Наиболее простой метод регулирования скорости вращения двигателя постоянного тока основан на использовании широтно-импульсной модуляции (ШИМ или PWM). Суть этого метода заключается в том, что напряжение питания подается на двигатель в виде импульсов. При этом частота следования импульсов остается постоянной, а их длительность может меняться.
ШИМ сигнал характеризуется таким параметром как коэффициент заполнения или Duty cycle. Это величина обратная скважности и равна отношению длительности импульса к его периоду.
D = (t/T) * 100%
На рисунках ниже изображены ШИМ сигналы с различными коэффициентами заполнения.
При таком методе управления скорость вращения двигателя будет пропорциональна коэффициенту заполнения ШИМ сигнала.
Простая схема управления двигателем постоянного тока
Простейшая схема управления двигателем постоянного тока состоит из полевого транзистора, на затвор которого подается ШИМ сигнал. Транзистор в данной схеме выполняет роль электронного ключа, коммутирующего один из выводов двигателя на землю. Транзистор открывается на момент длительности импульса.
Как будет вести себя двигатель в таком включении? Если частота ШИМ сигнала будет низкой (единицы Гц), то двигатель будет поворачиваться рывками. Это будет особенно заметно при маленьком коэффициенте заполнения ШИМ сигнала.
При частоте в сотни Гц мотор будет вращаться непрерывно и его скорость вращения будет изменяться пропорционально коэффициенту заполнения. Грубо говоря, двигатель будет "воспринимать" среднее значение подводимой к нему энергии.
Схема для генерации ШИМ сигнала
Существует много схем для генерации ШИМ сигнала. Одна из самых простых - это схема на основе 555-го таймера. Она требует минимум компонентов, не нуждается в настройке и собирается за один час.
Напряжение питания схемы VCC может быть в диапазоне 5 - 16 Вольт. В качестве диодов VD1 - VD3 можно взять практически любые диоды.
Если интересно разобраться, как работает эта схема, нужно обратиться к блок схеме 555-го таймера. Таймер состоит из делителя напряжения, двух компараторов, триггера, ключа с открытым коллектором и выходного буфера.
Вывод питания (VCC) и сброса (Reset) у нас заведены на плюс питания, допустим, +5 В, а земляной (GND) на минус. Открытый коллектор транзистора (вывод DISCH) подтянут к плюсу питания через резистор и с него снимается ШИМ сигнал. Вывод CONT не используется, к нему подключен конденсатор. Выводы компараторов THRES и TRIG объединены и подключены к RC цепочке, состоящей из переменного резистора, двух диодов и конденсатора. Средний вывод переменного резистора подключен к выводу OUT. Крайние выводы резистора подключены через диоды к конденсатору, который вторым выводом подключен к земле. Благодаря такому включению диодов, конденсатор заряжается через одну часть переменного резистора, а разряжается через другую.
В момент включения питания на выводе OUT низкий логический уровень, тогда на выводах THRES и TRIG, благодаря диоду VD2, тоже будет низкий уровень. Верхний компаратор переключит выход в ноль, а нижний в единицу. На выходе триггера установится нулевой уровень (потому что у него инвертор на выходе), транзисторный ключ закроется, а на выводе OUT установиться высокий уровень (потому что у него на инвертор на входе). Далее конденсатор С3 начнет заряжаться через диод VD1. Когда она зарядится до определенного уровня, нижний компаратор переключится в ноль, а затем верхний компаратор переключит выход в единицу. На выходе триггера установится единичный уровень, транзисторный ключ откроется, а на выводе OUT установится низкий уровень. Конденсатор C3 начнет разряжаться через диод VD2, до тех пор, пока полностью не разрядится и компараторы не переключат триггер в другое состояние. Далее цикл будет повторяться.
Приблизительную частоту ШИМ сигнала, формируемого этой схемой, можно рассчитать по следующей формуле:
F = 1.44/(R1*C1), [Гц]
где R1 в омах, C1 в фарадах.
При номиналах указанных на схеме выше, частота ШИМ сигнала будет равна:
F = 1.44/(50000*0.0000001) = 288 Гц.
ШИМ регулятор оборотов двигателя постоянного тока
Объединим две представленные выше схемы, и мы получим простую схему регулятора оборотов двигателя постоянного тока, которую можно применить для управления оборотами двигателя игрушки, робота, микродрели и т.д.
VT1 - полевой транзистор n-типа, способный выдерживать максимальный ток двигателя при заданном напряжении и нагрузке на валу. VCC1 от 5 до 16 В, VCC2 больше или равно VCC1.
Вместо полевого транзистора можно использовать биполярный n-p-n транзистор, транзистор дарлингтона, оптореле соответствующей мощности.
