Segnale di spessore in macchina. Modulazione di larghezza di impulso (PWM). Condivisione di moduli di acquisizione, confronto, PWM

Lavoro di laboratorio n. 4

Modulazione dell'ampiezza dell'impulso

Obiettivi:

1. Conoscere i metodi per ottenere segnali con modulazione di larghezza di impulso

2. Acquisire familiarità con i metodi per recuperare la tensione CC da segnali modulati in larghezza di impulso

3. Conoscere alcuni esempi di utilizzo dei segnali PWM

4. Acquisire familiarità con la modellazione del comportamento dei circuiti nel dominio della frequenza nell'ambiente B2 Spice Workshop

Un segnale periodico pulsato (Figura 1) ha una serie di caratteristiche:

Ampiezza dell'impulso;

Periodo (e la sua quantità inversa - frequenza);

Durata dell'impulso;

Fase (spostamento dell'impulso rispetto all'inizio del periodo).

La variazione di tutte queste caratteristiche può essere utilizzata nell'elaborazione dei segnali di misura, nonché per la trasmissione dei dati. Si parla di:

Modulazione di ampiezza, se l'ampiezza degli impulsi è proporzionale all'entità del segnale di ingresso;

Modulazione di frequenza, se la frequenza di ripetizione dell'impulso è proporzionale all'entità del segnale di ingresso;

Modulazione dell'ampiezza dell'impulso, se la durata dell'impulso è proporzionale all'entità del segnale di ingresso;

Modulazione di fase, se la fase degli impulsi è proporzionale all'ampiezza del segnale di ingresso.

Figura 1. Caratteristiche dei segnali periodici pulsati

1. Formazione di un segnale PWM

Il metodo di generazione del segnale con modulazione di larghezza di impulso (segnale PWM) si basa sulla stessa idea di un ADC di tipo sweep: un segnale costante convertito viene fornito all'ingresso positivo del dispositivo di confronto e un segnale che varia linearmente nel tempo viene fornito all'ingresso negativo (Figura 2). Il dispositivo di confronto produce un segnale di zero logico se il segnale della rampa di riferimento è maggiore del segnale convertito e viceversa.

È ovvio che il tempo trascorso dal momento in cui il segnale variabile linearmente passa per lo zero fino all'attivazione del dispositivo di confronto sarà direttamente proporzionale all'ampiezza del segnale convertito e inversamente proporzionale alla pendenza del segnale di riferimento.

Figura 2. Conversione di un segnale costante in un dominio del tempo

In pratica, come dispositivo di confronto viene utilizzato un comparatore di tensione, ai cui ingressi vengono forniti la tensione convertita e il segnale proveniente dall'uscita del generatore di impulsi triangolare o a dente di sega (Figura 3).

Figura 3. Conversione della tensione CC in segnale PWM

La modulazione di larghezza di impulso (intrinsecamente una conversione tensione-tempo) può essere utilizzata come passaggio intermedio nella transizione dalle quantità analogiche a quelle digitali. La durata di un intervallo di tempo può essere facilmente misurata contando il numero di impulsi di tensione di una frequenza di riferimento stabile che sono passati durante questo periodo. Ciò può essere fatto utilizzando un contatore, il cui ingresso di conteggio riceve impulsi di frequenza di riferimento e l'ingresso di abilitazione del conteggio riceve l'impulso misurato (Figura 4). In questo caso l'uscita del contatore produce immediatamente un codice digitale N, proporzionale alla tensione misurata.

Figura 4. Conversione di un intervallo di tempo in codice

Attualmente, il PWM viene utilizzato raramente per scopi di conversione da analogico a digitale. Questo è spiegato:

Bassa immunità ai disturbi del metodo di conversione tensione-tempo descritto (le interferenze a breve termine indotte sul segnale convertito o di riferimento possono distorcere notevolmente la durata dell'impulso);

Prestazioni relativamente basse;

La difficoltà di costruire un generatore di segnale di rampa di riferimento di alta qualità;

La presenza sul mercato di un'ampia selezione di chip ADC completi ed economici basati su principi diversi.

Tuttavia, il PWM può essere utilizzato laddove non vi sono requisiti di elevata precisione e, ad esempio, è necessario eseguire l'isolamento galvanico della sorgente del segnale e del ricevitore. In questo caso, sul lato della sorgente del segnale vengono installati un semplice generatore di tensione triangolare o a dente di sega e un comparatore. L'uscita del comparatore (segnale PWM) controlla il LED del fotoaccoppiatore e la parte ricevente del fotoaccoppiatore è accesa sul lato del ricevitore del segnale (Figura 5). Questo approccio viene spesso utilizzato per organizzare il feedback negli alimentatori a commutazione di rete.

Figura 5. Isolamento galvanico dei segnali analogici mediante PWM. I circuiti situati a sinistra e a destra del fotoaccoppiatore DA2 non sono collegati galvanicamente

La Figura 6 mostra uno schema per la generazione di un segnale PWM (file PWM001.ckt). La sorgente di tensione V1 è un generatore di tensione a dente di sega, la sorgente V3 è una sorgente di tensione continua convertita, la sorgente V2 alimenta il comparatore DA1 MAX907 (per la documentazione tecnica completa del MAX907, consultare il file MAX907-MAX909.pdf).

Figura 6. Driver del segnale PWM

Incarichi.

1. In quale intervallo di tensioni di ingresso V3 può funzionare questo circuito? Quali modifiche dovrebbero essere apportate al circuito affinché possa essere utilizzato per convertire tensioni nell'intervallo da –1 a +1 V?

2. Dimostrare che i generatori di tensione triangolare e a dente di sega possono essere utilizzati con uguale successo come quelli di riferimento. Quali differenze ci saranno nei segnali generati in due modi?

3. Dopo aver simulato il funzionamento del circuito nel dominio del tempo con diversi valori di V3, tracciare la dipendenza della durata degli impulsi di uscita (fattore di lavoro) dal valore della tensione CC in ingresso.

4. Simulare l'operazione nel caso in cui V3 sia la somma di una componente costante di 0,1 V e di un seno con un'ampiezza di 50 mV e una frequenza di 125 kHz. Spiega i tuoi risultati.

