Mikä on PWM-ohjain, miten se on järjestetty ja toimii, tyypit ja kaaviot

Aikaisemmin laitteiden virrankäyttöön käytettiin piiriä, jossa oli askelmainen (tai tehostettava, tai monikäämitysinen) muuntaja, diodisilta ja suodatin aaltojen tasoittamiseksi. Vakauttamiseen käytettiin lineaarisia piirejä parametrisissa tai integroiduissa stabilisaattoreissa. Suurin haittapuoli oli tehokkaiden virtalähteiden alhainen hyötysuhde, suuri paino ja mitat.

Kaikki nykyaikaiset kodinkoneet käyttävät kytkentävirtalähteitä (UPS, UPS - sama asia). Suurin osa näistä virtalähteistä käyttää PWM-ohjainta pääohjauselementtinä. Tässä artikkelissa tarkastellaan sen rakennetta ja tarkoitusta.

Määritelmä ja tärkeimmät edut

PWM-ohjain on laite, joka sisältää useita piirijärjestelmiä virta-avainten hallintaan. Tässä tapauksessa ohjaus perustuu tietoihin, jotka on saatu virran tai jännitteen palautuspiireistä - tämä on tarpeen lähtöparametrien vakauttamiseksi.

Joskus PWM-ohjaimia kutsutaan PWM-pulssigeneraattoreiksi, mutta takaisinkytkentäpiirejä ei voida yhdistää, ja ne soveltuvat paremmin jännitesäätimiin kuin vakaan virransyötön varmistamiseen laitteille. Kirjallisuudesta ja Internet-portaaleista löydät kuitenkin usein nimiä, kuten “PWM-ohjain, NE555: llä” tai “... arduinolla” - tämä ei ole totta yllä olevista syistä, niitä voidaan käyttää vain lähtöparametrien ohjaamiseen, mutta ei niiden vakauttamiseen.

Lyhenne "PWM" tarkoittaa pulssinleveyden modulointi on yksi menetelmistä signaalin moduloimiseksi, joka ei johdu lähtöjännitteen suuruudesta vaan pikemminkin pulssien leveyden muutoksesta. Seurauksena muodostuu simuloitu signaali johtuen pulssien integroitumisesta käyttämällä C- tai LC-ketjuja, toisin sanoen - tasoituksesta johtuen.

Johtopäätös: PWM-ohjain - laite, joka ohjaa PWM-signaalia.

Tärkeimmät ominaisuudet

PWM-signaalille voidaan erottaa kaksi pääominaisuutta:

1. Pulssitaajuus - muuntimen toimintataajuus riippuu tästä. Tyypillisiä ovat yli 20 kHz: n taajuudet, itse asiassa 40 - 100 kHz.

2. Käyttösykli ja käyttöjakso. Nämä ovat kaksi vierekkäistä suuruutta, jotka kuvaavat samaa asiaa. Täyttökerroin voidaan merkitä kirjaimella S ja työjaksolla D.

S = 1 / T,

missä T on signaalijakso,

T = 1 / f

D = T / 1 = 1 / S

On tärkeää:

Täyttökerroin - osa ajasta, joka alkaa siitä, kun ohjaussignaali generoidaan ohjaimen ulostulossa, aina alle 1. Tehojakso on aina suurempi kuin 1. 100 kHz: n taajuudella signaalijakso on 10 μs ja näppäin on auki 2,5 μs, sitten työsykli on 0,25, prosenttia - 25%, ja työsykli on 4.

On myös tärkeää ottaa huomioon hallittujen näppäinten lukumäärän sisäinen suunnittelu ja tarkoitus.

Eroa lineaaristen tappiojärjestelmien suhteen

Kuten jo mainittiin, etu lineaarisiin piireihin nähden virtalähteiden kytkemistä varten on korkea hyötysuhde (yli 80, ja tällä hetkellä 90%). Tämä johtuu seuraavista:

Oletetaan, että tasoitettu jännite diodisillan ollessa 15 V, kuormavirta on 1A. Sinun on saatava vakautettu 12 V: n virtalähde. Itse asiassa lineaarinen stabilisaattori on vastus, joka muuttaa arvoaan tulojännitteen suuruudesta riippuen nimellislähtöjännitteen saamiseksi - pienillä poikkeamilla (voltin murto-osilla) tulojännitteen (yksiköiden ja kymmenien volttien) muutoksilla.