Потребовалось мне сделать регулятор скорости для пропеллера. Чтобы дым от паяльника сдувать, да морду лица вентилировать. Ну и, для прикола, уложить все в минимальную стоимость. Проще всего маломощный двигатель постоянного тока, конечно, регулировать переменным резистором, но найти резюк на такой малый номинал, да еще нужной мощности это надо сильно постараться, да и стоить он будет явно не десять рублей. Поэтому наш выбор ШИМ + MOSFET.
Ключ я взял IRF630
. Почему именно этот MOSFET
? Да просто у меня их откуда то завелось штук десять. Вот и применяю, так то можно поставить что либо менее габаритное и маломощное. Т.к. ток тут вряд ли будет больше ампера, а IRF630
способен протащить через себя под 9А. Зато можно будет сделать целый каскад из вентиляторов, подсоединив их к одной крутилке — мощи хватит:)
Теперь пришло время подумать о том, чем мы будем делать ШИМ
. Сразу напрашивается мысль — микроконтроллером. Взять какой-нибудь Tiny12 и сделать на нем. Мысль я эту отбросил мгновенно.
- Тратить такую ценную и дорогую деталь на какой то вентилятор мне западло. Я для микроконтроллера поинтересней задачу найду
- Еще софт под это писать, вдвойне западло.
- Напряжение питания там 12 вольт, понижать его для питания МК до 5 вольт это вообще уже лениво
- IRF630 не откроется от 5 вольт, поэтому тут пришлось бы еще и транзистор ставить, чтобы он подавал высокий потенциал на затвор полевика. Нафиг нафиг.
Операционные усилители можно отбросить сразу. Дело в том, что у ОУ общего назначения уже после 8-10кГц, как правило, предельное выходное напряжение
начинает резко заваливаться, а нам надо полевик дрыгать. Да еще на сверхзвуковой частоте, чтобы не пищало.
ОУ лишенные такого недостатка стоят столько, что на эти деньги можно с десяток крутейших микроконтроллеров купить. В топку!
Остаются компараторы, они не обладают способностью операционника плавно менять выходное напряжение, могут только сравнивать две напруги и замыкать выходной транзистор по итогам сравнения, но зато делают это быстро и без завала характеристики. Пошарил по сусекам и компараторов не нашел. Засада! Точнее был LM339 , но он был в большом корпусе, а впаивать микросхему больше чем на 8 ног на такую простую задачу мне религия не позволяет. В лабаз тащиться тоже было влом. Что делать?
И тут я вспомнил про такую замечательную вещь как аналоговый таймер — NE555
. Представляет собой своеобразный генератор, где можно комбинацией резисторов и конденсатором задавать частоту, а также длительность импульса и паузы. Сколько на этом таймере разной хрени сделали, за его более чем тридцатилетнюю историю… До сих пор эта микросхема, несмотря на почтенный возраст, штампуется миллионными тиражами и есть практически в каждом лабазе по цене в считанные рубли. У нас, например, он стоит около 5 рублей. Порылся по сусекам и нашел пару штук. О! Щас и замутим.
 |
Как это работает
Если не вникать глубоко в структуру таймера 555, то несложно. Грубо говоря, таймер следит за напряжением на конденсаторе С1, которое снимает с вывода THR
(THRESHOLD — порог). Как только оно достигнет максимума (кондер заряжен), так открывается внутренний транзистор. Который замыкает вывод DIS
(DISCHARGE — разряд) на землю. При этом на выходе OUT
появляется логический ноль. Конденсатор начинает разряжаться через DIS
и когда напряжение на нем станет равно нулю (полный разряд) система перекинется в противоположное состояние — на выходе 1, транзистор закрыт. Конденсатор начинает снова заряжаться и все повторяется вновь.
Заряд конденсатора С1 идет по пути: «R4->верхнее плечо R1 ->D2
«, а разряд по пути: D1 -> нижнее плечо R1 -> DIS
. Когда мы крутим переменный резистор R1 то у нас меняются соотношения сопротивлений верхнего и нижнего плеча. Что, соответственно, меняет отношение длины импульса к паузе.
Частота задается в основном конденсатором С1 и еще немного зависит от величины сопротивления R1.
Резистор R3 обеспечивает подтяжку выхода к высокому уровню — так так там выход с открытым коллектором. Который не способен самостоятельно выставить высокий уровень.
