يشرح المنشور كيفية إنشاء دارة تحويل عالية الطاقة من DC إلى DC والتي ستصعد 12 فولت تيار مستمر إلى أي مستوى أعلى يصل إلى 30 فولت كحد أقصى ، وبمعدل تيار 3 أمبير. يمكن تحسين هذا الناتج الحالي المرتفع عن طريق التحديث المناسب لمواصفات مقياس سلك الحث.
ميزة أخرى رائعة لهذا المحول هي أن الإخراج يمكن أن يتنوع خطيًا من خلال مقياس الجهد ، من الحد الأدنى للنطاق الممكن إلى النطاق الأقصى.
الاستنتاج
محولات DC -DC مخصصة لـ تصعيد جهد بطارية السيارة غالبًا ما يتم تكوينه حول نوع وضع التبديل من مصدر الطاقة (SMPSU) أو جهاز هزاز متعدد الطاقة ، يقود محولًا.
محول الطاقة الموضح في هذه المقالة يستخدم الجهاز TL 497A دائرة متكاملة من شركة Texas Instruments . يسهل هذا IC الخاص تنظيم الجهد الممتاز مع الحد الأدنى من ضوضاء الإخراج ليتم إنجازه بشكل مريح للغاية ، وبالمثل يضمن أداء تحويل عالي.
كيف تعمل الدائرة
المحول المفصل هنا يستخدم ملف طوبولوجيا flyback . يبدو أن نظرية flyback هي الطريقة الأكثر ملاءمة ووظيفية للحصول على جهد خرج فوري ناشئ من جهد دخل مباشر أقل.
عنصر التحويل الرئيسي في المحول هو في الواقع ترانزستور SIPMOS للطاقة T1 (انظر الشكل 1). خلال فترة التوصيل ، يزيد التيار المار عبر L1 أضعافًا مضاعفة بمرور الوقت.
أثناء وقت التشغيل لدورة التبديل ، يخزن المحث الطاقة المغناطيسية المستحثة.
بمجرد إيقاف تشغيل الترانزستور ، يقوم الحث بإعادة الطاقة المغناطيسية المخزنة ، وتحويلها إلى تيار كهربائي عبر الحمل المتصل عبر D1.
أثناء هذا الإجراء ، من الضروري التأكد من استمرار إيقاف تشغيل الترانزستور لفترة بينما يتحلل المجال المغناطيسي على المحرِّض إلى الصفر.
في حالة عدم تنفيذ هذا الشرط ، يرتفع التيار عبر المحرِّض إلى مستوى التشبع. يؤدي تأثير الانهيار الجليدي في وقت لاحق إلى زيادة التيار بسرعة كبيرة.
لا ينبغي السماح لعامل التحكم النسبي في الترانزستور بالوصول إلى مستوى الوحدة. يعتمد عامل العمل الأقصى المسموح به ، على جوانب أخرى مختلفة ، حول جهد الخرج.
هذا لأنه يقرر معدل الانحلال لشدة المجال المغناطيسي. يتم تحديد أعلى قدرة خرج يمكن تحقيقها من المحول من خلال أعلى تيار مسموح به يتم معالجته بواسطة المحرِّض ، وتردد تبديل إشارة القيادة.
العناصر المقيدة هنا هي في المقام الأول لحظة التشبع وأقصى درجات ممكنة للمحث لخسائر النحاس ، بالإضافة إلى تيار الذروة عبر ترانزستور التبديل (لا تنس أن ارتفاع مستوى الطاقة الكهربائية المحدد يأتي إلى الإخراج أثناء كل تبديل نبض).
استخدام IC TL497A لـ PWM
إن عمل IC هذا غير تقليدي تمامًا ، ويمكن فهمه من شرح قصير أدناه. على عكس تنفيذ التردد الثابت التقليدي ، وحدات تحكم SMPSU ذات عامل التشغيل المتغير ، تم اعتماد TL497A كجهاز تردد قابل للتعديل في الوقت المحدد.
لذلك يتم التحكم في عامل التشغيل من خلال ضبط التردد لضمان جهد خرج ثابت.
يجلب هذا النهج إلى الواقع دائرة مباشرة إلى حد ما ، ومع ذلك يوفر الجانب السلبي لتردد التبديل الذي يصل إلى نطاق أقل يمكن سماعه للأذن البشرية للأحمال التي تعمل بتيار منخفض.
