Mi a PWM vezérlő, hogyan van felépítve és működik, típusai és sémái

Korábban egy áramkört lefelé (vagy fokozatosan, vagy többtekercseléssel) transzformátorral, diódahíddal és egy szűrővel használták a hullámok simításához. A stabilizáláshoz paraméteres vagy integrált stabilizátorokon lineáris áramköröket alkalmaztak. A legfontosabb hátrány az alacsony hatékonyság, a nagy súly és a nagy teljesítményű tápegységek mérete.

Minden modern háztartási villamos készülék kapcsoló tápegységeket használ (UPS, UPS - ugyanaz). Ezen tápegységek többsége PWM vezérlőt használ fő vezérlő elemként. Ebben a cikkben megvizsgáljuk annak felépítését és célját.

Meghatározás és fő előnyei

A PWM vezérlő egy olyan eszköz, amely számos áramköri megoldást tartalmaz a tápkulcsok kezelésére. Ugyanakkor a vezérlés az áramerősség vagy a feszültség visszacsatoló áramkörein keresztül nyert információkon alapul - ez szükséges a kimeneti paraméterek stabilizálásához.

Időnként a PWM vezérlőket PWM impulzusgenerátoroknak hívják, de nincs mód a visszacsatoló áramkörök csatlakoztatására, és ezek inkább a feszültségszabályozókra vonatkoznak, mint az eszközök stabil energiaellátásának biztosítására. Az irodalomban és az internetes portálokban azonban gyakran találhatók olyan neveket, mint „PWM vezérlő, NE555” vagy „... arduino” - ez a fenti okok miatt nem igaz, csak a kimeneti paraméterek vezérlésére használhatók, de nem azok stabilizálására.

A "PWM" rövidítés jelentése Az impulzusszélesség-moduláció az egyik módszer a jel modulálására, nem a kimeneti feszültség nagysága miatt, hanem az impulzusok szélességének megváltozása miatt. Ennek eredményeként szimulált jel képződik az impulzusok C- vagy LC-láncokat használó integrációja miatt, más szóval - a simítás miatt.

Következtetés: PWM vezérlő - egy eszköz, amely a PWM jelet vezérli.

Főbb jellemzők

A PWM jel esetében két fő jellemzőt lehet megkülönböztetni:

1. Impulzus frekvencia - a konverter működési frekvenciája ettől függ. Jellemzőek a 20 kHz feletti, valójában 40-100 kHz frekvenciák.

2. Üzemi és üzemi ciklus. Ez két szomszédos mennyiség jellemzi ugyanazt a dolgot. A kitöltési tényezőt S betűvel és a D munkacikluskal lehet megjelölni.

S = 1 / T,

ahol T a jelzési időszak,

T = 1 / f

D = T / 1 = 1 / S

Fontos:

Töltési tényező - az az idő, amely a vezérlőjel kimeneténél generálódik, mindig kevesebb, mint 1. A működési ciklus mindig nagyobb, mint 1. 100 kHz frekvencián a jelzési idő 10 μs, a kulcs nyitva van 2,5 μs-en, akkor a munkaciklus 0,25, százalékban - 25%, és a munkaciklus 4.

Fontos figyelembe venni a kezelt kulcsok belső kialakítását és célját is.

Különbségek a lineáris veszteségrendszerektől

Mint már említettük, előnye a lineáris áramkörökkel szemben tápegységek kapcsolására magas hatékonyságú (több mint 80, jelenleg 90%). Ennek oka a következő:

Tegyük fel, hogy a kiegyenlített feszültség a diódahíd után 15 V, a terhelési áram 1A. Stabilizált 12 V-os tápegységet kell szereznie. Valójában a lineáris stabilizátor olyan ellenállás, amely megváltoztatja az értékét a bemeneti feszültség nagyságától függően, hogy megkapja a névleges kimeneti feszültséget - kis eltérésekkel (voltos frakciók), a bemeneti feszültség változásaival (egységek és tíz feszültség).

Az ellenállásokon, mint tudják, ha az elektromos áram átfolyik rajtuk, a hőenergia felszabadul. Lineáris stabilizátorokon ugyanaz a folyamat zajlik. A kiosztott teljesítmény megegyezik:

Veszteség = (Uin-Uout) * I

Mivel a vizsgált példában a terhelési áram 1A, a bemeneti feszültség 15 V és a kimeneti feszültség 12 V, akkor kiszámoljuk a lineáris stabilizátor veszteségeit és hatékonyságát (Krenka vagy L7812 típus):

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

Akkor a hatékonyság:

n = P hasznos / P veszteség

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

Ha például a bemeneti feszültség 20 V-ra emelkedik, akkor a hatékonyság csökken:

n = 12/20 * 100 = 60%

És így tovább.

