Circuito Conversor DC para DC de Alta Potência – Variável de 12V a 30V

O post explica como criar um circuito conversor de alta tensão de CC para CC que aumentará 12V DC para qualquer nível mais alto, até um máximo de 30V e a uma taxa atual de 3 amperes. Essa saída de alta corrente pode ser melhorada atualizando adequadamente as especificações do medidor de cabo do indutor.

Outra grande característica deste conversor é que a saída pode variar linearmente através de um potenciômetro, da faixa mínima possível à faixa máxima.

Indução

Os conversores DC-DC destinados a aumentar a voltagem da bateria do carro geralmente são configurados em torno de um tipo de fonte de alimentação comutada (SMPSU) ou de um multivibrador de energia, que aciona um transformador.

O conversor de energia explicado neste artigo usa o dispositivo Texas Instruments TL 497A Circuito Integrado. Esse IC em particular facilita a excelente regulação de tensão com o mínimo de ruído de saída que pode ser alcançado de maneira bastante conveniente e também garante alto desempenho de conversão.

Como funciona o circuito

O conversor detalhado aqui usa uma topologia de retorno. A teoria do retorno parece ser a técnica mais adequada e funcional para obter uma tensão de saída imediata que se origina de uma tensão de entrada direta mais baixa.

O principal componente de comutação no conversor é na verdade um transistor SIPMOS de potência T1 (veja a Fig. 1). Durante seu período de condução, a corrente que passa por L1 aumenta exponencialmente com o tempo.

Durante o ciclo de comutação, o indutor armazena a energia magnética induzida.

3 Amp 12V a 30V Circuito Conversor Variável

Assim que o transistor é desligado, o indutor reverte a energia magnética armazenada, convertendo-a em corrente elétrica através da carga conectada por D1.

Durante esse procedimento, é crucial garantir que o transistor continue desligando durante o período, à medida que o campo magnético no indutor decai para zero.

Caso essa condição não seja implementada, a corrente através do indutor aumenta para o nível de saturação. Um efeito de avalanche subsequentemente resulta na maximização da corrente rapidamente.

O tempo de ativação relativo do controle do transistor, ou o fator de trabalho, não deve atingir o nível da unidade. O fator de trabalho máximo permitido depende, em vários outros aspectos, da tensão de saída.

Isso ocorre porque você decide a taxa de decomposição da intensidade do campo magnético. A potência de saída mais alta que pode ser alcançada a partir do conversor é determinada pelo pico de corrente mais alto permitido processado pelo indutor e pela frequência de comutação do sinal de condução.

Os elementos limitadores aqui são principalmente o tempo de saturação e as classificações máximas toleráveis ​​do indutor para perdas de cobre, bem como a corrente máxima através do transistor de comutação (não esqueça que um pico de um nível específico de energia elétrica atinge a saída durante cada comutador). legumes).

Usando IC TL497A para PWM

A operação deste CI não é tradicional, o que pode ser entendido a partir de uma breve explicação abaixo. Diferentemente da implementação convencional de frequência fixa, IC de driver SMPSU com fator de serviço variável, o TL497A é certificado como um dispositivo de frequência ajustável em tempo fixo.

Portanto, o fator de trabalho é controlado pelo ajuste de frequência para garantir uma tensão de saída constante.

Essa abordagem traz à realidade um circuito bastante simples, no entanto, fornece a desvantagem de que a frequência de comutação atinja uma faixa mais baixa que pode ser audível ao ouvido humano para cargas operando a uma corrente mais baixa.

Na verdade, a frequência de comutação cai abaixo de 1 Hz depois que a carga do inversor é removida. Cliques lentos são audíveis devido aos pulsos de carga conectados aos capacitores de saída para manter uma tensão de saída fixa.

Quando nenhuma carga está conectada, os capacitores de saída tendem a descarregar gradualmente através do resistor sensor de tensão.

O tempo de ativação do oscilador interno do IC TL497A é constante e é decidido por C1. O oscilador pode ser desativado de três maneiras:

  • Primeiro, quando a tensão no pino 1 aumenta além da tensão de referência (1,2 V);
  • 2º, quando a corrente do indutor exceder um valor específico mais alto;
  • E terceiro, através da entrada de inibição (embora não seja usada neste circuito).

Enquanto no processo de trabalho padrão, o oscilador interno permite a comutação T1 de forma que a corrente do indutor aumente linearmente.

Quando T1 é desligado, a energia magnética acumulada dentro do indutor é retornada através do capacitor, que é carregado através dessa energia de retorno fem.