Диоды можно ставить любые совершенно, кондеры примерно такого номинала, отклонения в пределах одного порядка не влияют особо на качество работы. На 4.7нанофарадах, поставленных в С1, например, частота снижается до 18кГц, но ее почти не слышно, видать слух у меня уже не идеальный:(
Покопался в закромах, которая сама расчитывает параметры работы таймера NE555 и собрал схему оттуда, для астабильного режима со коэффициентом заполнения меньше 50%, да вкрутил там вместо R1 и R2 переменный резистор, которым у меня менялась скважность выходного сигнала. Надо только обратить внимание на то, что выход DIS (DISCHARGE) через внутренний ключ таймера подключен на землю, поэтому нельзя было его сажать напрямую к потенциометру , т.к. при закручивании регулятора в крайнее положение этот вывод бы сажался на Vcc. А когда транзистор откроется, то будет натуральное КЗ и таймер с красивым пшиком испустит волшебный дым, на котором, как известно, работает вся электроника. Как только дым покидает микросхему — она перестает работать. Вот так то. Посему берем и добавляем еще один резистор на один килоом. Погоды в регулировании он не сделает, а от перегорания защитит.
Сказано — сделано. Вытравил плату, впаял компоненты:
Снизу все просто.
Вот и печатку прилагаю, в родимом Sprint Layout —
А это напряжение на движке. Видно небольшой переходный процесс. Надо кондерчик поставить в параллель на пол микрофарады и его сгладит.
Как видно, частота плывет — оно и понятно, у нас ведь частота работы зависит от резисторов и конденсатора, а раз они меняются, то и частота уплывает, но это не беда. Во всем диапазоне регулирования она ни разу не влазит в слышимый диапазон. А вся конструкция обошлась в 35 рублей, не считая корпуса. Так что — Profit!
Непонимание работы ШИМ или PWM (Pulse-width modulation ) часто приводит не только к их неправильному использованию, но даже к ошибкам в проектировании устройств использующих ШИМ для управления. Здесь, ограничившись конкретным применением, я попытаюсь рассказать что такое ШИМ, для чего она требуется и как работает.
Сначала, что такое ШИМ.
Когда нужна ШИМ
Главной причиной применения ШИМ является необходимость обеспечить пониженным постояннымнапряжением силовых устройств электроники при сохранении высокого КПД, особенно в управляемых электроприводах.
Во внутренних сетях аппаратуры для питания устройств используется постоянное напряжение ограниченного набора напряжений, которые часто требуется изменить под требования конкретного устройства, стабилизировать или регулировать его. Это могут быть электроприводы постоянного тока, чипы, узлы радиоаппаратуры.
Регулировку можно осуществлять с помощью гасящих напряжение устройств: резисторов, транзисторов (если требуется регулировка). Главный недостаток такого решения потери мощности и повышенное тепловыделение на регулирующих устройствах.
Поскольку известно что выделяемая мощность равна:
P = I x U или P = I 2 x R Вт.
то чем больше ток I в цепи и падение напряжения U , тем больше потери мощности.Здесь R - величина сопротивления регулирующего элемента.
Представьте что требуется погасить хотя бы 3V при токе нагрузки 10A , это уже 30 Вт истраченных в пустую. А каждый ватт теряемой мощности не только снижает продолжительность работы источников питания, но и требует дополнительного оборудования для вывода выделяемого, этой мощностью, тепла.
Это относится к гасящим резисторам и полупроводниковым приборам тоже.
Но хорошо известно, что полупроводниковые приборы очень хорошо (с малыми потерями и тепловыделением) работают как ключи, когда имеют только два состояния открыт/закрыт.
Этот режим позволяет снизить потери на коммутирующем полупроводниковом приборе до уровня:
P max = I x U нас
U нас для современных полупроводниковых коммутаторов приближается к 0,3v и при потребляемых токах 10 А потери мощности будут приближаться к 3 Вт. Это в режиме ключа, а при работе в устройствах ШИМ и меньше.
|
В
ШИМ в качестве ключевых элементов использует полупроводниковые
приборы
в ключевом режиме, то есть транзистор всё время или разомкнут
(выключен), или замкнут (находится в состоянии насыщения). В первом случае транзистор имеет почти бесконечное сопротивление, поэтому ток в цепи весьма мал, и, хотя всё напряжение питания падает на транзисторе, выделяемая на транзисторе мощность практически равна нулю. Во втором случае сопротивление транзистора крайне мало, и, следовательно, падение напряжения на нём близко к нулю - выделяемая мощность также мала. В переходных состояниях (переход ключа из проводящего состояния в непроводящее и обратно) мощность выделяемая в ключе значительна, но так как длительность переходных состояний крайне мала, по отношению к периоду модуляции, то средняя мощность потерь на переключение оказывается незначительной. |
Реализовать преимущества ключевого режима в схемах понижающих и регулирующих напряжение постоянного тока, позволило использование ШИМ.
