Что такое шим контроллер, как он устроен и работает, виды и схемы

Рaньшe с целью питaния устрoйств испoльзoвaли сxeму с пoнижaющим (али пoвышaющим, или мнoгooбмoтoчным) трaнсфoрмaтoрoм, диoдным мoстoм, фильтрoм интересах сглaживaния пульсaций. Интересах стaбилизaции испoльзoвaлись линeйныe сxeмы нa пaрaмeтричeскиx либо интeгрaльныx стaбилизaтoрax. Глaвным нeдoстaткoм был гнусный КПД и бoльшoй вeс и гaбaриты мoщныx блoкoв питaния.

Вo всex сoврeмeнныx бытoвыx элeктрoприбoрax испoльзуются импульсныe блoки питaния (ИБП, ИИП – oднo и тo жe). В бoльшинствe тaкиx блoкoв питaния в кaчeствe oснoвнoгo упрaвляющeгo элeмeнтa испoльзуют ШИМ-кoнтрoллeр. В этoй стaтьe да мы с тобой рaссмoтрим eгo устрoйствo и нaзнaчeниe.

Сoдeржaниe стaтьи

• Oпрeдeлeниe и oснoвныe прeимущeствa

• Oснoвныe xaрaктeристики

• Oбщaя структурa

• Нaзнaчeниe вывoдoв

• Примeры рeaльныx устрoйств

• TL494 — oбзoр

• UC3843 — oбзoр

• ШИМ сo встрoeнным силoвым ключeм

Oпрeдeлeниe и oснoвныe прeимущeствa

ШИМ-кoнтрoллeр – этo устрoйствo, кoтoрoe сoдeржит в сeбe шеренга сxeмoтexничeскиx рeшeний интересах упрaвлeния силoвыми ключaми. Рядом этoм упрaвлeниe прoисxoдит нa oснoвaнии инфoрмaции пoлучeннoй пo цeпям oбрaтнoй своя рука пo тoку или нaпряжeнию – этo нужнo к стaбилизaции выxoдныx пaрaмeтрoв.

Инoгдa, ШИМ-контроллерами называются генераторы ШИМ-импульсов, так в них нет потенциал подключить цепи обратной подписка, и они подходят живей для регуляторов напряжения, нежели для обеспечения стабильного питания приборов. При всем том в литературе и интернет-порталах ежесекундно можно встретить названия в виде «ШИМ-управляющее устройство, на NE555» alias «… держи ардуино» — сие не совсем судя по всему по вышеуказанным причинам, они могут прилагаться только для регулирования выходных параметров, же не для их стабилизации.

Пропуски «ШИМ» расшифровывается, подобно ((тому) как) широтно-импульсная модулирование – это Водан из методов модуляции сигнала приставки не- за счёт величины выходного напряжения, а не более и не менее за счёт изменения ширины импульсов. В результате формируется моделируемый звонок за счёт интегрирования импульсов с через C- или LC-цепей, другими словами – по (по грибы) счёт сглаживания.

Энтимема: ШИМ-контроллер – прибор, которое управляет ШИМ-сигналом.

Основные характеристики

Исполнение) ШИМ-сигнала не возбраняется выделить две основных характеристики:

1. Гармоника импульсов – ото этого зависит рабочая гармоника преобразователя. Типовыми являются частоты превыше 20 кГц, положительно 40-100 кГц.

2. Член заполнения и скважность. Сие две смежных величины характеризующие одно и так же. Коэффициент заполнения может становиться заметным буквой S, а скважность D.

S=1/T,

идеже T – это фаза сигнала,

T=1/f

D=T/1=1/S

Чванно:

Коэффициент заполнения – дробь времени от периода, в отдельных случаях на выходе контроллера формируется хозяйничающий сигнал, всегда не столь 1. Скважность до скончания веков больше 1. Быть частоте 100 кГц времена сигнала равен 10 мкс, а кнопка открыт в течении 2.5 мкс, в таком случае коэффициент заполнения – 0.25, в процентах – 25%, а скважистость равна 4.

Также животрепещуще учитывать внутреннюю конструкцию и миссия по количеству управляемых ключей.

Заслуги от линейных схем ущерб

Как уже было сказано, преимуществом пизда линейными схемами у импульсных источников питания является великий КПД (больше 80, а в сегодняшнее время и 90%). Сие обусловлено следующим:

Ну сглаженное напряжение позже диодного моста так же 15В, ток нагрузки 1А. Вас нужно получить стабилизированное каша напряжением 12В. Фактически погонный стабилизатор представляет из себя сопротивление, которое изменяет свою величину в зависимости с величины входного напряжения для того получения номинального выходного – с небольшими отклонениями (доли дорожка) при изменениях входного (считанные единицы и десятки вольт).

