PWM denetleyicisi nedir, nasıl düzenlenir ve çalışır, türleri ve düzenleri

Daha önce, cihazlara güç vermek için bir aşağı inen (veya adım yukarı veya çok sargılı) transformatöre sahip bir devre, bir diyot köprüsü ve dalgaların yumuşatılması için bir filtre kullanılıyordu. Stabilizasyon için parametrik veya entegre stabilizatörlerde doğrusal devreler kullanıldı. Ana dezavantajı, güçlü güç kaynaklarının düşük verimliliği ve yüksek ağırlığı ve boyutlarıydı.

Tüm modern elektrikli ev aletleri anahtarlamalı güç kaynakları kullanır (UPS, UPS - aynı şey). Bu güç kaynaklarının çoğu ana kontrol elemanı olarak bir PWM kontrol cihazı kullanır. Bu yazıda yapısını ve amacını ele alacağız.

Tanım ve ana avantajlar

PWM denetleyicisi, güç anahtarlarını yönetmek için bir dizi devre çözümü içeren bir cihazdır. Bu durumda, kontrol, akım veya voltaj için geri besleme devreleri yoluyla elde edilen bilgilere dayanır - bu, çıkış parametrelerini stabilize etmek için gereklidir.

Bazen PWM kontrolörlerine PWM puls üreteçleri denir, ancak geri besleme devrelerini bağlamanın bir yolu yoktur ve voltaj regülatörleri için cihazlara istikrarlı bir güç kaynağı sağlamaktan daha uygundurlar. Bununla birlikte, literatür ve İnternet portallarında genellikle “PWM kontrol cihazı, NE555 üzerinde” veya “... arduino üzerinde” gibi isimler bulabilirsiniz - bu yukarıdaki nedenlerden dolayı tamamen doğru değildir, sadece çıkış parametrelerini kontrol etmek için kullanılabilir, ancak bunları stabilize etmek için kullanılamazlar.

"PWM" kısaltması darbe genişliği modülasyonu, çıkış voltajının büyüklüğü nedeniyle değil, darbelerin genişliğindeki bir değişiklik nedeniyle bir sinyali modüle etme yöntemlerinden biridir. Sonuç olarak, C- veya LC zincirleri kullanılarak darbelerin entegrasyonu, yani yumuşatmadan dolayı simüle edilmiş bir sinyal oluşur.

Sonuç: PWM kontrolörü - PWM sinyalini kontrol eden bir cihaz.

Temel Özellikler

Bir PWM sinyali için iki ana özellik ayırt edilebilir:

1. Nabız frekansı - dönüştürücünün çalışma frekansı buna bağlıdır. Tipik olarak 20 kHz'nin üzerindeki frekanslar, aslında 40-100 kHz'dir.

2. Görev döngüsü ve görev döngüsü. Bunlar aynı şeyi karakterize eden iki bitişik niceliktir. Doldurma faktörü S harfi ve görev döngüsü D ile belirtilebilir.

S = 1 / T,

burada T, sinyal periyodudur,

T = 1 / f

D = T / 1 = 1 / S

Bu önemlidir:

Doldurma faktörü - kontrolörün çıkışında her zaman 1'den az bir kontrol sinyalinin üretildiği dönemin bir kısmı. Görev döngüsü her zaman 1'den büyüktür. 100 kHz frekansında sinyal süresi 10 μs'dir ve anahtar 2,5 μs için açıktır, daha sonra görev döngüsü yüzde 0,25'tir - % 25 ve görev döngüsü 4'tür.

Yönetilen anahtar sayısının iç tasarımını ve amacını dikkate almak da önemlidir.

