Toyota mmt ir2171s интегральная схема контроля тока
Обновлено: 06.07.2024
Модернизация схем светодиодных ламп
Для начала - статьи по светодиодным прожекторам на Канале СамЭлектрик.ру:
4 простых доработки светодиодных ламп
Речь пойдёт про современные светодиодные лампочки, которые теперь стали более доступны. Идеи доработки LED ламп, изложенные в статье, пригодятся заядлым самодельщикам. В начале рассмотрим конструкцию, позже доработки.
Современная конструкция ламп получилась в результате эволюции проб конструкторов сделать лампочку доступной и максимально эффективной и сейчас эта конструкция наиболее часто встречается.
Сравнение принципов построения схем светодиодных ламп
Чаще всего встречается неизолированный драйвер, его схему делают на импульсном понижающем преобразователе.
Применение такого драйвера в светодиодной лампочке имеет ряд преимуществ, по сравнению с другими схемами:
- хорошая стабильность выходного тока в широком диапазоне питающего напряжения, полное отсутствие пульсаций, по сравнению со схемой на конденсаторном балласте.
- более высокий КПД по сравнению с изолированным и с линейным драйвером. Выходное напряжение такого драйвера гораздо выше, чем у изолированных драйверов. Для получения заданной мощности, применяются светодиоды с несколькими кристаллами в одном корпусе, что позволяет поднять напряжение и снизить ток в цепи, КПД повышается за счет снижения потерь в цепи питания.
- меньшие размеры и стоимость по сравнению с изолированным драйвером, так как дроссель получается меньше, чем трансформатор для такой же мощности. Из за особенности схемы, дросселю не нужно переваривать всю мощность, в отличии от трансформатора в изолированном драйвере, меньше нужно материала, для его изготовления.
Сравнение внешнего вида драйверов светодиодных ламп
Будьте осторожны при работе с такими драйверами, чтобы не получить удар током!
Фото платы изолированного драйвера с обратной стороны:
Разбираем светодиодную лампочку
Корпус ламп делают из композитного материала, который служит теплоотводом для светодиодов. Разбираются лампочки разных производителей довольно просто. Рассеиватель держится по периметру на защелках и силиконе. Поддеваем ножом и подрезаем герметик по кругу, колпак рассеивателя снимается с некоторым усилием.
Разборка светодиодной лампы
Плата с диодами может быть запрессована или прикручена винтами, контакты могут быть припаяны или съемными. С прикрученной платой всё просто, а вот с запрессованной придётся повозится. Мне обычно удается подковырнуть плату плоской отвёрткой, но каждый раз, у разных производителей это не всегда удаётся совсем без повреждений корпуса, иногда откалывается кусок пластика, который затем можно приклеить обратно, если есть необходимость.
После снятия платы со светодиодами не нужно сразу пытаться извлечь драйвер, это не получится. Будут мешать провода, идущие от цоколя лампы.
Драйвер внутри светодиодной лампы
На заводе сборка происходила в другом порядке, чем мы пытаемся разобрать. Необходимо поддеть и вытащить центральный контакт цоколя лампы, так один вывод освободится, а второй можно отпаять или отрезать от самой платы, а потом при сборке его придётся удлинить.
Смотрим, как устроена LED лампочка
Теперь можно рассмотреть все детали лампы и из чего она устроена. Разработчики ламп заложили определенные характеристики в конструкцию лампы, а именно ток через светодиоды, который обусловлен несколькими требованиям, такими как температурный режим, яркость и мощность потребления, срок службы лампочки и соотношение цены и всех этих характеристик.
Теорию мирового заговора производителей, по которой производители заинтересованы делать не надёжные вещи, мы рассматривать не будем, моё мнение что это миф, всё диктует маркетинг и потребители, а производители делают то что у них заказывают, то что хорошо продаётся, значит всегда ищут середину между надежностью и ценой. В наших реалиях обычно более дешёвые товары выигрывает по продажам, в итоге имеем то что имеем.
Выход из строя лампочки в большинстве случаев происходит из-за обрыва в цепи светодиодов.
Неисправная лампа – на сгоревшем светодиоде, который обрывает цепь, можно видеть черную точку.
