Шта је ПВМ контролер, како је уређен и како функционише, врсте и шеме

Раније је за напајање уређаја коришћен круг са падајућим (или повећаним, или вијугавим) трансформатором, диодним мостом и филтром за изглађивање таласа. За стабилизацију кориштени су линеарни кругови на параметричким или интегрираним стабилизаторима. Главни недостатак била је мала ефикасност и велика тежина и димензије снажних напајања.

Сви савремени кућни електрични уређаји користе прекидачке напајање (УПС, УПС - иста ствар). Већина ових напајања користи ПВМ регулатор као главни управљачки елемент. У овом чланку ћемо размотрити његову структуру и сврху.

Дефиниција и главне предности

ПВМ контролер је уређај који садржи велики број решења за кола за управљање тастерима за укључивање. У овом случају, управљање се заснива на информацијама добивеним повратним круговима за струју или напон - то је неопходно за стабилизацију излазних параметара.

Понекад се ПВМ контролери називају ПВМ импулсни генератори, али не постоји начин за повезивање повратних кола, а они су погоднији за регулаторе напона него за обезбеђивање стабилног напајања уређаја. Међутим, у литератури и на Интернет порталима често можете наћи имена попут „ПВМ контролер, на НЕ555“ или „... он ардуино“ - ово није потпуно тачно из горе наведених разлога, они се могу користити само за контролу излазних параметара, али не и за њихову стабилизацију.

Скраћеница „ПВМ“ значи модулација ширине импулса једна је од метода модулације сигнала, не због величине излазног напона, већ због промене у ширини импулса. Као резултат, настаје симулирани сигнал због интеграције импулса помоћу Ц- или ЛЦ-ланаца, другим речима - услед заглађивања.

Закључак: ПВМ контролер - уређај који управља ПВМ сигналом.

Кључне карактеристике

За ПВМ сигнал могу се разликовати две главне карактеристике:

1. Пулсна фреквенција - о томе зависи радна фреквенција претварача. Типичне су фреквенције изнад 20 кХз, у ствари 40-100 кХз.

2. Радни циклус и циклус рада. То су две суседне количине које карактеришу исту ствар. Фактор пуњења може се означити словом С и радним циклусом Д.

С = 1 / Т,

где је Т период сигнала,

Т = 1 / ф

Д = Т / 1 = 1 / С

Важно:

Фактор испуњавања - део времена из периода када се на излазу регулатора генерише контролни сигнал, увек мањи од 1. Радни циклус је увек већи од 1. На фреквенцији од 100 кХз, период сигнала је 10 μс и кључ је отворен 2,5 μс, а онда је радни циклус 0,25, у процентима - 25%, а радни циклус је 4.

Такође је важно узети у обзир интерни дизајн и сврху управљања бројем тастера.

Разлике од линеарних шема губитака

Као што је већ споменуто, предност у односу на линеарна кола за пребацивање напајања је висока ефикасност (више од 80, а тренутно 90%). То је због следећег:

Претпоставимо да је заглађени напон након што је диодни мост 15В, струја оптерећења износи 1А. Морате добити стабилизовано 12В напајање. У ствари, линеарни стабилизатор је отпор који мења своју вредност у зависности од величине улазног напона како би се добио називни излазни напон - са малим одступањима (удјели волти) са промјенама улазног напона (јединице и десетине волти).

На отпорницима, као што знате, када електрична струја струји кроз њих, ослобађа се топлотна енергија. На линеарним стабилизаторима догађа се исти процес. Додељена снага биће једнака:

Губитак = (Уин-Уоут) * И

Пошто је у разматраном примеру струја оптерећења 1А, улазни напон 15В, а излазни напон 12В, израчунавамо губитке и ефикасност линеарног стабилизатора (Кренка или тип Л7812):

Губитак = (15В-12В) * 1А = 3В * 1А = 3В

Тада је ефикасност:

н = П корисно / П губитак

н = ((12В * 1А) / (15В * 1А)) 100% = (12 В / 15В) * 100% = 80%

Ако се, на пример, улазни напон повећа на 20 В, ефикасност ће се смањити:

н = 12/20 * 100 = 60%

И тако даље.

