Circuito conversor de buck de alta eficiência e alta potência usando tl494

Um conversor buck (conversor abaixador) é um conversor de chaveamento CC para CC que reduz a tensão enquanto mantém um equilíbrio de energia constante. A principal característica de um conversor Buck é a eficiência, o que significa que com um conversor Buck a bordo, podemos esperar uma vida útil prolongada da bateria, aquecimento reduzido, tamanho menor e maior eficiência. Anteriormente, fizemos alguns circuitos conversores Buck simples e explicamos seus fundamentos e eficiência de projeto.

Então, neste artigo, vamos projetar, calcular e testar um circuito conversor de buck de alta eficiência baseado no popular IC TL494 e, por fim, haverá um vídeo detalhado mostrando a parte de funcionamento e teste do circuito, portanto, sem mais adiante, vamos começar.

Como funciona um conversor Buck?

A figura acima mostra um circuito conversor de Buck muito básico. Para saber como funciona um conversor de buck, vou dividir o circuito em duas condições. A primeira condição quando o transistor está LIGADO, a próxima condição quando o transistor está DESLIGADO.

Transistor ligado

Neste cenário, podemos ver que o diodo está em condição de circuito aberto porque está no estado de polarização reversa. Nessa situação, alguma corrente inicial começará a fluir pela carga, mas a corrente é restrita pelo indutor, portanto, o indutor também começa a carregar gradualmente. Portanto, durante o tempo de ativação do circuito, o capacitor acumula a carga ciclo a ciclo, e essa tensão se reflete na carga.

Estado do transistor desligado

Quando o transistor está em um estado desligado, a energia armazenada no indutor L1 entra em colapso e flui de volta através do diodo D1 como mostrado no circuito com as setas. Nesta situação, a tensão através do indutor está na polaridade reversa e, portanto, o diodo está na condição de polarização direta. Agora, devido ao colapso do campo magnético do indutor, a corrente continua a fluir através da carga até que o indutor fique sem carga. Tudo isso acontece enquanto o transistor está desligado.

Após um certo período em que o indutor está quase sem energia armazenada, a tensão da carga começa a cair novamente, nesta situação, o capacitor C1 passa a ser a principal fonte de corrente, o capacitor está ali para manter a corrente fluindo até o início do próximo ciclo novamente.

Agora, variando a frequência de chaveamento e o tempo de chaveamento, podemos obter qualquer saída de 0 a Vin de um conversor Buck.

IC TL494

Agora, antes de construir um conversor buck TL494, vamos aprender como funciona o controlador PWM TL494.

O IC TL494 tem 8 blocos funcionais, que são mostrados e descritos abaixo.

1. 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.

2. 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.

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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

Características do TL494 IC

Circuito de controle de energia PWM completo
Saídas não comprometidas para dissipação ou corrente de fonte de 200 mA
Controle de saída seleciona operação de extremidade única ou push-pull
Circuito interno proíbe pulso duplo em qualquer saída
O tempo morto variável fornece controle sobre a faixa total
Regulador interno fornece um 5-V estável
Fonte de referência com 5% de tolerância
A arquitetura do circuito permite fácil sincronização

Nota! A maior parte do esquema interno e da descrição das operações foi retirada da folha de dados e modificada até certo ponto para melhor compreensão.

Componentes necessários

TL494 IC - 1
Transistor TIP2955 - 1
Terminal de parafuso 5mmx2 - 2
Capacitor 1000uF, 60V - 1
Capacitor 470uF, 60V - 1
50K, 1% Resistor - 1
Resistor 560R - 1
10K, 1% Resistor - 4
3,3K, 1% Resistor - 2
Resistor 330R - 1
Capacitor 0,22uF - 1
5,6K, Resistor 1W - 1
12,1 V Diodo Zener - 1
Diodo Schottky MBR20100CT - 1
Indutor 70uH (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

Diagrama esquemático

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

Construção de Circuito

Para esta demonstração deste conversor buck 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 ao conversor de buck de saída, uma grande quantidade de corrente fluirá pelos traços de PCB, e há uma chance de que os traços queimem. Portanto, para evitar que os traços de PCB queimem, incluí alguns jumpers que ajudam a aumentar o fluxo de corrente. Além disso, reforcei os traços de PCB com uma espessa camada de solda para diminuir a resistência dos traços.

O indutor é construído com 3 cordões de fio de cobre esmaltado paralelo de 0,45 mm².

Cálculos

Para calcular corretamente os valores do indutor e do capacitor, usei um documento de instrumentos do Texas.

Depois disso, criei uma planilha do google para facilitar o cálculo

Testando este conversor abaixador de alta tensão

Para testar o circuito, a seguinte configuração é usada. Conforme mostrado na imagem acima, a tensão de entrada é 41,17 V e a corrente sem carga é 0,015 A, o que faz com que a energia sem carga seja inferior a 0,6W.

Antes que qualquer um de vocês pule e diga o que uma tigela do resistor está fazendo na minha mesa de testes.

Deixe-me dizer a você, os resistores ficam muito, muito quentes durante o tempo de teste do circuito com condição de carga total, então preparei uma tigela de água para evitar que minha mesa de trabalho queime

Ferramentas usadas para testar o circuito

Bateria de chumbo-ácido 12V.
Um transformador que tem uma torneira 6-0-6 e uma torneira 12-0-12
5 10W 10r Resistência em paralelo como uma carga
Meco 108B + multímetro TRMS
Multímetro Meco 450B + TRMS
Osciloscópio Hantek 6022BE

Potência de entrada para conversor de alta potência Buck

Como você pode ver na imagem acima, a tensão de entrada cai para 27,45 V na condição de carga e a corrente de entrada é 3,022 A, que é igual a uma potência de entrada de 82,9539 W.

Potência de saída

Como você pode ver na imagem acima, a tensão de saída é de 12,78 V e o consumo de corrente de saída de 5,614 A, que é equivalente a um consumo de energia de 71,6958 W.

Assim, a eficiência do circuito torna-se (71,6958 / 82,9539) x 100% = 86,42%

A perda no circuito é devido aos resistores para alimentar o IC TL494 e

Consumo de corrente máximo absoluto na minha mesa de teste

Na imagem acima, pode-se ver que o consumo máximo de corrente do circuito é 6,96 A, é quase

Nessa situação, o principal gargalo do sistema é meu transformador, por isso não posso aumentar a corrente de carga, mas com este projeto e com um bom dissipador de calor você pode facilmente extrair mais de 10A de corrente deste circuito.

Nota! Qualquer um de vocês se perguntando por que coloquei um dissipador de calor enorme no circuito, deixe-me dizer a vocês no momento que não tenho nenhum dissipador de calor menor em meu estoque.

Outras melhorias

Este circuito conversor de buck TL494 é apenas para fins de demonstração, portanto, nenhum circuito de proteção é adicionado na seção de saída do circuito

Um circuito de proteção de saída deve ser adicionado para proteger o circuito de carga.
O indutor precisa ser mergulhado em verniz, caso contrário, ele irá gerar um ruído audível.
Um PCB de boa qualidade com um design adequado é obrigatório
O transistor de comutação pode ser modificado para aumentar a corrente de carga

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.