Vastuksissa, kuten tiedät, kun sähkövirta virtaa niiden läpi, lämpöenergia vapautuu. Lineaarisissa stabilisaattoreissa tapahtuu sama prosessi. Jaettu teho on yhtä suuri kuin:

Tappio = (Uin-Uout) * I

Koska tarkastellussa esimerkissä kuormavirta on 1A, tulojännite on 15V ja lähtöjännite on 12V, sitten lasketaan lineaarisen stabilisaattorin (Krenka tai tyyppi L7812) häviöt ja hyötysuhde:

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

Silloin tehokkuus on:

n = P hyödyllinen / P häviö

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

Jos tulojännite nousee esimerkiksi 20 V: iin, hyötysuhde laskee:

n = 12/20 * 100 = 60%

Ja niin edelleen.

PWM: n pääominaisuus on, että voimaelementti, vaikka se olisikin MOSFET, on joko täysin auki tai täysin suljettu eikä sen läpi virtaa virtaa. Siksi hyötysuhteen menetys johtuu vain johtavuuden menetyksestä

(P = I2 * Rdson)

Ja tappioiden vaihtaminen. Tämä on erillisen artikkelin aihe, joten emme pidä tätä asiaa. Myös virransyöttöhäviöitä tapahtuu tasasuuntaisissa diodeissa (tulo ja lähtö, jos virtalähde on verkkovirta), samoin kuin johtimissa, passiivisissa suodatinelementeissä ja muissa.

Yleinen rakenne

Mieti abstraktin PWM-ohjaimen yleistä rakennetta. Käytin sanaa "abstrakti", koska yleensä ne ovat kaikki samanlaisia, mutta niiden toiminnallisuus voi silti vaihdella tietyissä rajoissa, joten rakenne ja päätelmät eroavat toisistaan.

PWM-ohjaimen sisällä, kuten missä tahansa muussakin IC: ssä, on puolijohdepiiri, jolla kompleksinen piiri sijaitsee. Säädin sisältää seuraavat toiminnalliset yksiköt:

1. Pulssigeneraattori.

2. Vertailujännitteen lähde. (ION)

3. Piirit takaisinkytkentäsignaalin (OS) käsittelemiseksi: virhevahvistin, vertailu.

4. Pulssigeneraattori ohjaa integroidut transistoritsuunniteltu virtanäppäimen tai näppäinten ohjaamiseen.

Virtapainikkeiden lukumäärä, jota PWM-ohjain voi ohjata, riippuu sen tarkoituksesta. Piirin yksinkertaisimmissa flyback-muuntimissa on 1 virtakytkin, puolisiltapiirit (push-pull) - 2 kytkintä, silta - 4.

Avaintyyppi määrää myös PWM-ohjaimen valinnan. Bipolaarisen transistorin ohjaamiseksi tärkein vaatimus on, että PWM-ohjaimen ohjausvirran lähtö ei ole pienempi kuin transistorin virta jaettuna H21e: llä, joten se voidaan kytkeä päälle ja pois päältä yksinkertaisesti kohdistamalla pulsseja kantaan. Tässä tapauksessa suurin osa ohjaimista tekee.

Jos kyseessä on hallinto eristetyt sulkimen avaimet (MOSFET, IGBT) on tiettyjä vivahteita. Nopea sulkeminen edellyttää, että suljinkapasiteetti on tyhjennetty. Tätä varten portin lähtöpiiri on valmistettu kahdesta avaimesta - yksi niistä on kytketty virtalähteeseen IC-lähdöllä ja ohjaa porttia (kytkee transistorin päälle), ja toinen asennetaan lähtö- ja maan väliin, kun joudut sammuttamaan tehotransistorin - ensimmäinen näppäin sulkeutuu, toinen aukeaa, sulkeutuu suljin maahan ja purkaa sen.

