Dříve k napájení zařízení používali obvod se snižovacím (nebo se zvyšujícím, nebo vícevinutým) transformátorem, diodovým můstkem a filtrem k vyhlazení vlnění. Pro stabilizaci byly použity lineární obvody využívající parametrické nebo integrované stabilizátory. Hlavní nevýhodou byla malá účinnost a velká hmotnost a rozměry výkonných zdrojů.
Všechny moderní domácí elektrospotřebiče používají spínané zdroje (UPS, IPS – totéž). Většina těchto zdrojů využívá jako hlavní ovládací prvek PWM regulátor. V tomto článku se podíváme na jeho strukturu a účel.
Obsah článku
Užitečná elektronika pro kutily, elektronické domácí výrobky na Telegramu: Praktická elektronika pro každý den
Definice a hlavní výhody
PWM regulátor je zařízení, které obsahuje řadu obvodových řešení pro ovládání výkonových spínačů. V tomto případě dochází k řízení na základě informací přijatých přes zpětnovazební obvody pro proud nebo napětí – to je nutné pro stabilizaci výstupních parametrů.
Někdy se pulzní generátory PWM nazývají PWM regulátory, ale nemají možnost připojit zpětnovazební obvody a jsou vhodnější pro regulátory napětí než pro poskytování stabilního napájení zařízení. V literatuře a na internetových portálech se však často můžete setkat s názvy jako „PWM controller, on NE555“ nebo „. on Arduino“ – to z výše uvedených důvodů není úplně pravda, lze je použít pouze pro regulaci výstupních parametrů, ale ne k jejich stabilizaci.
Zkratka “PWM” znamená Pulsně šířková modulace je jednou z metod modulace signálu nikoli díky výstupnímu napětí, ale právě změnou šířky pulzu. V důsledku toho je simulovaný signál tvořen integrací impulsů pomocí C- nebo LC-obvodů, jinými slovy vyhlazováním.
Závěr: PWM regulátor je zařízení, které řídí PWM signál.
Klíčové vlastnosti
U signálu PWM lze rozlišit dvě hlavní charakteristiky:
1. Pulzní frekvence – na tom závisí pracovní frekvence měniče. Typické frekvence jsou nad 20 kHz, ve skutečnosti 40-100 kHz.
2. Pracovní faktor a pracovní cyklus. Jsou to dvě sousední veličiny charakterizující totéž. Pracovní cyklus lze označit písmenem S a pracovní cyklus D.
kde T je perioda signálu,
Faktor plnění – část času z doby, kdy je na výstupu regulátoru generován řídicí signál, je vždy menší než 1. Pracovní cyklus je vždy větší než 1. Při frekvenci 100 kHz je perioda signálu 10 μs a spínač je otevřen po dobu 2.5 μs, pak je pracovní cyklus 0.25 v procentech – 25% a pracovní cyklus je 4.
Je také důležité zvážit vnitřní design a účel počtu spravovaných klíčů.
Rozdíly od lineárních ztrátových schémat
Jak již bylo zmíněno, výhodou spínaných zdrojů oproti lineárním obvodům je jejich vysoká účinnost (více než 80, v současnosti 90 %). Důvodem je následující:
Řekněme, že vyhlazené napětí za diodovým můstkem je 15V, zatěžovací proud je 1A. Musíte si pořídit stabilizovaný zdroj 12V. Ve skutečnosti je lineární stabilizátor odpor, který mění svou hodnotu v závislosti na hodnotě vstupního napětí pro získání jmenovitého výstupu – s malými odchylkami (zlomky voltů) při změně vstupu (jednotky a desítky voltů).
Jak je známo, rezistory uvolňují tepelnou energii, když jimi prochází elektrický proud. Stejný proces probíhá na lineárních stabilizátorech. Přidělený výkon se bude rovnat:
Protože v uvažovaném příkladu je zatěžovací proud 1A, vstupní napětí je 15V a výstupní napětí je 12V, vypočítáme ztráty a účinnost lineárního stabilizátoru (KRENK nebo typ L7812):
Ploss=(15V-12V)*1A = 3V*1A = 3W
Pak je účinnost:
Pokud se vstupní napětí zvýší například na 20 V, účinnost se sníží:
Hlavním rysem PWM je, že výkonový prvek, ať je to MOSFET, je buď zcela otevřený, nebo zcela uzavřený a neprotéká jím žádný proud. Ztráty účinnosti jsou tedy způsobeny pouze ztrátami vodivosti
A spínací ztráty. Toto je téma na samostatný článek, proto se touto problematikou nebudeme zdržovat. Ke ztrátám napájení dochází také v usměrňovacích diodách (vstup a výstup, pokud je zdroj napájen ze sítě), dále na vodičích, pasivních filtračních prvcích atd.