При эксплуатации, после включения лампочки, происходит нагрев кристаллов светодиодов и термическое расширение. Токопроводящие выводы от кристаллов делают в виде тонких нитей из золота, так как золото очень пластичный металл и хорошо переносит деформации не разрушаясь. Коэффициент расширения у кристаллов и остальных материалов конструкции светодиода не одинаков, со временем от включений и выключений лампочки, термическая деформация разрушает вывод кристалла светодиода или место его крепления, цепь разрывается и лампа выходит из строя.
А что там свежего в группе ВК СамЭлектрик.ру ?
Подписывайся, и читай статью дальше:
К слову, для меньшего воздействия температуры на линейные размеры, хорошее решение делать светодиоды с несколькими более мелкими кристаллами, чем с одним большим такой же общей площади, и за одно это позволяет поднять напряжение питания светодиода при последовательном включении кристаллов внутри одного корпуса светодиода.
Светодиод для лампы с тремя кристаллами, работающими в облегченном режиме
Доработка лампы для увеличения срока службы
Первая доработка заключается в снижении тока через светодиоды, что позволяет значительно продлить срок службы лампы, яркость свечения при этом неизбежно снижается. Снижение яркости при снижении тока через светодиоды происходит не линейно, с некоторым отставанием, так что снижением тока достигается дополнительное повышение КПД светодиода, что в свою очередь еще больше снижает температуру кристаллов, такой доработкой убиваем двух зайцев.
Для наглядности КПД светодиода и потерь в виде тепла, дан график зависимости тока через светодиод и яркости свечения, где показана нелинейная зависимость.
Зависимость яркости светодиода от прямого тока с учетом тепловых потерь
Обычно это легко сделать без схем и даташитов на микросхему драйвера. Нужно найти на плате резистор или пару резисторов включенную в параллель с сопротивлением в несколько Ом – это датчик тока который нас интересует. Такой резистор – датчик тока, есть абсолютно во всех схемах драйверов, как в импульсных, так и в линейных, и везде сопротивление датчика единицы Ом.
Первая переделка схемы драйвера LED лампы
Резистор нужно заменить на резистор бОльшего сопротивления или отпаять один из двух резисторов. Ток через светодиоды снижается пропорционально увеличению сопротивления резистора датчика тока.
Доработка схемы – показан резистор обратной связи
Даже незначительное снижение тока через светодиоды и мощности лампы существенно продлевает срок службы, так как температура самого кристалла светодиода снижается гораздо в большей степени, чем температура наружного корпуса лампы из за теплового сопротивления переходов кристалл-подложка-припой-проводник платы и т.д., и уменьшается тепловое расширение разрушающее место крепления проводника к кристаллу.
Возьмем случай для наглядности как тепло передается от кристалла в окружающую среду: допустим линия электропередач где нибудь либо очень длинная, либо сечение проводов маленькое, при включении приборов разной мощности происходит заметная “просадка” напряжения , чем выше мощность потребителя, тем больше просадка напряжения (потери).
Так и с теплом у светодиодов, при одном и том же тепловом сопротивлении, при меньшей мощности на кристалле, тепло лучше передаётся на корпус и в окружающий воздух (меньше “просадка”).
Более дорогие лампы отличаются большим количеством светодиодов на меньшем токе и заниженной мощности, чем у более дешёвых ламп, светоотдача люмен/вт у них больше и режим светодиодов более щадящий. На фото ниже лампочка с заявленной светоотдачей около 108 Лм/вт, тогда как обычно это не более 100 лм/вт.
Светодиодная лампочка с большей светоотдачей
Я обычно занижаю мощность на 20-30%, но делаю это на новой лампе, пока золотые проводники еще крепкие.
Та же лампа, со вскрытой колбой
Делал занижение мощности когда проводил ремонт светодиодной лампы, но тут для надёжного результата нужно снижать ток через светодиоды как минимум на 50%, так как все светодиоды из одной партии и работали в одинаковых условиях, раз один сгорел, то остальные будут один за одним все потихоньку выходить из строя, лампа долго после ремонта не проработает без занижения мощности, если конечно не заменить сразу все диоды на новые, но это не всегда приемлемо.
Плавное увеличение яркости при включении
Вторая доработка позволяет включать лампу плавно, например для применения в спальне.
Для этого нужно включить позистор (терморезистор с положительной температурной зависимостью, или термистор PTC) параллельно всем или большей части светодиодов.