Главна карактеристика ПВМ-а је да је електроенергетски елемент, чак и ако је МОСФЕТ, или потпуно отворен или потпуно затворен и кроз њега не тече струја. Стога је губитак ефикасности само губитак проводљивости

(П = И2 * Рдсон)

И пребацивање губитака. Ово је тема за посебан чланак, тако да се нећемо задржавати на овом питању. Такође, долази до губитака у напајању у исправљачким диодама (улаз и излаз, ако је напајање мрежом), као и на проводницима, пасивним елементима филтера и још много тога.

Општа структура

Размотримо општу структуру апстрактног ПВМ контролера. Користио сам реч "апстрактно", јер су, генерално, све сличне, али њихова функционалност и даље може да варира у одређеним границама, у складу са тим ће се структура и закључци разликовати.

Унутар ПВМ контролера, као и у било којем другом ИЦ-у, налази се полуводички чип на којем се налази сложени круг. Регулатор укључује следеће функционалне јединице:

1. Генератор импулса.

2. Извор референтног напона. (ИОН)

3. кола за обраду повратног сигнала (ОС): појачавач грешака, компаратор.

4. Управљач импулса управља интегрисани транзисторидизајниран за контролу тастера за укључивање или тастера.

Број тастера за напајање који ПВМ контролер може да контролише зависи од његове намене. Најједноставнији повратни претварачи у свом кругу садрже 1 прекидач за напајање, полукружне склопове (пусх-пулл) - 2 прекидача, мост - 4.

Тип типке такође одређује избор ПВМ контролера. За контролу биполарног транзистора, главни захтев је да излаз управљачке струје ПВМ регулатора није нижи од струје транзистора подијељеног с Х21е, тако да се он може укључивати и искључити једноставним давањем импулса на базу. У овом случају ће то учинити већина контролера.

У случају менаџмента изоловани кључеви затварача (МОСФЕТ, ИГБТ) постоје одређене нијансе. За брзо искључивање потребно је испразнити капацитет затварача. Да бисте то учинили, излазни круг капије је направљен од два тастера - један је повезан на извор напајања са ИЦ излазом и контролише капију (укључује се транзистор), а други се поставља између излаза и земље, када треба да искључите транзистор напајања - први тастер се затвара, а други отвара, затвара се заклопите се на земљу и испразните је.

Занимљиво:

У неким ПВМ контролерима за напајање мале снаге (до 50 В), прекидачи за напајање се не користе интерно и екстерно. Пример - 5л0830Р

Генерално гледано, ПВМ контролер може бити представљен као компаратор, на једном улазу од кога се испоручује сигнал из повратног круга (ОС), а на други улаз се примењује променљиви сигнал у облику пиле. Када сигнал пиле достигне и премаши ОС сигнал по величини, на излазу компаратора настаје импулс.

Кад се сигнали на улазима промијене, ширина импулса се мијења. Рецимо да сте на напајање повезали снажног потрошача, а напон се смањио на његовом излазу, тада ће напон и ОС пасти. Тада ће се током већег дела периода уочити вишак сигнала пиле над ОС сигналом, а ширина импулса ће се повећавати. Све горе наведено се у одређеној мјери одражава на графовима.

Радна фреквенција генератора се подешава помоћу РЦ круга за подешавање фреквенције.

Функционални дијаграм ПВМ контролера који користи ТЛ494 као пример, ми ћемо га касније детаљније испитати. Додјела пинова и појединачни чворови описани су у сљедећем поднаслову.

Додјела пинова

ПВМ контролери доступни су у разним пакетима. Могу да имају закључке од три до 16 или више. Сходно томе, флексибилност употребе контролера зависи од броја закључака, тачније њихове сврхе.На пример, у популарном чипу УЦ3843 - најчешће 8 закључака, а у још иконичнијем - ТЛ494 - 16 или 24.