Obecná struktura
Podívejme se na obecnou strukturu abstraktního PWM regulátoru. Použil jsem slovo „abstraktní“, protože obecně jsou všechny podobné, ale jejich funkčnost se může v určitých mezích lišit a podle toho se bude lišit struktura a závěry.
Uvnitř PWM regulátoru je jako každý jiný IC polovodičový krystal, na kterém je umístěn složitý obvod. Regulátor obsahuje následující funkční jednotky:
1. Generátor impulzů.
2. Zdroj referenčního napětí. (A ON)
3. Obvody pro zpracování signálu zpětné vazby (OS): chybový zesilovač, komparátor.
4. Ovládání generátoru impulzů vestavěné tranzistory, které jsou určeny k ovládání vypínače nebo kláves.
Počet výkonových spínačů, které může PWM regulátor ovládat, závisí na jeho účelu. Nejjednodušší flyback měniče ve svém obvodu obsahují 1 výkonový spínač, polomůstkové obvody (push-pull) – 2 spínače, můstkové obvody – 4.
Výběr PWM regulátoru závisí také na typu klíče. Pro řízení bipolárního tranzistoru je hlavním požadavkem, aby výstupní řídicí proud PWM regulátoru nebyl nižší než proud tranzistoru dělený H21e, aby jej bylo možné zapínat a vypínat jednoduše vysíláním impulsů do báze. V tomto případě bude stačit většina ovladačů.
V případě ovládání spínačů s izolovaným hradlem (MOSFET, IGBT) existují určité nuance. Chcete-li rychle vypnout, musíte vybít kapacitu brány. K tomu je výstupní obvod brány vyroben ze dvou klíčů – jeden z nich je připojen k napájení pomocí kolíku IC a ovládá bránu (zapíná tranzistor) a druhý je instalován mezi výstupem a zemí, když musíte vypnout výkonový tranzistor – první klíč se zavře, druhý se otevře, zavře závěrku do země a vybije ji.
Některé PWM regulátory pro zdroje s nízkým výkonem (do 50 W) nepoužívají vestavěné nebo externí napájecí spínače. Příklad – 5l0830R
Obecně řečeno, PWM regulátor může být reprezentován jako komparátor, jehož jeden vstup je napájen signálem ze zpětnovazebního obvodu (FC) a na druhý vstup je přiváděn signál změny pilového zubu. Když pilový signál dosáhne a svou velikostí překročí signál OS, objeví se na výstupu komparátoru impuls.
Když se signály na vstupech změní, změní se šířka pulzu. Řekněme, že jste k napájení připojili výkonný spotřebič a napětí na jeho výstupu klesne, pak také klesne napětí OS. Potom po většinu periody pilový signál překročí signál zpětné vazby a šířka pulzu se zvětší. Vše výše uvedené se do určité míry odráží v grafech.
Pracovní frekvence generátoru se nastavuje pomocí frekvenčního RC obvodu.
Funkční schéma PWM regulátoru na příkladu TL494, podrobněji se na něj podíváme později. Účel čepů a jednotlivých uzlů je popsán v následujícím podnadpisu.
Přiřazení pinu
Regulátory PWM jsou k dispozici v různých baleních. Mohou mít od tří do 16 nebo více závěrů. Flexibilita použití ovladače tedy závisí na počtu pinů, respektive jejich účelu. Například v populárním mikroobvodu UC3843 – nejčastěji existuje 8 závěrů a v ještě ikoničtějším – TL494 – 16 nebo 24.
Podívejme se proto na typická jména pinů a jejich účel:
GND – společná svorka je připojena k zápornému pólu obvodu nebo k zemi.
Uc(Vc) – napájení mikroobvodu.
