MC34063 ile yüksek voltajlı doğru akım (HVDC) güç kaynağı Tasarımı
Ronie Adhiraaj Ghosh, Mumbai Homi Bhaba Ulusal Enstitüsü’nden M.Tech’tir. Hobileri arasında elektronik projeler, saat koleksiyonu, kamp ve yürüyüş yer alıyor.
14 Ekim 2019
Geiger sayaçları, böcek zappers, Nixie tüpleri ve sensörler gibi devreler yüksek voltajlı doğru akım (HVDC) kaynakları gerektirir. Gerilim katlayıcı veya dörtlü, geri dönüş dönüştürücü ve boost dönüştürücü dahil olmak üzere piyasada mevcut çeşitli HVDC güç kaynağı tasarımları vardır.
Bunlardan bazıları düşük akım çıkış kapasitesine sahiptir. Ancak temel takviye dönüşüm formüllerini kullanarak doğru hesaplamalarla, temiz ve yüksek akım kapasitesine sahip HVDC tedarikleri elde edebiliriz. Bileşen üreticileri tarafından sağlanan uygulama notları, bu temel formüllerden türetilen bileşenleriyle uyumlu birçok kullanışlı formül sağlar. Burada MC34063 DC-DC dönüştürücü kullanan bir destek dönüştürücü tasarımı sunulmaktadır. Yazarın prototipi Şekil 1’de gösterilmiştir.
1: Yazarın prototipi
Dönüştürücü ile ilgili temel bilgiler
Bir takviye dönüştürücüsünde (Şekil 2), transistörün (T1a) ‘açık’ (ton) olduğu süre boyunca indüktörde (L1a) enerji depolanır. Transistör kapatıldığında (toff), enerji Vin girişi ile seri olarak çıkış filtresi kondansatörüne (Cout) ve yüke (RL) aktarılır. Bu konfigürasyon, çıkış voltajının girişten daha büyük herhangi bir değere ayarlanmasını sağlar.
Şekil 2: Takviye şalteri regülatör devresi
Çıkış voltajı aşağıdaki gibi hesaplanabilir:
Vout = Vin (ton / toff) + Vin veya
Vout = Vin ((ton / toff) +1)
Devre ve çalışma
MC34063 DC-DC dönüştürücü kullanan takviye dönüştürücünün devre şeması Şekil 3’te gösterilmektedir.
MC34063, DC-DC dönüştürücülerin değiştirilmesi için gereken tüm aktif fonksiyonları içeren monolitik bir kontrol devresidir. Yüksek verimli ancak basit anahtarlama regülatörleri ile kullanım kolaylığındaki önemli ilerlemeleri temsil eder. Yeni ekipman tasarımlarının boyut ve güç verimliliği gereklilikleri nedeniyle anahtarlama regülatörünün kullanımı doğrusal regülatörlerden daha belirgin hale gelmektedir. Anahtarlama regülatörleri maliyeti düşürürken uygulama esnekliğini artırır.
3: HVDC güç kaynağı için devre şeması
MC34063, kova, güçlendirme ve voltaj-invertör dönüştürücü uygulamaları için tasarlanmıştır. Sıcaklık dengelemeli referans voltajı, osilatör, aktif tepe akım limiti, çıkış anahtarı ve çıkış voltajı algılama karşılaştırıcısını içerir. Tüm bu işlevler 8 pinli DIP veya SOIC paketinde bulunur.
Texas Instruments tarafından verilen veri sayfasına göre MC34063’ün iç diyagramı Şekil 4’te gösterilmiştir.
4: MC34063’ün blok şeması
Pimi 5 (karşılaştırıcı evirici girişi), Şekil 5’de gösterildiği gibi geri besleme direnci değerlerini hesaplamak için çıkış voltajını algılar ve sabit bir değere ayarlar.
5: Harici dirençler
Vout = 1.25 ((R2a / R1A) 1)
Dahili voltaj regülatörü dahili karşılaştırıcı için 1.25 volt üretir, bu nedenle R1a ve R2a içeren harici voltaj bölücü, istenen çıkış voltajına ulaşıldığında tam olarak 1.25 volt verecek şekilde düzenlenmelidir. Örneğin, yaklaşık 501 voltluk çıkış voltajına ihtiyacınız varsa, voltaj bölücü direnç değerleri sırasıyla R2a = 2,4 mega-ohm ve R1a = 6 kilo-ohm olmalıdır.