Стога размотримо типична имена закључака и њихову сврху:

• ГНД - општи закључак је повезан са минусом круга или с тлом.

• Уц (Вц) - снага микро-склопа.

• Уцц (Всс, Вцц) - Излаз за контролу снаге. Ако се напајање поклопи, онда је вероватно да се тастери за напајање неће потпуно отворити, па ће се због тога почети загревати и изгоревати. Закључак је потребан да би се искључио контролер у сличној ситуацији.

• ОУТ - као што име говори, ово је излаз контролера. Овде је приказан ПВМ управљачки сигнал за прекидаче за напајање. Горе смо споменули да претварачи различитих топологија имају различит број кључева. Назив излаза може се разликовати овисно о томе. На пример, у контролерима за полу-мостовне кругове, то се може назвати ХО и ЛО за горњи и доњи тастер, респективно. Истовремено, излаз може бити једноциклистични и пусх-пулл (са једним типком и два) - за управљање транзисторима са ефектом поља (види горе објашњење). Али сам контролер може бити за једноциклистичке и потисне-повлачне склопове - са једним и два излазна терминала, респективно. Ово је важно.

• Вреф - референтни напон, обично повезан са тлом путем малог кондензатора (микрофарадне јединице).

• ИЛИМ - сигнал са тренутног сензора. Потребно за ограничење излазне струје. Повезује се са круговима за повратне информације.

• ИЛИМРЕФ - подешава напон окидача ИЛИМ ногу

• СС - генерише се сигнал за меки старт регулатора. Дизајниран за несметан излаз у номинални режим. Кондензатор је постављен између њега и заједничке жице како би се осигурао несметан почетак.

• Ртцт - закључци за повезивање временског РЦ круга који одређује фреквенцију ПВМ сигнала.

• ЦЛОЦК - тактни импулси за синхронизацију неколико ПВМ контролера један с другим, тада је РЦ круг повезан само на главни контролер, а РТ славе са Вреф, ЦТ славе повезани су на заједнички.

• РАМП Је упоредни улаз. На њега се примјењује напонски пила, на примјер, с излаза Цт. Када она премаши вриједност напона на излазу за појачавање грешке, на излазу се појављује импулс који се искључује - ОУТ - основа за контролу ПВМ.

• ИНВ и НОНИНВ - Ово су инвертирајући и неинвертирајући улази компаратора на којем је уграђено појачало грешке. Једноставним речима: већи напон на ИНВ-у, дужи излазни импулси и обрнуто. На њега је спојен сигнал из делила напона у повратном кругу с излаза. Тада је неинвертирајући улаз НОНИНВ повезан на заједничку жицу - ГНД.

• ЕАОУТ или излазни појачало грешке Руски Грешка на излазу појачала. Упркос чињеници да постоје улази појачала за грешке и уз њихову помоћ, у начелу можете подесити излазне параметре, али регулатор на то реагује прилично споро. Као резултат споре реакције, може доћи до побуђења круга и неће успети. Стога се сигнали са овог пин-а шаљу на ИНВ преко фреквенцијски зависних кругова. То се такође назива корекција фреквенције појачала грешке.

Примери стварних уређаја

Да бисмо консолидовали информације, погледајмо неколико примера типичних ПВМ контролера и њихових схема пребацивања. То ћемо урадити користећи два микрочипа као пример:

• ТЛ494 (његови аналози: КА7500Б, КР1114ЕУ4, Схарп ИР3М02, УА494, Фујитсу МБ3759);

• УЦ3843.

Они се активно користе. у изворима напајања за рачунаре. Успут, ови извори напајања имају знатну снагу (100 В и више на 12В магистрали). Често се користи као донатор за претварање у лабораторијско напајање или универзални снажни пуњач, на пример за аутомобиле.

