ما هي وحدة التحكم PWM ، وكيف يتم ترتيبها ويعمل ، وأنواع ومخططات

في السابق ، تم استخدام دارة مزودة بمحول تنحيف (أو تصعيد أو متعدد لفات) وجسر الصمام الثنائي ومرشح لتموجات التمليس لتشغيل الأجهزة. لتحقيق الاستقرار ، تم استخدام الدوائر الخطية على مثبتات حدودي أو متكامل. كان العيب الرئيسي هو الكفاءة المنخفضة والوزن العالي وأبعاد إمدادات الطاقة القوية.

تستخدم جميع الأجهزة الكهربائية المنزلية الحديثة إمدادات الطاقة التبديل (UPS ، UPS - نفس الشيء). تستخدم معظم مصادر الطاقة هذه وحدة تحكم PWM كعنصر تحكم رئيسي. في هذه المقالة سننظر في هيكلها والغرض منها.

التعريف والمزايا الرئيسية

جهاز التحكم PWM هو جهاز يحتوي على عدد من حلول الدوائر لإدارة مفاتيح الطاقة. في الوقت نفسه ، يعتمد التحكم على المعلومات التي يتم الحصول عليها من خلال دوائر التغذية المرتدة للتيار أو الجهد - وهذا ضروري لتحقيق الاستقرار في معلمات الإخراج.

في بعض الأحيان ، تسمى وحدات التحكم PWM بمولدات نبضات PWM ، لكن لا توجد وسيلة لتوصيل دوائر التغذية المرتدة ، وهي أكثر ملاءمة لمنظمات الجهد من ضمان توفير مصدر طاقة ثابت للأجهزة. ومع ذلك ، في بوابات الأدب والإنترنت ، غالبًا ما تجد أسماء مثل "PWM controller ، على NE555" أو "... على arduino" - هذا ليس صحيحًا تمامًا للأسباب المذكورة أعلاه ، يمكن استخدامها فقط للتحكم في معلمات الإخراج ، ولكن ليس لتحقيق الاستقرار فيها.

اختصار "PWM" لتقف على يعد تعديل عرض النبضة أحد طرق تعديل الإشارة ليس بسبب حجم جهد الخرج ، ولكن بسبب التغير في عرض النبضات. نتيجة لذلك ، تتشكل إشارة محاكاة بسبب تكامل النبضات باستخدام سلاسل C أو LC ، وبعبارة أخرى - بسبب التجانس.

الاستنتاج: جهاز تحكم PWM - جهاز يتحكم في إشارة PWM.

الميزات الرئيسية

بالنسبة لإشارة PWM ، يمكن التمييز بين خاصيتين:

1. تردد النبض - يعتمد تردد تشغيل المحول على هذا. نموذجي هي الترددات فوق 20 كيلو هرتز ، في الواقع 40-100 كيلو هرتز.

2. دورة العمل ودورة العمل. هاتان كميتان متجاورتان تميزان نفس الشيء. يمكن الإشارة إلى عامل التعبئة بالحرف S ودورة التشغيل D.

S = 1 / T ،

حيث T هي فترة الإشارة ،

T = 1 / و

D = T / 1 = 1 / S

ومن المهم أن:

عامل ملء - جزء من الوقت من الفترة التي يتم فيها إنشاء إشارة تحكم عند خرج وحدة التحكم ، دائمًا أقل من 1. دورة العمل أكبر دائمًا من 1. على تردد 100 كيلو هرتز ، تكون فترة الإشارة 10 ands والمفتاح مفتوحًا لمدة 2.5 ،s ، ثم تكون دورة التشغيل 0.25 ، في المئة - 25 ٪ ، ودورة العمل هي 4.

من المهم أيضًا مراعاة التصميم الداخلي والغرض من عدد المفاتيح المُدارة.

الاختلافات عن مخططات الخسارة الخطية

كما سبق ذكره ، ميزة على الدوائر الخطية لتبديل امدادات الطاقة هو كفاءة عالية (أكثر من 80 ، وحاليا 90 ٪). هذا بسبب ما يلي:

افترض أن الجهد السلس بعد جسر الصمام الثنائي هو 15 فولت ، تيار الحمل هو 1A. تحتاج إلى الحصول على امدادات الطاقة 12V مستقرة. في الواقع ، فإن المثبت الخطي هو عبارة عن مقاومة تغير من قيمتها اعتمادًا على حجم جهد الإدخال للحصول على جهد الخرج الاسمي - مع انحرافات صغيرة (كسور فولت) مع تغييرات في جهد الدخل (وحدات وعشرات فولت).