Blok şemasında gösterildiği gibi, karşılaştırıcı çıkışı SR mandalını tetikler ve devre dışı bırakır. Pim 3’teki zamanlama kondansatörü tarafından tahrik edilen osilatör, harici zamanlama kondansatörünü üst ve alt ön ayarlı eşikler arasında şarj eden ve deşarj eden bir akım kaynağı ve lavabo elemanlarından oluşur. Tipik olarak, şarj ve deşarj akımları sırasıyla 35mA ve 200mA’dır ve yaklaşık 6: 1 oranı verir. Bu nedenle, rampa süresi, rampa döneminden altı kat daha uzundur. Üst eşik 1,25V iç referans voltajına eşittir ve alt eşik yaklaşık 0,75 V’tur.
Osilatör, zamanlama kondansatör değeri tarafından kontrol edilen bir hızda sürekli olarak çalışır. Ayrıca, pim 7’ye bağlı küçük bir değer, daha yüksek wattlı algılama direnci boyunca indüktör akımı tarafından üretilen voltajı algılayarak pik akımı algılar. Bu devrede (Şekil 3), 1,5 ohm, 2W direnç R6 algılama direncidir. .
Blok şemasında gösterildiği gibi, çıkış anahtarı bir npn Darlington transistörüdür. Toplayıcı pim 1’e ve verici pim 2’ye bağlıdır. Bu, tasarımcının MC34063’ü kova, yükseltme veya inverter yapılandırmalarında kullanmasına izin verir. 1.5A’daki (tepe noktası) maksimum toplayıcı verici doygunluk voltajı 1.3V’dir ve çıkış anahtarının maksimum tepe akımı 1.5A’dır. Daha yüksek tepe çıkış akımı için harici bir transistör kullanılabilir. Salınım darbeleri, yükseltme / kova dönüşümü sağlamak veya daha yüksek güç derecesi elde etmek için daha yüksek dereceli bir harici güç transistörünü sürmek için kullanılabilen dahili transistörleri çalıştırır.
Bazı devre tasarımları, temel olarak hızlandırma ve voltaj değiştirme, 0.857’den daha fazla ton / (ton + toff) oranı gerektirir. Bu, germanyum diyot kullanan ve sıcaklığa duyarlı bir oran genişletme devresi eklenerek elde edilebilir. Negatif sıcaklık katsayısı zamanlama kapasitörü bu hassasiyeti azaltmaya yardımcı olacaktır. Şekil 3’te, uzatma devresi transistör T2 (BC557), germanyum diyot D2 (1N34A) ve zamanlama kapasitörü C3’ten oluşur. Burada, T2 IC’nin 3 numaralı piminden güç alan C3 kondansatörü için boşaltma ve şarj anahtarından başka bir şey kullanmıyor. Akım sınırlama, oran genişletici devresi kullanılarak tüm yükseltmeli ve voltaj değiştirici tasarımlarda kullanılmalıdır. Bu, anahtarlayıcının ilk açılışında aşırı akım döngüleri arasında indüktör süresinin sıfırlanmasını sağlar. Çıkış filtresi kondansatörü nominal gerilimine ulaştığında,
Ana devrede, her iki çıkış kondansatörünün şarj dengelemesi için R1 ve R2 dirençleri ile C1 ve C2 kapasitörlerinin birleşimi arasına bir tel bağlanır. Gerilim bölücüyü yalnızca MC34063’ün pim 5’ine bağlı olan R3 direnci oluşturur.
Yazılım
MC34063 tabanlı bir güç kaynağının hızlı prototiplenmesi için bileşen değerlerini daha hızlı bulmak için bir yardımcı program tasarladık. Yazılım programı HTML ve JavaScript kullanılarak yazılmıştır ve PHP kurulu bir sisteme dahil edilebilir. PHP geliştirme ortamında çalışır. HTML bir ön uç yazılım, PHP bir arka uç yazılımdır. JavaScript dosyası HTML biçimindeki boş alanları kontrol eder. PHP bir web sunucusuna dahil edilmiştir. Dolayısıyla, bir ağdaki, laboratuar veya kolej gibi birden fazla kullanıcı istemcisi bu yazılımı aynı anda kullanabilir. Program PHP için NetBeans IDE kullanılarak geliştirilmiştir.
Kaynak kodu indir
Yazılım yükleme.
- WampServer’ı (localhost geliştirme için) www. https://netbeans.org/features/php/ adresinden wampserver.com/en/ ve NetBeans IDE. Bunları Windows PC’nize yükleyin. IDE ve Apache sunucu ortamının düzgün çalışması için tüm önkoşul dll dosyalarını almak için WampServer yüklemeden önce uygun Visual C ++ uzantısını (burada VC ++ 2012) yükleyin.
