Circuito convertidor buck de alta eficiencia y alta potencia usando tl494

Un convertidor reductor (convertidor reductor) es un convertidor de conmutación de CC a CC que reduce el voltaje mientras mantiene un equilibrio de potencia constante. La característica principal de un convertidor reductor es la eficiencia, lo que significa que con un convertidor reductor a bordo, podemos esperar una mayor duración de la batería, menos calor, un tamaño más pequeño y una mayor eficiencia. Anteriormente hicimos algunos circuitos convertidores Buck simples y explicamos sus conceptos básicos y la eficiencia del diseño.

Entonces, en este artículo, vamos a diseñar, calcular y probar un circuito convertidor buck de alta eficiencia basado en el popular TL494 IC y, por último, habrá un video detallado que muestra la parte de trabajo y prueba del circuito, así que sin más preámbulos, comencemos.

¿Cómo funciona un convertidor Buck?

La figura anterior muestra un circuito convertidor reductor muy básico. Para saber cómo funciona un convertidor reductor, voy a dividir el circuito en dos condiciones. La primera condición cuando el transistor está ENCENDIDO, la siguiente condición cuando el transistor está APAGADO.

Transistor en estado

En este escenario, podemos ver que el diodo está en condición de circuito abierto porque está en el estado de polarización inversa. En esta situación, algo de corriente inicial comenzará a fluir a través de la carga, pero el inductor restringe la corriente, por lo que el inductor también comienza a cargarse gradualmente. Por lo tanto, durante el tiempo de encendido del circuito, el capacitor acumula la carga ciclo por ciclo y este voltaje se refleja a través de la carga.

Estado de transistor desactivado

Cuando el transistor está en un estado apagado, la energía almacenada en el inductor L1 colapsa y fluye de regreso a través del diodo D1 como se muestra en el circuito con las flechas. En esta situación, el voltaje a través del inductor está en polaridad inversa y, por lo tanto, el diodo está en condición de polarización directa. Ahora, debido al colapso del campo magnético del inductor, la corriente continúa fluyendo a través de la carga hasta que el inductor se agota. Todo esto sucede mientras el transistor está apagado.

Después de un cierto período cuando el inductor está casi sin energía almacenada, el voltaje de carga comienza a caer nuevamente, en esta situación, el capacitor C1 se convierte en la principal fuente de corriente, el capacitor está ahí para mantener el flujo de corriente hasta que comience el siguiente ciclo. otra vez.

Ahora, al variar la frecuencia de conmutación y el tiempo de conmutación, podemos obtener cualquier salida de 0 a Vin de un convertidor reductor.

IC TL494

Ahora, antes de construir un convertidor reductor TL494, aprendamos cómo funciona el controlador TL494 PWM.

El TL494 IC tiene 8 bloques funcionales, que se muestran y describen a continuación.

1. Regulador de referencia de 5 V

La salida del regulador de referencia interna de 5 V es el pin REF, que es el pin 14 del IC. El regulador de referencia está allí para proporcionar un suministro estable para los circuitos internos como el flip-flop de dirección de pulso, el oscilador, el comparador de control de tiempo muerto y el comparador PWM. El regulador también se utiliza para controlar los amplificadores de error que son responsables de controlar la salida.

¡Nota! La referencia se programa internamente con una precisión inicial de ± 5% y mantiene la estabilidad en un rango de voltaje de entrada de 7 V a 40 V. Para voltajes de entrada menores a 7 V, el regulador se satura dentro de 1 V de la entrada y lo rastrea.

2. Oscilador

El oscilador genera y proporciona una onda de diente de sierra al controlador de tiempo muerto y a los comparadores PWM para varias señales de control.

La frecuencia del oscilador se puede ajustar mediante la selección de componentes de temporización R T y C T.

La frecuencia del oscilador se puede calcular mediante la siguiente fórmula

Fosc = 1 / (RT * CT)

Para simplificar, he hecho una hoja de cálculo, mediante la cual se puede calcular la frecuencia muy fácilmente.