Для резисторах, как старо, при протекании путем них электрического тока выделяется тепловая сила. На линейных стабилизаторах происходит таковский же процесс. Выделенная объём производства будет равна:

Pпотерь=(Uвх-Uвых)*I

Что-то около как в рассмотренном примере гумно нагрузки 1А, входное взрывоопасность 15В, а выходное – 12В, ведь рассчитаем потери и Коэффициент полезного действия линейного стабилизатора (КРЕНка неужели типа L7812):

Pпотерь=(15В-12В)*1А = 3В*1А = 3Вт

В ту пору КПД равен:

n=Pполезная/Pпотр

n=((12В*1А)/(15В*1А))*100%=(12Вт/15Вт)*100%=80%

Даже если же входное взрывоопасность вырастит до 20В, вот хоть, то КПД снизится:

n=12/20*100=60%

И (на)столь(ко) далее.

Основной особенностью ШИМ является ведь, что силовой тип, пусть это пора и честь знать MOSFET, либо открыт целиком и полностью, либо полностью закрыт и электричество через него маловыгодный протекает. Поэтому ущерб КПД обусловлены только-тол потерями проводимости

(P=I2*Rdson)

И потерями переключения. Сие тема для отдельной статьи, следовательно не будем глушиться на этом вопросе. Опять же потери блока питания возникают в выпрямительных диодах (входных и выходных, на случай если блок питания сеточный), а также на проводниках, пассивных элементах фильтра и прочем.

Развратница структура

Рассмотрим общую структуру абстрактного ШИМ-датчик. Я употребил слово «абстрактного» ввиду этого что, в общем, однако они похожи, так их функционал тутти же может иметь отличительной особенностью в определенных пределах, по будет отличаться конфигурация и выводы.

Внутри ШИМ-контроллера, во вкусе и в любой другой ИМС находится полупроводниковый вискер, на котором расположена сложная компонент. В состав контроллера входят следующие функциональные узлы:

1. Альтернатор импульсов.

2. Источник опорного напряжения. (ИОН)

3. Узы для обработки сигнала обратной знакомства (ОС): усилитель ошибки, компаратор.

4. Альтернатор импульсов управляет встроенными транзисторами, которые предназначены исполнение) управления силовым ключом неужели ключами.

Количество силовых ключей, которыми может править ШИМ-контроллер, зависит ото его предназначения. Простейшие обратноходовые преобразователи в своей схеме содержат 1 насильственный ключ, полумостовые схемы (push-pull) — 2 ключа, мостовые — 4.

Ото типа ключа как и зависит выбор ШИМ-контроллера. Для того управления биполярным транзистором основным требованием является, дабы выходной ток управления ШИМ-контроллера приставки не- был ниже, нежели ток транзистора члененный на H21э, чтобы его дополнять и отключать достаточно простой подавать импульсы нате базу. В этом случае подойдет квалифицированная контроллеров.

В случае управления ключами с изолированным затвором (MOSFET, IGBT) упихивать определенные нюансы. Исполнение) быстрого отключения нужно разрядить укладистость затвора. Для сего выходную цепь затвора выполняют изо двух ключей — Вотан из них соединен с источником питания с выводом ИМС и управляет затвором (содержит транзистор), а второй установлен в среде выходом и землей, рано ли нужно отключить с позиции силы транзистор — первый контролька закрывается, второй открывается, замыкая шибер на землю и разряжает его.

Увлекательно:

В некоторых ШИМ-контроллрах к маломощных блоков питания (поперед 50 Вт) силовые Шлюзы встроенные и внешние приставки не- используются. Пример — 5l0830R

Даже если говорить обобщенно, в таком случае ШИМ-контроллер есть представить в виде компаратора, возьми один вход которого подан (условный) знак с цепи обратной блат (ОС), а на дальнейший вход пилообразный изменяющийся заря. Когда пилообразный шамад достигает и превышает сообразно величине сигнал ОС, так на выходе компаратора возникает побуждение.

При изменениях сигналов для входах ширина импульсов меняется. Допустимо, что вы подключили могутный потребитель к блоку питания, и получи его выходе стресс просело, тогда попытка ОС также упадет. Раз такие пироги в большей части периода перестань наблюдаться превышение пилообразного сигнала по-над сигналом ОС, и масштаб. Ant. длина импульсов увеличится. Весь век вышесказанное в определенной мере отражено держи графиках.

Рабочая гармоника генератора устанавливается с через частотозадающей RC-цепи.

Функциональная компонент ШИМ-контроллера в примере TL494, наш брат рассмотрим его вслед подробнее. Назначение выводов и отдельных узлов описано в следующем подзаголовке.

Функция выводов

ШИМ-контроллеры выпускаются в различных корпусах. Выводов у них может фигурировать от трех давно 16 и более. Надлежаще от количества выводов, а точнее их назначения зависит сговорчивость использования контроллера. А именно, в популярной микросхеме UC3843 — чаще общем 8 выводов, а в еще паче культовой — TL494 — 16 или 24.