Ihmettelen:

Joissakin pienitehoisten (enintään 50 W) virtalähteiden PWM-ohjaimissa virtakytkimiä ei käytetä sisäisesti eikä ulkoisesti. Esimerkki - 510830R

Yleisesti ottaen PWM-ohjain voidaan edustaa vertailijana, jonka yhdelle tulolle syötetään takaisinkytkentäpiirin (OS) signaali ja toiseen tuloon viedään saha-hampaisen muotoinen vaihtosignaali. Kun sahanhammasignaali saavuttaa ja ylittää käyttöjärjestelmän signaalin suurennuksella, komparaattorin ulostulossa syntyy impulssi.

Kun tulojen signaalit muuttuvat, pulssin leveys muuttuu. Oletetaan, että olet kytkenyt voimakkaan kuluttajan virtalähteeseen ja jännite kastettu sen ulostuloon, niin myös käyttöjärjestelmän jännite laskee. Tällöin suurimmassa osassa jaksoa havaitaan sahanhammasignaalin ylimäärä OS-signaalin yli ja pulssin leveys kasvaa. Kaikki yllä oleva heijastuu jossain määrin kaavioihin.

Generaattorin toimintataajuus säädetään taajuutta säätävällä RC-piirillä.

Esimerkiksi TL494: tä käyttävän PWM-ohjaimen toimintakaavio, tutkimme sitä myöhemmin yksityiskohtaisemmin. Tappien osoittaminen ja yksittäiset solmut kuvataan seuraavassa alaotsikossa.

Tappimääritys

PWM-ohjaimet ovat saatavana eri paketteina. Heillä voi olla johtopäätöksiä kolmesta 16: een tai enemmän. Vastaavasti ohjaimen käytön joustavuus riippuu päätelmien lukumäärästä tai pikemminkin niiden tarkoituksesta.Esimerkiksi suositussa sirussa UC3843 - useimmiten 8 johtopäätöstä, ja vieläkin ikonimmassa - TL494 - 16 tai 24.

Siksi tarkastelemme päätelmien tyypillisiä nimiä ja niiden tarkoitusta:

• GND - yleinen johtopäätös liittyy piirin miinuskoon tai maahan.

• Uc (Vc) - mikropiirin teho.

• Ucc (Vss, Vcc) - Lähtö tehonsäätöön. Jos virta laskee, on todennäköistä, että virta-avaimet eivät avaudu kokonaan, ja sen vuoksi ne alkavat kuumentua ja palaa. Johtopäätös tarvitaan ohjaimen poistamiseksi käytöstä samanlaisessa tilanteessa.

• OUT - kuten nimestä voi päätellä, tämä on ohjaimen lähtö. Virtakytkimien PWM-ohjaussignaali näytetään tässä. Mainitsimme edellä, että eri topologioiden muuntimilla on eri lukumäärä avaimia. Lähdön nimi voi vaihdella siitä riippuen. Esimerkiksi puolisillan piirien ohjaimissa sitä voidaan kutsua vastaavasti ylempänä ja alanäppäimenä HO: ksi ja LO: ksi. Samaan aikaan lähtö voi olla yksisyklinen ja push-pull (yhdellä näppäimellä ja kahdella) - kenttätehostetransistorien ohjaamiseksi (katso yllä oleva selitys). Mutta itse ohjain voi olla yhden jakson ja push-pull-piirejä varten - vastaavasti yhdellä ja kahdella lähtöliittimellä. Tämä on tärkeää.

• vref - jänniteohje, joka yleensä kytketään maahan pienen kondensaattorin (mikroradioyksiköt) kautta.

• ILIM - signaali nykyisestä anturista. Tarvitaan lähtövirran rajoittamiseksi. Yhdistetään palautepiireihin.

