Kas yra PWM valdiklis, kaip jis išdėstytas ir veikia, tipai ir schemos

Anksčiau įtaisams maitinti buvo naudojama grandinė su žemyn nukreiptu (arba laipsniškai didėjančiu, ar kelių apvijų) transformatoriumi, diodiniu tiltu ir filtru, skirtu išlyginti virpesiams. Stabilizavimui buvo naudojamos tiesinės grandinės ant parametrinių arba integruotų stabilizatorių. Pagrindinis trūkumas buvo mažas efektyvumas, didelis galingų maitinimo šaltinių svoris ir matmenys.

Visi šiuolaikiniai buitiniai elektros prietaisai naudoja perjungimo maitinimo šaltinius (UPS, UPS - tas pats). Daugelyje šių maitinimo šaltinių kaip pagrindinis valdymo elementas naudojamas PWM valdiklis. Šiame straipsnyje apžvelgsime jo struktūrą ir paskirtį.

Apibrėžimas ir pagrindiniai pranašumai

PWM valdiklis yra įrenginys, kuriame yra daugybė grandinių sprendimų, skirtų valdyti maitinimo raktus. Šiuo atveju valdymas grindžiamas informacija, gauta per srovės ar įtampos grįžtamojo ryšio grandines - tai būtina išėjimo parametrams stabilizuoti.

Kartais PWM valdikliai vadinami PWM impulsų generatoriais, tačiau nėra jokio būdo prijungti grįžtamojo ryšio grandines, be to, jie labiau tinka įtampos reguliatoriams, o ne užtikrinti stabilų prietaisų energijos tiekimą. Tačiau literatūroje ir interneto portaluose dažnai galite rasti tokius vardus kaip „PWM valdiklis, ant NE555“ arba „... ant arduino“ - tai ne visiškai tiesa dėl aukščiau nurodytų priežasčių, jie gali būti naudojami tik išvesties parametrams valdyti, bet ne stabilizuoti.

Santrumpa „PWM“ reiškia impulsų pločio moduliavimas yra vienas iš signalo moduliavimo būdų ne dėl išvesties įtampos dydžio, o veikiau dėl impulsų pločio pasikeitimo. Dėl impulsų integravimo naudojant C- arba LC-grandines, kitaip tariant - dėl išlyginimo, susidaro imituojamas signalas.

Išvada: PWM valdiklis - prietaisas, valdantis PWM signalą.

Pagrindinės savybės

PWM signalui galima atskirti dvi pagrindines charakteristikas:

1. Impulsinis dažnis - nuo to priklauso keitiklio veikimo dažnis. Paprastai būdingi dažniai virš 20 kHz, iš tikrųjų 40–100 kHz.

2. Darbo ciklas ir darbo ciklas. Tai yra du gretimi kiekiai, apibūdinantys tą patį dalyką. Užpildymo koeficientas gali būti žymimas raide S, o darbo ciklas D.

S = 1 / T,

kur T yra signalo laikotarpis,

T = 1 / f

D = T / 1 = 1 / S

Svarbu:

Užpildymo koeficientas - laiko dalis nuo laikotarpio, kai valdiklio išvestyje generuojamas valdymo signalas, visada mažesnis nei 1. Darbo ciklas visada yra didesnis nei 1. 100 kHz dažniu signalo laikotarpis yra 10 μs, o klavišas atidarytas 2,5 μs, tada darbo ciklas yra 0,25, procentais - 25%, o darbo ciklas yra 4.

Taip pat svarbu atsižvelgti į vidinį valdomų raktų skaičiaus dizainą ir paskirtį.

Skirtumai nuo linijinių nuostolių schemų

Kaip jau minėta, pranašumas prieš linijines grandines skirtas maitinimo šaltiniams perjungti yra didelis efektyvumas (daugiau nei 80, o šiuo metu 90%). Taip yra dėl šių priežasčių:

Tarkime, kad išlyginta įtampa po diodo tiltelio yra 15 V, apkrovos srovė yra 1A. Turite gauti stabilizuotą 12 V maitinimo šaltinį. Tiesą sakant, tiesinis stabilizatorius yra pasipriešinimas, kuris keičia savo vertę priklausomai nuo įvesties įtampos dydžio, kad būtų gaunama nominalioji išėjimo įtampa - su mažais nuokrypiais (voltų dalimis) su įvesties įtampos pokyčiais (vienetai ir dešimtys voltų).