Doğrusal kayıp şemalarından farklılıklar

Daha önce de belirtildiği gibi, doğrusal devrelere göre bir avantaj güç kaynaklarını değiştirmek için yüksek verimlidir (80'den fazla ve şu anda% 90). Bunun nedeni aşağıdakilerdir:

Diyot köprüsünden sonra düzeltilmiş voltajın 15V, yük akımı 1A olduğunu varsayalım. Dengeli bir 12V güç kaynağı almanız gerekir. Aslında, doğrusal bir dengeleyici, nominal çıkış voltajını elde etmek için giriş voltajının büyüklüğüne bağlı olarak değerini değiştiren bir dirençtir - giriş voltajındaki değişikliklerle (birim ve onlarca volt) küçük sapmalar (volt fraksiyonları).

Dirençlerde, bildiğiniz gibi, elektrik akımı içinden geçtiğinde termal enerji serbest bırakılır. Doğrusal stabilizatörlerde aynı işlem gerçekleşir. Tahsis edilen güç aşağıdakilere eşit olacaktır:

Kayıp = (Uin-Uout) * I

Dikkate alınan örnekte, yük akımı 1A, giriş voltajı 15V ve çıkış voltajı 12V olduğundan, lineer dengeleyicinin (Krenka veya tip L7812) kayıplarını ve verimliliğini hesaplıyoruz:

Kayıp = (15V-12V) * 1A = 3V * 1A = 3W

O zaman verimlilik:

n = P yararlı / P kaybı

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

Örneğin, giriş voltajı 20V'a yükselirse, verimlilik düşer:

n = 12/20 * 100 =% 60

Ve benzerleri.

PWM'nin ana özelliği, bir MOSFET olsa bile, güç elemanının tamamen açık veya tamamen kapalı olması ve içinden hiç akım geçmemesidir. Bu nedenle, verimlilik kaybı sadece iletkenlik kaybından kaynaklanır

(P = I2 * Rdson)

Ve kayıp değiştirme. Bu ayrı bir makale için bir konu, bu yüzden bu konuda üzerinde durmayacağız. Ayrıca, güç kaynağı kayıpları meydana gelir doğrultucu diyotlarda (güç kaynağı şebeke ise giriş ve çıkış), ayrıca iletkenler, pasif filtre elemanları ve daha fazlası.

Genel yapı

Soyut bir PWM kontrolörünün genel yapısını düşünün. "Soyut" kelimesini kullandım, çünkü genel olarak hepsi benzerdir, ancak işlevleri hala belirli sınırlar içinde değişebilir, buna göre, yapı ve sonuçlar farklı olacaktır.

PWM kontrol cihazının içinde, diğer tüm IC'lerde olduğu gibi, üzerinde karmaşık bir devrenin bulunduğu bir yarı iletken çip vardır. Denetleyici aşağıdaki işlevsel birimleri içerir:

1. Puls üreteci.

2. Referans voltajın kaynağı. (ION)

3. Bir geri besleme sinyalini (OS) işlemek için devreler: hata yükselteci, karşılaştırıcı.

4. Puls üreteci kontrolleri entegre transistörlerbir güç tuşunu veya tuşlarını kontrol etmek için tasarlanmıştır.

Bir PWM denetleyicisinin kontrol edebileceği güç anahtarlarının sayısı amacına bağlıdır. Devrelerindeki en basit geri dönüş dönüştürücüler 1 güç anahtarı, yarım köprü devreleri (itme-çekme) - 2 anahtar, köprü - 4 içerir.

Anahtar türü ayrıca PWM denetleyicisinin seçimini de belirler. Bir bipolar transistörü kontrol etmek için ana gereksinim, PWM kontrolörünün kontrol akımı çıkışının, transistörün akımından H21e'ye bölünmüş akımdan daha düşük olmamasıdır, böylece tabana darbeler uygulanarak açılıp kapatılabilir. Bu durumda, çoğu kontrolör yapacak.

Yönetim durumunda yalıtımlı deklanşör tuşları (MOSFET, IGBT) belli nüanslar var. Hızlı kapanma için deklanşör kapasitesini boşaltmanız gerekir. Bunu yapmak için, kapı çıkış devresi iki anahtardan oluşur - bunlardan biri IC kaynağına sahip güç kaynağına bağlanır ve kapıyı kontrol eder (transistörü açar) ve ikincisi güç transistörünü kapatmanız gerektiğinde çıkış ve toprak arasına kurulur - ilk anahtar kapanır, ikinci anahtar kapanır, kapanır deklanşör zemine düşer ve boşalır.