2. Ripristino del segnale originale dal segnale PWM

Come già accennato, un'applicazione della modulazione dell'ampiezza dell'impulso è la transizione dalla tensione alla durata dell'impulso per poi misurare digitalmente questa durata. Ma se il PWM viene utilizzato solo per trasmettere informazioni sul valore della tensione, diventa necessario ripristinare la tensione dal segnale PWM.

Il modo più semplice è applicare una tensione modulata in larghezza di impulso a un filtro passa-basso. Quando un segnale periodico con un periodo viene applicato all'ingresso di un filtro passa-basso, alla sua uscita sarà presente una componente costante di tale segnale:

(1)

Se è un segnale PWM con ampiezza e durata dell'impulso, allora:

(2)

Pertanto, è direttamente proporzionale al ciclo di lavoro (il rapporto tra la durata dell'impulso e il periodo). Tuttavia, poiché un vero filtro passa-basso trasmette parzialmente componenti ad alta frequenza del segnale PWM, all'uscita del filtro saranno presenti anche delle increspature (Figura 7).

Il filtro passa-basso più semplice è una catena RC (Figura 8, file PWM002.ckt). È caratterizzato da una costante di tempo e frequenza di taglio . Sembrerebbe che per migliorare la soppressione delle componenti HF di un segnale PWM sia sufficiente ridurre la frequenza di taglio di un tale filtro passa-basso, ovvero aumentare la costante di tempo. Tuttavia, questa soluzione fornisce solo una leggera riduzione del ripple, per la quale si deve pagare un aumento significativo dei processi transitori quando cambia il ciclo di lavoro del segnale. (Per un filtro passa basso del 1° ordine, la risposta al transitorio raggiunge il 95% del valore finale in un tempo pari a circa , 99% - per , 99,9% - per , 99,99% - per ).

Figura 7. Filtraggio di un segnale PWM con un filtro passa-basso ideale e reale

Figura 8. Isolamento della componente CC di un segnale PWM utilizzando

Filtro passa basso del primo ordine

Potrebbe essere più efficace utilizzare filtri con la stessa frequenza di taglio, ma di ordine superiore. Rispetto ai filtri passa-basso del primo ordine, tali filtri hanno un'attenuazione della risposta in frequenza più ripida e quindi forniscono una migliore soppressione dei componenti ad alta frequenza. In questo caso, il tempo del processo di transizione quando si modifica il ciclo di lavoro del segnale PWM aumenta leggermente. La Figura 9 mostra un circuito che utilizza un filtro passa-basso Butterworth attivo del 3° ordine implementato sulla base di amplificatori operazionali (file PWM003.ckt). La sorgente di tensione V1 è la sorgente del segnale PWM e le sorgenti di tensione V2 e V3 vengono utilizzate per alimentare gli amplificatori operazionali del filtro attivo. (Per la documentazione tecnica completa per l'amplificatore operazionale MCP604, consultare il file mcp604.pdf).

Diamo un'occhiata a cos'è PWM o PWM. E inoltre, qual è la differenza tra PWM e WIDTH. L'algoritmo di modulazione dell'ampiezza dell'impulso viene utilizzato per modificare gradualmente la potenza del carico proveniente dalla fonte di alimentazione. Ad esempio, per regolare la velocità di rotazione dell'albero motore; fluidità dei cambiamenti nella luminosità dell'illuminazione o della retroilluminazione. Un'ampia area separata di applicazione PWM è quella degli alimentatori a commutazione e degli inverter autonomi.

Per alimentare un carico è spesso necessario modificare la tensione fornita dalla fonte di alimentazione. In linea di principio si possono distinguere due metodi di regolazione della tensione: lineare e pulsato.

Un esempio del metodo lineare sarebbe. In questo caso, una parte significativa della potenza viene persa attraverso il resistore. Maggiore è la differenza di tensione tra la fonte di alimentazione e il consumatore, maggiore è la perdita di potenza, che semplicemente “brucia” sul resistore, trasformandosi in calore. Pertanto, è razionale utilizzare il metodo di controllo lineare solo quando c'è una piccola differenza tra le tensioni di ingresso e di uscita. Altrimenti, l’efficienza dell’intero alimentatore sarà molto bassa.

Nella moderna tecnologia dei convertitori viene utilizzata prevalentemente la regolazione della potenza a impulsi sul carico. Uno dei modi per implementare la regolazione degli impulsi è modulazione di larghezza di impulso PWM . Nella letteratura inglese PWM – modulazione di larghezza di impulso .

Principio del controllo degli impulsi

Gli elementi principali di qualsiasi tipo di regolatore di potenza a commutazione sono interruttori a semiconduttore: transistor o tiristori. Nella sua forma più semplice, il circuito di un alimentatore switching è il seguente. Sorgente di tensione costante Uip chiave K collegato al carico N. Chiave A commuta ad una certa frequenza e rimane acceso per un certo periodo di tempo. Per semplificare il diagramma, non rappresento su di esso altri elementi richiesti. In questo contesto, siamo interessati solo al funzionamento della chiave A.

Per comprendere il principio PWM, utilizzeremo il grafico seguente. Dividiamo l'asse del tempo in intervalli uguali, chiamati periodo T. Ora, ad esempio, chiuderemo la chiave per metà periodo K. Quando la chiave è chiusa, al carico N la tensione è fornita dal generatore Uip. La seconda parte del semiciclo della chiave è nello stato chiuso. E il consumatore rimarrà senza potere.

Viene chiamato il tempo durante il quale la chiave è chiusa tempo di impulso t . E viene chiamata la durata della chiave aperta tempo di pausa tп . Se misuri la tensione ai capi del carico, sarà pari alla metà Uip.

La tensione media sul carico può essere espressa dalla seguente relazione:

Uav.n = Uip ti/T.

Rapporto tempo-impulso t e al periodo T chiamato ciclo di lavoro D . E il suo reciproco si chiama ciclo di lavoro :

S = 1/D = T/ti.

In pratica è più conveniente utilizzare il fattore di riempimento, che spesso viene espresso in percentuale. Quando il transistor è completamente aperto per tutto il tempo, il ciclo di lavoro D è pari a 1 o 100%.

