Универсальный внешний накопитель для всех iOS-устройств, совместим с PC/Mac, Android
Header Banner
8 800 100 5771 | +7 495 540 4266
c 9:00 до 24:00 пн-пт | c 10:00 до 18:00 сб
0 Comments

Содержание

Что такое ШИМ-контроллер PWM и для чего он нужен

Любой радиолюбитель, начинающий телемастер или электрик рано или поздно столкнётся с такой штукой, как ШИМ-контроллер. За рубежом он маркируется как PWM. Поэтому сегодня я хочу остановиться на вопросе что такое ШИМ-контроллер, как он работает и для чего нужен. Даже если Вы не планируете заниматься ремонтом электронной техники, всё равно эта статья будет интересна для общего ознакомления.

Широтно-импульсный модулятор — принцип работы

Аббревиатура ШИМ расшифровывается, как широтно-импульсный модулятор. На английском это будет так — pulse-width modulation или PWM. В теле- и радио-технике ШИМ-контроллеры используются для преобразования напряжения, их можно встетить даже в качестве узлов системы управления скоростью электроприводов в бытовых приборах, меняя скорость электродвигателя. PWM-контроллер есть даже в обычных импульсных блоках питания.

Там постоянное напряжение на входе преобразуется в импульсы прямоугольной формы, которые формируются с определенной частотой и с определённой скважностью. На выходе, с помощью управляющих сигналов, получается регулировать работу целого транзисторного модуля большой мощности. Таким образом разработчики получили блок управления напряжением регулируемого типа, который значительно меньше и удобнее старых, которые используют понижающий трансформатор, диодный мост и фильтр помех.

Главные плюсы ШИМ:

- маленькие габариты;
- отличное быстродействие;
- высокая надёжность;
- низкая стоимость.

В Интернете Вы можете встретить ШИМ-контроллер на Arduino или NE555. Это не совсем контроллер, а скорее уже генератор ШИМ-импульсов, в которых нет возможности подключения цепи обратной связи. Такие устройства подходят больше для регуляторов напряжения, чем для обеспечения стабильного питания приборов, ведь они могут использоваться только для регулирования выходных параметров, но не для их стабилизации.

Выходы ШИМ-контроллера

Стандартная схема ШИМ-контроллера, который используется в теле-, радио- и иной электронной аппаратуре, характеризуется наличием нескольких выходов.

Общий вывод (GND) — контакт подключается к общему проводу схемы питания контролера. Он соединен с аналогичным контактом схемы подачи питания модуля и контроллирует напряжение на выходе схемы, отключая ее при снижении значения ниже пороговой величины.

Вывод питания (VC) — этот вывод ШИМ-контроллера отвечает за энергоснабжение схемы и подключение питания. Как правило, вывод контроля питания и вывод питания располагаются рядом друг с другом. Не перепутайте его с выводом VCC.

Вывод контроля питания (VCC) — следит, чтобы напряжение питания микросхемы было выше определенного значения. Обычно этот контакт соединяют с VC. Если напряжение на этом выводе падает ниже заданного порогового значения для данного PWM-контроллера, то контроллер выключается. Если этого не делать, то при снижении напряжение на выходе схемы, то транзисторы начнут открываться не полностью и будут быстро нагреваться, что приведёт к поломке.

Выход контроллера OUT – это выходное управляющее напряжение, другими словами отсюда подаётся управляющий ШИМ-сигнал для силовых ключей. Тут надо отметить, что микросхемы бывают разные. Например, есть с друмя выходами — двухтактные, которые применяются для управления двухплечевыми каскадами. Да и сам выходной каскад может быть одно- и двухтактным. Тут главное не запутаться!

Вывод VREF — Опорное напряжение. Обеспечивает работу функции формирования стабильно опорного напряжения. Как правило, екомендуется соединять его с общим проводом конденсатором 1 мкФ для повышения качества и стабильности опорного напряжения.

Вывод ILIM — Ограничитель выходного тока. Это сигнал с датчика тока. Если напряжение на этом выводе превышает заданный порог (как правило, это 1 Вольт), то ШИМ-контроллер закрывает силовые ключи. Если же превышается ещё больший порог (обычно 1.5 Вольта), то PWM-контроллер сбрасывает напряжение на ножке мягкого старта и импульсы на выходе прекращаются.

Вывод ILIMREF — задаёт значение ограничения выходного тока на выводе ILIM.

Вывод SS — так называемый «мягкий старт». Напряжение на этом контакте ограничивает максимально возможную ширину импульсов. Сюда ШИМ-контроллер подает ток фиксированной силы.

Вывод RtCt – используется для подключения времязадающей RC-цепи, используемой для определения частоты ШИМ-сигнала.

Вывод RAMP – это ввод сравнения. Рабоает это так. На контакт подаётся пилообразное напряжение. Как только оно превышает значение напряжение на выходе усиления ошибки, вывод OUT появляется отключающий сигнал. Это основа ШИМ-регулирования.

Вывод CLOCK – тактовые импульсы. Используются для синхронизации между собой сразу нескольких ШИМ-контроллеров. В этом случае RC-цепь подключается только к ведущему контроллеру, RT ведомых соединяется с Vref, а CT ведомых соединяюся с общим.

Вывод INV — это инвертирующий вход компаратора. На нём построен усилитель ошибки. Чем больше напряжение на INV, тем длиннее выходные импульсы.

Вывод NONINV – это неинвертирующий вход компаратора. Его обычно подключают к общему проводу — GND.

Вывод EAOUT — выход усилителя ошибки — Error Amplifier Output. С этого вывода осуществляется частотная коррекция усилителя ошибки, путём подачи сигналов на INV через частотозависимые цепи. Дело в том, что PWM-контроллер достаточно медленно реагирует на воздействие через вход усилителя ошибки и потому схема может сгореть из-за возбуждения. Поэтому и применяется вывод EAOUT.

Как проверить ШИМ-контроллер

Есть несколько способов как сделать проверку ШИМ-контроллера. Можно, конечно это сделать без мультиметра, но зачем так мучаться, если можно воспользоваться нормальным прибором.

Прежде, чем проверять работу ШИМ-контроллера, необходимо выполнить базовую диагностику самого блока питания. Она выполняется так:

Шаг 1. Внимательно осмотреть в выключенном состоянии сам источник питания, в котором установлен PWM. В частности надо тщательно осмотреть электролитические конденсаторы на предмет вздутости.

Шаг 2. Провести проверку предохранителя и элементов входного фильтра блока питания на исправность.

Шаг 3. Провести проверку на короткое замыкание или обрыв диодов выпрями­тельного моста. Прозвонить их можно не вы­паивая из платы. При этом надо быть уверен­ным, что проверяемая цепь не шунтируется обмотками трансформатора или резистором. Если есть на это подозрение, то всё таки придётся выпаивать элементы и проверять уже по отдельности.

Шаг 4. Провести проверку исправностм выходных цепей, а именно электролитических конденсаторов низкочастотных филь­тров, выпрямительных диодов, диодных сборок и т.п.

Шаг 5. Провести проверку силовых транзисторов высокочастотного преобразователя и тран­зисторов каскада управления. При этом в обязательном порядке проверьте возвратные диоды, которые включенны параллельно электродам коллектор-эмиттер силовых транзисторов.

Проверка ШИМ-контроллера — видео инструкции:

ШИМ-РЕГУЛЯТОР ДЛЯ ЭЛЕКТРОВЕЛОСИПЕДА

Данный модуль предназначен для установки в электровелосипеды - в качестве блока управления электрическим приводом. Он работает с двигателем постоянного тока и аккумуляторной батареей на 15 - 95 В (любая в указанном диапазоне соответствующая двигателю). 

Контроллер является элементом, необходимым для управления скоростью двигателя. Он ограничивает количество энергии идущей на двигатель, чтобы контролировать его скорость вращения. К сожалению, большинство доступных на рынке контроллеров не могут работать при таком высоком напряжении (либо ограничение по мощности). Поэтому решено было спроектировать и построить свой собственный ШИМ-контроллер, который мог бы работать с двигателем более высокого напряжения и тока.

Поскольку нужно контролировать скорость вращения двигателя постоянного тока, можем использовать две технологии:

  1. понижающий преобразователь который уменьшит напряжение, подаваемое на обмотку двигателя,
  2. ШИМ-управление (широтно-импульсная модуляция).

Конструкция инвертора довольно сложна, поэтому применим ШИМ. Этот метод относительно прост, может с высокой частотой контролировать скорость, с которой аккумулятор подключается и отключается от двигателя. Для изменения скорости изменяется время переключения между нагрузкой (двигателем) и АКБ.

Принципиальная схема мощного ШИМ регулятора

Переключение напряжения не может быть реализовано с помощью механического переключателя - ни один из них не выдержит такие большие и постоянные нагрузки, поэтому правильный выбор для таких схем - транзистор полевой MOSFET с N-каналом. Необходимо выбрать подходящую модель для этих требований - частота переключения, напряжение и ток. 

Для управления транзисторами в схеме необходим сигнал ШИМ. Сгенерируем его используя классическую микросхему 555. Это простой универсальный таймер, который позволяет создавать множество устройств, в том числе управляемый генератор сигналов ШИМ. В такой схеме частота переключения постоянна, а изменение положения потенциометра изменяет скважность. 

М/с NE555 может питаться постоянным напряжением до 15 В. Она не может питаться непосредственно от аккумулятора электровелосипеда. Именно поэтому добавлен модуль импульсного питания на основе интегральной микросхемы LM5008. Это понижающий преобразователь, который снижает напряжение с 80 В до 10 В, используемых для питания таймера 555 и охлаждающих вентиляторов. 

Из-за высокого тока протекающего в схеме, использовались 4 транзистора MOSFET IRFPC60LC, соединенных параллельно. Каждый элемент может работать с напряжением Vds до 600 В и током стока до 16 А. Объединенные четыре таких транзистора позволяет достичь 64 А тока контроллера, что при напряжении питания 80 В дает более 5 кВт - намного больше, чем необходимо для управления двигателем в данном электровелосипеде. 

Печатная плата ШИМ-регулятора

Разработка отдельной печатной платы поможет не только компактно объединить все элементы, но также позволит использовать этот готовый ШИМ-модуль в других проектах - и не только с двигателями постоянного тока, ШИМ-модуляция идеально подходит, например, для управления нагревателями. 

Идея проектирования печатной платы может показаться сложной, но стоит иметь свои собственные печатные платы. Имея это в виду, автор спроектировал печатную плату для модуля регулятора скорости. 

При проектировании печатной платы самое важное, что нужно помнить, это обеспечить правильную ширину токовых путей. Высокий ток, который должен проходить через транзисторы к двигателю, также будет проходить через фольгу платы и нагревать её. 

На печатной плате добавлены монтажные отверстия, которые облегчат установку модуля в готовый электробайк, а также место для установки радиатора и вентилятора, который будет охлаждать работающие транзисторы. 

Чтобы облегчить сборку нужно начать с самых маленьких элементов на печатной плате: в нашем случае это преобразователь LM5008 и компоненты SMD. После пайки дискретных компонентов инвертора LM5008 можем припаять большую катушку по источнику питания и начать пайку более крупных компонентов. В конце установить таймер 555, а затем силовые транзисторы. 

При таком огромном количестве энергии, с которым имеет дело создаваемый контроллер, будет выделяться много тепла. Полевые транзисторы будут в основном нагреваться, поэтому надо обеспечить их достаточным охлаждением. Это делается с помощью радиатора с вентилятором. 

После установки радиатора схема готова к настройке и дальнейшей работе. 

Тестирование ШИМ контроллера

Для тестирования контроллера будем использовать набор ячеек литиевых батарей с номинальным напряжением 80 В, которые применяются для данного электрического велосипеда. Контроллер временно подключен к аккумулятору и мотору, который прикреплен к велосипеду, чтобы приводить в движение заднее колесо. Поворачивая потенциометр по часовой стрелке, двигатель должен начать вращаться постепенно и увеличивать скорость, пропорциональную вращению ручки.

Чтобы проверить регулятор скорости на реальной нагрузке, надо смонтировать все на своем месте. Посмотреть как он держит нагрузку, вес, долгое время работы и воздействие атмосферной влажности (лучше покрыть плату лаком).

Структурная схема включения ШИМ - контроллера TL494CN - Зарубежные микросхемы - Микросхемы - Справочник Радиокомпонентов - РадиоДом

Сейчас большинство автомобильных и сетевых преобразователей напряжения собраны на специализированном контроллере TL494CN и хорошо себя зарекомендовала среди многочисленных радиолюбителей.
Микросхема TL494CN в основном производится в пластиковом корпусе типоразмера DIP16 (бывают и в других корпусах, но используются редко). Структурная схема приведена на рисунке ниже:
 


Схема включается при достижении питанием порога 5,5 - 7,0 вольт (типовое значение 6.4 вольт). До этого момента внутренние шины контроля запрещают работу генератора и логической части схемы. Ток холостого хода при напряжении питания +15 вольт (выходные транзисторы отключены) не более 10 мА. ИОН +5 вольт (+4.75...+5.25 вольт, стабилизация по выходу не хуже +/- 25 мВ) обеспечивает вытекающий ток до 10 мА.
Генератор вырабатывает на время задающем конденсаторе Сt (вывод 5) пилообразное напряжение 0...+3.0 вольт (амплитуда задана ИОНом) для TL494 Texas Instruments и 0...+2.8 вольт для TL494 Motorola, соответственно для TI F=1.0/(RtCt), и F=1.1/(RtCt).
Допустимы рабочие частоты от 1 до 300 кГц, при этом рекомендованный диапазон Rt = 1...0,5 мОм, Ct=470 пФ...10 мкФ. При этом типовой температурный дрейф частоты составляет (естественно без учета дрейфа навесных компонентов) +/-3 %, а уход частоты в зависимости от напряжения питания - в пределах 0.1 % во всем допустимом диапазоне.
Для дистанционного выключения генератора можно внешним ключом замкнуть вход Rt (6) на выход ИОНа, или - замкнуть Ct на землю. Разумеется, сопротивление утечки разомкнутого ключа должно учитываться при выборе Rt, Ct.
Вход контроля фазы покоя (скважности) через компаратор фазы покоя задает необходимую минимальную паузу между импульсами в плечах схемы. Это необходимо как для недопущения сквозного тока в силовых каскадах за пределами ИС, так и для стабильной работы триггера - время переключения цифровой части TL494CN составляет 200 нс. Выходной сигнал разрешен тогда, когда пила на Cт превышает напряжение на управляющем входе 4 (DT). На тактовых частотах до 150 кГц при нулевом управляющем напряжении фаза покоя = 3 % периода (эквивалентное смещение управляющего сигнала 100...120 мВ), на больших частотах встроенная коррекция расширяет фазу покоя до 200..300 нс.
Используя цепь входа DT, можно задавать фиксированную фазу покоя (R-R делитель), режим мягкого старта (R-C), дистанционное выключение (ключ), а также использовать DT как линейный управляющий вход. Входная цепь собрана на pnp-транзисторах, поэтому входной ток (до 1.0 мкА) вытекает из ИС, а не втекает в нее. Ток достаточно большой, поэтому следует избегать высокоомных резисторов (не более 100 кОм).
Усилители ошибки - фактически, операционные усилители с Ку=70..95 дБ по постоянному напряжению (60 дБ для ранних серий), Ку=1 на 350 кГц. Входные цепи собраны на pnp-транзисторах, поэтому входной ток (до 1.0 мкА) вытекает из ИС а не втекает в нее. Ток достаточно большой для ОУ, напряжение смещения тоже (до 10 мВ) поэтому следует избегать высокоомных резисторов в управляющих цепях (не более 100 кОм). Зато благодаря использованию pnp-входов диапазон входных напряжений - от -0.3 вольт до Vпитания-2 вольт
Усилители не предназначены для работы в пределах одного такта рабочей частоты. При задержке распространения сигнала внутри усилителя в 400 нс они для этого слишком медленные, да и логика управления триггером не позволяет (возникали бы побочные импульсы на выходе). В реальных схемах ПН частота среза цепи ОС выбирается порядка 100-15000 Герц.
Триггер и логика управления выходами - При напряжении питания не менее 7 вольт, если напряжение пилы на генераторе больше чем на управляющем входе DT, и если напряжение пилы больше чем на любом из усилителей ошибки (с учетом встроенных порогов и смещений) - разрешается выход схемы. При сбросе генератора из максимума в ноль - выходы отключаются. Триггер с пара фазным выходом делит частоту надвое. При логическом 0 на входе 13 (режим выхода) фазы триггера объединяются по ИЛИ и подаются одновременно на оба выхода, при логической 1 - подаются пара фазно на каждый выход порознь.
Выходные транзисторы - npn Дарлингтон со встроенной тепловой защитой (но без защиты по току). Таким образом, минимальное падение напряжение между коллектором (как правило замкнутым на плюсовую шину) и эмиттером (на нагрузке) - 1.5 вольт (типовое при 200 мА), а в схеме с общим эмиттером - чуть лучше, 1.1 В типовое. Предельный выходной ток (при одном открытом транзисторе) ограничен 0,5 ампер, предельная мощность на весь кристалл - 1 Ватт.

Шим-контроллеры. Что такое шим контроллер, как он устроен и работает, виды и схемы

В схемотехнике современных импульсных источников питания (ИИП) приобрели широкую популярность ШИМ-регуляторы, выполненные в малогабаритных планарных корпусах с шестью выводами. Обозначение типа корпуса может быть SOT-23-6, SOT-23-6L, SOT-26, TSOP-6, SSOT-6. Внешний вид и расположение выводов показаны на рисунке ниже. В данном случае на левом фрагменте картинки представлена кодовая маркировка LD7530A

Назначение выводов:
1 - GND. (Общий провод).
2 - FB. (FeedBack - Обратная Связь). Вход для управления длительностью импульсов сигналом с выходного напряжения. Иногда может иметь обозначение COMP (входной компаратор).
3 - RI/RT/CT/COMP/NC - В зависимости от типа микросхемы, может быть задействован для частотозадающей RC цепи (RI/RT/CT), либо для организации защиты, как вход компаратора отключения ШИМ при пороговом значение на его входе, указанном в документе. В некоторых типах микросхем этот вход может быть никак не задействован (NC - No Connect).
4 - SENSE, по другому CS (Current Sense) - Вход с датчика тока в истоке ключа.
5 - VCC - Вход напряжения питания и запуска микросхемы.
6 - OUT (GATE) - Выход для управления затвором (Gate) ключа.

Функционально подобные регуляторы работают по принципу популярных ранее микросхем ШИМ серии xx384x, которые хорошо зарекомендовали себя в плане надёжности и устойчивости.

Некоторые затруднения часто возникают при замене или выборе аналога для подобных ШИМ-регуляторов по причине применения кодовой маркировки в обозначении типа микросхем. Ситуация осложняется большим количеством производителей компонентов, которые не всегда предоставляют документацию в массовый доступ, так же не все производители готовых устройств снабжают схемами ремонтные сервисные центры, поэтому реальные схемные решения ремонтникам часто приходится изучать по установленным компонентам и монтажным соединениям непосредственно на плате.

В практике часто встречаются микросхемы ШИМ и кодом маркировки EAxxx и Eaxxx. Официальной документации на них не найдено в свободном доступе, но сохранились обсуждения на форумах и кусочки картинок из PDF от System General, которая публикует их как SG6848T и SG6848T2. Рисунок прилагается.


Вниманию мастеров предлагаем таблицы, составленные из доступной в интернете информации и документов PDF для подбора аналогов при замене наиболее распространённых шестиногих планарных ШИМ c цоколёвкой выводов: pin1 - GND, pin2 - FB (COMP), pin4 - Sense, pin5 - Vcc, pin6 - OUT.
Основным их различием является применение и назначение вывода 3.

ШИМ-регуляторы (PWM), без использования вывода 3.

Name Part Namber Diler Marking
SG6849 SG684965TZ Fairchild / ON Semi BBxx
SG6849 SG6849-65T, SG6849-65TZ System General MBxx EBxx
SGP400 SGP400TZ System General AAKxx

ШИМ-регуляторы (PWM) с установкой резистора 95-100 kOhm на вывод 3.