A PWM fő jellemzője, hogy a tápelem, még ha MOSFET is, teljesen nyitva vagy teljesen zárva van, és nem áramlik rajta áram. Ezért a hatékonyság elvesztése csak a vezetőképesség veszteségéből származik

(P = I2 * Rdson)

És veszteségváltás. Ez egy külön cikk témája, ezért nem fogunk ebben a kérdésben foglalkozni. Emellett tápfeszültség-veszteségek is előfordulnak egyenirányító diódákban (bemenet és kimenet, ha a tápegység hálózati), valamint a vezetékeken, passzív szűrőelemeken és így tovább.

Általános felépítés

Vegye figyelembe az absztrakt PWM vezérlő általános felépítését. Az "elvont" szót használtam, mert általában mindegyik hasonló, de működésük bizonyos határokon belül változhat, és ennek megfelelően a felépítés és a következtetések eltérnek.

A PWM vezérlőn, mint bármely más IC-n, van egy félvezető chip, amelyen egy komplex áramkör található. A vezérlő a következő funkcionális egységeket tartalmazza:

1. Az impulzusgenerátor.

2. A referencia feszültség forrása. (ION)

3. Áramkörök visszacsatolójel feldolgozásához (OS): hibaerősítő, komparátor.

4. Az impulzusgenerátor vezérli integrált tranzisztorokA bekapcsoló gomb vagy gombok vezérlésére szolgál.

A PWM vezérlő által vezérelhető bekapcsológombok száma a céljától függ. Az áramkörük legegyszerűbb flyback-átalakítói tartalmaznak 1 hálózati kapcsolót, félhíd-áramkört (push-pull) - 2 kapcsolót, 4-es hídet.

A kulcs típusa meghatározza a PWM vezérlő választását is. A bipoláris tranzisztor vezérléséhez a fő követelmény az, hogy a PWM vezérlő vezérlőáramának kimenete ne legyen alacsonyabb, mint a tranzisztor H21e-vel osztott árama, így be- és kikapcsolható egyszerűen az alapra történő impulzusok alkalmazásával. Ebben az esetben a legtöbb vezérlő megteszi.

Menedzsment esetén szigetelt redőnyök (MOSFET, IGBT) vannak bizonyos árnyalatok. A gyors leállításhoz ki kell üríteni a redőnykapacitást. Ehhez a kapu kimeneti áramköre két kulcsból készül - egyikük IC-kimenettel van csatlakoztatva az áramforráshoz, és vezérli a kaput (bekapcsolja a tranzisztort), a második pedig a kimenet és a föld közé van felszerelve, amikor ki kell kapcsolni a teljesítménytranzisztorot - az első gomb bezáródik, a második kinyílik, bezáródik redőny a földre, és kiüríti.

Vajon:

Néhány alacsony fogyasztású (legfeljebb 50 W) tápellátáshoz szükséges PWM vezérlőben a tápkapcsolókat sem belső, sem külső használatra nem használják. Példa - 510830R

Általánosságban elmondható, hogy a PWM vezérlő komparátorként reprezentálható, amelynek egyik bemenetén egy visszacsatoló áramkörből (OS) érkezik egy jel, és egy fűrészfog alakú váltójelet adnak a második bemenetre. Amikor a fűrészfog jel eléri és meghaladja az OS jelet nagyságrendben, impulzus lép fel a komparátor kimenetén.

Amikor a bemeneteknél a jelek megváltoznak, az impulzus szélessége megváltozik. Tegyük fel, hogy egy erős fogyasztót csatlakoztatott a tápegységhez, és a feszültséget a kimenetén tompította, akkor az operációs rendszer feszültsége szintén csökken. Ezután az időszak nagy részében megfigyelhető a fűrészfog-jel többletének meghaladása az OS-jel felett, és az impulzusszélesség növekszik. A fentiek bizonyos mértékben tükröződnek a grafikonokon.

A generátor működési frekvenciáját a frekvencia-beállító RC áramkör segítségével állíthatjuk be.

A PWM vezérlő működési rajza, amely példaként a TL494-et használja, később részletesebben megvizsgáljuk. A csapok hozzárendelését és az egyes csomópontokat a következő alcím ismerteti.

Tűs hozzárendelés

A PWM vezérlők különféle csomagokban kaphatók. Következtetéseik három-tól 16-ig terjedhetnek. Ennek megfelelően a vezérlő használatának rugalmassága a következtetések számától, vagy inkább céljától függ.Például egy népszerű chipben UC3843 - leggyakrabban 8 következtetés, és egy még ikonikusabb következtetés - TL494 - 16 vagy 24.