¡Nota! La frecuencia del oscilador es igual a la frecuencia de salida solo para aplicaciones de un solo extremo. Para aplicaciones push-pull, la frecuencia de salida es la mitad de la frecuencia del oscilador.

3. Comparador de control de tiempo muerto

El tiempo muerto o, simplemente, el control de tiempo de inactividad proporciona el tiempo muerto mínimo o el tiempo de inactividad. La salida del comparador de tiempo muerto bloquea los transistores de conmutación cuando el voltaje en la entrada es mayor que el voltaje de rampa del oscilador. Aplicar un voltaje al pin DTC puede imponer un tiempo muerto adicional, proporcionando así un tiempo muerto adicional desde su mínimo de 3% a 100% ya que el voltaje de entrada varía de 0 a 3V. En términos simples, podemos cambiar el ciclo de trabajo de la onda de salida sin ajustar los amplificadores de error.

¡Nota! Una compensación interna de 110 mV asegura un tiempo muerto mínimo del 3% con la entrada de control de tiempo muerto conectada a tierra.

4. Amplificadores de error

Ambos amplificadores de error de alta ganancia reciben su polarización del riel de suministro VI. Esto permite un rango de voltaje de entrada de modo común de –0,3 V a 2 V menos que VI. Ambos amplificadores se comportan característicamente de un amplificador de fuente única de un solo extremo, en el sentido de que cada salida está activa solo alta.

5. Entrada de control de salida

La entrada de control de salida determina si los transistores de salida funcionan en modo paralelo o push-pull. Al conectar el pin de control de salida que es el pin-13 a tierra, los transistores de salida se configuran en modo de operación en paralelo. Pero al conectar este pin al pin 5V-REF configura los transistores de salida en modo push-pull.

6. Transistores de salida

El IC tiene dos transistores de salida internos que están en configuraciones de colector abierto y emisor abierto, mediante los cuales puede generar o absorber una corriente máxima de hasta 200 mA.

¡Nota! Los transistores tienen un voltaje de saturación de menos de 1,3 V en la configuración de emisor común y menos de 2,5 V en la configuración de emisor-seguidor.

Características de TL494 IC

• Circuito completo de control de potencia PWM
• Salidas no comprometidas para corriente de fuente o sumidero de 200 mA
• El control de salida selecciona la operación de un solo extremo o push-pull
• Los circuitos internos prohíben el doble pulso en cualquiera de las salidas
• El tiempo muerto variable proporciona control sobre el rango total
• El regulador interno proporciona un 5-V estable
• Suministro de referencia con 5% de tolerancia
• La arquitectura del circuito permite una sincronización sencilla

¡Nota! La mayor parte del esquema interno y la descripción de las operaciones se toman de la hoja de datos y se modifican hasta cierto punto para una mejor comprensión.

Componentes requeridos

1. TL494 IC - 1
2. Transistor TIP2955 - 1
3. Terminal de tornillo 5mmx2 - 2
4. Condensador de 1000uF, 60V - 1
5. Condensador 470uF, 60V - 1
6. 50K, 1% Resistencia - 1
7. Resistencia 560R - 1
8. Resistencia de 10K, 1% - 4
9. Resistencia de 3,3 K, 1% - 2
10. Resistencia 330R - 1
11. Condensador 0.22uF - 1
12. Resistencia de 5,6 K, 1 W - 1
13. Diodo Zener de 12,1 V - 1
14. Diodo Schottky MBR20100CT - 1
15. Inductor de 70uH (27 x 11 x 14) mm - 1
16. Potenciómetro (10K) Trim-Pot - 1
17. Resistencia de detección de corriente 0.22R - 2
18. Tablero revestido Genérico 50x 50mm - 1
19. Disipador de calor genérico de PSU - 1
20. Cables de puente genéricos - 15

Diagrama esquemático

El diagrama de circuito del convertidor reductor de alta eficiencia se muestra a continuación.