على المقاومات ، كما تعلمون ، عندما يتدفق التيار الكهربائي من خلالهم ، يتم تحرير الطاقة الحرارية. على المثبتات الخطية ، تحدث نفس العملية. القوة المخصصة ستكون مساوية لـ:

الخسارة = (Uin-Uout) * أنا

نظرًا لأن المثال الحالي هو أن الحمل الحالي هو 1A ، والجهد الناتج هو 15 فولت ، والجهد الناتج هو 12 فولت ، ثم نحسب خسائر وكفاءة جهاز التثبيت الخطي (Krenka أو النوع L7812):

الخسارة = (15V-12V) * 1A = 3V * 1A = 3W

ثم الكفاءة هي:

ن = ف مفيدة / ف الخسارة

ن = ((12V * 1A) / (15V * 1A)) * 100 ٪ = (12V / 15W) * 100 ٪ = 80 ٪

إذا ارتفع الجهد الكهربي إلى 20 فولت ، على سبيل المثال ، ستقل الكفاءة:

ن = 12/20 * 100 = 60 ٪

و هكذا.

الميزة الرئيسية لـ PWM هي أن عنصر الطاقة ، حتى لو كان MOSFET ، إما مفتوح بالكامل أو مغلق تمامًا ولا يتدفق التيار عبره. لذلك ، يرجع فقدان الكفاءة فقط إلى فقدان الموصلية

(P = I2 * Rdson)

والخسارة التبديل. هذا موضوع لمقال منفصل ، لذلك لن نتناول هذه القضية. أيضا ، تحدث خسائر في امدادات الطاقة في الثنائيات المعدل (المدخلات والمخرجات ، إذا كان التيار الكهربائي هو التيار الكهربائي) ، وكذلك على الموصلات ، وعناصر التصفية السلبي وأكثر من ذلك.

الهيكل العام

النظر في الهيكل العام لوحدة تحكم مجردة PWM. لقد استخدمت كلمة "abstract" لأنها ، بشكل عام ، كلها متشابهة ، لكن وظيفتها لا تزال تختلف في حدود معينة ، وبالتالي ستختلف البنية والاستنتاجات.

داخل وحدة التحكم PWM ، كما هو الحال في أي IC آخر ، هناك رقاقة أشباه الموصلات التي توجد عليها دائرة معقدة. يتضمن جهاز التحكم الوحدات الوظيفية التالية:

1. مولد النبض.

2. مصدر الجهد المرجعي. (ION)

3. دوائر لمعالجة إشارة ردود الفعل (OS): مكبر للصوت خطأ ، المقارنة.

4. يتحكم مولد النبض الترانزستورات المتكاملةمصمم للتحكم في مفتاح التشغيل أو المفاتيح.

يعتمد عدد مفاتيح الطاقة التي يمكن التحكم PWM على الغرض منه. تحتوي أبسط محولات flyback في دائرتها على مفتاح طاقة واحد ، دوائر نصف جسر (دفع - سحب) - مفتاحان ، جسر - 4.

يحدد نوع المفتاح أيضًا اختيار وحدة التحكم PWM. للتحكم في ترانزستور ثنائي القطب ، الشرط الرئيسي هو أن خرج التحكم الحالي لوحدة التحكم PWM ليس أقل من تيار الترانزستور مقسومًا على H21e ، بحيث يمكن تشغيله وإيقاف تشغيله ببساطة عن طريق تطبيق نبضات على القاعدة. في هذه الحالة ، فإن معظم وحدات التحكم تفعل.

في حالة الإدارة مفاتيح مصراع معزولة (MOSFET ، IGBT) هناك بعض الفروق الدقيقة. لإغلاق سريع تحتاج إلى تفريغ سعة مصراع الكاميرا. للقيام بذلك ، تتكون دائرة إخراج البوابة من مفتاحين - أحدهما متصل بمصدر الطاقة باستخدام مخرج IC ويتحكم في البوابة (يتم تشغيل الترانزستور) ، ويتم تثبيت الثاني بين الإخراج والأرض ، عندما تحتاج إلى إيقاف تشغيل الترانزستور الكهربائي - يتم إغلاق المفتاح الأول ، ويتم إغلاقه مصراع على الأرض وتفريغها.