Rezistoriuose, kaip žinote, kai pro juos teka elektros srovė, išsiskiria šiluminė energija. Linijiniuose stabilizatoriuose vyksta tas pats procesas. Skirta galia bus lygi:

Praradimas = (Uin-Uout) * I

Kadangi nagrinėjamame pavyzdyje apkrovos srovė yra 1A, įėjimo įtampa yra 15V, o išėjimo įtampa yra 12V, tada mes apskaičiuojame linijinio stabilizatoriaus (Krenka arba L7812 tipo) nuostolius ir efektyvumą:

Nuostolis = (15V – 12V) * 1A = 3V * 1A = 3W

Tada efektyvumas yra:

n = P naudingas / P nuostolis

n = ((12 V * 1 A) / (15 V * 1 A)) * 100% = (12 V / 15 W) * 100% = 80%

Pavyzdžiui, jei įėjimo įtampa padidėja iki 20 V, efektyvumas sumažės:

n = 12/20 * 100 = 60%

Ir taip toliau.

Pagrindinis PWM bruožas yra tas, kad galios elementas, net jei jis yra MOSFET, yra arba visiškai atidarytas, arba visiškai uždarytas, ir per jį nepraeina jokia srovė. Todėl efektyvumas prarandamas tik dėl prarandamo laidumo

(P = I2 * Rdsonas)

Ir nuostolių perjungimas. Tai yra atskiro straipsnio tema, todėl mes nenagrinėsime šio klausimo. Taip pat patiriami energijos tiekimo nuostoliai į lygintuvo diodus (įvesties ir išvesties, jei maitinimas yra pagrindinis), taip pat ant laidininkų, pasyviųjų filtrų elementų ir dar daugiau.

Bendroji struktūra

Apsvarstykite bendrą abstraktaus PWM valdiklio struktūrą. Aš panaudojau žodį „abstraktus“, nes apskritai visi jie yra panašūs, tačiau jų funkcionalumas vis tiek gali skirtis tam tikrose ribose, atitinkamai skirsis struktūra ir išvados.

PWM valdiklio viduje, kaip ir bet kuriame kitame IC, yra puslaidininkinis lustas, ant kurio yra sudėtinga grandinė. Valdiklį sudaro šie funkciniai blokai:

1. Impulsų generatorius.

2. Etaloninės įtampos šaltinis. (JON)

3. Grįžtamojo ryšio signalo apdorojimo grandinės: klaidų stiprintuvas, komparatorius.

4. Impulsų generatorius valdo integruoti tranzistoriaiskirtas įjungimo klavišui ar klaviatūroms valdyti.

Maitinimo klavišų skaičius, kurį gali valdyti PWM valdiklis, priklauso nuo jo paskirties. Paprasčiausiose savo grandinės „flyback“ keitikliuose yra 1 maitinimo jungiklis, pusiau tilto grandinės („push-pull“) - 2 jungikliai, tiltas - 4.

Rakto tipas taip pat lemia PWM valdiklio pasirinkimą. Norint valdyti bipolinį tranzistorių, pagrindinis reikalavimas yra tas, kad PWM valdiklio valdymo srovė būtų ne mažesnė už tranzistoriaus srovę, padalytą iš H21e, kad ją būtų galima įjungti ir išjungti paprasčiausiai pritaikant impulsus prie pagrindo. Tokiu atveju tai padarys dauguma valdiklių.

Valdymo atveju izoliuoti langinių raktai (MOSFET, IGBT) yra tam tikri niuansai. Norėdami greitai išjungti, turite išnaudoti sklendės talpą. Norėdami tai padaryti, vartų išvesties grandinė yra pagaminta iš dviejų raktų - vienas iš jų yra prijungtas prie maitinimo šaltinio su IC išvestimi ir kontroliuoja vartus (įjungia tranzistorių), o antrasis yra sumontuotas tarp išvesties ir žemės, kai reikia išjungti maitinimo tranzistorių - pirmasis raktas užsidaro, antrasis atsidaro, uždaromas. langinę į žemę ir ją išmeta.