في الواقع ، يقل تردد التبديل عن 1 هرتز بمجرد إزالة الحمل من المحول. النقرات البطيئة المسموعة بسبب نبضات الشحن المتصلة بمكثفات الخرج لعقد جهد خرج ثابت.
عندما لا يكون هناك حمل متصل ، فإن المكثفات الناتجة تميل إلى التفريغ تدريجياً من خلال المقاوم استشعار الجهد.
المذبذب الداخلي في الوقت المحدد لـ IC TL497A ثابت ، ويتم تحديده بواسطة C1. يمكن إلغاء تنشيط المذبذب بثلاث طرق:
- أولاً ، عندما يزيد الجهد على السن 1 عن الجهد المرجعي (1.2 فولت)
- ثانيًا ، عندما يتجاوز تيار المحرِّض أعلى قيمة محددة
- والثالث ، عن طريق المدخلات المانع (على الرغم من عدم استخدامها في هذه الدائرة).
أثناء عملية العمل القياسية ، يسمح المذبذب الداخلي بتبديل T1 بطريقة تزيد من تيار المحرِّض خطيًا.
عندما يتم إيقاف تشغيل T1 ، يتم إرجاع الطاقة المغناطيسية المتراكمة داخل المحرِّض عبر المكثف الذي يتم شحنه من خلال طاقة emf الخلفية هذه.
يرتفع جهد الخرج ، جنبًا إلى جنب مع جهد الدبوس 1 الخاص بـ IC TL497A ، بشكل طفيف ، مما يؤدي إلى إلغاء تنشيط المذبذب. يستمر هذا حتى ينخفض جهد الخرج إلى مستوى أقل بشكل ملحوظ يتم تنفيذ هذه التقنية بطريقة دورية ، فيما يتعلق بالافتراض النظري.
ومع ذلك ، في الترتيب الذي يستخدم المكونات الفعلية ، فإن الزيادة في الجهد الناتج عن شحن المكثفات في فترة مذبذب واحدة صغيرة جدًا في الواقع بحيث يظل المذبذب نشطًا حتى يصل تيار المحرِّض إلى أعلى قيمة ، على النحو الذي تحدده المكونات R2 و R3 (عادةً ما يكون انخفاض الجهد حول R1 و R3 0.7 فولت في هذه المرحلة).
الزيادة الحكيمة في التيار كما هو مبين في الشكل 2 ب هي بسبب عامل تشغيل إشارة المذبذب الذي يكون أعلى من 0.5.
بمجرد الوصول إلى التيار الأمثل الذي تم تحقيقه ، يتم إلغاء تنشيط المذبذب ، مما يسمح للمحث بنقل طاقته عبر المكثفات.
في هذه الحالة بالذات ، يرتفع جهد الخرج إلى مقدار مرتفع فقط لضمان إيقاف تشغيل المذبذب عن طريق دبوس IC 1. ينخفض جهد الخرج الآن بسرعة ، بحيث تكون دورة الشحن الجديدة قادرة على البدء والتكرار الإجراء.
ومع ذلك ، للأسف ، سيتم دمج إجراءات التبديل التي تمت مناقشتها أعلاه مع خسائر كبيرة نسبيًا.
في تطبيق الحياة الواقعية ، يمكن معالجة هذه المشكلة عن طريق ضبط الوقت المناسب (عبر C1) عاليًا بما يكفي للتأكد من أن التيار عبر المحرِّض لا يمتد أبدًا إلى أعلى مستوى في فاصل مذبذب واحد (انظر الشكل 3).
قد يكون العلاج في مثل هذه الحالات هو دمج محث الهواء المحفور ، والذي يتميز بحد أدنى معقول من الحث الذاتي.
خصائص الموجي
توضح مخططات التوقيت في الشكل 3 أشكال موجة الإشارة على العوامل الرئيسية من الدائرة. يعمل المذبذب الرئيسي داخل TL497A بتردد منخفض (أقل من I هرتز عندما لا يكون هناك حمل عند خرج محول te).
يعتمد الوقت اللحظي أثناء التشغيل ، المشار إليه كنبضة مستطيلة الشكل في الشكل 3 أ ، على قيمة المكثف C1. يتم تحديد وقت الإغلاق بواسطة تيار الحمل. أثناء التبديل في الوقت المحدد ، يقوم الترانزستور T1 بالتحول إلى وضع التشغيل مما يتسبب في زيادة تيار المحرِّض (الشكل 3 ب).
