Sterownik PWM: schemat, zasada działania, sterowanie

Jednym z podejść zastosowanych w celu znacznego zmniejszenia strat cieplnych elementów mocy obwodu radiowego jest zastosowanie przełączania trybów pracy instalacji. W przypadku takich systemów, komponent mocy elektrycznej jest albo otwarty - w tym momencie faktycznie występuje zerowy spadek napięcia, albo jest otwarty - w tym czasie jest przyłożony prąd zerowy. Rozproszoną moc można obliczyć, mnożąc wartości prądu i napięcia. W tym trybie okazuje się, że osiąga wydajność około 75-80% lub więcej.

Co to jest PWM?

Aby uzyskać sygnał wyjściowy o żądanej formie, przełącznik zasilania musi się otwierać tylko przez pewien czas, który jest proporcjonalny do obliczonych wskaźników napięcia wyjściowego. Jest to zasada modulacji szerokości impulsu (PWM). Następnie sygnał o tej postaci, składający się z impulsów o różnej szerokości, wchodzi w obszar filtra w oparciu o dławik i kondensator. Po konwersji, sygnał wyjściowy będzie niemal doskonałym sygnałem o pożądanym kształcie.

Zakres PWM nie jest ograniczony do pulsacji źródła energii stabilizatory i przekształtniki napięcia. Zastosowanie tej zasady w projektowaniu potężnego wzmacniacza częstotliwości audio umożliwia znaczne zmniejszenie zużycia energii przez urządzenie, prowadzi do miniaturyzacji obwodu i optymalizuje system wymiany ciepła. Wadami może być przypisana mierna jakość sygnału na wyjściu.

Tworzenie sygnałów PWM

Tworzenie sygnałów PWM o pożądanym kształcie jest dość trudne. Niemniej jednak, dziś przemysł może zadowolić wspaniałe układy specjalne, znane jako sterowniki PWM. Są niedrogie i całkowicie rozwiązują problem tworzenia sygnału o szerokości impulsu. Orientacja w urządzeniu takich kontrolerów i ich wykorzystanie ułatwi zapoznanie się z ich typowym wyglądem.

Standardowy obwód kontrolera PWM przyjmuje następujące wyniki:

• Ogólny wniosek (GND). Jest realizowany w postaci nogi, która jest podłączona do wspólnego przewodu obwodu zasilania urządzenia.
• Power Out (VC). Odpowiedzialny za obwód zasilania. Ważne jest, aby nie mylić go z sąsiadem o podobnej nazwie - wyjście VCC.
• Wyjście sterowania mocą (VCC). Z reguły układ kontrolera PWM przejmuje kontrolę nad tranzystorami mocy (bipolarnymi lub polowymi). Jeśli napięcie wyjściowe maleje, tranzystory otwierają się tylko częściowo, a nie całkowicie. Szybko ogrzane, wkrótce przestaną, nie poradzą sobie z ładunkiem. Aby wyeliminować taką możliwość, należy monitorować wskaźniki napięcia zasilania na wejściu mikroukładu i unikać przekroczenia znaku projektowego. Jeśli napięcie na tym bolcu spadnie poniżej regulatora zainstalowanego specjalnie dla tego sterownika, urządzenie sterujące jest wyłączone. Z reguły noga ta jest podłączona bezpośrednio do kołka VC.

Napięcie wyjściowe sterowania (OUT)

Liczba wniosków układu zależy od jego konstrukcji i zasady działania. Nie zawsze jest możliwe natychmiastowe zrozumienie złożonych terminów, ale spróbujemy podkreślić istotę. Na 2 wyjściach znajdują się mikroukłady sterujące kaskadami dwusuwowymi (dwa ramiona) (przykłady: mostek, półmostek, 2-suwowy przetwornik odwrotny). Istnieją również analogiczne sterowniki PWM do sterowania kaskadami single-ended (single-arm) (przykłady: forward / reverse, boost / reduce, invert).

Ponadto stopień wyjściowy może mieć strukturę jedno i dwusuwową. Push-pull służy głównie do sterowania tranzystorem polowym w zależności od napięcia. Aby uzyskać szybkie zamknięcie, konieczne jest szybkie rozładowanie pojemności "przesłony - źródło" i "spust - spust". W tym celu wykorzystywany jest stopień wyjściowy push-pull sterownika, którego zadaniem jest zapewnienie zwarcia wyjścia do wspólnego kabla, jeśli tranzystor polowy ma być zamknięty.

Aby kontrolować tranzystor bipolarny Kaskada push-pull nie jest używana, ponieważ sterowanie odbywa się za pomocą prądu, a nie napięcia. Aby zamknąć bipolarny tranzystor, wystarczy zatrzymać przepływ prądu przez podstawę. W tym przypadku zamknięcie podstawy do wspólnego drutu jest opcjonalne.