Ben merak:

Düşük güç kaynakları (50 W'a kadar) için bazı PWM denetleyicilerinde, güç anahtarları dahili ve harici olarak kullanılmaz. Örnek - 5l0830R

Genel olarak konuşursak, PWM kontrolörü, bir geri besleme devresinden (OS) bir sinyalin verildiği ve ikinci girişe testere dişi şeklinde bir değiştirme sinyalinin uygulandığı bir karşılaştırıcı olarak temsil edilebilir. Testere dişi sinyali OS sinyaline ulaştığında ve bu sinyali aştığında, karşılaştırıcının çıkışında bir dürtü ortaya çıkar.

Girişlerdeki sinyaller değiştiğinde, darbe genişliği değişir. Diyelim ki güç kaynağına güçlü bir tüketici bağladınız ve çıkışına gelen voltaj düştüğünde, OS voltajı da düşecektir. Daha sonra periyodun çoğunda, OS sinyali üzerinde testere dişi sinyalinin fazlalığı gözlenecek ve darbe genişliği artacaktır. Yukarıdakilerin hepsi bir dereceye kadar grafiklere yansır.

Jeneratörün çalışma frekansı, frekans ayarlı RC devresi kullanılarak ayarlanır.

Örnek olarak TL494 kullanan bir PWM kontrol cihazının fonksiyonel diyagramı, daha sonra daha ayrıntılı olarak inceleyeceğiz. Pim ataması ve tek tek düğümler aşağıdaki alt başlıkta açıklanmaktadır.

Pin ataması

PWM kontrolörleri çeşitli paketlerde mevcuttur. Üç ila 16 veya daha fazla sonuca varabilirler. Buna göre, denetleyiciyi kullanma esnekliği sonuçların sayısına veya daha ziyade amaçlarına bağlıdır.Örneğin, popüler bir çipte UC3843 - çoğu zaman 8 sonuç ve daha da ikonik bir sonuçla - TL494 - 16 veya 24.

Bu nedenle, sonuçların tipik isimlerini ve amaçlarını dikkate alıyoruz:

• GND - genel sonuç, devrenin eksi veya toprağa bağlandığında.

• Uc (Vc) - mikro devre gücü.

• Ucc (Vss, Vcc) - Güç kontrolü için çıkış. Güç sarkarsa, güç anahtarlarının tam olarak açılmaması muhtemeldir ve bu nedenle ısınmaya ve yanmaya başlarlar. Benzer bir durumda kontrolörü devre dışı bırakmak için sonuç gereklidir.

• OUT - adından da anlaşılacağı gibi, bu denetleyici çıkışıdır. Güç anahtarları için PWM kontrol sinyali burada görüntülenir. Yukarıda farklı topolojilerdeki dönüştürücülerin farklı sayıda tuşa sahip olduğunu belirttik. Çıktının adı buna bağlı olarak değişebilir. Örneğin, yarım köprü devreleri için kontrolörlerde, üst ve alt anahtarlar için sırasıyla HO ve LO olarak adlandırılabilir. Aynı zamanda, çıkış alan etkili transistörleri kontrol etmek için tek döngü ve itme çekme (bir anahtar ve iki) olabilir (yukarıdaki açıklamaya bakınız). Ancak kontrolörün kendisi, sırasıyla bir ve iki çıkış terminali olan tek çevrim ve itme-çekme devreleri için olabilir. Bu önemlidir.

• Vref - genellikle küçük bir kapasitörle (mikrofarad birimleri) toprağa bağlı voltaj referansı.

• ILIM - akım sensöründen gelen sinyal. Çıkış akımını sınırlamak için gereklidir. Geri besleme devrelerine bağlanır.