Повторюсь, широтно-импульсная модуляция - управление средним значением напряжения на интегрирующей нагрузке путём изменения скважностиимпульсов, с помощью управляющего ключа.
Работа ШИМ на интегрирующую нагрузку показана на рис. 1.
Рисунок 1
Главным условиям такого применения ШИМ является наличие интегрирующей нагрузки.
Потому что амплитудное значение напряжения равно E .
Это могут быть интегрирующая RC, LC, RLC или RL цепи и механические интеграторы (например электромотор).
При работе ШИМ на интегрирующей нагрузке напряжение - эквивалентное постоянное напряжение изменяется в зависимости от скважности (Q ) импульсов.
Q = t и /T < 1
здесь: Q - скважность, t и - длительность импульса, T - период следования импульсов.
С учетом скважности эквивалентное постоянное напряжение будет равно:
E экв = Q x E Вольт
здесь: E экв - эквивалентное постоянное напряжение (Вольт ), Q - скважность, E - напряжение источника от которого запитан ШИМ преобразователь (Вольт ).
Реально на зажимы нагрузки ШИМ подается напряжение равное E , а работа совершаемая электрическим током (или число оборотов электродвигателя) определяется именно E экв. При восстановлении на интегрирующем конденсаторе получаем именно напряжение E экв.
Мощность выделяемая на управляющем ключе, управляемом ШИМ равна:
P max = Q х I x U нас
Схема подключения нагрузки к ШИМ.
Никаких отличных от схемы включения электродвигателя на постоянном токе (частный случай нагрузки) схемных решений ШИМ не требует. Просто электродвичатель подключается к источнику питания работающего в режиме ШИМ. Разве что, в определенных ситуациях требуется ввести дополнительную фильтрацию помех возникающих на фронтах импульсов. Этот фильтр на рис. 2 в виде конденсаторов и демпфирующего диода.
Рисунок 2
На рис. 2 показано такое подключение.
Мы видим, что коммутатор (полевой транзистор) можно просто заменить на переменный резистор.
Схема PWM
В статье "Переходник для вентилятора 3 pin на 4 pin" http://de1fer.ru/?p=45#more-45 владелец блога приводит схему вентилятора с P WM .
Рисунок 3
здесь: GND - земля (общий), Control - контакт P WM управления, +12 - напряжение питания, Sense - вывод датчика оборотов.
В данной схеме управление возможно скорее постоянным током +I упр, чем ШИМ сигналом.
Для управления импульсным (ШИМ) сигналом требуется схема изображенная на рис. 4.Да и судя по параметрам транзистора "PWM" он выбирался именно для управления постоянным током. По крайней мере он будет нормально работать в таком режиме с вентилятором до 1,6 Вт.
Рисунок 4
А вот в импульсном режиме без конденсатора C , транзистор BC879 будет греться немного меньше чем на постоянном токе и возможен останов электродвигателя на малых длительностях токового импульса (малых оборотах) из-за его интегрирования на входной емкости C вх транзистора.
Основные параметры кремниевого биполярного высокочастотного n-p-n транзистора BC879 от SIEMENS
| Pc max | Ucb max | Uce max | Ueb max | Ic max | Tj max, °C | Ft max |
| 800mW | 100V | 80V | 5V | 1A | 150°C | 200MHz |
В случае необходимости отключить PWM (ШИМ) управление в схеме показанной на рис. 3 необходимо просто соединить вывод Control с проводом +12v .
Есть другой вариант схемы вентилятора с P WM на форуме Radeon.ru
Рисунок 5
Существенных отличий от рис. 3 нет, только в качестве управляемого ШИМ ключа используется МОП полевой транзистор со встроенным или индуцированным каналом p- типа. Данная схема тоже может управляться как P WM так и постоянным напряжением (но рисковать не стоит - надо знать параметры транзистора).
Данная схема вполне работоспособна и не имеет недостатков схемы показанной на рис. 3.
Для отключения (в зависимости от типа транзистора) достаточно соединить вывод Control с проводом + или -.
Вниманию самодельщиков!
В случае если Вас не устраивает алгоритм управления PWM встроенного на материнскую (системную) плату.
И у Вас есть устраивающий Вас реобас (контроллер управления вентилятором), то используйте вентилятор с 3-pin соединитель.
Если вентилятор с PWM вам дорог или не имеет замены - то необходимо отключить PWM , способом описанным выше, заменив соединитель 4-pin на 3-pin и подключить к реобасу.
Но помните применение вентилятора с PWM в любом нештатном режиме не позволит достичь его максимальной производительности.
Применение одновременно с PWM - токового управления на постоянном токе не рекомендуется по причине снижение напряжения питания вентилятора на 10-20%, что не даст вывести такой вентилятор на полную производительность.