Ezért figyelembe vesszük a következtetések tipikus neveit és céljaikat:

• GND - az általános következtetés kapcsolódik az áramkör mínuszához vagy a földhöz.

• Uc (Vc) - mikroáramkör teljesítménye.

• Ucc (Vss, Vcc) - Teljesítményvezérlés kimenete. Ha a tápellátás lecsökken, akkor valószínű, hogy a bekapcsoló gombok nem nyílnak meg teljesen, és ezért felmelegedni kezdnek és kiégnek. A következtetés szükséges a vezérlő hasonló helyzetben történő letiltásához.

• OUT - amint a neve is sugallja, ez a vezérlő kimenete. Itt jelenik meg a teljesítménykapcsolók PWM vezérlőjele. A fentiekben már említettük, hogy a különböző topológiák átalakítóinak különböző számú kulcsa van. A kimenet neve ettől függően eltérhet. Például a félhíd áramkörök vezérlőiben HO és LO lehet a felső és az alsó gombok. Ugyanakkor a kimenet lehet egyciklusos és push-pull (egy és két gombbal) - a mezőhatású tranzisztorok vezérléséhez (lásd a fenti magyarázatot). De maga a vezérlő lehet egyciklusú és push-pull áramkörökhöz - egy és két kimeneti csatlakozóval. Ez fontos.

• Vref - feszültség-referencia, általában egy kis kondenzátoron keresztül csatlakoztatva a földhöz (mikrofarad-egységek).

• ILIM - az áramérzékelő jele. A kimeneti áram korlátozásához szükséges. Csatlakozik a visszacsatoló áramkörökhöz.

• ILIMREF - beállítja az ILIM láb indítófeszültségét

• SS - jelet generál a vezérlő lágyindítása. A névleges üzemmódba történő zökkenőmentes kilépésre tervezték. A zökkenőmentes indítás érdekében egy közös kondenzátort helyezünk el a közös vezeték között.

• RtCt - következtetések az időzítő RC áramkör csatlakoztatására, amely meghatározza a PWM jel frekvenciáját.

• CLOCK - óraimpulzusok több PWM vezérlő szinkronizálásához, majd az RC áramkört csak a fővezérlőhöz csatlakoztatják, az Vref-rel ellátott RT-szolgakat, a CT-szolgakat pedig a közös vezérlőhöz.

• RAMP Összehasonlító bemenet. Például a Ct kimenetéből fűrészfog-feszültséget alkalmaznak. Ha ez meghaladja a hibaerõsítés kimeneti feszültség értékét, egy leválasztó impulzus jelenik meg az OUT-n - a PWM vezérlés alapjaként.

• INV és NONINV - Ez az összehasonlító invertáló és nem invertáló bemenete, amelyre a hibaerősítő épül. Egyszerű szavakkal: minél nagyobb az INV feszültség, annál hosszabb a kimeneti impulzus és fordítva. A kimeneti visszacsatoló áramkör feszültségválasztójának jele hozzá van kötve. Ezután a nem invertáló NONINV bemenet csatlakozik egy közös vezetékhez - GND.

• EAOUT vagy hibaerősítő kimenet Rus. Hibaerősítő kimenet. Annak ellenére, hogy vannak a hibaerősítő bemenetei, és ezek segítségével elvileg beállíthatja a kimeneti paramétereket, de a vezérlő elég lassan reagál erre. Lassú reakció eredményeként áramkör gerjesztés léphet fel, és nem fog sikerülni. Ezért ebből a tűből a jelek frekvenciafüggő áramkörökön keresztül kerülnek az INV-be. Ezt a hibaerősítő frekvenciakorrekciójának is nevezik.

Példák valódi eszközökre

Az információk konszolidálása érdekében nézzünk meg néhány példát a tipikus PWM vezérlőkre és azok kapcsolási sémáira. Ezt két mikrochip felhasználásával hajtjuk végre, mint például:

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

• UC3843.

Ezeket aktívan használják. a számítógépek tápegységeiben. Mellesleg, ezeknek a tápegységeknek nagy teljesítményük van (legalább 100 W a 12 V-os buszon). Gyakran donorként használják laboratóriumi tápegységre vagy univerzális nagyteljesítményű töltőre való átalakításhoz, például autóakkumulátorokhoz.