- WampServer, çevrimiçi moddaki seçenekle arka planda çalışır. Görev çubuğundaki WampServer simgesinin yeşile döndüğünden emin olun.
- C: \ wamp \ www klasörü altında HighVoltage adlı bir klasör oluşturun. HVBoostCalculator.html, HVDesign.js ve HVcircuit.jpg resim dosyalarını proje klasörüne kopyalayın.
- NetBeans’de yeni bir PHP projesi oluşturun. ‘PHP Uygulaması’ seçeneğini seçin ve ‘İleri’yi tıklayın. Bir proje klasörü otomatik olarak oluşturulur. HighVoltage klasörünüzün bu proje klasörünün altında olduğunu unutmayın.
- ‘Yapılandırmayı Çalıştır’ penceresinde, Farklı Çalıştır: alanında ‘yerel sunucu’ seçeneğini seçin. Ardından, devam etmek için ‘Tamam’ı tıklayın.
HVBoostCalculator.html HTML komut dosyası ve ilişkilendirilmiş görüntü HVcircuit.jpg.
HVDesign.js Javascript scriptidir. Şekil 6’da gösterildiği gibi sayfayı almak için HVBoost Calculator.html dosyasını çalıştırın.
6: HVDC Güç Kaynağı için program çıktısının ekran görüntüsü
İlk olarak, kullandığınız kaynağa bağlı olarak 9-12V DC giriş ve voltaj toleransını beslemeniz gerekir; genel olarak voltaj toleransı yüzde 1’dir. Ardından, ilgili form alanlarında gerekli çıkış voltajını ve akımı belirtin. (Daha yüksek çıkış voltajları için lütfen daha yüksek voltaj ve akım özelliklerine sahip transistör T1 kullanın.)
Güç transistörü T1’in veri sayfasını kullanarak Vce doygunluk değerini bulun ve form alanına koyun. Ayrıca form alanındaki veri sayfası beslemesinden D1 diyotunun ileri voltaj düşüşünü alın. Bu parametreler, bileşen değerlerinin hesaplanması için çok önemlidir. İlgili alanlardaki tüm değerler doldurulduktan sonra, ‘Bileşen Değerlerini Bul’ düğmesini tıklayın. Form boş alanlar için doğrulanır ve bileşenler için hesaplama yapılır. R3, R6, L1, C1 ve C2’den R1 değerlerinin yanı sıra görev döngüsü, anahtarlama frekansı ve çıkış gücü gibi devre parametrelerini alacaksınız.
Program çıkış ekran görüntüsünde gösterildiği gibi, 12V giriş gerilimi DC, 500V DC çıkış, 2mA çıkış akımı ve 4.4nF zamanlama kondansatörü için devre tasarlayın. Program çıkışından çıkış kondansatörü değerlerini 8.20µF, algılama direnci R6’yı 1.59 ohm (en yakın değer 1.50 ohm) ve indüktör L1’i 6.8mH olarak alırsınız. Bu tasarımın tüm devre şeması Şekil 3’te gösterilmektedir.
İnşaat ve test
MC34063 kullanan HVDC güç kaynağının gerçek boyutlu PCB düzeni Şekil 7’de ve bileşen düzeni Şekil 8’de gösterilmiştir. Transistör T1 için uygun bir ısı emici kullanın. İndüktör L1 ve transistör T1’i ana devre bölümünden uzak tutun. Tercihen L1 için ekranlı tip bir indüktör kullanın.
7: HVDC güç kaynağının PCB yerleşimi8: PCB için bileşen yerleşimi
PCB ve bileşen yerleşimini indirin: buraya tıklayın
R6 2W, yanmaz direnç olmalıdır. Yazılım tarafından verilen en yakın değeri kullanın. Güç transistörü T1 için uygun bir ısı emici kullanın. EMI parazitini en aza indirmek için indüktör L1, transistör T1 ve MC34063’ü karttan birbirinden uzak tutun.
Tam R3 değeri için, dirençlerin paralel bir kombinasyonunu kullanın. Örneğin, 6 kilo-ohm almak için 56 kilo-ohm dirençle paralel olarak 6.8 kilo-ohm direnç kullanın. Termal kayma nedeniyle bir trimpot kullanmaktan kaçının. Anahtarlama problemlerini ve transistörün T1’i ısıtmasını önlemek için C3 kondansatörünü frekans 10kHz içinde olacak şekilde kullanın.
Dikkat
Elektrik çarpmasına neden olabileceğinden, yüksek voltajlı DC devresini çok dikkatli kullanın.