Применение одновременно с PWM - ШИМ по цепи питания может привести к периодической нестабильности работы вентилятора (возможно возникновение скользящих биений между частотами PWM - ШИМ по цепи питания систем) и создать неоднозначность для систем оснащенных системой стабилизации оборотов. Кроме того как и в предыдущем случае на 10-15% снизится результирующее напряжение на вентиляторе, что не даст вывести такой вентилятор на полную производительность.
Так что остановитесь на чем-то одном. Или используйте вентилятор с PWM , или применяйте внешнее управление вентилятором по цепи питания на вентиляторе с 3-pin разъемом.
Заключение
Применение PWM или,как привыкли говорить мы, ШИМ повышает КПД понижающих напряжение устройств постоянного тока, что снижает общее тепловыделение электронных устройств с ШИМ.
ШИМ позволяет создавать компактные системы регулируемого электропривода постоянного тока большой мощности.
В современных устройствах постоянного тока управляющих напряжением и понижающих стабилизаторах напряжениях обычно регулировки выполняются с помощью ШИМ. Для этого выпускаются контроллеры требующие минимум навесных элементов.
Гасящим резисторам и реостатам сейчас можно сказать - прощай!
подготовил А.Сорокин,
Очередное электронное устройство широкого применения.
Представляет собой мощный ШИМ (PWM) регулятор с плавным ручным управлением. Работает на постоянном напряжении 10-50V (лучше не выходить за диапазон 12-40V) и подходит для регулирования мощности различных потребителей (лампы, светодиоды, двигатели, нагреватели) с максимальным током потребления 40А.
Прислали в стандартном мягком конверте
Корпус скрепляется на защёлках, которые легко ломаются, поэтому вскрывать аккуратно.
Внутри плата и снятая ручка регулятора
Печатная плата - двусторонний стеклотекстолит, пайка и монтаж аккуратные. Подключение через мощный клеммник.
Вентиляционные прорези в корпусе малоэффективны, т.к. почти полностью перекрываются печатной платой.
В собранном виде выглядит примерно так
Реальные размеры чуть больше заявленных: 123x55x40мм
Принципиальная электрическая схема устройства
Заявленная частота ШИМ 12kHz. Реальная частота изменяется в диапазоне 12-13kHz при регулировании выходной мощности.
При необходимости, частоту работы ШИМ можно уменьшить, подпаяв нужный конденсатор параллельно С5 (исходная ёмкость 1nF). Увеличивать частоту нежелательно, т.к. увеличатся коммутационные потери.
Переменный резистор имеет встроенный выключатель в крайнем левом положении, позволяющий отключать устройство. Также на плате расположен красный светодиод, горящий в рабочем состоянии регулятора.
С микросхемы ШИМ контроллера маркировка зачем-то старательно затёрта, хотя нетрудно догадаться, что стоит аналог NE555:)
Диапазон регулирования близок к заявленным 5-100%
Элемент CW1 похож на стабилизатор тока в корпусе диода, но точно не уверен…
Как и на большинстве регуляторов мощности, регулирование осуществляется по минусовому проводнику. Защита от КЗ отсутствует.
На мосфетах и диодной сборке маркировка изначально отсутствует, они стоят на индивидуальных радиаторах с термопастой.
Регулятор может работать на индуктивную нагрузку, т.к. на выходе стоит сборка защитных диодов Шоттки, подавляющая ЭДС самоиндукции.
Проверка током 20А показала, что радиаторы греются незначительно и могут вытянуть больше, предположительно до 30А. Измеренное суммарное сопротивление открытых каналов полевиков всего 0,002 Ом (падает 0,04В на токе 20А).
Если снизить частоту ШИМ, вытянут все заявленные 40А. Жаль проверить не смогу…
Выводы можете сделать сами, мне устройство понравилось:)
Планирую купить +56 Добавить в избранное Обзор понравился +38 +85Раньше для питания устройств использовали схему с понижающим (или повышающим, или многообмоточным) трансформатором, диодным мостом, фильтром для сглаживания пульсаций. Для стабилизации использовались линейные схемы на параметрических или интегральных стабилизаторах. Главным недостатком был низкий КПД и большой вес и габариты мощных блоков питания.
Во всех современных бытовых электроприборах используются импульсные блоки питания (ИБП, ИИП - одно и то же). В большинстве таких блоков питания в качестве основного управляющего элемента используют ШИМ-контроллер. В этой статье мы рассмотрим его устройство и назначение.