Доработка светодиодной лампы для плавного включения яркости
Работает схема просто: Пока позистор холодный, его сопротивление минимально и ток течет через часть светодиодов и позистор и постепенно разогревает его. По мере прогрева, сопротивление плавно нарастает и плавно включает в цепь остальные светодиоды – яркость плавно нарастает.
Доработка светодиодной лампы позистором
Доработка светодиодной лампы термистором для плавного розжига
Позистор нужен с холодным сопротивлением 330-470 Ом, его маркировка wmz11a, такие есть в продаже или их можно добыть из энергосберегающей лампы мощностью 32 вт, в менее мощных КЛЛ, позистор с холодным сопротивлением 1 кОм и более, что не очень подходит для нашей доработки, разве что взять их несколько штук и соединить параллельно, но я этот способ не пробовал.
Позистор (терморезистор), который входит в схему КЛЛ
Я так доработал 3 лампы в люстре на потолке, мощностью 7Вт (а было 9 вт изначально, мощность занижена для долговечности), и одну лампочку 3Вт в бра. Плавное включение до 100% происходит примерно за 30 сек.
Плавное включение LED лампочки – доработка схемы
Ночник с пониженной яркостью на светодиодной лампочке
Третья доработка заключается в том, чтобы сделать дополнительную функцию – ночник. У меня такая лампа установлена в темном коридоре и это удобно, ночью света достаточно чтобы пройти.
Ночник на переделанной LED лампе
Тут нужно доработать драйвер, убрать резистор который есть на плате драйвера, он нужен в схеме для разрядки выходного фильтрующего конденсатора и допаять резистор 150 кОм мощностью 1 Вт параллельно выводам микросхемы.
Схема доработки светодиодной лампочки для работы в режиме ночника
Еще нужно установить в выключатель резистор 68 кОм и мощностью 1 Вт параллельно контактам выключателя, но стоит помнить, что теперь патрон лампочки будет находиться под напряжением.
Резистор на контактах выключателя для переделки схемы LED лампочки
Работает схема так : Образуется делитель напряжения, один из резисторов делителя в выключателе, а второй в лампе. Питание приходит на лампу но с меньшим напряжением благодаря делителю. Для запуска драйвера напряжения недостаточно, ток идет по цепи через резисторы делителя и светодиоды, лампа светится с малой яркостью, которая будет зависеть от сопротивления резисторов.
В некоторых драйверах (не во всех, стоит попробовать в начале без подстроечника) придется поставить подстроечный резистор 100 кОм параллельно керамическому конденсатору фильтра питания микросхемы, чтобы настроить напряжение питания и избежать эффекта мигания лампы в режиме ночника, когда микросхема драйвера пытается стартовать.
Резистор подстроечный для переделки схемы LED лампочки
Подстроечным резистором нужно добиться, чтобы микросхема не стартовала в режиме ночника, а в штатном режиме работала как положено. Мощность потребления ночника с приведенными номиналами резисторов 0,42 вт. Когда выключатель включен, лампа работает как обычно, но мощность лампы становиться выше, чем была раньше, ровно на ту мощность, которая будет рассеиваться на резисторе, припаянном на выводы микросхемы драйвера.
Схема светодиодной лампы с датчиком освещенности
Четвертая доработка тоже расширяет функционал как и третья . Я сделал светильник с использованием драйвера от лампочки и функцией полноценного сумеречного датчика. Понадобилось кроме драйвера дополнительно всего две детали!
Схема Светодиодной лампочки с встроенным датчиком освещенности
Схема сумеречного датчика (фотореле) получается энергоэффективной, компактной и дешевой. Потребление в режиме ожидания 0.06 вт.
Схема работает так: фоторезистор включен в схему драйвера параллельно питанию микросхемы, при увеличении освещенности его сопротивление уменьшается и шунтирует питание микросхемы драйвера, позволяя выключать свет, или включать светильник по мере наступления темноты и снижения освещенности. Ток который потребляет микросхема всего 1 мА, это позволяет обойтись без усилителей сигнала. Сопротивления фоторезистора и его мощности рассеивания вполне достаточно для стабильной работы схемы. Одна ножка фоторезистора присоединена к выводу питания микросхемы, которое составляет 17 В, а вторая через подстроечный резистор к выводу с датчика тока.