Įdomu:

Kai kuriuose PWM valdikliuose, skirtuose mažos galios (iki 50 W) maitinimo šaltiniams, maitinimo jungikliai nenaudojami iš vidaus ir išorės. Pavyzdys - 5l0830R

Paprastai tariant, PWM valdiklis gali būti vaizduojamas kaip lyginamasis įtaisas, kurio vienas įėjimas yra perduodamas iš grįžtamojo ryšio grandinės (OS) signalo, o antrasis įėjimas perduodamas pjūklo formos keičiamuoju signalu. Kai pjūklelio signalas pasiekia ir viršija OS signalą pagal dydį, palyginamojo išėjime atsiranda impulsas.

Kai signalai prie įėjimų keičiasi, impulsų plotis keičiasi. Tarkime, kad prie maitinimo šaltinio prijungėte galingą vartotoją, o įtampa nukrito jo išvestyje, tada OS įtampa taip pat kris. Tada didžiuoju periodu bus pastebimas pjūklo signalo perteklius per OS signalą, o impulsų plotis padidės. Visa tai, kas išdėstyta pirmiau, tam tikru mastu atsispindi grafikuose.

Generatoriaus veikimo dažnis nustatomas naudojant dažnio nustatymo RC grandinę.

Funkcinė PWM valdiklio schema, kaip pavyzdį naudojant TL494, mes ją išnagrinėsime vėliau išsamiau. Smeigtukų priskyrimas ir atskiri mazgai yra aprašyti kitoje subpozicijoje.

Smeigtuko priskyrimas

PWM valdikliai tiekiami įvairiose pakuotėse. Jie gali daryti išvadas nuo trijų iki 16 ar daugiau. Atitinkamai, valdiklio naudojimo lankstumas priklauso nuo išvadų skaičiaus arba veikiau nuo jų tikslo.Pavyzdžiui, populiariame luste UC3843 - dažniausiai 8 išvados, o dar ikoniškiau - TL494 - 16 ar 24.

Todėl atsižvelgiame į tipinius išvadų pavadinimus ir jų paskirtį:

• GND - bendroji išvada yra prijungta prie grandinės minuso ar žemės.

• Uc (Vc) - mikro grandinių galia.

• „Ucc“ („Vss“, „Vcc“) - Išėjimas galios valdymui. Jei maitinimas sumažėja, tikėtina, kad maitinimo mygtukai nevisiškai atsidarys, todėl jie pradės įkaisti ir išdegti. Išvada reikalinga norint išjungti valdiklį panašioje situacijoje.

• OUT - kaip rodo pavadinimas, tai yra valdiklio išėjimas. Čia rodomas maitinimo jungiklių PWM valdymo signalas. Mes jau minėjome, kad skirtingų topologijų keitikliai turi skirtingą raktų skaičių. Išvesties pavadinimas gali skirtis priklausomai nuo to. Pavyzdžiui, pusiau tilto grandinių valdikliuose jis gali būti atitinkamai vadinamas HO ir LO viršutiniam ir apatiniam klavišams. Tuo pačiu metu išėjimas gali būti vieno ciklo ir stumiamasis traukimas (vienu klavišu ir dviem) - lauko tranzistoriams valdyti (žr. Paaiškinimą aukščiau). Bet pats valdiklis gali būti skirtas vieno ciklo ir „push-pull“ grandinėms - atitinkamai su vienu ir dviem išvesties gnybtais. Tai svarbu.

• Vref - atskaitos įtampa, paprastai jungiama prie žemės per mažą kondensatorių (mikrofaradų vienetai).

• ILIM - signalas iš srovės jutiklio. Reikia apriboti išėjimo srovę. Prisijungiama prie grįžtamojo ryšio grandinių.

• ILIMREF - jis nustato ILIM kojos suveikimo įtampą

• SS - generuojamas signalas dėl minkšto valdiklio paleidimo. Skirta sklandžiam perėjimui į vardinį režimą. Kad būtų užtikrintas sklandus užvedimas, tarp jo ir bendrosios vielos yra sumontuotas kondensatorius.