أثناء فترة إيقاف التشغيل التي تلي النبضة الحالية ، يعمل المحث مثل المصدر الحالي.
يقوم TL497A بتحليل جهد الخرج الموهن عند الطرف 1 بجهد مرجعي داخلي يبلغ 1.2 فولت. في حالة انخفاض الجهد المقدر عن الجهد المرجعي ، يكون T1 متحيزًا بدرجة أكبر بحيث يخزن المحرِّض الطاقة بشكل كافٍ.
تؤدي دورات الشحن والتفريغ المتكررة إلى مستوى معين من تموج الجهد عبر مكثفات الخرج (الشكل 3 ج). يسمح خيار التغذية الراجعة بضبط تردد المذبذب لضمان أفضل تعويض ممكن لعجز الجهد الناتج عن تيار الحمل.
يكشف مخطط نبض التوقيت في الشكل ثلاثي الأبعاد عن حركة كبيرة لجهد التصريف بسبب عامل Q (الجودة) المرتفع نسبيًا للمحث.
على الرغم من أن تذبذبات التموج الضالة لا تؤثر عادةً على الأداء المنتظم لمحول طاقة DC إلى DC ، إلا أنه يمكن قمعها باستخدام مقاوم مواز 1 k عبر المحث.
اعتبارات عملية
عادة ، يتم تطوير دائرة SMPS لتحقيق أقصى تيار خرج بدلاً من تيار الخرج الهادئ.
أصبحت الكفاءة العالية جنبًا إلى جنب مع جهد الخرج الثابت جنبًا إلى جنب مع الحد الأدنى من التموج أهداف التصميم الرئيسية. بشكل عام ، لا توفر ميزات تنظيم الحمل في SMPS القائم على flyback أي سبب للقلق.
خلال كل دورة تبديل ، يتم تعديل نسبة التشغيل / الإيقاف أو دورة التشغيل بالنسبة إلى تيار الحمل ، بحيث يظل جهد الخرج ثابتًا نسبيًا على الرغم من التقلبات الكبيرة في تيار الحمل.
يبدو السيناريو مختلفًا قليلاً من حيث الكفاءة العامة. عادةً ما ينتج المحول التصاعدي المستند إلى طوبولوجيا flyback ارتفاعات تيار كبيرة إلى حد ما ، والتي قد تؤدي إلى فقد كبير للطاقة (لا تنس أن الطاقة تزداد بشكل كبير مع زيادة التيار).
ومع ذلك ، في عملية الحياة الواقعية ، توفر دائرة المحول DC إلى DC عالية الطاقة الموصى بها كفاءة إجمالية أفضل من 70٪ مع تيار خرج مثالي ، وهذا يبدو مثيرًا للإعجاب فيما يتعلق بساطة التصميم.
هذا ، وبالتالي ، يتطلب الحصول على الطاقة في التشبع ، مما يؤدي إلى تمديد وقت إيقاف التشغيل بشكل معقول. بطبيعة الحال ، كلما زاد الوقت الذي يحتاجه الترانزستور لقطع تيار المحرِّض ، كلما قلت الكفاءة الشاملة للتصميم.
بطريقة غير تقليدية تمامًا ، يتم تبديل MOSFET BUZ10 من خلال دبوس 11 من خرج اختبار المذبذب ، بدلاً من ترانزستور الإخراج الداخلي.
يعتبر الصمام الثنائي D1 مكونًا مهمًا آخر داخل الدائرة. تعتبر ضرورات هذه الوحدة إمكانية تحمل ارتفاعات التيار العالية ، والانخفاض البطيء للأمام. يفي النوع B5V79 بجميع هذه المتطلبات ، ولا ينبغي استبداله ببعض المتغيرات الأخرى.
بالعودة إلى الرسم التخطيطي الرئيسي للدائرة في الشكل 1 ، يجب أن نلاحظ بعناية أن الارتفاعات الحالية البالغة 15-20 أ ليست بشكل عام غير طبيعية في الدائرة. لتجنب حدوث مشكلات مع البطاريات التي تتمتع بمقاومة داخلية أعلى نسبيًا ، يتم إدخال المكثف C4 مثل المخزن المؤقت عند إدخال المحول.
بالنظر إلى أن المكثفات الناتجة يتم شحنها بواسطة المحول من خلال نبضات سريعة مثل النبضات الحالية ، يتم توصيل اثنين من المكثفات بشكل متوازٍ للتأكد من أن سعة التشغيل في الاتجاه تبقى عند أدنى حد ممكن.