При подаче питания на микросхему, начинает протекать ток через датчик тока, возникает падение напряжения на датчике тока, возникает положительная обратная связь и обеспечивается гистерезис, повышая стабильность работы. Фильтрующий конденсатор микросхемы драйвера обеспечивает защиту от внешних помех и нежелательных срабатываний при быстрой смене освещенности, например от движущихся теней.
Настройка работы сводится к установке движка подстроечного резистора для желаемой чувствительности срабатывания. Таким способом легко дорабатываются не изолированные драйвера разных производителей на микросхемах с одинаковыми схемами подключения. Было проверено работу схемы на драйверах BP2831, BP2832, BP2833, sic9553, BP9833D, BP2836, и еще с одной микросхемой с неопознанной маркировкой. Аналогичная микросхема CL1501.
Было доработано таким сумеречным датчиком 2 светильника, один теперь работает на входе в подъезд дома, его мощность 8 вт, а второй светильник изготовлен с нуля, корпус из банки от косметического крема, его мощность сделал 5 вт, а светодиод использовал 10 вт (китайских 10 Вт :)). Светильник установлен и работает на лестничной клетке. Важно фоторезистор спрятать от света самого светильника. Я расположил его на корпусе светильника и заделал чёрной термоусадочной трубкой, оставив небольшие бортики, чтобы получился колодец для света, иначе светильник будет мигать при попадании на датчик света от светодиодов. Глубины гистерезиса хватает, чтобы отраженный свет от стен не вызывал эффекта мигания.
Диагностика микросхемы управления инвертором ИБП IR2101
В этом материале пойдет речь о центральном звене схемотехники источников бесперебойного питания (ИБП) - контроллере инвертора, в частности, автор описывает диагностику довольно распространенной микросхемы IR2101 фирмы International Rectifier.
Одним из важнейших элементов любого ИБП является инвертор, который позволяет преобразовывать напряжение постоянного тока аккумулятора в выходное напряжение переменного тока ИБП. Инвертор представляет собой несколько транзисторов (их количество определяется мощностью инвертора), переключающихся в определенной последовательности. Алгоритм переключения транзисторов инвертора и определяет форму выходного напряжения ИБП. А поэтому, схема управления инвертором, без преувеличения является центральным звеном всей схемотехники источника бесперебойного питания.
Эквивалентная схема инвертора ИБП представлена на рис. 1. Со вторичной (повышающей) обмотки силового трансформатора Т1 снимается переменное напряжение величиной 220. 230 В. Источником тока в первичной обмотке является аккумулятор ИБП. Для создания переменного тока в обмотке Т1 используются транзисторные ключи, которые коммутируются по определенному алгоритму, задаваемому микропроцессором или схемой ШИМ контроллера.
Рис. 1. Эквивалентная схема инвертора ИБП
Для создания первой полуволны переменного тока открываются, например, транзисторы Q1 и Q4, при этом через первичную обмотку силового трансформатора Т1 течет ток, направление которого показано на рис. 2. Для создания второй полуволны открываются транзисторы Q2 и Q3, при этом через Т1 течет ток в противоположном направлении (рис. 3). Вот так, поочередно коммутируя транзисторы Q1, Q2, Q3 и Q4, создается переменный выходной ток ИБП. В представленной схеме можно выделить "верхние" ключи (Q1, Q2) и "нижние" ключи (Q3, Q4). Через верхние ключи к обмотке трансформатора прикладывается питающее напряжение от аккумулятора, а через нижние ключи обмотка подключается на общий провод.
Рис. 2. Фаза 1 - открыты транзисторы Q1, Q4
Рис. 3. Фаза 2 - открыты транзисторы Q2, Q3
В реальных схемах ИБП каждый из ключей Q1, Q2, Q3 и Q4 может выполняться в виде целого ряда параллельно включенных транзисторов, имеющих общее управление (рис. 4). Мощные ключевые транзисторы инвертора в подавляющем своем большинстве являются транзисторами типа MOSFET или IGBT. Управление транзисторами этого типа требует некоторых особенностей, в том числе - для обеспечения ключевого режима транзисторов необходимо использование двухтактного комплементарного каскада для формирования импульсов на затворе (рис. 5).