A tensão de saída, juntamente com a tensão do pino 1 do IC TL497A, aumenta um pouco, fazendo com que o oscilador se desligue. Isso continua até que a tensão de saída caia para um nível significativamente mais baixo. Essa técnica é executada ciclicamente, com relação ao pressuposto teórico.

No entanto, em um arranjo usando componentes reais, o aumento na tensão induzida pela carga do capacitor em um único intervalo do oscilador é realmente tão pequeno que o oscilador permanece ligado até que a corrente do indutor atinja o valor mais alto, conforme determinado pelos componentes R2 e R3 (a queda de tensão em torno de R1 e R3 é geralmente 0,7 V neste momento).

O aumento gradual da corrente, conforme indicado na figura 2b, é devido ao fator de trabalho do sinal do oscilador que é maior que 0,5.

Assim que a corrente ideal alcançada é atingida, o oscilador desliga, permitindo que o indutor transfira sua energia através dos capacitores.

Nesta situação específica, a tensão de saída é aumentada para uma magnitude simplesmente alta para garantir que o oscilador seja desligado pelo pino 1 do IC. A tensão de saída agora cai rapidamente, então um novo ciclo de carga pode começar e o procedimento pode ser repetido.

Infelizmente, no entanto, os procedimentos de comutação discutidos acima combinarão com perdas comparativamente grandes.

Em uma implementação da vida real, esse problema pode ser solucionado definindo o tempo de funcionamento (em C1) alto o suficiente para garantir que a corrente através do indutor nunca se espalhe para o nível mais alto em um único intervalo do oscilador. (veja a figura 3).

O remédio nesses casos pode ser a incorporação de um indutor de núcleo de ar, que possui uma auto-indutância razoavelmente mínima.

Características da forma de onda

Os gráficos de temporização na Fig. 3 mostram formas de onda de sinal nos principais fatores do circuito. O oscilador principal dentro do TL497A opera a uma frequência reduzida (abaixo de 1 Hz quando não há carga na saída do inversor).

O tempo instantâneo durante a ignição, indicado como pulso retangular na figura 3a, depende do valor do capacitor C1. O tempo de desconexão é estabelecido pela corrente de carregamento. Durante a comutação de tempo, o transistor T1 liga e aumenta a corrente do indutor (Fig. 3b).

imagens de forma de onda

Durante o período de desligamento após o pulso atual, o indutor funciona como uma fonte de corrente.

O TL497A analisa a tensão de saída atenuada no pino 1 com sua tensão de referência interna de 1,2 V. No caso de a tensão avaliada ser menor que a tensão de referência, T1 é mais polarizado para que o indutor armazene adequadamente a energia .

Esses ciclos repetidos de carga e descarga ativam um certo nível de tensão de ondulação nos capacitores de saída (Fig. 3c). A opção de feedback permite que a frequência do oscilador seja ajustada para garantir a melhor compensação possível pelos déficits de tensão causados ​​pela corrente de carga.

O diagrama de pulso de tempo na Figura 3d revela um movimento substancial da tensão de dreno devido ao fator Q (qualidade) relativamente alto do indutor.

Embora as oscilações parasitas de ondulação geralmente não afetem a operação regular desse conversor de energia CC para CC, elas podem ser suprimidas usando um resistor paralelo de 1k no indutor.

Considerações práticas

Normalmente, um circuito SMPS é desenvolvido para atingir a corrente de saída máxima em vez da corrente de saída inativa.

Alta eficiência, juntamente com tensão de saída constante e ondulação mínima, tornam-se os principais objetivos do projeto. No geral, as características de regulação de carga de um SMPS baseado em flyback dificilmente causam preocupação.

Ao longo de cada ciclo de comutação, a relação liga / desliga ou o ciclo de serviço é ajustado em relação à corrente de carga, de modo que a tensão de saída permanece relativamente estável, apesar das flutuações substanciais na corrente de carga. carga.

O cenário parece um pouco diferente em termos de eficiência geral. Um conversor de reforço baseado na topologia de retorno geralmente produz picos de corrente bastante substanciais, que podem causar perda de energia significativa (não se esqueça que a potência aumenta exponencialmente à medida que a corrente aumenta).

No entanto, na operação da vida real, o circuito conversor de CC para CC de alta potência recomendado fornece melhor eficiência geral de 70% com corrente de saída ideal e isso parece bastante impressionante com relação à simplicidade Projeto.

Consequentemente, é necessário alimentar a saturação, levando a um tempo de desligamento razoavelmente longo. Naturalmente, quanto mais tempo o transistor demora para cortar a corrente do indutor, menor a eficiência geral do projeto.

