Projetando um conversor boost de alta potência e eficiência usando tl494

Ao trabalhar com eletrônica, muitas vezes nos encontramos em situações em que se torna necessário aumentar a tensão de saída enquanto a tensão de entrada permanece baixa. Este é um tipo de situação em que podemos contar com um circuito comumente conhecido como conversor de reforço conversor elevador). Um conversor boost é um conversor de comutação do tipo DC-DC que aumenta a tensão enquanto mantém um equilíbrio de energia constante. A principal característica de um conversor boost é a eficiência, o que significa que podemos esperar uma longa duração da bateria e problemas de aquecimento reduzidos. Anteriormente, fizemos um circuito conversor de impulso simples e explicamos sua eficiência de design básico.

Portanto, neste artigo, vamos projetar um conversor Boost TL494 e calcular e testar um circuito conversor boost de alta eficiência baseado no popular IC TL494, que tem uma tensão de alimentação mínima de 7 V e um máximo de 40 V, e como estamos usando o IRFP250 MOSFET como uma chave, este circuito pode lidar com uma corrente máxima de 19Amps, teoricamente (limitada pela capacidade do indutor). Finalmente, haverá um vídeo detalhado mostrando a parte de funcionamento e teste do circuito, então, sem mais delongas, vamos começar.

Compreendendo o princípio de funcionamento do conversor de reforço

A figura acima mostra o esquema básico do circuito do conversor boost. Para analisar o princípio de funcionamento deste circuito, vamos dividi-lo em duas partes, a primeira condição explica o que acontece quando o MOSFET está ligado, a segunda condição explica o que acontece quando o MOSFET está desligado.

O que acontece quando o MOSFET está LIGADO:

A imagem acima mostra a condição do circuito quando o MOSFET está ligado. Como você pode reconhecer, mostramos a condição LIGADO com a ajuda de uma linha tracejada, conforme o MOSFET permanece ligado, o indutor começa a carregar, a corrente através do indutor continua aumentando, que fica armazenada na forma de um campo magnético.

O que acontece quando o MOSFET está desligado:

Agora, como você deve saber, a corrente através de um indutor não pode mudar instantaneamente! Isso ocorre porque ele é armazenado na forma de um campo magnético. Portanto, no momento em que o MOSFET é desligado, o campo magnético começa a entrar em colapso e a corrente flui na direção oposta à da corrente de carga. Como você pode ver no diagrama acima, isso começa a carregar o capacitor.

Agora, ao ligar e desligar continuamente o interruptor (MOSFET), criamos uma tensão de saída que é maior do que a tensão de entrada. Agora, podemos controlar a tensão de saída controlando o tempo ligado e desligado da chave, e é isso que estamos fazendo no circuito principal.

Entenda o funcionamento do TL494

Agora, antes de construirmos o circuito baseado no controlador PWM TL494, vamos aprender como o controlador PWM TL494 funciona. O IC TL494 tem 8 blocos funcionais, que são mostrados e descritos abaixo.

Regulador de referência de 5-V:

A saída do regulador de referência interna de 5 V é o pino REF, que é o pino 14 do IC. O regulador de referência existe para fornecer um suprimento estável para circuitos internos, como flip-flop direcionador de pulso, oscilador, comparador de controle de tempo morto e comparador PWM. O regulador também é usado para acionar os amplificadores de erro que são responsáveis por controlar a saída.

Nota: A referência é programada internamente para uma precisão inicial de ± 5% e mantém a estabilidade em uma faixa de tensão de entrada de 7 V a 40 V. Para tensões de entrada menores que 7 V, o regulador satura dentro de 1 V da entrada e rastreia.

Oscilador:

O oscilador gera e fornece uma onda dente de serra para o controlador de tempo morto e os comparadores PWM para vários sinais de controle.

A frequência do oscilador pode ser definido por selecção de componentes de temporização R T e C T.

A frequência do oscilador pode ser calculada pela fórmula abaixo-

Fosc = 1 / (RT * CT)

Para simplificar, fiz uma planilha com a qual você pode calcular a frequência com muita facilidade. Que você pode encontrar no link abaixo.