Рис. 4. Параллельное включение транзисторов инвертора
Рис. 5. Двухтактные комплементарные выходные каскады управляющей схемы для управления MOSFET-транзисторами
Для упрощения схемы, снижения стоимости и повышения технологичности производства печатного монтажа, в современных ИБП применяются микросхемы, обеспечивающие формирование управляющих сигналов инвертора. Эти микросхемы часто называют драйверами транзисторов инвертора. Одним из примеров микросхем драйверов может служить IR2101, в частности, она используется в источнике бесперебойного питания APC "BackUPS BF500GR/BF350GR".
Описание микросхемы IR2101
Микросхема IR2101 представляет собой формирователь сигналов для управления высоковольтными транзисторами MOSFET и IGBT, коммутирующими напряжение до 600 В. Микросхема обеспечивает независимое управление транзисторами "верхних" и "нижних" ключей, позволяя переключать их с очень высокой скоростью. Микросхема управляется сигналами логических уровней CMOS и LSTTL. Выходные каскады микросхемы являются сильноточными, позволяя тем самым увеличить скорость переключения транзисторов MOSFET и IGBT. Микросхема производится в двух типах корпусов (рис. 6): DIP-8 (IR2101) и SO-8 (IR2101S).Типовой вариант включения микросхемы представлен на рис. 7.
Рис. 6. Типы корпусов микросхемы
Рис. 7. Типовой вариант включения микросхемы IR2101
Выходом HO управляется "верхний" ключ, а выходом LO - "нижний" ключ. Длительность и соотношение импульсов на выходах HO и LO определяется сигналами на входах микросхемы - HIN и LIN.
Основные характеристики выходных импульсов IR2101 представлены в табл. 1.
Что такое шим контроллер, как он устроен и работает, виды и схемы
Раньше для питания устройств использовали схему с понижающим (или повышающим, или многообмоточным) трансформатором, диодным мостом, фильтром для сглаживания пульсаций. Для стабилизации использовались линейные схемы на параметрических или интегральных стабилизаторах. Главным недостатком был низкий КПД и большой вес и габариты мощных блоков питания.
Во всех современных бытовых электроприборах используются импульсные блоки питания (ИБП, ИИП – одно и то же). В большинстве таких блоков питания в качестве основного управляющего элемента используют ШИМ-контроллер. В этой статье мы рассмотрим его устройство и назначение.
Содержание статьи
Определение и основные преимущества
ШИМ-контроллер – это устройство, которое содержит в себе ряд схемотехнических решений для управления силовыми ключами. При этом управление происходит на основании информации полученной по цепям обратной связи по току или напряжению – это нужно для стабилизации выходных параметров.
Иногда, ШИМ-контроллерами называются генераторы ШИМ-импульсов, но в них нет возможности подключить цепи обратной связи, и они подходят скорее для регуляторов напряжения, чем для обеспечения стабильного питания приборов. Однако в литературе и интернет-порталах часто можно встретить названия типа «ШИМ-контроллер, на NE555» или «… на ардуино» - это не совсем верно по вышеуказанным причинам, они могут использоваться только для регулирования выходных параметров, но не для их стабилизации.
Аббревиатура «ШИМ» расшифровывается, как широтно-импульсная модуляция – это один из методов модуляции сигнала не за счёт величины выходного напряжения, а именно за счёт изменения ширины импульсов. В результате формируется моделируемый сигнал за счёт интегрирования импульсов с помощью C- или LC-цепей, другими словами – за счёт сглаживания.
Вывод: ШИМ-контроллер – устройство, которое управляет ШИМ-сигналом.
Основные характеристики
Для ШИМ-сигнала можно выделить две основных характеристики:
1. Частота импульсов – от этого зависит рабочая частота преобразователя. Типовыми являются частоты выше 20 кГц, фактически 40-100 кГц.
2. Коэффициент заполнения и скважность. Это две смежных величины характеризующие одно и то же. Коэффициент заполнения может обозначаться буквой S, а скважность D.
где T – это период сигнала,
Коэффициент заполнения – часть времени от периода, когда на выходе контроллера формируется управляющий сигнал, всегда меньше 1. Скважность всегда больше 1. При частоте 100 кГц период сигнала равен 10 мкс, а ключ открыт в течении 2.5 мкс, то коэффициент заполнения – 0.25, в процентах – 25%, а скважность равна 4.
Также важно учитывать внутреннюю конструкцию и предназначение по количеству управляемых ключей.