De uma maneira não convencional, o MOSFET BUZ10 é comutado pelo pino 11 da saída de teste do oscilador, em vez do transistor de saída interno.

O diodo D1 é outro componente crucial dentro do circuito. As necessidades desta unidade são um potencial para suportar altos picos de corrente e uma queda lenta para a frente. O tipo B5V79 atende a todos esses requisitos e não deve ser substituído por nenhuma outra variante.

Voltando ao diagrama do circuito principal na Fig. 1, deve-se notar que as alturas de corrente de 15-20 A geralmente não são anormais no circuito. Para evitar problemas de desenvolvimento com baterias com uma resistência interna comparativamente mais alta, o capacitor C4 é introduzido como um amortecedor na entrada do conversor.

Considerando que os capacitores de saída são carregados pelo conversor por pulsos rápidos, como picos de corrente, um par de capacitores é conectado em paralelo para garantir que a capacitância operacional seja mantida o mais baixa possível.

O conversor de energia CC para CC, na verdade, não possui proteção contra curto-circuito. O curto-circuito dos terminais de saída será exatamente igual ao curto-circuito da bateria entre D1 e L1. A auto-indutância de L1 pode não ser alta o suficiente para restringir a corrente pelo período necessário para o fusível queimar.

Detalhes da construção do indutor

L1 é criado enrolando 33 voltas e meia de fio de cobre esmaltado. A Figura 5 mostra as proporções. A maioria das empresas fornece fio de cobre esmaltado sobre uma bobina de ABS, que geralmente funciona como a primeira a construir o indutor.

fazendo indutor cconverter 3 amp

Faça alguns furos de 2 mm na borda inferior para deslizar os cabos do indutor. Um dos orifícios estará próximo ao cilindro, enquanto o outro na circunferência externa do primeiro.

Pode não ser útil considerar um cabo grosso para construir o indutor, devido ao fenômeno do efeito de pele, que causa o deslocamento dos suportes de carga ao longo da superfície externa do cabo ou da pele do cabo. Isso deve ser avaliado com relação à magnitude das frequências usadas no conversor.

Para garantir uma resistência mínima dentro da indutância necessária, recomenda-se trabalhar com um par de fios de 1 mm de diâmetro ou mesmo 3 ou 4 fios com um diâmetro de 0,8 mm no cluster.

Aproximadamente três cabos de 0,8 min nos permitem obter uma dimensão total que pode ser aproximadamente idêntica à de dois cabos de 1 mm, mas fornece uma área de superfície efetiva 20% maior.

O indutor é enrolado com força e pode ser selado usando uma resina ou composto à base de epóxi apropriado para controlar ou suprimir o vazamento de ruído audível (lembre-se de que a frequência de operação está dentro da faixa audível).

Construção e alinhamento

Abaixo está o layout da placa de circuito impresso ou da placa de circuito impresso destinada ao circuito conversor DC / DC de alta potência proposto.

Projeto de conversor de PCB

Vários fatores de construção devem ter algumas considerações. Os resistores R2 e R3 podem ficar muito quentes e, portanto, devem ser instalados alguns mm acima da superfície da placa de circuito impresso.

A corrente máxima que se move através desses resistores pode chegar a 15 A.

O power-FET também aquecerá consideravelmente e exigirá um dissipador de calor de tamanho razoável e um kit de isolamento de mica padrão.

O diodo provavelmente funcionará sem resfriamento, embora, idealmente, seja grampeado em um dissipador de calor comum usado para o FET de energia (lembre-se de isolar eletricamente os dispositivos). Enquanto estiver em operação normal, o indutor pode mostrar uma boa quantidade de aquecimento.

Conectores e cabos para serviços pesados ​​devem ser incorporados à entrada e saída deste conversor. A bateria está protegida com um fusível de ação retardada de 16A inserido na linha de alimentação de entrada.

Esteja ciente do fato de que o fusível não fornecerá nenhuma forma de proteção ao inversor durante curtos-circuitos de saída! O circuito é bastante fácil de configurar e pode ser feito da seguinte maneira:

Ajuste R1 para atingir a tensão de saída esperada que pode variar de 20 a 30 V. A tensão de saída pode cair abaixo disso, embora não deva ser menor que a tensão de entrada.

Isso pode ser feito inserindo um resistor menor em vez de R4. Pode-se esperar que a corrente de saída mais alta seja aproximadamente 3 A.

Lista de peças



FONTE

Nota: Este foi traduzido do Inglês para português (auto)

Pode conter erros de tradução

Olá, se tiver algum erro de tradução (AUTO), falta de link para download etc…

Veja na FONTE até ser revisado o post.

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