Fig. 1, deve-se notar cuidadosamente que os altos atuais de 15-20 A geralmente não são anormais no circuito. Para evitar problemas de desenvolvimento com baterias com uma resistência interna relativamente maior, o capacitor C4 é introduzido como um tampão na entrada do conversor.
Considerando que os capacitores de saída são carregados pelo conversor através de pulsos rápidos, como picos atuais, alguns capacitores são ligados em paralelo para garantir que o capacito run-a-way permaneça o mínimo possível.
O conversor DC de alta potência na verdade não possui proteção contra curto-circuito. Curto-circuito nos terminais de saída será exatamente como curto-circuito da bateria através de D1 e L1. A autoindutância de L1 pode não ser alta o suficiente para restringir a corrente pelo período necessário para permitir que um fusível exploda.
Detalhes construtivos indutores
L1 é criado por 33 voltas e meia de fio de cobre esmaltado. A Figura 5 exibe as proporções. A maioria das empresas fornece fio de cobre esmaltado sobre um rolo ABS, que geralmente funciona como o primeiro para a construção do indutor.
Faça alguns furos de 2 mm na borda inferior para deslizar os fios do indutor. Um dos buracos será perto do cilindro, enquanto o outro na circunferência externa do primeiro.
Pode não ser útil considerar o fio grosso para construir o indutor, devido ao fenômeno do efeito da pele, que causa a mudança dos portadores de carga ao longo da superfície externa do fio ou da pele do fio. Isso deve ser avaliado em relação à magnitude das frequências empregadas no conversor.
Para garantir uma resistência mínima dentro da indutância necessária, é defendido trabalhar com um par de fios de 1 mm de diâmetro, ou mesmo 3 ou 4 fios com 0,8 mm de diâmetro no grupo.
Cerca de três fios de 0,8 min nos permitirão obter uma dimensão total que pode ser aproximadamente idêntica a dois fios de 1 mm, mas fornece a área efetiva de superfície 20% maior.
O indutor está fortemente ferido e pode ser selado usando um composto apropriado à base de resina ou epóxi para controlar ou suprimir o vazamento de ruído sonoro (lembre-se que a frequência de operação está dentro da faixa audível).
Construção e alinhamento
A placa de circuito impresso ou o design PCB destinado ao circuito de conversor de alta corrente proposto de 12 V a 30 V é apresentado abaixo.
Vários fatores de construção precisam ter algumas considerações. Os resistores R2 e R3 podem ficar bastante quentes e, portanto, devem ser instalados nas poucas mm elevadas acima da superfície do PCB.
A corrente máxima movendo-se por meio desses resistores pode chegar a 15 A.
O power-FET também se tornará substancialmente quente, e exigirá um dissipador de calor razoavelmente dimensionado e o kit de isolamento padrão de mica.
O diodo pode possivelmente funcionar sem esfriar, embora possa ser idealmente fixado sobre um dissipador de calor comum usado para a energia FET (lembre-se de isolar os dispositivos eletricamente). Enquanto no funcionamento habitual, o indutor pode mostrar uma boa quantidade de aquecimento.
Os conectores e cabos pesados devem ser incorporados na entrada e saída deste conversor. A bateria é guardada com um fusível de ação de 16 A introduzido dentro da linha de fornecimento de entrada.
Cuidado com o fato de que o fusível não fornecerá qualquer forma de proteção ao conversor durante curtos-circuitos de saída! O circuito é bastante fácil de configurar, e pode ser feito da seguinte maneira:
Ajuste R1 para alcançar a tensão de saída pretendida que varia entre 20 e 30 V. A tensão de saída pode ser reduzida abaixo disso, embora não deve ser inferior à tensão de entrada.
Isso pode ser feito inserindo um resistor menor no lugar do R4. Espera-se que a maior corrente de saída seja de aproximadamente 3 A.
Lista de peças
Usando o conversor de impulso IC SG3525
O popular IC SG3525 PWM IC poderia ser usado como aplicativo de circuito de conversor de boost DC de alta potência de 12 V a 30 V, como mostrado acima.
Todas as circulações relevantes para determinar os detalhes da bobina L1, o valor do resistor de feedback RF e os valores do capacitor de saída estão todos fornecidos no próprio diagrama.
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Nota: Este conteúdo foi traduzido do Inglês para português (auto)
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