Se D = 50%, ciò significa che metà del tempo durante il periodo il transistor è nello stato aperto e metà nello stato chiuso. In questo caso la forma del segnale è chiamata onda quadra.
Pertanto, modificando il coefficiente D da 0 a unità o al 100%, è possibile modificare il valore di Uav.n da 0 a Uip:

Uav.n = Uip∙D.

E regolare di conseguenza la quantità di potenza fornita:

Pav.n = Pip∙D.

Nella letteratura occidentale, non esiste praticamente alcuna distinzione tra i concetti di regolazione dell'ampiezza dell'impulso del WID e modulazione dell'ampiezza dell'impulso del PWM. Tuttavia, abbiamo ancora una differenza tra loro.

Al giorno d'oggi molti microcircuiti, soprattutto quelli utilizzati nei convertitori DC-DC, implementano il principio WID. Ma allo stesso tempo vengono chiamati controller PWM. Pertanto, ora non c'è praticamente alcuna differenza di nome tra questi due metodi.

In ogni caso, per formare una certa durata dell'impulso fornito alla base del transistor e aprire quest'ultimo, vengono utilizzate sorgenti di tensione di riferimento e di impostazione, nonché un comparatore.
Consideriamo un circuito semplificato in cui la batteria GB alimenta in modo pulsato l'utenza Rн attraverso il transistor VT. Dirò subito che in questo circuito non ho utilizzato specificamente gli elementi necessari per il funzionamento del circuito: un condensatore, un induttore e un diodo. Questo viene fatto per semplificare la comprensione del funzionamento del PWM e non dell'intero convertitore.

Per dirla semplicemente, un comparatore ha tre terminali: due ingressi e un'uscita. Il comparatore funziona come segue. Se il valore della tensione sul pin di ingresso “+” (ingresso non invertente) è superiore a quello sull'ingresso “-” (ingresso invertente), l'uscita del comparatore sarà un segnale di alto livello. Altrimenti - livello basso.

Nel nostro caso, è il segnale di alto livello che apre il transistor VT. Consideriamo come si forma la durata dell'impulso richiesta ti. Per fare ciò utilizzeremo il seguente grafico.

Con WID, un segnale a dente di sega di una determinata frequenza viene fornito a un ingresso del comparatore. Viene anche chiamato supporto. Il secondo ingresso viene alimentato con una tensione di riferimento, che viene confrontata con la tensione di riferimento. Come risultato del confronto, all'uscita del comparatore si forma un impulso di durata adeguata.

Se è presente un segnale di riferimento sull'ingresso non invertente del comparatore, si verificherà prima una pausa e poi un impulso. Se un segnale master viene applicato all'ingresso non invertente, si sentirà prima un impulso, poi una pausa.

Pertanto, modificando il valore del segnale specificato, è possibile modificare il ciclo di lavoro e, di conseguenza, la tensione media sul carico.

Si sforzano di massimizzare la frequenza del segnale di riferimento al fine di ridurre i parametri delle induttanze e dei condensatori (non mostrati nello schema). Quest'ultimo porta ad una riduzione del peso e delle dimensioni dell'alimentatore switching.

PWM – modulazione della larghezza di impulso

Il PWM viene utilizzato prevalentemente per generare un segnale sinusoidale. Il PWM viene spesso utilizzato per controllare il funzionamento di un convertitore inverter. L'inverter è progettato per convertire l'energia CC in energia CA.

Consideriamo lo schema più semplice.

Ad un certo punto, una coppia di transistor VT1 e VT3 si apre. Viene creato un percorso per il flusso di corrente dalla batteria GB attraverso il carico attivo-induttivo RnLn. Nel momento successivo, VT1 e VT3 sono bloccati e i transistor diagonalmente opposti VT2 e VT4 sono aperti. Ora la corrente scorre dalla batteria attraverso RnLn nella direzione opposta. Pertanto, la corrente attraverso il carico cambia direzione ed è quindi variabile. Come puoi vedere, la corrente di carico non è sinusoidale. Pertanto, il PWM viene utilizzato per ottenere una forma d'onda di corrente sinusoidale.

Esistono diversi tipi di PWM: unipolare, bipolare, unidirezionale, bidirezionale. Qui non ci soffermeremo su ogni tipologia specifica, ma considereremo l'approccio generale.

Una sinusoide viene utilizzata come segnale modulante e un segnale triangolare viene utilizzato come segnale di riferimento. Come risultato del confronto di questi segnali, si formano le durate degli impulsi e delle pause (grafico inferiore), che controllano il funzionamento dei transistor VT1...VT4.

Si noti che l'ampiezza della tensione sul carico è sempre uguale all'ampiezza dell'alimentatore. Anche il periodo di ripetizione degli impulsi rimane invariato. Cambia solo l'ampiezza dell'impulso di apertura. Pertanto, quando è collegato un carico, la corrente che lo attraversa avrà una forma sinusoidale (mostrata dalla linea tratteggiata nel grafico inferiore).

Quindi, la differenza principale tra WIDTH e PWM è che con il controllo dell'ampiezza dell'impulso, i tempi di impulso e di pausa rimangono costanti. E con la modulazione dell'ampiezza dell'impulso, la durata degli impulsi e delle pause cambia, il che rende possibile realizzare un segnale di uscita di una determinata forma.

In precedenza, per alimentare i dispositivi, veniva utilizzato un circuito con un trasformatore step-down (o step-up o multi-avvolgimento), un ponte a diodi e un filtro per attenuare le increspature. Per la stabilizzazione sono stati utilizzati circuiti lineari che utilizzano stabilizzatori parametrici o integrati. Lo svantaggio principale era la bassa efficienza, il peso e le dimensioni elevati dei potenti alimentatori.

Tutti i moderni elettrodomestici utilizzano alimentatori a commutazione (UPS, IPS - la stessa cosa). La maggior parte di questi alimentatori utilizza un controller PWM come elemento di controllo principale. In questo articolo ne vedremo la struttura e lo scopo.