Определение и основные преимущества
ШИМ-контроллер - это устройство, которое содержит в себе ряд схемотехнических решений для управления силовыми ключами. При этом управление происходит на основании информации полученной по цепям обратной связи по току или напряжению - это нужно для стабилизации выходных параметров.
Иногда, ШИМ-контроллерами называются генераторы ШИМ-импульсов, но в них нет возможности подключить цепи обратной связи, и они подходят скорее для регуляторов напряжения, чем для обеспечения стабильного питания приборов. Однако в литературе и интернет-порталах часто можно встретить названия типа «ШИМ-контроллер, на NE555» или «… на ардуино» - это не совсем верно по вышеуказанным причинам, они могут использоваться только для регулирования выходных параметров, но не для их стабилизации.
Аббревиатура «ШИМ» расшифровывается, как широтно-импульсная модуляция - это один из методов модуляции сигнала не за счёт величины выходного напряжения, а именно за счёт изменения ширины импульсов. В результате формируется моделируемый сигнал за счёт интегрирования импульсов с помощью C- или LC-цепей, другими словами - за счёт сглаживания.
Вывод: ШИМ-контроллер - устройство, которое управляет ШИМ-сигналом.
Основные характеристики
Для ШИМ-сигнала можно выделить две основных характеристики:
1. Частота импульсов - от этого зависит рабочая частота преобразователя. Типовыми являются частоты выше 20 кГц, фактически 40-100 кГц.
2. Коэффициент заполнения и скважность. Это две смежных величины характеризующие одно и то же. Коэффициент заполнения может обозначаться буквой S, а скважность D.
где T - это период сигнала,
Часть времени от периода, когда на выходе контроллера формируется управляющий сигнал, всегда меньше 1. Скважность всегда больше 1. При частоте 100 кГц период сигнала равен 10 мкс, а ключ открыт в течении 2.5 мкс, то коэффициент заполнения - 0.25, в процентах - 25%, а скважность равна 4.
Также важно учитывать внутреннюю конструкцию и предназначение по количеству управляемых ключей.
Отличия от линейных схем потери
Как уже было сказано, преимуществом перед линейными схемами является высокий КПД (больше 80, а в настоящее время и 90%). Это обусловлено следующим:
Допустим сглаженное напряжение после диодного моста равно 15В, ток нагрузки 1А. Вам нужно получить стабилизированное питание напряжением 12В. Фактически линейный стабилизатор представляет собой сопротивление, которое изменяет свою величину в зависимости от величины входного напряжения для получения номинального выходного - с небольшими отклонениями (доли вольт) при изменениях входного (единицы и десятки вольт).
На резисторах, как известно, при протекании через них электрического тока выделяется тепловая энергия. На линейных стабилизаторах происходит такой же процесс. Выделенная мощность будет равна:
Pпотерь=(Uвх-Uвых)*I
Так как в рассмотренном примере ток нагрузки 1А, входное напряжение 15В, а выходное - 12В, то рассчитаем потери и КПД линейного стабилизатора (КРЕНка или типа L7812):
Pпотерь=(15В-12В)*1А = 3В*1А = 3Вт
Тогда КПД равен:
n=Pполезная/Pпотр
n=((12В*1А)/(15В*1А))*100%=(12Вт/15Вт)*100%=80%
Основной особенностью ШИМ является то, что силовой элемент, пусть это будет MOSFET, либо открыт полностью, либо полностью закрыт и ток через него не протекает. Поэтому потери КПД обусловлены только потерями проводимости
И потерями переключения. Это тема для отдельной статьи, поэтому не будем останавливаться на этом вопросе. Также потери блока питания возникают (входных и выходных, если блок питания сетевой), а также на проводниках, пассивных элементах фильтра и прочем.
Общая структура
Рассмотрим общую структуру абстрактного ШИМ-контроллер. Я употребил слово "абстрактного" потому что, в общем, все они похожи, но их функционал все же может отличаться в определенных пределах, соответственно будет отличаться структура и выводы.
Внутри ШИМ-контроллера, как и в любой другой ИМС находится полупроводниковый кристалл, на котором расположена сложная схема. В состав контроллера входят следующие функциональные узлы:
1. Генератор импульсов.
2. Источник опорного напряжения. (ИОН)
3. Цепи для обработки сигнала обратной связи (ОС): усилитель ошибки, компаратор.
4. Генератор импульсов управляет встроенными транзисторами , которые предназначены для управления силовым ключом или ключами.
Количество силовых ключей, которыми может управлять ШИМ-контроллер, зависит от его предназначения. Простейшие обратноходовые преобразователи в своей схеме содержат 1 силовой ключ, полумостовые схемы (push-pull) - 2 ключа, мостовые - 4.