في الواقع ، لا يتميز محول الطاقة DC إلى DC بحماية ماس كهربائى. سيكون تقصير أطراف الخرج تمامًا مثل ماس كهربائى للبطارية من خلال D1 و L1. قد لا يكون الحث الذاتي لـ L1 مرتفعًا بما يكفي لتقييد التيار للفترة اللازمة لتمكين انفجار الصمامات.
التفاصيل الإنشائية للمحث
يتم إنشاء L1 عن طريق لف 33 ونصف لفة من الأسلاك النحاسية المطلية بالمينا. الشكل 5 يعرض النسب. توفر غالبية الشركات سلكًا نحاسيًا مطليًا بالمينا على لفة ABS ، والتي تعمل عادةً مثل السابق لبناء المحث.
قم بحفر فتحتين بحجم 2 مم في الحافة السفلية لتنزلق أسلاك المحرِّض. سيكون أحد الثقوب بالقرب من الأسطوانة بينما سيكون الآخر على المحيط الخارجي للأول.
قد لا يكون من المفيد التفكير في الأسلاك السميكة لإنشاء مغو ، بسبب ظاهرة تأثير الجلد ، التي تسبب تحول حاملات الشحنة على طول السطح الخارجي للسلك أو جلد السلك. يجب تقييم ذلك فيما يتعلق بحجم الترددات المستخدمة في المحول.
لضمان الحد الأدنى من المقاومة ضمن المحاثة الضرورية ، يُنصح بالعمل مع سلكين بقطر 1 مم ، أو حتى 3 أو 4 أسلاك بقطر 0.8 مم.
سيسمح لنا حوالي ثلاثة أسلاك بطول 0.8 دقيقة بالحصول على بُعد إجمالي قد يكون متطابقًا تقريبًا مع سلكين 1 مم ، مع توفير مساحة سطح أعلى بنسبة 20٪.
يكون المحث ملفوفًا بإحكام ويمكن إغلاقه باستخدام راتنج مناسب أو مركب قائم على الإيبوكسي للتحكم في أو قمع تسرب الضوضاء المسموعة (تذكر أن تواتر التشغيل ضمن النطاق المسموع).
البناء والمحاذاة
فيما يلي عرض للوحة الدوائر المطبوعة أو تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور المخصص لدائرة محول التيار المستمر ذات الطاقة العالية المقترحة.
العديد من العوامل الإنشائية تحتاج إلى بعض الاعتبارات. قد تتحول المقاومات R2 و R3 إلى درجة حرارة عالية جدًا ولذلك يجب تثبيتها على ارتفاع بضعة مم فوق سطح ثنائي الفينيل متعدد الكلور.
يمكن أن يصل أقصى تيار يتحرك بواسطة هذه المقاومات إلى 15 أ.
ستصبح Power-FET ساخنة أيضًا بشكل كبير ، وستتطلب غرفة تبريد ذات حجم معقول ومجموعة عازلة الميكا القياسية.
قد يعمل الصمام الثنائي بدون تبريد ، على الرغم من أنه قد يتم تثبيته بشكل مثالي على غرفة التبريد الشائعة المستخدمة في الطاقة FET (تذكر أن تقوم بعزل الأجهزة كهربائيًا). أثناء العمل المعتاد ، قد يُظهر المحرِّض قدرًا معقولاً من التسخين.
يجب دمج الموصلات والكابلات شديدة التحمل في مدخلات ومخرجات هذا المحول. البطارية محمية بفتيل عمل متأخر 16 أمبير يتم إدخاله داخل خط إمداد الإدخال.
احذر من حقيقة أن المصهر لن يوفر أي شكل من أشكال الحماية للمحول أثناء الدوائر القصيرة للإخراج! الدائرة سهلة الإعداد ، ويمكن إجراؤها بالطريقة التالية:
اضبط R1 لتحقيق جهد الخرج المقصود والذي يتراوح بين 20 و 30 فولت. يمكن تقليل جهد الخرج إلى أقل من هذا ، على الرغم من أنه يجب ألا يكون أقل من جهد الدخل.
يمكن القيام بذلك عن طريق إدخال مقاوم أصغر بدلاً من R4. يمكن توقع أن يكون أعلى تيار خرج حوالي 3 أ.
قائمة الاجزاء
زوج من: حلبة مقياس تراجع الشبكة التالي: كيفية صنع خلية شمسية من الترانزستور