Применяя перечисленные ниже ШИМ, частоту следует установить резистором RT (RI) от вывода 3 на землю. Обычно его номинал выбирается 95-100 kOhm для частоты 65-100 KHz. Более точно смотрите в прилагаемой документации. Файлы PDF упакованы в RAR.

Name Part Namber Diler Marking
AP3103A AP3103AKTR-G1 Diodes Incorporated GHL
AP8263 AP8263E6R, A8263E6VR AiT Semiconductor S1xx
AT3263 AT3263S6 ATC Technology 3263
CR6848 CR6848S Chip-Rail 848h26
CR6850 CR6850S Chip-Rail 850xx
CR6851 CR6851S Chip-Rail 851xx
FAN6602R FAN6602RM6X Fairchild / ON Semi ACCxx
FS6830 FS6830 FirstSemi
GR8830 GR8830CG Grenergy 30xx
GR8836 GR8836C, GR8836CG Grenergy 36xx
H6849 H6849NF HI-SINCERITY
H6850 H6850NF HI-SINCERITY
HT2263 HT2263MP HOT-CHIP 63xxx
KP201 Kiwi Instruments
LD5530 LD5530GL LD5530R Leadtrand xxt30 xxt30R
LD7531 LD7531GL, LD7531PL Leadtrend xxP31
LD7531A LD7531AGL Leadtrend xxP31A
LD7535/A LD7535BL, LD7535GL, LD7535ABL, LD7535AGL Leadtrend xxP35-xxx35A
LD7550 LD7550BL, LD7550IL Leadtrend xxP50
LD7550B LD7550BBL, LD7550BIL Leadtrend xxP50B
LD7551 LD7551BL/IL Leadtrend xxP51
LD7551C LD7551CGL Leadtrend xxP51C
NX1049 XN1049TP Xian-Innuovo 49xxx
OB2262 OB2262MP On-Bright-Electronics 62xx
OB2263 OB2263MP On-Bright-Electronics 63xx
PT4201 PT4201E23F Powtech 4201
R7731 R7731GE/PE Richtek 0Q=
R7731A R7731AGE Richtek IDP=xx
SD4870 SD4870TR Silan Microelectronics 4870
SF1530 SF1530LGT SiFirst 30xxx
SG5701 SG5701TZ System General AAExx
SG6848 SG6848T, SG6848T1, SG6848TZ1, SG6848T2 Fairchild / ON Semi AAHxx EAxxx
SG6858 SG6858TZ Fairchild / ON Semi AAIxx
SG6859A SG6859ATZ, SG6859ATY Fairchild / ON Semi AAJFxx
SG6859 SG6859TZ Fairchild / ON Semi AAJMxx
SG6860 SG6860TY Fairchild AAQxx
SP6850 SP6850S26RG Sporton Lab 850xx
SP6853 SP6853S26RGB, SP6853S26RG Sporton Lab 853xx
SW2263 SW2263MP SamWin
UC3863/G UC3863G-AG6-R Unisonic Technologies Co U863 U863G

ШИМ-регуляторы, в которых вывод 3 используется иначе.

При использовании перечисленных ниже ШИМ (PWM-контроллеров) следует обратить внимание на вывод 3, который может использоваться для организации защиты - тепловой или от превышения входного напряжения.
Частота может быть фиксированной 65kHz, либо устанавливаться номиналом конденсатора на выводе 3.
При замене любых микросхем на аналоги внимательно изучайте документацию. Файлы PDF упакованы в архив RAR.

Name Part Namber Diler Marking
AP3105/V/L/R AP3105KTR-G1, AP3105VKTR-G1, AP3105LKTR-G1, AP3105RKTR-G1 Diodes Incorporated GHN GHO GHP GHQ
AP3105NA/NV/NL/NR AP3105NAKTR-G1, AP3105NVKTR-G1, AP3105NLKTR-G1, AP3105NRKTR-G1 Diodes Incorporated GKN GKO GKP GKQ
AP3125A/V/L/R AP3125AKTR-G1, AP3125VKTR-G1, AP3125LKTR-G1, AP3125RKTR-G1 Diodes Incorporated GLS GLU GNB GNC
AP3125B AP3125BKTR-G1 Diodes Incorporated GLV
AP3125HA/HB AP3125HAKTR-G1, AP3125HBKTR-G1 Diodes Incorporated GNP GNQ

Один из используемых подходов, позволяющих существенно сократить потери на нагревании силовых компонентов радиосхем, представляет собой использование переключательных режимов работы установок. При подобных системах электросиловой компонент или раскрыт - в это время на нем наблюдается фактически нулевое падение напряжения, или открыт - в это время на него подается нулевой ток. Рассеиваемую мощность можно вычислить, перемножив показатели силы тока и напряжения. В этом режиме получается достичь коэффициента полезного действия около 75-80% и более.

Что такое ШИМ?

Для получения на выходе сигнала требуемой формы силовой ключ должен открываться всего лишь на определенное время, пропорциональное вычисленным показателям выходного напряжения. В этом и заключается принцип широтно-импульсной модуляции (ШИМ, PWM). Далее сигнал такой формы, состоящий из импульсов, разнящихся по своей ширине, поступает в область фильтра на основе дросселя и конденсатора. После преобразования на выходе будет практически идеальный сигнал требуемой формы.

Область применения ШИМ не ограничивается импульсными стабилизаторами и преобразователями напряжения. Использование данного принципа при проектировании мощного усилителя звуковой частоты дает возможность существенно снизить потребление устройством электроэнергии, приводит к миниатюризации схемы и оптимизирует систему теплоотдачи. К недостаткам можно причислить посредственное качество сигнала на выходе.

Формирование ШИМ-сигналов

Создавать ШИМ-сигналы нужной формы достаточно трудно. Тем не менее индустрия сегодня может порадовать замечательными специальными микросхемами, известными как ШИМ-контроллеры. Они недорогие и целиком решают задачу формирования широтно-импульсного сигнала. Сориентироваться в устройстве подобных контроллеров и их использовании поможет ознакомление с их типичной конструкцией.

Стандартная схема контроллера ШИМ предполагает наличие следующих выходов:

  • Общий вывод (GND). Он реализуется в виде ножки, которая подключается к общему проводу схемы питания устройства.
  • Вывод питания (VC). Отвечает за электропитание схемы. Важно не спутать его с соседом с похожим названием - выводом VCC.
  • Вывод контроля питания (VCC). Как правило, чип контроллера ШИМ принимает на себя руководство силовыми транзисторами (биполярными либо полевыми). В случае если напряжение на выходе снизится, транзисторы станут открываться лишь частично, а не целиком. Стремительно нагреваясь, они в скором времени выйдут из строя, не справившись с нагрузкой. Для того чтобы исключить такую возможность, необходимо следить за показателями напряжения питания на входе микросхемы и не допускать превышения расчетной отметки. Если напряжение на данном выводе опускается ниже установленного специально для этого контроллера, управляющее устройство отключается. Как правило, данную ножку соединяют напрямую с выводом VC.

Выходное управляющее напряжение (OUT)

Количество выводов микросхемы определяется её конструкцией и принципом работы. Не всегда удается сразу разобраться в сложных терминах, но попробуем выделить суть. Существуют микросхемы на 2-х выводах, управляющие двухтактными (двухплечевыми) каскадами (примеры: мост, полумост, 2-тактный обратный преобразователь). Существуют и аналоги ШИМ-контроллеров для управления однотактными (одноплечевыми) каскадами (примеры: прямой/обратный, повышающий/понижающий, инвертирующий).

Помимо этого, выходной каскад может быть по строению одно- и двухтактным. Двухтактный используется в основном для управления полевым транзистором, зависящим от напряжения. Для быстрого закрытия необходимо добиться быстрой разрядки емкостей "затвор - исток" и "затвор - сток". Для этого как раз и используется двухтактный выходной каскад контроллера, задачей которого является обеспечение замыкание выхода на общий кабель, если требуется закрыть полевой транзистор.

ШИМ-контроллеры для источников питания большой мощности могут иметь также элементы управления выходным ключом (драйверы). В качестве выходных ключей рекомендуется использовать IGBT-транзисторы.

Основные проблемы ШИМ-преобразователей

При работе любого устройства полностью исключить вероятность поломки невозможно, и преобразователей это тоже касается. Сложность конструкции при этом не имеет значения, проблемы в эксплуатации может вызвать даже известный ШИМ-контроллер TL494. Неисправности имеют различную природу - некоторые из них можно выявить на глаз, а для обнаружения других требуется специальное измерительное оборудование.

Чтобы ШИМ-контроллер, следует ознакомится со списком основных неисправностей приборов, а лишь позже - с вариантами их устранения.

Диагностика неисправностей

Одна из часто встречающихся проблем - пробой ключевых транзисторов. Результаты можно увидеть не только при попытке запуска устройства, но и при его обследовании с помощью мультиметра.

Кроме того, существуют и другие неисправности, которые несколько сложнее обнаружить. Перед тем как проверить ШИМ-контроллер непосредственно, можно рассмотреть самые распространенные случаи поломок. К примеру:

  • Контроллер глохнет после старта - обрыв петли ОС, перепад по току, проблемы с конденсатором на выходе фильтра (если таковой имеется), драйвером; возможно, разладилось управление ШИМ-контроллером. Надо осмотреть устройство на предмет сколов и деформаций, замерить показатели нагрузки и сравнить их с типовыми.
  • ШИМ-контроллер не стартует - отсутствует одно из входных напряжений или устройство неисправно. Может помочь осмотр и замер выходного напряжения, в крайнем случае, замена на заведомо рабочий аналог.
  • Напряжение на выходе отличается от номинального - проблемы с петлей ООС или с контроллером.
  • После старта ШИМ на БП уходит в защиту при отсутствии КЗ на ключах - некорректная работа ШИМ или драйверов.
  • Нестабильная работа платы, наличие странных звуков - обрыв петли ООС или цепочки RC, деградация емкости фильтра.

В заключение

Универсальные и многофункциональные ШИМ-контроллеры сейчас можно встретить практически везде. Они служат не только в качестве неотъемлемой составляющей блоков питания большинства современных устройств - типовых компьютеров и других повседневных девайсов. На основе контроллеров разрабатываются новые технологии, позволяющие существенно сократить расход ресурсов во многих отраслях человеческой деятельности. Владельцам частных домов пригодятся контроллеры заряда аккумуляторов от фотоэлектрических батарей, основанные на принципе широтно-импульсной модуляции тока заряда.

Высокий коэффициент полезного действия делает разработку новых устройств, действие которых основывается на принципе ШИМ, весьма перспективной. Вторичные источники питания - вовсе не единственное направление деятельности.

Что вообще такое - инвертор.
Данный узел предназначен для преобразования постоянного тока в переменный. В данном случае мы имеем на входе 310 Вольт постоянного тока, которые надо подать на трансформатор. Но так как трансформаторы не хотят работать на постоянном токе, то и нужен инвертор.

Инвертор состоит из двух основных узлов.
ШИМ контроллера.

А также выходных высоковольтных транзисторов. Попутно весьма кстати попал в кадр трансформатор управления этими транзисторами.

Впрочем инвертор может выглядеть заметно проще, например у известного блока питания.

Микросхема, жменька деталей, вот и весь ШИМ контроллер.

В данном случае схемотехника блока питания, а также его мощность заметно отличаются от предыдущего варианта, потому транзистор всего один.

Еще один вариант, слева конденсаторы входного фильтра, справа трансформатор, между ними инвертор.
Так как на силовом транзисторе выделяется значительная мощность, то чаще всего он устанавливается на радиатор.

Но давайте немного отвлечемся на историю, с чего собственно все начиналось. Возможно конечно начиналось не с этого, потому точнее будет сказать, с чего начинал я.
Как вы понимаете, раньше не было ШИМ контроллеров, а иногда и обычную "кренку" купить была проблема, но прогресс не стоял на месте и радиолюбители пытались заменить большие трансформаторы на импульсные блоки питания.
На схеме показан типичный автогенератор, но были схемы и с простой логикой в качестве генератора импульсов.

Тогда схемы подобных блоков питания часто встречались в журнале Радио в контексте усилителей мощности. Но мое знакомство было на примере блока питания для Синклера. Кстати на фото один из них, который я оставил себе на память:)
Правда вышеприведенная схема требовала подбора транзисторов и в моем случае сильно перегревалась.

Схема с автогенератором считается самой простой, в данном примере она даже не имеет стабилизации выходного напряжения.

При всем современном разнообразии микросхем показанная выше схема также нашла себя в современном мире, в качестве "электронного трансформатора" для галогенных ламп.

Правда постепенно такие лампы заменяют на светодиоды, но все равно электронные трансформаторы довольно популярны, в основном из-за свой простоты и дешевизны.

Уже через довольно большое время подобные схемы получили второе дыхание. Известная фирма International Rectifier выпустила весьма простую микросхему для электронного балласта люминесцентных ламп. Но выяснилось, что данная микросхема отлично работает в качестве задающей для импульсного БП. К ним относятся микросхемы IR2151, IR2153 и подобные.
Вообще некоторые радиолюбители делали и стабилизированные блоки питания на базе этой микросхемы, но работает это не всегда корректно.

По сути для этой микросхемы надо только несколько мелких деталей и пара полевиков, вот и вся схема инвертора. Именно с применением этой микросхемы я делал первичный блок питания для своего лабораторного.
Кстати, именно эту микросхему я рекомендую для питания усилителей мощности, как неприхотливую и довольно надежную. А также хочу сказать, что нерегулируемые БП лучше себя ведут в плане шумов.

Так выглядит трехканальный блок питания с мощностью в 300 Ватт и ШИМ регулировкой вентилятора. Более полная информация есть в обзоре лабораторника.

Также довольно часто можно встретить и однотактные блоки питания на основе автогенератора. Особенно часто они попадались в АТХ боках в качестве дежурки.

Также они могут попасться и в очень бюджетных зарядных для телефонов. Автогенератор является самым простым типом инвертора.

Хотя бывают и исключения, например блок питания довольно дорогого фирменного кондиционера также имел в своем составе автогенератор, правда сделан довольно качественно и имеет стабилизацию напряжения.

В следующий раз мне попались импульсные блоки питания в новых тогда телевизорах. После больших и тяжелых трансформаторов это был прогресс.

Схемотехника правда была жуткая, ремонтопригодность слабая, да и габарит я не назвал маленьким. На фото блок питания мощностью 80 Ватт.
Сначала они также делались по схеме с автогенератором, но потом начали ставить микросхему, правда особо ничего это не изменило.

Вот и подошли мы к теме более современных инверторов, так как на этом этапе блоки питания вышли на тот схемотехнический уровень, который мы сейчас наблюдаем в современных блоках.
Да, поднимали частоту, расширяли диапазон работы, мощность, но суть осталась той же что и была 30 лет назад. Правда так как тогда интегральные ШИМ контроллеры были слабо развиты, то делали их в виде сборок.

Впрочем и в современных блоках питания не стесняются применять такие вот унифицированные модули, по своему это даже удобно.

Типовая блок схема распространенных моделей инверторов состоит из пяти узлов.
1. Узел контроля напряжения питания, защита от работы при пониженном и повышенном напряжении.
2. Вспомогательное питания или цепь запуска.
3. Силовой элемент и датчик тока. Этот узел может заметно отличаться в зависимости от топологии блока питания.
4. Собственно ШИМ контроллер, мозги блока питания.
5. Узел основного питания ШИМ контроллера.

Рассмотрим как происходит запуск большинства блоков питания, эта информация может помочь в поиске неисправностей.
После того как подали высокое напряжение, оно через резистор попадает в цепь питания ШИМ контроллера.

Как только напряжение достигнет порога включения ШИМ контроллер запускается, питаясь в это время от конденсатора в цепи питания.
Если ваш блок питания не подает признаков жизни, проверьте, есть ли питание на входе ШИМ контроллера, иногда эти резисторы уходят в обрыв.

Затем ШИМ контроллер проверяет, в порядке ли питающее напряжение. Эта цепь есть далеко не у всех инверторов, потому если ее нет, то можно сразу перейти к следующему шагу.

Если с питанием все отлично, то контроллер начинает выдавать управляющие импульсы силовому транзистору. попутно при этом контролируется ток в цепи этого транзистора и если он превышен, то ШИМ контроллер переходит в режим защиты.

Если все нормально, то буквально после нескольких тактов на выходе цепи основного питания появляется рабочее напряжение, которое и питает контроллер. Кстати это один из узлов отказа, если питания нет, то блок питания будет работать в старт-стоп режиме.

Если все этапы запуска прошли корректно, то дальше вступает в дело ШИМ стабилизация. В данном случае я всегда сравниваю ее с бочкой, в которую мы порциями подаем воду и сливая ее через другой кран с разным напором. Задача контроллера поддерживать всегда один и тот же уровень воды в бочке при том, что вводной кран может быть только в двух состояниях, открыто и закрыто.
Кстати, многие видели на выходе блоков питания резистор, подключенный параллельно питанию, он нужен чтобы обеспечить некую минимальную нагрузку, так как блоку питания тяжело работать при очень малой ширине импульса.

Для примера ширина импульсов при небольшой нагрузке.

Если увеличить нагрузку, то ШИМ контроллер увеличит подачу энергии в трансформатор, а через него в нагрузку.

Даже если к примеру нагрузить блок питания на полную, то ширина импульсов не будет полной.

Запас необходим для компенсации снижения входного напряжения.

Если снизить входное напряжение еще больше, то ШИМ контроллер просто выставит максимальную ширину импульса. Кстати, ШИМ контроллеры блоков питания не формируют 100% заполнение, так как всегда необходимо "мертвое" время для защиты выходных транзисторов. В это время выходные транзисторы закрыты.
Для обратноходовых однотактных блоков питания, а именно они используются в качестве блоков питания небольшой мощности, максимальное заполнение составляет 50%.

Самым первым ШИМ контроллером, с которым я познакомился, была легендарная TL494. Микросхема очень старая, но так получилось, что у разработчика дешевый и очень универсальный контроллер и даже спустя много лет и при наличии современных решений он еще весьма широко применяется в блоках питания.
Выпускается она многими фирмами и иногда под разными названиями, например аналог от Самсунга называется КА7500.

На первый взгляд его внутреннее устройство может показаться довольно сложным, но на самом деле таковым не является.

Если немного упростить картинку, то будет примерно так:
1 и 2, стабилизатор питания и источник опорного напряжения.
3. Генератор импульсов, задает частоту работы контроллера.
4. Два компаратора, один обычно используется для стабилизации тока, второй - напряжения.
5. Задатчик мертвого времени, т.е. минимальной паузы между открытым состоянием выходов.
6. Узел сложения всех сигналов.
7. Триггер, который управляет выходными ключами и задает логику работы, двухтактный или однотактный режим. В некоторых аналогах этот триггер сбоил на частотах ниже 100 Гц, чем доставлял немало сюрпризов строителям повышающих инверторов в 220 Вольт.

Микросхема выполнена в корпусе с 16 выводами. Сама по себе надежна, но иногда в блоках питания АТХ, где ее питание идет от источника дежурного напряжения, выходит из строя после его ухода в разнос, когда высыхал конденсатор по выходу 5 Вольт. Пробивало стабилизатор опорного напряжения и на выходе БП запросто могло появиться высокое напряжение. Потому при проверке прежде всего смотреть наличие 5 Вольт на выводе 14.

В блоках питания АТ, а потом в распространенных китайских БП в кожухе она питается от своего же силового трансформатора. Запуск происходит за счет резисторов в базовых цепях силовых ключей. При включении они сначала входят в автогенераторный режим, на выходе трансформатора появляется небольшое напряжение, микросхема начинает работать и перехватывает управление на себя. Потому если БП не запускается, то в первую очередь проверяем резисторы выделенные на схеме резисторы.

Вторым, не менее легендарным ШИМ контроллером является семейство однотактных UC384х.
Думаю что вы могли из встречать раньше в блоках питания и преобразователях напряжения.