• ILIMREF - se asettaa ILIM-jalan laukaisujännitteen

• SS - signaali generoidaan ohjaimen pehmeälle käynnistykselle. Suunniteltu sujuvalle poistumiselle nimellismoodiin. Kondensaattori on asennettu sen ja yhteisen johtimen väliin sujuvan käynnistyksen varmistamiseksi.

• RtCt - päätelmät ajoitus-RC-piirin kytkemisestä, joka määrittää PWM-signaalin taajuuden.

• KELLO - kellopulssit useiden PWM-ohjaimien synkronoimiseksi keskenään, sitten RC-piiri kytketään vain pääohjaimeen ja RT-orjat, joissa Vref, CT-orjat, on kytketty yhteiseen.

• RAMP Onko vertailutulo. Sahahammasjännite kohdistetaan siihen esimerkiksi Ct: n lähdöstä. Kun se ylittää virheenvahvistimen lähdössä olevan jännitteen arvon, OUT: iin ilmestyy katkaisupulssi - PWM-ohjauksen perusta.

• INV ja NONINV - Tämä on vertailijan käänteinen ja ei-käänteinen tulo, johon virhevahvistin on rakennettu. Yksinkertaisin sanoin: mitä suurempi INV-jännite, sitä pidemmät lähtöpulssit ovat ja päinvastoin. Lähdön takaisinkytkentäpiirin jännitteenjakajan signaali on kytketty siihen. Sitten ei-kääntävä tulo NONINV on kytketty yhteiseen johtoon - GND.

• EAOUT tai virhevahvistimen lähtö Rus. Virhevahvistimen lähtö. Huolimatta siitä, että virhevahvistimessa on tuloja ja niiden avulla periaatteessa voit säätää lähtöparametreja, mutta ohjain reagoi tähän melko hitaasti. Hitaan reaktion seurauksena piirin viritys voi tapahtua ja se epäonnistuu. Siksi tämän navan signaalit lähetetään INV: lle taajuudesta riippuvien piirien kautta. Tätä kutsutaan myös virhevahvistimen taajuudenkorjaukseksi.

Esimerkkejä oikeista laitteista

Tietojen yhdistämiseksi tarkastellaan muutamia esimerkkejä tyypillisistä PWM-ohjaimista ja niiden kytkentäjärjestelyistä. Teemme tämän käyttämällä esimerkkejä kahdesta mikrosirusta:

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

• UC3843.

Niitä käytetään aktiivisesti. tietokoneiden virtalähteissä. Muuten, näillä virtalähteillä on huomattava teho (100 W ja enemmän 12 V-väylässä). Käytetään usein luovuttajana muuntamiseen laboratorion virtalähteeksi tai universaaliksi laturiksi, esimerkiksi autoakkuihin.

TL494 - yleiskatsaus

Aloitetaan 494. chipillä. Sen tekniset ominaisuudet:

Pinout TL494:

Tässä nimenomaisessa esimerkissä voit nähdä suurimman osan edellä kuvatuista päätelmistä:

1. Ensimmäisen virhevertailun tulo, joka ei käännä

2. Ensimmäisen virhevertailun tulon kääntäminen

3. Palautteen syöttö

4. Kuollut ajan säätö

5. Lähtö ulkoisen ajoituskondensaattorin kytkemiseksi

6. Lähtö ajastimen vastuksen kytkemiseen

7. Sirun kokonaislähtö, miinus teho

8. Ensimmäisen lähtötransistorin kollektorin lähtö

9. Ensimmäisen lähtötransistorin emitterin lähtö

10. Toisen lähtötransistorin emitterin lähtö

11. Toisen lähtötransistorin kollektorin lähtö

12. Virtalähteen sisääntulo

13. Tulo valitsee sirun yhden tahdin tai push-pull-toimintatavan

14. Sisäänrakennetun referenssijännitelähteen 5 voltin lähtö

15. Toisen virhevertailun tulon kääntäminen

16. Toisen virhevertailun invertoimaton tulo

Seuraavassa kuvassa on esimerkki tämän sirun tietokoneen virtalähteestä.