Nota: A frequência do oscilador é igual à frequência de saída apenas para aplicações de terminação única. Para aplicações push-pull, a frequência de saída é metade da frequência do oscilador.

Comparador de controle de tempo morto:

O tempo morto ou simplesmente dizer controle de tempo desligado fornece o tempo morto mínimo ou tempo desligado. A saída do comparador de tempo morto bloqueia a comutação de transistores quando a tensão na entrada é maior que a tensão de rampa do oscilador. Aplicar uma tensão ao pino DTC pode impor um tempo morto adicional, proporcionando assim um tempo morto adicional de seu mínimo de 3% a 100%, pois a tensão de entrada varia de 0 a 3V. Em termos simples, podemos alterar o ciclo de trabalho da onda de saída sem ajustar os amplificadores de erro.

Nota: Um deslocamento interno de 110 mV garante um tempo morto mínimo de 3% com a entrada de controle de tempo morto aterrada.

Amplificadores de erro:

Ambos os amplificadores de erro de alto ganho recebem sua polarização do barramento de alimentação VI. Isso permite uma faixa de tensão de entrada de modo comum de –0,3 V a 2 V menor que VI. Ambos os amplificadores se comportam caracteristicamente como um amplificador de fonte única de terminação única, em que cada saída é ativa apenas alta.

Entrada de controle de saída:

A entrada de controle de saída determina se os transistores de saída operam em paralelo ou no modo push-pull. Ao conectar o pino de controle de saída, que é o pino 13, ao aterramento, os transistores de saída estão no modo de operação paralelo. Mas, ao conectar este pino ao pino 5V-REF, define os transistores de saída no modo push-pull.

Transistores de saída:

O IC tem dois transistores de saída interna que estão em configurações de coletor aberto e emissor aberto, pelos quais ele pode fornecer ou drenar uma corrente máxima de até 200mA.

Nota: Os transistores têm uma tensão de saturação de menos de 1,3 V na configuração de emissor comum e menos de 2,5 V na configuração de emissor-seguidor.

Componentes necessários para construir o circuito conversor de reforço baseado em TL494

Uma tabela contendo todas as peças mostradas abaixo. Antes disso, adicionamos uma imagem que mostra todos os componentes usados neste circuito. Como este circuito é simples, você pode encontrar todas as peças necessárias em sua loja local de hobbies.

Lista de peças:

TL494 IC - 1
IRFP250 MOSFET - 1
Terminal de parafuso 5X2 mm - 2
Capacitor 1000uF, 35V - 1
Capacitor 1000uF, 63V - 1
50K, 1% Resistor - 1
Resistor 560R - 1
10K, 1% Resistor - 4
3,3K, 1% Resistor - 1
Resistor 330R - 1
Capacitor 0,1uF - 1
Diodo Schottky MBR20100CT - 1
Indutor 150uH (27 x 11 x 14) mm - 1
Potenciômetro (10K) Trim Pot - 1
Resistor de detecção de corrente 0,22R - 2
Placa Clad Genérica 50x 50mm - 1
Dissipador de calor PSU Genérico - 1
Jumper Wires Genérico - 15

Conversor de reforço baseado em TL494 - Diagrama esquemático

O diagrama do circuito para o conversor de reforço de alta eficiência é fornecido abaixo.

Circuito do conversor de reforço TL494 - Funcionando

Este circuito conversor de reforço TL494 é feito de componentes facilmente obtidos e, nesta seção, examinaremos cada bloco principal do circuito e explicaremos cada bloco.

Capacitor de entrada:

O capacitor de entrada está lá para atender a alta demanda de corrente necessária quando a chave MOSFET é fechada e o indutor começa a carregar.

O feedback e o loop de controle:

Os resistores R2 e R8 definem a tensão de controle para o loop de feedback, a tensão definida é conectada ao pino 2 do IC TL494 e a tensão de feedback é conectada ao pino um do IC rotulado como VOLTAGE_FEEDBACK . Os resistores R10 e R15 definem o limite de corrente no circuito.

Os resistores R7 e R1 formam o circuito de controle, com a ajuda deste feedback, o sinal PWM de saída muda linearmente, sem esses resistores de feedback, o comparador agirá como um circuito comparador genérico que só liga / desliga o circuito em uma tensão definida.