Więcej informacji o funkcjach kontrolera PWM

Postanawiając zaprojektować kontroler PWM własnymi rękami, trzeba przemyśleć wszystkie szczegóły jego implementacji. To jedyny sposób na stworzenie działającego urządzenia. Oprócz powyższych wyników działanie kontrolera PWM implikuje następujące funkcje:

• Napięcie odniesienia (VREF). Gotowe produkty dla wygody są zwykle uzupełniane stabilną funkcją generowania napięcia odniesienia. Eksperci od producentów zalecają podłączenie tego pinu wspólnym przewodem o pojemności przynajmniej 1 mikrofaradu, aby poprawić jakość i możliwość stabilizacji napięcia odniesienia.

• Current Limit (ILIM). Jeżeli napięcie na tym pinie znacznie przekracza zestaw (zwykle około 1 V), kontroler automatycznie zamyka przełączniki zasilania. W przypadku, gdy wskaźnik napięcia przekracza drugą wartość progową (w zakresie 1,5-2 V), urządzenie natychmiast zeruje napięcie na połączeniu z łagodnym startem.
• Miękki start (SS). Wartość napięcia na tym wyjściu określa maksymalną dopuszczalną szerokość przyszłych modulowanych impulsów. Na tym pinie podaje aktualną ustawioną wartość. Jeśli dodatkowa moc zainstalowana jest między nim a kablem uniwersalnym, będzie ładować się powoli, ale z pewnością, co doprowadzi do stopniowego rozszerzania każdego impulsu od minimalnej do końcowej obliczonej wartości. Dzięki temu możliwe jest zapewnienie płynnego, a nie gwałtownego wzrostu wartości prądu i napięcia w ogólnym schemacie urządzenia, dzięki czemu taki system zasługuje na miano "miękkiego startu". Jednocześnie, jeśli specjalnie narzucimy ograniczenie napięcia na ten pin, na przykład, poprzez połączenie dzielnika napięcia i układu diod, możliwe jest całkowite ograniczenie przekroczenia przez impulsy o określonej określonej wartości szerokości.

Częstotliwość urządzenia, synchronizacja

Chipy kontrolera PWM mogą być wykorzystywane do różnych celów. W celu debugowania ich wspólnej pracy z innymi elementami urządzenia, konieczne jest ustalenie, w jaki sposób ustawić określone parametry kontrolera i jakie elementy obwodu są za niego odpowiedzialne.

• Rezystor i pojemność, która określa częstotliwość działania całego urządzenia (RT, CT). Każdy kontroler może działać tylko na określonej częstotliwości. Każdy z impulsów następuje tylko z tą częstotliwością. Urządzenie może zmieniać czas trwania impulsów, ich kształt i długość, ale nie częstotliwość. W praktyce oznacza to, że im mniejsza długość impulsu, tym dłuższa przerwa między nim a następnym. W takim przypadku częstość powtórzeń jest zawsze taka sama. Pojemność podłączona między stopką CT a wspólnym kablem oraz rezystor podłączony do wyjścia RT i wspólnego kabla, w połączeniu, może ustawić częstotliwość, z jaką kontroler będzie działał.

• Impulsy zegarowe (CLOCK). Bardzo częste przypadki, w których chcesz debugować działanie kilku kontrolerów, aby sygnały wyjściowe były formowane synchronicznie. Aby to zrobić, jeden z kontrolerów (z reguły master) jest wymagany do podłączenia pojemnościowej pojemności nastawczej i rezystora. Na wyjściu CLOCK sterownika, natychmiast pojawiają się krótkie impulsy odpowiadające napięciu, które są podawane do analogicznych wyjść z całej grupy urządzeń. Nazywani są niewolnikami. Wyjścia RT takich kontrolerów powinny być połączone z nóżkami VREF, a CT z wspólnym kablem.
• Porównanie napięcia (RAMP). Wyjściu temu należy nadać sygnał piłokształtny (napięcie). Kiedy pojawia się impuls synchronizacji, na wyjściu urządzenia generowane jest napięcie testowe otwarcia. Po tym, jak wskaźnik napięcia na RAMP staje się kilkakrotnie większy niż wielkość napięcia wyjściowego we wzmacniaczu błędu, na wyjściu można zaobserwować impulsy odpowiadające napięciu zamknięcia. Czas trwania impulsu można policzyć od momentu wystąpienia impulsu synchronizacji do momentu wielokrotnego przekroczenia wskaźnika napięcia na RAMP ponad wartość napięcia wyjściowego wzmacniacza błędu.

Sterowniki PWM w zasilaczach

Zasilanie jest integralnym elementem większości nowoczesnych urządzeń. Termin jego działania jest praktycznie nieograniczony, ale bezpieczeństwo działania kontrolowanego urządzenia zależy od jego użyteczności. Możesz zaprojektować zasilacz samodzielnie, po przestudiowaniu zasady jego działania. Głównym celem - tworzenie pożądanej wartości napięcia zasilania, zapewniające jego stabilność. Dla najbardziej wydajnych urządzeń izolujących galwanicznie opartych na działaniu transformatora, to nie wystarczy, a wybrany element wyraźnie zaskoczy użytkowników swoimi wymiarami.