• ILIMREF - ILIM ayağının tetik voltajını ayarlar

• SS - kumandanın yumuşak başlaması için bir sinyal üretilir. Nominal moda yumuşak bir çıkış için tasarlanmıştır. Sorunsuz bir başlangıç ​​için ortak kablo arasına bir kondansatör takılmıştır.

• RtCt - PWM sinyalinin frekansını belirleyen bir zamanlama RC devresi bağlamak için sonuçlar.

• SAAT - birkaç PWM kontrolörünü birbiriyle senkronize etmek için saat darbeleri, daha sonra RC devresi sadece ana kontrolöre bağlanır ve Vref ile RT slave'leri, CT slave'leri ortak olana bağlanır.

• RAMPA Bir karşılaştırma girdisidir. Testere dişi voltajı, örneğin, Ct çıkışından uygulanır. Hata amplifikasyonunun çıkışındaki voltaj değerini aştığında, PWM kontrolü için temelde bir bağlantı kesme darbesi görünür.

• INV ve NONINV - Bu, hata yükselticisinin oluşturulduğu karşılaştırıcının ters ve ters çevirmeyen girişleridir. Basit bir deyişle: INV'deki voltaj arttıkça, çıkış atımları uzar ve bunun tersi de geçerlidir. Çıkıştan geri besleme devresindeki voltaj bölücüden gelen sinyal ona bağlanır. Daha sonra evirmeyen giriş NONINV ortak bir tele - GND'ye bağlanır.

• EAOUT veya Hata Amplifikatörü Çıkışı Rus. Amplifikatör çıkışı hatası. Hata amplifikatörünün girişleri olmasına ve yardımlarıyla prensip olarak çıkış parametrelerini ayarlayabilirsiniz, ancak kontrolör buna oldukça yavaş yanıt verir. Yavaş bir reaksiyonun sonucu olarak, devre uyarımı meydana gelebilir ve başarısız olur. Bu nedenle, bu pinden gelen sinyaller frekansa bağlı devrelerle INV'ye gönderilir. Buna hata amplifikatörünün frekans düzeltmesi de denir.

Gerçek cihaz örnekleri

Bilgileri birleştirmek için, tipik PWM denetleyicilerine ve anahtarlama şemalarına birkaç örnek bakalım. Bunu örnek olarak iki mikroçip kullanarak yapacağız:

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

• UC3843.

Aktif olarak kullanılırlar. bilgisayarlar için güç kaynaklarında. Bu arada, bu güç kaynakları önemli bir güce sahiptir (12V veriyolunda 100 W ve daha fazlası). Genellikle bir laboratuvar güç kaynağına veya evrensel güçlü bir şarj cihazına dönüştürmek için bir bağışçı olarak kullanılır, örneğin araba aküleri için.

TL494 - Genel Bakış

494 yongasıyla başlayalım. Teknik özellikleri:

Pinout TL494:

Bu özel örnekte, yukarıda açıklanan sonuçların çoğunu görebilirsiniz:

1. İlk hata karşılaştırıcısının evirmeyen girişi

2. İlk hata karşılaştırıcısının ters girişi

3. Geri bildirim girişi

4. Ölü zaman ayar girişi

5. Harici zamanlama kondansatörü bağlamak için çıkış

6. Zamanlama direnci bağlamak için çıkış

7. çip toplam çıkış, eksi güç

8. İlk çıkış transistörünün toplayıcının çıkışı

9. İlk çıkış transistörünün vericisinin çıkışı

10. İkinci çıkış transistörünün vericisinin çıkışı

11. İkinci çıkış transistörünün toplayıcının çıkışı

12. Güç kaynağı girişi

13. Giriş, çipin tek zamanlı veya itme-çekme modunu seçer

14. dahili referans gerilim kaynağı 5 volt çıkışı

15. İkinci hata karşılaştırıcısının ters girişi

16. İkinci hata karşılaştırıcısının evirmeyen girişi

Aşağıdaki şekilde, bu çip üzerindeki bilgisayar güç kaynağı örneği gösterilmektedir.