Seleção de frequência de comutação:

Ao definir os valores adequados para os pinos 5 e 6, podemos definir a frequência de chaveamento deste IC, para este projeto, usamos um valor de capacitor de 1nF e um valor de resistor de 10K que nos dá aproximadamente uma frequência de 100KHz, usando a fórmula Fosc = 1 / (RT * CT) , podemos calcular a frequência do oscilador. Além disso, cobrimos outras seções em detalhes anteriormente neste artigo.

Projeto de PCB para o circuito conversor de reforço baseado em TL494

O PCB para o nosso circuito de controle de ângulo de fase é projetado em uma placa de um lado. Usei o Eagle para projetar meu PCB, mas você pode usar qualquer software de design de sua escolha. A imagem 2D do design da minha placa é mostrada abaixo.

Como você pode ver na parte inferior da placa, usei um plano de aterramento grosso para garantir que uma corrente suficiente possa fluir por ele. A entrada de energia está no lado esquerdo da placa e a saída está no lado direito da placa. O arquivo de design completo, juntamente com os esquemas do conversor TL494 Boost, pode ser baixado do link abaixo.

Baixe o arquivo GERBER do PCB Design para o Boost Converter Circuit com base em TL494

PCB feito à mão:

Por conveniência, fiz minha versão artesanal do PCB e é mostrado abaixo. Eu cometi alguns erros ao fazer este PCB, então tive que usar alguns fios de jumper para consertar isso.

Minha placa fica assim após a conclusão da construção.

Cálculo e construção do projeto do conversor de reforço TL494

Para a demonstração deste conversor de reforço de alta corrente, o circuito é construído em PCB feito à mão, com a ajuda dos arquivos esquemáticos e de projeto de PCB; Observe que se você estiver conectando uma grande carga à saída deste circuito conversor de reforço, uma grande quantidade de corrente fluirá através dos traços de PCB e há uma chance de que os traços queimem. Portanto, para evitar que os traços de PCB queimem, aumentamos a espessura do traço tanto quanto possível. Além disso, reforçamos os traços de PCB com uma espessa camada de solda para diminuir a resistência do traço.

Para calcular corretamente os valores do indutor e do capacitor, usei um documento da Texas Instruments.

Depois disso, fiz uma planilha do google para facilitar o cálculo.

Testando este circuito conversor de reforço de alta tensão

Para testar o circuito, a seguinte configuração é usada. Como você pode ver, usamos a fonte de alimentação PC ATX como entrada, portanto a entrada é de 12V. Anexamos um voltímetro e um amperímetro à saída do circuito que mostra a tensão de saída e a corrente de saída. A partir do qual podemos calcular facilmente a potência de saída para este circuito. Finalmente, usamos oito resistores de potência 4.7R 10W em série como uma carga para testar o consumo de corrente.

Ferramentas usadas para testar o circuito:

Fonte de alimentação 12V PC ATX
Um transformador que tem uma torneira 6-0-6 e uma torneira 12-0-12
Oito resistores 10W 4.7R em série - atuando como a carga
Meco 108B + multímetro TRMS
Multímetro Meco 450B + TRMS
Uma chave de fenda

Consumo de potência de saída do circuito do conversor de reforço de alta potência:

Como você pode ver na imagem acima, a voltagem de saída é 44,53 V e a corrente de saída é 2,839 A, então a potência total de saída se torna 126,42 W, então como você pode ver, este circuito pode lidar facilmente com uma potência superior a 100Watts.

Outras melhorias

Este circuito conversor de reforço TL494 é apenas para fins de demonstração, portanto, não há circuito de proteção adicionado na seção de entrada ou saída do circuito. Então, para melhorar o recurso de proteção, você também pode adicionar, também como estou usando o MOSFET IRFP250, a potência de saída pode ser aumentada ainda mais, o fator limitante em nosso circuito é o indutor. Um núcleo maior para o indutor aumentará sua capacidade de saída.

Espero que tenha gostado deste artigo e aprendido algo novo com ele. Se você tiver alguma dúvida, pode perguntar nos comentários abaixo ou pode usar nossos fóruns para uma discussão detalhada.