От типа ключа также зависит выбор ШИМ-контроллера. Для управления биполярным транзистором основным требованием является, чтобы выходной ток управления ШИМ-контроллера не был ниже, чем ток транзистора деленный на H21э, чтобы его включать и отключать достаточно просто подавать импульсы на базу. В этом случае подойдет большинство контроллеров.
В случае управления есть определенные нюансы. Для быстрого отключения нужно разрядить емкость затвора. Для этого выходную цепь затвора выполняют из двух ключей - один из них соединен с источником питания с выводом ИМС и управляет затвором (включает транзистор), а второй установлен между выходом и землей, когда нужно отключить силовой транзистор - первый ключ закрывается, второй открывается, замыкая затвор на землю и разряжает его.
Интересно:
В некоторых ШИМ-контроллрах для маломощных блоков питания (до 50 Вт) силовые ключи встроенные и внешние не используются. Пример - 5l0830R
Если говорить обобщенно, то ШИМ-контроллер можно представить в виде компаратора, на один вход которого подан сигнал с цепи обратной связи (ОС), а на второй вход пилообразный изменяющийся сигнал. Когда пилообразный сигнал достигает и превышает по величине сигнал ОС, то на выходе компаратора возникает импульс.
При изменениях сигналов на входах ширина импульсов меняется. Допустим, что вы подключили мощный потребитель к блоку питания, и на его выходе напряжение просело, тогда напряжение ОС также упадет. Тогда в большей части периода будет наблюдаться превышение пилообразного сигнала над сигналом ОС, и ширина импульсов увеличится. Всё вышесказанное в определенной мере отражено на графиках.
Функциональная схема ШИМ-контроллера на примере TL494, мы рассмотрим его позже подробнее. Назначение выводов и отдельных узлов описано в следующем подзаголовке.
Назначение выводов
ШИМ-контроллеры выпускаются в различных корпусах. Выводов у них может быть от трех до 16 и более. Соответственно от количества выводов, а вернее их назначения зависит гибкость использования контроллера. Например, в популярной микросхеме - чаще всего 8 выводов, а в еще более культовой - TL494 - 16 или 24.
Поэтому рассмотрим типовые названия выводов и их назначение:
GND - общий вывод соединяется с минусом схемы или с землей.
Uc (Vc) - питание микросхемы.
Ucc (Vss, Vcc) - Вывод для контроля питания. Если питание проседает, то возникает вероятность того, что силовые ключи не будут полностью открываться, а из-за этого начнут греться и сгорят. Вывод нужен чтобы отключить контроллер в подобной ситуации.
OUT - как видно из название - это выход контроллера. Здесь выводятся управляющий ШИМ-сигнал для силовых ключей. Выше мы упомянули, что в преобразователях разных топологий имеют разное количество ключей. Название вывода может отличаться в зависимости от этого. Например, в контроллерах для полумостовых схем он может называться HO и LO для верхнего и нижнего ключа соответственно. При этом и выход может быть однотактный и двухтактный (с одним ключем и двумя) - для управления полевыми транзисторами (пояснение см. выше). Но и сам контроллер может быть для однотактной и двухтактной схемы - с одним и двумя выходными выводами соответственно. Это важно.
Vref - опорное напряжения, обычно соединяется с землей через небольшой конденсатор (единицы микрофарад).
ILIM - сигнал с датчика тока. Нужен для ограничения выходного тока. Соединяется с цепями обратной связи.
ILIMREF - на ней устанавливается напряжение срабатывания ножки ILIM
SS - формируется сигнал для мягкого старта контроллера. Предназначен для плавного выхода на номинальный режим. Между ней и общим проводом для обеспечения плавного пуска устанавливают конденсатор.
RtCt - выводы для подключения времязадающей RC-цепи, которая определяет частоту ШИМ-сигнала.
CLOCK - тактовые импульсы для синхронизации нескольких ШИМ-контроллеров между собой тогда RC-цепь подключается только к ведущему контроллеру, а RT ведомых с Vref, CT ведомых соединяюся с общим.
RAMP - это ввод сравнения. На него подают пилообразное напряжение, например с вывода Ct, Когда оно превышает значение напряжение на выходе усиления ошибки, то на OUT появляется отключающий импульс - основа для ШИМ-регулирования.
INV и NONINV - это инвертирующий и неинвертирующий входы компаратора, на котором построен усилитель ошибки. Простыми словами: чем больше напряжении на INV - тем длинее выходные импульсы и наоборот. К нему подключается сигнал с делителя напряжения в цепи обратной связи с выхода. Тогда неинвертирующий вход NONINV подключают к общему проводу - GND.