UC3843 - yleiskatsaus

Toinen suosittu PWM on 3843-siru - se myös rakentaa tietokonetta eikä vain virtalähteitä. Sen pinout sijaitsee alapuolella, kuten voit huomata, sillä on vain 8 johtopäätöstä, mutta se suorittaa samat toiminnot kuin edellinen IC.

Ihmettelen:

Se tapahtuu UC3843: ssa ja 14-jalkaisessa tapauksessa, mutta ovat paljon vähemmän yleisiä. Huomioi merkinnät - lisäpäätelmät joko kopioidaan tai niitä ei käytetä (NC).

Salamme päätelmien tarkoituksen:

1. Vertailutulo (virhevahvistin).

2. Palautteen jännitetulo. Tätä jännitettä verrataan virtajännitteeseen IC: n sisällä.

3. Virta-anturi. Se on kytketty vastukseen, joka seisoo tehotransistorin ja yhteisen johtimen välissä. Se on tarpeen ylikuormituksilta suojaamiseksi.

4. Ajoitus RC -piiri. Sen avulla IC: n toimintataajuus asetetaan.

5. Yleistä.

6. Poistu. Ohjausjännite. Se on kytketty transistorin porttiin, tässä on push-pull-lähtövaihe yksisyklisen muuntimen (yhden transistorin) ohjaamiseksi, mikä näkyy alla olevassa kuvassa.

7. Mikropiirin jännite.

8. Vertailujännitelähteen lähtö (5 V, 50 mA).

Sen sisäinen rakenne.

Voit varmistaa, että se on monin tavoin samanlainen kuin muut PWM-ohjaimet.

Yksinkertainen virtalähdepiiri UC3842: lla

PWM integroidulla virtakytkimellä

PWM-ohjaimia, joissa on sisäänrakennettu virtakytkin, käytetään sekä muuntajan kytkentävirtalähteissä että sisäänmenossa muuntajattomat DC-DC-muuntimet Buck, Boost ja Buck-Boost.

Ehkä yksi menestyneimmistä esimerkeistä on yleinen LM2596-mikropiiri, jonka perusteella löydät markkinoilta tonnin muuntajia, kuten alla on esitetty.

Tällainen mikropiiri sisältää kaikki edellä kuvatut tekniset ratkaisut, ja pienitehoisten kytkinten lähtövaiheen sijasta on sisäänrakennettu virtakytkin, joka kestää 3A: n virran. Tällaisen muuntimen sisäinen rakenne on esitetty alla.

Voit varmistaa, että pohjimmiltaan ei ole erityisiä eroja siinä tarkastelluista.

Ja tässä on esimerkki muuntajan virtalähde led-nauhoille sellaisessa ohjaimessa, kuten voit nähdä, ei ole virtakytkintä, vaan vain 5L0380R-siru, jolla on neljä nastaa. Tästä seuraa, että tietyissä tehtävissä TL494: n monimutkaista piiristöä ja joustavuutta ei yksinkertaisesti tarvita. Tämä pätee pienitehoisiin virtalähteisiin, joissa ei ole erityisiä vaatimuksia kohinalle ja häiriöille, ja ulostulon aaltoilu voidaan estää LC-suodattimella. Tämä on LED-nauhojen, kannettavien tietokoneiden, DVD-soittimien ja muun virtalähde.

johtopäätös

Artikkelin alussa sanottiin, että PWM-ohjain on laite, joka simuloi keskimääräistä jännitearvoa muuttamalla pulssin leveyttä takaisinkytkentäpiirin signaalin perusteella. Huomautan, että kunkin kirjoittajan nimet ja luokittelu ovat usein erilaisia, joskus yksinkertaista PWM-jännitesäädintä kutsutaan PWM-ohjaimeksi, ja tässä artikkelissa kuvattua elektronisten piirien perhettä kutsutaan "integroituksi alijärjestelmäksi stabiloitujen pulssimuuntimien". Nimestä olemus ei muutu, mutta riitoja ja väärinkäsityksiä syntyy.