ТЛ494 - Преглед

Кренимо од 494. чипа. Његове техничке карактеристике:

Пиноут ТЛ494:

У овом конкретном примеру можете видети већину горе описаних закључака:

1. Неинвертирани улаз првог упоређивача грешака

2. Инвертирање улаза првог упоређивача грешака

3. Феедбацк инпут

4. Улаз за подешавање мртвог времена

5. Излаз за спајање спољног временског кондензатора

6. Излаз за повезивање временског отпорника

7. Укупан излаз чипа, минус снага

8. Излаз колектора првог излазног транзистора

9. Излаз емитера првог излазног транзистора

10. Излаз емитера другог излазног транзистора

11. Излаз колектора другог излазног транзистора

12. улаз напајања

13. Начин уноса за одабир једносмерног или пусх-пулл начина рада чипа

14. Излаз уграђеног референтног извора напона 5 волти

15. Инвертирање улаза другог компаратора грешака

16. Неинвертирани улаз другог компаратора грешака

На слици испод приказан је пример напајања рачунара на овом чипу.

УЦ3843 - Преглед

Други популарни ПВМ је чип 3843 - он такође гради рачунарске, а не само напајање. Његов пиноут се налази испод, као што можете видети, има само 8 закључака, али он обавља исте функције као и претходни ИЦ.

Занимљиво:

То се догађа у УЦ3843 и у случају од 14 стопа, али су много ређе. Обратите пажњу на обележавање - додатни закључци се дуплицирају или се не користе (НЦ).

Дешифрирамо сврху закључака:

1. Улаз компаратора (појачало грешке).

2. Улаз повратног напона. Овај напон се упоређује са референтним напоном унутар ИЦ.

3. Сензор струје. Повезана је са отпорником који стоји између напонског транзистора и заједничке жице. Неопходна је за заштиту од преоптерећења.

4. Временски РЦ круг. Уз његову помоћ подешава се радна фреквенција ИЦ-а.

5. Опште.

6. Излаз. Управљачки напон. Повезан је са капијом транзистора, овде је излазна фаза извлачења за контролу једноцикличног претварача (један транзистор), што се може видети на слици испод.

7. Напон микро круга.

8. Излаз референтног напона (5В, 50 мА).

Његова унутрашња структура.

Можете бити сигурни да је на много начина сличан осталим ПВМ контролерима.

Једноставно напајање на УЦ3842

ПВМ са интегрисаним прекидачем за напајање

ПВМ контролери са уграђеним прекидачем за напајање користе се како у напајању трансформатора, тако и у њима ДЦ-ДЦ претварачи без трансформатора Буцк, Боост и Буцк-Боост.

Можда је један од најуспешнијих примера уобичајени микро круг ЛМ2596, на основу којег можете пронаћи тону претварача на тржишту, као што је приказано у наставку.

Такав микро круг садржи сва горе описана техничка решења, уместо излазне фазе на прекидачима мале снаге у њега је уграђен прекидач за напајање који може да издржи струју до 3А. Унутрашња структура таквог претварача приказана је доле.

Можете бити сигурни да у суштини нема неких посебних разлика од оних које су у њему разматране.

Ево примера напајање трансформатора за лед траку на таквом регулатору, као што видите, не постоји прекидач за напајање, већ само чип 5Л0380Р са четири пина. Из тога слиједи да у одређеним задацима сложено коло и флексибилност ТЛ494 једноставно нису потребни. То важи за напајања са малом снагом, где не постоје посебни захтеви за буком и сметњама, а излазни ваљак се може сузбити ЛЦ филтром. Ово је напајање за ЛЕД траке, лаптопове, ДВД плејере и још много тога.

Закључак

На почетку чланка је речено да је ПВМ контролер уређај који симулира просјечну вриједност напона мијењајући ширину импулса на основу сигнала из повратног круга. Примјећујем да су имена и класификације сваког аутора често различите, понекад се једноставни ПВМ регулатор напона назива ПВМ регулатор, а породица електронских кола описана у овом чланку назива се „интегрисани подсистем за стабилизоване претвараче импулса“. Из имена се суштина не мења, већ настају спорови и неспоразуми.