Отличия от линейных схем потери
Как уже было сказано, преимуществом перед линейными схемами у импульсных источников питания является высокий КПД (больше 80, а в настоящее время и 90%). Это обусловлено следующим:
Допустим сглаженное напряжение после диодного моста равно 15В, ток нагрузки 1А. Вам нужно получить стабилизированное питание напряжением 12В. Фактически линейный стабилизатор представляет собой сопротивление, которое изменяет свою величину в зависимости от величины входного напряжения для получения номинального выходного – с небольшими отклонениями (доли вольт) при изменениях входного (единицы и десятки вольт).
На резисторах, как известно, при протекании через них электрического тока выделяется тепловая энергия. На линейных стабилизаторах происходит такой же процесс. Выделенная мощность будет равна:
Так как в рассмотренном примере ток нагрузки 1А, входное напряжение 15В, а выходное – 12В, то рассчитаем потери и КПД линейного стабилизатора (КРЕНка или типа L7812):
Pпотерь=(15В-12В)*1А = 3В*1А = 3Вт
Тогда КПД равен:
Если же входное напряжение вырастит до 20В, например, то КПД снизится:
Основной особенностью ШИМ является то, что силовой элемент, пусть это будет MOSFET, либо открыт полностью, либо полностью закрыт и ток через него не протекает. Поэтому потери КПД обусловлены только потерями проводимости
И потерями переключения. Это тема для отдельной статьи, поэтому не будем останавливаться на этом вопросе. Также потери блока питания возникают в выпрямительных диодах (входных и выходных, если блок питания сетевой), а также на проводниках, пассивных элементах фильтра и прочем.
Общая структура
Рассмотрим общую структуру абстрактного ШИМ-контроллер. Я употребил слово "абстрактного" потому что, в общем, все они похожи, но их функционал все же может отличаться в определенных пределах, соответственно будет отличаться структура и выводы.
Внутри ШИМ-контроллера, как и в любой другой ИМС находится полупроводниковый кристалл, на котором расположена сложная схема. В состав контроллера входят следующие функциональные узлы:
1. Генератор импульсов.
2. Источник опорного напряжения. (ИОН)
3. Цепи для обработки сигнала обратной связи (ОС): усилитель ошибки, компаратор.
4. Генератор импульсов управляет встроенными транзисторами, которые предназначены для управления силовым ключом или ключами.
Количество силовых ключей, которыми может управлять ШИМ-контроллер, зависит от его предназначения. Простейшие обратноходовые преобразователи в своей схеме содержат 1 силовой ключ, полумостовые схемы (push-pull) - 2 ключа, мостовые - 4.
От типа ключа также зависит выбор ШИМ-контроллера. Для управления биполярным транзистором основным требованием является, чтобы выходной ток управления ШИМ-контроллера не был ниже, чем ток транзистора деленный на H21э, чтобы его включать и отключать достаточно просто подавать импульсы на базу. В этом случае подойдет большинство контроллеров.
В случае управления ключами с изолированным затвором (MOSFET, IGBT) есть определенные нюансы. Для быстрого отключения нужно разрядить емкость затвора. Для этого выходную цепь затвора выполняют из двух ключей - один из них соединен с источником питания с выводом ИМС и управляет затвором (включает транзистор), а второй установлен между выходом и землей, когда нужно отключить силовой транзистор - первый ключ закрывается, второй открывается, замыкая затвор на землю и разряжает его.
В некоторых ШИМ-контроллрах для маломощных блоков питания (до 50 Вт) силовые ключи встроенные и внешние не используются. Пример - 5l0830R
Если говорить обобщенно, то ШИМ-контроллер можно представить в виде компаратора, на один вход которого подан сигнал с цепи обратной связи (ОС), а на второй вход пилообразный изменяющийся сигнал. Когда пилообразный сигнал достигает и превышает по величине сигнал ОС, то на выходе компаратора возникает импульс.
При изменениях сигналов на входах ширина импульсов меняется. Допустим, что вы подключили мощный потребитель к блоку питания, и на его выходе напряжение просело, тогда напряжение ОС также упадет. Тогда в большей части периода будет наблюдаться превышение пилообразного сигнала над сигналом ОС, и ширина импульсов увеличится. Всё вышесказанное в определенной мере отражено на графиках.
Рабочая частота генератора устанавливается с помощью частотозадающей RC-цепи.
Функциональная схема ШИМ-контроллера на примере TL494, мы рассмотрим его позже подробнее. Назначение выводов и отдельных узлов описано в следующем подзаголовке.