EAOUT или Error Amplifier Output рус. Выход усилителя ошибки. Не смотря на то, что есть входы усилителя ошибки и с их помощью, в принципе можно регулировать выходные параметры, но контроллер довольно медленно на это реагирует. В результате медленной реакции может возникнуть возбуждение схемы, и она выйдет из строя. Поэтому с этого вывода через частотозависимые цепи подают сигналы на INV. Это еще называется частотной коррекцией усилителя ошибки.
Примеры реальных устройств
Для закрепления информации давайте рассмотрим несколько примеров типовых ШИМ-контроллеров и их схем включения. Мы будем делать это на примере двух микросхем:
TL494 (её аналоги: KA7500B, КР1114ЕУ4, Sharp IR3M02, UA494, Fujitsu MB3759);
Они активно используются . Кстати, эти блоки питания обладают немалой мощностью (100 Вт и больше по 12В шине). Часто используются в качестве донора для переделки под лабораторный блок питания или универсальное мощное зарядное устройство, например для автомобильных аккумуляторов.
TL494 - обзор
Начнем с 494-й микросхемы. Её технические характеристики:
В этом конкретном примере можно видеть большинство описанных выше выводов:
1. Неинвертирующий вход первого компаратора ошибки
2. Инвертирующий вход первого компаратора ошибки
3. Вход обратной связи
4. Вход регулировки мертвого времени
5. Вывод для подключения внешнего времязадающего конденсатора
6. Вывод для подключения времязадающего резистора
7. Общий вывод микросхемы, минус питания
8. Вывод коллектора первого выходного транзистора
9. Вывод эмиттера первого выходного транзистора
10. Вывод эмиттера второго выходного транзистора
11. Вывод коллектора второго выходного транзистора
12. Вход подачи питающего напряжения
13. Вход выбора однотактного или же двухтактного режима работы микросхемы
14. Вывод встроенного источника опорного напряжения 5 вольт
15. Инвертирующий вход второго компаратора ошибки
16. Неинвертирующий вход второго компаратора ошибки
На рисунке ниже изображен пример компьютерного блока питания на этой микросхеме.
UC3843 - обзор
Другой популярной ШИМ является микросхема 3843 - на ней также строятся компьютерные и не только блоки питания. Её цоколевка расположена ниже, как вы можете наблюдать, у неё всего 8 выводов, но функции она выполняет те же, что и предыдущая ИМС.
Интересно:
Бывает UC3843 и в 14-ногом корпусе, но встречаются гораздо реже. Обратите внимание на маркировку - дополнительные выводы либо дублируются, либо незадействованы (NC).
Расшифруем назначением выводов:
1. Вход компаратора (усилителя ошибки).
2. Вход напряжения обратной связи. Это напряжение сравнивается с опорным внутри ИМС.
3. Датчик тока. Подключается к резистору стоящему в между силовым транзистором и общим проводом. Нужен для защиты от перегрузок.
4. Времязадающая RC-цепь. С её помощью задаётся рабочая частота ИМС.
6. Выход. Управляющее напряжение. Подключается к затвору транзистора, здесь двухтактный выходной каскад для управления однотактным преобразователем (одним транзистором), что можно наблюдать на рисунке ниже.
Понижающего (Buck), повышающего (Boost) и понижающее-повышающего (Buck-Boost) типов.
Пожалуй, одним из наиболее удачных примеров будет распространенная микросхема LM2596, на базе которого на рынке можно найти массу таких преобразователей, как изображен ниже.
Такая микросхема содержит в себе все вышеописанные технические решения, а также вместо выходного каскада на маломощных ключах в ней встроен силовой ключ, способный выдержать ток до 3А. Ниже изображена внутренняя структура такого преобразователя.
Можно убедиться, что в сущности особых отличий от рассмотренных в ней нет.
А вот пример на подобном контроллере, как видите силового ключа нет, а только микросхема 5L0380R с четырьмя выводами. Отсюда следует, что в определенных задачах сложная схемотехника и гибкость TL494 просто не нужна. Это справедливо для маломощных блоков питания, где нет особых требований к шумам и помехам, а выходные пульсации можно погасить LC-фильтром. Это блок питания для светодиодных лент, ноутбуков, DVD-плееров и прочее.
Заключение
В начале статьи было сказано о том, что ШИМ-контроллер это устройство которое моделирует среднее значение напряжения за счет изменения ширина импульсов на основании сигнала с цепи обратной связи. Отмечу, что названия и классификация у каждого автора часто отличается, иногда ШИМ-контроллером называют простой ШИМ-регулятор напряжения, а описанное в этой статьей семейство электронных микросхем называют «Интегральная подсистема для импульсных стабилизированных преобразователей». От названия суть не меняется, но возникают споры и недопонимания.