Construcción de circuitos

Para esta demostración de este convertidor reductor de alta corriente, el circuito se construye en PCB hecho a mano, con la ayuda de los archivos de diseño esquemático y PCB; tenga en cuenta que si está conectando una gran carga al convertidor reductor de salida, una gran cantidad de corriente fluirá a través de las trazas de la PCB y existe la posibilidad de que las trazas se quemen. Por lo tanto, para evitar que se quemen los rastros de PCB, he incluido algunos puentes que ayudan a aumentar el flujo de corriente. Además, he reforzado las trazas de PCB con una capa gruesa de soldadura para reducir la resistencia de las trazas.

El inductor está construido con 3 hebras de alambre de cobre esmaltado paralelo de 0,45 mm2.

Cálculos

Para calcular correctamente los valores del inductor y el condensador, he utilizado un documento de texas instruments.

Después de eso, hice una hoja de cálculo de Google para facilitar el cálculo.

Prueba de este convertidor reductor de alto voltaje

Para probar el circuito se utiliza la siguiente configuración. Como se muestra en la imagen de arriba, el voltaje de entrada es 41.17 V y la corriente sin carga es.015 A, lo que hace que el consumo de energía sin carga sea inferior a 0.6W.

Antes de que alguno de ustedes salte y diga qué está haciendo un tazón de resistencia en mi mesa de prueba.

Déjame decirte, las resistencias se calientan mucho durante el tiempo de prueba del circuito con condición de carga completa, así que he preparado un recipiente con agua para evitar que se queme mi mesa de trabajo.

Herramientas utilizadas para probar el circuito

1. Batería de plomo-ácido de 12V.
2. Un transformador que tiene un tap 6-0-6 y un tap 12-0-12
3. 5 10W 10r Resistencia en paralelo como carga
4. Multímetro Meco 108B + TRMS
5. Multímetro Meco 450B + TRMS
6. Osciloscopio Hantek 6022BE

Potencia de entrada para convertidor Buck de alta potencia

Como puede ver en la imagen de arriba, el voltaje de entrada cae a 27.45V en condición de carga y la corriente de entrada es 3.022 A que es igual a una potencia de entrada de 82.9539 W.

Potencia de salida

Como puede ver en la imagen de arriba, el voltaje de salida es de 12,78 V y el consumo de corriente de salida de 5,614 A, lo que equivale a un consumo de energía de 71,6958 W.

Entonces la eficiencia del circuito se convierte en (71.6958 / 82.9539) x 100% = 86.42%

La pérdida en el circuito se debe a las resistencias para alimentar el TL494 IC y

Consumo de corriente máximo absoluto en mi mesa de prueba

En la imagen de arriba, se puede ver que el consumo máximo de corriente del circuito es de 6,96 A, es casi

En esta situación, el principal cuello de botella del sistema es mi transformador, por eso no puedo aumentar la corriente de carga, pero con este diseño y con un buen disipador de calor, puede extraer fácilmente más de 10A de corriente de este circuito.

¡Nota! Cualquiera de ustedes que se pregunte por qué he conectado un disipador de calor masivo en el circuito, permítanme decirles por el momento que no tengo ningún disipador de calor más pequeño en mi reserva.

Más mejoras

Este circuito convertidor reductor TL494 es solo para fines de demostración, por lo que no se agrega ningún circuito de protección en la sección de salida del circuito

1. Se debe agregar un circuito de protección de salida para proteger el circuito de carga.
2. El inductor debe sumergirse en barniz, de lo contrario generará ruido audible.
3. Es obligatorio un PCB de buena calidad con un diseño adecuado
4. El transistor de conmutación se puede modificar para aumentar la corriente de carga

Espero que les haya gustado este artículo y hayan aprendido algo nuevo de él. Si tiene alguna duda, puede preguntar en los comentarios a continuación o puede utilizar nuestros foros para una discusión detallada.