Назначение выводов
ШИМ-контроллеры выпускаются в различных корпусах. Выводов у них может быть от трех до 16 и более. Соответственно от количества выводов, а вернее их назначения зависит гибкость использования контроллера. Например, в популярной микросхеме UC3843 - чаще всего 8 выводов, а в еще более культовой - TL494 - 16 или 24.
Поэтому рассмотрим типовые названия выводов и их назначение:
GND – общий вывод соединяется с минусом схемы или с землей.
Uc (Vc) – питание микросхемы.
Ucc (Vss, Vcc) – Вывод для контроля питания. Если питание проседает, то возникает вероятность того, что силовые ключи не будут полностью открываться, а из-за этого начнут греться и сгорят. Вывод нужен чтобы отключить контроллер в подобной ситуации.
OUT – как видно из название - это выход контроллера. Здесь выводятся управляющий ШИМ-сигнал для силовых ключей. Выше мы упомянули, что в преобразователях разных топологий имеют разное количество ключей. Название вывода может отличаться в зависимости от этого. Например, в контроллерах для полумостовых схем он может называться HO и LO для верхнего и нижнего ключа соответственно. При этом и выход может быть однотактный и двухтактный (с одним ключем и двумя) - для управления полевыми транзисторами (пояснение см. выше). Но и сам контроллер может быть для однотактной и двухтактной схемы - с одним и двумя выходными выводами соответственно. Это важно.
Vref – опорное напряжения, обычно соединяется с землей через небольшой конденсатор (единицы микрофарад).
ILIM – сигнал с датчика тока. Нужен для ограничения выходного тока. Соединяется с цепями обратной связи.
ILIMREF – на ней устанавливается напряжение срабатывания ножки ILIM
SS – формируется сигнал для мягкого старта контроллера. Предназначен для плавного выхода на номинальный режим. Между ней и общим проводом для обеспечения плавного пуска устанавливают конденсатор.
RtCt – выводы для подключения времязадающей RC-цепи, которая определяет частоту ШИМ-сигнала.
CLOCK – тактовые импульсы для синхронизации нескольких ШИМ-контроллеров между собой тогда RC-цепь подключается только к ведущему контроллеру, а RT ведомых с Vref, CT ведомых соединяюся с общим.
RAMP – это ввод сравнения. На него подают пилообразное напряжение, например с вывода Ct, Когда оно превышает значение напряжение на выходе усиления ошибки, то на OUT появляется отключающий импульс - основа для ШИМ-регулирования.
INV и NONINV – это инвертирующий и неинвертирующий входы компаратора, на котором построен усилитель ошибки. Простыми словами: чем больше напряжении на INV - тем длинее выходные импульсы и наоборот. К нему подключается сигнал с делителя напряжения в цепи обратной связи с выхода. Тогда неинвертирующий вход NONINV подключают к общему проводу - GND.
EAOUT или Error Amplifier Output рус. Выход усилителя ошибки. Не смотря на то, что есть входы усилителя ошибки и с их помощью, в принципе можно регулировать выходные параметры, но контроллер довольно медленно на это реагирует. В результате медленной реакции может возникнуть возбуждение схемы, и она выйдет из строя. Поэтому с этого вывода через частотозависимые цепи подают сигналы на INV. Это еще называется частотной коррекцией усилителя ошибки.
Примеры реальных устройств
Для закрепления информации давайте рассмотрим несколько примеров типовых ШИМ-контроллеров и их схем включения. Мы будем делать это на примере двух микросхем:
TL494 (её аналоги: KA7500B, КР1114ЕУ4, Sharp IR3M02, UA494, Fujitsu MB3759);
Они активно используются в блоках питания для компьютеров. Кстати, эти блоки питания обладают немалой мощностью (100 Вт и больше по 12В шине). Часто используются в качестве донора для переделки под лабораторный блок питания или универсальное мощное зарядное устройство, например для автомобильных аккумуляторов.