Ucc (Vss, Vcc) – Výstup pro řízení výkonu. Pokud napájení poklesne, existuje možnost, že se vypínače úplně neotevře, a proto se začnou zahřívat a vyhořet. Výstup je nutný k deaktivaci regulátoru v takové situaci.
OUT – jak název napovídá – jedná se o výstup regulátoru. Zde je vyveden řídicí PWM signál pro výkonové spínače. Výše jsme zmínili, že převodníky různých topologií mají různý počet klíčů. V závislosti na tom se může název pinu lišit. Například v ovladačích polovičního můstku může být nazýván HO a LO pro horní a dolní spínače. V tomto případě může být výstup jednostranný nebo push-pull (s jedním spínačem a dvěma) – pro ovládání tranzistorů s efektem pole (viz vysvětlení výše). Ale samotný regulátor může být pro jednocyklové a push-pull obvody – s jedním, respektive dvěma výstupními piny. To je důležité.
Vref – referenční napětí, obvykle připojené k zemi přes malý kondenzátor (jednotky mikrofaradů).
ILIM – signál ze snímače proudu. Potřebné k omezení výstupního proudu. Připojuje se k obvodům zpětné vazby.
ILIMREF – je na něm nastaveno spouštěcí napětí nohy ILIM
SS – je generován signál pro měkký start regulátoru. Navrženo pro hladký přechod do jmenovitého režimu. Mezi ním a společným vodičem je instalován kondenzátor, který zajišťuje hladký start.
RtCt – svorky pro připojení časovacího RC obvodu, který určuje frekvenci PWM signálu.
HODINY – hodinové impulsy pro synchronizaci několika PWM regulátorů mezi sebou, pak je RC obvod připojen pouze k hlavnímu regulátoru a RT slave s Vref, CT slave jsou připojeny ke společnému.
RAMPA je srovnávací vstup. Je na něj přivedeno pilovité napětí např. z pinu Ct.Při překročení hodnoty napětí na výstupu zesílení chyby se na OUT objeví vypínací impuls – základ pro PWM regulaci.
INV a NONINV – jedná se o invertující a neinvertující vstupy komparátoru, na kterých je postaven chybový zesilovač. Jednoduše řečeno: čím vyšší napětí na INV, tím delší výstupní impulsy a naopak. Je k němu připojen signál z děliče napětí ve zpětnovazebním obvodu z výstupu. Poté se neinvertující vstup NONINV připojí na společný vodič – GND.
EAOUT nebo Error Amplifier Output rus. Chyba výstupu zesilovače. Navzdory tomu, že existují chybové vstupy zesilovače a s jejich pomocí lze v zásadě upravit výstupní parametry, ale regulátor na to reaguje poměrně pomalu. V důsledku pomalé odezvy se obvod může vybudit a selhat. Proto jsou signály přiváděny z tohoto pinu přes frekvenčně závislé obvody do MEN. Toto se také nazývá korekce frekvence chybového zesilovače.
Příklady reálných zařízení
Pro konsolidaci informací se podívejme na několik příkladů typických PWM regulátorů a jejich spojovacích obvodů. Uděláme to na příkladu dvou mikroobvodů:
TL494 (jeho analogy: KA7500B, KR1114EU4, Sharp IR3M02, UA494, Fujitsu MB3759);
Aktivně se používají v napájecích zdrojích pro počítače. Mimochodem, tyto zdroje mají značný výkon (100 W a více na 12V sběrnici). Často se používá jako dárce pro přeměnu na laboratorní zdroj nebo univerzální výkonnou nabíječku například pro autobaterie.
TL494 – recenze
Začněme 494. čipem. Jeho technické vlastnosti:
V tomto konkrétním příkladu můžete vidět většinu výše popsaných zjištění:
1. Neinvertující vstup prvního komparátoru chyb
2. Invertování vstupu prvního komparátoru chyb
3. Vstup zpětné vazby
4. Vstup pro nastavení mrtvého času
5. Svorka pro připojení externího časovacího kondenzátoru
6. Výstup pro připojení časovacího odporu
7. Společný kolík mikroobvodu, mínus napájení
8. Svorka kolektoru prvního výstupního tranzistoru
9. Svorka emitoru prvního výstupního tranzistoru
10. Svorka emitoru druhého výstupního tranzistoru
11. Svorka kolektoru druhého výstupního tranzistoru
12. Vstup napájecího napětí
13. Vstup pro volbu jednocyklového nebo push-pull režimu činnosti mikroobvodu
14. Vestavěný referenční výstup 5 V
15. Invertující vstup druhého komparátoru chyb
16. Neinvertující vstup druhého komparátoru chyb
Níže uvedený obrázek ukazuje příklad zdroje napájení počítače založeného na tomto čipu.
Recenze UC3843
Dalším oblíbeným PWM je čip 3843 – na něm jsou postaveny i počítačové a další napájecí zdroje. Jeho pinout je umístěn níže, jak vidíte, má pouze 8 pinů, ale plní stejné funkce jako předchozí IC.
Existují UC3843 v pouzdře se 14 nohami, ale jsou mnohem méně běžné. Věnujte pozornost značení – další kolíky jsou buď duplicitní, nebo nepoužité (NC).
Pojďme dešifrovat účel závěrů:
1. Vstup komparátoru (zesilovače chyb).
2. Vstup zpětné vazby. Toto napětí se porovnává s referenčním napětím uvnitř IC.
3. Snímač proudu. Je připojen k rezistoru umístěnému mezi výkonovým tranzistorem a společným vodičem. Potřebné pro ochranu proti přetížení.
4. Časovací RC obvod. S jeho pomocí se nastavuje pracovní frekvence IC.
6. Konec. Řídicí napětí. Zde je připojen k hradlu tranzistoru výstupní stupeň push-pull pro ovládání jednopólového měniče (jeden tranzistor), který je vidět na obrázku níže.
7. Napájecí napětí mikroobvodu.
8. Referenční napěťový výstup (5V, 50mA).
Jeho vnitřní struktura.
Můžete vidět, že je v mnoha ohledech podobný ostatním PWM regulátorům.
Jednoduchý síťový napájecí obvod pro UC3842
Zjevně užitečné:
PWM s vestavěným vypínačem
PWM regulátory s vestavěným vypínačem se používají jak v transformátorových spínaných zdrojích, tak v beztransformátorových DC-DC měničích typu buck, boost a buck-boost.
Snad jedním z nejúspěšnějších příkladů bude rozšířený mikroobvod LM2596, na jehož základě najdete na trhu spoustu měničů, jak je uvedeno níže.
Takový mikroobvod obsahuje všechna výše popsaná technická řešení a také místo koncového stupně na nízkopříkonových spínačích má vestavěný výkonový spínač schopný odolat proudu až 3A. Vnitřní struktura takového převodníku je znázorněna níže.
Můžete si být jisti, že v podstatě neexistují žádné zvláštní rozdíly od těch, které jsou v něm popsány.
Zde je však příklad napájecího zdroje transformátoru pro LED pásek na podobném ovladači, jak vidíte, není zde žádný vypínač, ale pouze mikroobvod 5L0380R se čtyřmi kolíky. Z toho vyplývá, že v určitých úlohách nejsou složité obvody a flexibilita TL494 prostě potřeba. To platí pro nízkopříkonové zdroje, kde nejsou žádné speciální požadavky na šum a rušení a výstupní zvlnění lze potlačit LC filtrem. Jedná se o zdroj pro LED pásky, notebooky, DVD přehrávače atd.
Závěr
Na začátku článku bylo řečeno, že PWM regulátor je zařízení, které simuluje průměrnou hodnotu napětí změnou šířky impulsu na základě signálu ze zpětnovazebního obvodu. Všiml jsem si, že jména a klasifikace každého autora se často liší; někdy se PWM regulátor nazývá jednoduchý PWM regulátor napětí a rodina elektronických mikroobvodů popsaná v tomto článku se nazývá „Integrovaný subsystém pro pulzně stabilizované převodníky“. Název nemění podstatu, ale vznikají spory a nedorozumění.
Doufám, že vám tento článek pomohl. Podívejte se také na další články z kategorie Elektrická energie v každodenním životě i v práci » Praktická elektronika
Přihlaste se k odběru kanálu Telegram o elektronice pro profesionály i amatéry: Praktická elektronika pro každý den