Внутреннее устройство весьма похоже на TL494, но немного отличается. Для начала у микросхемы только один выход, а не два.
Кроме того компараторы привязаны к определенному напряжению, заданному внутри микросхемы, а не универсальные.
Ну и конечно ключевая особенность, микротоковый старт. пока микросхема не начнет работать, он потребляет очень маленький ток, потому запустить ее можно прямо от входного напряжения через резистор, TL494 так не умеет.
Чтобы запуск проходил корректно, у микросхемы есть пороговая схема определяющая напряжение включения и выключения микросхемы. Существует два варианта, около 9 и 15 Вольт.
Кроме того микросхема может иметь 50 и 100% рабочий цикл, первая идет в блоки питания, вторая в преобразователи напряжения.
Так получается четыре варианта исполнения этого контроллера.

Микросхема выпускается в разных корпусах, но наиболее распространен корпус с восемью выводами.

Типовая схема блока питания с этой микросхемой выглядит примерно так.

Сейчас на рынке есть много блоков питания с другими микросхемами, но если посмотреть на их схему, то вы увидите очень много общего, все те же узлы и элементы. Отличия если и есть, то они минимальны.

Инверторы блоков питания могут иметь разную топологию, и об этом я обязательно расскажу отдельно, но большинство выполнено по схемотехнике флайбек или полумост, две верхние схемы на чертеже. Собственно все описанные сегодня блоки питания работают именно так.

Но вернемся к ШИМ контроллерам. Перед этим я описывал варианты, когда ШИМ контроллер отдельно, а силовой узел отдельно. но также получили распространение и полностью интегрированные контроллеры, например серии TOP от Power integrations где практически все собрано в одном корпусе.
Не так давно мне даже попалась подделка, причем что интересно, она слева, с лазерной маркировкой, справа оригинал.

Распространение они получили благодаря простейшей схемотехнике, где в простом варианте блок питания состоит буквально из нескольких деталей.

Потом появились более продвинутые контроллеры, где можно задавать напряжение включения и отключения, а также ограничение выходной мощности. Но при желании их можно перевести в трехвыводный режим, соединив выводы как было на фото раньше.
Но в любом случае данные контроллеры гораздо умнее и имеют комплекс защит от разных проблем, например они выдерживали напряжение более 300 Вольт по входу просто блокируя свою работу.

Но секрет их популярности был также и в удобной программе расчета, которую предоставлял производитель. Она позволяла рассчитать все, вплоть до укладки обмоток трансформатора. А при обнаружении проблем в расчетах, выдавала подсказки.

Производитель предоставлял варианты применения своих микросхем в виде примеров. Был даже вариант компьютерного блока питания, но как-то не пошло.

Зато в небольших блоках питания, например мониторов, он встречаются весьма часто.

Кроме того я и сам их очень активно использую уже наверное лет 15.

Китайские производители также не отстают, выпуская свои варианты подобных микросхем.

Которые довольно успешно применяют в небольших блоках питания

Кстати, при желании можно использовать ШИМ контроллеры и без обратной связи от выходного напряжения, используя обмотку питания самого контроллера. Схема упрощается, но стабильность конечно будет немного ниже чем при правильной обратной связи.

В общих чертах на этом все. Вообще мне иногда кажется, что чем больше я рассказываю, тем больше остается за кадром, что еще хотелось бы рассказать более подробно, но не успеваешь. Потому скорее всего будут еще выпуски по отдельным узлам и принципам работы.
Видео получилось слишком длинным, даже сам не ожидал, и это при том, что еще почти ничего не сказал за ключевые транзисторы и часть даже вырезал, наверное болтаю слишком много:(

Несколько ссылок, на полезные обзоры, которые упоминались в видео.

За последнее десятилетие мы видим ускоренный темп развития электронных устройств. Вместе с ним растут и требования к устройству питания. Линейные регуляторы напряжения имеют низкий КПД и не всегда могут обеспечить требования, предъявляемые к устройству. Схемы с синхронным выпрямителем сегодня получили большое распространение. Номенклатура ИС, выпускаемых различными производителями, очень велика. В данной статье пойдет речь об особенностях использования синхронного ключа в синхронном выпрямителе и будет рассмотренно несколько видов ШИМ-контроллеров компании International Rectifier.

Схема синхронного выпрямителя была разработана очень давно. Для ее построения используются обычные n-канальные полевые транзисторы, только работают они в источниках питания с низким выходным напряжением и заменяют собой выпрямительные диоды. Напряжение сток-исток таких транзисторов обычно невелико, но емкости между сток-исток и затвор-сток весьма и весьма значительны. Характерной особенностью работы полевых транзисторов в качестве синхронных выпрямителей является их работа в четвертом квадранте их вольтамперной характеристики, то есть ток через них протекает в обратном направлении - от истока к стоку. На рис. 1 представлена схема построения синхронного выпрямителя.

Рисунок 1 Схема построения синхронного выпрямителя


Рисунок 2 Блок-схема видов приборов для построения синхронных регуляторов, производимых компанией International Rectifier

Требования к выбору элементов схемы при построении синхронного выпрямителя таковы:

Подводя итог по выбору элементов заметим, что при выборе транзисторов компания рекомендует разработчикам выбирать синхронные ключи с минимальным значением сопротивления. Для коммутирующего ключа необходимо выбирать транзистор с минимальным значением заряда затвора.

Компания International Rectifier представляет широкий ряд ИС ШИМ-конт-роллеров с различными функциональными возможностями (см. рис. 2). Семейство импульсных синхронных регуляторов включает интегрированные сборки в монолитных корпусах (SupIRBuck, IPower) и ШИМ-контроллеры без внутренних ключей. Двухканальные сборки представлены, в первом случае, монолитными интегрированными схемами и ШИМ-контроллерами с внутренним линейным опорным преобразователем или без него. Многофазовые системы представлены ИС семейства Х-Fase и I-Power.

Интегральная схема синхронного ШИМ-контроллера IR3651SPBF разработана для высокоэффективных синхронных понижающих DC/DC конверторов с входными напряжениями до 150 В. Программируемые рабочие частоты в диапазоне до 400 кГц позволяют применять микросхему в источниках питания телекоммуникационного оборудования и базовых станций, сетевых серверов, в автомобильных и промышленных блоках управления. При использовании микросхемы в маломощных устройствах уровень выходного напряжения может быть точно отрегулирован благодаря встроенному источнику опорного напряжения (1.25 В). ИС ШИМ-контроллера IR3651S совместно с парой DirectFET транзисторов обеспечивает эффективность преобразования более 88% при напряжении питания 48 В и выходном напряжении 3.3 В на токе 6 А без применения радиаторов или обдува. Другое преимущество данной ИС перед аналогами, представленными на рынке на сегодняшний день, заключается в повышенном максимальном напряжении питания. ИС разработана по 160-вольтовой HVIC технологии. Это позволяет повысить параметры надежности разработки в целом. ИС ШИМ-контроллера IR3651S разработана для управления двумя внешними N-каналь-ными МОП-транзисторами при их токах управления до 25 А и имеет несколько опций защиты: программируемый плавный запуск, защита по току и блокировка низкого напряжения. ИС имеет также функцию синхронизации для ее согласованной работы на общую фазу. Таким образом, эта микросхема может быть использована как для маломощных (менее 60 Вт) неизолированных DC/DC конверторов сетевого оборудования, так и для мощных (более 200 Вт) каскадов предварительного регулирования в управляемых изолированных конверторах. На рис. 3 представлена схема включения ИС IR3651S.


Рисунок 3 Схема включения контроллера IR3651S

Схема 3-фазного ШИМ-контроле-ра для синхронного DC-DC преобразователя IR3094MPbF совместно с использованием транзисторов MOSFET в корпусе DirectFET позволяет сократить на 40 % размеры платы при сравнении с сегодняшними аналогами. Малые размеры контроллера IR3094 идеально подходят для построения компактных синхронных преобразователей для систем с высокой плотностью монтажа. Обычно решения синхронных преобразователей с тремя выходными напряжениями требуют 14 элементов: 3 контроллера, 6 ключей, 3 дросселя, компоненты, обеспечивающие внешнее включение, плюс компоненты обратной связи. Преобразователи, собранные с применением контролера IR3094 и транзисторов MOSFET в корпусе DirectFET, IRF6637 и IRF6678 уменьшают количество элементов преобразователя до 7 единиц.

Три пары транзисторов в корпусе DirectFET могут быть размещены в непосредственной близости с IR3094, создавая решение, которое минимизирует размер печат ной платы и корпуса. Встроенные мощные драйверы контроллера IR3094, объединенные с парой DirectFET транзисторов, в каждой фазе создают решение для управления мощностью с высокой плотностью тока для конверторов типа POL (точка-нагрузка). Контроллер IR3094M разработан для приложений, требующих напряжения питания от 0.85 до 5.1 В. Он размещен в компактном MLPQ корпусе 7 мм? 7 мм и содержит встроенный 3 А драйвер управления ключами, 1 % источник опорного напряжения, установку выходного напряжения по каждой фазе, программируемую частоту переключения до 540 кГц.

Контроллер обеспечивает следующие виды защиты:

  • программируемый мягкий старт;
  • защита от КЗ в виде икающего тока на выходе каждой фазы;
  • защита от перенапряжения;
  • выход, сигнализирующий о текущем состоянии контроллера - «power good».

Совместно с данным типом контроллера рекомендуется использовать транзистор IRF6678, который является идеальным синхронным MOSFETом, который показывает низкое значение сопротивления - 1.7 мОм –10 В. Транзистор IRF6637 обладает низким значением заряда затвора (4 нКл) и менее подвержен эффекту Миллера, сопротивление перехода составляет 5.7 мОм при 10 В.

Для получения точного выходного напряжения с отклонением 1 % компания International Rectifier выпускает ИС IR3637. Ее применяют там, где необходимо высоко качество питающего напряжения. Данная ИС позволяет пользователю работать в диапазоне входного напряжения от 4.5 до 16 В. Основное преимущество данного ШИМ-контроллера - упрощенная конструкция и повышение компактности DC-DC преобразователя. ИС расположена в компактном корпусе SO-8 и обладает такими защитами как защита от короткого замыкания, блокировка по низкому напряжению питания, функция мягкого старта с внешним программированием.

Контроллер обеспечивает скважность ШИМ-сигнала до 85 % на частоте 400 кГц, что позволяет снизить размеры дросселя и улучшить динамические характеристики преобразователя. На рис. 4 представлена схема включения ИС ШИМ-контроллера IR3637.
Ранее в приложениях с 12 В входным напряжением разработчики имели недостаточный выбор возможностей и ориентировались в основном на использование интегрированных неизолированных DC-DC преобразователей, занимающих существенно большую площадь. Применение альтернативного решения на дискретных компонентах(новых ШИМ-контроллерах и МОП-транзисторах) позволяет использовать преимущества интеграции схемы конвертора в плату.

При разработке схемы синхронного выпрямления разработчику рекомендуется обратить внимание на три основных момента в разводке цепи земли ШИМ контроллера:

Номенклатура ШИМ-контроллеров и интегрированных сборок на их основе у компании International Rectifier насчитывает более 100 наименований. В табл. 1 приведены основные параметры некоторых ШИМ-контроллеров. Для ускорения разработки синхронного преобразователя напряжения компания International Rectifier представляет на сайте on-line проект для разработчиков My-Power - /engine/api/go.php?go=https://www.irf. com/design-center/mypower/index.html. Здесь разработчик может не только рассчитать параметры схемы и увидеть осциллограммы работы устройства, но также получить рекомендации по типу транзисторов и посмотреть их основные параметры.

·о ·р

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ, англ. Pulse-width modulation (PWM) ) - приближение желаемого сигнала (многоуровневого или непрерывного) к действительным бинарным сигналам (с двумя уровнями - вкл /выкл ), так, что, в среднем, за некоторый отрезок времени, их значения равны. Формально, это можно записать так:

,

где x (t ) - желаемый входной сигнал в пределе от t1 до t2 , а ∆T i - продолжительность i -го ШИМ импульса, каждого с амплитудой A . ∆T i подбирается таким образом, что суммарные площади (энергии) обеих величин приблизительно равны за достаточно продолжительный промежуток времени, равны так же и средние значения величин за период:

.

Управляемыми "уровнями", как правило, являются параметры питания силовой установки, например, напряжение импульсных преобразователей /регуляторов постоянного напряжения/или скорость электродвигателя. Для импульсных источников x (t ) = U const стабилизации.

ШИП - широтно-импульсный преобразователь, генерирующий ШИМ-сигнал по заданному значению управляющего напряжения. Основное достоинство ШИМ - высокий КПД его усилителей мощности, который достигается за счёт использования их исключительно в ключевом режиме. Это значительно уменьшает выделение мощности на силовом преобразователе (СП).

Применение

При широтно-импульсной модуляции в качестве несущего колебания используется периодическая последовательность прямоугольных импульсов, а информационным параметром, связанным с дискретным модулирующим сигналом, является длительность этих импульсов. Периодическая последовательность прямоугольных импульсов одинаковой длительности имеет постоянную составляющую, обратно пропорциональную скважности импульсов, то есть прямо пропорциональную их длительности. Пропустив импульсы через ФНЧ с частотой среза , значительно меньшей, чем частота следования импульсов, эту постоянную составляющую можно легко выделить, получив постоянное напряжение. Если длительность импульсов будет различной, ФНЧ выделит медленно меняющееся напряжение, отслеживающее закон изменения длительности импульсов. Таким образом, с помощью ШИМ можно создать несложный ЦАП : значения отсчётов сигнала кодируются длительностью импульсов, а ФНЧ преобразует импульсную последовательность в плавно меняющийся сигнал.

Wikimedia Foundation . 2010 .

Радиосхемы. - ШИМ-контроллер ViPer-100А

категория

Справочники радиолюбителя

материалы в категории

С. КОСЕНКО, г. Воронеж
Радио, 2002 год, № 11

Речь пойдет о микросхеме ViPer-100А и зарядном устройстве для автомобильных аккумуляторных батарей на ее основе.

Новая линейка микросхем характеризуется всеми достоинствами своего предшественника — ШИМ-контроллеров серии UC384X — и, кроме того, обладает несколькими существенными преимуществами.

Прежде всего, это сокращаемое приблизительно вдвое число дискретных элементов "обвязки" микросхемы.

Немаловажное обстоятельство — высокая надежность тепловой защиты VIPer-коммутируем ого ИИП. В случае плохого теплового контакта коммутирующего транзистора с теплоотводом отдельно расположенный ШИМ-контроллер будет реагировать только на перегрев корпуса микросхемы. Тяжелый режим работы транзистора может привести к его тепловому пробою, и во время лавинообразного нарастания тока стока транзистор становится фактически неуправляемым. Выпрямленное сетевое напряжение через неисправный транзистор еще до срабатывания предохранителя может успеть вывести из строя ШИМ-контроллер. Для VIPer-коммутируемого ИИП такая ситуация исключена.

И самое главное достоинство — возможность автоматизированного проектирования ИИП.

Микросхема VIPer 100А выполнена в пятивыводном металлопластмассовом корпусе ТО-220-5 с зигзагообразным расположением выводов. Рассмотрим алгоритм работы и упрощенную функциональную схему изделия, показанную на рис. 1 [1].

Сравнивая рис. 1 и функциональную схему ШИМ-контроллера UC384X [2], легко заметить их подобие. Назначение многих узлов либо совпадает абсолютно, либо отличается незначительно. В частности, компаратор входного напряжения питания микросхемы А1 обеспечивает пороговый уровень при переходе VIPer-коммутатора в состояние "включено" приблизительно 11 В, "выключено" — 8 В. Аналогично работает тепловая защита. При повышении температуры кристалла до 140...170°С триггер безопасного режима D1 блокирует работу ШИМ D2 по входу R1. Работа будет возобновлена автоматически, как только температура кристалла понизится на 40°С по сравнению с уровнем срабатывания тепловой защиты.

Потребляемый микросхемой ток не превышает 1 мА в состоянии "Выключено" и 15 мА — "Включено". Одна из особенностей изделия VIPer — на время пуска выводы 3 (DRAIN) и 2 (Vdd) внутри микросхемы соединены токо-ограничивающей цепью. Уровень ограничения составляет 3 мА. Этот ток распределяется между компаратором входного напряжения А1 (1 мА) и оксидным конденсатором фильтра, подключенным к выводу 2 (зарядный ток конденсатора — около 2 мА). После сравнительно медленного возрастания напряжение на оксидном конденсаторе достигает порогового уровня включения микросхемы (11 В), затем конденсатор разряжается рабочим током микросхемы 15 мА. Если микросхеме по каким-либо причинам (большая емкость разряженного перед включением конденсатора фильтра или замыкание в нагрузке) не удается перейти из пускового в рабочий режим, напряжение на конденсаторе быстро снижается до порогового уровня выключения, после чего процесс циклически повторяется. При попытках перехода в рабочий режим микросхема формирует "пачки" запускающих импульсов. Коэффициент заполнения "пачек" определяется отношением зарядного тока конденсатора к разрядному и составляет всего 2/15 « 13 %, что предотвращает повреждение входного и выходного выпрямителей в пусковом режиме или при замыканиях в нагрузке. Формирование нескольких "пачек" в пусковом режиме способствует плавному увеличению выходного напряжения ИИП и характеризует его "мягкое" включение.

Процесс регулирования выходного напряжения ИИП аналогичен рассмотренному для прототипа. Внутренние цепи обеспечивают стабилизацию напряжения питания микросхемы на уровне 13 В с помощью двух контуров регулирования: внутреннего и внешнего. Внутренний контур — обычный стабилизатор для питания всех узлов микросхемы. Внешний контур регулирования образуют вспомогательная обмотка трансформатора, подключенная к выводу 2 через внешний резистор, и соединенный с этим выводом усилитель сигнала ошибки A3. Двойная стабилизация напряжения питания микросхемы обеспечивает минимальное отклонение частоты коммутирующих импульсов. В [1] указано, что при изменении напряжения питания в интервале 9...15 В, а также несоответствии номиналов частотозадающих резистора и конденсатора расчетным значениям в пределах ±1% и ±5% соответственно отклонение частоты следования импульсов не превысит ±10%. Температурная нестабильность частоты не превысит -4 %, если температура кристалла увеличится от 25 до 125°С.

Так же, как и в ШИМ -контроллере UC384X, одноименный и функционально равноценный вывод 5 (СОМР) микросхемы VIPer с напряжением на нем в рабочем режиме около 4,5 В можно использовать для принудительного выключения ИИП.

Внутри микросхемы этот вывод может соединяться с общим проводом полевым транзистором V2 под воздействием триггера безопасного режима D1, реагирующего на блокирующие сигналы узла тепловой защиты А2, и компаратора входного напряжения А1. Если принудительное соединение вывода 5 с общим проводом произошло во время действия коммутирующего импульса, очередной импульс возможен не ранее чем через 1,7...5 мкс, хотя генератор все это время продолжает работать. Подключенный к выводу 5 конденсатор еще на некоторое время задержит возрастание напряжения до порогового уровня 0,5 В, и как минимум один коммутирующий импульс будет пропущен. Изменением числа пропускаемых импульсов также можно регулировать выходное напряжение ИИП. Временную задержку импульсов коммутации осуществляет элемент А5, подключенный к выходу компаратора контроля тока А4.

Особый интерес в изделии VIРег представляет использованный метод контроля тока, для чего на кристалле сформированы все необходимые элементы. Сигнал, пропорциональный току, подают с дополнительного вывода коммутирующего транзистора V3 на преобразователь ток—напряжение U1, а затем усиливают в усилителе датчика тока А9. Уровень напряжения на входе R3 ШИМ D2 пропорционален току стока, и при достижении заданного порогового уровня длительность коммутирующего импульса будет ограничена. Специальный узел гашения в течение 0,25 мкс после начала коммутирующего импульса подавляет выбросы на фронте, обусловленные током обратного восстановления выпрямительного диода во вторичной обмотке и распределенной емкостью накопительной обмотки. Эти выбросы могут вызвать преждевременное ограничение длительности импульса. При нормальном функционировании ИИП длительность коммутирующих импульсов ограничивается по входу R2 ШИМ.

В случае замыкания в нагрузке после включения ИИП выходной ток будет вначале медленно увеличиваться в соответствии с динамическими характеристиками контура регулирования, а при достижении предельного для VIPer-100A значения 3 А ограничение тока будет происходить в каждом коммутирующем импульсе. Следует обратить внимание на тот факт, что приводимый в справочниках предельный ток З А — минимальный из интервала возможных для отдельных образцов. Типовое значение тока для большинства составляет 4 А, а отдельные микросхемы работоспособны и при уровне ограничения 5,4 А. Ограничить ток через коммутирующий транзистор можно и на более низком уровне, если использовать внешний преобразователь ток-напряжение, выход которого подключают к выводу 5 (СОМР). Все это гарантирует предотвращение повреждения ИИП в экстремальных ситуациях.

Появление микросхемы VIPer-100A позволяет совершенно по-новому подойти к проблеме создания простого и надежного зарядного устройства (ЗУ) для автомобильных аккумуляторных батарей (АБ).

Большинство ЗУ заряжают АБ стабильным током. Однако во всех транспортных средствах, в том числе и легковых автомобилях, зарядка происходит при постоянном напряжении. В бортовой сети реле-регуляторы поддерживают напряжение на уровне 14±0,5 В. Поэтому разрядка АБ в режиме пуска током в несколько десятков ампер сопровождается последующим коротким промежутком времени, когда зарядный ток может достигать 30 и более ампер, а затем он быстро снижается до единиц и долей ампера.

Аналогичный зарядный режим может быть использован автолюбителями для решения задачи другого рода. Если необходимо срочно выехать, а автомобиль долгое время не эксплуатировался, то, скорее всего, из-за саморазрядки АБ попытки запустить двигатель, особенно в зимнее время, окажутся безуспешными. Некоторые автолюбители в подобных случаях применяют длительную (в течение полусуток и более) подзарядку АБ малым током, ускоряя тем самым коррозию решеток положительных электродов [3] и приближая выход батареи из строя. Более рационально в этом случае использовать в течение 15...30 мин ЗУ, заряжающее АБ при постоянном напряжении. Включенный последовательно с АБ резистор с небольшим (доли Ома) сопротивлением ограничит зарядный ток в начальный момент, и по мере зарядки напряжение на батарее будет увеличиваться, а ток уменьшаться.

VIPer-коммутируемое ЗУ без хлопот можно доставить в гараж даже в кармане благодаря его малым габаритам и массе. С другой стороны, его можно использовать не только как полноценное зарядное устройство, но и как источник питания для других целей.

Поскольку такой ИИП схемотехнически защищен от замыканий, к нему можно подключать, как частично, так и полностью разряженную батарею. В зависимости от степени разряженности ИИП будет "перекачивать" в АБ энергию, ограниченную мощностью около 100 Вт, т. е. зарядный ток будет регулироваться автоматически, не выходя за пределы режима безопасной работы ИИП.

ЗУ позволяет заряжать АБ током не менее 6 А в начале и доводить напряжение на ней до 15 В в конце зарядки. Рабочая частота преобразования используемого ИИП — 100 кГц. КПД устройства — не менее 87 %. Габариты ИИП без корпуса — 55x80x42,5 мм.

Сервисные функции ЗУ определяются свойствами используемой микросхемы VIPer-100А. Они уже упоминались: защита от замыканий и обрывов в нагрузке, реализация безопасных рабочих режимов, тепловая защита, автоматическое регулирование зарядного тока в зависимости от степени разряженности АБ.

Единственный недостаток ЗУ, к которому нужно отнестись очень серьезно, — уязвимость от переполюсовки. При неправильном подключении АБ возможно повреждение трансформатора и других элементов ЗУ, поэтому подключать его нужно очень внимательно.

Схема ЗУ, разработанная с помощью DESIGNE SOFTWARE ("Эволюция обратноходовых импульсных ИП" в "Радио", 2002, ╧ 8), показана на рис. 2. Методика проектирования была подробно описана ранее. Параметры сетевого напряжения не менялись, частота преобразования выбрана равной 100 кГц, выходные параметры соответствуют напряжению 15 В при токе 6 А. Магнитопровод трансформатора выбран RM10 (отечественный аналог KB 10) из материала N67 (аналог — М2500НМС1).

Благодаря подробному анализу алгоритма функционирования используемого в ЗУ изделия VIPer-100А, повторно описывать назначение отдельных элементов устройства не имеет смысла. Чертеж печатной платы показан на рис. 3.

Несмотря на минимальное число используемых элементов, монтаж получился весьма плотным, что объясняется желанием автора использовать в качестве готового корпуса устройства неисправный высоковольтный конденсатор К41-1а емкостью 0,1 мкФ на напряжение 10 кВ.

Микросхема VIPer 100А установлена на штыревой теплоотвод с эффективной площадью около 60 см2 через слюдяную пластину с применением теплопроводящей пасты, соединенный с общим проводом.

Диодный мост — импортный, рассчитан на прямой ток 1,5 А и обратное напряжение 1000 В. Диодная сборка VD4—VD7 представляет собой соединенные двумя винтами три дюралюминиевые пластины (толщина крайних — 1,5 мм, средней — 2 мм) размерами 30x40 мм, между которыми попарно с каждой стороны от центральной пластины зажаты без и изолятора с применением теплопроводящей пасты четыре диода КД213Б катодом к центру. При монтаже следует обратить внимание на изоляцию всех анодных выводов.

Токоограничительный резистор R6 — С5-16МВ мощностью 5 Вт установлен перпендикулярно плате. Микроамперметр РА1 — М4283 или любой другой, используемый в переносных магнитофонах для индикации уровня записи. При налаживании его подключают к источнику стабилизированного напряжения 0,6 В и подбором резистора R5 устанавливают стрелку на край зеленого сектора.

Оксидные конденсаторы — импортные, поскольку отечественные не "впишутся" в указанные габариты ИИП. Конденсатор С7 подпаивают параллельно к резистору R3, а затем последний одним выводом впаивают перпендикулярно к плате, а второй соединяют навесным способом со свободным выводом аналогично установленного диода VD2.

Особое внимание следует уделить изготовлению и монтажу импульсного трансформатора. Его магнитопровод должен быть с немагнитным зазором 0,7 мм.

Обмотки трансформатора наматывают на самодельном каркасе. Скальпелем или острым ножом расслаивают небольшую стеклотекстолитовую пластину и отделяют от нее один слой толщиной 0,1...0,15 мм. Вырезав полоску требуемых размеров, с применением нитроклея без перекосов, наматывают ее в 2—3 слоя на стержень подходящего диаметра, а после высыхания клея снимают.

На полученный таким образом каркас наматывают первый слой — 11 витков провода ПЭВ-2 0,41 в два проводника, затем межслойную изоляцию из лавсановой пленки или лакоткани и второй слой — 9 витков. Затем наматывают межобмоточную изоляцию.

Обмотку III, состоящую из 7 витков провода ПЭВ-2 1,5, наматывают на стержне чуть большего диаметра с расчетом, чтобы она поместилась на обмотке I. С каждой стороны катушки оставляют выводы длиной 8...10 мм. Полученную обмотку III осторожно надевают на первую секцию обмотки I так, чтобы их выводы были диаметрально противоположны, центрируют и с помощью клея фиксируют слой межобмоточной изоляции. После этого полезно проверить размещение катушки в магнитопроводе, и если обе пластины свободно соединяются, катушку вынимают и заливают ее торцы клеем для фиксации и герметизации обмоток.

После высыхания клея на катушке наматывают в два слоя по 8 и 7 витков каждый вторую секцию обмотки I. Завершают намотку обмоткой II из 6 витков "вразрядку" провода ПЭВ-2 0,15 и после пробного размещения катушки в магнитопроводе снова герметизируют клеем торцы катушки.

Измеренная индуктивность обмотки I трансформатора совпала с рассчитанной в DESIGNE SOFTWARE и составила 225 мкГн. Готовый трансформатор по боковой поверхности закрывают электростатическим экраном — одним слоем медной фольги и фиксируют на плате с помощью скобы. Между трансформатором и скобой прокладывают полоску резины толщиной 1 мм. Склеивать пластины магнитопровода при сборке необязательно. Все выводы трансформатора, кроме 7, 2 и 3, запаивают в соответствующие отверстия на плате. Выводы 2 и 3 соединяют навесным способом, изолируют, а затем "прячут" под электростатический экран. Вывод 7 соединяют с платой коротким отрезком коаксиального кабеля с многожильным центральным проводником.

На крышке устройства размещают выключатель питания, держатель предохранителя на 2 А, микроамперметр и две клеммы для подключения АБ. Кроме того, для облегчения теплового режима ИИП на крышке корпуса фиксируют малогабаритный вентилятор, используемый для обдува микропроцессоров, желательно максимально возможной производительности, и предусматривают для него воздухо-заборные отверстия. Выводы вентилятора, рассчитанного на напряжение 12 В, подключают к конденсатору С9 через токоограничивающий резистор МЛТ-0,125 сопротивлением 8,2 Ом. В зависимости от модели и производительности потребляемый вентилятором ток будет составлять от 40...50 мА при 12 В до 55...65 мА при 15 В.

Если ЗУ собрано из исправных деталей без ошибок и отклонение рабочей частоты от расчетного значения не более 10 %, налаживание устройства не требуется.

На рис. 4 показаны зависимости выходного напряжения (сплошная линия) и выходной мощности (штриховая линия) от тока нагрузки. Измерения проведены при замкнутом резисторе R6. Для уменьшения пульсаций на выходе был подключен оксидный конденсатор емкостью 22000 мкФ.

ЛИТЕРАТУРА
1. VIPer Swich Mode Flyback Power Supply DESIGNE SOFTWARE/Documentation/Data-sheet/Viper100 — Viper100A: p. 1—20, February 2001.
2. Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. Справочник. — М.: ДОДЭКА, 1997.
3. Дасоян М. А., Курзуков Н. И., Тютрюмов О. С, Ягнятинскии В. М. Стартерные аккумуляторные батареи. Устройство, эксплуатация, ремонт. — М.: Транспорт, 1994.

 

как снизить стоимость тракта электропитания устройства

Применяя ШИМ-контроллеры, микросхемы запуска и компактные трансформаторы Mornsun, можно в два раза сократить высоту, занимаемую DC/DC-преобразователем на печатной плате, а также сохранить КПД и основные технические характеристики готового преобразователя при сниженной стоимости.

Источники питания, а именно – импульсные AC/DC-преобразователи различного уровня мощности и функциональности, содержатся практически во всех радиоэлектронных устройствах. Причем для подавляющего большинства таких устройств требуются простые и надежные источники питания небольшой мощности (от единиц до десятков ватт), от которых необходимо получить определенное напряжение при минимальной функциональности и стоимости при соответствующем уровне безопасности.

Совместно с AC/DC-преобразователями в изделиях промышленной автоматизации, приборах учета энергоресурсов, телекоммуникационных устройствах широко применяются и DC/DC-преобразователи для питания изолированных интерфейсов типа RS-232/485, CAN-шины или для получения дополнительных изолированных или неизолированных уровней напряжения из имеющегося основного. Причем, если мы рассматриваем изолированные преобразователи, то для различных устройств требуется обеспечить определенную соответствующими правилами безопасности электрическую прочность изоляции, как правило, в диапазоне 1000…6000 В DC.

У разработчика подобных изделий есть выбор: использовать готовые модульные преобразователи и тем самым упростить себе жизнь или полностью разработать собственную схему электропитания всего устройства. Выбирая второй путь, можно достичь оптимальных технических параметров схемы и конструкции изделия в целом, а также получить положительный экономический эффект, поскольку исключаются расходы на готовый источник питания, причем этот эффект будет тем выше, чем выше серийность изделия. Однако не все разработчики выбирают второй путь, мотивируя это сложностью схемы и возможными последующими трудностями с отладкой, а также проблемами с безопасностью, надежностью и ЭМС.

Для преодоления этого стереотипа разработчику важно иметь готовый набор основных компонентов, простых отработанных схемотехнических решений на основе этих компонентов (референс-дизайнов), быть уверенным в наличии отладочных плат. Желательно, чтобы все это было бы представлено продукцией одного производителя.

На отечественном рынке представлены различные производители готовых источников питания, но таких, которые, имея опыт производства законченных модульных источников питания, предлагали бы и все необходимое для разработки и производства собственных AC/DC- и DC/DC-преобразователей, практически нет. Однако из каждого правила есть исключения: таким производителем является компания Mornsun.

Mornsun наряду с готовыми источниками питания поставляет и отдельные компоненты, такие как микросхемы ШИМ-контроллеров, трансформаторы, микросхемы запуска (startup), отладочные платы, а также необходимую сопутствующую информацию для исследования и разработки собственных AC/DC- и DC/DC-преобразователей. Плюс ко всему, компания оказывает хорошую техническую поддержку с возможностью выезда специалиста для решения возникших вопросов на месте.

Компания Mornsun на российском рынке известна прежде всего как производитель широкого ряда модульных AC/DC- и DC/DC-преобразователей, устанавливаемых на печатную плату. Но реальный спектр ее продукции существенно шире. Наиболее полная линейка продукции Mornsun изображена на рисунке 1. Здесь, кроме источников питания, мы видим модули и микросхемы популярных интерфейсов, различные аксессуары для источников питания, а также микросхемы и трансформаторы для построения источников питания и DC/DC-преобразователей.

Рис. 1. Линейка основной продукции компании Mornsun

Почему, выбирая компоненты Mornsun для собственного источника питания или DC/DC-преобразователя, можно получить экономическую выгоду по сравнению с аналогичными компонентами других производителей? Дело в том, что микросхемы для построения AC/DC- и DC/DC-преобразователей являются собственной разработкой компании и отличаются внутренней схемотехникой от аналогичных микросхем других производителей. Кроме того, стоимость этих микросхем ниже, чем стоимость подобных микросхем других производителей. Схемотехника микросхем Mornsun оптимизирована для снижения количества внешних компонентов в конечном изделии. То есть при разработке мы экономим непосредственно на основных и дополнительных компонентах, а так же на стоимости работ по монтажу, при этом не снижая надежности устройства.

Компания обладает множеством патентов на интеллектуальную собственность (>600), имеет отделения в Америке, Германии и широкую дистрибьюторскую сеть во многих странах мира. Ее продукция применяется в телекоммуникации и связи, на транспорте, в энергетике, в системах промышленной автоматизации, в нефтегазовой отрасли и в медицине. Ее используют такие промышленные гиганты как General Electric (GE)HoneywellEmersonSiemensABB, что подтверждает надежность и качество производимого товара.

Семейство интегральных микросхем Mornsun включает в себя микросхемы контроллеров для построения AC/DC-преобразователей мощностью 0,1…60 Вт, DC/DC-преобразователей мощностью 0,1…40 Вт, микросхемы запуска и трансформаторы на определенную мощность и выходное напряжение для использования совместно с этими микросхемами. Основные компоненты, о которых пойдет речь в данной статье, показаны на рисунке 2.

Рис. 2. Компоненты Mornsun для построения AC/DC- и DC/DC-преобразователей

ШИМ-контроллеры и микросхемы запуска для AC/DC-преобразователей

В линейке микросхем управления питанием для AC/DC-преобразователей представлены ШИМ-контроллеры SCM1702A, SCM1703A и SCM1710A, которые реализуют обратноходовую схему преобразования. Первая микросхема реализует схему с обратной связью на первичной стороне, вторая – по вторичной цепи (вторичная обмотка трансформатора). Обе микросхемы имеют встроенный MOSFET-транзистор и применяются в AC/DC-преобразователях с выходной мощностью до 5 Вт. Последняя микросхема является ШИМ-контроллером с обратной связью по вторичной цепи и используется в источниках питания мощностью 5…60 Вт. Все эти микросхемы имеют частоту преобразования 110 кГц.

На ШИМ-контроллере SCM1702A можно построить AC/DC-преобразователи с диапазоном входного напряжения 85…264 В при выходной мощности до 5 Вт. Данная микросхема оснащена встроенным силовым MOSFET-ключом с максимальным напряжением 650 В и высоковольтной схемой запуска, это позволяет упростить схему и снизить стоимость тракта питания устройства. Для отслеживания изменения выходного напряжения и его соответствующей коррекции используется дополнительная обмотка связи. Такая схема включения обеспечивает необходимую стабильность выходного напряжения.

Микросхема SCM1702ASA может широко применяться в устройствах, не требующих высокой точности напряжения, но требовательных к стоимости, а также в малогабаритных приборах, например, в адаптерах и других устройствах гражданского и коммерческого назначения с невысокими требованиями к ЭМС. Типовая схема включения данной микросхемы приведена на рисунке 3.

Рис. 3. Типовая схема включения ШИМ-контроллера SCM1702A

Микросхема SCM1703A – контроллер вторичной обмотки обратноходового AC/DC-преобразователя. Указанный ШИМ-контроллер имеет такой же диапазон входного напряжения переменного тока, как и предыдущий – 85…264 В, и так же оснащен встроенным MOSFET-транзистором с напряжением 650 В и схемой высоковольтного старта до 700 В. Контроллер является высокоинтегрированной микросхемой, обеспечивающей повышенную точность выходного напряжения, и может применяться в бытовых или промышленных источниках питания.

Типовая схема включения микросхемы SCM1703A приведена на рисунке 4.

Рис. 4. Типовая схема включения ШИМ-контроллера SCM1703A

Для обеспечения обратной связи по напряжению используется оптронная связь, посредством которой регулируется частота переключений внутреннего MOSFET-транзистора. Этим достигается высокая стабилизация выходного напряжения.

На рисунке 5 изображена типовая схема включения микросхемы SCM1710A. Эта микросхема представляет собой высокоинтегрированный ШИМ-контроллер, предназначенный для применения в преобразователях мощностью 5…60 Вт с улучшенными характеристиками. Его особенностями являются необходимость во внешнем MOSFET-транзисторе, более высокая точность выходного напряжения и наличие цепи обратной связи.

Рис. 5. Типовая схема включения ШИМ-контроллера SCM1710A

Оптронная связь используется для контроля над изменением выходного напряжения. Сигнал обратной связи подается на контроллер, изменяющий соответствующим образом частоту переключения внешнего MOSFET-транзистора для стабилизации выходного напряжения.

На рисунке 5 мы уже видим применение дополнительной микросхемы Mornsun – SCM9601, которая является пусковым контроллером и обеспечивает высокий стартовый ток при малых стоимости и размере корпуса (SOT23). Длительность пуска высоковольтного источника питания задается внешней цепью. Имеется ограничение заряда входного напряжения VDD. Можно последовательно соединять пусковые микросхемы SCM9601 и SCM9602, как показано на рисунке 6. Подобное включение позволяет расширить диапазон входного напряжения до 1400 В.

Рис. 6. Схема последовательного включения микросхем запуска для возможности работы при высоком напряжении до 1400 В

Указанные микросхемы обеспечивают необходимый стартовый ток для контроллера и упрощают схему устройства. После того как контроллер преобразователя запустится, пусковая микросхема выключится для экономии энергии. 

ШИМ-контроллеры для DC/DC-преобразователей

Для DC/DC-преобразователей у компании Mornsun также имеется несколько микросхем, на основе которых можно собрать простые и недорогие изолированные и неизолированные преобразователи в широком диапазоне мощности как на фиксированное входное напряжение (нестабилизированные), так и стабилизированные с широким входом 4:1 (до напряжения 75 В). Это микросхемы SCM1201ASCM1212A и SCM1101A, на которых можно реализовать изолированные преобразователи, а также микросхемы SCM1301A и SCM1316A, предназначенные для неизолированных схем питания (из-за ограниченного объема настоящей статьи последние не рассматриваются).

Особый интерес представляют микросхемы SCM1201A, SCM1212A для создания простого и недорогого, но функционально насыщенного изолированного DC/DC-преобразователя. Обе микросхемы обладают одинаковым функционалом, но выполнены в корпусах с различной цоколевкой: SCM1201A в корпусе SOT23-6, SCM1212A в корпусе SOT23-5 (полный аналог микросхемы TI SN6501, только дешевле в несколько раз). Типовая схема включения обеих микросхем приведена на рисунке 7, а блок-схема – на рисунке 8. На данном рисунке показана блок-схема SCM1201A, а блок-схема SCM1212A аналогична.

Рис. 7. Типовая схема включения SCM1201A (а) и SCM1212A (б)

Указанные микросхемы предназначены для создания наиболее популярных изолированных нестабилизированных DC/DC-преобразователей мощностью 1 Вт с фиксированным напряжением 5/5 В.

Рис. 8. Блок-схема SCM1201A

В данных микросхемах используется двухтактная схема с независимым генератором и дополнительно интегрированными цепями защиты выхода от КЗ, мягким стартом и защитой от перегрева. Причем защита от КЗ носит длительный характер. Кроме того, DC/DC-преобразователь, собранный на этих микросхемах, обладает увеличенной до 10 раз допустимой емкостной нагрузкой (до нескольких тысяч мкФ) и малым значением потребляемого тока на холостом ходу.

Типовая схема включения имеет минимальное число компонентов, характеризуется высокой повторяемостью и надежностью, при этом обладает минимальной стоимостью. Данная микросхема применяется в модульных DC/DC-преобразователях Mornsun нового поколения R3.

Если требуется реализовать схему более мощного (5…30 Вт) изолированного DC/DC-преобразователя с широким диапазоном входного напряжения, можно обратить внимание на микросхему SCM1101A. Типовая схема включения приведена на рисунке 9.

Рис. 9. Типовая схема включения SCM1101A

Контроллер требует малого количества дополнительных компонентов, привлекателен по стоимости, имеет высокую надежность, обладает всеми необходимыми функциями и отличной производительностью.

Для подобных мощных преобразователей часто применяется ШИМ-контроллер типа SG6840. Применение ШИМ-контроллера Mornsun позволяет существенно сократить и упростить схему, что снижает общую стоимость решения и повышает надежность системы питания. 

Трансформаторы для AC/DC- и DC/DC-преобразователей

Необходимой составляющей рассмотренных преобразователей являются трансформаторы, которые, помимо трансформации напряжения, обеспечивают еще и требуемую электробезопасность (электрическую прочность изоляции «вход-выход»). Для максимальной эффективности характеристики трансформаторов должны быть согласованы с характеристиками используемых микросхем по основным параметрам. Часто бывает, что изготовление трансформаторов возлагается на потребителя или на стороннего производителя, что несет некоторые риски. Компания Mornsun предлагает к собственным ШИМ-контроллерам и собственные трансформаторы. Кроме того, возможно изготовление трансформаторов с нестандартными параметрами под заказ.

В таблице 1 приведены сочетания трансформаторов и микросхем для построения схем питания на наиболее популярные значения мощности и выходного напряжения. Приведенный в таблице перечень — неполный. Наиболее полный список возможных трансформаторов можно найти на сайте производителя. Трансформаторы, в зависимости от мощности, изготавливаются или для поверхностного монтажа, или для монтажа в отверстие.

В таблицах 2 и 3 приведены некоторые основные параметры трансформаторов, в частности мощность, электрическая прочность изоляции и тип монтажа.

Рассмотрим подробней трансформаторы для DC/DC-преобразователей на микросхемах SCM1201A и SCM1212A.

Таблица 1. Сочетание микросхем и трансформаторов

В настоящий момент имеется несколько трансформаторов в SMD-исполнении с изоляцией 1650, 3000 (2 разновидности трансформаторов), 4250, и 6000 ВTTB0505-1T, TSHT5.8-01 и CTTF0505-1T, CTTFB0505-1T и CTTH0505-1T соответственно. Применяя данные микросхемы в сочетании с любым из представленных трансформаторов, вы можете собрать очень простой изолированный DC/DC-преобразователь 5/5 В мощностью 1 Вт. Например, высота SMD-трансформатора TTB0505-1T — всего 3,6 мм, а высота аналогичного готового DC/DC-преобразователя в самом компактном корпусе SMD-8 составляет 7,25 мм. В итоге, сочетание этих отдельных компонентов вместо готового преобразователя поможет в два раза уменьшить высоту, занимаемую преобразователем на печатной плате, что очень важно для компактных плоских устройств. При этом полученный DC/DC-преобразователь будет обладать хорошей функциональностью и техническими характеристиками при пониженной стоимости, по сравнению с модульными решениями любых производителей.

Таблица 2. Основные параметры трансформаторов для AC/DC

Наименование Мощность, Вт Входное напряжение, В AC Выходное напряжение, В DC Выходной ток, мА Напряжение изоляции, В АC Тип монтажа
TTLS03-15B05T 3 85…305 5 600 3000 SMD
TTLS03-15B12T 3 85…305 12 250 3000 SMD
TTLDE05-20B12D 5 85…264 5 1000 4000 DIP
TTLDE05-20B05D 5 85…264 12 420 4000 DIP
TTLHE10-20B05D 10 85…264 5 2000 4000 DIP
TTLHE10-20B12D 10 85…264 12 900 4000 DIP
TTLHE20-20B12D 20 85…264 12 1600 4000 DIP
TTLHE25-20B12D 25 85…264 12 2100 4000 DIP

Таблица 3. Основные параметры трансформаторов для DC/DC

Наименование Мощность, Вт Входное напряжение, В DC Выходное напряжение, В DC Напряжение изоляции, В AC Тип монтажа
TTB0505-1T 1 5 5 1650 SMD
TTB0509-1T 1 5 9 1650 SMD
TSHT5.8-01 1 5 5 3000 SMD
TTH0505-1T 1 5 5 3000 SMD
CTTH0505-1T 1 5 5 6000 SMD
CTTF0505-1T 1 5 5 3000 SMD
CTTFB0505-1T 1 5 5 4250 SMD
TTURB2405-6T 6 9…36 5 1650 SMD
TTURB2405-10T 10 9…36 5 1650 SMD
TTURB4805-10T 10 18…75 5 1650 SMD
TTURA2415-10T 10 9…36 ±15 1650 SMD
TTURA4805-10T 10 18…75 ±5 1650 SMD
TTURB2405-20T 20 9…36 5 1650 SMD

Заключение

Помимо рассмотренных микросхем ШИМ-контроллеров, микросхем запуска и трансформаторов, компания Mornsun выпускает готовые отладочные платы для исследования и отладки AC/DC- и DC/DC-преобразователей на рассмотренных компонентах и предоставляет полную техническую и информационную поддержку. Все это в итоге существенно облегчает разработку собственной схемы питания устройства и помогает снизить его стоимость. Выбрав компоненты Mornsun для изготовления собственного источника питания и приложив некоторые усилия, можно быть уверенным, что это решение обязательно будет реализовано с коммерческой выгодой.

Источник: КОМПЭЛ

Схема электрическая принципиальная Микроша Дон

Описание работы схемы электрической принципиальной сварочных инверторных аппаратов «МИКРОША»

При включении в сеть замыкаются 2 группы контактов выключателя S1. При этом S1.1 подключает напряжение питания к http://nashaelektronika.ru/files/Сзема%20ДОН-160М-240М_V3.JPGдиодному мосту сетевого выпрямителя через конденсатор С7. На частоте 50 Гц конденсатор имеет реактивное сопротивление несколько сотен Ом, что позволяет обеспечить плавную зарядку электролитических конденсаторов сетевого фильтра. Цепь S1.2 включает цепь питания реле. По мере зарядки конденсаторов цепи +300В, заряжается и конденсатор временной задержки С13 через резисторы R44, R45, R50. При достижении напряжения на нем уровня +2,5В управляемый стабилитрон VD15 открывается, реле К1 срабатывает, шунтируя своими контактами С7.

  Блок питания +25,6В построен на ТОР258GN. Представляет собой DC-DC преобразователь без гальванической развязки. Сумма напряжений стабилитронов VD5 и внутреннего стабилитрона микросхемы 5,6В задает величину выходного напряжения ( 5,6+20=25,6В ). Параллельно внутреннему установлен защитный стабилитрон  VD6. Кроме того VD16 защищает цепь питания от непредвиденных ситуаций и при превышении уровня напряжения вызывает срабатывание защиты микросхемы по току.

КОМПАРАТОРЫ ЗАЩИТ

М/сх IC2 - LM224D : ОУ2 выв.5,6,7 – на вывод 5 подается опорное напряжение 2,3В с делителя R5, R6. На инвертирующий вход 6 – с делителя R3, R4. При нагреве радиатора диодов сопротивление терморезистора уменьшается с ростом температуры. Когда величина напряжения этого делителя уменьшается до уровня опорного, на выводе 7 появляется высокий уровень напряжения, которое через резистор R39 поступает на светодиод «ПЕРЕГРЕВ» и на аналоговый вход PIC контроллера (1). Через R37 это же напряжение поступает на сумматор аварийных сигналов –ОУ3 (выв.8,9,10), с выхода 10 блокируя работу ШИМ контроллера через транзистор VT6. Так же к ОУ2 (выв.5,6,7) подключены транзисторы VT1, VT2. Первый открывается при аварии в цепи +300В, второй открывается сигналом PIC контроллера при низком/высоком напряжении питания, что вызывает ту же реакцию, что и нагрев терморезистора. Компаратор ОУ2(5,6,7) обладает гистерезисом, смещая температурный порог обратного включения через R24, VD7.

  ОУ1 выв. 1,2,3 – мониторит напряжение +25В. Опорное - R22, VD8, измеряемое – R20, R21. Пороги блокировки ШИМ контроллера по напряжению питания подобраны таким образом, что при включении аппарата, при возможности обеспечения амплитуды импульсов на затворах IGBT транзисторов уровнем +13,5В и выше, на выв.1 появляется лог.0. При снижении амплитуды напряжения менее 11,5В – лог.1, поступающая на сумматор ОУ3 (5,6,7), запрещая подачу питания на ШИМ контроллер IC4. Гистерезис обеспечивается цепью R34, VD17. Данная защита необходима транзисторам инвертора. При снижении амплитуды импульсов управления менее 10В возможен переход силовых транзисторов в линейный режим с большими потерями и как следствие – выход из строя с разрушением кристалла.

  ОУ3 выв. 5,6,7 – компаратор-сумматор. При появлении на входе 10 хотя бы одного сигнала: а) с термодатчика №1 через R37,    б) с компаратора питания через R35,    в) с термодатчика №2 через R40,   вызывает появление напряжения высокого уровня на выводе 8, которое запирает транзистор VT6, блокируя подачу питания ШИМ контроллера.

  Работа термодатчика №2 на IC3 ничем не отличается от описанного ранее №1. Он устанавливается на аппараты с ферритовыми сердечниками и настроен на температуру срабатывания по перегреву феррита 95-100 С.  На модификациях с нанокристаллическими сердечниками он отсутствует.

  ОУ4 выв. 12,13,14 – усилитель ошибки. Сигнал с трансформатора тока TV1 выпрямляется диодным мостом VD11-VD14, интегрируется цепью R23, C12 и через резистор R38 подается на инвертирующий вход 13 ОУ. На его неинвертирующий вход приходит напряжение задания величиной от 0В до +5В с резистора регулировки тока сварки R88. Величина проинтегрированного напряжения с ТТ имеет аналогичный порядок. Напряжение управления с вывода 14 IC2 через делитель/интегратор R54, R63, C24 поступает на вывод 2 IC4 ШИМ контроллера для регулировки тока по среднему значению. R32, C14 – цепь коррекции. 

  IC4 – SG2525AP – двухтактный ШИМ контроллер. Рабочая частота для ферритовых сердечников в моделях 160, 180 – 60 кГц. Для нанокристаллических – 42 кГц. Для моделей 200 и 220 – 42 кГц для любых сердечников. Стандартное включение. Цепи коррекции. Выходные сигналы усиливаются транзисторными сборками IC5, IC6 для раскачки трансформатора гальванической развязки ( ТГР ). На выходах ТГР – предусилители-корректоры (драйвера) выполнены по схеме с отрицательным смещением в паузе. На затворы силовых транзисторов подается сигнал, имеющий в импульсе амплитуду +15В, в паузе -2,7В. Отрицательное смещение необходимо для защиты от приоткрывания транзистора противоположного плеча от случайных наводок и флюктуаций.

   Силовая часть –  полумостовой квазирезонансный преобразователь. Частота коммутации выше резонансной частоты, образованной контуром С44, 45, 46, 47, 50, 51 совместно с  индуктивностью рассеяния трансформатора, в связи с чем форма вершины импульса тока имеет несколько колоколообразный, закругленный вид и ток выключения транзистора не превышает его тока включения, не взирая на отсутствие выходного дросселя.  Силовой трансформатор имеет соотношение витков 14/6=2,33 что позволяет работать при низком напряжении в электросети. Для 200-220 модификаций с ферритовыми сердечниками 16/7=2,28, с нанокристаллическими  для всех моделей – 11/5=2,2.

   Защита от приваривания электрода. При наличии дуги на выходе – напряжение на С49 всегда будет более 18В. Оптрон ОС3 открыт. Напряжение задания с R88 поступает на усилитель ошибки IC2 (выв.12). При КЗ на выходе С49 разряжается через R114,115,116 в течении 0,5-0,8 сек. Далее оптрон закрывается и напряжение задания падает до минимально возможного значения.

   Регулировка тока и форсажа  производится переменными резисторами R88, R91.  При горящей дуге выходное напряжение составляет не менее 18В. При дуговой сварке покрытым электродом дуга при меньшем значении напряжения существует кратковременно и стремится потухнуть. Выходное напряжение интегрируется цепью R96, R97, R111, C65. При его штатном значении стабилитрон VD34 открыт, транзистор оптрона ОС2 так же открыт, шунтируя переменный резистор «форсаж». При значениях выходного напряжения, стремящихся к КЗ, т.е. менее 18В, стабилитрон закрывается, транзистор оптрона так же закрывается и резистор R91 подключается в цепь задания тока, увеличивая его на заданную величину. Это же значение поступает на второй аналоговый вход процессора – выв. 3 платы индикации. Контроллер индицирует изменяющиеся значения тока уставки. 

   Ограничение выходной мощности осуществляется оптроном ОС1. Вызвано необходимостью снижения выходной и потребляемой мощности при значительном, нештатном растягивании дуги, либо при тестировании оборудования с помощью балластного реостата на большом, не соответствующем ГОСТ значении сопротивления нагрузки. Т.к. аппараты имеют большой запас по Ктр силового трансформатора и соответственно по возможности ШИМ регулирования, то могут тянуть дугу, например модели 200 и 220 до 40В при 200А. Это вызывает перегрузку диодных мостов, эл. конденсаторов и т.д. Делитель R87, R89 подобран таким образом, что для моделей 160, 180 ограничение начинается при превышении напряжением значения 27,5В, для 200, 220 – 30В. При достижении этих значений, открывается управляемый стабилитрон VD26, транзистор оптрона ОС1 открывается, подключая делитель R66, R67 к напряжению задания. Ток уменьшается.

  Измерение напряжения электросети . По цепи делителя VD39, C37, R95, R101, R102, через LC фильтр L2, C55 измеряемое напряжение подается на выв.2 платы индикации и поступает на первый аналоговый вход контроллера PIC18F14K22. Процессор периодически выводит значение напряжения на индикатор, сменяя значение тока уставки.

   Плата индикации. Программа прошивается и проверяется до установки в основную плату. Задействованы оба АЦП и один цифровой вход процессора. При поступлении сигнала «ПЕРЕГРЕВ», либо значения напряжения сети менее 85 и более 265 вольт,  выдается сигнал блокировки работы с вывода 7 платы, который поступает через резистор R49 на базу транзистора  VT2, вызывая по цепям ОУ блокировку ШИМ контроллера.  Возможна только калибровка по напряжению сети. Для этого необходимо при выключенном аппарате замкнуть «джампером»(перемычкой) двухштыревой разъем на плате индикации. Установить с ЛАТРа сетевое напряжение 220 вольт. Включить аппарат. При этом на индикатор будет выводиться мигающее значение 220. Контроллер измеряет, усредняет и запоминает это напряжение, как эталонное, в течение некоторого времени. Для ранних моделей – 30 сек, для более поздних – 10 сек. Затем значение цифр сменяется на мигающие 100. Необходимо уменьшить напряжение питания с ЛАТРа до величины 100 вольт, затем снять «джампер». После этого процессор начнет запоминать эталонный уровень 100 вольт. По окончании «мигания» необходимо выключить аппарат. После повторного включения снизить напряжение сети до 85 вольт. Должна сработать блокировка, засветится светодиод «перегрев» и на более поздних моделях на семисегментном цифровом индикаторе бегущей строкой появится сообщение «НАПР. СЛАБОЕ» и мигающие цифры 85. Проверить обратное включение при напряжении 90 вольт. Аналогично протестировать аппарат при напряжении 265В – блокировка и появление надписи «НАПР. ОГО-ГО», «265». При 260В – снятие блокировки.   Далее замкнуть любой терморезистор проволочной перемычкой. Блокировка и появление надписи «ПЕРЕГРЕВ 100 С». Лексическая бедность сообщений вызвана невозможностью отображения на цифровом индикаторе большинства букв русского алфавита.

РЕМОНТ

При проверке работы схемы управления от блока питания, без подачи высокого напряжения, подать +24-25В в схему, подпаявшись, например к VD16. Предварительно необходимо заблокировать защиту от пониженного напряжения электросети, для чего замкнуть проволочной перемычкой резистор R26. В 3 версии соединить С35 с шиной питания +25,6В перемычкой, обойдя защиты, т.е. замкнуть между собой коллектор и эмиттер транзистора VT6.

  Проверить осциллографом наличие импульсов +15, -3В на затворах транзисторов FGh50N60SMD. ( IGW75N65H5 – Infineon ).

  ВНИМАНИЕ !  Нельзя менять местами провода, идущие с сетевого выключателя S1.1, S1.2. Одна группа контактов коммутирует напряжение сети. Другая, напряжение питания реле. При попадании напряжения сети в цепь питания реле, как минимум придется заменить VD15, VD16. На ранних моделях применялся выключатель большего размера для коммутации полного тока, потребляемого от сети. Данные выключатели показали свою крайнюю ненадежность, в связи с чем и была произведена модернизация с изменением цепей коммутации.

НЕИСПРАВНОСТИ 

1. Ток не регулируется. На индикаторе значение 00. Поломка переменного резистора регулировки в результате фронтального удара. Заменить резистор 10 кОм .

В моделях выпуска с февраля 2015 г. резисторы заменены на другие, с дополнительным креплением к плате. Печатная плата изменена. Крышка корпуса удлинена на 5 мм для дополнительной защиты регуляторов.

2. Вращение регулятора «ФОРСАЖ» изменяет значение тока. Ток при попытке сварки минимален, сварка невозможна. Повышенное напряжение холостого хода +95_+115В. Причина - отсутствует контакт выхода + с диодом VD37. Осуществляется через заклепку на радиатор крепления диодов VD35, VD36. Устранение неисправности - припаять провод к диоду VD37, другой конец к выходной клемме +.  На последних моделях провод добавлен штатно, дублируя контакт через заклепку.

Аналогично проверить контакт минусового провода на оптроны ОС2, ОС3.

3. Блок питания делает попытки запуска и уходит в защиту. Либо при напряжении от ЛАТР 80 – 230 В запускается штатно, а при подаче напряжения сети 230-250В начинает «икать» или запускается, а через некоторое время снова уходит в защиту. Причина – повышенное потребление тока схемой управления и вентиляторами. Разрядив сетевые электролиты, подать напряжение от лабораторного блока питания, зашунтировав R26. В 3 версии соединить С35 с шиной питания +25,6В перемычкой, обойдя защиты.  Проверить осциллограммы на затворах. Проверить потребление тока от лабораторного БП. Оно не должно превышать величину 1 ампер. При повышенном потреблении тока отпаять по очереди выводы вентиляторов и проверить потребление тока каждым от лабораторного БП. Неисправный заменить. Мощность и потребление тока снизится и м/сх TOP258GN перестанет уходить в защиту. Изменить порог защиты по току в данной м/сх невозможно.

4. Выход из строя силовых транзисторов в результате попадания влаги, грязи и т.д. пояснений для опытных мастеров не требует. Замена сложности не представляет. Необходимо зачистить от лака радиатор по краю места посадки транзисторов. Проверить исправность стабилитронов в драйверах, затворных резисторов. Подать питание от БП, как описано ранее и проверить осциллограммы. 

5. Выход из строя диодного моста GBPC3508W. Аппарат молчит. Все напряжение сети приложено к конденсатору С7. Его реактивное сопротивление позволяет аппарату находиться в таком положении сколь угодно долго. Прозвонить мост. Заменить.

6. Постоянно светится «ПЕРЕГРЕВ»: а)Пробой конденсатора С4 или С5, параллельных терморезистору из-за наводок. Прозвонить Заменить на 0,1 мкфх100В размер СМД 1206, либо выводной.

б) Выход из строя VD15 – TL431, реле не включается. Следует так же проверить защитный диод реле VD1, и защитный резистор R84.

 7. Реле включается, вентиляторы работают, на электролитах +310В, но пишет: НАПР СЕТИ СЛАБОЕ. Измерить напряжение на выводе №2 платы индикации. Должно быть 3,2 В +- 0,2В. При отсутствии оного проверить на пробой цепь VD39, C37, R95, R101, R102, L2.

Если напряжение присутствует, проверить на плате индикации его наличие после R4, на 18 ноге процессора. Если неисправен R4, заменить на любой, сопротивлением 100-200 Ом.

8. Индикатор мигает, отображаемые цифры «999»  -  Сбой памяти контроллера. Необходимо перекалибровать по напряжению сети, как описано выше, в описании платы индикации.

 

Принцип работы схемы аппаратов 200 и 220 ампер аналогичен. Нумерация компонентов сохранена.

С уважением, инженер-конструктор

Малик Э. В.     

Схемы оборудования

Контроллер мощности

PWM | Аналоговые интегральные схемы

ДЕТАЛИ И МАТЕРИАЛЫ

  • Четыре батареи по 6 В
  • Один конденсатор, электролитический 100 мкФ, 35 Вт постоянного тока (каталог Radio Shack № 272-1028 или аналог)
  • Один конденсатор, 0,1 мкФ, неполяризованный (каталог Radio Shack № 272-135)
  • Одна микросхема таймера 555 (каталожный номер Radio Shack 276-1723)
  • Сдвоенный операционный усилитель, рекомендуется модель 1458 (каталожный номер Radio Shack 276-038)
  • Один силовой транзистор NPN - (каталог Radio Shack № 276-2041 или аналог)
  • Три выпрямительных диода 1N4001 (каталожный номер Radio Shack 276-1101)
  • Один потенциометр 10 кОм, линейный конус (каталог Radio Shack # 271-1715)
  • Один резистор 33 кОм
  • Автомобильный задний фонарь на 12 В
  • Детектор звука с наушниками

ССЫЛКИ

Уроки электрических цепей , том 3, глава 8: «Операционные усилители»

Уроки электрических цепей , том 2, глава 7: «Сигналы переменного тока смешанной частоты»

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

  • Для иллюстрации использования таймера 555 в качестве нестабильного мультивибратора
  • Для иллюстрации использования операционного усилителя в качестве компаратора
  • Чтобы проиллюстрировать, как использовать диоды для снижения нежелательного постоянного напряжения
  • Чтобы проиллюстрировать, как управлять мощностью нагрузки с помощью широтно-импульсной модуляции

СХЕМА

ИЛЛЮСТРАЦИЯ

ИНСТРУКЦИИ

В этой схеме используется таймер 555 для генерации волны пилообразного напряжения на конденсаторе, а затем этот сигнал сравнивается с постоянным напряжением, обеспечиваемым потенциометром, используя операционный усилитель в качестве компаратора.Сравнение этих двух сигналов напряжения дает прямоугольный сигнал на выходе операционного усилителя, рабочий цикл которого изменяется в зависимости от положения потенциометра.

Этот сигнал переменного рабочего цикла затем управляет базой силового транзистора, включая и выключая ток через нагрузку. Частота колебаний 555 намного выше, чем способность нити накала лампы к термическому циклу (нагрев и охлаждение), поэтому любое изменение рабочего цикла или ширины импульса влияет на управление общей мощностью, рассеиваемой нагрузкой с течением времени.

Управление электрической мощностью через нагрузку путем ее быстрого включения и выключения и изменения времени включения известно как широтно-импульсная модуляция или PWM . Это очень эффективное средство управления электрической мощностью, поскольку управляющий элемент (силовой транзистор) рассеивает сравнительно небольшую мощность при включении и выключении, особенно по сравнению с потерянной мощностью, рассеиваемой реостатом в аналогичной ситуации.Когда транзистор находится в состоянии отсечки, его рассеиваемая мощность равна нулю, потому что через него нет тока.

Когда транзистор насыщен, его рассеивание очень мало, потому что между коллектором и эмиттером падает небольшое напряжение, пока он проводит ток. ШИМ - это концепция, которую легче понять путем экспериментов, чем чтения. Было бы неплохо просматривать напряжение конденсатора, напряжение потенциометра и формы выходных сигналов операционного усилителя на одном (трехканальном) осциллографе, чтобы увидеть, как они соотносятся друг с другом и с мощностью нагрузки.Однако у большинства из нас нет доступа к осциллографу с тремя трассами, а тем более к любому осциллографу вообще, поэтому альтернативный метод - замедлить генератор 555 настолько, чтобы эти три напряжения можно было сравнить с простым вольтметром постоянного тока.

Замените конденсатор 0,1 мкФ на конденсатор емкостью 100 мкФ или больше. Это замедлит частоту колебаний как минимум в тысячу раз, что позволит вам измерить напряжение конденсатора , медленно нарастающее и с течением времени, и переход выходного сигнала операционного усилителя с « high » на « low », когда напряжение конденсатора становится больше, чем напряжение потенциометра.При такой низкой частоте колебаний мощность нагрузки не будет пропорциональна, как раньше.

Лампа будет включаться и выключаться через равные промежутки времени. Не стесняйтесь экспериментировать с другими номиналами конденсатора или резистора, чтобы ускорить колебания настолько, чтобы лампа никогда не включалась или не выключалась полностью, а была « дросселирована » за счет быстрого включения и выключения транзистора.

Когда вы изучите схему, вы заметите два операционных усилителя , соединенных параллельно.Это сделано для обеспечения максимального выходного тока на базовом выводе силового транзистора. Один операционный усилитель (половина микросхемы 1458 IC) может быть не в состоянии обеспечить достаточный выходной ток, чтобы довести транзистор до насыщения, поэтому два операционных усилителя используются в тандеме.

Это следует делать только в том случае, если операционные усилители, о которых идет речь, защищены от перегрузки, как это делают операционные усилители серии 1458. В противном случае возможно (хотя и маловероятно), что один операционный усилитель может включиться раньше другого, и повреждение возникнет в результате короткого замыкания двух выходов (один из которых управляет « high », а другой - « low »). одновременно).Встроенная защита от короткого замыкания, предлагаемая 1458, позволяет напрямую управлять базой силового транзистора без необходимости в токоограничивающем резисторе.

Три последовательно соединенных диода, соединяющие выходы операционных усилителей с базой транзистора, предназначены для падения напряжения и обеспечения отключения транзистора, когда выходы операционных усилителей становятся «низкими». Поскольку операционный усилитель 1458 не может переключать свое выходное напряжение полностью до потенциала земли, а только с точностью до 2 В от земли, прямое соединение операционного усилителя с транзистором означало бы, что транзистор никогда не отключится полностью.Добавление трех последовательно соединенных кремниевых диодов снижает примерно 2,1 вольт (0,7 вольт умноженное на 3), чтобы обеспечить минимальное напряжение на базе транзистора, когда на выходах операционного усилителя устанавливается значение « low ».

Интересно послушать выходной сигнал операционного усилителя через аудиодетектор, поскольку потенциометр регулируется во всем диапазоне его движения. Регулировка потенциометра не влияет на частоту сигнала, но сильно влияет на рабочий цикл. Обратите внимание на разницу в качестве тона или тембра , поскольку потенциометр изменяет рабочий цикл от 0% до 50% до 100%.Изменение рабочего цикла приводит к изменению гармонического содержания формы волны, что делает звучание тона другим.

Вы можете заметить особую уникальность звука, слышимого через наушники-детектор, когда потенциометр находится в центральном положении (рабочий цикл 50% - мощность нагрузки 50%), по сравнению с подобием звука чуть выше или ниже 50% рабочего цикла. . Это связано с отсутствием или наличием четных гармоник. Любая форма сигнала, которая является симметричной выше и ниже ее центральной линии, например прямоугольная волна с коэффициентом заполнения 50%, не содержит четных гармоник, а только нечетных.

Если рабочий цикл ниже или выше 50%, форма сигнала , а не будет демонстрировать эту симметрию, и будут гармоники с четными номерами. Присутствие этих четных гармонических частот может быть обнаружено человеческим ухом, поскольку некоторые из них соответствуют октавам основной частоты и, таким образом, « соответствует » более естественным образом в тональной схеме.

СВЯЗАННЫЙ РАБОЧИЙ ЛИСТ:

12V NE555 PWM Controller Менее $ 3

При изготовлении моей мини-настольной пилы я купил модуль контроллера скорости двигателя 12 В на eBay.Я подумал, что справедливо ... это было более легкое и прямое решение. Но потом я решил сделать свою.

Я немного покопался в сети и нашел довольно хорошую отправную точку в Circuits Today, но затем мне потребовалось внести некоторые изменения и настройки схемы. Я хотел добавить в конструкцию тумблер, розетку постоянного тока и 2-контактный винтовой зажим, чтобы упростить его изготовление и использование.

Были и другие незначительные изменения, которые я внес в конструкцию по ходу работы, для удобства и для удовлетворения моих конкретных потребностей.

Еще хочу отметить, что эта схема не просто контроллер скорости двигателя, а ШИМ-контроллер. С одной стороны, это означает, что он может гораздо больше, чем просто изменять скорость двигателя постоянного тока. Эта схема будет выдавать ток 12 В с изменяющимся рабочим циклом. Его можно использовать как 12 В постоянного тока:

  • Контроллер скорости двигателя;
  • Светодиодный диммер;
  • Терморегулятор для устройства для резки горячей проволоки для полистирола;
  • регулятор напряжения электролитического травителя; и
  • и т. д.

Область применения этой схемы ограничена только ее характером 12 В постоянного тока. Как вы это примените, зависит от вашего воображения и экспериментов. Например, я думаю об использовании этой схемы для создания вибрационной платформы для перемешивания моей кислотной ванны для производства печатных плат ...

Вам понадобятся детали

Все детали были куплены на eBay.

  • 1 керамический конденсатор 0,01 мкФ
  • 1 керамический конденсатор 0,1 мкФ
  • 2 выпрямительных диода 1N4001
  • 1 выпрямительный диод 1N4004
  • 1 x IRF530 100 В 14 A TO-200AB MOSFET
  • -
  • 220 радиатор
  • 1 x 2-контактный винтовой зажим
  • 1 x цилиндрический разъем постоянного тока (гнездо)
  • 1 резистор 100 Ом
  • 1 резистор 1 кОм
  • 1 тумблер SPDT
  • 1 x NE555 IC таймера
  • 1 x 8-контактный разъем DIL
  • 1 потенциометр 100 кОм
  • 1 x 70 x 100 односторонняя печатная плата
  • некоторый соединительный провод

Все это обошлось мне примерно в 2 доллара.90 AUD

Схема контроллера двигателя с ШИМ 12В-24В с использованием TL494-IRF1405

Если вы ищете высококачественные схемы контроллера двигателя с ШИМ 24В. У нас есть для вас много схем. Но сегодня я вам покажу. Возможно, вам лучше использовать TL494 и IRF1405.

Почему он особенный. Представьте, что в схеме есть система проверки низковольтной батареи, работающая с плавным пуском, регулирующая частоту импульсов и использующая батарею 12 В или 24 В при токе до 20 А.

А он маленький и простой.Не нужно программировать программное обеспечение (без микроконтроллера).

Он использует TL494, HEXFET и LM2940 в качестве основных.

Есть 3 цепи ниже!

Схема ШИМ управления скоростью двигателя постоянного тока 12 В с использованием TL494

Это схема ШИМ управления скоростью двигателя постоянного тока 12 В. Которая с использованием TL494 (ИС управления широтно-импульсной модуляцией в импульсном режиме) является базой для управления двигателем постоянного тока с помощью импульса.

Подробная информация:
- Для двигателя с регулировкой скорости 12 В, 150 Вт, макс. 15 А.
- R6 регулирует скорость двигателя.
- Драйвер двигателя Mosfet IRFZ48.x 2шт.
- Управление на частоте 100 Гц
- Отрегулируйте рабочий цикл ШИМ от 0 до 100%
- Время нарастания и спада = 10 мкс
- Имеется ток перегрузки 15 А или ограничение тока с протекающим током, бросок R11 и Q1 работают для остановки IC1

12 В -24V PWM Схема контроллера двигателя с использованием TL494 и IRF1405

Работа схемы

Рис. 1 Принципиальная схема этого проекта.
Характеристики проекта
- Диапазон питания: от 12 В до 30 В
- Потребление тока: максимум при 20 А
- Токовый выход: максимум при 20 А
- Ток в режиме ожидания: 20 мА
- Контроллер двигателя: от 0 до 100%
- Отключение Работа при более низком напряжении батареи: как настройка 11.5 В для 12 В и 23 В для аккумулятора 24 В.
- Регулировка частоты импульсов: от 100 Гц до 1,1 кГц (от 129 Гц до 1,28 кГц в этом проекте)
- Плавный запуск: от 0 до 100% в диапазоне менее 1 секунды
Нарастающий и спадающий фронт импульса на затворе МОП-транзистор: 1,5 мкс и 1,6 мкс
-VR1: регулировка скорости
-VR4: защита выхода низкого напряжения
-VR3-регулировка частотно-импульсного выхода
-VR2-вспомогательный контроллер скорости


Рис.


Рис: Схема 3-х компонентов этого проекта.

Примечание:
Мой друг прислал мне эту схему. Он сказал, что это очень хороший контроллер двигателя постоянного тока с высоким током. Но это полная статья, а не четкое фото.

Детали, которые вам понадобятся
  • IC1: TL494, широтно-импульсная модуляция (ШИМ)
  • REG1: LM2940CT-12, регулятор
  • Q1, Q2: IRF1405, N-канальный полевой МОП-транзистор
  • Q3: BC327 PN транзистор, 45 В, 800 мА
  • Q4: 2N5484, N-канальный полевой транзистор
  • D1: MBR20100CT, высокочастотный диод
  • D2-D6: 1N4148, 75 В 0.15A Диоды
  • ZD1, ZD2: 1N4744, стабилитрон

Конденсаторы

  • C5: 22 мкФ 16 В, электролитический
  • C3, C6, C7, C10: 10 мкФ 16 В,
  • C7, электролитический
  • C1: 470 нФ 63 В, полиэстер
  • C2, C8: 100 нФ 63 В, полиэстер
  • C9: 56 нФ 63 В, полиэстер

0,25 Вт Допуск резисторов: 1%

  • R1, R40008 9: 100 кОм
  • , R5: 10K
  • R6, R7: 2.2K
  • R2: 1K
  • R8, R9: 47 Ом
  • VR1: 10K Trimpot
  • VR2: 10K Подстроечные потенциометры
  • VR3, VR4: 100K Подстроечный резистор
  • Потенциометр
  • Прочие детали, печатная плата, радиатор и прочее.

Управление двигателем 24 В с защитой от короткого замыкания 20 А

Это контроллер двигателя 24 В постоянного тока с током 20 Ампер. По нему используется управление IC SG3526B в символьном ШИМ, которое получает очень много и приводной двигатель с мощностью Mosfet номер IRFP7410 x 2 шт. Затем можно применить к двигателю постоянного тока при использовании 20 ампер, удобнее и по-прежнему иметь схему защиты от выстрела. Вы видите, как детализация добавляется на изображенной схеме.

Чередование скорости ШИМ вперед-назад и рекуперативное торможение

Это цепь вращения двигателя постоянного тока с ШИМ-скоростью.Он может работать в прямом и обратном направлении и с функцией рекуперативного торможения. По этой схеме используется сигнал ШИМ управления скоростью двигателя постоянного тока 12 В с силовым полевым МОП-транзистором IRF150.

Реле RY1 использует управление реверсом с цифровой сигнализацией, изменением, Q10. Реле RY2 работает как функциональный тормозной резистор. С помощью управления Запуск или остановка с помощью цифрового сигнала тревоги с помощью. F1, используйте защиту через цепь.

D1 используется для защиты обратного тока от двигателя постоянного тока. Детали другие, пожалуйста, смотрите в схеме.

ПОЛУЧИТЬ ОБНОВЛЕНИЕ ПО ЭЛЕКТРОННОЙ ПОЧТЕ

Я всегда стараюсь сделать Electronics Learning Easy .

Цепь управления скоростью двигателя PWM со схемой для двигателя постоянного тока

В этом руководстве по проекту мы создаем схему ШИМ-управления скоростью двигателя с использованием двух цифровых ИС. Мы опубликовали различные типы схем ШИМ, скажем, от базового ШИМ с использованием микросхемы NE 555 до значительно продвинутого ШИМ с использованием микроконтроллеров, таких как AVR , 8051 и платы Arduino .

ШИМ - это в основном широтно-импульсная модуляция, и если вы новичок в этом, просмотрите наши основные руководства - ШИМ и другие статьи о ШИМ .

Описание

H Это простая схема ШИМ-контроллера скорости двигателя , которая может использоваться для изменения скорости маломощных двигателей постоянного тока. Изменение скорости достигается за счет изменения рабочего цикла импульса, подаваемого для привода двигателя. Из двух затворов IC CD40106B, N1 подключен как инвертирующий нестабильный мультивибратор триггера Шмитта для генерации импульсов, а N2 как инвертирующий буфер для управления транзистором во время положительных циклов на базе.Рабочий цикл устанавливается резистором R2. R1 ограничивает базовый ток транзистора SL 100. Схема идеальна для управления игрушечными двигателями, ручными мини-вентиляторами, небольшими воздуходувками и т. Д.

Принципиальная схема управления скоростью двигателя PWM со списком деталей. Принципиальная схема управления скоростью двигателя с ШИМ

Примечания.
  • Изменяя коэффициент заполнения R2, ​​можно изменять от 0% до 100%.
  • Для идентификации штырей SL 100 штифт, который соединен с корпусом, является коллектором, штифт рядом с выемкой - эмиттером, а оставшийся штифт - базой.

У нас есть другие схемы управления двигателем, которые вы можете прочитать, пожалуйста, посмотрите ниже:

1. Цепь ШИМ-регулятора скорости двигателя

2. Контроллер шагового двигателя

3. Вентилятор с регулируемой температурой

4. Двунаправленный двигатель

5. Цепь драйвера шагового двигателя

4QD-TEC: ШИМ-регулятор скорости

Содержание этой страницы

Введение

4QD производит ШИМ-регуляторы скорости для электродвигателей, поэтому вряд ли вы ожидаете, что мы дадим вам все наши собственные уникальные схемы и технические ноу-хау, но многие из них являются общественным достоянием, и есть также способы сделать ШИМ, которые мы опробовали. и отклонено (по любой причине).Эта страница должна дать вам хорошее представление о задействованных принципах и о том, что делать, а также о том, чего не следует делать!

Эта страница фактически первая в длинной серии по управлению двигателями, но остальные страницы доступны только членам 4QD-TEC.

Коммерческий контроллер двигателя - это больше, чем просто схема для изменения скорости двигателя, и у нас есть «экскурсия» по функциям контроллера, в которой просто объясняется большинство функций, встроенных в современные контроллеры, и почему они необходимы.

Принципы

Для управления скоростью постоянного тока. двигателю нам понадобится переменное напряжение постоянного тока. источник питания. Однако, если вы возьмете двигатель 12 В и включите питание, двигатель начнет ускоряться: двигатели не реагируют немедленно, поэтому для достижения полной скорости потребуется небольшое время. Если мы отключим питание до того, как двигатель достигнет полной скорости, он начнет замедляться. Если мы включим и выключим питание достаточно быстро, двигатель будет работать с некоторой скоростью между нулевой и полной скоростью.Это именно то, что p.w.m. контроллер делает: он включает двигатель серией импульсов. Для управления скоростью двигателя он изменяет (модулирует) ширину импульсов - отсюда и широтно-импульсная модуляция.