Zwiększenie częstotliwości prądu zasilającego może znacznie zmniejszyć rozmiar używanych komponentów, co zapewnia popularność zasilaczy działających na przetwornice częstotliwości. Jedną z najprostszych opcji implementacji elementów zasilających jest schemat blokowy składający się z przetworników bezpośrednich i zwrotnych, generatora i transformatora. Pomimo pozornej prostoty wdrażania takich systemów, w praktyce wykazują one więcej niedociągnięć niż korzyści. Większość uzyskanych wskaźników zmienia się szybko pod wpływem skoków napięcia zasilającego, kiedy moc wyjściowa konwertera jest obciążona, a nawet wraz ze wzrostem temperatury otoczenia. Sterowniki PWM dla zasilaczy zapewniają możliwość stabilizacji obwodu, a także realizują wiele dodatkowych funkcji.

Komponenty obwodów zasilających ze sterownikami PWM

Typowy obwód składa się z generatora impulsów, który jest oparty na sterowniku PWM. Modulacja szerokości impulsu umożliwia osobistą kontrolę amplitudy sygnału na wyjściu filtra dolnoprzepustowego, w razie potrzeby zmianę szerokości impulsu lub jego cyklu pracy. Mocną stroną PWM jest wysoka sprawność wzmacniaczy mocy, zwłaszcza dźwięku, co generalnie zapewnia urządzenia o dość szerokim zakresie zastosowań.

Sterowniki PWM dla zasilaczy mogą być stosowane w obwodach o różnych pojemnościach. W celu wdrożenia systemów o relatywnie niskiej mocy nie jest konieczne uwzględnianie dużej liczby elementów w ich składzie - zwykle tranzystor polowy.

Sterowniki PWM dla źródeł o dużej mocy mogą również posiadać wyjściowe elementy sterujące (sterowniki). Tranzystory IGBT są zalecane jako klucze wyjściowe.

Główne problemy konwerterów PWM

Gdy dowolne urządzenie działa, nie można całkowicie wyeliminować możliwości złamania, dotyczy to również konwerterów. Złożoność projektu nie ma znaczenia, nawet dobrze znany sterownik PWM TL494 może powodować problemy w działaniu. Błędy mają inny charakter - niektóre z nich można zidentyfikować wzrokowo, a do wykrycia innych wymagany jest specjalny sprzęt pomiarowy.

Aby dowiedzieć się, jak sprawdzić kontroler PWM, powinieneś zapoznać się z listą poważnych usterek urządzenia, a dopiero później z opcjami ich eliminacji.

Diagnostyka usterek

Jednym z najczęstszych problemów jest rozkład kluczowych tranzystorów. Wyniki można zobaczyć nie tylko podczas próby uruchomienia urządzenia, ale także podczas badania go za pomocą multimetru.

Ponadto istnieją inne błędy, które są nieco trudniejsze do wykrycia. Przed bezpośrednim sprawdzeniem kontrolera PWM można rozważyć najczęstsze przypadki awarii. Na przykład:

• Sterownik zatrzymuje się po starcie - pętla OS jest zepsuta, obecny różnicowy, problemy z kondensatorem na wyjściu filtra (jeśli występuje), sterownik; być może kontrola nad kontrolerem PWM poszła źle. Konieczne jest sprawdzenie urządzenia pod kątem wiórów i odkształceń, zmierzenie wskaźników obciążenia i porównanie ich z typowymi.
• Sterownik PWM nie uruchamia się - brakuje jednego z napięć wejściowych lub urządzenie jest wadliwe. Kontrola i pomiar napięcia wyjściowego może w ostateczności zastąpić celowo działającym analogiem.
• Napięcie wyjściowe różni się od nominalnego - problemy z pętlą OOS lub ze sterownikiem.
• Po uruchomieniu PWM na zasilaczu idzie do ochrony w przypadku braku zwarcia na klawiszach - nieprawidłowe działanie PWM lub kierowców.
• Niestabilna praca płyty, obecność dziwnych dźwięków - włamują się do pętli OOS lub łańcucha RC, degradacja pojemności filtra.

Podsumowując

Uniwersalne i wielofunkcyjne sterowniki PWM można teraz znaleźć niemal wszędzie. Służą one nie tylko jako integralna część zasilaczy najnowocześniejszych urządzeń - typowych komputerów i innych urządzeń codziennego użytku. Na bazie sterowników opracowywane są nowe technologie, które umożliwiają znaczne ograniczenie zużycia zasobów w wielu gałęziach ludzkiej działalności. Właściciele prywatnych domów będą korzystać z fotowoltaicznych kontrolerów ładowania baterii, opartych na zasadzie modulacji szerokości impulsu prądu ładowania.

Wysoka sprawność sprawia, że ​​rozwój nowych urządzeń, których działanie opiera się na zasadzie PWM, jest bardzo obiecujący. Wtórne źródła energii nie są jedyną czynnością.