TL494 - Áttekintés

Kezdjük a 494. chippel. Műszaki jellemzői:

TL494 pinout:

Ebben a konkrét példában a fent leírt következtetések nagy részét láthatja:

1. Az első hibakomparátor nem invertáló bemenete

2. Az első hibaelhárító bemeneti fordítása

3. Visszajelzés bevitele

4. Holt idő beállítási bemenet

5. Kimenet külső időmérő kondenzátor csatlakoztatásához

6. Időmérő ellenállás csatlakoztatására szolgáló kimenet

7. A chip teljes kimenete mínusz teljesítmény

8. Az első kimeneti tranzisztor kollektorának kimenete

9. Az első kimeneti tranzisztor emitterének kimenete

10. A második kimeneti tranzisztor emitterének kimenete

11. A második kimeneti tranzisztor kollektorának kimenete

12. Tápegység bemenet

13. A bemenet kiválasztja a chip együtemű vagy push-pull üzemmódját

14. A beépített 5 voltos feszültségforrás kimenete

15. A második hibakomparátor bemeneti fordítása

16. A második hibakomparátor nem invertáló bemenete

Az alábbi ábra egy példát mutat a számítógépes tápegységre ezen a chipen.

UC3843 - Áttekintés

Egy másik népszerű PWM a 3843 chip - számítógépet is épít, és nemcsak tápegységeket. Pinout alul található, amint láthatja, csak 8 következtetéssel rendelkezik, de ugyanazokat a funkciókat látja el, mint az előző IC.

Vajon:

UC3843 és 14 lábú esetben fordul elő, de sokkal ritkábban fordul elő. Vigyázzon a jelölésre - a további következtetéseket lemásolják, vagy nem használják (NC).

Megfejtjük a következtetések célját:

1. Komparátor bemenet (hibaerősítő).

2. Visszajelző feszültség bemenet. Ezt a feszültséget összehasonlítják az IC-n belüli referenciafeszültséggel.

3. Áramérzékelő. Ez egy ellenálláshoz van csatlakoztatva, amely a teljesítmény-tranzisztor és a közös vezeték között helyezkedik el. Szükség van a túlterhelések elleni védelemre.

4. Az időmérő RC áramkör. Segítségével beállítják az IC működési frekvenciáját.

5. Általános.

6. Kilépés. Vezérlő feszültség. Csatlakoztatva van a tranzisztor kapujához, itt van egy push-pull kimeneti fokozat az egyciklusú átalakító (egy tranzisztor) vezérléséhez, amely az alábbi ábrán látható.

7. A mikroáramkör feszültsége.

8. A referencia feszültségforrás kimenete (5 V, 50 mA).

Belső felépítése.

Gondoskodhat arról, hogy sok szempontból hasonló legyen a többi PWM vezérlőhöz.

Egyszerű tápegység az UC3842 készüléken

PWM beépített hálózati kapcsolóval

A beépített hálózati kapcsolóval rendelkező PWM vezérlőket mind a transzformátor kapcsoló tápegységeiben, mind pedig a bemenetekben használják transzformátor nélküli DC-DC átalakítók Buck, Boost és Buck-Boost.

Talán az egyik legsikeresebb példa a közös LM2596 mikroáramkör, amelynek alapján egy csomó átalakító található a piacon, az alább látható módon.

Egy ilyen mikroáramkör tartalmazza a fentiekben leírt összes műszaki megoldást, és az alacsony fogyasztású kapcsolók kimeneti fázisa helyett egy beépített kapcsoló van beépítve, amely 3A-ig képes ellenállni. Az átalakító belső felépítését az alábbiakban mutatjuk be.

Gondoskodhat arról, hogy lényegében nincsenek különösebb különbségek a benne foglaltaktól.

És itt van egy példa transzformátor tápellátása led-szalaghoz egy ilyen vezérlőn, amint láthatja, nincs bekapcsoló, hanem csak egy 5L0380R chip négy érintkezővel. Ebből következik, hogy bizonyos feladatokhoz egyszerűen nincs szükség a TL494 komplex áramkörére és rugalmasságára. Ez igaz az alacsony fogyasztású tápegységekre, ahol nincs külön követelmény a zajra és az interferenciára, és a kimeneti hullámzást egy LC szűrő elnyomhatja. Ez a tápegység LED-szalagok, laptopok, DVD-lejátszók és még sok más számára.

következtetés

A cikk elején azt mondták, hogy a PWM vezérlő olyan eszköz, amely modellezi az átlagos feszültség értékét az impulzus szélességének megváltoztatásával a visszacsatoló áramkörből származó jel alapján. Megjegyzem, hogy az egyes szerzők neve és osztályozása gyakran különbözik, néha egy egyszerű PWM feszültségszabályzót PWM vezérlőnek hívnak, és az ebben a cikkben ismertetett elektronikus áramkörök családját "Integrált alrendszer stabilizált impulzus-átalakítóknak" hívják. A név alapján a lényeg nem változik, de viták és félreértések merülnek fel.