• Rtct - išvados, susijusios su laikinosios RC grandinės prijungimu, kuris nustato PWM signalo dažnį.

• CLOCK - laikrodžio impulsai keliems PWM valdikliams sinchronizuoti tarpusavyje, tada RC grandinė jungiama tik prie pagrindinio valdiklio, o RT vergai su Vref, CT vergais - prie bendrojo.

• RAMP Ar yra palyginimo įvestis. Pjūklo įtampa jam taikoma, pavyzdžiui, iš Ct išėjimo. Kai ji viršija įtampos vertę klaidos stiprinimo išėjimo metu, OUT - PWM valdymo pagrindas - pasirodo atjungiamasis impulsas.

• INV ir NONINV - Tai yra lyginamojo įtaiso, ant kurio pastatytas klaidų stiprintuvas, inversiniai ir neinversiniai įėjimai. Paprastais žodžiais tariant: kuo didesnė INV įtampa, tuo ilgesni išėjimo impulsai ir atvirkščiai. Signalas iš įtampos daliklio grįžtamojo ryšio grandinėje iš išvesties yra prijungtas prie jo. Tada neinversinis įėjimas NONINV yra prijungtas prie bendro laido - GND.

• EAOUT arba klaidų stiprintuvo išėjimas Rusų kalba Klaidos stiprintuvo išėjimas. Nepaisant to, kad yra klaidų stiprintuvo įėjimai, ir su jų pagalba iš esmės galite sureguliuoti išvesties parametrus, tačiau valdiklis į tai reaguoja gana lėtai. Dėl lėtos reakcijos gali atsirasti grandinės sužadinimas ir jis nepavyks. Todėl signalai iš šio kaiščio išvedami į INV per nuo dažnio priklausančias grandines. Tai taip pat vadinama klaidų stiprintuvo dažnio korekcija.

Realių prietaisų pavyzdžiai

Norėdami sujungti informaciją, pažvelkime į keletą tipiškų PWM valdiklių ir jų perjungimo schemų pavyzdžių. Mes tai padarysime kaip pavyzdį naudodami dvi mikroschemas:

• TL494 (jo analogai: KA7500B, КР1114ЕУ4, Sharp IR3M02, UA494, Fujitsu MB3759);

• UC3843.

Jie aktyviai naudojami. kompiuterių maitinimo šaltiniuose. Beje, šie maitinimo šaltiniai turi nemažą galią (100 W ir daugiau 12 V magistralėje). Dažnai naudojamas kaip donoras, keičiantis į laboratorijos maitinimo šaltinį arba universalų galingą įkroviklį, pavyzdžiui, automobilio akumuliatoriams.

TL494 - apžvalga

Pradėkime nuo 494-ojo lusto. Jo techninės charakteristikos:

TL494 pinout:

Šiame konkrečiame pavyzdyje galite pamatyti daugumą aukščiau aprašytų išvadų:

1. Neapverstas pirmojo klaidų lygintuvo įėjimas

2. Apverskite pirmojo klaidų lygintuvo įvestį

3. Atsiliepimų įvestis

4. Neveikimo laiko reguliavimo įvestis

5. Išėjimas išoriniam laiko kondensatoriui prijungti

6. Išėjimas skirtas laiko rezistoriui prijungti

7. Bendras lusto išėjimas, atėmus galią

8. Pirmojo išėjimo tranzistoriaus kolektoriaus išėjimas

9. Pirmojo išėjimo tranzistoriaus emiterio išėjimas

10. Antrojo išėjimo tranzistoriaus emiterio išėjimas

11. Antrojo išėjimo tranzistoriaus kolektoriaus išėjimas

12. Maitinimo įėjimas

13. Įvestis pasirenka lusto veikimo vieno takto arba „push-pull“ režimą

14. Įmontuoto etaloninio 5 voltų įtampos šaltinio išėjimas

15. Antros klaidų lygintuvo įvesties apvertimas

16. Neinversinis antrojo klaidų lygintuvo įėjimas

Žemiau pateiktame paveikslėlyje parodytas kompiuterio maitinimo šaltinio pavyzdys.