Благодаря тому рассмотрим типовые названия выводов и их перевод:

• GND – общий дедукция соединяется с минусом схемы иначе говоря с землей.

• Uc (Vc) – кормежка микросхемы.

• Ucc (Vss, Vcc) – Просиллогизм для контроля питания. Иначе) будет то питание проседает, так возникает вероятность того, в чем дело? силовые ключи далеко не будут полностью выявляться, а из-за сего начнут греться и сгорят. Резюме нужен чтобы отключить управляющее устройство в подобной ситуации.

• OUT – на правах видно из подзаголовок — это выход контроллера. В этом месте выводятся управляющий ШИМ-отбой для силовых ключей. Раньше мы упомянули, почему в преобразователях разных топологий имеют вариа количество ключей. Термин вывода может различаться в зависимости от сего. Например, в контроллерах интересах полумостовых схем возлюбленный может называться HO и LO к верхнего и нижнего ключа соразмерно. При этом и горжа может быть однотактный и двутактный (с одним ключем и двумя) — интересах управления полевыми транзисторами (пример см. выше). Да и сам контроллер может присутствовать для однотактной и двухтактной схемы — с одним и двумя выходными выводами должно. Это важно.

• Vref – опорное напряжения, по большей части соединяется с землей чрез небольшой конденсатор (редко кто микрофарад).

• ILIM – клаксон с датчика тока. Нужен про ограничения выходного тока. Соединяется с цепями обратной блат.

• ILIMREF – сверху ней устанавливается нака срабатывания ножки ILIM

• SS – формируется звонок для мягкого старта контроллера. Предназначен ради плавного выхода возьми номинальный режим. Посредь ней и общим проводом на обеспечения плавного пуска устанавливают холодильник.

• RtCt – выводы ради подключения времязадающей RC-кандалы, которая определяет частоту ШИМ-сигнала.

• CLOCK – тактовые импульсы в (видах синхронизации нескольких ШИМ-контроллеров посереди собой тогда RC-ужа подключается только к ведущему контроллеру, а RT ведомых с Vref, CT ведомых соединяюся с общим.

• RAMP – сие ввод сравнения. Для него подают пилообразное стресс, например с вывода Ct, Когда-когда оно превышает серьезность напряжение на выходе усиления ошибки, так на OUT появляется отключающий побуждение — основа для ШИМ-регулирования.

• INV и NONINV – сие инвертирующий и неинвертирующий входы компаратора, нате котором построен твистрон ошибки. Простыми словами: нежели больше напряжении получи и распишись INV — тем длинее выходные импульсы и шиворот-навыворот. К нему подключается отмашка с делителя напряжения в узы обратной связи с выхода. О ту пору неинвертирующий вход NONINV подключают к общему проводу — GND.

• EAOUT либо — либо Error Amplifier Output прародитель. Выход усилителя ошибки. Невыгодный смотря на так, что есть входы усилителя ошибки и с их через, в принципе можно улаживать выходные параметры, хотя контроллер довольно не спеша на это реагирует. В результате медленной реакции может проглянуть возбуждение схемы, и симпатия выйдет из строя. (вследствие с этого вывода по вине частотозависимые цепи подают сигналы нате INV. Это еще называется частотной коррекцией усилителя ошибки.

Упражнения реальных устройств

Угоду кому) закрепления информации давайте рассмотрим вроде примеров типовых ШИМ-контроллеров и их схем включения. Да мы с тобой будем делать сие на примере двух микросхем:

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

• UC3843.

Они деятельно используются в блоках питания в целях компьютеров. Кстати, сии блоки питания обладают немалой мощностью (100 Вт и вяще по 12В шине). Неоднократно используются в качестве донора исполнение) переделки под лабораторский блок питания иначе говоря универсальное мощное зарядное организм, например для автомобильных аккумуляторов.

TL494 – изложение

Начнем с 494-й микросхемы. Её технические характеристики: 

Цоколевание TL494:

В этом конкретном примере позволительно видеть большинство описанных сверх выводов:

1. Неинвертирующий доступ первого компаратора ошибки

2. Инвертирующий доступ первого компаратора ошибки

3. Доступ обратной связи

4. Портал регулировки мертвого времени

5. Мнение для подключения внешнего времязадающего конденсатора

6. Последовательность для подключения времязадающего резистора

7. Всемирный вывод микросхемы, апатия питания

8. Вывод коллектора первого выходного транзистора

9. Слово эмиттера первого выходного транзистора

10. Рецепт эмиттера второго выходного транзистора

11. Совет коллектора второго выходного транзистора

12. Вступление подачи питающего напряжения

13. Ввод выбора однотактного то есть (т. е.) же двухтактного режима работы микросхемы

14. Отвод встроенного источника опорного напряжения 5 уклонение

15. Инвертирующий вход второго компаратора ошибки

16. Неинвертирующий въезд второго компаратора ошибки

Нате рисунке ниже изображен сравнение компьютерного блока питания держи этой микросхеме.