Definizione e principali vantaggi

Un controller PWM è un dispositivo che contiene una serie di soluzioni circuitali per il controllo degli interruttori di alimentazione. In questo caso, il controllo avviene sulla base delle informazioni ricevute attraverso i circuiti di retroazione di corrente o tensione: ciò è necessario per stabilizzare i parametri di uscita.

A volte i generatori di impulsi PWM sono chiamati controller PWM, ma non hanno la capacità di collegare circuiti di feedback e sono più adatti per i regolatori di tensione che per fornire alimentazione stabile ai dispositivi. Tuttavia, nella letteratura e nei portali Internet si possono spesso trovare nomi come "controller PWM, su NE555" o "... su Arduino" - questo non è del tutto vero per i motivi sopra indicati, possono essere utilizzati solo per regolare i parametri di uscita, ma non per stabilizzarli.

L'abbreviazione "PWM" sta per modulazione dell'ampiezza dell'impulso: questo è uno dei metodi per modulare un segnale non dovuto alla tensione di uscita, ma proprio modificando l'ampiezza dell'impulso.

Di conseguenza, attraverso l'integrazione degli impulsi tramite circuiti C o LC, si forma un segnale simulato, quindi tramite livellamento.

Conclusione: un controller PWM è un dispositivo che controlla un segnale PWM.

Caratteristiche principali

Per un segnale PWM si possono distinguere due caratteristiche principali:

1. Frequenza degli impulsi: la frequenza operativa del convertitore dipende da questo. Le frequenze tipiche sono superiori a 20 kHz, in effetti 40-100 kHz.

2. Fattore di lavoro e ciclo di lavoro. Queste sono due quantità adiacenti che caratterizzano la stessa cosa. Il ciclo di lavoro può essere indicato con la lettera S e il ciclo di lavoro con D.

dove T è il periodo del segnale,

La parte di tempo dal periodo in cui viene generato un segnale di controllo all'uscita del controller è sempre inferiore a 1. Il ciclo di lavoro è sempre maggiore di 1. Ad una frequenza di 100 kHz, il periodo del segnale è 10 μs e l'interruttore è aperto per 2,5 μs, quindi il ciclo di lavoro è 0,25, in percentuale - 25%, e il ciclo di lavoro è 4.

È anche importante considerare la progettazione interna e lo scopo del numero di chiavi gestite.

Differenze rispetto agli schemi a perdita lineare

Diciamo che la tensione livellata dopo il ponte a diodi è 15 V, la corrente di carico è 1 A. È necessario procurarsi un alimentatore stabilizzato a 12V. In effetti, uno stabilizzatore lineare è una resistenza che cambia il suo valore in base alla tensione di ingresso per ottenere un'uscita nominale - con piccole deviazioni (frazioni di volt) quando cambia l'ingresso (unità e decine di volt).

Come è noto, i resistori rilasciano energia termica quando sono attraversati da corrente elettrica. Lo stesso processo avviene sugli stabilizzatori lineari. La potenza assegnata sarà pari a:

Ploss=(Uin-Uout)*I

Poiché nell'esempio considerato la corrente di carico è 1 A, la tensione di ingresso è 15 V e la tensione di uscita è 12 V, calcoleremo le perdite e l'efficienza dello stabilizzatore lineare (KRENK o tipo L7812):

Perdita=(15V-12V)*1A = 3V*1A = 3W

Allora l’efficienza è pari a:

n=Puseful/Pconsumato

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

La caratteristica principale del PWM è che l'elemento di potenza, sia esso un MOSFET, è completamente aperto o completamente chiuso e non vi scorre alcuna corrente. Pertanto, le perdite di efficienza sono dovute solo alle perdite di conduttività

E perdite di commutazione. Questo è un argomento per un articolo separato, quindi non ci soffermeremo su questo problema. Inoltre, si verificano perdite nell'alimentatore (in ingresso e in uscita, se l'alimentatore è alimentato dalla rete), nonché sui conduttori, sugli elementi filtranti passivi, ecc.

Struttura generale

Consideriamo la struttura generale di un controller PWM astratto. Ho usato la parola “astratto” perché, in generale, sono tutti simili, ma la loro funzionalità può comunque differire entro certi limiti, e la struttura e le conclusioni differiranno di conseguenza.

All'interno del controller PWM, come qualsiasi altro circuito integrato, è presente un cristallo semiconduttore su cui si trova un circuito complesso. Il controllore comprende le seguenti unità funzionali:

1. Generatore di impulsi.

2. Sorgente di tensione di riferimento. (ION)

3. Circuiti per l'elaborazione del segnale di feedback (OS): amplificatore di errore, comparatore.

4. Controlli del generatore di impulsi transistor incorporati, progettati per controllare uno o più tasti di accensione.

Il numero di interruttori di alimentazione che un controller PWM può controllare dipende dal suo scopo. I convertitori flyback più semplici nel loro circuito contengono 1 interruttore di alimentazione, circuiti a mezzo ponte (push-pull) - 2 interruttori, circuiti a ponte - 4.

La scelta del controller PWM dipende anche dal tipo di chiave. Per controllare un transistor bipolare, il requisito principale è che la corrente di controllo in uscita del controller PWM non sia inferiore alla corrente del transistor divisa per H21e, in modo che possa essere acceso e spento semplicemente inviando impulsi alla base. In questo caso, la maggior parte dei controller andrà bene.

Nel caso della gestione, ci sono alcune sfumature. Per uno spegnimento rapido è necessario scaricare la capacità del gate. Per fare ciò, il circuito di uscita del gate è costituito da due tasti: uno di essi è collegato all'alimentazione tramite il pin IC e controlla il gate (accende il transistor), mentre il secondo è installato tra l'uscita e la terra, quando è necessario spegnere il transistor di potenza: il primo tasto si chiude, il secondo si apre, chiudendo l'otturatore a terra e scaricandolo.

Interessante:

Alcuni controller PWM per alimentatori a bassa potenza (fino a 50 W) non utilizzano interruttori di alimentazione integrati o esterni. Esempio: 5l0830R

In generale, un controller PWM può essere rappresentato come un comparatore, a un ingresso del quale viene fornito un segnale dal circuito di retroazione (FC), mentre al secondo ingresso viene fornito un segnale di variazione del dente di sega. Quando il segnale a dente di sega raggiunge e supera in grandezza il segnale OS, un impulso appare all'uscita del comparatore.

Quando cambiano i segnali sugli ingressi, cambia l'ampiezza dell'impulso. Supponiamo che tu abbia collegato un potente consumatore all'alimentatore e che la tensione alla sua uscita diminuisca, quindi anche la tensione del sistema operativo diminuirà. Quindi, per la maggior parte del periodo, il segnale a dente di sega supererà il segnale di feedback e l'ampiezza dell'impulso aumenterà. Tutto quanto sopra si riflette in una certa misura nei grafici.

Schema funzionale di un controller PWM utilizzando come esempio il TL494 lo vedremo più in dettaglio in seguito. Lo scopo dei pin e dei singoli nodi è descritto nel sottotitolo successivo.

Assegnazione dei pin

I controller PWM sono disponibili in vari pacchetti. Possono avere da tre a 16 o più conclusioni. Di conseguenza, la flessibilità di utilizzo del controller dipende dal numero di pin, o meglio dal loro scopo. Ad esempio, un microcircuito popolare ha molto spesso 8 pin e uno ancora più iconico ne ha TL494- 16 o 24.

Pertanto, diamo un'occhiata ai tipici nomi dei pin e al loro scopo:

GND- il terminale comune è collegato al negativo del circuito oppure a massa.

Uc(Vc)- alimentazione del microcircuito.

Ucc (Vss, Vcc)- Uscita per il controllo della potenza. Se la potenza diminuisce, è possibile che gli interruttori di alimentazione non si aprano completamente e, per questo motivo, inizieranno a riscaldarsi e a bruciarsi. L'uscita è necessaria per disabilitare il controller in una situazione del genere.

FUORI- come suggerisce il nome, questo è l'output del controller. Qui viene emesso il segnale PWM di controllo per gli interruttori di potenza. Abbiamo accennato in precedenza che i convertitori di topologie diverse hanno numeri di chiavi diversi. Il nome del pin può variare a seconda di ciò. Ad esempio, nei controller a mezzo ponte può essere chiamato HO e LO rispettivamente per gli interruttori alto e basso. In questo caso, l'uscita può essere single-ended o push-pull (con un interruttore e due) - per controllare i transistor ad effetto di campo (vedere la spiegazione sopra). Ma il controller stesso può essere per circuiti a ciclo singolo e push-pull, rispettivamente con uno e due pin di uscita. Questo è importante.

Vref- tensione di riferimento, solitamente collegata a terra tramite un piccolo condensatore (unità di microfarad).

ILIM- segnale dal sensore di corrente. Necessario per limitare la corrente di uscita. Si collega ai circuiti di feedback.

ILIMREF- su di esso viene impostata la tensione di attivazione della gamba ILIM

SS- viene generato un segnale per un avvio graduale del controller. Progettato per una transizione graduale alla modalità nominale. Tra esso e il filo comune è installato un condensatore per garantire un avvio regolare.

RtCt- terminali per il collegamento di un circuito RC di temporizzazione, che determina la frequenza del segnale PWM.

OROLOGIO- impulsi di clock per sincronizzare più controller PWM tra loro, quindi il circuito RC è collegato solo al controller master e gli slave RT con Vref, gli slave CT sono collegati a quello comune.

RAMPAè l'input di confronto. Ad esso viene applicata una tensione a dente di sega, ad esempio dal pin Ct. Quando supera il valore di tensione sull'uscita dell'amplificazione dell'errore, su OUT appare un impulso di spegnimento, la base per la regolazione PWM.

INV e NONINV- questi sono gli ingressi invertenti e non invertenti del comparatore su cui è costruito l'amplificatore di errore. In parole semplici: maggiore è la tensione su INV, più lunghi saranno gli impulsi in uscita e viceversa. Ad esso è collegato il segnale proveniente dal partitore di tensione nel circuito di retroazione dall'uscita. Quindi l'ingresso non invertente NONINV è collegato al filo comune - GND.

EAOUT o uscita dell'amplificatore di errore russo. Uscita dell'amplificatore di errore. Nonostante siano presenti ingressi dell'amplificatore di errore e con il loro aiuto, in linea di principio, è possibile regolare i parametri di uscita, ma il controller reagisce piuttosto lentamente. A causa di una risposta lenta, il circuito potrebbe eccitarsi e guastarsi. Pertanto, i segnali vengono forniti da questo pin attraverso circuiti dipendenti dalla frequenza all'INV. Questa è anche chiamata correzione della frequenza dell'amplificatore di errore.

Esempi di dispositivi reali

Per consolidare le informazioni, diamo un'occhiata ad alcuni esempi di tipici controller PWM e ai relativi circuiti di connessione. Lo faremo usando l'esempio di due microcircuiti:

TL494 (i suoi analoghi: KA7500B, KR1114EU4, Sharp IR3M02, UA494, Fujitsu MB3759);

Sono utilizzati attivamente. A proposito, questi alimentatori hanno una potenza considerevole (100 W o più sul bus a 12 V). Spesso utilizzato come donatore per la conversione in un alimentatore da laboratorio o in un potente caricabatterie universale, ad esempio per le batterie delle automobili.

TL494 - recensione

Cominciamo con il 494esimo chip. Le sue caratteristiche tecniche:

In questo esempio particolare, puoi vedere la maggior parte dei risultati descritti sopra:

1. Ingresso non invertente del primo comparatore di errori

2. Inversione dell'ingresso del primo comparatore di errori

3. Ingresso feedback

4. Ingresso regolazione tempo morto

5. Terminale per il collegamento di un condensatore di temporizzazione esterno

6. Uscita per il collegamento di un resistore di temporizzazione

7. Pin comune del microcircuito, meno alimentazione

8. Terminale collettore del primo transistor di uscita

9. Terminale di emettitore del primo transistor di uscita

10. Terminale di emettitore del secondo transistor di uscita

11. Terminale collettore del secondo transistor di uscita

12. Ingresso tensione di alimentazione

13. Ingresso per la selezione della modalità di funzionamento a ciclo singolo o push-pull del microcircuito

14. Uscita di riferimento integrata da 5 volt

15. Inversione dell'ingresso del secondo comparatore di errori

16. Ingresso non invertente del secondo comparatore di errori

La figura seguente mostra un esempio di alimentatore per computer basato su questo chip.

UC3843 - revisione

Un altro PWM popolare è il chip 3843: su di esso sono costruiti anche computer e altri alimentatori. La sua piedinatura si trova più in basso, come puoi vedere, ha solo 8 pin, ma svolge le stesse funzioni dell'IC precedente.

Interessante:

Esistono UC3843 in una custodia a 14 gambe, ma sono molto meno comuni. Prestare attenzione ai contrassegni: i pin aggiuntivi sono duplicati o non utilizzati (NC).

Decifriamo lo scopo delle conclusioni:

1. Ingresso comparatore (amplificatore di errore).

2. Ingresso tensione di feedback. Questa tensione viene confrontata con la tensione di riferimento all'interno dell'IC.

3. Sensore di corrente. È collegato a un resistore situato tra il transistor di potenza e il filo comune. Necessario per la protezione da sovraccarico.

4. Circuito RC di temporizzazione. Con il suo aiuto, viene impostata la frequenza operativa dell'IC.

6. Esci. Tensione di controllo. Collegato al gate del transistor, ecco uno stadio di uscita push-pull per controllare un convertitore single-ended (un transistor), che può essere visto nella figura seguente.

Tipi Buck, Boost e Buck-Boost.

Forse uno degli esempi di maggior successo sarà il diffuso microcircuito LM2596, sulla base del quale è possibile trovare molti convertitori sul mercato, come mostrato di seguito.

Un tale microcircuito contiene tutte le soluzioni tecniche sopra descritte e inoltre, al posto dello stadio di uscita sugli interruttori a bassa potenza, ha un interruttore di alimentazione integrato in grado di sopportare una corrente fino a 3 A. La struttura interna di tale convertitore è mostrata di seguito.

Puoi star certo che in sostanza non ci sono differenze particolari rispetto a quelle discusse in esso.

Ma ecco un esempio su un controller del genere, come puoi vedere, non c'è un interruttore di alimentazione, ma solo un microcircuito 5L0380R con quattro pin. Ne consegue che in alcuni compiti i complessi circuiti e la flessibilità del TL494 semplicemente non sono necessari. Questo vale per gli alimentatori a bassa potenza, dove non esistono requisiti speciali per rumore e interferenze e l'ondulazione in uscita può essere soppressa con un filtro LC. Si tratta di un alimentatore per strisce LED, laptop, lettori DVD, ecc.

Conclusione

All'inizio dell'articolo si diceva che un controller PWM è un dispositivo che simula il valore medio della tensione modificando l'ampiezza dell'impulso in base al segnale proveniente dal circuito di feedback. Noto che i nomi e le classificazioni di ciascun autore sono spesso diversi; a volte un controller PWM è chiamato semplice regolatore di tensione PWM e la famiglia di microcircuiti elettronici descritta in questo articolo è chiamata "Sottosistema integrato per convertitori stabilizzati a impulsi". Il nome non cambia l'essenza, ma nascono controversie e incomprensioni.

Quando ci imbattiamo in una parola o un concetto sconosciuto in qualche letteratura, vogliamo scoprirne rapidamente la definizione. Conoscere definizione precisaÈ possibile tracciare ulteriormente la portata e le modalità di applicazione del personaggio principale di un particolare concetto. Oggi daremo uno sguardo più da vicino a un concetto come un controller PWM.

Il concetto di Shima

Prima di definire la frase menzionata, dovresti scoprire o semplicemente ricordare a te stesso il principio di riscaldamento dei componenti di potenza di un circuito radio. La loro essenza sta nel funzionamento di diverse modalità di commutazione. Tutti i componenti di energia elettrica in tali circuiti radio sono sempre in due stati. Il primo è aperto e il secondo è rivelato. Qual è la differenza tra queste due condizioni? Nel primo caso il componente ha corrente nulla. Nella seconda il componente ha un valore di tensione pari a zero. Il risultato finale dell'interazione dei componenti dell'energia elettrica con la tensione richiesta può essere considerato la ricezione di un segnale della forma necessaria secondo le regole stabilite.

Uno spessore è un modulatore speciale progettato per controllare il tempo di apertura di un interruttore di alimentazione. Il tempo per l'apertura della chiave viene impostato tenendo conto della tensione ricevuta. Ottenere opzione ideale l'elaborazione di un segnale è possibile solo se il segnale ha attraversato senza difficoltà tutte le fasi necessarie prima di essere convertito. Quali sono queste fasi e in cosa consiste la formazione di un tale segnale?

Caratteristiche del controller PWM

Il processo di creazione dei segnali di spessore è molto difficile. Per facilitare questo processo sono stati inventati microcircuiti speciali. Sono i microcircuiti coinvolti nella formazione dei segnali PWM che sono chiamati controller PWM. La loro esistenza nella maggior parte dei casi aiuta a risolvere completamente il problema con la formazione di segnali a impulsi ampi. Per comprendere più facilmente la missione ed il significato del controllore di spessore è necessario familiarizzare con le caratteristiche della sua struttura. Oggi è noto che qualsiasi controller PWM utilizzato attivamente nell'elettronica ha i seguenti componenti:

Potenza in uscita. Ha una grande responsabilità per l'alimentazione elettrica di tutti i circuiti esistenti. Spesso Il pin di alimentazione viene confuso con il pin di controllo dell'alimentazione. È importante sapere che, nonostante le parole simili nel nome, questi due concetti hanno caratteristiche completamente diverse. Ciò dimostrerà ancora una volta chiaramente la tua familiarità con il pin di controllo della potenza.
Perno di controllo della potenza. Questo componente del microcircuito monitora lo stato degli indicatori di tensione direttamente sul pin del microcircuito. Il compito principale dell'uscita di controllo della potenza è impedire il superamento del livello di progetto. C'è un pericolo serio, vale a dire riduzione della tensione in uscita. Se la tensione viene ridotta, i transistor iniziano ad aprirsi a metà. A causa dell'apertura incompleta si riscaldano rapidamente e alla fine possono guastarsi rapidamente. Ecco perché tensione moderata- questa è la chiave per il funzionamento a lungo termine dei transistor nei controller PWM.
uscita generale. Il terzo elemento principale dello schema ha la forma di una gamba. Questa gamba, a sua volta, è collegata al filo comune del circuito, che è responsabile dell'alimentazione dell'intero sistema.

Tutti e tre i componenti sono molto importanti. Se almeno uno degli elementi fallisce per qualche motivo, le prestazioni dell'intero microcircuito si deteriorano notevolmente o si ferma completamente.

Sistemi di gestione dei trucioli

È importante sapere non solo di cosa sono fatti i chip del controller PWM, ma anche quali tipi di sistemi esistono. Attualmente esistono due principali sistemi di modulazione degli impulsi ampiamente disponibili in cui il controllo PWM prende parte attiva. Ecco alcune delle loro caratteristiche:

Ma puoi ottenere il segnale desiderato in uscita utilizzando sia metodi software che hardware.

Metodo hardware. Il segnale viene ricevuto in questo modo utilizzando un timer speciale, inizialmente integrato nel sistema digitale. Un tale timer genera o facilita l'inclusione di impulsi in determinate fasi dell'uscita del segnale.

Metodo software. In questo caso, i segnali vengono ricevuti eseguendo speciali comandi software. Il metodo software ha più opzioni rispetto all'hardware. Allo stesso tempo, l'utilizzo di questo metodo di ricezione dei segnali può richiedere molta memoria.

Cosa possiamo dire del “cuore del sistema”. Il controller shim, utilizzato attivamente nei modulatori digitali, ha i suoi vantaggi. Vale la pena ricordare quanto segue:

Basso costo.
Lavoro stabile.
Alta affidabilità.
Possibilità di risparmiare energia.
elevata efficienza di conversione del segnale.

Tutti questi vantaggi rendono il sistema digitale più popolare tra i consumatori.

Modulatore analogico. Il principio di funzionamento di un modulatore analogico è fondamentalmente diverso dal principio di funzionamento di uno digitale. L'intera essenza del funzionamento di un tale modulatore è confrontare due segnali. Questi segnali differiscono nell'ordine di frequenza. L'amplificatore operazionale è l'elemento principale del modulatore analogico, responsabile del confronto dei segnali. Il confronto dei segnali viene effettuato sull'uscita. L'amplificatore utilizza due segnali come confronto. Il primo è una tensione a dente di sega ad alta frequenza. Il secondo segnale è la tensione a bassa frequenza. Dopo il confronto compaiono impulsi rettangolari. La durata degli impulsi dipende direttamente dal segnale modulante.

Controller PWM negli alimentatori switching

Molti apparecchi elettrici oggi sono dotati di alimentatori speciali. Questi blocchi aiutano a trasformare un tipo di tensione in un altro. IN Due dispositivi prendono parte al processo di conversione dell'energia:

Commutazione dell'alimentazione.
dispositivi trasformatori analogici.

In questo articolo presteremo maggiore attenzione al primo dispositivo, poiché è quello che utilizza il controller PWM.

Schema di funzionamento di un alimentatore switching

Questo dispositivo è nato solo pochi decenni fa. Tuttavia, è già diventato popolare e richiesto. Commutazione dell'alimentazioneè costituito dalle seguenti parti:

Filtrare la condensa.
Transistor di potenza chiave.
Un raddrizzatore di rete composto da diversi elementi.
Diodi raddrizzatori del sistema di uscita.
Induttanze di potenza. L'induttanza aiuta a correggere la tensione risultante.
Commutazione dell'alimentazione. È da qui che la tensione viene convertita in un circuito di potenza.
Circuiti di controllo della tensione di uscita.
Contenitore del filtro di stoccaggio;
accoppiatore ottico;
Oscillatore principale.
circuiti di feedback.

Conoscendo la composizione dell'unità a impulsi, dovresti familiarizzare con il principio del suo funzionamento.

Principio di funzionamento dell'unità ad impulsi

Principio di funzionamento dell'unità ad impulsi consiste nell'erogare una tensione di alimentazione stabilizzata basata sul principio dell'interazione tra gli elementi di un sistema inerte. Ecco i passaggi passo passo che dimostrano chiaramente l'essenza dell'attività di un tale alimentatore:

Trasferimento della tensione di rete al raddrizzatore (effettuato utilizzando cavi speciali).
Utilizzando un filtro raddrizzatore, la tensione viene livellata. Anche i condensatori prendono parte a questo processo.
Con l'aiuto di un ponte di ingresso a diodi, le sinusoidi vengono raddrizzate. Successivamente, con la partecipazione di un sistema a transistor, i sinusoidi che passano devono essere convertiti in impulsi ad alta frequenza. Spesso gli impulsi hanno forma rettangolare.

Ma sorge la domanda: quale ruolo svolgono i controller PWM nell'unità a impulsi? Cercheremo di rispondere nel prossimo sottotitolo.

Il ruolo del controller dello spessore nel funzionamento dell'unità a impulsi

I controller PWM svolgono un ruolo importante nel blocco degli impulsi. È responsabile dei processi associati alla modulazione dell'ampiezza dell'impulso. Il controller PWM favorisce la generazione di impulsi che hanno la stessa frequenza, ma allo stesso tempo durate di commutazione diverse. Tutti gli impulsi forniti corrispondono ad una determinata unità logica. Gli impulsi non solo hanno la stessa frequenza, ma anche la stessa ampiezza. Durata del funzionamento di un'unità logica potrebbe cambiare durante il suo funzionamento. Tali modifiche aiutano a gestire al meglio il funzionamento del sistema elettronico.

Pertanto, il controller PWM è una delle catene importanti coinvolte nel funzionamento dell'unità a impulsi. In alcune tipologie, oltre al controller PWM, il buon funzionamento dell'alimentatore è assicurato da un trasformatore di impulsi e da una speciale cascata di interruttori di potenza.

In quali ambiti vengono utilizzati gli alimentatori switching? Innanzitutto nell'elettronica. Questo sarà discusso ulteriormente.

Caratteristiche del chip o come può funzionare un laptop

Alimentazione del computer e ruolo del controller PWM in esso Tutti i computer moderni, compresi i laptop, sono dotati di alimentatori a commutazione. Le unità installate in un laptop o in un normale computer contengono un chip controller PWM individuale. Il chip standard è considerato il chip TL494CN.

Prima di tutto vale la pena menzionare il compito principale del chip TL494CN. Quindi, il compito principale del circuito è la modulazione dell'ampiezza dell'impulso. In altre parole, il microcircuito produce impulsi di tensione. Alcuni impulsi sono regolabili, altri no. Il microcircuito fornisce circa 6 modi per emettere segnali. Citiamo alcuni dettagli interessanti di ciascun pin del chip del laptop.

Prima conclusione. Considerato l'ingresso positivo dell'amplificatore del segnale di errore. Il livello di tensione sul primo pin ha un impatto significativo sul funzionamento dei pin successivi. Se la tensione sul secondo pin è bassa, l'uscita dell'amplificatore di errore avrà letture basse. Al contrario, con una tensione maggiore le prestazioni dell'amplificatore di errore aumenteranno.

Seconda conclusione. Il secondo pin è invece un'uscita negativa per l'amplificatore. Qui, gli indicatori di tensione hanno un effetto leggermente diverso sull'amplificatore. Pertanto, ad alta tensione (superiore a quella del primo pin), l'uscita dell'amplificatore ha prestazioni basse. In caso di bassa tensione, l'amplificatore ha dati elevati.

Terza conclusione. Serve come una sorta di punto di contatto. Le variazioni del livello di tensione dipendono dai due diodi dotati dell'amplificatore interno. Quando il livello del segnale cambia su almeno un diodo, cambia il livello di tensione dell'intero amplificatore. In alcuni casi, il terzo pin fornisce la velocità di variazione dell'ampiezza dell'impulso.

Quarta conclusione. In grado di controllare l'intervallo del ciclo di lavoro di tutti gli impulsi di uscita. Il livello della tensione in ingresso nel quarto pin influisce sulla larghezza degli impulsi nel chip del controller PWM.

Quinta conclusione. La quinta conclusione affronta un compito leggermente diverso. Collega il condensatore di anticipo a un dato microcircuito. La capacità del condensato collegato ha un impatto significativo sulla frequenza degli impulsi di uscita del controller PWM.

Sesta conclusione. Serve per collegare un registro di temporizzazione, che influisce anche sulla frequenza.

Tutti questi sei pin contribuiscono all'adempimento del compito principale assegnato al microcircuito del controller PWM: uscita di impulsi con ampia modulazione. E questa azione, a sua volta, influisce sul funzionamento dell'unità a impulsi e quindi sul funzionamento del laptop.

Se lo spessore, il controller fallisce

A volte, i controller del circuito PWM e l'alimentatore (compresi quelli integrati nel laptop) possono rompersi e guastarsi. In questi casi sarà necessario identificare i guasti (in alcuni casi è necessario controllare la fonte di alimentazione, in altri vale la pena controllare il circuito stesso). A questo scopo sono stati sviluppati i multimetri. I multimetri esaminano attentamente le prestazioni Shim: controller e, se necessario, aiutano a eliminare i malfunzionamenti. I motivi più comuni per cui è necessario controllare questi dispositivi sono il funzionamento instabile della scheda e le variazioni nelle letture della tensione. Se li elimini, la tecnica funzionerà.

È conveniente regolare la tensione di alimentazione di potenti consumatori utilizzando regolatori con modulazione di larghezza di impulso. Il vantaggio di tali regolatori è che il transistor di uscita funziona in modalità interruttore, il che significa che ha due stati: aperto o chiuso. È noto che il riscaldamento maggiore del transistor avviene in uno stato semiaperto, il che porta alla necessità di installarlo su un radiatore di ampia area e di preservarlo dal surriscaldamento.

Propongo un semplice circuito regolatore PWM. Il dispositivo è alimentato da una sorgente di tensione costante 12V. Con l'istanza specificata del transistor, può resistere a correnti fino a 10 A.

Consideriamo il funzionamento del dispositivo: un multivibratore con ciclo di lavoro regolabile è assemblato sui transistor VT1 e VT2. La frequenza di ripetizione dell'impulso è di circa 7 kHz. Dal collettore del transistor VT2, gli impulsi vengono inviati al transistor chiave VT3, che controlla il carico. Il ciclo di lavoro è regolato dal resistore variabile R4. Quando il cursore di questo resistore si trova nella posizione estrema sinistra, vedere il diagramma in alto, gli impulsi all'uscita del dispositivo sono stretti, il che indica la potenza di uscita minima del regolatore. Nella posizione estrema destra, vedere il diagramma in basso, gli impulsi sono ampi, il regolatore funziona a piena potenza.

Diagramma del funzionamento PWM in KT1

Utilizzando questo regolatore, è possibile controllare lampade a incandescenza domestiche da 12 V, un motore CC con alloggiamento isolato. Se il regolatore viene utilizzato in un'auto, dove il negativo è collegato alla carrozzeria, il collegamento deve essere effettuato tramite un transistor pnp, come mostrato in figura.
Dettagli: Quasi tutti i transistor a bassa frequenza possono funzionare nel generatore, ad esempio KT315, KT3102. Transistor chiave IRF3205, IRF9530. Possiamo sostituire il transistor pnp P210 con KT825 e il carico può essere collegato a una corrente fino a 20 A!

E in conclusione, va detto che questo regolatore funziona nella mia auto con motore con riscaldamento interno da più di due anni.

Elenco dei radioelementi

Designazione	Tipo	Denominazione	Quantità	Il mio blocco note
VT1, VT2	Transistor bipolare	KTC3198	2	Al blocco note
VT3	Transistor ad effetto di campo	N302AP	1	Al blocco note
C1	Condensatore elettrolitico	220uF 16V	1	Al blocco note
C2, C3	Condensatore	4700 pF	2	Al blocco note
R1, R6	Resistore	4,7 kOhm	2	Al blocco note
R2	Resistore	2,2 kOhm	1	Al blocco note
R3	Resistore	27 kOhm	1	Al blocco note
R4	Resistore variabile	150 kOhm	1	Al blocco note
R5	Resistore