عجب الأول:

في بعض وحدات التحكم PWM لإمدادات الطاقة منخفضة الطاقة (حتى 50 وات) ، لا يتم استخدام مفاتيح الطاقة داخليًا وخارجيًا. مثال - 5l0830R

بشكل عام ، يمكن تمثيل وحدة التحكم PWM كمقارن ، على أحد المدخلات التي يتم توفير إشارة من دائرة التغذية المرتدة (OS) ، ويتم تطبيق إشارة تغيير على شكل مسننة على الإدخال الثاني. عندما تصل إشارة سن المنشار إلى إشارة نظام التشغيل وتتجاوز حجمها ، تنشأ دفعة عند إخراج المقارنة.

عندما تتغير الإشارات في المدخلات ، يتغير عرض النبضة. دعنا نفترض أنك قمت بتوصيل مستهلك قوي بمصدر الطاقة ، وأن الجهد انخفض في إنتاجه ، ثم سينخفض ​​أيضًا جهد نظام التشغيل. ثم في معظم الفترة ، ستلاحظ زيادة في إشارة سن المنشار على إشارة نظام التشغيل ، وسيزداد عرض النبضة. كل ما سبق ينعكس إلى حد ما في الرسوم البيانية.

يتم ضبط تردد التشغيل للمولد باستخدام دائرة RC لتحديد التردد.

مخطط وظيفي لوحدة تحكم PWM باستخدام TL494 كمثال ، سوف ندرسه لاحقًا بمزيد من التفاصيل. يتم وصف مهمة الدبوس والعقد الفردية في العنوان الفرعي التالي.

مهمة دبوس

تتوفر وحدات التحكم PWM في حزم مختلفة. يمكن أن يكون لها استنتاجات من ثلاثة إلى 16 أو أكثر. وفقًا لذلك ، تعتمد مرونة استخدام وحدة التحكم على عدد الاستنتاجات أو بالأحرى الغرض منها.على سبيل المثال ، في شريحة شعبية UC3843 - في معظم الأحيان 8 استنتاجات ، وفي استنتاج أكثر شهرة - TL494 - 16 أو 24.

لذلك ، فإننا نعتبر الأسماء النموذجية للاستنتاجات والغرض منها:

• GND - الاستنتاج العام مرتبط بنقص الدائرة أو بالأرض.

• جامعة كاليفورنيا (Vc) - قوة microcircuit.

• Ucc (Vss ، Vcc) - الإخراج للتحكم في الطاقة. إذا انحسرت الطاقة ، فمن المحتمل أن مفاتيح الطاقة لن تفتح بالكامل ، ولهذا السبب سوف تبدأ في التسخين والإحراق. هناك حاجة إلى الاستنتاج لتعطيل وحدة تحكم في وضع مماثل.

• OUT - كما يوحي الاسم ، وهذا هو إخراج تحكم. يتم عرض إشارة التحكم PWM لمفاتيح الطاقة هنا. ذكرنا أعلاه أن محولات طبولوجيا مختلفة لها أرقام مختلفة من المفاتيح. قد يختلف اسم الإخراج وفقًا لهذا. على سبيل المثال ، في وحدات التحكم بدوائر نصف الجسر ، يمكن تسميتها HO و LO للمفاتيح العلوية والسفلية ، على التوالي. في الوقت نفسه ، يمكن أن يكون الإخراج بدورة واحدة وجر دفع (بمفتاح واحد واثنين) - للتحكم في الترانزستورات ذات التأثير الميداني (انظر الشرح أعلاه). لكن وحدة التحكم نفسها يمكن أن تكون للدوائر ذات الدورة الواحدة والسحب - مع طرفي إخراج وواحد ، على التوالي. هذا مهم.

• VREF - مرجع الجهد ، وعادة ما تتصل الأرض من خلال مكثف صغير (وحدات microfarad).

• ILIM - إشارة من جهاز الاستشعار الحالي. مطلوب للحد من الانتاج الحالي. يربط إلى ردود الفعل الدوائر.