UC3843 — панорама

Другой популярной ШИМ является чип 3843 – сверху ней также строятся компьютерные и отнюдь не только блоки питания. Её цоколевание расположена ниже, чисто вы можете рассматривать, у неё всего 8 выводов, же функции она выполняет тетуся же, что и предыдущая ИМС.

Любопытно:

Бывает UC3843 и в 14-ногом корпусе, а встречаются гораздо реже. Обратите упирать) на что на маркировку – дополнительные выводы либо дублируются, либо незадействованы (NC).

Расшифруем назначением выводов:

1. Доступ компаратора (усилителя ошибки).

2. Доступ напряжения обратной крыша. Это напряжение сравнивается с опорным в глубине ИМС.

3. Датчик тока. Подключается к резистору стоящему в в лоне силовым транзистором и общим проводом. Нужен в (видах защиты от перегрузок.

4. Времязадающая RC-вериги. С её помощью задаётся рабочая гармоника ИМС.

5. Общий.

6. Лазейка. Управляющее напряжение. Подключается к затвору транзистора, в этом месте двухтактный выходной море для управления однотактным преобразователем (одним транзистором), фигли можно наблюдать для рисунке ниже.

7. Острота питания микросхемы.

8. Выпуск источника опорного напряжения (5В, 50 мА).

Её внутренняя антиклинорий. 

Можно убедится, сколько во многом похожа и получи и распишись другие ШИМ-контроллеры.

Простая установка сетевого источника питания получай UC3842

ШИМ со встроенным силовым ключем

ШИМ-контроллеры со встроенным силовым ключем используются ровно в трансформаторных импульсных блоках питания, манером) и в бестрансформаторных DC-DC преобразователях понижающего (Buck), повышающего (Boost) и понижающее-повышающего (Buck-Boost) типов.

Предоставь, одним из преимущественно удачных примеров довольно распространенная микросхема LM2596, держи базе которого нате рынке можно выкроить массу таких преобразователей, подобно ((тому) как) изображен ниже.

Такая чип содержит в себе любое вышеописанные технические решения, а как и вместо выходного каскада бери маломощных ключах в ней встроен с позиции силы ключ, способный вывезти на своих плечах ток до 3А. Вверху изображена внутренняя ид такого преобразователя.

Дозволительно убедиться, что в сущности особых отличий ото рассмотренных в ней ни слуху.

А вот пример трансформаторного блока питания для того светодиодной ленты возьми подобном контроллере, на правах видите силового ключа кто в отсутствии, а только микросхема 5L0380R с четырьмя выводами. Отселе следует, что в определенных задачах сложная схемотехника и недогматичность TL494 просто малограмотный нужна. Это непредубеждённо для маломощных блоков питания, идеже нет особых требований к шумам и помехам, а выходные пульсации позволительно погасить LC-фильтром. Сие блок питания для того светодиодных лент, ноутбуков, DVD-плееров и прочее.

Диагноз

В начале статьи было сказано о томик, что ШИМ-датчик это устройство которое моделирует среднее существенность напряжения за контокоррент изменения ширина импульсов бери основании сигнала с железы обратной связи. Отмечу, чисто названия и классификация у каждого автора сто отличается, иногда ШИМ-контроллером называют буржуазный ШИМ-регулятор напряжения, а описанное в этой статьей род электронных микросхем называют «Интегральная подсистема во (избежание импульсных стабилизированных преобразователей». Ото названия суть безграмотный меняется, но возникают споры и недопонимания.

Лексей Бартош

Любите умные гаджеты и DIY? Станьте специалистом в сфере Internet of Things и создайте проводка умных гаджетов!

Записывайтесь в онлайн-ситет от GeekBrains:

Психфак Интернет вещей

Ваша сестра сможете:

• Изучить C, машины отладки и программирования микроконтроллеров;

• Обрести опыт работы с реальными проектами, в команде и нетрад;

• Получить удостоверение и договор, подтверждающие полученные умственный багаж.

Starter box для первых экспериментов в приношение!

После прохождения курса в вашем портфолио бросьте: метостанция с функцией часов и встроенной игрой, распределенная частик устройств, устройства регулирования температуры (ПИД-балансир), устройство контроля влажности воздуха, метода умного полива растений, складка контроля протечки воды…

Ваша сестра получите диплом о профессиональной переподготовке и электронный договор, которые можно подкидать в портфолио и показать работодателю.

Подробнее после этого:
Интернет вещей и современные встраиваемые системы

Корень