TL494 – обзор
Начнем с 494-й микросхемы. Её технические характеристики:
В этом конкретном примере можно видеть большинство описанных выше выводов:
1. Неинвертирующий вход первого компаратора ошибки
2. Инвертирующий вход первого компаратора ошибки
5. Вывод для подключения внешнего времязадающего конденсатора
6. Вывод для подключения времязадающего резистора
7. Общий вывод микросхемы, минус питания
8. Вывод коллектора первого выходного транзистора
9. Вывод эмиттера первого выходного транзистора
10. Вывод эмиттера второго выходного транзистора
11. Вывод коллектора второго выходного транзистора
14. Вывод встроенного источника опорного напряжения 5 вольт
15. Инвертирующий вход второго компаратора ошибки
16. Неинвертирующий вход второго компаратора ошибки
На рисунке ниже изображен пример компьютерного блока питания на этой микросхеме.
UC3843 - обзор
Другой популярной ШИМ является микросхема 3843 – на ней также строятся компьютерные и не только блоки питания. Её цоколевка расположена ниже, как вы можете наблюдать, у неё всего 8 выводов, но функции она выполняет те же, что и предыдущая ИМС.
Бывает UC3843 и в 14-ногом корпусе, но встречаются гораздо реже. Обратите внимание на маркировку – дополнительные выводы либо дублируются, либо незадействованы (NC).
Расшифруем назначением выводов:
3. Датчик тока. Подключается к резистору стоящему в между силовым транзистором и общим проводом. Нужен для защиты от перегрузок.
4. Времязадающая RC-цепь. С её помощью задаётся рабочая частота ИМС.
6. Выход. Управляющее напряжение. Подключается к затвору транзистора, здесь двухтактный выходной каскад для управления однотактным преобразователем (одним транзистором), что можно наблюдать на рисунке ниже.
7. Напряжение питания микросхемы.
8. Выход источника опорного напряжения (5В, 50 мА).
Её внутренняя структура.
Можно убедится, что во многом похожа и на другие ШИМ-контроллеры.
Простая схема сетевого источника питания на UC3842
ШИМ со встроенным силовым ключем
ШИМ-контроллеры со встроенным силовым ключем используются как в трансформаторных импульсных блоках питания, так и в бестрансформаторных DC-DC преобразователях понижающего (Buck), повышающего (Boost) и понижающее-повышающего (Buck-Boost) типов.
Пожалуй, одним из наиболее удачных примеров будет распространенная микросхема LM2596, на базе которого на рынке можно найти массу таких преобразователей, как изображен ниже.
Такая микросхема содержит в себе все вышеописанные технические решения, а также вместо выходного каскада на маломощных ключах в ней встроен силовой ключ, способный выдержать ток до 3А. Ниже изображена внутренняя структура такого преобразователя.
Можно убедиться, что в сущности особых отличий от рассмотренных в ней нет.
А вот пример трансформаторного блока питания для светодиодной ленты на подобном контроллере, как видите силового ключа нет, а только микросхема 5L0380R с четырьмя выводами. Отсюда следует, что в определенных задачах сложная схемотехника и гибкость TL494 просто не нужна. Это справедливо для маломощных блоков питания, где нет особых требований к шумам и помехам, а выходные пульсации можно погасить LC-фильтром. Это блок питания для светодиодных лент, ноутбуков, DVD-плееров и прочее.
Заключение
В начале статьи было сказано о том, что ШИМ-контроллер это устройство которое моделирует среднее значение напряжения за счет изменения ширина импульсов на основании сигнала с цепи обратной связи. Отмечу, что названия и классификация у каждого автора часто отличается, иногда ШИМ-контроллером называют простой ШИМ-регулятор напряжения, а описанное в этой статьей семейство электронных микросхем называют «Интегральная подсистема для импульсных стабилизированных преобразователей». От названия суть не меняется, но возникают споры и недопонимания.
Любите умные гаджеты и DIY? Станьте специалистом в сфере Internet of Things и создайте сеть умных гаджетов!
Записывайтесь в онлайн-университет от GeekBrains:
Изучить C, механизмы отладки и программирования микроконтроллеров;
Получить опыт работы с реальными проектами, в команде и самостоятельно;
Получить удостоверение и сертификат, подтверждающие полученные знания.
Starter box для первых экспериментов в подарок!
После прохождения курса в вашем портфолио будет: метостанция с функцией часов и встроенной игрой, распределенная сеть устройств, устройства регулирования температуры (ПИД-регулятор), устройство контроля влажности воздуха, система умного полива растений, устройство контроля протечки воды.
Вы получите диплом о профессиональной переподготовке и электронный сертификат, которые можно добавить в портфолио и показать работодателю.
Читайте также: