מהו בקר PWM, איך הוא מסודר ועובד, סוגים ותכניות

בעבר שימש מעגל עם שנאי מוריד (או מדרגה, או רב-מפותל), גשר דיודה ומסנן להחלקת אדוות למכשירים חשמליים. לייצוב נעשה שימוש במעגלים לינאריים במייצבים פרמטריים או משולבים. החיסרון העיקרי היה היעילות הנמוכה והמשקל הגבוה והממדים של ספקי הכוח העוצמתיים.

כל מכשירי החשמל הביתיים המודרניים משתמשים באספקת חשמל מיתוגית (UPS, UPS - אותו דבר). מרבית ספקי הכוח הללו משתמשים בבקר PWM כרכיב הבקרה העיקרי. במאמר זה נשקול את מבנהו ומטרתו.

הגדרה ויתרונות עיקריים

בקר PWM הוא מכשיר המכיל מספר פתרונות מעגלים לניהול מקשי חשמל. במקביל, השליטה מבוססת על מידע המתקבל באמצעות מעגלי משוב עבור זרם או מתח - זה הכרחי כדי לייצב את פרמטרי הפלט.

לעיתים, בקרי PWM נקראים מחוללי דופק PWM, אך אין דרך לחבר מעגלי משוב והם מתאימים יותר לווסת מתח מאשר להבטיח אספקת חשמל יציבה למכשירים. עם זאת, בספרות ופורטלי אינטרנט לרוב תוכלו למצוא שמות כמו "בקר PWM, ב- NE555" או "... על arduino" - זה לא לגמרי נכון מהסיבות לעיל, ניתן להשתמש בהן רק כדי לשלוט על פרמטרי הפלט, אך לא כדי לייצב אותם.

הקיצור "PWM" מיועד אפנון רוחב דופק הוא אחת מהשיטות לאפנון של אות לא בגלל גודל מתח היציאה, אלא בגלל שינוי ברוחב של הדופק. כתוצאה מכך נוצר אות מדומה עקב שילוב פולסים באמצעות שרשראות C- או LC, או במילים אחרות - עקב החלקה.

מסקנה: בקר PWM - מכשיר השולט על אות PWM.

תכונות עיקריות

עבור אות PWM, ניתן להבחין בשני מאפיינים עיקריים:

1. תדר דופק - תדירות ההפעלה של הממיר תלויה בכך. אופייניים הם תדרים מעל 20 kHz, למעשה 40-100 kHz.

2. מחזור חובה ומחזור חובה. אלה שני כמויות סמוכות המאפיינות את אותו הדבר. ניתן לציין את גורם המילוי באמצעות האות S, ואת מחזור התפקיד D.

S = 1 / T,

כאשר T היא תקופת האות,

T = 1 / f

D = T / 1 = 1 / S

חשוב:

גורם מילוי - חלק מהזמן מהתקופה בה נוצר אות בקרה ביציאת הבקר, תמיד פחות מ 1. מחזור התפקיד הוא תמיד גדול מ 1. בתדר של 100 קילו הרץ, תקופת האות היא 10 מיקרו-סיביות והמפתח פתוח למשך 2.5 מיקרו-שניות, ואז מחזור התפקיד הוא 0.25, באחוזים - 25%, ומחזור החובה הוא 4.

כמו כן, חשוב לקחת בחשבון את העיצוב הפנימי ואת המטרה של מספר המפתחות המנוהל.

הבדלים מתכניות הפסד לינארית

כאמור, יתרון על פני מעגלים לינאריים למיתוג ספקי כוח הוא יעילות גבוהה (יותר מ 80, וכרגע 90%). זה נובע מהדברים הבאים:

נניח שהמתח המוחלק לאחר שגשר הדיודה הוא 15 וולט, זרם העומס הוא 1A. אתה צריך לקבל ספק כוח 12V מיוצב. למעשה, מייצב ליניארי הוא התנגדות שמשנה את ערכו בהתאם לגודל מתח הכניסה כדי להשיג את מתח היציאה הנומינלי - עם סטיות קטנות (שברים של וולט) עם שינויים במתח הכניסה (יחידות ועשרות וולט).

על נגדים, כידוע, כאשר זרם חשמלי זורם דרכם, אנרגיה תרמית משתחררת. במייצבים לינאריים, אותו תהליך מתרחש. הכוח שהוקצה יהיה שווה ל:

אובדן = (Uin-Uout) * אני

מכיוון שבדוגמא הנחשבת, זרם העומס הוא 1A, מתח הכניסה הוא 15 וולט, ומתח היציאה הוא 12 וולט, ואז אנו מחשבים את ההפסדים והיעילות של המייצב הליניארי (קרנקה או סוג L7812):

אובדן = (15V-12V) * 1A = 3V * 1A = 3W

ואז היעילות היא:

n = אובדן P / P

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

אם מתח הכניסה עולה ל 20 וולט למשל, היעילות תקטן:

n = 12/20 * 100 = 60%

וכן הלאה.

התכונה העיקרית של PWM היא שאלמנט הכוח, גם אם הוא MOSFET, פתוח או סגור לחלוטין ושום זרם אינו זורם דרכו. לכן אובדן היעילות נובע רק מאובדן המוליכות

(P = I2 * Rdson)

והחלפת אובדן. זה נושא למאמר נפרד, כך שלא נתעכב בנושא זה. כמו כן, מתרחשים הפסדי אספקת חשמל בדיודות מיישר (כניסה ויציאה, אם ספק הכוח הוא חשמל), כמו גם על מוליכים, אלמנטי פילטר פסיביים ועוד.

מבנה כללי

שקול את המבנה הכללי של בקר PWM מופשט. השתמשתי במילה "מופשט" מכיוון שבאופן כללי, כולם דומים, אך הפונקציונליות שלהם עדיין יכולה להשתנות בגבולות מסוימים, ובהתאם המבנה והמסקנות יהיו שונים זה מזה.

בתוך בקר ה- PWM, כמו בכל מכשיר IC אחר, יש שבב מוליכים למחצה עליו ממוקם מעגל מורכב. הבקר כולל את היחידות הפונקציונליות הבאות:

1. מחולל הדופק.

2. מקור מתח ההתייחסות. (ION)

3. מעגלים לעיבוד אות משוב (OS): מגבר שגיאות, משווה.

4. מחולל הדופק שולט טרנזיסטורים משולביםתוכנן לשליטה על מקש הפעלה או מקשים.

מספר מקשי ההפעלה שבקר PWM יכול לשלוט עליהם תלוי במטרתו. ממירי ה- Flyback הפשוטים ביותר במעגל שלהם מכילים מתג הפעלה 1, מעגלי חצי גשר (push-pull) - 2 מתגים, גשר - 4.

סוג המפתח קובע גם את בחירת בקר PWM. לשליטה בטרנזיסטור דו קוטבי, הדרישה העיקרית היא שתפוקת זרם השליטה של ​​בקר ה- PWM לא תהיה נמוכה מהזרם של הטרנזיסטור המחולק על ידי H21e, כך שניתן להפעיל אותו ולכבות אותו פשוט על ידי הפעלת פולסים על הבסיס. במקרה זה, רוב הבקרים יעשו זאת.

במקרה של ניהול מפתחות תריס מבודדים (MOSFET, IGBT) יש ניואנסים מסוימים. לצורך כיבוי מהיר אתה צריך לפרוק את קיבולת התריס. לשם כך מעגל פלט השער עשוי משני מפתחות - אחד מהם מחובר למקור הכוח באמצעות פלט IC ושולט בשער (מדליק את הטרנזיסטור), והשני מותקן בין הפלט לקרקע, כשצריך לכבות את טרנזיסטור הכוח - המקש הראשון נסגר, השני נפתח, סוגר תריס לקרקע ומשחרר אותו.

מעניין:

בחלק מבקרי PWM עבור ספקי כוח בעלי עוצמה נמוכה (עד 50 וולט), אין משתמשים במתגי חשמל, פנימיים או חיצוניים. דוגמה - 5l0830R

באופן כללי, ניתן לייצג את בקר ה- PWM כמושווה, שעל כניסה אחת מסופק לו אות ממעגל משוב (OS), ומופעל אות משתנה בצורת מסור על הכניסה השנייה. כאשר האות של מסור המסור מגיע ועולה על אות מערכת ההפעלה בעוצמה, נוצר דחף ביציאת המשווה.

כאשר האותות בכניסות משתנים, רוחב הדופק משתנה. בואו נגיד שחיברת צרכן רב עוצמה לספק הכוח, והמתח טבל בפלט שלו, ואז מתח מערכת ההפעלה יירד. ואז ברוב התקופה נצפה עודף של אות הנסרה מעל אות מערכת ההפעלה ורוחב הדופק יגדל. כל האמור לעיל בא לידי ביטוי במידה מסוימת בתרשימים.

תדר הפעולה של הגנרטור מוגדר באמצעות מעגל RC להגדרת התדרים.

תרשים פונקציונלי של בקר PWM המשתמש ב- TL494 כדוגמה, נבחן אותו בהמשך ביתר פירוט. הקצאת הסיכה וצמתים בודדים מתוארים בכותרת המשנה הבאה.

הצמד את המשימה

בקרי PWM זמינים בחבילות שונות. הם יכולים לקבל מסקנות משלוש עד 16 ומעלה. בהתאם, הגמישות בשימוש בבקר תלויה במספר המסקנות, או ליתר דיוק מטרתן.לדוגמה, בשבב פופולרי UC3843 - לרוב 8 מסקנות, ובמסקנה עוד יותר איקונית - TL494 - 16 או 24.

לפיכך אנו רואים את השמות האופייניים למסקנות וייעודם:

• GND - המסקנה הכללית קשורה למינוס המעגל או לקרקע.

• Uc (Vc) - כוח מיקרו מעגל.

• Ucc (Vss, Vcc) - פלט לבקרת חשמל. אם הכוח שוקע, סביר להניח שמפתחות ההפעלה לא ייפתחו במלואם, ובשל כך הם יתחילו להתחמם ולהישרף. המסקנה נדרשת כדי להשבית את הבקר במצב דומה.

• בחוץ - כפי שהשם מרמז, זהו פלט הבקר. כאן מוצג אות השליטה PWM עבור מתגי ההפעלה. הזכרנו לעיל שלממירים של טופולוגיות שונות יש מספר שונה של מפתחות. שם הפלט עשוי להיות שונה בהתאם לזה. לדוגמה, בבקרים למעגלים עם חצי גשר, זה יכול להיקרא HO ו- LO עבור המקשים העליונים והתחתונים, בהתאמה. במקביל, הפלט יכול להיות במעגל סיבוב ודחיפת משיכה (עם מקש אחד ושני) - לשליטה בטרנזיסטורי אפקט שדה (ראה הסבר לעיל). אבל הבקר עצמו יכול להיות עבור מעגלי מעגל חד פעמי ומשיכה - עם מסופי פלט אחד ושני, בהתאמה. זה חשוב.

• Vref - הפניה למתח, המחוברת בדרך כלל לקרקע דרך קבל קטן (יחידות מיקרו-פארד).

• ILIM - אות מהחיישן הנוכחי. נדרש להגביל את זרם הפלט. מתחבר למעגלי משוב.

• ILIMREF - זה מגדיר את מתח ההדק של רגל ILIM

• ס.ס. - נוצר אות להפעלה רכה של הבקר. מיועד ליציאה חלקה למצב נומינלי. בינו לבין החוט המשותף מותקן קבל כדי להבטיח התחלה חלקה.

• Rtct - מסקנות לחיבור מעגל RC העיתוי הקובע את תדירות האות PWM.

• שעון - פעימות שעון לסנכרון של כמה בקרי PWM אחד עם השני, ואז מעגל ה- RC מחובר רק לבקר הראשי, ועבדי RT עם עבדי Vref, CT מחוברים לזו הנפוצה.

• RAMP הוא קלט השוואה. מתח שיני מסור מופעל עליו, למשל מפלט של Ct. כאשר הוא עולה על ערך המתח ביציאה של הגברת השגיאה, מופיע דופק ניתוק ב- OUT - הבסיס לשליטה ב- PWM.

• INV ונונינוו - זוהי כניסות ההפוך והלא הפוכות של המשווה שעליו בנוי מגבר השגיאה. במילים פשוטות: ככל שהמתח על ה- INV גבוה יותר, כך פעימות הפלט ארוכות יותר ולהיפך. האות ממחלוקת המתח במעגל המשוב מהפלט מחובר אליו. ואז הכניסה הלא הפוכה NONINV מחוברת לחוט משותף - GND.

• EAOUT או פלט מגבר שגיאה רוסית פלט מגבר שגיאה. למרות העובדה שיש כניסות של מגבר השגיאה ובעזרתן, באופן עקרוני ניתן לכוונן את פרמטרי הפלט, אך הבקר מגיב לאט למדי לזה. כתוצאה מתגובה איטית, עירור במעגל יכול להתרחש והיא תיכשל. לכן אותות מהסיכה הזו מועברים ל- INV דרך מעגלים תלויים בתדרים. זה נקרא גם תיקון תדר של מגבר השגיאה.

דוגמאות למכשירים אמיתיים

כדי לאחד את המידע, בואו נסתכל על כמה דוגמאות לבקרי PWM טיפוסיים ותוכניות המיתוג שלהם. אנו נעשה זאת באמצעות שני מיקרו-שבבים כדוגמה:

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

• UC3843.

הם משמשים באופן פעיל. באספקת חשמל למחשבים. אגב, לספקי הכוח הללו יש כוח ניכר (100 וואט ויותר באוטובוס 12 וולט). משמש לעתים קרובות כתורם להמרה לספק כוח מעבדה או מטען רב עוצמה אוניברסלי, למשל לסוללות לרכב.

TL494 - סקירה כללית

נתחיל עם השבב 494. המאפיינים הטכניים שלו:

Pinout TL494:

בדוגמה ספציפית זו תוכלו לראות את מרבית המסקנות המתוארות לעיל:

1. קלט לא הפוך של משווה השגיאות הראשון

2. הפיכת קלט של משווה השגיאות הראשון

3. קלט משוב

4. קלט התאמת זמן מת

5. פלט לחיבור קבל תזמון חיצוני

6. פלט לחיבור נגדי תזמון

7. התפוקה הכוללת של השבב, פחות כוח

8. תפוקת הקולט של טרנזיסטור הפלט הראשון

9. תפוקת הפולט של טרנזיסטור הפלט הראשון

10. פלט הפולט של טרנזיסטור הפלט השני

11. פלט הקולט של טרנזיסטור הפלט השני

12. קלט אספקת חשמל

13. הקלט בחר במצב פעימה של שבב או פעולת משיכה אחת

14. הפלט של מקור המתח המובנה 5 וולט

15. הפיכת קלט של משווה השגיאות השני

16. קלט לא הפוך של משווה השגיאות השני

באיור שלהלן מופיעה דוגמה לאספקת חשמל למחשב בשבב זה.

UC3843 - סקירה כללית

PWM פופולרי נוסף הוא השבב 3843 - הוא גם בונה מחשבים ולא רק ספקי כוח. ההצמדה שלו ממוקמת למטה, כפי שניתן לראות, יש לה רק 8 מסקנות, אך היא מבצעת את אותן פונקציות כמו ה- IC הקודם.

מעניין:

זה קורה UC3843 ובמקרה של 14 רגל, אך הם הרבה פחות נפוצים. שימו לב לסימון - מסקנות נוספות משוכפלות או אינן משמשות (NC).

אנו מפענחים את מטרת המסקנות:

1. קלט משווה (מגבר שגיאות).

2. קלט מתח משוב. מתח זה מושווה למתח הייחוס בתוך ה- IC.

3. חיישן זרם. הוא מחובר לנגדיר העומד בין טרנזיסטור הכוח לחוט המשותף. זה הכרחי להגנה מפני עומס יתר.

4. מעגל RC העיתוי. בעזרתו מוגדר תדר הפעולה של ה- IC.

5. כללי.

6. יציאה. מתח שליטה. הוא מחובר לשער הטרנזיסטור, הנה שלב פלט לדחיפת משיכה לשליטה בממיר מחזור יחיד (טרנזיסטור אחד), אותו ניתן לראות באיור למטה.

7. המתח של המיקרו-מעגל.

8. הפלט של מקור מתח ההתייחסות (5V, 50 mA).

המבנה הפנימי שלה.

אתה יכול לוודא שבמובנים רבים זה דומה לבקרי PWM אחרים.

מעגל אספקת חשמל פשוט ב- UC3842

PWM עם מתג הפעלה משולב

בקרי PWM עם מתג הפעלה מובנה משמשים הן לספקי כוח מיתוג שנאי והן ב ממירי DC-DC ללא שנאים באק, בוסט ובוק-בוסט.

אולי אחת הדוגמאות המוצלחות ביותר היא המיקרו מעגל LM2596 הנפוץ, שעל בסיסו תוכלו למצוא המון ממירים בשוק, כמוצג להלן.

מעגל מיקרו כזה מכיל את כל הפתרונות הטכניים שתוארו לעיל, ובמקום שלב הפלט במתגי הספק נמוכים מובנה לתוכו מתג הפעלה שיכול לעמוד בזרם עד 3A. המבנה הפנימי של ממיר כזה מוצג להלן.

אתה יכול לוודא שבעצם אין הבדלים מיוחדים מאלו שנחשבים בה.

והנה דוגמא אספקת חשמל שנאי לרצועת led בבקר כזה, כפי שאתה יכול לראות, אין מתג הפעלה, אלא רק שבב 5L0380R עם ארבעה סיכות. מכאן יוצא שבמשימות מסוימות פשוט אין צורך במעגלים והגמישות של TL494. זה נכון לגבי ספקי כוח בעלי עוצמה נמוכה, כאשר אין דרישות מיוחדות לרעש והפרעות, וניתן לדכא את אדוות הפלט על ידי פילטר LC. זהו ספק כוח לרצועות LED, מחשבים ניידים, נגני DVD ועוד.

מסקנה

בתחילת המאמר נאמר כי בקר PWM הוא מכשיר המדמה את ערך המתח הממוצע על ידי שינוי רוחב הדופק על בסיס האות ממעגל המשוב. אני מציין שהשמות והסיווג של כל מחבר שונים לעיתים קרובות, לעיתים רגולטור מתח PWM פשוט נקרא בקר PWM, ומשפחת המעגלים האלקטרוניים המתוארים במאמר זה נקראת "מערכת משולבת לממירי דופק יציבים". מהשם, המהות לא משתנה, אך נוצרים מחלוקות ואי הבנות.