UC3843 - Genel Bakış

Bir başka popüler PWM, 3843 yongasıdır - aynı zamanda sadece güç kaynakları değil bilgisayar da oluşturur. Pinout'u aşağıda görebilirsiniz, gözlemleyebileceğiniz gibi, sadece 8 sonuca sahiptir, ancak önceki IC ile aynı işlevleri yerine getirir.

Ben merak:

UC3843 ve 14 metrelik durumda olur, ancak çok daha az yaygındır. İşaretlemeye dikkat edin - ek sonuçlar çoğaltılır veya kullanılmaz (NC).

Sonuçların amacını deşifre ediyoruz:

1. Karşılaştırıcı girişi (hata amplifikatörü).

2. Geri besleme voltajı girişi. Bu voltaj, IC içindeki referans voltaj ile karşılaştırılır.

3. Akım sensörü. Güç transistörü ile ortak kablo arasında duran bir dirence bağlanır. Aşırı yüklere karşı koruma için gereklidir.

4. Zamanlama RC devresi. Yardımı ile IC'nin çalışma frekansı ayarlanır.

5. Genel.

6. Çık. Kontrol voltajı. Transistörün kapısına bağlanır, burada aşağıdaki şekilde görülebilen tek çevrim dönüştürücüyü (bir transistör) kontrol etmek için bir itme-çekme çıkış aşaması vardır.

7. Mikro devrenin gerilimi.

8. Referans voltaj kaynağının çıkışı (5V, 50 mA).

İç yapısı.

Birçok yönden diğer PWM denetleyicilerine benzer olduğundan emin olabilirsiniz.

UC3842'de basit güç kaynağı devresi

Entegre güç anahtarlı PWM

Dahili güç anahtarına sahip PWM kontrolörleri hem transformatör anahtarlama güç kaynaklarında hem de transformatörsüz DC-DC dönüştürücüler Buck, Boost ve Buck-Boost.

Belki de en başarılı örneklerden biri, aşağıda gösterildiği gibi piyasada bir ton dönüştürücü bulabileceğiniz ortak LM2596 mikro devresidir.

Böyle bir mikro devre, yukarıda açıklanan tüm teknik çözümleri içerir ve düşük güç anahtarlarındaki çıkış aşaması yerine, içine 3A'ya kadar akıma dayanabilecek bir güç anahtarı yerleşiktir. Böyle bir dönüştürücünün iç yapısı aşağıda gösterilmiştir.

Özünde, içinde dikkate alınanlardan özel bir fark olmadığından emin olabilirsiniz.

Ve işte bir örnek led şerit için trafo güç kaynağı Gördüğünüz gibi, böyle bir denetleyicide güç anahtarı yok, sadece dört pimli 5L0380R yongası var. Bazı görevlerde TL494'ün karmaşık devresine ve esnekliğine ihtiyaç duyulmadığı anlaşılmaktadır. Bu, gürültü ve parazit için özel bir gereksinimin olmadığı düşük güç güç kaynakları için geçerlidir ve çıkış dalgalanması bir LC filtresi tarafından bastırılabilir. Bu LED şeritler, dizüstü bilgisayarlar, DVD oynatıcılar ve daha fazlası için bir güç kaynağıdır.

Sonuç

Makalenin başında, bir PWM kontrolörünün geri besleme devresinden gelen sinyale göre darbe genişliğini değiştirerek ortalama voltaj değerini simüle eden bir cihaz olduğu söylenmiştir. Her yazarın isimleri ve sınıflandırmasının genellikle farklı olduğunu, bazen basit bir PWM voltaj regülatörüne PWM kontrolörü denir ve bu makalede açıklanan elektronik devreler ailesine "Stabilize Darbe Dönüştürücüler için Entegre Alt Sistem" denir. Adından, öz değişmez, ancak anlaşmazlıklar ve yanlış anlaşılmalar ortaya çıkar.