UC3843 - apžvalga

Kitas populiarus PWM yra 3843 lustas - jis taip pat kuria kompiuterį, o ne tik maitinimo šaltinius. Jo pinoutas yra žemiau, kaip jūs galite pastebėti, jis turi tik 8 išvadas, tačiau jis atlieka tas pačias funkcijas kaip ir ankstesnis IC.

Įdomu:

Tai atsitinka UC3843 ir 14 pėdų atveju, tačiau yra daug rečiau. Atkreipkite dėmesį į žymėjimą - papildomos išvados yra dubliuojamos arba nenaudojamos (NC).

Mes iššifruojame išvadų tikslą:

1. Komparatoriaus įėjimas (klaidų stiprintuvas).

2. Grįžtamojo ryšio įtampa. Ši įtampa lyginama su etalonine įtampa IC viduje.

3. Srovės jutiklis. Jis yra prijungtas prie rezistoriaus, esančio tarp galios tranzistoriaus ir bendrojo laido. Tai reikalinga apsaugai nuo perkrovų.

4. Laiko nustatymo RC grandinė. Su jo pagalba nustatomas IC veikimo dažnis.

5. Bendras.

6. Išeik. Valdymo įtampa. Jis yra prijungtas prie tranzistoriaus vartų, čia yra „push-pull“ išėjimo stadija, skirta valdyti vieno ciklo keitiklį (vieną tranzistorių), kurį galima pamatyti paveikslėlyje žemiau.

7. Mikroschemos įtampa.

8. Etaloninio šaltinio išėjimas (5 V, 50 mA).

Jo vidinė struktūra.

Galite įsitikinti, kad daugeliu atžvilgių jis yra panašus į kitus PWM valdiklius.

Paprasta UC3842 maitinimo grandinė

PWM su integruotu maitinimo jungikliu

PWM valdikliai su įmontuotu maitinimo jungikliu naudojami tiek transformatoriaus perjungimo maitinimo šaltiniuose, tiek įvaduose be transformatorių DC-DC keitikliai „Buck“, „Boost“ ir „Buck-Boost“.

Ko gero, vienas iš sėkmingiausių pavyzdžių yra įprastas mikroschema LM2596, kurios pagrindu galite rasti toną keitiklių rinkoje, kaip parodyta žemiau.

Tokioje mikroschemoje yra visi aukščiau aprašyti techniniai sprendimai, o vietoj išėjimo stadijos mažos galios jungikliuose įmontuotas maitinimo jungiklis, kuris gali atlaikyti srovę iki 3A. Vidinė tokio keitiklio struktūra parodyta žemiau.

Galite įsitikinti, kad iš esmės nėra jokių ypatingų skirtumų nuo nagrinėjamųjų.

Ir štai pavyzdys transformatoriaus maitinimo šaltinis led juostai ant tokio valdiklio, kaip matote, nėra maitinimo jungiklio, o tik 5L0380R mikroschema su keturiais kaiščiais. Darytina išvada, kad atliekant tam tikras užduotis, TL494 sudėtinga schema ir lankstumas tiesiog nereikalingi. Tai pasakytina apie mažos galios maitinimo šaltinius, kur nėra specialių reikalavimų dėl triukšmo ir trukdžių, o išėjimo pulsą gali slopinti LC filtras. Tai maitinimo šaltinis LED juostoms, nešiojamiesiems kompiuteriams, DVD grotuvams ir dar daugiau.

Išvada

Straipsnio pradžioje buvo pasakyta, kad PWM valdiklis yra įrenginys, kuris imituoja vidutinę įtampos vertę, keičiant impulsų plotį, remiantis signalu iš grįžtamojo ryšio grandinės. Atkreipiu dėmesį, kad kiekvieno autoriaus pavardės ir klasifikacija dažnai skiriasi, kartais paprastas PWM įtampos reguliatorius vadinamas PWM valdikliu, o šiame straipsnyje aprašyta elektroninių grandinių šeima vadinama „integruotu stabilizuotų impulsų keitiklių posistemiu“. Iš pavadinimo esmė nesikeičia, tačiau kyla ginčų ir nesusipratimų.