Рассмотрим сигнал выше. Если двигатель соединен одним концом с плюсом батареи, а другим концом с минусом батареи через переключатель (полевой МОП-транзистор, силовой транзистор или аналогичный), то, если полевой МОП-транзистор включен на короткий период и выключен на длительное время, как в A выше, двигатель будет вращаться только медленно.В точке B переключатель находится в положении 50%, а выключение - 50%. В точке C двигатель работает большую часть времени и выключен только на короткое время, поэтому скорость близка к максимальной. В практическом контроллере низкого напряжения переключатель открывается и закрывается с частотой 20 кГц (20 тысяч раз в секунду). Это слишком быстро для бедного старого двигателя, чтобы даже понять, что он включается и выключается: он думает, что питается от чистого постоянного тока. Напряжение. Это также частота выше слышимого диапазона, поэтому любой шум, издаваемый двигателем, будет неслышным. Он также достаточно медленный, чтобы полевые МОП-транзисторы могли легко переключаться на этой частоте.Однако у двигателя есть индуктивность. Индуктивность не любит изменений тока. Если двигатель потребляет какой-либо ток, то этот ток течет через переключающий MOSFET, когда он включен - но куда он будет течь, когда MOSFET выключится? Читайте и узнайте!

Рассмотрим схему выше: на ней показаны полевой МОП-транзистор привода и двигатель. Когда ведущий полевой МОП-транзистор проводит ток, ток течет от положительного полюса батареи, через двигатель и полевой МОП-транзистор (стрелка A) и обратно к отрицательному полюсу батареи. Когда полевой МОП-транзистор выключается, ток двигателя продолжает течь из-за его индуктивности.К двигателю подключен второй полевой МОП-транзистор: полевые МОП-транзисторы действуют как диоды для обратного тока, а это обратный ток, проходящий через полевой МОП-транзистор, поэтому он проводит. Вы можете использовать такой полевой МОП-транзистор (закоротить его затвор до источника) или использовать силовой диод. Однако не так широко понятный факт о полевых МОП-транзисторах заключается в том, что, когда они включены, они проводят ток в любом направлении. Проводящий МОП-транзистор является резистивным по отношению к току в любом направлении, а на МОП-транзисторе с проводящей мощностью на самом деле падает меньшее напряжение, чем на прямом смещенном диоде, поэтому МОП-транзистор требует меньше теплоотвода и расходует меньше энергии батареи.

Из вышеизложенного вы должны увидеть, что если приводной MOSFET включен в течение 50% рабочего цикла, напряжение двигателя составляет 50% напряжения батареи, и, поскольку ток батареи течет только при включенном MOSFET, ток батареи течет только в течение 50% времени, поэтому средний ток батареи составляет только 50% тока двигателя!

Главный конденсатор

Однако существует проблема: когда полевой МОП-транзистор выключается, он не только прерывает ток двигателя, но также прерывает ток, текущий от батареи.Провода от батареи имеют индуктивность (как и батарея), поэтому, когда этот ток прерывается, эта индуктивность вызывает всплеск напряжения: в цепи основной конденсатор поглощает (большую часть) этот всплеск. Когда приводной полевой МОП-транзистор снова включается, аккумуляторный ток должен течь быстро, чего он не может. Главный конденсатор подает ток во время восстановления тока батареи. В контроллере, способном выдавать 120 ампер, этот конденсатор работает очень тяжело, и, если большой ток потребляется слишком долго (в зависимости от длины провода аккумулятора), главный конденсатор может взорваться! На ранних этапах разработки мы когда-то использовали стандартные конденсаторы с проволочным концом и расплавляли провода конденсатора! Конденсаторы имеют провода с медным покрытием из стали , и в системах управления двигателями эти провода могут сильно нагреваться!

Из вышесказанного очевидно, что работа этого конденсатора в значительной степени зависит от индуктивности контура проводов батареи.Длинные провода будут иметь высокую индуктивность. Скручивание проводов аккумулятора снижает их индуктивность.

Само собой разумеется, что сопротивление в выводах батареи будет иметь эффект, аналогичный индуктивности, поэтому эти провода должны быть толстыми.

Также некоторые люди хотят вставить амперметр в провода аккумулятора. Следует устоять перед соблазном: в частности, простые автомобильные амперметры обладают высокой индуктивностью!

Простые контроллеры (например, используемые для моторизованных сумок для гольфа) обычно не имеют дорогостоящего главного конденсатора и зависят от емкости аккумулятора.Вам это сойдет с рук - и Eagle и Egret - такие контроллеры. Однако краткое объяснение эффектов необходимо. Чтобы проиллюстрировать это, приведен график напряжения батареи, который можно увидеть с помощью осциллографа, подключенного непосредственно к источнику питания батареи на клеммах контроллера. Заземление осциллографа находится на отрицательной шине.

Вверху показан положительный полюс аккумуляторной батареи, вид сверху, внизу - отрицательный полюс двигателя (который переключается контроллером).Осциллограммы были сильно очищены, чтобы проиллюстрировать: на практике на осциллограмме много «грязного» звона. Показано напряжение питания 12 В.

Мы соединяем кривую в точке, где нет тока батареи: выход двигателя высокий, и ток повторно циркулирует в маховике. В точке A включается полевой МОП-транзистор привода контроллера, отвлекая ток двигателя от батареи. Но выводы батареи имеют индуктивность! Ток батареи не может начаться немедленно, поэтому провода батареи упадут до 12 В, и напряжение контроллера гаснет до тех пор, пока индуктивность свинца не сможет зарядиться, что происходит в пункте B.Время A-B зависит от тока и индуктивности контура батареи и может составлять значительную часть времени цикла!

Затем в точке C нижний полевой МОП-транзистор резко выключается, прерывая ток. Ток двигателя - это не проблема, он продолжает течь, и устройство маховика должно быть здесь, чтобы убедиться, что это так! Но вы не можете внезапно остановить ток батареи - поэтому он выступает в виде большого скачка напряжения. Этот всплеск нарастает до тех пор, пока что-то не сработает: в этом случае он достигает напряжения лавинного пробоя полевого МОП-транзистора, и полевой МОП-транзистор фиксирует его.Вы можете легко увидеть напряжение зажима с плоской вершиной с помощью осциллографа. МОП-транзисторы рассчитаны на повторяющуюся энергию лавины, и вы должны быть уверены, что 1 / 2Li², хранящаяся в индуктивности контура батареи, намного ниже безопасной повторяемой энергии лавины.

Это проблема: вычислить индуктивность контура батареи практически невозможно - даже для инженера. Игроку это сделать - ну, сложно. Таким образом, производитель просто поставляет контроллеры известной группе клиентов, которые используют их стандартными способами, и решает проблемы по мере их возникновения на эмпирической основе.Это всегда вопрос нетехнического покупателя, пытающегося получить что-то даром: нужен главный конденсатор. Для некоторых приложений вы действительно можете обойтись без! Но это определенно «сходит с рук»!

В контроллерах с главным конденсатором большая часть (но не все) нарушения питания сглаживаются конденсатором. Тем не менее, вы увидите положительный выброс и звон при прерывании тока батареи.

Рекуперативное торможение


Вы можете захотеть вернуться к этому биту после того, как изучите две схемы ниже.«Очень простой контроллер» не включает рекуперативного торможения, в отличие от «более сложного контроллера». Это описание необходимо читать вместе со второй схемой, но оно также относится к приведенной выше схеме, поэтому оно вставлено в этот момент, чтобы избежать повторной загрузки схемы.

Один из тщательно охраняемых секретов управления двигателем - это рекуперативное торможение. Тем не менее, это на самом деле не секрет: схемы, обеспечивающие рекуперативное торможение, не редкость, но, похоже, мало кто понимает, что происходит.Итак, начнем.

В первой схеме (выше) показана выходная пара полевых МОП-транзисторов с приводом двигателя. Также было указано, что для двигателя выходной сигнал контроллера является чистым постоянным током. напряжение (поскольку индуктивность двигателя поддерживает постоянный ток во время цикла переключения). Теперь двигатель будет генерировать обратную ЭДС. который пропорционален его скорости вращения. При нулевой нагрузке эта задняя э.д.с. поднимется до уровня выходного сигнала контроллера.

Мы уже видели, что полевой МОП-транзистор представляет собой двунаправленный переключатель, который резистивно проводит (когда он включен) для обоих направлений тока. Итак, рассмотрим ситуацию, когда ток равен нулю, а мощность контроллера теперь уменьшена. Мотор задний э.д.с. теперь выше, чем выходное напряжение контроллера, поэтому двигатель будет пытаться подавать ток обратно в контроллер. Если это удастся, мотор затормозится - у нас будет рекуперативное торможение.

Этот тип схемы (где верхняя сторона включена, когда нижняя сторона выключена) может подавать ток или понижать его .Это работает следующим образом: обратный ток двигателя теперь является прямым током к полевому МОП-транзистору маховика, поэтому, когда он включен, он замыкает двигатель, тормозной ток которого возрастает в течение этого периода (стрелка B, перевернутая). Теперь полевой МОП-транзистор с маховиком отключается, но этот ток должен продолжать течь - из-за индуктивности двигателя. Таким образом, он течет как обратный ток через приводной полевой МОП-транзистор, при этом заряжая батарею. Дополнительное напряжение для этого получается из энергии, запасенной в индуктивности двигателя.Процесс переключения с привода на торможение полностью автоматический. Более того, это полностью достигается за счет того, что скорость двигателя превышает напряжение привода, и без каких-либо изменений состояния или переключений в контроллере. Регенеративное торможение - это, если хотите, побочный продукт конструкции контроллера и почти полная авария.


Очень простой контроллер

Схема ниже описывает простейший контроллер мотора. Для пользы всех, кто хоть что-нибудь знает о контроллерах моторов - компания 4QD не разрабатывала эту схему, и мы полностью от нее отказываемся, поэтому смело смейтесь или плачьте от недоверия.Если вы решили сделать это - да, работает, но раз уж мы это не проектировали и не нравится - извините, но вы сами по себе!

Тем не менее, это схема, которую мы собирали за один раз для заказчика, а сделали несколько тысяч! Многие из них все еще разъезжают по полям для гольфа в Великобритании - так что это работает! Он также показывает, чего не следует делать!

Первые три секции 4049 скомпонованы с общей обратной связью через резистор 220 кОм и конденсатор 22 нм на входе для сдвига фазы в качестве генератора.Выходной сигнал представляет собой прямоугольный сигнал, который буферизируется другими тремя каскадами 4049 для управления затворами MOSFET. При изменении потенциометра на входе среднее напряжение на 22n изменяется, и это изменяет отношение метки к пространству (рабочий цикл) генератора. Когда потенциометр установлен на минимум, генератор останавливается с низким уровнем на выходе (т. Е. Полевые МОП-транзисторы не имеют управления затвором и полностью выключены), а с максимальным потенциалом генератор останавливается с высоким выходом - полевые МОП-транзисторы включены все время.Есть несколько проблем: во-первых, такое «вытягивание» осциллятора меняет его частоту. Это не слишком сильно влияет на работу, за исключением того, что если частота становится слишком высокой, полевые МОП-транзисторы включаются и выключаются слишком быстро и становятся слишком горячими. Если он слишком низкий, становится слышна частота генератора и двигатели воют. Другая проблема заключается в том, что практически невозможно заставить осциллятор так, чтобы оно варьировалось от очень высокого до очень низкого отношения метки к пространству! 82K и 2n2 помогают в этом отношении, вводя отрицательную обратную связь для уменьшения усиления в контуре положительной обратной связи, так что генератор только колеблется: это добавление 4QD, внесенное в схему, и до того, как это было сделано, у контроллера был неприятный скачок от От 80% до 100% полной скорости.Обратите внимание, что IC - это 4049UB (без буферизации), буферизованная версия работать не будет. Кроме того, некоторые модели 4049UB не работают должным образом (кто-нибудь использовал излишки Toshiba 4049UB?), Потому что они слишком хороши!

Другая неприятная вещь заключается в том, что горшок изменяет осциллятор только примерно в 1/3 своего полезного диапазона: в данном случае это было нормально, потому что горшок использовался в поворотной рукоятке с ходом только на 90 градусов! Но необходимо было отрегулировать ручку, чтобы диапазон был правильным.

Вот вам и генератор / модулятор.Но поднимите руку всем, кто заметил отсутствие главного конденсатора, о котором я упоминал выше. Это дорогие компоненты: кейди для гольфа, как правило, не используют их по этой причине. Что происходит, так это то, что когда полевые МОП-транзисторы выключают индуктивность контура батареи, возникает большой скачок напряжения на полевом МОП-транзисторе привода (который выключен - помните, что ток двигателя теперь (в основном) протекает через диод). Но между плюсом батареи и затвором MOSFET есть стабилитрон на 36 В. На нем присутствует скачок напряжения, поэтому он проводит, и старый бедный МОП-транзистор снова включается.Фактически стабилитрон ограничивает частоту выключения полевого МОП-транзистора до уровня, необходимого для поддержания импульса 40 В. МОП-транзисторы - очень прочные устройства, и они выдержат такое злоупотребление (но есть более элегантные способы сделать это). Когда MOSFET снова включается, батарея пытается протолкнуть ток через индуктивность контура батареи, но не может, поэтому напряжение на контроллере падает. Но затвор MOSFET имеет напряжение, и если бы не было диода, подключенного последовательно с стабилитроном, стабилитрон был бы смещен в прямом направлении, закорачивая затвор на положительную шину (теперь при нулевом напряжении из-за свернутого питания).

Обратите внимание на диод питания как на обратный ход. Если вы посмотрите спецификации на STP60N06 и 25JPF40, вы увидите, что это некоторый перебор (грубая сила и много невежества), но эта комбинация была достигнута заказчиком, просто использовав более толстое устройство, пока он не перестал отказываться. ! Никакой утонченности! Чтобы усугубить травму, контроллер практически не имел радиатора и был помещен в пластиковый корпус. С точки зрения разработчика электроники, в схеме было очень мало правильного - кроме того, что она работала, и заказчик был ей вполне доволен! Я должен признать, что это на самом деле два важнейших критерия!

Также нет ничего, что могло бы ограничить ток, протекающий через полевые МОП-транзисторы, за исключением того, что полевые МОП-транзисторы представляют собой устройства 2 x 60 ампер, а ток остановившегося двигателя составлял около 60 ампер.


Чуть более сложный контроллер


Вторая цепь как бы связана с первой. Когда я увидел первую схему, она мне не понравилась, и я быстро собрал вторую схему, чтобы показать заказчику, что можно сделать. На самом деле он работает неплохо, но мы сделали всего несколько прототипов. Выпуск 2 стал первой производственной версией нашей серии 2QD. Вы можете смело предположить, что нынешние контроллеры значительно продвинулись дальше этого раннего контроллера! Тем не менее, это простая схема, которая хорошо справляется со своей задачей (в пределах своих ограничений).Это хорошо иллюстрирует принципы.

В схеме используется 3524, «регулирующий широтно-импульсный модулятор», поэтому краткое описание ИС, кажется, уместно. Чип предназначен для источников питания и имеет два чередующихся выхода (контакты 11 и 14), каждый из которых может работать от 0% до 45% времени цикла. Но эти выходы можно соединить вместе, как мы это сделали здесь. Подключенный таким образом выход представляет собой обычный выход ШИМ (как описано в верхней части этой страницы) с фиксированной частотой и переменной времени включения от 0% до 90%.Что, кстати, является одним из основных недостатков чипа - 90% своевременности означает, что вы можете получить только 90% полной скорости, а не 100%. Это основная причина, по которой 4QD перестал его использовать.

Осциллятор


Частота генератора управляется резистором и конденсатором, подключенными к контактам 6 и 7. Выход генератора, а также внутреннее соединение, доступен на контакте 3. Выход генератора используется для управления удвоителем напряжения для верхней стороны. Поставка ворот MOSFET. Подробнее об этом позже.

Регулятор


Существует также регулятор на борте: входная мощность на контакт 15 (контакт 8 0В), контакт 16 является регулируемым выходным опорным напряжением 5v. Он используется для управления потенциометром скорости (3-контактный разъем). Он также используется для отключения при понижении напряжения на контакте 10. Подробнее об этом позже!

Компаратор


Рампа генератора внутренне связана с компаратором, который сравнивает его с сигналом управления скоростью. Выходом этого компаратора является сигнал ШИМ.

Вход скорости по запросу от ползунка потенциометра подается на контакт 2. Это вход обычного операционного усилителя, выход с контакта 9 и отрицательная обратная связь поступает через предустановку на вывод 1: затем предустановка регулирует усиление. . Однако этот операционный усилитель необычен тем, что его выход также подключен ко второму «операционному усилителю» таким образом, что второй может перекрыть первый и снизить его выход. Второй используется для ограничения тока. Его положительный вход находится на контакте 4, а его инвертирующий вход - это контакт 5 (который подключен к 0 В).

Выходной сигнал ШИМ от 3524 подается на пару эмиттерных повторителей, чтобы обеспечить соответствующее управление затвором. Резисторы затвора 47R замедляют время нарастания (включения), а диоды обеспечивают быстрое отключение. 150pf также замедляет время нарастания. Однако эти же 150 пФ также ускоряют выключение верхнего привода (маховика). Hiside следует включать только тогда, когда полевой МОП-транзистор (управляющий) выключен, и, в идеале, должно быть небольшое «перекрытие» - период во время переключения (как включения, так и выключения), когда ни один из полевых МОП-транзисторов не имеет напряжения затвора.Если оба работают одновременно, возникает сильный ток, который вызывает нагрев и, в крайнем случае, может быть разрушительным.

МОП-транзисторы

Поскольку в нем используются полевые МОП-транзисторы для измерения собственного тока, он может работать с широким спектром полевых МОП-транзисторов. Однако - он предназначен для стандартных полевых МОП-транзисторов. В частности, высокий уровень вряд ли будет правильно работать с полевыми МОП-транзисторами логического уровня, если вы не измените значения несколько.

Имейте в виду, что затворы MOSFET управляются от линии батареи.Это старая схема, и когда она была спроектирована, у полевых МОП-транзисторов напряжение пробоя затвора составляло около 30 В. С современными полевыми МОП-транзисторами это напряжение становится ниже, и если вы используете полевой МОП-транзистор с максимальным напряжением затвора 20 В - работа привода от батареи 24 В может привести к появлению дыма!

Привод ворот верхний


Полевой МОП-транзистор на верхней стороне требует, чтобы его затвор был поднят над положительной шиной питания, поскольку, когда он проводит, и его затвор и исток, по сути, закорочены друг с другом и с шиной питания.Для этого его затвор должен быть как минимум на 7 вольт выше источника и, следовательно, выше источника питания.

Для этого выходной сигнал генератора 3524 используется для управления схемой накачки. Три транзистора слева усиливают генератор до прямоугольной волны, которая подается на конденсатор накачки 100нм и на два диода в конфигурации удвоителя напряжения. Выход удвоителя подается на стабилитрон 12в. Теперь, когда включен МОП-транзистор с обратной стороны, нижняя часть стабилитрона подключена к отрицательной шине питания, так что будет путь постоянного тока от +24 через оба диода и стабилитрон.Резистор 470R, включенный последовательно с диодами накачки, ограничивает ток через этот путь.

Это поднимает еще один вопрос о насосах высокого давления. Наряду с удвоителем напряжения существует также схема «самозагрузки». Не обращайте внимания на цепь насоса. Когда полевой МОП-транзистор с обратной стороны проводит ток, через стабилитрон (как мы видели) будет протекать ток, поэтому конденсатор на стабилитроне будет заряжаться. Когда включается верхняя сторона, этот конденсатор будет сохранять этот заряд, который будет обеспечивать управление затвором верхней стороны.Поэтому нам действительно не нужна схема насоса. Подача энергии на этом конденсаторе прекратится, когда выход перестанет переключаться с отключенной стороной низкого напряжения. Это происходит при очень низких скоростях двигателя, когда (или после) двигатель останавливается, поэтому отсутствие привода не является проблемой. Единственная причина, по которой 2QD имеет гистидиновый насос, заключается в том, что можно использовать два из них, подключенные друг к другу, в мостовой конфигурации. В этой конкретной конфигурации шестигранный привод не должен разрушаться, когда выход перестает переключаться.

Пониженное напряжение.