• ILIMREF - يحدد الجهد الزناد في الساق ILIM

• SS - يتم إنشاء إشارة لبدء لينة من وحدة تحكم. صمم للحصول على خروج سلس إلى الوضع الاسمي. يتم تثبيت مكثف بينها وبين السلك المشترك لضمان بداية سلسة.

• RtCt - استنتاجات لتوصيل دارة RC توقيت ، والتي تحدد تردد إشارة PWM.

• CLOCK - نبضات الساعة لمزامنة العديد من وحدات التحكم PWM مع بعضها البعض ، ثم يتم توصيل دائرة RC فقط إلى وحدة التحكم الرئيسية ، ويتم توصيل عبيد RT مع Vref ، CT الرقيق إلى واحد مشترك.

• RAMP هو مقارنة المدخلات. يتم تطبيق جهد سن المنشار على ذلك ، على سبيل المثال ، من إخراج Ct. عندما تتجاوز قيمة الجهد عند إخراج تضخيم الخطأ ، تظهر نبضة فصل على OUT - أساس التحكم PWM.

• INV و NONINV - هذه هي المدخلات المقلوبة وغير المقلوبة للمقارِّن التي بُني عليها مضخم الأخطاء. بعبارة بسيطة: كلما زاد الجهد على INV ، زاد نبضات الخرج والعكس. الإشارة من مقسم الجهد في دائرة التغذية المرتدة من الإخراج متصلة به. ثم يتم توصيل المدخلات غير المقلوبة NONINV بسلك مشترك - GND.

• خرج أو خطأ مكبر للصوت الناتج روس. خطأ إخراج مكبر للصوت. على الرغم من حقيقة أن هناك مدخلات من مكبر للصوت خطأ وبمساعدتهم ، من حيث المبدأ ، يمكنك ضبط المعلمات الإخراج ، ولكن وحدة التحكم يستجيب ببطء إلى حد ما. نتيجة لرد الفعل البطيء ، يمكن أن يحدث إثارة الدائرة وسوف تفشل. لذلك ، يتم إخراج الإشارات من هذا الدبوس إلى INV عبر دوائر تعتمد على التردد. وهذا ما يسمى أيضا تصحيح تردد مكبر للصوت خطأ.

أمثلة على الأجهزة الحقيقية

لدمج المعلومات ، دعونا نلقي نظرة على بعض الأمثلة من وحدات التحكم PWM النموذجية وأنظمة التبديل الخاصة بهم. سنفعل ذلك باستخدام اثنين من الرقائق على سبيل المثال:

• TL494 (نظائرها: KA7500B ، 11Р1114ЕУ4 ، Sharp IR3M02 ، UA494 ، Fujitsu MB3759) ؛

• UC3843.

يتم استخدامها بنشاط. في امدادات الطاقة لأجهزة الكمبيوتر. بالمناسبة ، تتمتع مصادر الطاقة هذه بقوة كبيرة (100 واط وأكثر على الحافلة 12V). غالبًا ما تستخدم كمانح للتحويل إلى مصدر طاقة مختبر أو شاحن عالمي قوي ، على سبيل المثال لبطاريات السيارات.

TL494 - نظرة عامة

لنبدأ مع الشريحة 494. خصائصه التقنية:

Pinout TL494:

في هذا المثال المحدد ، يمكنك رؤية معظم الاستنتاجات الموضحة أعلاه:

1. مدخلات غير مقلوبة لمقارنة الخطأ الأول

2. عكس المدخلات من المقارنة الخطأ الأول

3. ردود الفعل المدخلات

4. إدخال تعديل الوقت الميت

5. الإخراج لتوصيل مكثف توقيت خارجي

6. الإخراج لربط المقاوم توقيت

7. إجمالي الناتج من رقاقة ، ناقص الطاقة

8. إخراج جامع الترانزستور الناتج الأول

9. إخراج باعث الترانزستور الناتج الأول

10. الناتج من باعث الترانزستور الناتج الثاني

11. إخراج جامع الترانزستور الناتج الثاني

12. إدخال امدادات الطاقة

13. حدد المدخلات طريقة واحدة للسكتة الدماغية أو طريقة الدفع للسحب

14. إخراج مصدر الجهد المرجعي المدمج في 5 فولت

15. عكس المدخلات من المقارنة الخطأ الثاني

16. غير مقلوب المدخلات من المقارنة الخطأ الثاني

يوضح الشكل أدناه مثالاً على مصدر طاقة الكمبيوتر على هذه الشريحة.

UC3843 - نظرة عامة

PWM شائع آخر هو شريحة 3843 - كما أنه يبني الكمبيوتر وليس فقط إمدادات الطاقة. يوجد pinout الخاص به أدناه ، حيث يمكنك ملاحظة أنه يحتوي على 8 استنتاجات فقط ، لكنه يؤدي نفس وظائف IC السابقة.

عجب الأول:

يحدث UC3843 وفي حالة 14 قدم ، ولكنها أقل شيوعا بكثير. انتبه للعلامة - استنتاجات إضافية إما مكررة أو غير مستخدمة (NC).

نحن فك شفرة الغرض من الاستنتاجات:

1. المدخلات المقارنة (مكبر للصوت خطأ).

2. ردود الفعل مساهمة الجهد. تتم مقارنة هذا الجهد مع الجهد إشارة داخل IC.

3. الاستشعار الحالي. يتم توصيله بمقاوم يقف بين ترانزستور الطاقة والسلك المشترك. من الضروري للحماية من الحمولة الزائدة.

4. توقيت RC الدائرة. مع مساعدتها ، يتم تعيين تردد التشغيل لل IC.

5. عام.

6. الخروج. الجهد السيطرة. إنه متصل ببوابة الترانزستور ، وهنا مرحلة إخراج الدفع للسيطرة على محول دورة واحدة (الترانزستور واحد) ، والتي يمكن رؤيتها في الشكل أدناه.

7. الجهد من microcircuit.

8. خرج مصدر الجهد المرجعي (5V ، 50 مللي أمبير).

هيكلها الداخلي.

يمكنك التأكد من أنه من نواح كثيرة مشابه لوحدات التحكم PWM الأخرى.

دائرة امدادات الطاقة بسيطة على UC3842

PWM مع مفتاح الطاقة المتكاملة

تُستخدم وحدات التحكم PWM المزودة بمفتاح طاقة مدمج في إمدادات الطاقة بتبديل المحولات وفي محولات DC-DC المحولات باك ، بوست ، باك باك.

ربما يكون أحد الأمثلة الأكثر نجاحًا هو الدائرة الصغيرة LM2596 الشائعة ، والتي يمكنك من خلالها العثور على الكثير من المحولات في السوق ، كما هو موضح أدناه.

يحتوي هذا الدائرة المصغرة على جميع الحلول التقنية الموضحة أعلاه ، وبدلاً من مرحلة الإخراج على مفاتيح منخفضة الطاقة ، تم تصميم مفتاح طاقة فيه يمكنه تحمل التيار حتى 3A. الهيكل الداخلي لمثل هذا المحول موضح أدناه.

يمكنك التأكد من أنه لا توجد فروق خاصة عن تلك التي يتم النظر فيها فيه.

وهنا مثال امدادات الطاقة محول لشريط led على وحدة تحكم كهذه ، كما ترون ، لا يوجد مفتاح طاقة ، ولكن رقاقة 5L0380R فقط بها أربعة دبابيس. ويترتب على ذلك أن الدارات المعقدة والمرونة في TL494 ليست ضرورية في بعض المهام. هذا صحيح بالنسبة لإمدادات الطاقة منخفضة الطاقة ، حيث لا توجد متطلبات خاصة للضوضاء والتداخل ، ويمكن قمع تموج الإخراج بواسطة مرشح LC. هذا مصدر طاقة لشرائط LED وأجهزة الكمبيوتر المحمولة ومشغلات أقراص DVD والمزيد.

استنتاج

في بداية المقال ، قيل إن جهاز التحكم PWM هو جهاز يحاكي متوسط ​​قيمة الجهد عن طريق تغيير عرض النبضة استنادًا إلى الإشارة من دائرة التغذية المرتدة. لاحظت أن أسماء كل مؤلف وتصنيفه يختلفان غالبًا ، وأحيانًا يسمى منظم الجهد البسيط PWM بوحدة التحكم PWM ، وتسمى عائلة الدوائر الإلكترونية الموصوفة في هذه المقالة "النظام الفرعي المتكامل لمحولات نبضات مستقرة". من الاسم ، لا يتغير الجوهر ، ولكن تنشأ الخلافات وسوء الفهم.