Если вы слишком сильно разряжаете свинцово-кислотную батарею, вы навсегда сокращаете ее срок службы. Таким образом, эта схема измеряет питание и сравнивает его с эталонным источником питания 5 В. Если напряжение батареи падает слишком низко, транзистор блокирует схему ШИМ, подавая сигнал на контакт 10.

Эта функция на самом деле не так необходима, как некоторые думают: с каждой такой «функцией», как эта, есть компромиссы. См. Наше руководство по функциям контроллера для получения дополнительной информации.

Ограничение тока


Я рассмотрел измерение тока зеркала MOSFET в другом месте.Вот приложение. Вход считывания 3524 разработан для этого типа измерения тока: он имеет встроенное смещение 200 мВ, поэтому, когда сигнал на выводе 4 превышает 200 мВ, 3524 сокращает время включения, уменьшая скорость двигателя. 330R и 100R определяют ¼ напряжения полевого МОП-транзистора, поэтому с этими значениями предел будет около 800 мВ на полевом МОП-транзисторе. Отрегулируйте 100R для разных полевых МОП-транзисторов. Это определение тока довольно хорошо работает с 3524, но сама микросхема обеспечивает регулируемое ограничение тока в зависимости от длительности импульса включения, поэтому измеряемый ток в некоторой степени зависит от характеристик двигателя.

Недостатки

Хотя эта схема работает и является практичным контроллером, есть несколько недостатков. Мы не будем вдаваться в подробности здесь, но почти все они объяснены и предоставлены средства правовой защиты членам The Electronics Club , но если вы хотите узнать, как это сделать, вам нужно будет подписаться на 4QD-TEC, см. Нижнюю часть этой страницы.

  • Как указывалось ранее, цепь 3524 не выдает более 90% полной скорости.
  • Цепь ограничена по току в режиме движения, но если вы заведете автомобиль на вершине холма и начнете тормозить на спуске, нет ничего, что могло бы ограничить регенерированный ток.Вполне возможно добавить ограничение на торможение с регенерацией, и 4QD имеет уникально простой и эффективный способ сделать это - подобного, которого я не видел больше нигде. Вам нужно будет присоединиться к 4QD-TEC, чтобы получить подробную информацию!
  • Регенеративное перенапряжение. Если аккумулятор отключается при торможении, регенерированная энергия не может быть возвращена в него: вместо этого регенерированная энергия накачивает напряжение на контроллере до тех пор, пока полевые МОП-транзисторы не выйдут из строя: если они не могут поглотить регенерируемую энергию, тогда у вас будет дорогой дым генератор.Вылечить легко.
  • Одна вещь, которая разрушает контроллеры MOSFET, - это реверсирование батареи: два MOSFET теперь представляют собой два диода с прямым смещением, подключенных к батарее. См. Наш список часто задаваемых вопросов для лечения.
  • Еще одна вещь, которая разрушает все известные контроллеры MOSFET, - это буксировка транспортного средства, в котором они установлены. Если обратная ЭДС двигателя превышает напряжение батареи, ведущий MOSFET становится диодом с прямым смещением, подающим сгенерированный выход двигателя прямо на аккумулятор. Невозможно ограничить этот ток, поэтому полевой МОП-транзистор вспыхивает и создает клубы дыма.К счастью, такой режим отказа встречается довольно редко, но простой защиты от него действительно нет.

ШИМ и двигатель Обогрев


Популярная «сказка старой жены» заключается в том, что ШИМ заставляет двигатель нагреваться больше, чем чистый постоянный ток. Как и большинство старых женских сказок, это исходит из частичной правды, взращенной непониманием. «Миф» возникает из-за того, что, если частота слишком низкая , ток будет прерывистым (или, по крайней мере, переменным в зависимости от формы сигнала ШИМ), потому что индуктивность двигателя не может поддерживать ток должным образом во время периода выключения формы волны.Таким образом, ток двигателя будет импульсным, а не непрерывным. Средний ток будет определять крутящий момент, но нагрев будет интегралом от квадрата тока (нагрев пропорционален I²R) - «форм-фактор» тока будет больше единицы. Чем ниже частота, тем выше ток пульсации и сильнее нагрев.

Рассмотрим упрощенный случай, когда ток либо включен, либо выключен. Если ток течет, скажем, 1/3 времени, и вам требуется крутящий момент от двигателя, эквивалентный тому, который дает непрерывный 1 ампер, то вам явно нужен средний ток 1 ампер.Для этого при рабочем цикле 33% у вас должно быть 3 ампера (ток течет в течение 1/3 времени).

Теперь ток в 3 ампера даст 9-кратный (я возведен в квадрат) эффект нагрева, равный 1 амперам непрерывного действия.

Но если 3 ампера протекают только 1/3 от общего времени - значит, нагрев в двигателе в 9 раз за 1/3 времени - или в 3 раза больше, чем устойчивый 1 ампер! Говорят, что этот сигнал имеет «форм-фактор» 3 (или это 33% - без сомнения, кто-то меня поправит!)

Однако - если частота повторения импульсов достаточно высока, индуктивность двигателя вызовет эффект маховика, и ток станет стабильным.Например, двигатель Lynch имеет индуктивность всего 39 микрогенри (это один из двигателей с самой низкой индуктивностью, о которых я знаю) и сопротивление 0,016 Ом. «Постоянная времени» для цепи L-R равна L / R, что (для двигателя Lynch) дает 2,4 мс. Для SEM DPM40P4 (1 кВт) индуктивность составляет 200 микрогенри, а сопротивление 40 миллиом, что дает постоянную времени 5 мсек.

Как показывает практика и чтобы избежать излишних математических вычислений, период повторения импульсов должен быть значительно короче постоянной времени двигателя.

Другие факторы, влияющие на PRF:
Если он находится в звуковом диапазоне, двигатель может издавать вой (вызванный явлением, известным как «магнитострикция», поэтому держитесь выше звукового диапазона.
Схема MOSFET рассеивает больше всего при переключении из одного состояния в другое, поэтому частота не должна быть слишком высокой - MOSFET можно использовать с осторожностью до 100 кГц, но это становится немного выше.
RF-излучения: они увеличиваются с увеличением частоты, поэтому сохраняйте частоту как можно ниже!

Очевидно, что трудно выбрать «лучший» компромисс между ними, но оптимальная частота, по-видимому, составляет около 20 кГц.


Послесловие

Очевидно, этот сценарий охватывает лишь небольшую часть задействованной технологии: взгляните на спецификацию нашего Pro-120. Он имеет линейные линейные изменения ускорения и замедления, ограничение чрезмерного разряда, блокировку высоких педалей, двойное линейное изменение направления, ограничение тока рекуперации, защиту от обратной полярности, а также все пункты, упомянутые здесь. Мы также указываем 110 ампер на 1 минуту: правда в том, что мы получаем около 120 ампер за одну минуту. Мы также не знаем «честного» способа его уничтожить: даже короткое замыкание двигателя не приведет к его повреждению.Движение задним ходом на полной скорости безопасно. Переворачивание аккумулятора безопасно. Отключение аккумулятора на полной скорости безопасно (для контроллера, но не ожидайте, что он затормозит машину). Затем мы попытались защитить его от всего, что могут сделать с ним нетехнические заказчики. Мы думаем, что добились успеха - пока, конечно, не найдем клиента умнее нас! Даже если бы я был готов попробовать, есть способ выразить словами весь опыт, необходимый для разработки такого контроллера, не говоря уже о том, чтобы получить прибыль от его продажи по той цене, которую мы делаем.Если вы в это не верите, попробуйте запросить единовременную цену на любой аналогичный контроллер.


Другие страницы относящейся к этому информации:

Все эти страницы находятся в личном кабинете.
PWM Part 2 Имеет дело с ранними схемами 2QD. Включает принципиальную схему и описание.
PWM Часть 3 Развитие серии 2QD. Позже схема и изменения в деталях.
ШИМ Часть 4 Современная серия 2QD. Подробное обсуждение. Включает

  • Предел тока при рекуперативном торможении
  • использование полевого МОП-транзистора Hiside в качестве синхронного выпрямителя без регенерации.

ШИМ, часть 5 Вращение и реверс. Контроллеры серии NCC, разработанные на основе 2QD.
PWM Часть 6 Формы сигналов и коммутация в полумосте MOSFET
ШИМ-управление скоростью двигателя. Часть 7 Начинает работать с полным мостовым управлением.
Схема, плата и конструктивные особенности серии 2QD
Информация о странице
© 1996-2011 4QD-TEC
Автор страницы: Ричард Торренс

Управление скоростью двигателя постоянного тока с использованием широтно-импульсной модуляции (ШИМ)

Методы широтно-импульсной модуляции (ШИМ) или изменения рабочего цикла обычно используются при управлении скоростью двигателей постоянного тока.Рабочий цикл определяется как процентное соотношение цифровой «высокой» к цифровой «низкой» плюс цифровой «высокой» ширины импульса в течение периода ШИМ. На рис. 1 показаны импульсы 5 В с рабочим циклом от 0% до 50%.

Рис. 1. Плюсы с рабочим циклом от 0% до 50%

Среднее значение постоянного напряжения для рабочего цикла 0% равно нулю; при рабочем цикле 25% среднее значение составляет 1,25 В (25% от 5 В). При рабочем цикле 50% среднее значение составляет 2,5 В, а при рабочем цикле 75% среднее напряжение составляет 3,75 В и так далее. Максимальный рабочий цикл может составлять 100%, что эквивалентно форме сигнала постоянного тока.Таким образом, изменяя ширину импульса, мы можем изменять среднее напряжение на двигателе постоянного тока и, следовательно, его скорость.

Принципиальная схема

Схема простого регулятора скорости для мини-двигателя постоянного тока, такого как тот, который используется в магнитофонах и игрушках, показана на рис. 2.

Рис. 2: Управление скоростью двигателя постоянного тока с использованием метода ШИМ

Описание цепи:

Здесь инвертирующий триггер Шмитта N1 сконфигурирован как нестабильный мультивибратор с постоянным периодом, но переменным рабочим циклом. Хотя полное внутрисхемное сопротивление VR1 во время полного цикла составляет 100 кОм, часть, используемая во время положительных и отрицательных периодов каждого цикла, может быть изменена путем изменения положения его контакта стеклоочистителя для получения переменной ширины импульса.Затвор Шмитта N2 просто действует как буфер / драйвер для управления транзистором T1 во время положительных воздействий на его базу. Таким образом, средняя амплитуда импульсов привода постоянного тока или скорость двигателя M пропорциональна настройке положения стеклоочистителя потенциометра VR1. Конденсатор C2 служит накопительным конденсатором для обеспечения стабильного напряжения в цепи.

Таким образом, изменяя VR1, рабочий цикл может быть изменен от 0% до 100%, а скорость двигателя от «остановленного» состояния до «полной скорости» равномерно и непрерывно.Диоды эффективно обеспечивают различные значения резистора синхронизации во время зарядки и разрядки конденсатора синхронизации C1.

Рис. 3. Конфигурация контактов BC337A

. Период импульса или покоя приблизительно определяется следующим уравнением: Период импульса или покоя ≈ 0,4 x C1 (Фарада) x VR1 (Ом) секунд. Здесь используйте внутрисхемное значение VR1 во время импульса или периода покоя, если это применимо.

Частота останется постоянной и определяется уравнением:

 Частота ≈ 2,466 / (VR1.C1) ≈ 250 Гц (для VR1 = 100 кОм и C1 = 0,1 мкФ) 

Рекомендуемое значение внутрисхемного сопротивления должно быть больше 50 кОм, но меньше 2 мегаом, а емкость конденсатора должна быть больше 100 пФ, но меньше 1 мкФ.

Больше интересных проектов можно найти здесь.


Эта статья была впервые опубликована 28 июня 2017 г. и обновлена ​​23 июля 2019 г.

Как разработать схему ШИМ

P ulse W idth M odulation - это метод, позволяющий максимально эффективно закрыть цифровой мир микроконтроллеров аналоговым реальным миром.В этой статье будут описаны некоторые аппаратные интерфейсы и методы подключения уровней TTL MCU Roadrunner к устройствам высокой мощности. Подобно периферийным устройствам связи, мы можем говорить о физическом уровне , для модуля ШИМ.

Введение

В Roadrunner SOM используется микроконтроллер Microchip SAMA5D27. Как описано в таблице данных серии SAMA5D2, он может предоставлять следующие периферийные устройства с ШИМ:

  • Два 3-канальных 32-битных таймера / счетчика (TC), поддерживающие основные режимы ШИМ
  • Один полнофункциональный 4-канальный 16-битный контроллер широтно-импульсной модуляции (ШИМ)

Большинство приложений могут быть реализованы также с помощью базового периферийного устройства PWM.Для более сложного вождения, например точное управление двигателем B rush L ess DC , для этого могут потребоваться дополнительные функции расширенного PWM:

  • Каждый канал управляет двумя дополнительными прямоугольными выходными сигналами.
  • Характеристики выходных сигналов, такие как период, рабочий цикл, полярность и время нечувствительности, настраиваются через пользовательский интерфейс.
  • Внешними триггерами можно управлять, позволяя изменять выходные импульсы в реальном времени.
  • Все каналы объединяют систему двойной буферизации, чтобы предотвратить любую неожиданную форму выходного сигнала при изменении периода, расширенного спектра, рабочего цикла или мертвых времен.
  • Каналы могут быть связаны вместе как синхронные каналы, чтобы иметь возможность одновременно обновлять свой рабочий цикл или мертвое время.
  • Обновление рабочих циклов синхронных каналов может выполняться с помощью канала контроллера DMA, который предлагает буферную передачу без вмешательства процессора.
  • ШИМ включает счетчик с расширенным спектром, позволяющий постоянно изменять период (только для канала 0). Этот счетчик может быть полезен минимизировать электромагнитные помехи или уменьшить акустический шум двигателя с ШИМ-управлением.
  • ШИМ обеспечивает 1 независимый блок сравнения, способный сравнивать запрограммированное значение со счетчиком синхронных каналов. (счетчик канала 0). Эти сравнения предназначены для генерации программных прерываний, чтобы запускать импульсы на 2 независимых событиях. линий (для синхронизации преобразований АЦП с большой гибкостью независимо от выходов ШИМ) и для запуска контроллера DMA запросы на перевод.
  • Выходы
  • PWM можно синхронно или асинхронно переопределить относительно их счетчика каналов.
  • ШИМ обеспечивает механизм защиты от сбоев с 6 входами сбоев, способными обнаруживать состояние сбоя и блокировать выходы ШИМ. асинхронно (выходы принудительно выставлены на «0», «1» или Hi-Z).
  • В целях безопасности некоторые регистры конфигурации защищены от записи.

Периферийные устройства с ШИМ

Давайте более подробно рассмотрим различные модули, как описано в таблице данных.

Глава 54. Таймерный счетчик (TC)

В режиме формы волны канал TC генерирует один или два сигнала ШИМ с одинаковой частотой и независимо программируемым коэффициентом заполнения. циклически или генерирует различные типы одноразовых или повторяющихся импульсов. В этом режиме TIOAx настроен как выход, а TIOBx определяется как выход, если он не используется как внешнее событие (TC_CMR.EEVT).

Рисунок 54-7 показывает конфигурацию канала TC при программировании в рабочем режиме формы сигнала.

Глава 56. Контроллер широтно-импульсной модуляции (ШИМ)

56.1 Описание

Контроллер широтно-импульсной модуляции (PWM) генерирует выходные импульсы на 4 каналах независимо в соответствии с параметрами, определенными в канал. Каждый канал управляет двумя дополнительными прямоугольными выходными сигналами. Характеристики выходных сигналов, такие как период, рабочий цикл, полярность и время нечувствительности (также называемые мертвыми зонами или неперекрывающимися временами) настраиваются через пользовательский интерфейс.Каждый канал выбирает и использует одну из тактовых частот, предоставляемых тактовым генератором.

Приложения

Подведем итог общей лексике о ШИМ

Если требуется только слаботочный, медленно меняющийся аналоговый сигнал, мы можем модулировать источник питания и интегрировать его в RC-сеть. Если этот фильтр нижних частот имеет достаточно низкую частоту среза для выбранного периода ШИМ, пульсация аналогового сигнала будет низкой.

Для управления малой нагрузкой (например, яркостью светодиода) можно использовать схему с простым N mosfet.Если частота переключения достаточно высока, интегрирующий фильтр не требуется, чтобы избежать мерцания.

Если нагрузка более тяжелая, например лампы, обогреватели и т. Д., Для подачи тока, необходимого для силового МОП-затвора, мы должны использовать специальный драйвер. Этот зарядный насос обеспечивает достаточно энергии для быстрой зарядки эквивалентного конденсатора затвора МОП-транзистора, обеспечивая очень резкое переключение фронта и минимизируя потери мощности при коммутации.

Упрощенная схема драйвера затвора mosfet

Для полного управления щеточным двигателем, т.е.е. скорость и направление, для этого требуется четыре мощных МОП-транзистора в конфигурации H-моста. В качестве альтернативы, управляя противоположными парами МОП-транзисторов, протекающий ток можно модулировать в обоих направлениях.

Драйверы затвора симметричных МОП-транзисторов объединены для обеспечения дополнительного управления, то есть с двумя сигналами ШИМ в противофазе. В качестве альтернативы, если нет дополнительной ШИМ, можно использовать вентиль НЕ для инвертирования одного из сигналов.

Существует множество специализированных микросхем H-мостов, которые включают драйверы, мощные МОП-транзисторы, логику управления и другие полезные функции.Примером может служить Texas Instruments LMD18200

.

LAP против S / M

Для управления двигателем H-мост может управляться в режиме L ocked A nti P hase или S ign / M agnitude. Для простого управления направлением достаточно хорош режим S / M. Для точного управления скоростью и / или положением, как при вождении движущегося транспортного средства с замкнутым контуром управления, режим LAP является обязательным.

Давайте поясним с помощью графика различные условия, в которых двигатель может находиться при обычном вождении.

S / M - это так называемый двухквадрантный режим: I и III. Увеличение тока через катушки увеличивает крутящий момент, и, как следствие, увеличивается скорость. Однако замедление двигателя достигается только за счет уменьшения тока через катушку, а двигатель замедляется из-за естественного трения и инерции нагрузки. Двухквадрантный режим работы не обеспечивает строгого контроля над работой двигателя.

Один ШИМ применяется к паре противоположных МОП-транзисторов, а другой сигнал используется для определения направления вращения.Когда рабочий цикл падает до нуля, все МОП-транзисторы открыты, и двигатель находится в режиме холостого хода.

В режиме LAP двигатель находится под контролем во всех четырех квадрантах. Крутящий момент также активно используется для торможения, когда мы хотим замедлить двигатель. Двигатель вырабатывает энергию, а не потребляет ее. Таким образом обеспечивается полный контроль скорости двигателя как при ускорении, так и при замедлении в прямом или обратном направлении.

Здесь мы используем два дополнительных сигнала ШИМ (генерируемых MCU или получаемых с помощью внешней логики управления) для альтернативного переключения двух сторон H-моста.При рабочем цикле 50% средний ток равен нулю. От 50 до 100% мы находимся в квадранте I и II, с активным торможением. С 50% до 0 мы находимся в квадранте III и IV с полным контролем.

Для правильной работы в режиме LAP с максимальной эффективностью и без вибрационного шума необходимо тщательно выбирать частоту ШИМ. Это зависит от электрической и механической постоянной времени двигателя и также может быть определено экспериментально. Конденсаторы фильтра, обычно применяемые к щеткам двигателя для уменьшения электромагнитных помех и иногда устанавливаемые производителем внутри двигателя, вообще не совместимы с этим режимом.Они могут сильно ухудшить характеристики, вызывая опасный перегрев МОП-транзисторов с Н-образным мостом.

Во избежание возможных коротких замыканий из-за небольшой задержки включения или выключения дополнительных МОП-транзисторов, зона нечувствительности может использоваться с усовершенствованным ШИМ-контроллером в дополнительном режиме. Это позволяет избежать перекрытия в фазе переключения привода H-моста. Логическое управление в усовершенствованных микросхемах H-мостов уже имеет правильное время нечувствительности.

Ссылки по теме

Гвидо Оттавиани
Разработчик аппаратного обеспечения, разработчик прошивок, технический писатель, преподаватель и специалист по робототехнике
Веб-страница: https: // www.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *